（电力电子与电力传动专业论文）车用异步电机控制技术研究.pdf

a bs t r a c t w i t ht h ed e t e r i o r a t i o no ft h ee n v i r o n m e n t r e s e a r c ho ne l e c t r i c a la u t o m o b i l ei s f l o u r i s h i n g a n do n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb r a n c h e si nt h i sa r e ai st h ec o n t r o ls t r a t e g y o fi n d u c t i o nm o t o r o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i st h e s i s i n t r o d u c e st h eo p t i m i z e dp w m t e c h n o l o g ya n ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r 0 1 r e f e r i n gt o t h es i m u l a t i o no fs y s t e m 晰mm a t l a b s i m u l i n k t h i st h e s i sh a sr e a l i z e dt h ef u l l d i g i t a lc o n t r o ls y s t e m f i r s to fa l l t h i st h e s i sp r o b e si n t ot h ev e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yo fi n d u c t i o n m o t o ri n c l u d i n gt h em a t h e m a t i cm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o ra n dc o o r d i n a t et r a n s f o r m t h i st h e s i sg i v e st h es w i t c ha n g l e so fi n v e r t e ra f t e ra n a l y z i n gt h eo p t i m i z e dp w m t e c h n o l o g y b e s i d e s t h et h e s i sd i s c u s s e st h et h e o r yo fs v p w m a n da p p l yt ot h e c o n t r o ls y s t e mu s i n gt m s 3 2 0 f 2 4 0 t h et h e s i sp r o b e sd e e p l yi n t ot h et r a d i t i o n a ls e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e ma n d t r yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m o nt h eb a s i so ft r a d i t i o n a lc o n t r o l s y s t e m t h i st h e s i si n t r o d u c e san o v e ls e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t ht h e s i m p l i f i e dm r a s f l u xo b s e r v e r f i n a l l y t h i st h e s i sd i s c u s s e ss o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hu s i n gt m s 3 2 0 f 2 4 0 k e y w o r d s v e c t o rc o n t r o l s e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l p w m m a t l a b d s p 声明 本人郑重声明 本人在导师的指导下 独立进行研究工作所取得的成果 撰 写成博士 硕士学位论文 盏 丑曼曼遣壹型控蔓l 垫查堡 f 垂 除论文中已经注 明引用的内容外 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确 方式标明 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或 未公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 学位论文作者签名 f 1 霉砖 沙v 年1 月l 日 州济人学坝i j 学位论义第l 章概论 第1 章概论 1 1 电动汽车的发展概况 随着社会的进步 如何实现可持续发展已经成为经济和科学发展的主题 目 前的汽车大多以内燃机作为发动机 以柴油或汽油作为燃料 在使用过程中排放 大量烟尘和有害气体 造成日益严重的空气污染 同时由于汽油和柴油都是不可 再生的自然资源 如果按现在的使用速度 不久世界上己知的原油储量就将被耗 尽 为此 世界各国都投入大量的人力物力 试图解决这一问题 经过对各种新 燃料 新能源和新动力的探索 电动汽车成为最主要的解决方案之一 采用电动机驱动的电动汽车 与内燃机汽车相比 具有下列优点 1 环保无公害 不排放废气 噪声水平低 2 电动机易于电子控制 可以灵活地改变稳态特性 可简化甚至省去变 速齿轮装置 3 电动机可方便地实现四象限运行 不需要专门的可逆齿轮装置 由于 能产生制动转矩 因而大大减小机械制动磨损 4 电动机旋转对称 运行平稳 振动极小 且不存在使材料产生疲劳的 高温 寿命长 维护工作量小 电动汽车包括纯电动汽车 e ve l e c t r i c a lv e h i c l e 混合电动汽车 h e v h y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e 和燃料电他汽车 f c vf u e lc e l lv e h i c l e 三种形式 它们是理想的零排放或低排放车辆 燃料电池汽车具有极高的效率 低排放 低 噪音 其甲醇燃料有广泛的来源 并具有可再生等重大优势 己成为世界各大汽 车集团新世纪激烈竞争的焦点 被喻为本世纪改变人类生活的十大高科技之首 但产业化仍需要较长的时间 混合动力电动汽车是将新技术和老技术结合的最可 行的产物 它同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点 既具有纯电动汽车 韵高效率和低排放的性能 还具有传统内燃机汽车的行驶里程长和快速补充燃料 的性能 混合电动汽车成为当前解决节能 环保问题切实可行的过渡方案 电动汽车作为绿色环保运输工具 己受到各个汽车发达国家的重视 美 日 德 法等国都制定了相应的发展计划 从各大汽车公司推出的成品车来看 传统 的直流电动其驱动占一定比重 如日本本田公司 采用的直流电动机功率达49 k w 法国的雷诺公司 标致一雪铁龙公司 采用的直流电动机功率从20 一22k w 等 随着电气传动技术的发展 交流感应电动机 交流同步电动机 开关磁阻电 动机的使用呈上升趋势 如西门子公司电动汽车采用的就是交流同步电动机 p r o p u l s e 公司还推出了f r a 2 2 型车辆驱动控制器 全部功能均由微机完成 可控 制最大功率为3 2 k w 的交流电动机 通用汽车公司的s 1 0 型采用的则为交流异步电 同济人学硕i 学位论文第1 章概论 动机 从市场化来看 日本丰田汽车公司率先于1 9 9 7 年1 2 月将混合动力型p r i u s 轿车 投放本国市场 2 0 0 0 年初又开始投放北美市场 并将月产出1 0 0 0 辆提升到月产 2 0 0 0 辆 三年内销售了4 5 万辆 产品出现了供不应求的局面 震动了全球汽车 厂商 该公司董事长奥田宣称 丰田公司所有的各型汽车均将采用混合动力技术 丰田公司计划至r j 2 0 0 5 年时 混合动力汽车达到年产3 0 万辆 丰田的产品专家也宣 称混合动力技术并非权宜之计 其技术寿命将与传统内燃机一样长 国外专家认 为在未来的十年内 可能有4 0 的汽车均将采用混合动力技术 在日本 除了丰田公司以外 本田 日产等大公司也不甘落后 分别研制了 自己的混合动力汽车 并取得了骄人的成绩 其中本田公司己投产i n s i g h t 混合动 力汽车 被美国环保总署评为2 0 0 1 年美国十大节能汽车的第一名 第二名则为丰 田汽车公司的p r i u s 混合动力汽车 美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了混合动力汽车开发合同 启动下 一代汽车台作伙伴 p n g v 项目 迄令己开发出多种形式的混合动力电动汽车 例如克莱斯勒的e s x 3 福特的p 2 0 0 0 通用的g e n z 等 p n g v 顶目在h e v 性能仿 真 汽车集成动力模块等技术领域取得了显著成就 在欧洲 电动汽车的突出代表是法国的b e r l i n g e 在性价比上能与燃油汽车 相抗衡 代表了国际实用先进水平 法国雷诺公司研制的v e r t 和h y m m e 两款 混合动力汽车己进行了1 0 0 0 0 公里的运行试验 德国西门子和博世 b o s c h 等 著名零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力汽车 由于我国的汽车工业的发展与世界其他国家相距甚远 电动车的开发为我国 在新的起点上赶上世界先进水平提供了一个不可多得的大好时机 因此 我国的 电动汽车的研制有重要的意义 在国内 电动汽车技术研究 是国家科委 八五 科技相关项目 在清华大学 的组织下 研制出7 辆1 6 座电动轻型客车 九五 期间 东风汽车公司承担并完 成了国家重大科技攻关项目 电动轿车概念车设计 的整车 b f 研制工作 国 防科技大学机电工程学院成功研制出一种电动汽车 该车主要针对城市公共交通 设计 具有低污染 低噪音 节约能源等较为全面的 绿色环保 概念 运行时速 可达40 6o 公里 小时 车辆总重3 吨 电池采用铅酸电池 充电时间为6 8 d 时 充电后可运行1 5 0 公里 该车驱动系统采用国内最先进的交流驱动系统 在电动 汽车关键技术尤其是混合动力电动汽车方面 很多科研单位也进行了诸如混合方 式和控制策略研究 参数匹配和性能预测研究等前期工作 九五 末期我国在电 动汽车的三大关键技术领域 电池 电机 电控系统 取得突破 科技部己将电 动汽车产业化列为 十五 国家8 6 3 重大科技攻关项目 十五 期问 国家计划投 2 f 司济人学顶上学位论文第1 章概论 入近l o 亿元来支持电动汽车的前瞻性研究 要求混合动力电动汽车实现批量生 产 并通过国家汽车产品型式认证 在 九五 科技攻关计划的推动下 我国开发出多种电控发动机 在电机控制 方面取得了重大突破 电池管理系统的研究取得一定的进展 在传统发动机动力 系统控制方面 如发动机与自动手动变速器构成的动力系统的控制 国内己有一 定的研发基础 国内在纯电动汽车的整车控制器方面积累了一定经验 但控制系 统的结构和功能还有待进一步的调整和完善 在双能量源混合动力电动汽车的自 动控制方面的研究刚刚起步 包括控制算法的研究和控制器的开发 还未有完整 的系统 在混合动力混合方式和控制策略研究 参数匹配方面的研究也刚刚起步 亟待体系的完善 1 2 电力电子器件的发展与现状l z l 电力电子技术是信息流与物质 能量流之间的重要纽带 虽然当前信息技术 和微电子技术正领导着新技术的发展潮流 但只有电力电子学的发展 才能把信 息用来控制物质生产 现在 电力电子技术的发展已经处于成熟期 新型变换技 术不断涌现 在电气传动控制系统中 电力电子器件的作用主要是构成功率变换器 它作 为弱电控制强电的枢纽 起着至关重要的作用 五十年代末第一个普通晶闸管诞 生于美国通用电气实验室 由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交 变电压 取代旋转变频机组实现了变频调速 然而晶闸管属于半控器件 因此由 晶闸管组成的逆变器必须加强迫换相电路 7 0 年代中期 大功率电力晶闸管 g t r 高压大功率栅极可关断晶闸管 g t o 以及电力场效应管 m o s f e t 等器件的相继研制成功 以及这些器件与微处理器的结合使用 使电力电子技术 进入了 自关断器件 的第二阶段 g t r 是一种双极型大功率高反压晶体管 可分为单管 达林顿管和g t r 模块三大系列 其中g t r 模块在大功率开关场合 应用最多 g t o 是一种电流控制型可关断器件 它的关断特性被认为是电力电 子技术的一次突破 m o s f e t 是一种电压控制型器件 具有较高的开关频率 几 百k h z 和较小功率的吸收回路 m o s f e t 输入阻抗高 由于它的通态压降随 器件的阻断电压的提高而迅速升高 因而只应用于高频 低容量场合 即年代以来 微电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合 产 生了一批工作频率高 具有栅极全控功能的功率集成器件 如静电感应晶体管 s i t 绝缘栅双极型晶体管 i g b t 场控晶闸管 m c t 功率集成电路 p i c 集成门极换流晶闸管 i g c t 和智能功率模块 i p m 等 使电力电子技术进 入全新的 高频化 智能化 的第三阶段 s i t 是一种大功率结型场效应晶体管 i 川济人学硕 f 学位论文 第l 章概论 其开关频率相当高 但通态压降较大 最近推出的一种静电感应晶闸管 s i t h 是在s i t 漏极表面加上一层p 型而成 这种器件除了关断电路增益低 还具有类 似g t o 的特性 i g b t 集中了m o s f e t 和g t r 的优点 具有开关损耗小 耐压 高 通态压降低等优点 其模块容量从1 9 9 0 年的i o o m i o o o v 提高到现在的 2 4 0 0 a 3 5 0 0 v i g b t 采用单独驱动模块 使用极为方便 被视为最为理想的电 力电子器件 目前已应用于交流调速的智能功率模块 i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l r i p m 采用i g b t 作为功率开关 含有电流传感器 驱动电路及过载 短路 超 温 欠电压保护电路 实现了信号处理 故障诊断 自我保护等多种智能功能 是功率器件的重要发展方向 1 3p w m 技术的发展与现状例 p w m 控制技术主要是利用半导体开关的导通和关断把直流电压变成电压脉 冲列 并通过控制电压脉冲列的宽度和周期以达到变压目的 p w m 控制是交流 调速系统的控制核心 任何控制算法的最终实现几乎都是以各种p w m 控制方式 完成的 目前已经提出并得到实际应用的p w m 控制方案就不下十几种 关于 p w m 控制技术的文章在很多著名的电力电子国际会议上 如p e s c i e c o n e p e 年会上已形成专题 尤其是微处理器应用于p w m 技术并使之数字化以后 花样不断翻新 从最初追求电压波形的正弦 到电流波形的正弦 再到磁通的正 弦 从效率最优 转矩脉动最少 再到消除噪音等 p w m 控制技术的发展经历 了一个不断创新和不断完善的过程 到目前为止 还有新的方案不断提出 进一 步证明这项技术的研究方兴未艾 1 正弦波p w m s p w m 正弦波p w m 的调制波为正弦波 其脉冲宽度由正弦波和三角载波的自然相 交而成 又称为自然采样 根据采样规则的不同又可分为对称采样和不对称采样 两种 对称采样生成的p w m 脉宽偏小 变频器的输出电压小于 r 2 的输入电 压 不对称采样在一个载波周期内采样两次 该采样更能够真实的反映实际的正 弦波数值 其输出电压比对称采样时输出电压大 但由于采样次数的增加 增大 了微处理器的数据处理量 使微处理器的运算速度降低 因而实际采用平均采样 法 2 准最优p w m 准最优p w m 与正弦波p w m 的不同仅在于调制信号 它是在正弦波p w m 信号生叠加一个三次谐波 使之成为马鞍形波 它的采样时间的选取生成的p w m 脉冲可使变频器输出电压幅值提高1 5 并可大大改善谐波电流损耗和转矩损 4 i 川济人学硕 i j 学位论文 第l 章概论 耗 3 开关损耗最小p w m 但实际应用中 变频器的输出端没有中心点 只有三个自由度 换句话说 此时不考虑相电压 只要输出的三个线电压 如果适当的利用这个多出的自由度 将可得到特性良好的p w m 控制方法 开关损耗最小模式即是利用这一原理来产 生脉冲的 开关损耗最小模式可分为相电压控制方式和线电压控制方式两种 运 用开关损耗最小模式 相对于正弦波p w m 模式 具有以下优点 1 每相功率 晶体管只有2 3 周期在工作 还有1 3 周期处于截止状态 因而可减少l 3 开关 损耗 并使输出线电压仍为正弦波 2 比正弦波p w m 输出电压高1 5 3 谐 波电流得到明显的抑制 4 特定谐波消除法p w m s h e p w m 早在2 0 世纪6 0 年代初 人们就发现 在方波电压中加几次开关动作 就可 以大大削弱某次特定的低次谐波 在选择谐波消去法p w m 控制方式中 可以在 离线情况下预先计算期望的控制模式存放在存储器中 在采用同步式控制时 根 据命令把该存储数据读出 这是一种根据输出电压的数学模型直接确定开关角的 方法 实际已经脱离了正弦波p w m 的范畴 属于一种优化的p w m 方法 这种 方法中基波电压可以超过进线电压 因此电压利用率很高 此外还可以用有限的 开关频率实现系统的高性能 因此在大功率或电流型逆变器中应用较多 其主要 困难是实时控制困难 并且高次谐波的幅值大大增加了 这会引起损耗的增加 近年来 在s h e p w m 的实时控制方面有了相当的进展 时速高达3 0 0 k m 的 e u r o s t a r 电力机车采用了s h e p w m 和感应电机磁场定向控制相结合的技术 具 有优良的动态性能和稳态性能 5 效率最优p w m 技术 e o c 所谓p w m 控制模式的优化是指可消除谐波分量的p w i v i 控制方式 不管采 用哪种方式 p w m 逆变器的输出电压和电流波形中都是逼近正弦波的幅值不等 的矩形波 其基波占有主要成分 但仍存在一系列的高次谐波分量 如果通过提 高载波频率的来消去低次谐波将增加元件的开关次数和损耗 提高了对功率元件 和控制电路的要求 最好的方法是不增加载波频率而能消除所不希望的谐波分 量 效率最优控制技术的基本思想是通过寻找谐波损耗值最小点来确定功率器 件的开关时间 涉及到的关键技术是电机数学模型的确定和初始点的选择 优化 方法以各个工作频率下逆变器的开关角作为变量 在一个正弦波周期中各开关角 的从大到小排列作为约束条件 以谐波损耗作为目标函数 来计算可行域内的最 小损耗的开关角 同济大学硕l 学位论文第l 章概论 6 空间电压矢量p w m s v p w m 空闻电压矢量可描述为当对电机定子绕阻施加三相电压时 三相定子电压合 成为一个在空间旋转的空间电压矢量 气隙磁链以一定的角速度旋转 气隙磁链 运行轨迹为圆形或近似圆形 利用空间电压矢量来研究p w m 逆变器的控制 可 很好地满足电机调压调频控制的需要 空间电压矢量p w m 控制是利用空间电压 矢量原理 将电压矢量在三相坐标轴上投影得到三个电压分量 每一分量分别为 三相电压在某一时刻的瞬时值的大小 利用p w m 逆变器开关管的不同工作状 态 来实现对p w m 逆变器输出电压的控制 图1 1 空间电压矢量图 在空间电压矢量p w m 控制中 以s 瓯 s 的不同取值来表示三相逆变 桥臂的不同工作状态 定义合成电压矢量 一 一 6 口 口2 1 2 r 3 d s d 咒 口 s c 口2j 垒 式中 玑表示逆变器中间直流回路电压幅值 口为旋转因子 口 e 3 对于1 8 0 导通型两电平逆变器 s 既 s 每个变量均具有两种状态0 和 1 三相桥臂开关共有8 个状态 包括6 个非零矢量和2 个零矢量 对应的6 个 非零矢量的运动轨迹为六边形 如图1 1 所示 采用控制电压矢量导通时间的方 法 用多边形磁通轨迹去逼近理想的圆形磁通 或者采用磁通闭环的方式产生 p w m 波形 可有效地改善低速下磁通和电流波形 抑制电机的转矩脉动和噪声 1 4 交流传动技术发展概况 目前电动汽车的驱动系统大体可以分为直流驱动系统和交流驱动系统两类 直流驱动系统采用直流电机作为电动机 具有控制简便 动态性能较好的特点 至今仍然有广泛的应用 但是 由于直流电机换向器的存在 大大降低了系统的 性能 限制了电机的最高转速并且给驱动系统的维护带来了很多问题 因此交流 电机体积小 功率大 效率高 结构简单 易于维护等优点就突现出来 将转子 6 同济人学顾l 学位论文第l 章概论 磁场定向控制的矢量控制应用到电动汽车领域 由于需要速度闭环 通常需要安 装同轴的速度传感器来测速 但是由于精密的速度传感器价格较高 安装复杂 而且电动汽车运行工况较复杂速度传感器很难保证精度 所以将无速度传感器矢 量控制应用到电动汽车领域成为当今的研究热点 按能量转换的角度划分 可把异步电机传动系统分为三类 1 转差功率消 耗型传动系统 如采用定子变电压 转子串电阻等调速方法的交流传动系统 2 转差功率反馈型传动系统 如对绕线式电机采用的串级调速和双馈调速等交流传 动系统 3 转差功率不变型传动系统 如对鼠笼式电机采用的定子变压变频调 速等交流传动系统 1 v f 调速控制 交流电机变压变频的基本控制方式是在基频以下采用恒压频比控制 低频时 抬高定子电压 以补偿定子压降 在基频以上则采用恒压升频控制 相当于直流 电机的弱磁控制 采用电压频率协调控制时 异步电机在不同频率下都能获得较 硬的机械特性 最初开发的交流传动控制系统只依据电机的稳态数学模型 动态 性能不高 但结构简单 成本最低 故在风机 水泵等节能调速系统中得到广泛 的应用 2 滑差频率控制 转速开环的变压变频调速系统可以满足一般平滑调速的要求 但动静态性能 都有限 要提高其性能 首先要用转速反馈的闭环控制 我们知道任何电气传动 自动控制系统都服从基本运动方程式 嚣 要提高调速系统的性能 主要依靠转速的变化率d o 廊 而控制电磁转矩就 能控制d o d t 如果能保持气隙磁通不变 那么在转差很小的情况下 电磁转矩 能近似与转差频率成正比 这时 只要在异步电机中控制转差频率就能达到间接 控制转矩的目的 3 矢量变换控制 矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制 f i e l do r i e n t a t i o nc o n t r 0 1 亦 即把磁场的方向作为坐标轴的基准方向 电动机电流矢量的大小 方向都用瞬时 值来表示 1 9 7 1 年德国学者k h a s s 和f b l a s c h k e 将这一概念形成理论 并以磁 场定向控制的名称发表 矢量控制实际是一种解耦控制 通过坐标变换和其他一 系列的数学运算 将交流电机的定子电流分解为按转子磁链定向的励磁电流分量 7 l 叫济人学硕 l 学位论文第1 章概论 i m 和转矩电流分量 r 通过对这两个电流分量的单独控制 使交流电机像直流 他励电机一样 实现对电磁转矩和磁通的分离控制 由于矢量控制系统基于交流 电机的动态数学模型 因而动态性能好 转矩响应速度快 矢量控制也有其不足之处 1 矢量控制系统的需要3 2 相坐标变换电路 磁通观测器 控制电路复杂 即使引入微处理器 系统简化也不多 2 在转子 磁链定向系统中 其解耦的关键依赖于转子磁链观测的正确性 在对转子磁链的 观测时不可避免的要用到转子参数 其中转子时间常数是一个很不稳定的系数 它随着温度而变化 4 直接转矩控制 直接转矩控制是近些年来继矢量控制之后发展起来的另一种高动态性能的 图1 2 直接转矩控制系统原理图 交流调速系统 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 首先提出直接转矩控制模型 它和矢量控制中采用的解耦控制方法不同 是一种快速的瞬时转差控制方法 它 包括有两层意思 直接转矩控制和对转矩的直接控制 由于采用转矩反馈的内环 控制可以抑制磁链变化对转矩的影响 近似地实现转速与磁链解耦 直接转矩控 制系统正是为突出这一特点 它通过快速改变电机磁场对转子的瞬时转差速度 以直接控制异步电机的转矩和转矩的增长率 获得电机的快速响应 图1 2 给出 了直接转矩控制系统原理图 直接接转矩控制有以下主要特点 1 常用的直接转矩控制系统采用砰一砰 控制 可得到转矩的快速动态响应 2 采用对定子磁链的控制 从而避免了受 转子参数变化的影响 提高了系统的稳定性 3 转矩和定子磁链都采用双位式 的砰一砰控制 省去了矢量控制系统中的线性调节器和旋转坐标变换 使控制结 构大大简化 4 控制过程中输出转矩脉动较大 因而限制了系统的调速范围 5 无速度传感器矢量控制 在高性能的矢量控制系统中 转速的闭环是必不可少的 但是 速度传感器 问济人学硕 l 学位论文第l 章概论 的安装给系统带来如增加成本 安装复杂 增加维护 易受环境影响等种种弊端 由此 人们开始研究无速度传感器的电机转速辨识方法 二十世纪七十年代 a a b b o n d a n t i m i s h i d a 等学者相继提出了无速度传感器的控制方法 但首次将 无速度传感器应用于矢量控制是r j o e t t e n 在1 9 8 3 年完成的 使交流传动技术又 上了一个新台阶 到目前为止提出了许多方法如 动态速度估计器 模型参考自 适应方法 m r a s 基于p i 调节法 自适应转速观测器 转子齿谐波法 高频 注入法 基于人工神经元网络的方法 1 速度推算 转差频率无速度传感器矢量控制转差频率矢量控制 又称间接 磁场定向控制 不需要转子磁链相位信息 控制方式简单 容易实现 其性能基 本接近直接磁场定向矢量控制的水平 为促进转差频率矢量控制向无速度传感器 方面发展 日本明电舍株式会社的山本康弘等人用转矩电流的指令值与定子电流 的转矩分量之差做积分运算得到电机速度 简称速度推算方法 并将其应用于转 差频率矢量控制系统 得到了较好的动态响应性能与稳态性能 这种速度推算方 法非常简单 三相定子电流用霍尔电流传感器检测出后 经过三相到两相的旋转 变换就可以得到定子电流的转矩分量 霍尔电流传感器是变频器本身的基本配 置 因此系统的硬件成本不会显著增加 所以速度推算 转差频率矢量控制技术 能够首先成为具有商业价值的无速度传感器矢量控制技术 2 模型参考自适应 m r a s 无速度传感器矢量控制模型参考这个概念首 先应用于自适应控制 以后又用于系统参数在线实时估计 模型参考自适应辨识 方法所依赖的数学模型常常是线性的 因此 它在线性系统的参数估计上取得了 较大的进展 而对于非线性系统的参数估计 目前的方法还存在局限性 将线性 系统的模型参考自适应辨识方法用于异步电动机的速度估计 有影响的工作是 c s c h a u d e r 提出的异步电动机的自适应速度估计 l0 1 该文把电机速度看作是一个 时变参数 采用并联形式的辨识系统结构 将电压模型作为参考模型 电流模型 作为可调模型 以两个模型的状态输出 转子磁链 作为比较量 采用比例积分自 适应律进行速度估计 状态和速度估计的稳定性由p o p v e 超稳定性理论来保证 为了解决电压模型中纯积分环节引起的积分初值以及积分漂移问题 在两个模型 中同时引入相同的高通滤波器 便可消除纯积分作用 由于所比较的是两个模型 的输出 对这两个模型做同样的修改 理论上不会影响速度估计 以后 p f z h n e g 等人对这种速度估计方法作出了进一步改进 l 其出发点是选择新的参考模型和 可调模型 避免纯积分环节 3 基于卡尔曼滤波器的无速度传感器矢量控制在6 0 年代美国学者卡尔曼 r e k a l m a n 提出了一种最小方差意义上的最优状态估计器 即卡尔曼滤波器 它的突出优点是 能够有效地抑制随机干扰和量测噪声 提高状态估计的精确度 9 h 济人学够ij 二学位论文 第1 章概论 对于线性有限维系统的状态估计问题 卡尔曼滤波器提供了一种精巧的解法 但 是对于非线性系统的状态估计 严格地说它是不适用的l 屹j 以后对卡尔曼滤波 器方法作了一些改进 通过对现时刻状态估计采用线性化逼近的方法克服非线性 的困难 提出了扩展卡尔曼滤波器 e k f 方法 并用于非线性系统的状态估计 一般说来 e k f 不是最优的滤波器 实际上可以把它当作是一种限制复杂性的 滤波器 它被限定为具有与线性系统滤波器类似结构的形式 由于采用了线性逼 近 这种滤波器在具体应用中有可能会发散 与别的方法相比 卡尔曼滤波器具 有以下特点 抑制噪声干扰 提高状态估计准确度 但其计算工作量要大得多 线性化的结果可能引起系统不稳定 甚至发散 卡尔曼滤波器的状态估计精度同 样会受到电机参数变化的影响 即对电机参数的变化不具鲁棒性 4 基于神经网络的无速度传感器矢量控制作为实现智能控制途径之一的人 工神经网络 由于具有自适应 自学习性 与线性系统的自适应控制有许多相似 之处 许多概念和理论从直观上看都可以平移 因此 将神经网络技术引人到参 数估计与系统辨识是很自然的一步 受并联形式模型参考自适应速度估计的启 发 提出用神经网络方法实现感应电动机的速度估计 1 3 1 该文采用修改的并联 模型结构 用神经网络替代电流模型转子磁链观测器 用误差反传算法取代比例 积分自适应律进行速度估计 网络的权值为电机参数 网络的输入 输出具有明 确的物理意义 由于选择的是一个具有明确物理意义的线性神经网络 因此网络 不需要事先离线学习与训练 网络的学习过程就是速度估计过程 且是在线进行 这种方法实际上是利用了神经网络对定量化信息的处理能力 将神经网络方法用 于速度估计 另一个有意义的做法是 用单神经元自适应控制器取代线性比例 积分自适应律进行速度估计 单神经元自适应控制器的作用可以看成是一个变系 数的非线性p i d 调节器 因此在其作用下 状态与速度估计的收敛过程相当快 而系统仍然是稳定的 神经网络理论在交流电气传动控制系统中的应用尚处于起 步阶段 各种方法仍处在不断探索与完善之中 可见预见 随着人工神经网络理 论与应用技术的日益成熟 必定会对交流传动控制产生极大的影响 1 5 论文提要 本文在分析异步电机矢量控制技术原理的基础上 深入研究了控制系统中的 优化p w m 技术的原理和实现方法 探讨了异步电机参数识别技术和无速度传感 器矢量控制的原理和系统构成 并就一种无速度传感器矢量控制系统使用 m a t l a b s i m u l i n k 进行了仿真分析 全文内容如下 1 异步电机矢量控制技术研究 第二章对异步电机矢量控制技术作了深入研究 具体包括异步电机的数学模 1 0 i 吒 齐大学顺卜学位论文第1 鼋概论 型 坐标变换理论以及异步电机矢量控制系统基本原理的论述 间接型转子磁场 定向矢量控制的算法 2 优化p w m 控制技术的研究 第三章对逆变器的各种优化p w m 控制技术进行了分析 其中就特定谐波消 除法p w m s h e p w m 和效率最优p w m e o c p w m 作了详尽的探讨 得出了 他们的计算方法和实现方法 3 空间电压矢量脉宽调制 s v p w m 技术研究 第四章分析了空间电压矢量脉宽调制技术的原理和实现算法 并给出了用仿 真工具m a t l a b 来实现空间矢量脉宽调制的模型 4 异步电机无速度传感器矢量控制系统仿真分析 第五章对提出了无速度传感器矢量控制系统在m a t l a b 中的实现方案 并 对系统的仿真结果进行了比较和分析 6 异步电机全数字化矢量控制系统 第六章介绍了一种采用d s p 的矢量控制实现方案 对全数字矢量控制系统 软硬件的各个环节作了研究 最后给出了相应的实验结果 参考文献 l 陈伯孵 际敏逊 交流调速系统 北京 机械工业出版社 2 0 0 0 瞳 邵丙衡 电力电子技术 北京 中国铁道出版社 1 9 9 7 8 3 李永东 交流电机数字控制系统 北京 机械工业出版社 1 9 9 2 4 4 胡崇岳 现代交流调速技术 北京 机械工业出版社 1 9 9 8 9 5 黄济荣 电力牵引交流传动与控制 北京 机械工业出版社 1 9 9 8 6 吴守箴 臧英杰 电气传动脉宽调制控制技术 北京 机械工业出版社 1 9 9 8 6 7 马小亮 火功率交一交变频调速及矢量控制技术 北京 机械工业出版社 1 9 9 6 8 许大中 交流电机调速理论 杭州 浙江大学出版社 1 9 9 1 9 z a c hfc e f f i c i e n c yo p t i m a lc o n t r o lf o ra cd r i v e sw i t hp w mi n v e n e r s i e e et r a n so n i a 1 9 8 5 i a 2 1 4 io c s h a u d e ra d a p t i v es p e e di d e n t i f i c a t i o nf o rv e c t o rc o n t r o lo fi n d u c t i o nm o t o r s w i t h o u t r o t a t i o nt r a n s d u c e r i e e ei n d a p p l a n n u a lm e e t i n g 19 8 9 l1 p e n g f a n g z h e n g t f u k a o r o b u s ts p e e di d e n t i f i c a t i o nf o rs p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l o fi n d u c t i o nm o t o r i e e et r a n s o ni a 19 9 4 3 0 5 1 2 g c 古得温 孙贵生 自适应滤波器预测与控制 北京 科学出版社 1 9 9 2 13 l a z h a rb e n b r a h i m e t a l i m p l e m e n t a t i o no fi n d u c t i o nm o t o rs p e e de s t i m a t o ru s i n gn e u r a l n e t v o r k s p c c y o k h a m a i9 9 3 硝济人学硕 l 学位论文第2 章异步电l f 矢量挖制理论 第2 章异步电机矢量控制理论 2 1 引言 在传统讨论的电压型和电流型逆变器传动系统的标量控制方法中 电压或电 流及频率是感应电机的基本控制变量 但这些变量往往存在着耦合 这些耦合作 用是造成感应电动机滞缓响应的主要原因 这种局限性可以通过矢量控制的方法 来克服 直流电动机具有优异的调速性能是因为具备了如下三个条件 1 磁极固定在定子机座上 在空间产生一个稳定的直流磁场 2 电枢绕组是固定在转子铁心槽里 在空间能产生一个稳定的电枢磁 势 并且电枢磁势总能保持与磁场相垂直 产生转矩最有效 电阻磁 势与磁场保持垂直主要靠换相器作用使电枢电流在n 极和s 极下方 发生变化 并采用补偿绕组防止电枢反应使磁场扭曲 3 励磁电流和电枢电流在各自的回路中 分别可调 可控 异步电动机亦有两套多相绕组 定子绕组和转子绕组 其中定子绕组和外 部电源相接 在定子绕组中流过定子电流 转子绕组只是通过电磁感应在转子绕 组中产生感应电动势 并流过电流同时定子侧的电磁能量转变为机械能供给负 载 三相异步电动机在空间上产生的是旋转磁场 如果要模拟直流电动机的电枢 磁势与磁场相垂直 并且电枢磁势大小和磁场强弱分别可调 必须引进同步速旋 转的坐标系 根据电机学原理 3 相绕组所产生的磁场可以用2 相绕组所产生的磁场等效 这是分析电动机运行原理的基本方法 将3 相电动机等效成2 相电动机后 电动 机的定子绕组只有两个 而且在空间上互差9 0 同样 可以用2 相绕组等效多 相绕组 从几何上看 直流电动机的两套绕组在空间上亦是互差9 0 因此变换 后的异步电动机具有和直流电动机相类似的绕组结构 另外 从产生旋转磁场角 度考虑 旋转磁场是交流电流产生的还是直流电流产生的 这并不影响电动机性 能的分析 如果设想它是直流电流产生的 那么产生磁场的绕组需要以电动机的 同步转速旋转 这时 在控制计算中需要增加旋转变换 即将静止的定子绕组通 以交流电产生的旋转磁场等效为由旋转的绕组通以直流电所产生的磁场 矢量控制的思路是把三相异步电动机等效于两相静止系统模型 再经过旋转 坐标变换为旋转磁场方向与一相坐标轴重合 通过调节电流矢量的大小和旋转方 向 去等效地控制三相电流的瞬时值 从而调节电机的磁场与转矩以达到调速的 目的 2 2 矢量变换理论 1 2 同济大学硕一i 学位论文第2 章异步l l 三机矢量控制理论 z 后 三 压 1 1 2 2 一 压1 2 2 墨 c 出一椰 2 t z 代表口一夕坐标系上各分毒 以是电压 电流磁通等 主 分别代表 a b c 3 相的物理量 可以是电压 电流磁通等 c 出一 鲫为变换矩阵 盼1 藏4 2 2 协ll 协2 的关系 巳一 幽为变换矩阵 3 2 变换也叫c l a r k 变换 2 3 变换反c l a r k 变 沿旋转磁场前进9 0 方向作为q 轴方向 d q 坐标系上的各分量与口一 坐标系 盼一c o 吣s 0 篙玢q 岫 协3 式中1 9 1 是从口轴到d 轴的电角度 幺 或 f d t 式 2 3 反映的是静止的2 相 阳济人学硕j 学位论文第2 章异步l u 机矢量控制理论 坐标系上的各物理量和变换到旋转的2 相坐标系后的各物理量之间的关系 一岫为变换矩阵a 与3 相 2 相变换 或2 相 3 相变换一样 兀和 可以代 表d q 坐标系上的电压 电流 磁通等 图2 1 表示出了a b c 坐标系 口一 坐标系和d q 坐标系之间的几何关系 如果要把d q 坐标系的物理量反变换到口一 坐标系上 则有以下关系式 竞 c s o n s 爱一c s o i s n o 幺 j f t 兀l j c 由一 印 2 4 位 p d q 变换叫p a r k 变换 d g 一 1 2 变换叫反p a r k 变换 c k 出 三fc o s 曰c o s 8 1 2 0 c o s 9 1 2 0 1 2 5 由2 1 j l s i n 0s i n o 一1 2 0 s i n o 1 2 0 j 系上的变换矩阵已 出为 c o s 0 2 咖m s i n o z lc o s 0 1 2 0 s i n 8 1 啪2 0 协6 2 1 2 0 s i n m1 2 0 j 石 异步电动机的定子绕组通常为3 相绕组 转子为3 相绕组或多相绕组 没有 励磁绕组 定子绕组磁势和转子绕组磁势共同作用产生异步电机的气隙磁场 为 1 4 州济人学硕l 学位论义 第2 章异步l 也 f l 矢量控制理论 了减小定子电流的励磁电流分量 异步电机的气隙长度较短 通过绕组的分布 短距 转子斜槽等措施 常用3 相异步电动机的气隙磁场的空间谐波较小 在分 析异步电动机动态过程时 为了便于在工程应用中分析 常常对异步电动机的模 型加以 理想化 理想化 的异步电动机有如下假定 忽略电机铁心的饱和 磁滞及涡流的影响 铁心和导线的趋表效应也不 考虑 忽略定子 转子谐波磁势的影响 即认为气隙磁势按正弦分布 忽略定子 转子齿槽影响 即认为气隙是均匀的 转子为三相绕组 可以用异步电动机的自感系数 互感系数等参数 选择电机的定子 转子电 流 或磁通 作为状态变量 写出电机的状态方程式 以下是不同坐标系下电机 的数学模型 2 3 i 口 坐标系下电机数学模型 首先写出固定在定子坐标系下的定 转子电压和磁链方程 u s r s i s p s 2 7 一 二 一 u r r r i r i p 沙 一j c o y 矗 2 8 妙s l s i s l i r 2 9 沙月 厶i r l i s 2 一1 0 方程中下标符号 r 和 s 分别表示转子和定子 p 为微分算子 d d t 三 为电机定转子间互感 b 如为定转子线圈电阻 t 三 电机定转子自感 为转子的电气角速度 将定 转子电压方程中的磁链由电流替换 得定 转子电压和定 转子电流 的关系式 阡 揣 怂砘 糊 2 1 1 r l r i r l 云ri l t p 一 露 p 一 缈 j i 1 若把转子量折算到定子的折算系数口上 则转子折算到定子的电压 电流分 别为 圣u s r 三 o c z l j f 云莨 r i s 矗 三 o z l j i r c 2 一t 2 由以上各式可推得 m 济人学影i l 学位论文第2 章异步电机矢量控制理论 刚 r s l s p 扰 麓 e 选取口 l l 并考虑到异步电机 一 0 又因为 u s2 u s a j u s d l s i 融 j i 口 tr i r j i r 8 得到异步电机的电压矩阵方程为 船 卵 o o r s p l s 0 p l 一缈 l o r s p l s 力 三 p l pl 0 0 p l r r p l 凡缈 l 一国 l rr r p l r 电机的电磁转矩方程为 t n p l m j s 8 i 隐一i s i r b 将上式中的转子电流用定子磁链代替 得转矩的方程为 m l2 i 1 口 v s l s 一g s a t s 2 1 3 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 2 1 8 2 1 9 2 3 2d q 坐标系下电机数学模型 在同步速坐标系下的定 转子电压如下 u s r s i s p s j e o i 沙j 2 2 0 a r r i r p y 冠一歹 s y 置 2 2 1 式中吼为滑差频率角速度 c o 为同步角速度 将定 转子电压方程中的磁链由电流替换 得定 转子电压和定 转子电流 的关系式 卧k l s p旭 j0九r l q r 捌j c o 心i r 2 啦 li l三 p 国s r p s j l l g s 掰 j u 甜 i s j i 嗣 f r i 刖 j i 砌 2 2 3 得到异步电机的电压矩阵方程为 1 6 移 彬 彬 彬 ifiiiiiiii儿 同济犬学硕士学位论文第2 章异步l 乜机矢量控制理论 甜脚 u s a 0 o r p l s 彩l l s p l 彩