感应电机矢量控制中转子参数辨识研究

1、目录,直流电动机的调速,SPWM,与,SVPWM,技术以及,DSP,实现,异步电动机的矢量控制,研究背景,电力电子技术是一门专门研究电能变换的理论、方法及应用的,学科，是集电子技术、控制理论、计算机技术、材料科学、电,磁兼容、传感器技术、热传导技术于一体的新兴交叉学科，自,从其产生到现在的半个多世纪以来，由于它对国民经济的显著,作用，得到了国内外的普遍重视，发展非常迅猛，以至于无论,是在功率器件、电路拓扑、控制方法和装置性能等方面都与初,期有很大进步，而且应用日益广泛，几乎涉及从发电、储电、,输电到用电的所有领域。,直流电动机的调速,?,直流电动机是最早出现的电动机，长期以来一直占据着速,度控

2、制和位置控制的统治地位。,?,良好的线性调速特性,?,简单的控制性能,?,高质高效平滑运转的特性,?,近年来，随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功,率元器件的不断出现，使采用开关功率元件进行脉宽调制,(Pulse,Width,Modulation,，简称,PWM),控制方式已成为绝对主,流。在直流调速控制中，可以采用各种控制器，,DSP,是其中一,种选择。由于,DSP,具有高速运算性能，因此可以实现诸如模糊,控制等复杂的控制算法。,?,传统调速方法,?,电枢回路串电阻调速,?,改变电枢电压调速,?,增大励磁回路外串电阻调速,电压平衡方程：,其中感应电动势：,M,?,（,n,）,a,E,M

3、,T,a,U,a,L,a,R,a,I,a,a,a,a,a,a,dI,U,E,R,I,L,dt,?,?,?,a,e,E,K,n,?,?,a,a,a,a,a,e,dI,U,R,I,L,dt,n,K,?,?,?,?,图,1-1,直流电动机等效电路,(1-1),(1-2),(1-3),占空比,?,定宽调频法,?,调宽调频法,?,定频调宽法,TMS320LF2407A,DSP,集成了,PWM,控制信号发生器，它可以,通过调整事件管理器的定时器控制寄存器来设定,PWM,工作方,式和频率，通过调整比较值来调整,PWM,的占空比，通过专用,的,PWM,输出口输出占空比可调的,PWM,控制信号。,M,s,U,a

4、,U,O,i,U,O,s,U,i,U,T,1,t,2,t,t,t,1,1,1,2,0,s,a,s,s,t,U,t,U,U,U,t,t,T,?,?,?,?,?,?,1,t,T,?,?,(a),原理图,(b),输入,/,输出电压波形,图,1-2 PWM,调速控制原理和电压波形图,(1-4),?,变频调速原理,?,变极调速,(,使一半导体的电流方向改变；,变极：,4,极,1500,r/min,，,2,极,3000,r/min,),?,变频调速,1.,基频向下变频调速，保持,不变，适用,于恒转矩负载；,2.,基频向上变频调速，电源电压不允许升高，频率,越大，磁通越小，弱磁调速，适用于恒功率负载。,60

5、,(1,),f,n,s,p,?,?,SPWM,与,SVPWM,技术以及,DSP,实现,E,f,?,?,(2-1),?,变频变压,(Variable Voltage Variable Frequency )VVVF,调速,?,变频与变压的实现,SPWM,调制波,将等宽的脉冲波变成宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦的变化规,律。产生正弦脉宽调制波,SPWM,的原理是：用一组等腰三角形波与一个正弦波进,行比较，用其相交的时刻来作为开关管“开”或“关”的时刻。,?,自然采样法,t,t,U,O,4,c,T,sin,M,U,t,?,s,U,O,c,T,1,off,t,1,on,t,2,off,t,

6、2,on,t,a,b,1,4,c,off,T,t,a,?,?,1,4,c,on,T,t,a,?,?,2,4,c,on,T,t,b,?,?,2,4,c,off,T,t,b,?,?,1,sin,4,M,c,s,U,t,a,T,U,?,?,2,sin,4,M,c,s,U,t,b,T,U,?,?,1,2,1,2,1,(sin,sin,),2,2,c,M,on,on,on,s,T,U,t,t,t,t,t,U,?,?,?,?,?,?,?,图,2-1,自然采样法生成,SPWM,波,?,非对称规则采样法,1.,顶点采样时,2.,底点采样时,t,t,U,O,4,c,T,sin,M,U,t,?,s,U,O,c,T

7、,1,off,t,1,on,t,2,off,t,2,on,t,a,b,1,1,sin(,),4,C,c,on,T,t,M,k,N,?,?,?,1,2,1,sin(,),4,3,B,c,on,T,t,M,k,N,?,?,?,?,?,1,4,1,sin(,),4,3,A,c,on,T,t,M,k,N,?,?,?,?,?,(,0,2,4,2,2),k,N,?,?,?,2,1,sin(,),4,C,c,on,T,t,M,k,N,?,?,?,2,2,1,sin(,),4,3,B,c,on,T,t,M,k,N,?,?,?,?,?,2,4,1,sin(,),4,3,A,c,on,T,t,M,k,N,?,?,

8、?,?,?,(,1,3,5,2,1),k,N,?,?,?,1,2,C,C,C,on,on,on,t,t,t,?,?,1,2,B,B,B,on,on,on,t,t,t,?,?,1,2,A,A,A,on,on,on,t,t,t,?,?,图,2-2,非对称规则采样法生成,SPWM,波,阶梯波脉宽调制,多载波,SPWM,调制,特定谐波消除脉宽调制,空间矢量,SVPWM,脉宽调制,?,多载波,SPWM,调制,(1).,基于载波垂直移相,SPWM,方法,a.,所有载波相位相同的,PD,调制策略,b.,所有相邻的载波相位相反的,APOD,调制策略,c.,正载波与负载波相位相反的,POD,调制策略,(a) P

9、D,调制,(b) APOD,调制,(c) POD,调制,0,0,0,图,2-3,多载波谐波消除,SPWM,调制策略示意图,(2).,基于载波水平移相,SPWM,方法,图,2-4 PS,调制策略示意图,0,?,空间矢量,SVPWM,脉宽调制,222,111,000,211,100,221,110,121,010,122,011,112,001,212,101,200,210,220,120,020,021,022,012,002,102,202,201,图,2-5,三相三电平空间矢量图,?,三电平空间电压矢量原理,三电平逆变器每桥臂有,4,个开关器件，引入开关函数,则应,是三态开关变量（分别定义

10、为,0,，,1,，,2,），对应的输出相电压为,，,0,，,(,为直流回路电压,),。故三相三电平逆变器合成电压矢量数为,种，除去冗余电压矢量，有效电压矢量有,19,种。,a,S,b,S,c,S,2,d,u,?,2,d,u,?,3,3,27,?,+,-,0,d,u,A,B,C,Sa1,Sa2,Sa3,Sa4,Sb1,Sb2,Sb3,Sb4,Sc1,Sc2,Sc3,Sc4,+,-,d,u,A,B,C,a,S,b,S,c,S,0,（,a,）基本拓扑结构,（,b,）简化结构模型,图,2-6,三电平逆变器拓扑结构图,?,三电平空间电压矢量算法,1.,判断电压参考矢量,V,r,所处的扇区和小三角形区,从

11、图,2-7,可以看出,SVPWM,的首要任务，是判断,V,r,位于,哪个区域及该区域的哪个小三角形，然后就能依此确,定出相应的输出电压矢量。把空间矢量,PWM,方法的实,现归纳为以下几步，以第一扇区为例：,(1),根据电压矢量的模长计算,调制度,的大小：,，,u,为参考电压矢量幅值，,u,d,为直流母线电压。,2,3,d,u,m,u,?,(2),根据参考电压的矢量角判断电压矢量所在的区间：,222,111,000,211,100,221,110,200,210,220,A,B,C,D,r,V,V,2,V,7,V,8,V,9,V,1,?,mark,1,mark2,mark3,0,V,图,2-7,

12、第一个,60,区域的电压矢量图,如图,2-7,所示的第一扇区，就需判断电压矢量,位于第一扇区,的,A,、,B,、,C,、,D,的哪一区域。定义,m,的边界条件分别为,mark1,，,mark2,，,mark3,；由三角关系可得：,3,2,mark1=,3cos,+sin,3,mark3=,3cos,+sin,3,2,3cos,-sin,mark2=,3,4,sin,?,?,?,?,?,?,?,?,?,6,?,6,3,?,?,r,V,(2-2),通过判断与上述三个边界条件的关系可得到电压矢量,落在,哪个区间：,当,时，电压矢量,落于,A,区，由,V0,，,V1,，,V2,三,矢量等效合成。,当,

13、时，电压矢量,落于,B,区，由,V1,，,V2,，,V8,三矢量等效合成。,当,且,时，电压矢量,落于,C,区，,由,V1,，,V7,，,V8,三矢量等效合成。,当,且,时，电压矢量,落于,D,区，,由,V2,，,V8,，,V9,三矢量等效合成。,r,V,r,V,r,V,r,V,r,V,2.,确定各合成电压矢量的作用时间,当参考矢量落入某一个三角形区域时，为了在输出得到,相应频率的正弦波和减少输出电压的谐波含量，就用组,成该三角形的三个矢量合成该参考矢量，根据,伏秒等效,合成原理,，各矢量的作用时间和参考矢量的关系，应满,足如下公式：,其中，,tx,，,ty,，,tz,分别为电压空间矢量,Vx

14、,，,Vy,，,Vz,在一个,采样周期的作用时间，,Ts,为采样周期，,Vr,为参考电压矢,量。,x,x,y,y,z,z,r,s,x,y,z,s,V,t,V,t,V,t,V,T,t,t,t,T,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,(2-3),通常采用最近三矢量法合成电压参考矢量：,当参考矢量,位于三角形区域,A,中时，用,V0,，,V1,，,V2,来,等效合成；当参考矢量,落于三角形区域,B,中时，用,V1,，,V2,，,V8,来等效合成；当参考矢量,落于三角形区域,C,中时，用,V1,，,V7,，,V8,来等效合成；当参考矢量,落于三角形区域,D,中时，,用,V2,，,V8,

15、，,V9,来等效合成。,分别将：, , , , , ,和,(,n,=0,，,1,，,2,，,7,，,8,，,9),代入式,(,2-3,),可以得到在,A,，,B,，,C,，,D,等区域内各矢量的作用时间，如表,2-1,所示，其他,几个三角形区域各矢量的作用时间的算法雷同。,1,1,2,V,?,0,0,V,?,3,2,1,2,j,V,e,?,?,7,1,V,?,6,8,3,2,j,V,e,?,?,3,9,j,V,e,?,?,r,V,r,V,r,V,j,r,V,Ve,?,?,j,r,V,Ve,?,?,n,t,表,2-1,三电平电压空间矢量调制各空间矢量作用时间表,其中,m,为调制度，且,，,u,为

16、参考电压幅值，,u,d,为直流,母线电压。,2,3,d,u,m,u,?,3.,三相,SVPWM,信号的产生,在三电平逆变器,SVPWM,方法中，为防止同一相上多于两只管子同时导通,和减少开关次数。开关状态的选择通常遵循下面两个原则：,1),同一桥臂不,允许有直接从“,2,”,状态到“,0,”,状态或直接从“,0,”,状态到“,2,”,状态的切换。,2),从,一个开关状态到下一个开关状态的切换，三相桥臂只能有一相有开关动作。,按此原则，采用七段式,SVPWM,的方法，对图,2-7,所示的扇区，开关状态的选,择可如表,2-2,所示。,表,2-2,第一扇区开关状态选择表,三角区间,开关序列,A,11

17、1-211-221-222-221-211-111,222-221-211-111-211-221-222,100-110-111-211-111-110-100,110-111-211-221-211-111-110,B,211-210-110-100-110-210-211,221-211-210-110-210-211-221,C,211-210-200-100-200-210-211,D,221-220-210-110-210-220-221,根据电压矢量作用时间和表,2-2,矢量作用顺序，下图给出了,A,区的三相输出时序图。,三角波与,t,a,，,t,b,，,t,c,相比较,，,即可

18、得到图,2-8,所示三相,SVPWM,信号，两者相等时，就转换对应的开关信号。,1,1,1,2,1,1,2,2,1,2,2,2,2,2,1,1,1,1,1,1,2,0,t,1,t,2,t,A,B,C,0,1,2,a,b,c,t,t,t,t,t,t,?,?,?,图,2-8,A,区输出电压矢量时序图,根据电压矢量作用时间和表,2-2,矢量作用顺序，图,2-9,给,出了,A,、,B,、,C,、,D,区的三相输出时序图。,(a),A,区输出电压矢量时序图,(b),B,区输出电压矢量时序图,0,4,t,1,2,t,2,2,t,0,2,t,2,2,t,1,2,t,0,2,t,1,1,1,2,1,1,2,2

19、,1,2,2,2,2,2,1,1,1,1,1,1,2,0,t,1,t,2,t,A,B,C,0,1,2,a,b,c,t,t,t,t,t,t,?,?,?,2,4,t,8,2,t,1,2,t,2,2,t,2,1,0,2,1,0,2,2,1,2,2,1,1,1,1,1,1,0,t,1,t,A,B,C,1,0,1,0,1,2,t,8,2,t,2,4,t,2,t,0,1,2,a,c,b,t,t,t,t,t,t,?,?,?,(c) C,区输出电压矢量时序图,(d) D,区输出电压矢量时序图,图,2-9,第一象限输出电压矢量时序图,三角波与,t,a,，,t,b,，,t,c,相比较,即可得到图,2-9,所示三相

20、,SVPWM,信号，两者相等时，就转换对应的开关信号。,1,4,t,7,2,t,8,2,t,1,2,t,2,0,0,2,1,0,2,1,0,2,2,1,0,1,0,0,1,0,t,1,t,A,B,C,0,0,1,0,8,2,t,7,2,t,1,4,t,2,t,0,1,2,a,b,c,t,t,t,t,t,t,?,?,?,2,4,t,8,2,t,9,2,t,2,2,t,2,1,0,2,1,0,2,2,0,2,2,1,0,2,1,1,2,0,t,1,t,A,B,C,1,0,1,0,8,2,t,8,2,t,2,4,t,2,t,0,1,2,a,b,c,t,t,t,t,t,t,?,?,?,?,交流异步电动

21、机变频变压调速系统，由于采用了,U/F,恒定、,转速开环的控制，基本上解决了异步电动机平滑调速的问题。,但是，对于那些对动静态性能要求较高的应用系统来说，上,述系统还不能满足使用要求，这使我们又想起了直流电动机,的优良的动静态调速特性。能不能使交流电动机调速系统像,直流电动机那样去控制呢,?,矢量控制方法给了我们一个肯定的,答案。,?,矢量控制理论,(Trans,Vector,Control),是由德国的,F.Blaschke,在,1971,年提出的。矢量控制法成功地实施后，使交流异步电动机,变频调速后的机械特性以及动态性能都达到了与直流电动机调,压时的调速性能不相上下的程度。,异步电动机的矢量控制,?,矢量控制的基本思想,一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，通过,两相交流系统作为过渡，可以互相进行等效变换。,?,矢量控制的基本原理,图,3-1,矢量控制原理框图,?,矢量控制的坐标变换,?,矢量坐标变换必须要遵循以下原则：,?,应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效；,?,应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变。,?,Clarke,变换和逆变换,A,B,C,?,?,O,3,A,N,i,2,N,i,?,2,N,i,?,3,B,N,i,3,C,N,i,0,1,1,1,2,2,2,3,3,0,3,2,2,1,1,1,2,