交流同步电机矢量控制系统研究

1、交流同步电机矢量控制系统研究一 交流同步电机及其控制技术1.1交流同步电机数学模型3 交流同步电机可分为永磁同步电机和电励磁同步电机，而永磁同步电机与电励磁同步电机有着相似的内部关系，故可以用双反馈原理来进行分析。需要指出的是，由于永磁同步电机转子直轴磁路磁体的磁导率很小，电机直轴电枢反应电感一般小于交轴电枢反应电感。下面以永磁同步电机为例，介绍交流同步电机的数学模型，其两相同步旋转坐标系下的模型如图1-1所示。图1-1而旋转坐标1电压方程永磁同步电机最常用的方法d -q轴数学模型。它不仅可以分析交流同步电机的稳态运动性能，也可以分析电机的瞬态性能。为了建立永磁同步电机的数学模型，首先假设:a

2、)忽略电机铁芯的永磁饱和;b)不计电机的涡流和磁滞损c)电机的电流为对称的三相正弦电流。由此可以得到如下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程。取永磁体基波励磁磁场轴线(磁极轴线)为d轴(直轴)，顺着转子旋转方向超前d轴90。电角度为q轴(交轴)，匆轴坐标系以电角速度。随同转子一道旋转，在转子参考坐标下的电压方程为 可将永磁体等效为一个励磁线圈，等效励磁电流为舟，能产生与永磁体相的基波励磁磁场，则有:在转子参考坐标中，若取d轴的反方向为虚轴，取q轴为实轴则在这个复平面可以将定子电流空间矢量表示为 由上式可以看出，永磁同步电机输出转矩中含有两个分量，第一项是定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的电

3、磁转矩，称为励磁转矩。第二项是由转子不对称所造成的磁阻转矩，e角称为转矩角。不论如何可以看出，电机的电磁转矩取决于电机的正交定、转子电流。即可以通过对电机的正交电流的控制来实现对电机的控制，此即为矢量控制方法的实质。1.2电机侧变流器数学模型 本文以三相电压型变流器拓扑作为电机侧变流器研究对象，其主电路结构图如图1-2所示。在此系统中，风轮机拖动同步电机转动，产生以同步速度旋转的磁场，通过电磁感应，由定子侧输出三相交流电压为后级供电。图1-2交流同步发电机系统主电路结构图交流同步电机若为隐极，则可用等效电路代替，如图1-3所示图1-3同步电机和变流器的等效电路隆设s表示x相桥臂的开关状态，认为

4、开关管为理想开关，则可以利用基尔霍夫电压、电流定律，得到系统在三相静止坐标系的方程如下: 不难看出，由此得到的数学模型中包含时变的交流量，不利于控制系统设计。为此，可以将式由三相静止坐标系转换到同步旋转坐标系，将交流量变换为直流量，从而实现控制上的解祸。图2静止坐标系与旋转坐标系的关系图则从三相坐标系变换到两相静止坐标系的矩阵为: 从两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的变换矩阵为: 则从两相同步旋转坐标系变换到两相静止坐标系的矩阵为: 利用变换矩阵将电机侧变流器的数学模型转换到两相静止坐标系下，进而转换到两相同步旋转坐标系下，则有: 其模型结构如图1-5所示: 图1-5两相同步旋转坐标系中三相

5、VSR开关函数模型结构1.3交流同步电机矢量控制技术本文采用定子电流中只有交轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，电动机转矩中只有永磁转矩分量，而不包含磁阻转矩。按转子磁链定向并使控制的永磁同步电机调速系统定子电流与转子永磁磁通互相独立(解藕)，控制系统简单，转矩定性好，可以获得很宽的调速范围。交流同步电机矢量控制策略针对两相同步旋转坐标系(d-q)下的数学模型采用同步PI电流调节的方法，使系统具有理想的稳态、动态响应，控制框图如图图2-6交流同步电机矢量控制框图 交流同步电机矢量控制技术的核心思想是先将定子交流量通过坐标变换转换为旋转坐标系下的励磁分量和力矩分量，再转换为静止

6、坐标系中的实际控制量，模拟直流电动机转矩控制规律，从而简化电机的控制。矢量控制实际上是对定子电流矢量相位和幅值的控制，以永磁同步发电机为例，其磁链和转矩方程如公式二 交流同步电机无位置传感器控制技术2.1无位置传感器控制技术6 同步电机的运动控制需要精确的转子磁极位置信号去实现磁场定向。在传统的检测电机转速和磁极位置的方法中，多数采用光电编码器或者旋转变压器等机械传感器。这些机械传感器在实际应用中，存在以下问题: (1)机械传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积，机械传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，使系统易受干扰，降低了可靠性。 (2)受机械传感器

7、使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速系统不能广泛适用于各种场合。 (3)机械传感器及其辅助电路增加了调速系统的成本，某些高精度传感器的价格甚至可以与电机本身价格相比。尽管机械传感器在实际应用中，存在着上述问题，但在实际系统中，电机的速度和转子的磁极位置信息又是必需的，这就需要在摒弃机械传感器的同时另辟蹊径解决。以上这些由于安装机械传感器所产生的问题，可以通过无位置传感器控制得以消除或削弱。因此，去除机械传感器，提高系统的可靠性并降低系统成，同时又必须获得速度和磁极位置信号的这种无传感器控制方法，便成为电机控制研究领域的一个研究热点。 目前，适用于交流同步电机的最主要的估算转子位置和转子速度的

8、策略有:1.利用定子端电压和电流计算转子速度和位置从两相静止坐标系下的同步电机模型可知， 由以上推导可知，利用两相静止坐标系下永磁同步电机的数学模型，只要检测到电机的端电压、电流，利用磁链就可以计算出转子的位置角和速度。这里磁链由反电动势的积分求得，由于积分器有零漂问题，得到的磁链值会有积分误差。当电动机转速较低时，问题更为严重，尤其是当电动机运行在基速的5%以下时，无法建立起足够大的反电动势，这意味着电动机起动过程必须采用其它方法对转子速度和位置进行估计。上述方法是利用定子端电压和电流直接计算转子速度和位置的一种典型方法。这种方法的特点是计算简单，动态响应快，几乎没有延迟，但是如果要准确地计

9、算出转子位置角和速度，需要准确地测量定子端电气量，而且对电机参数的准确性要求也比较高。随着电机运行工况的变化(例如温度的升高)，电机参数会发生变化。参数的误差会导致估算量偏离真实值。因此，应用这种方法时需结合电机参数的在线辨识。2.观测器基础上的估算方法 观测器的实质是状态重构，其原理是重新构造一个系统，利用原系统中可以直接测量的变量作为它的输入信号，并使输出信号在一定的条件下等价于原系统的状态。通常称输出信号为原系统状态的重构状态或估计状态，而称这个用以实现状态重构的系统为观测器。目前主要存在的观测器有全阶状态观测器、降阶状观测器、推广卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filte

10、r-EKF )、滑模观测器。1992年，美国麻省理工学院电机工程系的学者发表了采用全阶状态观测器的无机械传感器永磁同步电机传动系统的论文。为了满足系统的全局稳定条件，全阶状态观测器需要在电动机高速和低速时采用不同的增益矩阵，而且由于状态观测器受电动机参数变化的影响较大，还需要另外一个状态观测器来估计电机的参数，这样无传感器传动系统的估算就变得复杂。同时系统还存在对负载变化比较敏感等问题。卡尔曼滤波器是由美国学者R.E.Kalman在20世纪60年代提出的一种最优线性估计算法，其特点是考虑了系统的模型误差和测量噪声的统计特性。卡尔曼滤波器的算法采用递推形式，适合在数字计算机上实现。推广卡尔曼滤波

11、器是卡尔曼滤波器在非线性系统中的一种推广形式，属于非线性估计算法。近年来，为了解决交流传动系统中的状态估计和参数辨识问题，不少学者开展了推广卡尔曼滤波器在交流传动系统中的应用研究。德国亚深工业大学电机研究所的学者在这方面的工作开展较早，在1985年研究了采用推广卡尔曼滤波器的凸极同步电机传动系统。在此基础上，又先后开展了采用推广卡尔曼滤波器的永磁同步电动机和异步电动机无机械式传感器传动系统的研究。但是，推广卡尔曼滤波器的算法太复杂，需要矩阵求逆运算，计算量相当大。为满足实时控制的要求，需要用高速、高精度的数字信号处理器来完成计算，另一方面，推广卡尔曼滤波器要用到许多随机误差的统计参数，由于模型

12、复杂、涉及因数较多，使得分析这些参数的工作比较困难，需要通过大量调试才能确定合适的随机参数。在1986年召开的第25届决策和控制会议 conference on decision control上，麻省理工学院的J.J.Slotine探讨了滑模观测器的非线性估计问题，引起了人们对滑模观测器的兴趣。滑模观测器中的控制回路改成滑模变结构的形式滑模变结构控制的本质是滑模运动，通过结构变换开关，以很高的频率来回切换，使状态的运动点以很小的幅度在相平面上运动，最终运动到稳定点。滑模运动与控制对象的参数变化以及扰动无关，因此具有很好的鲁棒性，但是滑模变结构控制在本质上是不连续的开关控制，会引起比较大的转矩

13、脉动。去抖的同时仍证系统的鲁棒性将是这种控制系统迫切需要解决的问题。3.模型参考自适应方法 模型参考自适应方法也是一种较常用的估算转子位置和速度的方法。模型参考自适应辨识的主要思想是将含有待估计参数的方程作为可调模型，将不含未知参数的方程作为参考模型，两个模型具有相同物理意义的输出量。两个模型同时工作，并利用其输出量的差值，根据合适的自适应律来实时调节可调模型的参数，以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据稳定性原理可以得到转子速度估计的自适应公式，而系统和速度的渐进收敛性由Popov的超稳定性来保证。 可以看出，电动机定子电流的数学模型与其转子速度有关，因此可以选择永磁同步电机本身作为参

14、考模型，而定子电流的数学模型作为可调模型，采用并联结构辨识转速。 4.高频注入法 前面介绍的几种方法依赖于对电机基波方程的分析，适合于较高转速的应用，在低速运行时有不少问题;此外对电动机参数敏感，鲁棒性较差。美国威斯康星大学的R.D.Lorenz教授另辟蹊径，采用在电动机出线端注入高频电压(或电流)信号的方法，跟踪电动机内部固有的或人为的不对称性(凸极性)，检测高频电流(或电压)响应来获取转子位置和速度信息，这种方法称为凸极跟踪法。由于依赖外加高频激励信号来显示凸极性，与电机运行工况无关，使得这种凸极跟踪方法能够应用在很宽的速度范围内，解决低速甚至零速下转子位置和速度的估计问题，具有良好的应用

15、前景。但应用这种方法必须把握好注入高频信号的幅值，否则会带来电磁噪声污染问题。 此外，韩国的学者S.K.SuI研究的针对面装式永磁同步电机的脉振高频电压信号注入法也为无位置传感器控制在极低速下的应用提供了新的思路。值得一提的是，利用永磁同步电机的凸极效应跟踪估计转子的位置，除了高频注入法以外，还有一种通过检测电机运行时定子电感的变化来估计转子位置的办法。这种方法通过检测电机的端电压和电流，计算定子电感，并与预先制好的表格中的电感值比较，进而确定转子的位置。但是由于电机运行在暂态和低速时不容易准确地测量出定子电压，所以计算出的电感就有误差，从而使得转子位置估计精度受到影响。5.人工智能理论基础上

16、的估算方法 进入20世纪90年代，交流电气传动系统的控制方案逐步走向多元化。智能控制思想开始在传动领域显露端倪，专家系统(Expert System)、模糊控制(FuzzyControl)、人工神经元网络(Neural Network)纷纷应用于电机调速控制方案。利用神经元网络进行辨识，一般都是先规定网络结构，再通过学习系统的输入和输出，使性能指标满足要求，进而归纳出隐含在系统输入输出中的关系。利用神经元网络辨识的方法有多种，最常用的是前馈多层模型法。如今己有学者利用神经元网络优越的逼近能力和自适应、自学习特性，与观测器设计理论相结合，基于非线性自适应观测器对永磁同步电机的速度和位置进行估计，

17、同时利用切apunov理论设计网络权系数阵的在线学习规则，并证明了观测器的稳定性。这方面的研究虽然取得了一定的理论和仿真成果，但是由于其理论还不成熟，硬件实现也有很大难度，走向实用化的道路仍然漫长。相信在不远的将来，随着智能控制理论与应用的日益成熟，会给交流传动领域带来革命性的变化。参考文献1李建林等.风力发电中的电力电子变流技术【M.北京.机械工业出版社.2008.2周扬忠.电励磁同步电动机直接转矩控制理论研究及实践博士学位论文.南京.南京航空航天大学.2006.3苏奎峰等.TMS320F2812原理与开发.M.北京.电子工业出版社.200s.#张崇巍等.PWM整流器及其控制【M.北京.机械

18、工业出版社.2005.5王晓明等.电动机的DSP控制M.北京.北京航空航天大学出版社.2004.61刘毅.基于高频注入的永磁同步电动机无传感器运行研究硕士学位论文.浙江.浙江大学.20047l李楠.变速恒频风力发电系统中矢量控制系统的研究及应用【硕士学位论文.沈阳.沈阳工业大学.2006.8刘斌.用DSP实现永磁同步电机的无速度传感器矢量控制【硕士学位论文.西安.西安理工大学.2001.9詹大为.永磁同步电动机无位置传感器控制的研究【硕士学位论文】.天津.天津大学.2004. 10汤新舟.永磁同步电机的矢量控制系统【硕士学位论文.浙江.浙江大学.2005.川王雷.变速恒频风力发电机组矢量控制技术的研究【硕士学位论文.沈阳.沈阳工业大学.2007 12陈敏俊.高性能永磁同步电动机矢量控制【硕士学位论文.浙江.浙江工业大学.2006.13孙健.无速度传感器永磁同步电机控制系统的开发【硕士学位论文.北京.清华大学.2006.14郑建芬.基于高频注入和卜尔曼滤波的永磁同步电机无传感器控制硕十学位论文.沈阳.沈阳工业大