基于自适应状态观测器的感应电机无速度传感器矢量控制研究

1、 :乏三:,。:,毒簟亍薹;三冬二:专,:磐誊 二,;,独创性声,、明一;,.,多;除特别加以标注的地方外,论文中不包含其他人的研究成果。与我同工作的同志对本?岛一,、 .;,一÷. , ,、,一,÷?簟文的研究工作和成果的任何奉献均己在论文中作了明确的说明并已致谢.。 二卜;。?.:乞。:÷本论文及其相关资料假设有不实之处,由本人承当切相关责任。.。: :。.“:,:匍,鬈簿÷,本论文及其相关资料击奢禾实之处,由本人承当,切相关责任。:二:;、:;勿?一 、÷,二,:一一砖:÷、:、,扎,幻,。,.?一,。.。;辞.一、.蒺豢?簿每

2、一鞋誊薹娄渗蛰磐。二:。鸳 ,二夥棼:.?二一 ., 、 :,; ;:,一 砖一:、. :,:;。幸 一;,;,.另:,:?,;,:心。燕豁糕誓?洚雷七萝;警耧簪霸“.:÷ ; . : ;,五黟警警留尹.一 一 摘要论文题目:基于自适应状态观测器的感应电机无速传感器矢量控制研究学科:电力电子与电力传动作者:李立冬 签名:教授导师:钟彦儒 签名:参尹忠刚 讲师 签名:摘 要对于变频调速系统来说,速度传感器会增加本钱并带来维护的不便,所以无速度传感器矢量控制技术在越来越多应用场合受到了青睐。随着各类高新科学技术更广泛地应用于工业场合,对无速度传感器矢量控制系统的性能有了更高的要求。不仅要

3、求系统在中高速范围能够到达令人满意的性能,而且要求系统在低速甚至零速附近到达满足应用场合的性能指标。各大生产厂商的高性能变频调速器也在不断推出,性能指标不断提升。本文针对提高无速度传感器矢量控制系统的性能,对自适应状态观测器的转速估计谋略进行了深入研究。本文首先介绍了感应电机的型等效电路和数学模型,特别对感应电机数学模型两相坐标系下的状态方程进行了分析;详细阐述了电压模型、电流模型、转矩电流误差控制、自适应状态观测器的转速估计谋略的原理,评估了各个方案的优缺点;对基于自适应状态观测器的转速估计谋略进行了深入研究,以工程应用为目的,对传统的自适应状态观测器方案进行了简化;分别应用稳定性理论和超稳

4、定理论对自适应状态观测器进行了稳定性分析和设计,建立了转速估计的自适应律,得出了使系统稳定的增益矩阵,为实验研究提供了理论依据;运用/对基于自适应状态观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统进行了仿真研究和分析;根据搭建的以为控制芯片的硬件实验平台,对自适应状态观测器的转速估计谋略进行了稳定性验证,全速范围的通用性验证,并在低速情况下,对以上提到的五种转速估计谋略进行了低速性能的比照验证。仿真和实验结果说明,本文所设计的基于自适应状态观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统具有良好的稳定性,全速范围转速估计的通用性,并且低速性能优于其他四种方案。关键词:自适应状态观测器;感应电机:无速度传感器

5、矢量控制:低速性能: 怕:丝鱼兰:.:一 .,.,.曲 .,. . . . ./. .忙、析. .邓. : ,.目录目 录绪论.?.变频调速的开展?.无速度传感器矢量控制技术转速估计方法研究?.感应电机无速度传感器矢量控制技术产品现状?.本文的科研资助和研究内容与安排?.本文的科研资助。.本文的内容与安排感应电机矢量控制技术.感应电机的数学模型及分析?.感应电机型等效电路.两相坐标系下的感应电机数学模型?.两相坐标系下的感应电机状态方程?.感应电机状态方程的分析?.:.转子磁场定向矢量控制根本原理?。.矢量控制原理?.基于转子磁场定向的三相感应电机数学模型.无速传感器矢量控制系统结构. .电压

6、模型转速估计方案.电流模型转速估计方案.基于转矩电流闭环控制的转速估计方案.?.模型参考自适应转速估计方案.自适应状态观测器转速估计方案.本章小结。自适应状态观测器转速估计谋略研究?.自适应状态观测器转速估计的结构和原理?.状态观测器设计.基于自适应状态观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统仿真.本章小结?。自适应状态观测器转速估计系统的稳定性分析?。.基于稳定性理论的稳定性分析?.基于超稳定性理论的稳定性分析?.。西安理工大学硕士学位论文.本章小结.自适应状态观测器转速估计的实验研究?.实验平台介绍.自适应状态观测器转速估计稳定性实验结果及分析?.自适应状态观测器转速估计的实验结果及分析?

7、。.五种转速估计方案的低速性能实验研究?.电压模型转速估计方案低速性能实验及分析.电流模型转速估计方案低速性能实验及分析.基于转矩电流闭环控制转速估计方案的低速性能实验及分析.模型参考自适应转速估计方案低速性能实验及分析.自适应状态观测器转速估计方案低速性能实验及分析.转速估计方案低速性能指标的比照分析?一.本章小结?。结论。.全文总结?一.下一步工作展望谢.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.;:;参考文献.硕士学习期间发表论文及参与科研工程?.主要符号表主要符号表三相输出定子电流.。定子电流轴分量、轴分量,定子电流轴分量、轴分量 定子电流转矩分量,定子电压轴分量、卢轴分

8、量少。, 转子磁链【轴分量、轴分量啪转子磁链轴分量、轴分量%,定子、转子电感,互感厶,厶,定子、转子漏感,厶定子、转子电阻,铁损等效电阻足,墨,。力电机转速微分算子,转差率,机组转动惯量?,电机极对数,码电磁转矩,负载转矩瓦,瓦蛾 定子电源角频率同步角频率/电机机械角频率,电机转子角频率/,转差频率/西安理工大学硕士学位论文第章绪论绪论.变频调速的开展交流调速系统诞生于世纪,但是在诞生后的很长一段时间里,它的性能都无法与直流调速系统相匹敌。直到世纪六七十年代,高性能的调速传动系统还都是采用直流电动机,而交流电动机应用于不需要调速的传动系统。随着世纪中叶电力电子技术的出现和开展,加上直流调速本身

9、存在换向器所带来的检修、环境受限以及限制容量和速度等问题,.特别是大规模集成电路和计算机控制的出现,交流调速开始取代直流调速成为当前高性能电气传动控制的主流。电力电子器件的制造技术是电力电子技术的根底。美国贝尔实验室分别于年和年创造了晶体管和晶闸管,由美国通用电气于年生产出第一支产品,并在次年对其进行了商品化。由此引发了电子技术的一场革命,同时开辟了现代交流电力传动开展的崭新时代。上世纪年代以后,电力晶体管、门极关断晶闸管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极晶体管、门控晶闸管、集成式门极换流晶闸管等各种全控型器件先后问世。电力电子器件朝着大功率、低功耗、小型化、高频化、模块化、智能化的方向不断地向前

10、开展,并且不断涌现出各种应用于不同功率等级的产品。上世纪年代以后,为了简化散热器设计、提高电路和系统的功率密度,各个器件生产厂商分别将模块技术应用到了这一领域,各种功率集成电路和智能功率模块应运而生。随着集成技术的进步,功率模块逐渐将主电路功率器件、驱动电路、各种接口电路以及保护电路包括过载、短路、欠压、过热等保护,甚至控制电路集成于一体,这也是功率模块开展的方向。现如今,国内的电力电子器件绝大多数还依赖着进口,、三菱、西门康等国外公司在国内占有着大量市场份额。最初的变频调速采用开环的变压变频删控制方式,首先成功应用于控制风机泵类负载,取得了显著的节能效果并得到了广泛的认同。至今,此种控制方案

11、由于控制简单、稳定性好的优点,仍在很多对动态和带载性能要求不高的场合下应用。矢量控制理论最早出现在由工科大学博士于年发表的一篇论文上。随后在年,西门子公司的将其形成系统理论,以磁场定向控制的名称申请了专利。矢量控制系统以转子磁场定向为根底,将定子电流解耦为励磁分量和转矩分量分开控制。从年代初开始,微处理器的出现使得各种优化的算法得以实现。随着微处理器处理能力的不断提高,相关的变频器产品也先后在欧美、日本等兴旺国家上市。直接转矩控割最早于年由德国学者.教授提出,之后日本学者.也提出了类似的方案,取得了相当好的效果。直接转矩控制直接控制定子磁链和转矩,采取不用解耦的.控制,避开了坐标变换,简化了控

12、制结构。近年来,传统的控制方案不断与先进的控制理论相结合,用以解决诸如提高系统鲁。西安理工大学硕士学位论文棒性,提高动态性能,提上下速带载能力,减小电机参数变化、负载变化以及电机非线性因素对系统控制的影响等实际工况要求,来不断提高传动系统的动静态性能。随着微处理器处理能力的不断进步,这些电气工程与控制工程的交叉领域将是交流调速未来的开展方向。.无速度传感器矢量控制技术转速估计方法研究当今世界,在矢量控制技术的研究与产品开发上,德国和日本处于领先地位。高性能的调速系统都需要速度反应来进行转速调节,然而高精度高分辨率的码盘相当昂贵,并且性能会受到环境温度和湿度以及安装同心度的影响。无速度传感器矢量

13、控制技术由于降低了本钱和维护费用,受到了越来越多应用场合的青睐。无速度传感器矢量控制技术的开展在过去的二十多年中取得了长足的进步,成为专家学者们研究的一个热点。近年来,国内外学者在无速度传感器矢量控制系统的速度估计和磁链观测上进行了大量的理论研究和实践工作。主要有以下一些方法:.直接计算法通过同步速减去转差直接得到转子转速,所以称为直接计算法。其中,同步速由转子磁链角微分获得。此种方法由于电机数学模型、磁链观测方法以及转差计算方法的不同,具体的方法有所区别。直接计算法属于开环的转速估计方法,结构简单,容易实现,但是存在低速磁链观测难度大,抗扰能力差,性能受负载和电机参数变化影响等缺点。早期的变

14、频器大多采用这种无速度传感器的矢量控制的转速估计方法。文献在电压模型中应用低通滤波代替纯积分环节,虽然消除了积分环节带来的直流偏置现象,但是观测磁链相位会有一定程度的滞后,并且不能很好解决低频时定子电阻压降带来的影响。文献【】中概括了一种采用反电动势的转速估计方法,低速时较小的反电动势会带来较大的转速估计误差。由于直接计算法是基于电机的数学模型,所以从被忽略的例如磁饱和效应、集肤效应等非线性因素入手,优化电机数学模型的策略不断被提出。文献提供了一种考虑主磁路饱和与铁损的感应电机模型,此种模型更贴近真实的物理模型,对电机的转矩控制优化以及节能有着指导性意义。虽然这些方法增强了系统的鲁棒性,改善了

15、低速性能,但是都会不同程度的受到负载和工作范围的影响,并且对采样的精度要求较高。.高频信号注入法高频信号注入法通过向电机的定子侧注入高频电压信号,根据凸极跟踪的思想,检测不对称的凸极位置来获得转速信息。文献【】向定子侧注入一个平衡的电压信号,检测凸极位置获得转速,可获得较好的低速性能,但是对电机的凸极性有要求。文献【】在磁链观测中参加高频脉动信号,利用电机轴阻抗差异估算转速,这样会增大输出转矩波动,给转速控制器设计带来困难。文献【】总结了旋转高频注入法和脉动高频注入法两种高频信号的注入的方法,第章绪论并对这两种方法做了比照分析。脉动高频信号注入法结构简单,精度高,并且跟踪的动静态性能好,但是高

16、频的脉动信号会对输出产生影响,会给采集的反应信号带来更大的波动,增加了电机损耗,不利于系统稳定;旋转高频信号注入法的结构较为复杂,但是更易于实现,动态情况下的估算误差对系统影响较大,并且对电机本身的要求比拟高,需要电机具有一定的凸极程度。从当今研究的趋势来看,高频信号注入法多用于永磁同步电机的位置和转速辨识方面,在感应电机方面的研究越来越少。.模型参考自适应是一种闭环的转速估计方法,通过参考模型和可调模型输出的误差构建自适应律,结果用于可调模型的实时估计。通常情况下,参考模型采用没有转速信息电压模型,可调模型采用含有转速信息的电流模型,自适应调节的结果用于转速反应闭环。同时,转速的自适应律是基

17、于稳定性分析设计的,可以保证系统转速估计输出的渐近稳定。文献【,】在转速估计方法中应用了反电势的方法,但是在低速情况下反电势的值会很小,并且受定子电阻变化的影响较大,会造成低速情况下转速估计的不收敛,对系统的稳定性影响较大。为了消除定子电阻变化对系统产生的影响,文献【提出了一种交互式的方案,同时实现了转速和定子电阻的在线辨识,增强了系统的鲁棒性,但是没有针对电压模型中纯积分作用所带来的问题进行研究。文献【.为了彻底消除参考模型中的定子电阻,采用了无功功率作为输出的比拟量,消除了定子电阻变化的系统产生的影响,增强了系统的鲁棒性。.滑模观测器滑模观测器方法是源于滑模变结构控制的一种方法,具有响应快

18、,对系统内部参数和外部干扰呈不变性的特点,可以保证系统渐进稳定,且滑模变结构算法简单,易于工程实现。但是,滑模变结构控制在本质上是不连续的开关控制,会引起系统抖动,对于电机矢量控制在低速时将会引起较大的转矩脉动。所以,各种各样的抗抖振的方法被相继提出。文献【】针对永磁同步电机,将反电势估算值反应引入到定子电流观测计算,得到一种新的滑模观测器来观测转转子位置,以自适应的方式来校正反应增益和实现转子角度的误差补偿,得到了较好的低速效果。文献【】设计了一种应用在无速度传感器感应电机控制中的滑模电流观测器,可以独立的辨识出转速和定子电阻信息。并且,该文献还应用超稳定理论对所设计观测器的进行了稳定性分析

19、,研究了极低速下定子电阻的在线修正,得到了理想的效果。.自适应状态观测器自适应状态观测器转速估计方法是基于的思想,将电机本身作为参考模型,基于电机数学模型的状态观测器作为可调模型。利用两个模型输出变量的差值和状态观测器的估计变量一起构建自适应律,并实时地对可调模型中的转速进行调节,使构建的状态观测器输出快速地跟踪感应电机本身,实现自适应的转速估计。自适应状态观测器西安理工大学硕士学位论文的自适应律也是基于稳定性的设计方法,保证估计的结果渐近收敛。目前,对自适应状态观测器的研究主要集中在增益矩阵的选取以及稳定性分析等方面,使自适应状态观测器到达良好的转速估计效果,以适用于各种不同工况下的应用。文

20、献【】给出了自适应状态观测器的根底理论,并且根据稳定性理论进行了转速自适应律的推导,对转速和定子电阻同时进行在线辨识,但是没有对增益矩阵的选取以及可能带来的低速不稳定问题进行深入研究。文献】研究了一种简化的自适应状态观测器增益矩阵选取,引入提高系统动态性能的转矩观测器,减小计算量和估计转速误差,同时提高系统的稳定性,但是没有从稳定性方面判定应用该增益矩阵的系统是否能在全范围均是稳定的。文献】应用稳定性理论推到了转速的自适应律,并利用的工具箱求解了得到了增益矩阵,确保了自适应状态观测器在全范围的稳定工作。文献【】在传统的自适应状态观测器根底上,通过分析对增益矩阵进行了选取,并且参加扰动转矩前馈补

21、偿以提高转矩的稳定性和抗扰能力,提高了系统的鲁棒性。.扩展卡尔曼滤波扩展卡尔曼滤波是一种由最小方差意义上的最优预测估计开展起来的现代滤波方法,已经被成功地应用于无速度传感器矢量控制系统的转速估计。它以一种迭代的非线性估计算法,通过调节误差协方差阵来调节状态估计的收敛速度。并且此种模型是建立在系统的随机过程模型上的,具有较强的抗噪能力,有利于克服感应电机模型的不确定性和非线性问题。文献,中,被用于在感应电机直接转矩控匍中转速和磁链的估算,实验结果说明具有较好的估算性能与实用价值。文献】中,基于的参数估计器被用于转子电感和互感的估算,结果说明,文中提出的估计方法可以与其它多种感应电机控制方法结合起

22、来,可以获得较好的控制效果。由于传统需要大量的五阶矩阵运算,计算量很大,所以大多数研究仅限于仿真阶段。为了将卡尔曼滤波应用于实际系统,文章,中研究了一种仅估算磁链与转速的阶算法,不仅获得了与传统相同的估算性能,而且大大减少了计算量。.智能控制方案近些年来,智能控制得到了快速的开展,智能控制主要包括神经元网络控制、模糊控制、专家系统和学习控制等,主要针对一些不确定、非线性以及任务复杂的控制对象。目前,智能控制的主要方案还是依赖于和其他各种控制策略相结合,以到达特定工况下更好的控制效果。文献】中,将模糊控制和滑膜控制两种方案取代传统的调节器应用在了的转速估计的自适应控制机构,并对这两种方案以及调节

23、器方案在低速情况下的开环和闭环响应进行了比照。在线调整参数的调节器和模糊控制方案获得了相似的稳态响应效果,由于滑膜控制需要采用低通滤波器,模糊控制有着更快的动态响应性能。文献第章绪论【】在基于的矢量控制系统的速度环中应用了所设计的在线自学习模糊神经网络控制器,比照原有的调节器控制方案,获得了更加良好的控制效果。各种智能控制策略在矢量控制变频调速系统的中应用还处于一种早期的起步阶段,很多的方法还在不断的探索和仿真研究中,在实用化方面还会遇到硬件限制等一些其他问题。智能控制系统到达更好的控制效果需要进行更多的大量计算,但是随着以及各种微处理器芯片的开展,相信在不远的将来,智能控制技术将对交流变频调

24、速领域产生巨大的影响。以上对现有的一些无速度传感器矢量控制转速估计方案进行了归纳总结。虽然无速度传感器矢量控制技术已经产品化并得到了广泛应用,但是其性能和有速度传感器矢量控制相比还有较大差距,很多应用工况特别是低速情况下的性能都有待于进一步研究。.感应电机无速度传感器矢量控制技术产品现状从上世纪年代末开始,无速度传感器矢量控制技术的开展取得了令人瞩目的成果,并广泛应用到现有的各种交流传动变频调速系统中。自从变频器产业化以来,专家学者不断提出新的控制方案,制造厂家相继加大对产品研发的投入。剧烈的市场竞争加速了无速度传感器是矢量控制系统的开展,相关的变频器产品在功能和性能上都有了大.幅度的提升,越

25、来越贴近各种实际的工业应用场合。经过二十多年的开展,现有的无速度传感器矢量控制变频调速系统在中高速范围都能到达理想的控制效果。但是,在某些要求比拟高的低速应用场合,例如大型矿井的提升机、数控机床、轧钢机以及拉丝机等一些对低速转矩性能要求高的场合,无速度传感器矢量控制系统还是很难到达比拟满意的控制性能。为了给此次研究一个适宜的标准,首先对现今市场占有率高的几种国内外变频器品牌的低速性能进行了调研。把握当前情况下的无速度传感器矢量控制的低速性能指标,更有利于将研究成果实用化。以下表.为国内外各个变频器品牌的低速性能指标。表卜 国内外高性能变频器品牌矢量控制低速性能调研. 性能指标品牌 型号 上市时

26、间控制方式调速范围起动转矩:. /% 年. 安川 . /% : 年. /% :年艾默生 . /% :年无速度传感器汇川 . ,% : 年矢量控制.台达 . /% :年:. ,% 年英威腾. /% : 年.监海华腾 . /% : 年西安理工大学硕士学位论文由表.可以看出,各个变频器知名厂家在不断推出自己新的高性能无速度传感器矢量控制产品的同时,都在不断提升和完善其低速性能,以使品牌不断地适应各类工业应用场合的需要,满足客户的控制要求。.本文的科研资助和研究内容与安排.本文的科研资助随着变频调速系统研究的深入和行业的市场竞争,国内外变频器生产厂家都在不断推出各自的新型高性能变频调速产品,各方面性能

27、也在不断提升。应越来越多低速大转矩的工业应用场合需要,低速性能指标已经称为衡量高性能矢量控制变频器的一个重要指标之一,受到越来越多专家学者和工程技术人员的重视。本文的研究工作受某公司委托工程?高性能变频器研制与软件开发?资助。.本文的内容与安排本文从感应电机入手,研究了感应电机的数学模型:论述了矢量控制技术,特别对现行的五种不同转速估计谋略进行了理论分析比照:具体深入地研究了基于自适应状态观测器的转速估计谋略;分别以稳定性理论和超稳定性理论对自适应状态观测器的转速估计谋略进行了稳定性分析,得出了增益矩阵设计的稳定性范围;搭建了基于英飞凌为控制芯片的硬件实验平台,对基于自适应状态观测器转速估计策

28、略的矢量控制系统进行了全域的通用性验证,特别对五种转速估计谋略的低速性能进行了实验比照和分析;在速度控制器中引入模糊控制,以改善系统转速响应的快速性。本文共分为六个章节,具体内容安排如下:第一章介绍变频调速的开展历史,概括无速度传感器矢量控制系统的转速估计方法研究现状,调研了相应变频器产品低速性能指标,并且阐述了本文的科研资助以及工作安排。第二章介绍了感应电机的数学模型并对其进行了分析,以此为根底阐述了基于转子磁场定向的感应电机无速度传感器矢量控制系统的原理和结构,最后对五种无速度传感器转速估计谋略的理论进行了比照分析。第三章对自适应状态观测器转速估计谋略进行了深入研究,首先介绍了结构和原理,

29、然后根据感应电机的数学模型构建了状态观测器的结构,介绍了增益矩阵的推导,并对增益矩阵进行了简化,利用/对基于自适应状态观测器的感应电机无速度传感器矢量控制系统进行了仿真研究。第四章主要进行自适应状态观测器的稳定性分析,基于设计的状态观测器以及优化的增益矩阵,分别运用稳定性理论和超稳定性理论对自适应状态观测器转速估计谋略进行稳定性分析,得出系统稳定的增益矩阵选取范围,论证所设计的自适应状态观测器转速估计环节可以保证稳定运行。第五章在所搭建的基于的硬件平台根底上,针对无速度传感器矢量控制系统,通过实验研究了自究在内的五种转速估计比照分析。第六章总结了本文?西安理工大学硕士学位论文感应电机矢量控制技

30、术本章首先建立了电机的数学模型,并对数学模型进行分析。在此根底上,对感应电机矢量控制系统进行了介绍,主要给出了五种的无速度传感器转速估计谋略描述,为下文着重研究自适应状态观测器的转速估计谋略打下根底。.感应电机的数学模型及分析感应电机存在如电压或电流、频率、磁通、转矩等的输入输出变量,并且它们之间也存在相互的耦合关系,加上系统本身的非线性因素,各相的电磁惯性、.系统的机电惯性,在不考虑磁饱和等因素的情况下,至少也是一个八阶的系统。所以,感应电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在研究感应电机的数学模型时常作如下假设:假设三相绕组对称,产生正弦分布的磁动势;忽略磁饱和特性带来

31、的影响,假定各相电感恒定:忽略铁芯中的各种损耗;忽略发热和温升情况下绕组的变化。感应电机的学模型可以分别在三相静止坐标系、两相静止坐标系、两相旋转坐标系包括同步旋转的情况情况下表示,根据坐标变化的思想,不同的坐标系下的方程式有所不同。本节首先介绍感应电机的等效电路,接着介绍论文中应用到的感应电机数学模型,并根据论文的需要对建立的数学模型进行分析,为后边的矢量控制以及自适应控制打下根底。.感应电机型等效电路型等效电路是在电机控制中被熟知的一种感应电机等效电路。在忽略铁损的前提相的等效电路图。咫 图感应电机型等效电路 .其中,、墨分别为定子和转子电阻,.为定子侧的相电压,、分别为定子电流、转子电流

32、以及励磁电流.、分别为定子侧和转子侧的感应电动势。以上第章感应电机矢量控制技术各变量中,转子侧变量已经折算到定子侧。定义。为气隙磁场主磁通,口为转子电流产生的漏磁通,为转子磁通。定义为转差率。型等效电路的根本特征方程式如下:. 、 鼻鲁丝,.、。,转子磁通,是气隙主磁通。以及漏磁通。的合成。感应电机的型等效电路主要是根据气隙主磁通对公式进行推导的。根据图.可以看出,感应电机空载运行情况下,转子转速接近同步速,转差很小,那么,/趋近于,转子电流,可以认为趋近于。此时可认为励磁电流,。的赋值和定子电流,。相等,所以空载情况下,感应电机的功率因数较低。额定负载情况下,转差变大,功率因数增加。气隙主磁

33、通。的赋值和定子感应电动势巨成正比,并且一将决定。和,。足的向量角度差。感应电机固定转速下空载到额定负载过程中,相比恒定的定子电压.,定子电阻上的压降是较小的,可以认为气隙主磁通是一个固定值,并且励磁电流在一定程度上也是个常数。但是,在低速情况下,定子和转子电阻上的压降很可能占据定子电压的赋值,这种情况下,定子感应电动势以及气隙主磁通。均会出现相应程度的变化,给感应电机的控制带来困难。根据型等效电路的特征方程式画出的感应电机矢量图如图.所示。图感应电机型等效电路的向量图. 根据图.的型等效电路和图.的感应电机矢量图,可以得到定转子回路的电压方程式西安理工大学硕士学位论文以. 扣芍嘲¨

34、 旭础生似,为电源角频率,丘、分别为定子电感、转子电感和互感。其中定转子电感分别定义为:厶厶厶和,厶厶,厶和厶分别为定子漏感和转子漏感。忽略电力拖动系统中的粘性摩擦和扭转弹性,感应电机的运动学方程为五掣 .“唧 .和分别为感应电机的电磁转矩和负载转矩,为系统轴的转动惯量,玎,为感应电机的极对数,国为感应电机运行的角速度。.两相坐标系下的感应电机数学模型基于研究感应电机数学模型的假设条件,感应电机在三相静止坐标系下的数学模型通过将转子折算到定子侧,三相定子绕组固定,三相转子绕组旋转,然后以化简矩阵的形式表示出来的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。对感应电机三相静止坐标系下的数学模型的分析和

35、求解比拟困难,在实际的应用中通常是经过坐标变化将其简化。坐标变换的根本思路是在不同坐标系产生的磁动势完全一致,包括/变换、/变换、舯变换等。这里对三相静止坐标系下感应电机数学模型以及坐标变换的内容不再累述,仅对论文中应用到的两相坐标系下的数学模型进行阐述和分析。.两相旋转坐标系由下的感应电机数学模型两相旋转坐标系可以以任意角速度旋转。将三相静止坐标系下的感应电机数学模型包括磁链方程、电压方程、电磁转矩方程和运动方程进行/变换,然后进行/变换,将各变量都转换到两相旋转坐标系中。磁链方程,一 。 ,蜩 。 蜩 .,玛 。 , 电压方程足丘 一一吐厶蚊厶 足厶 ./ 一吐一 足 一婢 ? 吐一 足,

36、 第章感应电机矢量控制技术转矩方程与运动方程.。?运动方程与式.一致。.两相静止坐标系卢下的感应电机数学模型两相静止坐标系下的数学模型是由坐标系下数学模型坐标转速等于的一种特例,也可以仅通过三相静止坐标系下的数学模型经过/变换得到。磁链方程,。 ,帕厶妒 厶 钿 .,似厶厶,巾 钿电压方程 ,艇足 “邛 . & 厶材巾 ? 叫 足 转矩方程和运动方程.一/运动方程与式.一致。.两相同步旋转坐标系下的感应电机数学模型两相同步旋转坐标系下的数学模型也是砌坐标系下数学模型的一种特例,坐标轴的转速等于定子同步角速度,转子转速与定子和同步旋转坐标系相比,相差了一个转差。其中电压方程为材一 足 ?

37、厶一嚷材鲫 厶 . 吐 ,叼. ? , 一蛾嘭厶 弼 足厶甜 田磁链方程、转矩方程以及运动方程均与由坐标轴下的数学模型一致。.两相坐标系下的感应电机状态方程根据两相坐标系下的感应电机数学模型,其中定子电流可测量。本文选择定子电流和转子磁链作为状态变量来构建电机的状态方程表达式,并且不同的坐标系下状态空间表达式有所不同。.两相静止坐标系叩下的状态方程表达式里室墨三查堂堡主兰竺笙查?一根据两相静止坐标系下的磁链方程.和电压方程.,以定子电流转子磁链为状态变量,可以得到叩坐标系下的状态方程表达式:.一弋一娼厶盟珥生阻。一生 一乙珥 。一弘嘲阱?弘咿邛丘褂.也一去专.影。等 ,立瓦,】为为了简化表达形

38、式,可以将状态方程以复平面中的矢量形式表示。以【.呲擎誊协斟.两相同步旋转坐标系由下的状态方程表达式根据两相静止坐标系下的磁链方程.和电压方程.,以定子电流转子磁链为状态变量,可以得到由坐标系下的状态方程表达式:?血一一痞,堕坼生呜一?幺一咄一三珥 ,一厶、 %.。.骗一,一乩:铂.舳“【 卜玉圈,.群。等 ,刍同样以:【、,为状同样的,由坐标系下的状态方程也可以以矢量形式表示。态变量,一,如卜?一藁哏啊生她 ?,式卜如虬簪专 ,陪材,俐的珥丘乙一.感应电机状态方程的分析根据控制理论的相关知识,可以根据根轨迹法对感应电机的状态方程进行分析。本第章感应电机矢量控制技术节针对两相静止坐标系叩下的状

39、态方程进行分析,从而得到电机本身极点的轨迹图。由式.,设其状态矩阵为,那么,根据?求取状态方程的特征根可以解出状态方程的四个极点表达式,并且表达式中存在着变量。所以,当前转速的不同直接会影响到电机极点的位置,并且进而影响到电机的性能。根据转速从到额定值的情况,画出的感应电机极点在复平面的轨迹如图.所示。和詈。?二: 图感应电机极点分布图 .图.中的电机极点是针对一台感应电机参数,根据转速从到额定转速的不同取值,用仿真软件计算出极点从而画出的极点连线。可以看出,在转速的整个范围内,整个电机的极点均位于平面的左边,所以电机本身的系统是稳定的。转速很低的情况下,电机的极点靠近实轴,并且有一组极点会靠

40、近虚轴。此种情况下,电机本身对于外部的干扰比拟敏感,很容易受到各种参数变化的影响。根据计算推导,可以得出,远离虚轴的一组共轭的极点是定子电流的运行状态,靠近虚轴的一组共轭极点是转子磁链的运行状态。这样的话,转子磁链的低频情况下的抗干扰性很差,.所以需要以更先进的算法估计出更为精确的转子磁链,以改普电机的低速性能。.转子磁场定向矢量控制根本原理变频调速面对的是一个复杂的感应电机控制对象,虽然可以通过之前提到的坐标变换进行化简,但是其结果并没有改变感应电机动态模型高阶、非线性、强耦合、多变量的本质。研发新一代高性能的变频调速器,按转子磁链定向的矢量控制技术仍是现今最为广泛应用的高性能控制方案。.西

41、安理工大学硕士学位论文.矢量控制原理矢量控制系统的根本思路是将定子电流解耦为励磁分量和转矩分量,其中转子总磁通,等效为直流电动机的励磁磁通,定子电流励磁分量等效于励磁电流;转矩分量可以看作与转矩成正比的转矩电流。具体的解耦方式还是通过坐标变换,将三相坐标下的定子电流通过/变换得到两相静止坐标系下的定子电流分量,然后再进行/变换得到同步旋转坐标系下的定子电流分量。这样,感应电机就可以通过等效为一个直流电动机来进行控制如图方框中局部。 笔,罹毫§一茹:蒹兰三二二二二二抟蕉一三三二三三二三了通过坐标的反变换,便可以应用直流电动机的控制策略对感应电机进行控制。这种通过坐标变换实现的控制系统叫

42、做矢量控制系统。矢量控制系统的结构原理如图.所示。感应电机的磁链空间矢量,有三种不同的表达形式:转子磁链,、定子磁链,。和气隙磁链,。所以,感应电机就有定子磁场、转子磁场和气隙磁场这三种方式定向方式。本文的研究主要采用转子磁场定向方式。.基于转子磁场定向的三相感应电机数学模型根据本文确定的转子磁链定向的方式,在同步旋转坐标系中,轴和转子磁链,的方向相同,轴逆时针旋转。由此,吵耐,。又由于笼型电机的转子每部短路,于是材啊。这样一来,根据转子磁场定向,上文提到的同步旋转坐标系下.,厶?。髀%,.。,.耐.第章感应电机矢量控制技术一蛾厶 一吐咄皱厶 足厶 呻 .足一蛾 ? %厶吐一厶 足 转矩方程将

43、磁链方程代入电压方程,消去转子电流和定子磁链分量,代入运动学方程.,整理得到转差公式以及转子磁链和定子电流的关联公式为.嫠.,南乙将式.的、两式解出、,并将结果代入式.,经过转子定向确定的关系式化简整理可得.等讥譬如运动方程与式.一致。.无速传感器矢量控制系统结构图感应电机无速度传感器矢量控制框图.?高性能的变频调速系统都需要速度或者瞬时角度的反应,精度高的速度传感器将增。西安理工大学硕士学位论文加系统的本钱,并且降低系统的可靠性。所以,无速度传感器矢量控制的方案受到了各制系统的控制框图。速度反应是高性能变频调速系统的重要环节,它直接关系到转速的静态稳定性、动态快速性以及转矩的稳定程度等系统响

44、应性能,影响到矢量控制系统的控制效果。下面对几种的转速估计方案进行具体描述。.电压模型转速估计方案根据电压方程和磁链方程中电动势和磁链的关系,对电动势积分可以得到磁链,此种方法得到的模型称为电压模型。电压模型是基于电机数学模型的开环转速估计方案。在两相静止坐标系中,根据电压方程式.,将磁链方程式.中的转子电流带入置换,带入漏磁系数一己/厶厶并对等式两边取积分,即可得到转子磁链的电压模型的表达式。且一西一船.一。油一卜。隧式.是传统的电压模型,结构简单,算式不含转子电阻参数。但是此种模型存在纯积分环节所带来的直流偏置现象,并且低速时模型的观测精度受定子电阻的变化影响。基于此,出现了用一阶低通滤波

45、代替纯积分环节的改良优化方案。其具体的转速估计框图为如下图。图改良电压模型结构框图.电流模型转速估计方案根据矢量控制的根本方程式中两相静止坐标系下的电压方程式.,然后带入两相静止坐标系下磁链方程式.以置换转子电流变量,经过整理得到转子磁链的电流模型。具体的方程式如下:.。帝心。咖卜卉心如一笫章感应电机矢量控制技术电流模型的转速估算根本的结构框图如图.所示。图电流模型结构框图. 在实际的微处理器实现中,由于转子磁链在两相静止坐标系下的分量之间有耦合的关系,离散时会出现不收敛的情况。由此,将原有的定子电流在两相静止坐标系下的分量经过同步旋转变换,得到同步旋转坐标下的分量。然后,利用矢量控制的根本方

46、程式中的式.和式.,可以获得磁链和转差信号。由转差加上实测转速得到定子频率,在经过积分得到转子磁链的相位角。具体的结构框图如图.所示。图?改良电流模型结构框图.电流模型需要应用到电流和转速信号,虽然理论上可以适用于全速范围,但是也会受到电机参数变化的影响。比方温升和频率变化会影响到转子电阻,磁链饱和情况会影响到电感参数。当机电参数发生变化的时候,用原有的电机参数估计得出的磁链信号便会失真,必然导致转速估计的准确性降低,进而影响到矢量控制系统的控制性能,使整个系统的性能降低。.基于转矩电流闭环控制的转速估计方案开环的转速估计方案不可防止的会受到电机参数变化的影响,由此估算转速的系统在实际应用中特

47、别是恶劣情况下的性能会大打折扣。闭环的转速估计方案可以有效地抑制这种负面影响,更好地维持矢量控制系统的稳定运行。基于闭环控制的转速估计方案是出现比拟早的一种闭环转速估计方案,它是基于某些误差量,应用调节获得估计的转速信息。这里介绍一种基于转矩电流误差的转速估计方案,它通过调节器控制给定转矩电西安理工大学硕士学位论文流和其实际值的误差,得到估计的转速值。王.匆七工一乞图中给出了基于转矩电流误差转速估计方案的结构框图。此种方案结构简单,尤其在励磁和转矩完全解耦的矢量控制系统中容易实现,并且稳态下稳定性好。但是具体的调节器参数是需要根据具体的工况进行设计,不同工况下参数不一样,特别是在动态下负载和转

48、动惯量都会发生变化的情况,参数的选取比拟困难。图转矩电流闭环控制转速估计谋略框图.?.模型参考自适应转速估计方案模型参考自适应转速估计不仅是一种基于电机数学模型的闭环转速估计方案,也是一种基于稳定性设计的转速估计方案,可以保证转速估计的渐进收敛。现在流行的做法是将电压模型作为参考模型,电流模型作为可调模型,利用两个模型输出磁链的矢量差构建转速自适应机构,已到达可调模型快速跟随参考模型的目的。图. 的结构框图.?如图.所示给出了的结构框图,图中定子电流和转子磁链均表示的是具体坐标系下的分量矩阵。自适应机构可以应用超稳定理论来进行设计,最后等效为一个调节器对两个模型输出的磁链矢量积进行自适应调节,

49、结果送可调模型进行下一拍运算。是一种稳定性高的闭环转速估计方案,由于其本身的自适应的机构,可以到达很好的转速估计性能,并且对电机参数的变化不敏感。但是以感应电机的电压模型作为参考模型,会使参考模型在某些情况下并不能代表感应电机本身的情况,在理论上有待于进一步的改良。笫章感应电机矢量控制技术.自适应状态观测器转速估计方案自适应状态观测器的转速估计谋略也是一种闭环的转速估计方案,也是一种基于稳定性设计的转速估计方案,可以保证估计转速的渐进收敛。与不同的是,这里应用电机本身作为参考模型,基于电机数学模型设计的一个状态观测器模型作为可调模型。实质上,自适应状态观测器转速估计方案延伸了的自适应设计思想。图自适应状态观测器的结构框图. 自适应状态观测器转速估计的根本结构框图如图.所示。基于自适应状态观测器转速估计方案将在下一章作深入研究。.本章小结本章首先介绍了感应电机的型等效电路。在此根底上,通过坐标变换分别建立了两相静止坐标系叩和两相同步旋转坐标由中的感应电机数学模型。通过所建立的数学模型,以定子电流和转子磁链为状态变量,建立了两种坐标系下感应电机数学模型的状态方程表达式。针对两相静止坐标系下的状态方程进行分析,用仿真软件画出了状态方程极点在复平面内的轨迹分