（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）感應(yīng)電動機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的研究.pdf

上海人學(xué)碩上學(xué)位論文 a b s t r a c t s p e e ds e n s o f l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fi n d u c t i o nm o t o ri sd e v e l o p e df r o m n o r m a ls e n s o r e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e m o w i n gt oi t si n h e r e n ta d v a n t a g e s ，i th a sn o w b e e nt h ef o c u so fa cd r i v es y s t e m r e s e a r c ha n de x p e r i m e n t sa r ed o n ei nt h i sp a p e r , a n das p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mf o ri n d u c t i o nm o t o ri sr e a l i z e db a s e do n i n f i n e o nx c16 4m c u t h ed y n a m i cm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o ri sf i r s t l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n d t h e nr e s e a r c h e sa r ed o n eo nt h et h e o r yo ff l u xo r i e n t e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e m b y c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ee x i s t e ds c h e m e sf o r t h es p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o l s y s t e mw i t hm a t l a b ，an e ws c h e m eb a s e do nt h ed i f f e r e n t i a lo ft o r q u ec u r r e n ti s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h es y s t e mh a sg o o ds t a t i c a n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r md e s i g n e df o ra cd r i v ei sc o n c r e t e l yi n t r o d u c e di nt h i s p a p e r a n df l u xo p e nl o o pv e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t hs p e e ds e n s o r , a n ds p e e d s 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 r er e a l i z e do n eb y eo n e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e m r e a l i z e di n t h i sp a p e rh a sg o o ds t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e i tc a nw e l lt r a c et h e g i v e ns p e e dw i t hb e t t e rs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n db e t t e rl o a d i n ga b i l i t y c o m p a r e dw i t ht h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mw i t hs p e e ds e n s o lt h es t a t i cp e r f o r m a n c e o f t h es y s t e mw i t h o u ts p e e ds e n s o ri sa sg o o da st h es y s t e mw i t hs p e e ds e n s o r , b u tt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c ee s p e c i a l l ya tt h el o ws p e e di sal i t t l eb i tw o r s e t h el o ws p e e d p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mn e e d st ob ei m p r o v e d k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r , s p e e ds e n s o r l e s s ，v e c t o rc o n t r o l ，s p e e de s t i m a t i o n ， i n f i n e o n ，x c16 4m c u i l j ：海人學(xué)碩上學(xué)位論文 原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作。 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人己發(fā)表 或撰寫過的研究成果。參與同一工作的其他同志對本研究所做的任何 貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 本論文使用授權(quán)說明 期： 本人完全了解上海大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué) 校有權(quán)保留論文及送交論文復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可 以公布論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 隆嘶掣 i ：海大學(xué)顧士學(xué)位論文 1 1 引言 第一章緒論 由于直流電動機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩的控制性能，在相當(dāng)長的時 段內(nèi)，直流調(diào)速在高性能變速電氣傳動領(lǐng)域中占據(jù)著統(tǒng)治地位。但是，直流電動 機(jī)存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。人們繼而轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐 用、價格低廉的異步電動機(jī)啪m 。于是，從2 0 世紀(jì)3 0 年代開始，人們就致力 于交流調(diào)速技術(shù)的研究。由于異步電動機(jī)是一個高階、非線性、強(qiáng)藕合的多變量 復(fù)雜系統(tǒng)n 2 羽畸兒引，早期的研究進(jìn)展緩慢。隨著電力電子技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù) 及電氣傳動控制技術(shù)本身的發(fā)展，交流調(diào)速得到了進(jìn)一步的發(fā)展。至今，交流傳 動取代直流傳動已經(jīng)成為不爭的事實(shí)。 1 2 交流電動機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1 2 1 電力電子技術(shù)的發(fā)展 5 0 年代末出現(xiàn)了晶閘管，由晶閘管構(gòu)成的靜止變頻電源輸出方波或階梯波 的交變電壓，然而晶閘管屬于半控型器件，故由普通晶閘管組成的逆變器用于交 流調(diào)速必須附加強(qiáng)迫換流電路。在五六十年代，要說交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速 系統(tǒng)幾乎是很遙遠(yuǎn)的事情。7 0 年代后，功率晶體管( b j t ) 、門極關(guān)斷晶閘管( g t o ) 、 功率場效應(yīng)管( p o w e rm o s f e t ) ，絕緣柵雙極晶體管( i g b t ) 等已先后問世，這些 器件都是既能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的自關(guān)斷器件，又稱全控器件。它不再需要 強(qiáng)迫換相電路，使得逆變器構(gòu)成簡單、結(jié)構(gòu)緊湊。i g b t 由于兼有m o s f e t 和 b j t 的優(yōu)點(diǎn)，是目前最為流行的器件。8 0 年代以后，電力電子器件開始向高頻 化、模塊化、智能化發(fā)展。期間，功率集成電路和智能功率集成電路發(fā)展迅速。 目前已應(yīng)用于交流調(diào)速的智能功率模塊( i p m ) 采用i g b t 作為功率開關(guān)，含有電 流傳感器、驅(qū)動電路及過載、短路、超溫、欠電壓保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)了信號處理、 故障診斷、自我保護(hù)等多種智能功能，既減少了體積、減輕了重量，又提高了可 靠性，使用、維護(hù)都更加方便，為高性能交流調(diào)速技術(shù)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 上海大學(xué)碩j j 學(xué)位論文 1 2 2 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到了很大 的提高，這使得以單片機(jī)等微控制器為核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬 器件控制系統(tǒng)成為可能，這也進(jìn)一步促進(jìn)了交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展。 單片機(jī)自問世以來，便得到了飛速的發(fā)展，以i n t e l 公司為例，從早期推出 的m c s 4 8 ，m c s 5 1 系列單片機(jī)到性能優(yōu)越的m c s 9 6 系列的1 6 位單片機(jī)，特 別是8 0 c 1 9 6 m c 型單片機(jī)內(nèi)置的波形發(fā)生器w g 可直接輸出三相p w m 波形， 非常適用于變頻調(diào)速的電動機(jī)控制系統(tǒng)，但當(dāng)需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理或浮點(diǎn)運(yùn)算 時則略有遜色。8 0 年代初期出現(xiàn)的數(shù)字信號處理器( d s p ) 既增強(qiáng)了微處理器的數(shù) 據(jù)處理能力，又在片內(nèi)集成了大量的外圍接口，因而在控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 而對于電動機(jī)控制領(lǐng)域，許多半導(dǎo)體廠商更是針對性地開發(fā)了性能卓越的電 動機(jī)控制專用微控制器。如t i 公司的2 4 系列和2 8 系列d s p n 鍆n 引，m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 0 系列數(shù)字信號控制器及i n f i n e o n 公司的x c l 6 4 系列單片機(jī)等 i t 6 1 7 1 s 1 a z o 這類微控制器在片內(nèi)即成了大量的外圍接口，具備強(qiáng)大的片內(nèi)i o 和其他外設(shè)功能。而其中的p w m 生成電路、邊沿捕捉電路和正交編碼電路非常 適合電動機(jī)的變頻調(diào)速控制。 和模擬電子電路構(gòu)成的模擬控制相比以微控制器為核心的數(shù)字控制的優(yōu)越 性表現(xiàn)在以下幾個方面： ( 1 ) 控制器的硬件電路標(biāo)準(zhǔn)程度高，成本低，可靠性高。 ( 2 ) 控制軟件可以按需要更換、修改或移植，靈活性好。 ( 3 ) 消除了模擬控制中溫度漂移的影響，穩(wěn)定性好。 ( 4 ) 信息存儲、監(jiān)控、故障診斷以及分級控制的能力不斷提高。 ( 5 ) 隨著c p u 運(yùn)算速度和存儲容量的發(fā)展，各種新型的比較復(fù)雜的控制策 略都能夠?qū)崿F(xiàn)。 1 2 3 交流電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是目前被廣泛采用的一種異步電動機(jī)控制技術(shù)，根據(jù)所采 2 j ：海人學(xué)碩1 二學(xué)位論文 用的數(shù)學(xué)模型，變壓變頻技術(shù)又可分為兩類。一類是基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的開環(huán)恒 壓頻比調(diào)速系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng)，這類系統(tǒng)有著良好的穩(wěn)態(tài)性 能，被廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等動態(tài)性能要求不高的場合。另一類是基于動態(tài)數(shù) 學(xué)模型的矢量控制系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，這類系統(tǒng)有著良好的動靜態(tài)性能 i 】【2 】 4 】 7 】 0 ( 1 ) 轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制調(diào)速系統(tǒng) 變頻調(diào)速系統(tǒng)目前應(yīng)用最為廣泛的是轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的調(diào)速系統(tǒng)，也 稱為恒v f 控制h 引，這種調(diào)速方法采用轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比帶低頻電壓補(bǔ)償?shù)目刂?方案，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，成本最低，但是靜、動態(tài)性能都有限，只能滿足 一般的平滑調(diào)速要求，適用于風(fēng)機(jī)、水泵等對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。 ( 2 ) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)也是建立在異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模 型的基礎(chǔ)上，但引入了轉(zhuǎn)速反饋進(jìn)行閉環(huán)控制，從而提高了調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài) 性能。根據(jù)異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的近似公式可知，在s 值很小的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍內(nèi)，若 氣隙磁通保持不變，則異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差頻率成正比。于是控制轉(zhuǎn) 差頻率就能控制轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而達(dá)到控制轉(zhuǎn)速變化率的目的，以提高調(diào)速系統(tǒng)的性能。 這種控制策略使得系統(tǒng)調(diào)速更加平滑，穩(wěn)定性有所提高，同時在允許的條件下也 保證了系統(tǒng)的快速性。但它仍然從電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型出發(fā)，其動態(tài)性能仍不夠理想。 ( 3 ) 矢量控制 1 9 7 1 年，德國的f b l a s c h k e 等提出了矢量控制的基本思想。其基本出發(fā) 點(diǎn)是：考慮到異步電動機(jī)是一個多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時變參數(shù)系統(tǒng)，難以 通過外加信號準(zhǔn)確控制電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，但如果以轉(zhuǎn)子磁鏈這一旋轉(zhuǎn)空間矢量 為參考坐標(biāo)，利用靜止坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換，則可以把定子電流矢量 分解成為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的兩個互相垂直的電流分量，即勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分 量，從而得到等效直流電動機(jī)的模型，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩和磁通的分別控制。矢量控制 方法使交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能有了顯著的改善，并且完全能夠與 直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 上海人學(xué)碩士學(xué)位論文 矢量控制技術(shù)的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)子磁場的精確定向，由于磁通的直接檢測需要在電 動機(jī)內(nèi)部安裝磁敏元件，而且在使用中存在許多缺陷，因此很少采用這種方式。 而采用磁鏈估算器可以根據(jù)定、轉(zhuǎn)子磁鏈模型，利用電動機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速 等信息計(jì)算出磁鏈的幅值和角度。另一種磁場定向的方法是依據(jù)轉(zhuǎn)差頻率間接計(jì) 算，通過定子電流兩個分量的給定值計(jì)算出轉(zhuǎn)差角速度，再與檢測到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 相加后積分獲得轉(zhuǎn)子磁鏈的角度。兩種磁場定向方法都受電動機(jī)參數(shù)的影響，若 磁場定向不準(zhǔn)，則矢量控制系統(tǒng)往往難以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)瞳門比引。 ( 4 ) 直接轉(zhuǎn)矩控制 在1 9 8 5 年，由德國學(xué)者m d e p e n b r o c k 和日本學(xué)者i t a k a h a s h i 先后提出 了直接轉(zhuǎn)矩控制理論h 5 兒刪。其基本思想是：通過在轉(zhuǎn)速環(huán)罩面設(shè)置轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)，以 抑制定子磁鏈對內(nèi)環(huán)控制對象的擾動，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)之間的近似解 耦，而不再追求控制對象的精確解耦。根據(jù)定子磁鏈幅值偏差緲。的符號和電磁 轉(zhuǎn)矩偏差a t 的符號，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶俊Ｋ诘奈恢?，直接選取合適的, 電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩和定 子磁鏈的控制。 與矢量控制技術(shù)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是：轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式控制 器，并在p 1 】| m 逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生s v p l 】l m 波形，省去了旋轉(zhuǎn)變換 和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)；選擇定子磁鏈作為被控量，計(jì)算磁鏈的模 型可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了系統(tǒng)的魯棒性；由于采用了直接轉(zhuǎn)矩 控制，在加減速或負(fù)載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。 但是，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)也存在著一定的缺點(diǎn)：由于采用了雙位式控制， 實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動；由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型， 積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會影響磁鏈計(jì)算的準(zhǔn)確度。這兩個問題 的影響在低速時都比較顯著，因而限制了系統(tǒng)的調(diào)速范圍。因此，其效果與理想 效果相比也不完全令人滿意晗如弛4 | 。 ( 5 ) 智能控制技術(shù)應(yīng)用在電動機(jī)控制中 智能控制是自動控制學(xué)科發(fā)展過程中一個嶄新的階段。目前，智能控制的研 究與應(yīng)用已深入到眾多的領(lǐng)域；同樣，它的發(fā)展也給電氣傳動系統(tǒng)的控制策略帶 4 上海人學(xué)碩十學(xué)位論文 來了新思想、新方法。目前發(fā)展的屬于智能控制方法的有：模糊邏輯控制、神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、分層遞階智能控制和遺傳算法。它們在傳動控 制領(lǐng)域中都得到了一定的應(yīng)用。 以單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器的應(yīng)用為例。由于以電動機(jī)為對象的電力傳動控制 系統(tǒng)，其對象的模型結(jié)構(gòu)是確定的，但參數(shù)往往難以精確測定，部分參數(shù)將隨著 工作點(diǎn)的變化而變化。根據(jù)對象的性質(zhì)，在p i 調(diào)節(jié)控制中溶入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí) 功能，構(gòu)成單神經(jīng)元自適應(yīng)控制器，使控制器參數(shù)能自動適應(yīng)對象參數(shù)，便可提 高系統(tǒng)的魯棒性2 5 1 嘲例4 圳。 當(dāng)然，智能控制技術(shù)在電動機(jī)控制領(lǐng)域的應(yīng)用還處于起步階段，還有很多課 題值得研究。 1 3 課題研究的目的和意義 在高性能交流傳動系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制 是必不可少的。轉(zhuǎn)速反饋信號通常采用旋轉(zhuǎn)編碼器等速度傳感器來進(jìn)行檢測。然 而速度傳感器的安裝比較麻煩，也會給系統(tǒng)帶來其他的缺陷。所以取消速度傳感 器，對提高系統(tǒng)的可靠性、對環(huán)境的適應(yīng)性、進(jìn)一步擴(kuò)大交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范 圍具有重要的意義。近年來，無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的研究成為交流傳動的 一個熱點(diǎn)問題。 目前，國外許多大公司都已經(jīng)推出了比較成熟的無速度傳感器矢量控制通用 變頻器，且調(diào)速范圍基本在1 0 0 ：1 以上。而國內(nèi)雖然也有少量的無速度傳感器 矢量控制變頻器推出，但在性能上與國外的成熟產(chǎn)品仍存在一定的差距。為此， 本課題將在分析研究現(xiàn)有的各種無速度傳感器矢量控制方案的基礎(chǔ)上，以英飛凌 x c l 6 4 單片機(jī)為控制核心，開發(fā)一套無速度傳感器矢量控制交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置。 以期得到一些研究成果和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為國內(nèi)無速度傳感器矢量控制通用變頻器的 產(chǎn)品化做一些貢獻(xiàn)。 1 4 論文的主要研究內(nèi)容 本論文以作者攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)課題的工作為基礎(chǔ)。 第一章闡述了本課題相關(guān)科學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r以及課題研究的目的和意義。 卜海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章對異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論分析研究，并介紹了異步電動 機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。 第三章對異步電動機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)及幾種主要的速度估算方 法進(jìn)行了介紹，并對比較轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型和電流模型用p i 控制閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn) 速和比較定子電壓用p i 控制閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)速估算方法進(jìn)行較深入的分析研 究，最后提出本文采用的“基于轉(zhuǎn)矩電流微分估算轉(zhuǎn)速法”的無速度傳感器矢量 控制方案。 第四章詳細(xì)介紹了基于英飛凌x c l 6 4m c u 的交流調(diào)速實(shí)驗(yàn)裝置及其上位 機(jī)監(jiān)控軟件，并給出了相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。 第五章闡述了無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的資源分配及軟件結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)各 主要功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 第六章給出了無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析。 第七章則對全文進(jìn)行了總結(jié)。 6 上海人學(xué)碩十學(xué)位論文 第二章異步電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型及矢量控制系統(tǒng) 2 1 引言 基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑 調(diào)速，但對于軋鋼機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、載客電梯等動態(tài)性能高的對象，就不 能完全適用了。要實(shí)現(xiàn)高動態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，必須依據(jù)異步電動機(jī) 的動態(tài)數(shù)學(xué)模型來設(shè)計(jì)系統(tǒng)。矢量控制就是基于動態(tài)模型的高性能交流電動機(jī)調(diào) 速系統(tǒng)之一，通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動機(jī)模型，然后 按照直流電動機(jī)模型設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。因此，異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)有著可以和 直流電動機(jī)相媲美的優(yōu)良的靜、動態(tài)性能。 2 2 異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 異步電動機(jī)具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量的性質(zhì)。在研究異步電動機(jī)的數(shù)學(xué) 模型時，常作如下假設(shè)比1 ： ( 1 )忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對稱，在空間中互差1 2 0 。，所產(chǎn)生的磁 動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布。 ( 2 )忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。 ( 3 ) 忽略鐵心損耗。 ( 4 ) 不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。 2 2 1 異步電動機(jī)三相原始模型 無論異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線式還是鼠籠式，都可以等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并 折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等。圖2 1 為三相異步電動機(jī)的 物理模型，定子三相繞組軸線a b c 在空間是固定的，轉(zhuǎn)子繞組軸線a b e 隨轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)，以a 軸為參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子a 軸和定子a 軸間的電角度護(hù)為空間角位移變量。 規(guī)定各繞組電壓、電流、磁鏈的正方向符合電動機(jī)慣例和右手螺旋定則，則得到 異步電動機(jī)三相原始數(shù)學(xué)模型如下： 7 i ：海大學(xué)碩十學(xué)位論文 電壓方程： 磁鏈方程： 少 y 口 c 。 y 6 。 b 圖2 - 1 三相異步電動機(jī)的物理模型 r ，0 0 0 r ，0 0 0 r ， 000 000 00o 三朋 三刪 翻 匕 三鮒 d 三一口 l b 8 l c b l d b 三硒 l c 8 ooo ooo o0o r ，0 0 0 r ，0 0o足 4 勘 三。 l 三k 乞 定子各相自感為： 劇= l b b = l c c = l + l 厶 其中電感矩陣中各互感如下： 8 d - d t l c 船 l c c 三。 k k a 緲 口 中c 。 少6 。 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 0bkkk 丌iiiijjiiiiiiii業(yè) 咖加卯如如以 bkkbk 丌iiiiiiiiiiiiii兒 肋 肋 西 曲 砧 = 8 l厶三 胛 盯 缸 w 銘伽伽脅伽伽礎(chǔ) j ：海入學(xué)碩j ：學(xué)位論文 轉(zhuǎn)矩方程 = 厶c ：乇= k = k = l c = _ 1 ，l 。 l a b = 乞= k = k = l o b = 厶。= 一丟厶， l 。= 乞= = = k = k = k c o s o ( 2 4 ) l a 6 = k = k = l o b = 乞= 丘c = k c o s ( g + 1 2 0 0 ) l a ，= t 。= 厶h = 厶。= 厶。= 厶r = l 。c o s ( o 一1 2 0 0 ) t = 一行_ p 三，m 【( a + 口+ c c ) s i n o + ( + 口t + 1 c ) s i l l ( 口+ 1 2 0 。( 2 5 ) + ( t + i s i 。+ i c i 6 ) s i n ( o 一1 2 0 。) j 運(yùn)動方程 萬j 百d o = 疋一瓦 刀p 講 ( 2 - 6 ) 其中，u a “占，“c ，“。，“6 ，“。是定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值，l c ，i a ，i b ，f c 是定子和 轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值，丑，c ，虬是各相繞組的全磁鏈，墨，r ，是定子 和轉(zhuǎn)子繞組電阻。上述各量都已折算到定子側(cè)。瓦為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，為電磁轉(zhuǎn)矩， ，為機(jī)組的轉(zhuǎn)動慣量，n p 為極對數(shù)。 2 2 2 異步電動機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 異步電動機(jī)三相原始模型相當(dāng)復(fù)雜，通過坐標(biāo)變換能夠簡化數(shù)學(xué)模型，便于 進(jìn)行分析和計(jì)算。由于異步電動機(jī)定子繞組是靜止的，所以只要進(jìn)行3 2 變換就 行了，而轉(zhuǎn)子繞組是旋轉(zhuǎn)的，必須通過3 2 變換和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜止坐 標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換，才能變換到靜止兩相坐標(biāo)系。 異步電動機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換后在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下： 電壓方程 r 。0 0 0 i 。 0 r 。0 0 lli 妒 oo r ， o0i 。 000r r j l i ：p d l d t 9 。4 y 塒 ，。 v t b 士 0 0 t 8 一緲f 少f 。 ( 2 - 7 ) 上海人學(xué)碩士學(xué)位論文 磁鏈方程 轉(zhuǎn)矩方程 運(yùn)動方程 杪j 口 vs 8 vr vr 8 l j 0 l 朋 o 0 工， 0 l 。 l 。 0 l ， o 0 歷 0 l ， l j g ls 8 l l 陽 疋= 刀p l 肼( i s p i ，口一f ，口i r p ) 一d r o ：乃一五d 刀，t 。 2 2 3 異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的數(shù)學(xué)模型 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 令d q 坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶客叫D(zhuǎn)，且使得d 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希?即為按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系m t 。 圖2 - 2 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的空間矢量圖 如圖2 2 所示，由于m 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，所以有?。2 村2 少， 少一= y 。= 0 為了保證m 軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，必須使 巫么：d 弘r q ：o d td t 于是得到按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系m t 中狀態(tài)方程 1 0 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 二海人學(xué)碩 ：學(xué)位論文 警= 警似一等瓦 罄每”等協(xié)魯= 南 筆筍。+ 等 “ 魯一去嘶一等筍一甜老 q 釧+ 參 ( 2 妒曠艫每乙 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系i n t 中的電磁轉(zhuǎn)矩 疋= 等咖， 轉(zhuǎn)子磁鏈 ”= 麗l m 其中仃：1 一摯為電動機(jī)漏磁系數(shù)， l s l r ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) z = 每為轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)。 上述公式表明：通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn) 矩分量乙，使轉(zhuǎn)子磁鏈”僅由定子電流勵磁分量0 產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩乏正比于 轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積”，實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個分量的解耦。 因此，按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的異步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型與直流電動機(jī)動 態(tài)模型相當(dāng)。 卜海大學(xué)碩t 學(xué)位論文 2 3 異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng) 2 3 1 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng) 如上節(jié)所述，異步電動機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換并按轉(zhuǎn)子磁鏈定向后可以等效成直流 電動機(jī)，這樣就可以模仿直流電動機(jī)的控制策略進(jìn)行控制。即先產(chǎn)生按轉(zhuǎn)子磁鏈 定向坐標(biāo)系中的定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量給定值和藝，經(jīng)過逆旋轉(zhuǎn)變換 v r 。1 得到之和已，再經(jīng)過2 3 變換得到f j ，f ：和f ；，然后通過電流閉環(huán)控制，輸 出異步電動機(jī)調(diào)速所需的三相定子電流?？梢韵胂?，這樣的矢量控制交流變壓變 頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上可以與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美嘞m 州馴。 根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)欠癫捎瞄]環(huán)控制，可以分為轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)和 轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)的矢量控制系統(tǒng)。 1 轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng) 圖2 - 3 為轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中，a s r 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， a p r 為轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，a c m r 為定子電流勵磁分量調(diào)節(jié)器，a c t r 為定子電 流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器。f b s 為速度傳感器，通過它獲得轉(zhuǎn)速信號；轉(zhuǎn)子磁鏈可由 磁鏈觀測模型得到，具體觀測模型將在下一節(jié)作詳細(xì)介紹；、毛由采樣得到 的f 咄，f ，。經(jīng)過3 2 變換和旋轉(zhuǎn)變換得到。對轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速而言，均為雙閉環(huán) 控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)。 圖2 - 3 轉(zhuǎn)子磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)的矢量控制系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以是開環(huán)控制，這樣系統(tǒng)會 1 2 ，i ：海大學(xué)碩 ：學(xué)位論文 簡單一些，同時由于省卻了轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器，也能減少系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試的難度。采 用磁鏈開環(huán)的控制方式，無需轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，但對于矢量變換而言，仍然需要轉(zhuǎn) 子磁鏈的位置信號，由此可知，轉(zhuǎn)子磁鏈位置的計(jì)算仍然不可避免。轉(zhuǎn)子磁鏈的 位置信號可以像磁鏈閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)那樣由磁鏈模型獲得，但這樣會增加程 序計(jì)算量，同時觀測的轉(zhuǎn)子磁鏈相位角易受到電動機(jī)參數(shù)c 和。變化的影響， 造成磁鏈觀測的不準(zhǔn)確性。與其這樣，不如利用給定值間接計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置， 以進(jìn)一步簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種方法稱為間接定向。圖2 4 為間接定向的轉(zhuǎn)子磁鏈 開環(huán)矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。 圖2 4 轉(zhuǎn)子磁鏈開環(huán)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 間接定向的矢量控制系統(tǒng)一般借助于矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差 型的矢量控制系統(tǒng)。它繼承了基于穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，又利用基 于動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律克服了它大部分的不足之處。 該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下： ( 1 ) 用定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定信號藝和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號5 f ，= 計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率 給定信號緲：，將轉(zhuǎn)差頻率給定信號緲：加上實(shí)際轉(zhuǎn)速國，得到坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速 度緲? ，經(jīng)積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生矢量變換角，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制功能。 越2 參藝( 2 - 1 8 ) ( 2 ) 定子電流勵磁分量給定信號f 二和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號：間的關(guān)系是： ：掣 ( 2 1 9 ) 其中的比例微分環(huán)節(jié)( t ，p + 1 ) 使t 。在動態(tài)中獲得強(qiáng)迫勵磁效應(yīng)，從而克 上海人學(xué)碩上學(xué)位論文 服實(shí)際磁通的滯后。 由以上特點(diǎn)可以看出，磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的磁鏈定向由磁鏈和電 流轉(zhuǎn)矩分量給定信號確定，并沒有用磁鏈模型實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈及其位置，所以 屬于間接的磁鏈定向。但由于矢量控制方程中依然包含電動機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)，定向精 度仍受參數(shù)變化的影響，磁鏈和電流轉(zhuǎn)矩分量給定值與實(shí)際值存在差異，將影響 系統(tǒng)的性能。 2 3 2 異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測方案的研究 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確定向，也就是說需要獲得轉(zhuǎn)子 磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置，除此之外，在構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈反饋以及轉(zhuǎn)矩控制時，轉(zhuǎn)子磁 鏈幅值也是不可缺少的信息。轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測相對困難，現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中， 多采用間接計(jì)算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn) 子磁鏈模型，實(shí)時計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置n m m 伽呦1 。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以從電 動機(jī)數(shù)學(xué)模型中推導(dǎo)出來，也可以利用狀態(tài)觀測器或狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀 測模型。在實(shí)用中，多用比較簡單的計(jì)算模型。在計(jì)算模型中，根據(jù)主要實(shí)測信 號的不同，又分電流模型和電壓模型兩種心1 。 1 電流模型法 由實(shí)測的三相定子電流通過3 2 變換得到兩相靜止坐標(biāo)系上的電流i ，口和i 婦， 再經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)變換并按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到m t 坐標(biāo)系上的電流，利用矢 量控制方程式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 7 ) 可以獲得，和緲。信號，由國。與實(shí)測轉(zhuǎn)速緲相 加得到定子頻率信號劬，再經(jīng)積分即為轉(zhuǎn)子磁鏈的位置角緲，也就是同步旋轉(zhuǎn)變 換的旋轉(zhuǎn)角。由此可以繪出電流模型框圖，見圖2 5 。 圖2 5 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算電流模型 1 4 j ：海人學(xué)碩士學(xué)位論文 上述計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型需要實(shí)測的電流和轉(zhuǎn)速信號，不論轉(zhuǎn)速高低時 都能適用。由于模型涉及到易受電動機(jī)溫升和頻率變化等影響的轉(zhuǎn)子電阻r ， 所以對參數(shù)的依賴性比較強(qiáng)，這是電流模型的不足之處。但由于電流模型法不涉 及純積分項(xiàng)，其觀測值是漸近收斂的，這是它的一大優(yōu)點(diǎn)。 2 電壓模型法 根據(jù)電壓方程中電動勢等于磁鏈變化率的關(guān)系，對電動勢積分就可以得到磁 鏈，這樣的模型叫做電壓模型，圖2 6 所示為電壓模型法計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的原理框 圖。 圖2 - 6 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 在口一坐標(biāo)系下，由定子電壓方程和磁鏈方程導(dǎo)出： u s 。一r j 啦t o l s i s 。1 一r 如) 出一o l a ，】 ( 2 2 0 ) 電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器的優(yōu)點(diǎn)是：算法簡單，只與容易測得的定子電阻 有關(guān)，而與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，因此模型受電動機(jī)參數(shù)變化影響?。徊恍柁D(zhuǎn)速信息， 對于無速度傳感器系統(tǒng)頗具吸引力。它的缺點(diǎn)是：低速時，隨著定子電阻壓降 作用明顯，測量誤差淹沒了反電動勢，使觀測精度較低，因此電壓模型比較適合 于中、高速范圍；存在純積分環(huán)節(jié)，其積累誤差和漂移問題會影響計(jì)算精度。 3 混合模型法 從數(shù)學(xué)本質(zhì)上看，磁鏈觀測的電壓模型和電流模型描述的是同一個物理對 象，但不同的算法導(dǎo)致兩種模型對參數(shù)的依賴性和精度存在較大的差異。如前所 述：電流模型轉(zhuǎn)速適用范圍寬，不存在純積分環(huán)節(jié)，但對電動機(jī)參數(shù)依賴性較大； 電壓模型不涉及轉(zhuǎn)子電阻，對電動機(jī)參數(shù)依賴性小，比較適合中、高速范圍，因 且且 一厶一厶 i i = 附 巾 彬 少 上海大學(xué)碗學(xué)位論文 此將兩者結(jié)合起來使用可以更好地觀鍘磁鏈。即在高速時讓電壓模型起主導(dǎo)作 用，通過高通濾波器將電流模型觀測值慮掉；在低速時讓電流模型起主導(dǎo)作用， 通過低通濾波器將電壓模型觀測值慮掉，這樣磁鏈觀測值在高速和低速時都有較 高的精確度。為了實(shí)現(xiàn)兩種模型的平滑過渡，可令它們的轉(zhuǎn)折頻率相等，轉(zhuǎn)折頻 率可咀在實(shí)踐中進(jìn)行調(diào)整“”1 。 取高通濾波器傳遞函數(shù)為：t s ( i j + 1 ) ：低通濾波器傳遞函數(shù)為：v ( n + 1 ) ， 兩者的伯德圖如圖2 - 7 所示圖中取r = o 0 0 0 2 0r r 1 1 t r r t - 1 = = 1 r = p w t b 曲“q n n ro l 圖2 7 高通濾波器和低通濾波囂怕雄圖 混合模型磁鏈估算的計(jì)算公式為： 其中。、妒。為電壓模型的磁鏈觀測值- 。、。為電流模型的磁鏈觀 測值妒。、p 。為混合模型的磁鏈觀測值。 由于磁鏈為電動勢的積分，即有： 猢 六六 + + 南磊 ” 妒 上海人學(xué)碩j ：學(xué)位論文 ：二：二主：二主萎：二一-rr,ki,p一-竺：習(xí) c 2 _ 2 2 ) 卜粞心州 可見電壓模型中的純積分環(huán)節(jié)與高通濾波器分子上的微分環(huán)節(jié)相對消掉了， 從而消除了純積分環(huán)節(jié)引入的一些問題，這也是這一模型的大優(yōu)點(diǎn)。 圖2 8 為該模型的原理圖。如圖所示，由電動機(jī)電壓”，和電流，計(jì)算出反電 動勢巳，反電動勢巳經(jīng)濾波后得到電壓模型的轉(zhuǎn)子磁鏈杪啊。m 一丁坐標(biāo)系下的 電流。冊經(jīng)電流模型計(jì)算及逆p a r k 變換后得到口一坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)子磁鏈 ，再 經(jīng)過低通濾波器后得到電流模型的轉(zhuǎn)子磁鏈?！卑『陀杉臃ㄆ飨嗉?，經(jīng) 極坐標(biāo)變換后得到轉(zhuǎn)子磁鏈”和磁鏈角供矢量控制使用。 圖2 - - 8 開環(huán)混合模型法 1 7 少 緲 。一m。一m 印 卯 r m r m y y 卜海大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章異步電動機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng) 3 1 引言 在高性能交流傳動系統(tǒng)中，為了達(dá)到良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制 是必不可少的。通常采用旋轉(zhuǎn)編碼器或其它速度傳感器來進(jìn)行速度的檢測，并構(gòu) 成反饋控制，這就是有速度傳感器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。但是，速度傳感器的安裝 會給系統(tǒng)帶來以下一些缺陷： ( 1 ) 系統(tǒng)的成本大大增加。精度越高的旋轉(zhuǎn)編碼器價格也越高，有時占到中 小容量控制系統(tǒng)總成本的1 5 一2 5 。 ( 2 ) 旋轉(zhuǎn)編碼器在電動機(jī)軸上的安裝，存在同心度問題，安裝不當(dāng)將影響測 速精度。 ( 3 ) 使電動機(jī)軸向上體積增大，而且給電動機(jī)的維護(hù)帶來一定的困難，同時 破壞了異步電動機(jī)簡單堅(jiān)固的特點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的機(jī)械魯棒性。 ( 4 ) 在高溫、高濕度的惡劣環(huán)境下無法工作，而且旋轉(zhuǎn)編碼器工作精度易受 環(huán)境條件的影響。 ( 5 ) 轉(zhuǎn)速反饋信號的傳輸容易受到各種擾動信號的污染，且傳送距離受到限 制。 因此，如果能夠取消速度傳感器，對提高系統(tǒng)的可靠性、對環(huán)境的適應(yīng)性、 進(jìn)一步擴(kuò)大交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍具有重要的意義。在這種情況下，人們轉(zhuǎn)而 研究無需速度傳感器的電動機(jī)轉(zhuǎn)速估算方法，用估算轉(zhuǎn)速構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，這 就是無速度傳感器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3 2 異步電動機(jī)速度估算方法 無速度傳感器控制技術(shù)的發(fā)展始于常規(guī)帶速度傳感器的傳動控制系統(tǒng)，解決 問題的出發(fā)點(diǎn)是利用定子電壓、電流等容易檢測到的物理量進(jìn)行速度估計(jì)以取代 速度傳感器。目前，典型的無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速估算方法主要有 以下三種3 耵5 ： 上海人學(xué)碩士學(xué)位論文 1 基于電動機(jī)數(shù)學(xué)模型直接計(jì)算轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差角速度； 2 基于閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn)速信號； 3 利用電動機(jī)結(jié)構(gòu)上的特征產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號。 上述第三種“利用電動機(jī)結(jié)構(gòu)上的特征來產(chǎn)生轉(zhuǎn)速信號川刪晦利，這類方法中 最典型的是根據(jù)測得的轉(zhuǎn)子齒諧波頻率來計(jì)算轉(zhuǎn)速。眾所周知，定子表面和鐵心 上的齒槽會在氣隙磁場中產(chǎn)生齒諧波，在這一諧波的作用下，定子電壓、電流信 號會產(chǎn)生相應(yīng)的諧波，而這種諧波的頻率與轉(zhuǎn)速是相關(guān)的，這樣可以利用從齒諧 波信號中提取相關(guān)頻率來推算轉(zhuǎn)速。目前主要采用快速傅里葉變換( f f t ) 技術(shù)、 自相關(guān)功率頻譜估計(jì)法等來實(shí)時辨識齒諧波頻率。但這類方法算法復(fù)雜、計(jì)算量 大，并且往往需要相對較長的采樣時間來保證估計(jì)精度，實(shí)時性差，且易受噪聲 干擾的影響，造成低速下有較大的估計(jì)誤差，要想真正實(shí)用化，尚需從理論和技 術(shù)處理上做出努力。 因此，后文將就前兩種方法作較詳細(xì)的介紹，并借助m a t l a b s i m u l i n k 仿真 工具對部分典型方案進(jìn)行詳細(xì)的分析和仿真研究心蝴嘲馴。在仿真之前，必須先建 立矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，其所用到主要仿真環(huán)節(jié)包括： 1 異步電動機(jī)仿真模型。該模型是依據(jù)異步電動機(jī)靜止兩相坐標(biāo)系中的數(shù) 學(xué)模型來建立的，圖3 - 1 為該仿真模型的結(jié)構(gòu)圖。 圖3 1 異步電動機(jī)仿真模型 2 p i 調(diào)節(jié)器仿真模型。圖3 - 2 為該仿真模型的結(jié)構(gòu)圖。 1 9 j ：海大學(xué)碩t 學(xué)位論文 圖3 - 2p i 調(diào)節(jié)器仿真模型 3 電流p a r k 變換仿真模型。該模型將輸入的靜止兩相坐標(biāo)系的電流分量通 過旋轉(zhuǎn)變換得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流分量，圖3 - 3 為該仿真模型的結(jié)構(gòu)圖。 圖3 - 3 電流p a r k 變換仿真模型 4 電壓p a r k 逆變換仿真模型。該模型將同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓分量通過 逆旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系下的電壓分量，從而施加給建立在靜止兩相坐標(biāo) 系下的異步電動機(jī)仿真模型。圖3 - 4 為該仿真模型的結(jié)構(gòu)圖。 羔龠 鴨 圖3 4 電壓p a r k 逆變換仿真模型 在建立以上主要仿真環(huán)節(jié)后就可以建立整個無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的 仿真模型，為了節(jié)約仿真時間，實(shí)際仿真系統(tǒng)中省略了s v p m d 生成環(huán)節(jié)，圖3 5 為該仿真模型的總體結(jié)構(gòu)圖。圖中，k i = 1 厶，如= 乙十耳，k 3 = 3 0 p i n p 。 所用到的三相異步電動機(jī)銘牌參數(shù)為：額定功率昂- 3 k w ，額定電壓u = 3 8 0 v ， 額定電流，= 6 9 a ，額定轉(zhuǎn)速n = 1 4 0 0 r m i n ，極對數(shù)以。= 2 。由實(shí)驗(yàn)測得電動機(jī)參 數(shù)為：定子電阻尺。= 2 2 2 0 f 2 ，轉(zhuǎn)子電阻母= 3 1 0 8 q ，定子自感。= 0 2 4 0 7 h ， 轉(zhuǎn)子自感= 0 2 4 0 7 h ，互感厶= 0 2 3 2 4 h ，轉(zhuǎn)動慣量j = o 1 4 2 5 k g ，1 2 。 2 0 h ) 組茬岫車篙嶝刪 r j l 1 一 菖釜 上海大學(xué)碩i ：學(xué)位論文 圖3 - 5 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 由圖可知，除了轉(zhuǎn)速獲取方式不同之外，此結(jié)構(gòu)圖與前述的帶速度傳感器矢 量控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，在對各種不同的無速度傳感器矢量控制方案進(jìn)行仿 真研究時只需要改變e s t i m a t i o n 環(huán)節(jié)的內(nèi)容即可。 3 2 1 基于電動機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差角速度 這類方法從異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型出發(fā)推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速估算表達(dá)式。 在兩相靜止的筇坐標(biāo)系下，和的合成矢量哆以同步角速度q 的速 度旋轉(zhuǎn)，與口軸夾角為只，則由矢量關(guān)系可知： 西= 魯= 丟 口心毒 - 絲鏟 ( 3 式中轉(zhuǎn)子磁鏈吒和吒可以根據(jù)磁鏈模型獲得。轉(zhuǎn)差角速度的計(jì)算公式在 不同的參考坐標(biāo)系下有不同的表達(dá)形式，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)中 為： 曉2 參( 3 - 2 ) 由同步角速度減去轉(zhuǎn)差角速度即得到估算的電動機(jī)角速度： 彩= 面一砬 ( 3 - 3 3 ) 緲2q q l) 上述式中加符號“表示估算值，以示其與實(shí)際值的區(qū)別。上述方法是先 計(jì)算出同步轉(zhuǎn)速后，再減去轉(zhuǎn)差角速度得到實(shí)際轉(zhuǎn)速，圖3 - 6 為其原理結(jié)構(gòu)圖。 2 l j ：海人學(xué)碩j ：學(xué)位論文 當(dāng)然也可以直接計(jì)算出轉(zhuǎn)速。 圖3 - 6 電動機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn)速法原理圖 這一類方法從理論上看雖然是嚴(yán)格的，而且直觀性強(qiáng)，計(jì)算沒有延時，但對 電動機(jī)參數(shù)有一定的依賴；而且計(jì)算是開環(huán)進(jìn)行的，沒有任何誤差校正措施，難 以保證估算轉(zhuǎn)速的正確性。 3 2 2 基于閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn)速信號 基于電動機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn)速法對電動機(jī)參數(shù)的依賴性較強(qiáng)，且屬于開環(huán)計(jì) 算，系統(tǒng)魯棒性較差。為了抑制這種影響，提出利用閉環(huán)控制作用來構(gòu)造轉(zhuǎn)速信 號。 眾所周知，p i 調(diào)節(jié)器的輸出量決定于輸入量的比例一積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后， 輸入等于零，輸出的穩(wěn)態(tài)值是輸入的積分。根據(jù)p i 調(diào)節(jié)器的上述特點(diǎn)，可以在 系統(tǒng)中設(shè)置一個p i 調(diào)節(jié)器，其輸入量為可以影響轉(zhuǎn)速而穩(wěn)態(tài)值趨向于零的變量， 輸出量為轉(zhuǎn)速，用p i 閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速信號口1 。 一、比較轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型和電流模型用p i 控制閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速 這種方法也常被稱作“模型參考自適應(yīng)法( m r a s ) ”或“并聯(lián)模型法”畸胡畸如陽兒5 5 1 。 第二章已經(jīng)介紹過，在數(shù)學(xué)本質(zhì)上，磁鏈觀測的電壓模型和電流模型描述的 是同一個物理對象，但不同的算法導(dǎo)致兩種模型對參數(shù)的依賴性和精度存在較大 的差異。該方法正是利用了兩個磁鏈模型輸出值的誤差，通過p i 調(diào)節(jié)器來構(gòu)造 轉(zhuǎn)速。圖3 7 為其原理結(jié)構(gòu)圖。令九和以分別表示電壓模型和電流模型的輸 出值，兩者的偏差e 經(jīng)過p i 調(diào)節(jié)后輸出值為估算轉(zhuǎn)速面。 其工作原理可以定性分析如下：假定除轉(zhuǎn)速外其他參數(shù)都正確，若估算轉(zhuǎn)速 偏小，則電流模型根據(jù)轉(zhuǎn)速和定子電流計(jì)算出的轉(zhuǎn)子磁鏈汐一也會偏小，與電壓 上海人學(xué)碩 二學(xué)位論文 模型計(jì)算出的轉(zhuǎn)子磁鏈汐。相比較后得到正偏差p ，經(jīng)過p i 調(diào)節(jié)后使輸出值增大， 即增大了轉(zhuǎn)速估算值西，再反饋給電流模型實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于p i 調(diào)節(jié)器的作 用，當(dāng)穩(wěn)態(tài)時矽。和l 死相等。若估算轉(zhuǎn)速偏大時，也可以作同樣的分析。 圖3 - 7比較轉(zhuǎn)子磁鏈電壓、電流模型用p i 控制閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速的原理圖 這里偏差p 可以取幅值誤差也可以取由坐標(biāo)系下的廣義誤差： p 2 y 嗍5 c ，蒯一y 刪y 嘶 ( 3 4 ) 現(xiàn)把轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型、電壓模型重寫如下： 作。：f 三( 乙- e o t , j ：f ：) 作a2 而【乙 j ”盧：孑 i _ 了( 厶+ 國z 。) ”盧2 歷百【厶。j 坳l ，m j r 0 ) 出一仃t ?！?一r 如) 出一盯t 如】 ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) 由式3 5 知，轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型所需要的輸入信號是定子電流和轉(zhuǎn)速。當(dāng)系 統(tǒng)帶有速度傳感器時，采用實(shí)測轉(zhuǎn)速信號；在無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)中，只好借 助于角速度緲，的計(jì)算或觀測的結(jié)果。由式3 - 6 知，轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型所需要的 輸入信號是定子電壓和電流。 圖3 - 8 為該轉(zhuǎn)速估算環(huán)節(jié)的仿真模型。 專 印 l 八l 八 生厶生k = = 印 上海人學(xué)碩士學(xué)位論文 圖3 - 8 比較轉(zhuǎn)子磁鏈電壓、電流模型用p i 控制閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速