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感应电机自适应反步控制的研究 摘要 近年来，感应电机由于结构简单、制造方便、价格低廉等优点，在工农 业生产中及日常生活中得到了广泛的应用。但与此同时也对感应电机的控 制方法提出了更高的要求。本文分别针对感应电动机和发电机采用了自适 应控制方法进行控制，获得了比较理想的控制效果。 在文中，首先针对感应电动机调速系统的超调量问题，以及容易受负载 和转子电阻变化影响的问题，采用自适应反步控制策路，将负载和转子电 阻视为未知参数，采用虚拟控制的方法，逐步构造李亚普诺夫函数，最后 得到实际控制输入和未知参数的自适应率；在感应发电机方面，针对4 2 v 汽 车感应发电机系统，提出了采用自适应反步方法来得到实际控制输入的控 制策略，有效的抑制了转子电阻变化带来的影响。同时，本文对感应电动 机调速系统和4 2 v 汽车感应发电机系统的主要组成部分也做了比较详细的 分析。对上述两种系统进行了详细的仿真实验，结果表明了所设计的控制 策略的有效性。 关键词：反步法自适应控制感应电动机感应发电机 r e s e a r c ho na d a p tiv ec o n tr oio fin d u c t io nm a c hin e a b s t r a c t i nr e s e n ty e a r s ，i n d u c t i o nm a c h i n eh a sb e e nw i d e l yu s e di np r o d u c t i o na n do u rl i f e a t t h es a m et i m e ，p e o p l ea l s op r o m o t et h ed e m a n d i n gi nc o n t r o lm e t h o do fi t t h i st h e s i su s e d a d a p t i v em e t h o di nt h ec o n t r o lo fg e n e r a t o ra n dm o t o r ，a n dg e tb e t t e ri d e a lr e s u l t t h i st h e s i sa d o p tf i r s t l ya d a p t i v em e t h o dt or e s o l v et h ep r o b l e mo f o v e r s h o o t i n gn u m b e r a n dd i s t u r b a n c eo fu n k n o w np a r a m e t e r ，w h i c hr e g a r dl o a dt o r q u ea n dr o t o rr e s i s t a n c ea s u n k n o w n p a r a m e t e r s ，a n dt h e nu s ef i c t i t i o u sc o n t r o ls t r a t e g yi no r d e rt og e tr e a lc o n t r o li n p u t o nt h eo t h e rh a n d ，i ng e n e r a t o r ，i tf o c u so nt h e4 2 v i n d u c t i o n g e n e r a t o r b a s e da u t o m o t i v e p o w e rg e n e r a t i o n ，a n da c h i e v eb e t t e rr e s u l tb yu s i n ga d a p t i v em e t h o dw i t h o u tt h er e a lv a l u e o fr o t o rr e s i s t a n c e m e a n w h i l e ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e sa n da n a l y s e sm a i np a r t so ft h e m t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h e ma r es e tu po nm a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t v e r i f yt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s k e y w o r d s ：b a c k s t e p p i n g ，a d a p t i v ec o n t r o l ，i n d u c t i o nm o m r ，i n d u c t i o ng e n e r a t o r 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 丁确 2 唧年7 月f 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 1 ，人 j 刚 撇氆弼 川年7 月日 感应电机自适应控制的研究 致谢 首先要感谢的是恩师卢子广教授，三年来卢老师像父亲一样关爱着我和其他同学 们，卢老师为人的品格和严谨的学术作风是我人生道路的方向标。 借此机会向谭峙、纵葵花、孙述宽等学长、学姐在学术上的指导和生活上的帮助致 以我最诚挚的谢意。 衷心感谢我的家人给予我的关心和支持。 最后再次将我最诚挚的谢意献给所有曾经关心和帮助过我的师长、同学、朋 友和亲人! 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 2 0 0 9 0 5 1 8 g - 西大学硕士掌位论文 感应电机自适应控制的研究 第一章绪论 1 1 研究感应电机的意义 在物质文明高度发展的今天，感应电机由于其自身具有结构较为简单、制造比较方 便、价格相对低廉，坚固耐用、惯量小、运行比较可靠、很少需要维护、可用于相当恶 劣环境等优点，在工农业生产中以及日常生活中得到了较为广泛的应用。对感应电机按 照结构来划分，感应电机可分为绕线电机和鼠笼电机两大类，其中鼠笼电机应用较为广 泛，本论文的研究对象主要针对鼠笼电机。 1 1 1 感应电动机 在现代的工农业生产中以及日常生活中，感应电动机作为能量的转换设备，在现代 的实际应用领域中，一方面是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；另一方面则是 要满足实际工业生产中的调速要求。 感应电动机是现代工业生产的基石，差不多每一个工业生产部门都需要感应电动 机，感应电动机早已成为国民生产的传动核心。由于感应电动机在工业生产的各个领域 内的普遍频繁的使用，目前已经是工业生产领域中消耗电量最大的机械设备。电动机的 在生产中的控制调速性能对于提高产品质量、提高生产效率及电能的节省有着巨大的影 响。 我国在感应电动机的生产应用中能量浪费相当的严重! 因此，在感应电动机上节能 有着非常巨大的潜力。感应电动机的控制方案存在着很多弊端，比如调速范围比较小， 工作效率低，造成能源的极大浪引1 】【2 】。 如果应用高性能的控制方案来对这些交流感应电动机进行控制，那么每年能节省很 大一部分电能。所以在能源越来越紧张的今天，研究感应电动机高性能的控制方案是十 分必要的。 1 1 2 感应发电机 研究感应发电机同样有着十分重要的意义! 世界在不断地发展进步，于此同时，人 们在尽情享受经济和科技发展所带来的丰厚成果的时候，也领教了十分严峻的能源紧张 问题所带来的压力，其中尤其以电能最为突出，为了能够解决缺乏电能的问题，人们已 经开始把注意力集中在风力发电等高新技术的开发利用上，而风能的分布极为不均匀， 而且所在位置相对较为偏僻，这些都对发电机自身的性能提出了更高的要求，感应发电 机以其自身的优势引起了广泛的关注。 广西大掌硕士掌位论文 感应电机自适应控制的研究 与此同时，人们开始把更多的注意力放在了汽车发电系统上。随着人们对现代汽车 种种要求的不断提高，汽车上的相关用电设备也在不断的增加【3 1 。现代汽车上所应用的 1 4 v 发电系统已经无能为力，由此可见，如果想满足人们对汽车电子设备越来越大的对 耗电量的需求，研制新一代的汽车发电系统势在必行。当今，汽车发电系统已经成为现 代汽车工业发展的重要研究热点，其中尤以采用高电压发电系统作为问题的突破口的方 案可行性最高。因此，本文在感应发电机方面将研究4 2 v 汽车感应发电机系统。 1 2 感应电机控制技术的发展现状 首先，从控制方法的角度来分，感应电机的控制方法可以分为：标量控制，矢量控制， 直接转矩控制，智能控制，以及非线性控制等等。作为最早、最基本的控制方法，标量 控制的主要缺点是限于电机的稳态数学模型，而在瞬态过程中往往不能够获得很好的动 态性能。f b l a s c h k e 在1 9 7 2 年提出了磁场定向控制理论【4 j ，通过矢量坐标变换，实现励磁 和转速分离控制，使交流调速系统的静、动态性能有了很大的提高，在某种程度上可以 达到与直流调速相媲美的水平。但是，矢量控制方法也有他自身的缺陷，矢量控制对转 子时间常数，具体来说就是转子电阻值非常敏感，这对于感应电机这个时变对象的控制 效果影响很大，并且转子磁链难以观测，这也大大降低了实际的控制效果。8 0 年代出现 的直接转矩控锖0 ( d t c ) 弥补了矢量控制的不足，它利用电压型逆变器的工作过程，直接 对电机转矩进行控制，避免了复杂的坐标变换，减少了对电机转子参数的依赖性【5 】【引， 但它也存在着转矩脉动等缺陷。感应电机不仅受参数变化的影响，如电机温升和频率变 化影响转子电阻，磁饱和程度会影响电感，而且受到转动惯量、负载、系统中各种非理 想因素的影响，再加上工业现场信号不易测量，都增加了控制的难度。为了克服参数变 化，提高抗干扰能力，自适应等非线性控制方法不断被用于感应电机的控制当中，取得 了很好的控制效果。 随着现代非线性控制理论的不断发展，非线性控制方法广泛地应用在电机控制系统 中。反馈线性化、神经网络理论、无源控制、滑模变结构、反步法等方法纷纷在感应电 机控制系统中得到应用【7 1 3 】。反步法的主要思想是通过虚拟控制逐步构造李雅普诺夫函 数，实现系统的调节或跟踪。在每一步中把状态坐标的变化，不确定参数的自适应率和 一个己知的李雅普诺夫函数的虚拟控制系统的镇定函数巧妙的联系起来，最后推导出能 够使整个系统满足要求的最终的李雅普诺夫函数。非线性控制是目前感应电机控制的研 究热点，随着控制理论研究的进一步完善，电力电子、计算机技术的进一步提高，非线 性控制在感应电机高性能控制设计中将处于主导地位。 1 3 论文各部分的主要内容 第一章绪论，对本文工作进行整体介绍。 2 广西大掌硕士学位论文 感应电机自适应控制的研究 第二章介绍本文在控制器的设计方面所用到的感应电机的数学模型。 第三章感应电动机的自适应控制研究 第四章感应发电机的自适应控制研究 第五章对感应电机自适应控制进行总结和展望。 ，西大掌硕士掌位论文感应电机自适应控制的研究 第二章感应电机的数学模型 为了能够更好的分析感应电机的动静态性能。本章将详细分析感应电机的数学模 型，在模型分析中将以笼型感应电机为例。 乏 = 三吴一芸 差 c 2 - ， 一。1 ；主姑0 1 协2 ， 蜀爿谴刊 协3 ， 其中幻、f g 两相旋转坐标系下的定子电流，与此相对应的反变换，为1 4 1 ： m 滋1 站一- s i 驯n p f b z d 协4 ， 4 感应电机自适应控制的研究 2 2 感应电机数学模型 笼型感应电机是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统1 1 5 】。在研究感应电机数学 模型的时候，为了便于分析，通常做出如下假定： 定、转子三相绕组完全对称； 铁芯涡流、饱和及磁滞损耗可忽略不计； 定、转子表面光滑，无齿槽效应，定、转子每相气隙磁势在空间呈正弦分布； 定子与转子绕组的匝数相等； 电机绕组无中线联接。 本章以电动机惯例阐述感应电机的数学模型，发电机模型只需对个别变量做符号调 整即可得到。 2 2 1 同步旋转坐标系下按转子磁场定向的数学模型 同步旋转坐标系下按转子磁场定向的数学模型的微分方程形式为【1 6 】： d c oz - x 。l t g , f t q 一亨 警一托m i , t 鲁一y + 筇4 - n e a ，i q + 口m 丢+ 老 c 2 鲁一y - n e o g f l g a - n e o g i a 懈m 昔+ 老 a p ：行。+ 口m i a r t y d 式中口= 等，= 老，= 警，2 面m 2 r , ，国为转子机械角速度_ m g 轴定子电流，1 d 、为d ，q 轴定子电压，为转子磁链，厶为定子电感，为转子电 感，r ，为转子电阻，肘为定子与转子间的互感，瓦为负载转矩，刀尸为极对数，j 为转 动惯量。 2 2 2 笼型感应电机的复时变空间矢量模型 在对笼型感应电机进行研究时，应用复时变空间矢量模型，在一定程度上可以使问 题简化【1 7 - 1 8 1 ，对控制器的设计，以及整个自适应控制系统的研究都会带来方便。感应电 机复时变空间矢量模型为 i ，= 鲁( f 。+ 霉。2 才7 3 f 曲+ p 4 。7 3 f 邸) ( 2 6 ) 广西大掌硕士学位论文感应电机自适应控制的研究 u ，= r , i ，+ p w ， p = 孕，= 吾i m 【i ，( i r e e ) 】 p o = 、i ，= 厶i ，+ l = i 月e p v 尺= l = i ，e p + l , i r 公式中，i r ，v r 分别为转子坐标系中转子电压、电流和磁链空间矢量：，瓦分别 为机械转矩，电磁转矩；0 ，占= p o 分别为转子机械角，转子电角；忍，b 分别为定子、 转子绕组电阻：厶，三，分别为定子、转子绕组自感；三小为定子与转子绕组间互感；i 。， 、l ，。分别为定子坐标系中定子电流和定子磁链空间矢量：p ，分别为极对数，转子转动 惯量；政) 为转子机械角速度。 转子中各量变换换到定子坐标系中可得到如下表达式： i ，= i r e 肛，u ，= u r e 户，、i ，= 、i ，r e 弘 ( 2 1 3 ) 公式中i ，u ，v ，分别代表定子坐标系中的转子电流、电压和磁链的空间矢量，因此 有 u r = r j r + p w ，一j 哪r 、i ，= l , i ，+ l = i l , i，、i ，s 2 s +， 、l ，= 厶i ，+ l , i ， 相对应于笼型感应电机，各分量的微分方程可以表达为 p v s 。= t ls 。一r s i 。 p vs b = u s b r s is b p vr 。= 一r r i r 。一vr 8 6 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ) ) ) 哆 ) 秘 鲈 旧 n 眩 - - i 1 _ 1 2 z 2 c g a q q 广西大学硕士掌位论文感应电机自适应控制a t , 石j t - 究 2 3 反步法 p vr b = 一r j r 8 + t o pr 。 t = 三儿山瞰( i ，) 】= 3 吨) k = ( l r w ，。一厶沙m ) i ( l s l , 一已) 如= ( t 一厶少垆) ( t 一己) t = ( 厶一乙虬。) “厶三，一己) r b = q r b l m vs b ) ( l , l , - l 2 m ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 驴量寿以m ? 亿2 6 ， = 吾争v m 】_ 萄v 托陋 。一。 反步法的核心思想是通过虚拟控制，逐步构造李亚普诺夫函数，最后得到系统的控 制率。我们以下面的二阶系统为例，来对反步法的特点进行介绍。 毫= 一而+ o x ； ( 2 2 7 ) 屯2 , 参数0 是未知的，而且是时变的。我们的控制目的是便该系统稳定。 定义第一个等效误差为乞：五，和参数估计误差吾= p 一百，这样得到 拿= l 蝎一南+ 二j 二； (228)-z v z , + o z ,j = ，+ z ，一溉+ k z 。 衍 。1 用j c 2 作为虚拟控制量，可以得到 而：z l + 务z 2 l ( 2 - 2 9 ) 定义第二个等效误差z 2 ，并对z 2 求微分 乞= 毪一z l 一舀z ( 2 3 0 ) 鲁= 2 + z 2 i d x 2 - - z - t 一鲁2 z , o ! 鲁一彳警 c 2 驯，o = j j 一才一 二。- ) l 出dtd td t l d t 7 广西大学硕士掌位$ - e - 文感应电机自适应控制的研究 用控制信号u 来实现控制目的，得到 睾：一z 2 + z 2 + u 一( _ 一z 2 + 否z ? ) = 一 + 一( 一z l 一 + 臼z i ) n ( 2 - 3 2 ) 屹。她_ + 嘲) - z 等 这里，因为0 是未知的，因此我们用李亚普诺夫理论来推导出一个稳定的控制器和一个 参数更新率。考虑李亚普诺夫函数2 - 3 3 ， v ( z ，护) = i 1 ( z ；+ z ；+ 口2 ) ( 2 3 3 ) 对时间的微分整理后得到 d v i ( z , 一0 ) = 一2 吃2 + 昭屹彳一砬3 2 2 弘 i d o ) + z 2 ( 2 2 2 + + 研4 2 z 而刍一彳d 讲o ) ( 2 - 3 4 ) 因此我们得到 警= 彳一z 勘化t 吕) ，“= - - 2 2 2 - - 2 z 施场) + z 2d 衍o ( 2 - 3 5 ) 将其带入李亚普诺夫函数对时间的微分中有矿= 一彳一乞2 0 。仿真结构图如下所示。 图2 - 1 反步控制的s i m u l i n k 模型 f i g 2 1s i m u l i n kb l o c kd i a g r a mo fb a c k s t e p p i n g 下图显示了包含未知参数时的系统仿真结果，结果表明五、x 2 收敛于0 ，反步法有 效的实现了控制目的。 图2 - 2 反步控制的仿真结果 f i g 2 - 2s i m u l a t i o nr e s u l to fb a c k s t e p p i n g 8 广西大掌硕士掌位论文感应电机自适应控制的研究 第三章感应电动机的自适应控制研究 随着现代工业的发展，感应电机因其结构简单，运行可靠，性能优良等优点在工业 生产中得到了广泛应用。但于此同时，由于感应电机是一个多变量、非线性、强耦合的 控制对象，这使得感应电机的控制问题变得十分复杂。因此，如何设计控制器来实现感 应电机的高性能控制一直是研究感应电机的热点问题。 近年来随着控制理论的发展，非线性控制理论不断的应用到感应电机控制系统的设 计中，如神经网络理论、反馈线性化理论、自适应控制理论、滑模控制理论等。本章在 分析感应电动机数学模型的基础上，采用自适应控制理论并结合反步法的特点设计了感 应电动机的自适应控制器。首先，基于复时变空间矢量模型，暂不考虑未知参数的影 响，设计了自适应控制器，实现了控制目的；然后针对转速超调及未知参数的影响，基 于动态微分方程模型设计了自适应控制器，该设计方法对于电机参数的变化具有鲁棒 性，在起动和加速过程中有效的抑制了转速超调，并且能够获得很好的转速跟踪和磁链 跟踪性能。在广泛应用的m a t l a b s i m u l i n k 中搭建了感应电动机控制系统的仿真模型，对 该设计方法进行了仿真，仿真结果验证了所设计的控制器的有效性。 3 1 矢量控制方法 矢量控制方法是基于交流电机的电流控制，如图3 1 所示。用相应的坐标变换将交 流电机等效成直流电机，进而设计控制方法，再经过相应的反变换，对目标电机进行控 制。 3 图3 - 1 矢量控制方法实现简图 f i g 3 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo fv e c t o rc o n t r o lm e t h o d 然而电流信号是由电压信号产生的，所以在设计控制器的时候不一定非得要选择电 流信号作为控制信号，也可以选择电压信号作为控制输入信号，这样当选择电压信号作 为控制信号来设计自适应控制器时可以得到如下矢量控制方法说明图： 9 广西大学硕士掌位论文 感应电机自适应控制的研究 反馈信号 图3 2 自适应控制的矢量控制方法框图 f i g 3 - 2t h ev e c t o rc o n t r o lo fa d a p t i v ec o n t r o l 在这里，由自适应控制信号经过坐标反变换来得到p w m 的控制信号，由p w m 输 出的电压信号来控制感应电机。 3 2 自适应控制器的设计 3 2 1 基于复时变空间矢量模型的自适应控制器的设计 按照转子磁场定向矢量控制的方法，采用电动机惯，在转子磁场坐标系中鼠笼异步 电机的电气方程为1 9 1 ： y ，e 归= l m i 。，e 妒 ( 3 1 ) c r l , p i , d 七r 。i 谢2 h 硪一( i - l s p i 。，+ c r l s m r i i q之j 砚，p 岛+ r ，= 甜踯一( 1 一a ) l ，国，i m ，一观。c o m ，匕 i 证= i m r + t ，p i m r i 吗= e o t d , r ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 警。廿+ 织廿+ 杀 p 6 ， 式中仃= l 一艺t 为总漏磁电感系数，z = b 为转子时间常数，i 埘为转子励磁电 流，国m ，为转子磁场角频率，。为转差角速度，u s d ，为转子磁场坐标系中定子电压的 d 轴和q 轴分量，i s d ，i s q 为转子磁场坐标系中定子电流的d 轴和q 轴分量。 电机的电磁转矩和电磁功率为： = - 号p ( 1 一仃) t o ，o ( 3 - 7 ) l o 广西大学硕士掌位论文 感应电机自适应控制的研究 = 瓦= 三( 1 一矿) 厶国。岛( 3 - 8 ) 考虑控制器的控制目的是实现转速跟踪和磁链跟踪，即转速国跟踪参考转速彩7 ，磁链 跟踪参考磁链7 ，暂不考虑未知参数，将整个电机模型看成两个子系统，借鉴反步 法同时对两个子系统进行分析。首先，定义误差变量，构造李亚普诺夫函数 e a = 国一彩7 ，e z = d 一妙d 7 ( 3 9 ) 对李亚普诺夫函数求导得 其中 取_ - 百d r 作为虚拟控制输入 则由 y = 三e ：22 1 2 v = e l e l + e 2 6 2 如d c od c o - = ： 出斑斑 鲁= 厶鲁一警 r 3 q = t l 畸+ o l s p t 畸一( 1 - , r ) l o r t 。一o l s m j 莒d o l s p i s d 七r s 诚= t l 试一( 1 - o ) 三m i m r + o l p m j 吗 ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 3 - 1 5 ) ( 3 1 6 ) 可选实际控制输入为 = 吨砖+ ( 1 一d ，厶。+ 心。 + 老睁+ i d j 一饷 ( 3 m ) 叫刊专( 警嘞 + ( - 仃概岛m 时足如) ( 3 - 1 8 ， 将实际控制输入带入李亚普诺夫函数的导数中得到 q、 幻 吃 型衍 生办 + 如一0 矬挣 一 1 一七上厶 一 芝， 一， 织i 厂西大掌硕士学位论文感应电机自适应控制的研究 矿= 一毛e ；一岛e ；o 根据l a s a l l e y o s h i z a w a 定理，整个系统是全局稳定的。 ( 3 - 1 9 ) 3 2 2 基于动态微分方程模型的自适应控制器的设计 感应电机在运行过程中，由于温度的升高，转子电阻值会发生变化，这会给感应电 机的控制造成困难，影响调速效果，文酬1 9 】详细分析了转子电阻变化对感应电机控制的 影响；另一方面负载转矩的变化，同样会造成扰动，影响调速效果。另外在一些对调速 要求相对严格的场合，在调速过程中是不允许产生过大的超调量的。由于上述原因，常 规的p i 控制器难以满足要求。但自适应控制器可以达到很好的控制效果。 在电机三相绕组对称、磁路线性、不计磁饱和、忽略铁芯损耗等条件下，引入同步 旋转坐标系，按转子磁链进行定向，在考虑转子电阻和负载转矩两个参数的变化的同时， 去掉与自适应控制器的设计无关的方程，可得出感应电动机的数学模型 “c ， ， i2 o 一亨 誓一+ 嘶+ 盐 竽) 鲁一缟+ 筇+ b 噶+ 口m 丢+ 老+ 嵋l 等+ 掣l 。珈， 鲁= 一缟一伟筇一怖毗+ 口m 薏+ 老+ 啦 - 瓦m 可2 i a 一等 d _ 讲_ p _ p = n p a ，+ a m i q + 戗鲁 式中口= 等，= 去，= 百n p m ，y = 丽m 2 r r n + 等，国为转子机械角速度，、 屯为d ，q 轴定子电流，蚴、为d ，q 轴定子电压，为转子磁链，丘为定子电感，厶 为转子电感，尺，为转子电阻，为转子电阻的变化量，m 为定子与转子间的互感，瓦为 负载转矩，n p 为极对数，为转动惯量，将欲，独立出来有助于控制器的设计。 为了能够充分抑制起动和加速过程中的转速超调，改善系统的动态性能， 该控制 器的设计首先采用二阶滤波环节来平滑转速指令，在设计中用平滑后的转速指令4 来 代替参考转速指令缈7 。所用二阶滤波环节为 2 南(3-201( rs+、2 1 2 y - 西大学硕士掌位论文感应电机自适应控制的研究 考虑控制器的控制目的是实现转速跟踪和磁链跟踪，即转速c o 跟踪参考转速彩7 ， 磁链跟踪参考磁链7 ，同样可将整个电机模型看成两个子系统，借鉴反步法同时对 两个子系统进行分析，这里将负载转矩毛和转子电阻的变化量欲，视为未知参数。 第一步，定义误差变量 p l = 功一缈d ，p 2 = 妙d 一沙口 ( 3 2 2 ) 构造李亚普诺夫函数并对李亚普诺夫函数求导得 y = 圭e ；+ 三e ：2 v = e l 色l + e 2 6 2 ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 如z d c 0 4 雾二嘉睁愕 p 2 5 ， 鲁= 吨+ 啦+ 蝇( 警) _ 警 卜 借鉴反步法中虚拟控制的思想，通过虚拟控制，逐步构造李亚普诺夫函数，最后得到系 统的控制率。将岛和屯作为虚拟的自适应控制信号，由于存在未知参数，可用其估计值 来代替真实值，则虚拟自适应控制信号的控制律为3 2 6 ，爰和碰是t 和峨的估计值。 = 去卜e - + 百d d 专 ，c = 去卜乞+ 口+ 警一越( 警) 锚 。 c 3 啪， 第二步，为了引入实际的控制信号，我们可以定义以下两个等效误差，并求导得 毛= f d l d ，z 2 = f g l q ( 3 2 7 ) 扣一等川+ 筇叩m 肘丢+ 口( 和) 半 + 掣+ 盖h 川椰唧m 丢) + 口( a - m i d ) 圳一等+ 掣+ ( 等一) 警 p 2 8 ， +盖叫鲁+业笋一emia-妒aaml lo - l 叫 ， il ， f ，d。三，2 l 、 7 ii + ( - + 篆 击“d 厂西大掌硕士学位论文感应电机自适应控制的研究 之= 氓一饰咖一伟噶一警+ 南( 嘲一) 嘲一掣 + 掣南+ 瓦卜南卜 - 等一等+ 帮 p 2 9 ) + 垃篆幽卜壶i 从控制器设计方面考虑，将己知部分和未知部分分离可以最大限度的利用现有信 息，这对控制器的设计工作有很大帮助。令爱，喀为真实值与估计值之差，可以得到 毛= 瓦一互( 3 - 3 0 ) a r , = a r , - a r , 对( 3 3 5 ) - 求导并整理得到实际的控制信号及未知参数的自适应率 u d2 盘 吨一喀耻e ：由t 2 鬲函赢t 一吣，- z 1 ：一岛z t j 其中， p 卟喝蝴：一定( 一南卜屯叫 表= 文争一船 逗斗( 警卜如 ( 3 3 1 ) ( 3 - 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 - 3 4 ) ( 3 - 3 5 ) 耻丢一缟+ 讹+ 峨+ 托噔一 等 + 堕绕+ 篆l 文铂+ 砒+ 佛噶+ 蒯善 。6 ， 把( 一坞) e ，：堕+ 一m ( 彬一a - r m i a ) + ，蔓一1 尘坠丝 “l 。l ，lo l s l ?al r m + 瓮p 巨+ 掣卜砒) p 3 乃 1 4 影 1 面 + 2 一瓦 一i 地 + 考 l 一2 彳 l 一2 + l 一2 + 数 。吒2 函 一一 夫 y 诺洫日亚李的 新 建构 广西大学硕士学位论文感应电机自适应控制的研究 p ：一 ，f 一玎。 f，一一eoaotmiaiqcofl妙 一! 兰兰丝垒2 e ，2 一厂。一玎p , , - n p e o 屯一z 万一玉带 嘲”南( 眦一d ) + 帮一南 。3 酌 屹十等一等+ 帮+ 垃掣1仔3 9 ， 将上述结果带入李亚普诺夫函数的导数中得到 矿= 一岛e ；一屯e ；一也彳一屯o ( 3 - 4 0 ) 根据l a s a l l e y o s h i z a w a 定理，整个系统是全局稳定的。 3 3 变流器模型 本文研究的变流器在研究感应电动机时作为逆变器驱动电机起动发动机，在研究感 应发电机时则作为整流器使用。同时采用开关函数构建系统模型，从而有效的避免了非 因果和变结构等问题。s i m u l i n k 模型，如图3 3 所示。 图3 3 变流器的在s i m u l i n k 中的实现 f i g 3 - 3b l o c kd i a g r a mo fc o n v e r t e ri ns i m u l i n k 3 4 转子磁链观测 为了有效地控制感应电动机的电磁转矩，充分利用电动机铁心，在允许的电流作用 下，尽可能产生最大的电磁转矩，尽量加快系统的过渡过程，必须对磁链进行控制。因 为当磁链很小时，即使电流很大，实际转矩也很小。更何况由于实际的物理条件限制， 电流总是有限的。因此，磁链控制非常重要【2 0 】【2 1 1 。 广西大掌硕士掌位论文 感应电机自适应控制的研究 转子磁链观测器模型可以分为电流型和电压型。本文所采用的是电流型磁链观测器 模型，使用定子的两相电流来得到转子磁链值。电流型转子磁链观测器的框图如图3 - 6 所示。 图3 4 电流型转子磁链观测器 f i g 3 - 4e l e c t r i cr o t o r sf l u xl i n k a g eo b s e r v e r 3 5 感应电动机自适应控制的调速系统的仿真分析 在m a t l a b s i m u l i n k 中对感应电动机自适应控制系统进行了仿真研究，整个感应电动 机自适应控制系统的仿真模型如下图所示： 图3 - 5 感应电动机控制系统的s i m u l i n k 模型 f i g 3 - 5s i m u l i n km o d l eo f c o n t r o ls y s t e r mo fi m 3 5 1基于复时变空间矢量模型的自适应控制的仿真分析 基于复时变空间矢量模型所设计的自适应控制策略，在仿真时的电机电机参数为 r s = 0 0 2 f 2 ，r ，= 0 0 1 7 8 8 f 2 ，t = 0 0 0 1 2 3 h ，三，= 0 0 0 1 2 4 h ，m = 0 0 0 1 1 7 h ， j = 0 0 1 5 1 k g m 2 ，瓦= 五= 0 ，怖= 2 ，控制参数为墨= 如= 1 5 0 。图3 和图4 分别给 出了转速跟踪过程和磁链跟踪过程。感应电动机空载启动，t = 0 时，给定机械角速度 缈7 = 1 0 0 r a d s 、= 0 0 7 5 w b 。 1 6 感应电机自茸e o 控制的研究 “6 t ( ) 圈3 - 8 负载未知时的仿真结果 f i g 3 - 8s i m u l i n kr e s u l t w i t hu n k n o w n l o a d t o r q u e 从仿真结果来看，转速与磁链都已都已背离了控制目的。下面我们来研究考虑转速 超调与参数不确定时的仿真结果。 f 日 广西大掌硬士掌位论文愚应电机盲适应控制的研究 3 52 基于动态微分方程模型的自适应控制的仿真分析 仿真时的电机参数为置。= 00 2 q r ，= 0 0 1 7 8 8 d ，a 只，= o5 00 1 7 8 8 q ， l = 0 0 0 1 2 3 h ，l = 00 0 1 2 4 h m = 00 0 1 1 7 h ，j = 0 0 1 5 l k g m 2 ， ，= 2 ，控制参 数为t = 也= 8 0 0 ，岛= = 1 5 0 0 ，b = 屯= 00 0 1 。感应电动机空载启动，t = o 时，给定 机械角速度0 97 = 0 、矿j = 00 5 w b ：当t = 03 s 时，甜7 跳变为5 0 r a d s ；当t = l5 s 时加负 载z ：2 0 nm ；当t = 25 s 时，突卸负载令正= 0 ：当t = 4 s 时，o 跳变为1 0 0r a d s ， 吖= c t 0 7 5 w o ，同时加负载正= 1 0 ni n 。 0246 l fs ) 图3 - 9 转速和磁链跟踪过程 f i g3 - 9s p e e dt r a c k i n ga n dm a g n e t i cf l u xl i n k a g et r a c k i n g 从图3 - 9 可以看出，用改方法设计的感应电动机控制系统能够获得较好的转速跟踪 和磁链跟踪性能，并且在起动和加速过程中有效的抑制了转速超调，对转子电阻变化和 负载扰动具有很好的鲁棒性。由于在工业生产中对感应电动机调速的动静态性能要求较 多，下而将详细分析感应电动机自适应控制系统的调速性能。首先分析突加印载时的动 态降落；交卸负载时的动态速升；及突加负载时的加速过程。 j l 一参考转速 - 。飞 1实际转遘 h s )l(s)tls) 图3 - 1 0 感应电动机自适应控制系统的动态性能 f i g 3 - 1 0d y n a m i cp r o p e r t i e so f a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e mw i t hi n d u c t i o nm o t o r 由图3 - 1 0 ，可以看出若以期望值进行比较，突加t = 2 0 nm 负载时的动态降落小于5 ： 突卸f ：2 0 nm 负载时的动态速升小于32 ：交加z 1 0 n负载的加速时的动态降落 小于i 。而且各个动态变化的恢复时间较短。若以5 作为允许误差，则本系统无动态 一号￥ 感应电机自适应控制的研究 降落和动态速升。下面研究稳态特性，由图3 - 1 1j t 以看出，在期望转速为5 0r a d s ，空 载运行时稳态误差小于万分之四，带五= 2 0 nm 负载稳态运行时稳态误差小于万分之八； 在期望转速为1 0 0r a d s ，带五= 1 0 nm 负载稳态运行时稳态误差也小于万分之八。由此 可见，用自适应控制策略所设计的感应电动机控制系统具有很好的稳态性能。 5 0 矿话1 。 t ( s ) 图3 一1 1 感臆电动机自适应控制系统的稳态误差 f i g3 - 1 】s t a b l e t o l e r a n c eo f a d a p t l v e c o n t r o ls y s t e m w i t h i n d u c t i o nn l o t o f 夼# m 导5 感应电机自适应控制的研究 第四章感应发电机的自适应控制研究 人们对汽车要求的不断提高，使得汽车上的相关用电设备也在不断的增加【3 】。现代 汽车上所应用的1 4 v 发电系统已经无能为力，由此可见，如果想满足人们对汽车电子设 备越来越大的对耗电量的需求，研制新一代的汽车发电系统势在必行。当今，汽车发电 系统已经成为现代汽车工业发展的重要研究热点，其中尤以采用高电压发电系统作为问 题的突破口的方案可行性最高，而采用笼型感应发电机是非常可行的方案f 2 2 】。4 2 伏汽 车感应发电机系统已经成为当今科学研究的热点之一。本章在研究感应发电机的自适应 控制方面，将着眼于4 2 伏汽车感应发电机系统。 4 14 2 伏汽车感应发电系统自适应控制器的设计 现在，4 2 伏感应发电系统的研究类型主要分为单独发电系统及起动和发电系统2 4 】 两种基本系统结构。单独发电系统需要额外添加负责给汽车起动的电机；而起动和发电 系统可以省去一部电动机，进而可以大大减小电机所占的空间，同时也降低了成本。 本文主要针对起动发电一体化系统结构中的发电部分进行研究。由于电机转子时间 常数经常性发生变化的原因，给感应发电机系统的控制造成了很大的麻烦，本文针对转 子电阻容易发生变化的问题，在转子磁场定向矢量控制方式的基础上设计自适应控制 器，与常规p i 控制器等相比可简化控制器的设计，并且增强了对转子电阻变化的抗扰 能力。 4 1 1笼型感应发电机的数学模型 由于笼型感应电机高阶、非线性、强耦合的特性，为了抓住问题重点，我们做出如 下假设：铁芯涡流、饱和及磁滞损耗可忽略不计；定、转子表面光滑，无齿槽效应，定、 转子每相气隙磁势在空间呈正弦分布；定、转子三相绕组完全对称。采用发电机惯例， 和转子磁场定向控制方法，得到发电机定子和转子电压d q 方程为： 吵，e 胪= l ，乙，e 护( 4 - 1 ) 观。p i 诅七r 3 啦= ( 1 0 、l s p i 帖+ 吐s m r i 羽一z i 谢 o l , p i q + r 。= ( 1 一o - ) l , c o , ，i m ，一c r l 。，。铭叼 一i 嘣= i m r + t r p i m r ( 4 2 ) ( 4 - 3 ) ( 4 4 ) 广西大掌硕士掌位论文感应电机自适应控制的研究 一l 啊2 s l m r m 鲁= = p 蛾+ 哆= p 一丧 ( 4 5 ) 式中盯= 1 一己t 为总漏磁电感系数，凡，r ，为定子和转子电阻，厶，厶为定子和转子 自感，妇，k 为转子磁场坐标系中定子电流的d 轴和9 轴分量，o 为转子励磁电流， 艚为转子磁场角频率，妣为转差角速度，z 幻，为转子磁场坐标系中定子电压的d 轴 和q 轴分量，i = t r , 为转子时间常数。 4 1 2 自适应控制器的设计 感应电动机的控制目的是磁通和转速，而感应发电机的控制目的为磁通和输出电 压。因为感应发电系统所输出的直流电并没有出现在上述电机模型中，所以先采用电压 调节起来得到有功电流的期望信号f ：，另一方面采用交流电压限幅器的输出作为转子励 磁电流的期望信号，然后根据感应发电机的数学模型来设计自适应控制器，实现磁通和 输出电压的控制目的，框图如下 图4 - 1 自适应控制框图 f i g 4 - 1b l o c kd i a g r a mo fa d a p t i v ee o n 仃o l 我们先不考虑未知参数来设计自适应控制器。自适应控制器的目标是使转子励磁电流和 转子磁场坐标系中定子电流的q 轴分量跟踪期望值，因此我们首先定义 构造李亚普诺夫函数 求导得到 矿= 圭e 。2 + 圭e ：2 ( 4 - 8 ) v = e r a 6 l + e 2 色2 2 l ( 4 - 9 ) 、， ， ，- ，i 、 0 k 一 一 一k k i l l i l 2 e e 广西大学硕士学位论文 感应电机自适应控制的研究 其中 e l 2 p ，一p ， e 22p z 凹一p z 凹 选取p o 和p k 作为虚拟控制信号，令 ( 4 - l o ) 由于虚拟控制信号中包含有实际的控制信号，于是选择实际控制输入为 z ，耐= 一仃厶p - r s 耐+ r r l ，o ) m ，岛+ ( 1 一盯) 厶( p 艺，+ 毛e 1 ) ：一足岛+ ( 1 一盯) 厶，i , - o - z , c o m ，岛一盯三( p + k 2 e 2 ) ( 4 - 1 2 ) 将其带入李亚普诺夫函数得到 l ? = - k l e ；一如e ；o ( 4