（电机与电器专业论文）基于模糊神经网络转速估计的异步电机矢量控制系统.pdf

a b s t r a c t f i r s t ，t h ep a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fa ct r a n s f 色rs p e e d s y s t e m ， i n t r o d u c e st h ed i f k r e n tc o n t r o l s t r a t e g y o ft r a n s f c r s p e e ds y s t e mf o r a s y n c h r o n o u sm o t o r ，a n dd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fv e c t o rc o n n 。o ls y s t e mf o r a s y n c h r o n o u sm o t o ri n d e t a i l ， i n c l u d i n gt h em a t h e m a t i c sm o d e la n dc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o no fa s y n c h r o n o u sm o t o r ，t h ef u n d a m e n t a le q u a t i o no fv e c t o rc o n t r o l ， t h ee s t i m a t i o nm e t b o do fr o t o rf 】u x ，t h es y s t e ms t r u c t u r eo fv e c t o rc o n t r o le t c t h e n ， t h ep a p e rl a y ss t r e s so nt h ef h n d a m e n t a lp r i n c i p l e ，c o n t r o la l g o r i t h ma n dr e a l i z a t i o n m e t h o di nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7o fs p a c ev e c t o r p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c h n o l o g y f r o mt h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e a n g l e ， t h ep a p e rd e s i g n sa n d d e v e l o p st h es p e e ds e n s o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) ，a n dg i v e st h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ep o w e r c i u i to ft h es y s t e ma d o p t s 也ev 0 1 t a g ef r e q u e n c yc o n v e r s i o ns t r u c t u r eo fa c d c a c ， a 1 1 di s c o m p o s e do ft h ec o m m u t a t i o nc i r c u i t ，行l t e rc i r c u i ta n di n t e u i g e n c ep o w e r m o d u l e ( p m l 5 r s h l 2 0 ) c o n t r o lc i r c u i tt a k e st h ed s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a sc o r e ， i n c l u d i n gt h ep w ms j g n a lo c c u r r e n c ec i r c u i t ，d e t e c tc i r c u j to fs t a t o rc u e n ta n dd i r e c t c u r r e n tv o l t a g eo fg e n e r a t r i x ，d r i v ec i r c u i to fi n t e l l i g e n c ep o w e rm o d u l e ，d e t e c tc i r c u i t o fs p e e d ，p r o t e c tc i r c u i to fs y s t e me t c a l lo ft h i sb u i l d st h ef u l ld i g i t a lv e c t o rc o n t r o l s y s t e mo fa s y c h r o n o u sm o t o r b a s e do nt h ef b r m e rr e s e a r c h ，t h ep a p e rc a r r i e so nab e n e 6 c i a lq u e s to ft h es 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 mf o ra g y n c l l r o n o u sm o t o r t h ei m p r o v e dv o l t a g e m o d e lo fr o t o rn u xi sp r o p o s e di nt h ep a p e r i te l i m i n a t e st h ei n f l u e n c et oa c t u a l s y s t e mf h n c t i o ni nt h ev 0 1 t a g em o d e lo fr o t o rf 】u xf o rt h ep r o p e rd r i rp r o b l e ma n d c u m u l a t i v ee r r o ro fp u r ei n t e g r a lc a l c u l u st a c h e b a s e do nt h et r a d i t i o n a la d a p t i v e s y s t e m ，t h ef u z z yn e u r a ln e t w o r kr e p l a c e st h eo r i g i n a lo f g a n i z a t i o ni nt h ep a p e r a k i n do fn e wm e t h o do fs p e e de s t i m a t i o nb a s e do nf u z z yn e u r a ln e t w o r k ，a n dt h e s t r u c t u r ea n dl e a r n i n ga l g o r i t h mo ff u z z yn e u r a ln e t w o r ka r ep f o p o s e di nt h ep a p e r t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r b a s e do ns p e e de s t i m a t i o no ff u z z yn e u r a ln e t w o r kh a sag o o dp e r f o r m a n c e 】i i 苎三堡塑堡丝些丝鳖堡竺生兰三奎皇墨蓥兰鉴型蚕篓 k e yw o r d s ：f u z z yn e u r a ln e t w o r k ；s p e e de s t i m a t i o n ；d i g i t a is i g n a i p r o c e s s o r ( d s p ) ； v e c t o rc o n t r o i ； a s y n c h r o n o u sm o t o r i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签 日期。切刀年乒月d 乡日 权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 杏阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者 导师 日期：c ) 脚年乒月& 多日 日期：刀巧年尹月巧日 硕j 一学位论文 第1 章绪论 1 1 交流调速系统的发展概述 2 0 世纪5 0 年代末开始，电气传动领域中进行着一场重要的技术变革，实现了 原来只用于恒速传动的交流电动机的速度控制，以取代制造复杂、价格昂贵、维 护麻烦的直流电动机。随着电力电子器件的迅速发展，以及现代控制理论向交流 电气传动领域的渗透，现在从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率高速传动 系统，从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动，从 单机传动到多机协调运转，几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发 展趋势己表明，它在控制性能方面完全能和直流传动相媲美，并可以在大多数场 合取代了直流传动系统。 进入2 0 世纪7 0 年代，现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频 技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中得到了重要的发展，同时也促 进了交流调速技术的进一步发展。1 9 7 1 年德国学者伯拉斯切克( f b l a s c h k e ) 提 出了交流电动机的转子磁场定向控制( 即矢量控制) 的原理，为高性能的交流传 动奠定了理论基础“1 。矢量控制( v e c t o rc o n t r 0 1 ) 是以交流电动机的双轴理论为 依据，在同步旋转坐标系中把定子电流矢量分解成两个分量：一个分量与转子磁 链矢量重合，称为励磁电流分量；另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电 流分量。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系中的位置及大小，即可控制励磁电 流分量和转矩电流分量的大小，实现了像直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控 制。矢量控制理论的提出和成功应用，开创了用交流调速系统取代直流调速系统 的时代，激发了人们研究高性能交流调速系统的兴趣和热情。8 0 年代掀起了交流 调速热，矢量控制理论进一步完善和发展，矢量控制系统进一步简化与合理，一 些新的控制策略和方法相继提出并被采用。但矢量控制取得真正巨大的进步和实 用化是在1 9 8 3 1 9 8 5 年，其原因是：( 1 ) 世界积累了2 0 余年的交流调速发展的经 验，如p l a m k e t t 在1 9 7 7 年发明的电流跟随滞环调节方法；( 2 ) g t r 的实用化；( 3 ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp f o c e s s o r ) 的日益完善，在交流调速系统中得到广泛的应用。 2 0 世纪8 0 年代中期，矢量控制理论的研究已基本成熟并形成商品化”1 。 由于运行过程中电动机转子参数变化较大，转子磁链难以准确的观测和定向， 加之矢量变换运算的复杂性，使得矢量控制实际的控制效果很难达到理论分析的 性能，从而限制了它的推广运用。1 9 8 5 年另一位德国学者鲁尔大学的德彭布罗克 ( m d e p e n b r o c k ) 教授提出了异步电机的直接自控制理论，通常称为直接转矩控 毕 。模糊神经嘲络转述估计的异步电机矢量控制系统 制( d t c d i r e c tt o r q u ec 0 n t r 0 1 ) 。直接转矩控制利用观测器观测异步电机的电 磁转矩和定子磁链，采用闭环控制直接控制电磁转矩和定子磁链，不需进行复杂 的坐标变换，系统更加简单，控制更加直接，引起了人们的极大兴趣。不少学肯 还把现代控制理论+ 些成果，例如状态观测器、滑模变结构控制、模型参考自适 应控制、模糊控制、非线性反馈解耦摔制、逆系统理论与逆系统方法等用于交流 传动系统的控制，以获得交流传动系统的高性能“1 。 目前，微电子技术和计算机技术的飞速发展，控制理论的日益完善、仿真工 具的日渐成熟，给电机控制带柬了很多新的发展契机，交流调速系统的发展趋势 大致为： 1 主控一体化 例如日本三菱公司将功率芯片和控制电路集成在一块芯片上的d i p ( 即双列 直插式封装) i p m 的研制已经完成并推向市场，一种使功率电路和控制电路达到 一体化、智能化和高性能化的h v l c ( 高耐压l c ) 、s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 的概念已被 用户接受。 2 小型化 变频器的小型化除了出自支撑部件的实装技术和系统设计的大规模集成化以 外，功率器件发热的改善和冷却技术的发展己成为小型化的重要原因。 3 低电磁噪音化 今后的变频器都要求在抗干扰和抑制高次谐波方面符合e m c 国际标准，主要 做法是在变频器输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正f a p f c a c t i v ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ) 电路，改善输入电流波形，降低电网谐波以及逆变桥采取电流 过零的开关技术。而控制电源用的开关电源将采用半谐振方式，这种开关控制方 式在3 0 5 0 m h z 时的噪声可降低1 5 2 0 d b 。 4 专用化 通用变频器中出现专用型产品是近年来的事。其目的是更好发挥变频器的独 特功能并尽可能地方便用户。如用于起重机负载、交流电梯、恒压供水、机械主 轴传动、电源再生、纺织、机车牵引等专用变频器。 5 系统化 作为发展趋势，通用变频器从模拟式、数字式、智能化、多功能向集中型发 展。最近，日本安川电机提出了以变频器、伺服装置、控制器及通讯装置为中心 的“d & m & c ”概念，并制定了相应的标准，目的是为用户提供最佳的系统。因 此可以预见在今后，变频器的高速响应和高性能将是基本条件。1 。 颊j 学位论j 1 2 交流调速系统的研究重点 1 2 1 采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术 电力电子器件的不断进步，为交流电机控制系统的完善提供了物质保证，尤 其是新的开关器件，如金属氧化物半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 、绝缘栅双 极晶体管( i g b t ) 使得高频化脉宽调制( p w m p u l s ew i d em o d u l a t i o n ) 技术成 为可能。如第四代i g b t 的应用使变频器的性能有了更大的提高。其一是i g b t 开 关器件发热减少，将曾占主回路发热5 0 一7 0 的器件发热降低到了3 0 ；其二是高 载波控制，使输出电流波形有明显改善；其三是开关频率提高，使之超过人耳的 感受范围，即实现了电机运行的静音化；其四是驱动功率减少，体积趋于更小“。 而智能功率模块( i p m i n t e l l i g e n c ep o w e r m o d u l e ) 包含了i g b t 芯片及外围的驱 动和保护电路，可以降低开关电源和驱动功率容量，简化电路，提高系统的综合 性能，是一种更有潜力的集成型功率器件。为此i p m 除了在工业变频器中被大黉 采用，经济型的i p m 在近年内也开始在一些民用品如家用空调变频器、冰箱变频 器、洗衣机变频器中得到应用。i p m 在向更高的水平发展，日本三菱电机最近开 发的专用智能模块a s i p m 将不需要外接光耦，通过内部自举电路可单电源供电， 并采用了低电感封装技术，在实现系统小型化、专用化、高性能、低成本方面又 推进了一步。3 。典型的电力电子变频装置有电流型、电压型和交一交型三种。其中， p w m 的电压型变频器在中小功率电机控制系统中无疑占主导地位。目前，正在研 制的新型变频器，如矩阵式变频器，串、并联谐振式变频器等也开始进入实用阶 段，预示着新一代电机控制系统即将产生。 1 2 2 广泛应用计算机技术 随着微电子技术的发展，数字式控制处理芯片的运算能力和可靠性得到了很 大的提高。计算机的应用主要体现在两个方面：一是控制用微机。交流电机数字 控制系统既可用专门硬件电路，也可以采用总线形式，如s t d ，v m e ，m u l t i b u s 和g e s p a c 总线等，加上通用或单片微机模板组成最小目标系统。对高性能运动 控制系统来说，由于控制系统复杂，要求存储多种数据和快速实时处理大量的信 息，可采用微处理机加数字信号处理器( d s p ) 的方案，除可实现复杂的运算规 律外，也便于故障监测、诊断和保护、人机对话等功能的实现“。目前广泛采用 的微处理器主要类型有美国i n t e l 公司的m c s 一5 1 系列八位单片机、m c s 一9 6 系 列1 6 位单片机，美国t 1 公司的t m s 3 2 0 系列1 6 位、3 2 位数字信号处理器等”3 。二是 数字仿真和计算机辅助设计( c a d ) 。仿真时如发现系统性能不理想，则可用人 机对话的方式改变控制器的参数、结构以至控制方式。这样得到的参数可直接加 在系统上，避免了实际调试的盲目性及发生事故的可能性。目前已有多种软件， 皋十模糊神经删络转速们计的异步电机矢量控制系统 如美国m a t h w o r k s 公司的m a t l a b 等”。 1 2 3 开发新型电机和无机械传感器技术 各种交流控制系统的发展对电机本身也提出了更高的要求。电机设计和建模 有了新的研究内容，诸如三维涡流场的计算、考虑转子运动及外部变频供电系统 方程的联解、电机阻尼绕组的合理设计及笼条的故障检测等问题。为了更详细的 分析电机内部过程( 如绕组短路或转子断条等问题) ，多回路理论应运而生。此 外，丌关变磁阻理论及新材料的发展使开关磁阻电机迅速发展。开关磁阻电机与 反应式步进电机相类似，在加了转子位置检测后可有效的解决失步问题，可方便 的启动、调速或点控，成为未来伺服系统的一个发展方向”。为了实现转速和位 置的反馈控制，须用铡速发电机或光电码盘来检测反馈量。由于速度传感器的安 装带来了系统成本增加、体积增大、可靠性降低、易受工作环境影响等缺陷，使 得成本合理、性能良好的无速度传感器交流调速系统成为研究热点。目前提h 了 许多种方法：动态速度估计器、模型参考自适应法( m r a s )、转子齿谐波法、 高频注入法、基于神经网络的估计方法等”“。 1 3 异步电机调速系统的控制策略 异步电机，特别是笼型电机，结构简单、牢固，价格便宜，运行可靠，无需 维护，在交流传动中得到了极为广泛的应用。异步电机采用变频调速技术后，调 速范围广，调速时因转差功率不变而无附加能量损失，是一种性能优良的高效调 速方式，是交流电机调速传动发展的主要方向。目前，典型的已经应用或正在研 究的异步电机变频调速系统的控制策略主要有以下几种”。 1 3 1 恒压频比控制与转差频率控制 要使电机的转速得到快速响应，必须有效地控制转矩。开环恒压频比控制只 控制了电机的气隙磁通，而不能调节转矩，性能不高。转差频率转速闭环控制系 统能够在一定程度上控制电机转矩，已经基本上解决了异步电机平滑调速的问题， 具备了直流电机双闭环控制系统的优点，能够满足许多工业应用中的要求。但它 依据的只是稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到很理想的 动态控制性能，当生产机械对调速系统的静、动态性能要求较高时，它还是赶不 卜直流调速系统。 1 3 2 矢量控制 直流电机的励磁磁通和电枢磁势方向互相垂直，两者互不影响，励磁绕组和 电椒绕组又相互独立，故可分别调节其励磁电流和电枢电流，实现对转矩的独立 控制。从直流电机的控制得到启发，1 9 7 1 年西门子公司的伯拉斯切克( f b i a s c h k e ) 硕j ：学位论义 提出的矢量控制理论，并以磁场定向撺制的名称发表“1 。其基本原理为：以转子 磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的2 个分量，一 个与磁链i j 方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向j 下交，代表定子电 流转矩分量，然后分别对其进行独立控制，就能获得象直流电机一样良好的动态 特性。 矢量控制包括坐标变换和矢量运算以及含非线性的复杂运算，对交流瞬时值 进行控制的必要条件是高速运算，其运算处理的规模要比直流调速大若干倍，若 用模拟电路来实现，不用说价格就连确保性能和可靠性也做不到。这是2 0 世纪 7 0 年代中期为什么不能实用化的原因之一。幸运的是，随之而来的是微处理器和 微电予技术急速成长的年代，加之适应急剧加减速和负载冲击的快速电力半导体 变流装置的研制成功，使矢量控制变频调速装置的实用性和可靠性达到了令人满 意的水平。矢量控制将交流传动的发展向前推进了一大步，使交流电机控制理论 获得第一次质的飞跃。 尽管矢量控制方法从理论上可以使异步电机传动系统的动态特性得到显著改 善，但也带来一些问题，即太理论化，实现时要进行复杂的坐标变换，并需准确 观测转子磁链，而且对电机的参数依赖性很大，难以保证完全解耦，使转矩的控 制效果打了折扣。从电机本身看，其参数具有一定时变性，特别是转子时间常数， 它随温度和激磁电感的饱和而变化，矢量控制系统对参数变化的敏感性使得实际 控制效果难以达到理论分析的结果。即使精确地知道电机参数与转子磁链，也只 有稳态的情况下_ 才能实现解耦，弱磁时耦合仍然存在。另外，矢量控制理论首先 是认为电机中只有基波正序磁势，这和实际差别不小，所以一味追求精确解耦并 不一定能得到满意的结果。而且，采用普通p i 调节器的矢量控制系统，其性能受 参数变化及各种不确定性影响严重，即使在参数匹配良好的条件下能取得好的性 能，一旦系统参数发生变化或受到不确定性因素的影响，则导致性能变差“。 1 3 _ 3 直接转矩控制 直接转矩控制技术，是继矢量控制技术之后发展起来的种新型的具有高性 能的交流变频调速技术。 1 9 8 5 年由德国鲁尔大学的德彭布罗克( m d e p e n b r o c k ) 教授首次提出了直 接转矩控制的理论，接着1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制，直 接转矩控制有着自己的特点。它在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂， 特性易受电动机参数变化的影响，实际性能难于达到理论分析结果的一些重大问 题。 直接转矩控制具有下列特点： ( 1 ) 直接转矩控制只控制电机定子侧的参数，即定子电压、电流、磁链，不 箍于模糊神绎网络转速什计的异步l u 机矢量控制系统 用转子回路的参数，所以控制效果不受转子路参数变化的影响； ( 2 ) 直接转矩控制的控制运算均在定子静止坐标系中进行，刁i 需要在旋转坐 标系中对定子电流进行分解和设定，所以不需要进行静止坐标系与旋转坐标系的 变换运算，从而夫人的简化了信号的处理过程，提高了控制运算的速度； f 3 ) 直接转矩控制采用转矩闭环直接控制电机的电磁转矩，而不是像矢量控 制那样，用控制定子电流两个分量的办法间接控制转矩和磁链，所以并不过于追 求圆磁链轨迹和正弦波电流，只追求转矩控制的快速性和准确性： ( 4 ) 直接转矩控制系统既直接控制转矩，又直接控制定子磁链，其控制方式 均采用闭环两位控制( b a n d b a n d 控制) ，通过改变滞环调节器的容差，把两位 式转矩控制引起的转速波动限制在容许的范围之内； ( 5 ) 直接转矩控制利用电压矢量的概念，对逆变器的六个开关器件的导通与 关断进行综合控制，在相同的控制效果下，比分相控制的逆变器开关器件开关次 数少，开关损耗小“。 直接转矩控制技术一诞生，就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构， 优良的静、动态性能受到了普遍的注意，得到了迅速的发展。在短短不到l o 年的 时间里，单由德国工程师协会出版社出版的新技术丛书里，有关直接转矩控制的 博士论文就有几十本。德国作为直接转矩控制的发源地，采用的是六边形磁链控 制方案，着眼于大功率领域的实际应用，目前该技术已成功地应用在电力机车牵 引的大功率交流传动上。日本采用近似圆磁链的控制方案，侧重于中小功率高性 能调速领域的研究“。从控制效果来看，六边形方案在每六分之一周期仅使用一 种非零电压矢量，这相当予六阶梯形波逆变器供电的情况( 无零矢量作用时) ， 转矩脉动、噪声都比较大，与气隙磁场为圆形的理想情况相差甚远。近似圆方案 则比较接近理想情况，电机损耗、转矩脉动及噪声均很小。但是从另“一方面看， 六边形方案有利于减小功率器件的开关频率，适用于大功率领域，而近似圆方案 则相反，一般用于中小功率高性能场合。美国进行直接转矩控制研究的主要有 t g h a b e t l e r 等人，其目的是把直接转矩控制技术应用到电动汽车的牵引中，因此 研究重点并不是如何精确调速，而是在全速度范围内有效地控制转矩，他们提出 的无差拍预前控制法，克服了b a n d b a n d 控制开关频率可变的缺点”。 直接转矩控制的研究虽已取得了很大进展，但是它在理论和实践上还不够成 熟，如低速性能、带负载能力等。而且由于它对实时性要求高，计算量大，若没 有新一代高速的微处理器，要实现直接转矩控制是不可想象的。 1 3 4 智能控制 在交流传动中，依据经典的以及各种近代控制理论提出的控制策略都有一个 共同问题，即控制算法依赖于电动机模型，当模型受到参数变化和扰动作用的影 彤! i 一学位论文 晌时，系统性能将受到影响，如何抑制这种影响一有是电工界的大课题。近年 来，十分受控制界重视的智能控制，由于它能摆脱对控制对象模型的依赖，能够 在处理有不精确性和不确定性的问题中获得可处理性、鲁捧性，因而许多学者进 行了将智能控制引入交流传动控制的研究。 智能控制是自动控制学科发展罩程中一个崭新的阶段，与传统的经典、现代 控制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论中必须基于 数学模型的框架，不依赖或不完全依赖于控制对象的数学模型，只按实际效果进 行控制。其次，继承了人脑思维的非线性，智能控制器也具有非线性特性；同时， 利用计算机控制的便利，可以根据当前状态切换控制器的结构，用变结构的方法 改善系统的性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。 因此有人将智能控制称为继经典控制和现代控制之后的第三代自动控制技术“。 虽然智能控制的初衷是为了对付那些难以建模的复杂对象，但是由于交流传 动系统相对而言具有较明确的数学模型，所以在交流传动中引入智能控制方法， 并非象许多控制对象那样是出于建模的困难，而是充分利用智能控制非线性、变 结构、自寻优等各种功能来克服交流传动系统变参数与非线性等不利因素，从而 提高系统的鲁棒性。目前智能控制在交流传动系统应用中较为成熟的，当首数模 糊控制和神经网络控制，而且大多是在模型控制基础上增加一定的智能控制手段， 以消除参数变化和扰动的影响。其中模糊控制是利用模糊集合来刻画人们只常所 使用概念中的模糊性，使控制器能更逼真地模仿熟练操作人员和专家的控制经验 与方法，它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。早期的模糊控制 器只是以取代传统p i d 控制器为目的，鲁棒性虽有所加强，但一般模糊控制器没 有积分作用，在传动系统有负载扰动时会出现静差。而增加了积分效应的模糊控 制器，虽相当于变系数p i d 调节器，可以实现无静差控制，但是单纯地将一个简 单的传统模糊控制器用于高精度电机传动系统，还不能得到令人十分满意的性能。 例如，系统的动态响应轨迹不能被定量地控制，只能得到模糊控制特性等。因此， 只有与其它控制方法相结合，模糊控制系统才能取得优良性能，如b o s eb i m a lk 和s o u s a g i l b e n o d 等提出采用模型参考自适应控制技术( m r a c ) 模糊在线调常 异步电机的转差增益，使系统具有高性能特性；w o ncy 和k i mdh 等将模糊滑 模控制器( f u z z y s l i d i n g m o d ec o n t r o l l e r ) 用于异步电机的位置控制，使得系统性 能大大优于传统的模糊控制和滑模控制等。 神经网络控制在交流传动中的应用主要有下面几个方面： ( 1 1 代替传统的p i d 控制； ( 2 ) 由于实际的矢量控制效果对传动系统参数很敏感，将神经网络用于电机 参数的在线辨识、跟踪，并对磁链及转速控制器进行自适应调整； ( 3 ) 异步电机矢量控制需要知道转子磁链的瞬时幅度与位置，无速度传感器 量三堡塑丝丝塑丝堡堡篁兰竺量兰坐! ! 叁重塞型至竺： ：一= ： 矢量控制还需知道转速，神经嘲络被用来精确估计转予磁链幅值、位置及转速； r 4 1 结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器用作自适应速度控制器”。 虽然将智能1 夺制用于交流传动系统的研究已取得了一些成果，但是有许多问 题尚待解决，如智能控制器主要凭经验设计，对系统性能( 如稳定性和鲁棒性) 缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量数据，设计出的系统容易产 牛振荡，因此在交流传动中智能控制只不过是一种方法，并不能成为理论；另外， 交流传动智能控制系统非常复杂，它的实现依赖于d s p 、f p g a 等控制用电子器 件的高速化。 1 4 课题来源及主要研究内容 能源需求正极大地影响着全球经济发展，我国同样也面临着经济增长对能源 需求的压力。我国高耗能产品的耗能量比发达国家高1 2 5 5 ，能源综合利用效率 仅为3 2 ，我国迫切需要提高能源利用效率。电机是能源消耗大户之一，我固电 机总装机容量己达4 亿于瓦，年耗电量达6 0 0 0 亿千瓦时，占工业耗电量的8 0 ，各 类在用电机8 0 以上还是中小型异步电动机，可见我国在异步电机节能领域有非 常大的潜力。异步电机节能技术最受瞩目的就是变频调速技术，变频调速技术以 其显著的节电效果、优良的调速性能以及广泛的适用性而成为电气传动发展的主 流方向1 。 在各种控制算法本身不断完善的同时，人们把目光投向了更接近实用化的课 题。虽然具有速度检测元件的矢量控制系统已经被实践证明可以获得高性能的交 流调速控制，但是系统中的速度检测元件同时会降低系统的可靠性，并且需要特 别防止电磁噪声对系统的不良影响；另一方面，有些系统，如运输机械上的位移 电机，无法安装转速检测元件。在一些恶劣的环境中，以及高速电机驱动系统中， 也不能安装测速元件。除此之外，测速元件的附加成本也是考虑的问题之一。因 此，无速度传感器异步矢量控制系统的研究是从实际应用中提出的课题，成为近 年来国内外学者研究的热点。对无速度传感器系统的研究，国外早己起步并且实 现了产品化，例如日立、东芝、三菱、富士、西门子、a b b 等公司都推出了自己 的产品。在市场互相竞争中产品不断更新换代，电力电子新技术的引入也使交流 传动产品形式、功能日趋多样化。另外，自诊断、自测试、无速度传感器的技术 使交流传动产品更加可靠，性能也更加全面。 国内在交流传动方面的研究起步较晚，与先进的工业国家相比尚有较大的差 距。虽然在基本理论及新型控制方法的研究上，有关高校、研究所及工厂都开展 了不少工作，并且具有了一定的基础，但是在产业化的能力上与国外相比则差距 较大，存高性能的交流传动方面更是如此。据有关部门调查统计，国内约有7 0 的电气传动产品大体只相当于国际8 0 年代水平，另外3 0 也只能达到9 0 年代中后 倾。l ：学位论文 期的水平。这就是说，国内至少落后了十年。我国工业目前刈变频器的年需求量 相当大，性能优异的无速度传感器变频调速系统更受青睐，而今8 0 - 9 0 的市场 都被i 司外产品所占领，国内产品鲜有竞争力。因此追踪国内外最新科研动态，立 足于交流传动的前沿，丌发高性能的交流传动装置并尽快将之产品化，是振兴我 国民族变频器工业的新举措，这对于我国幽民经济的发展具有重大意义。正是基 丁- 这一出发点，本文开展了基于模糊神经网络转速估计的异步电机矢量控制系统 的研究。 本文首先简述了交流调速系统的发展和研究重点，介绍了异步电机调速系统 的不同控制策略，详细论述了异步电机矢量控制系统的基本原理：异步电机的数 学模型和坐标变换、矢量控制的基本方程式、转子磁链的观测方法、矢量控制的 系统结构等，并重点分析了空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术的基本原理、控 制算法以及在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 中的实现方法。 从工程实际应用出发，本文设计和开发了一套以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核 心的有速度传感器异步电机矢量控制系统，并给出了硬件和软件的实现方法。该 系统的功率电路采用电压型的交直交变压变频结构，由整流电路、滤波电路及 智能功率模块i p m ( p m l5 r s h l 2 0 ) 逆变电路构成；控制电路以d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心，加上p w m 信号发生电路、定子电流检测电路、直流母线 电压检测电路、智能功率模块驱动电路、速度检测电路、系统保护电路等，构成 了功能齐全的异步电机全数字化矢量控制系统。 在此基础上，本文对无速度传感器异步电机矢量控制系统进行了有益的探索。 提出了改进的电压型转子磁链估算模型，消除了电压型转子磁链估算模型中纯积 分环节所固有的漂移问题和积累误差对实际系统性能的影响。在传统型参考自适 应系统基础上，将系统中原有的自适应调节机构用一个具有在线学习能力的模糊 神经网络取代，提出一种基于模糊神经网络的异步电机转速估计方法，并给出了 速度估计器的模糊神经网络结构和学习算法。最后对基于模糊神经网络转速估计 的异步电机矢量控制系统进行了仿真，结果表明该系统具有良好的性能。 基于模糊种绎网络转速估计的异步电机矢量控制系统 第2 章异步电机矢量控制系统的基本原理 2 1 异步电机矢量控制技术概述 电机控制方法有很多，无论采用哪种方法，其实质都是对电磁转矩的控制。 忽略直流电机自身参数的影响，其电磁转矩由气隙磁通和电枢电流的乘积唯一确 定，由于二者相互独立，自然解耦，因此直流电机易于控制，易获得理想的动态 性能。而交流异步电机是一个复杂的多变量、强耦合的非线性系统，因此控制起 来相当困难。异步电机矢量控制技术就是基于直流电机的控制原理，把静止坐标 系上三相异步电机等效为一个在同步旋转坐标系上的直流电机来控制，是一种建 立在转子磁场定向的基础上，通过一系列的坐标变换，将电机定子电流分解为励 磁分量和转矩分量，从而实现异步电机磁通和转矩的解耦控制的方法1 “。如果 人们站在同步旋转坐标系中观察，定子电流的两个分量均为直流量，对它们的控 制就相当于对直流电机的电枢电流和励磁电流的控制，因此直流电机的控制策略， 例如双闭环调速系统的结构和控制规律就可以直接套用，实现对异步电机的高性 能控制“1 。由于矢量控制技术的核心是转子磁场的准确定向，因此矢量控制技术 又常常被称为转子磁场定向控制技术。根据控制方案中是否进行转予磁链的反馈 控制及其测量或观测，磁场定向控制可分为直接磁场定向控制和| 日j 接磁场定向控 制( 又称为转差频率矢量控制) 。间接磁场定向控制采用磁链开环控制，在磁通 运行过程中不检测转子磁链信号，系统结构简单。但是由于磁链开环在动念过程 中存在偏差，其性能不及磁链闭环控制系统”“。 2 2 异步电机的数学模型 2 2 1 异步电机数学模型的性质 ( 1 ) 异步电机是一个多变量( 多输入多输出) 系统，而电压( 电流) 、频率、 磁通、转速之间又都有影响，是强耦合的多变量系统； ( 2 ) 在异步电机中，磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得到旋转感应电动势， 由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项，这样一来， 即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的； ( 3 ) 三相异步电机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产 生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上运动系统的机电惯性，即使不考虑变频装 置中的滞后因素，至少也是一个七阶系统。 总的来说，异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系 统“。 2 2 2 异步电机的多变量数学模型 在研究异步电机多变量数学模型时，常作如f 的假设： ( 1 ) 忽略空问谐波。设三相绕组对称( 在空间互差1 2 0 度电角度) ，所产生 的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； ( 3 1 忽略铁心损耗： ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 图2 1 三相异步电机的构理模型 无论电机转子是绕线式还是鼠笼式的，都将它等效成绕线转子，并折算到定 子侧，折算后的每组匝数都相等，这样，实际电机绕组就被等效为如图2 1 所示 的三相异步电机物理模型。图中，定子三相绕组轴线a 、b 、c 在空间是固定的， 以a 轴为参考坐标轴，转子绕组轴线a 、b 、c 随转予以速度旋转，转予a 轴和 定子a 轴间的电角度口为转子磁场位置角。 异步电机的数学模型可由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成”“。 1 电压方程 三相定子绕组的电压方程为 胄+ 堕丝 1 庙 露+ 生堕 1 西 月+ 亟堑 1 破 = 三相转予绕组折算到定子侧后的电压方程为 ( 2 1 ) 基于模糊神经嘲络转速估i f 的异步i 乜机欠量控制系统 ：似：+ 华 d r ：档，+ 孥+ 讲 “。= 驰：+ 华 讲 上式若以微分算子p 代替导，且用矩阵形式则可表示为 d f 月000 o月一o0 oor 0 ooo r 2 ooo0 ooo0 00 0o o0 00 r 2 o 0 r + p y 口 y f y 。 。 ( 2 ，2 1 ( 2 3 ) 式中 “，“口，“。，“。定子和转子相电压的瞬时值； ，f 。，f 。，屯，f c - 定子和转子相电流的瞬时值； 。，y 。，p ，虬，帆，；f ，。一各相绕组的全磁链； r ，心一定子和转子绕组的电阻。 2 磁链方程 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，因此， 六个绕组的磁链可表达为： h 妒b y f 妒。 妒6 y 。 式中 上“= 上m = 上= k + 三f 1 - 上棚= 三拍= 三胛= 上。+ 厶2 ； 。= 三= = 三。= 一三上。； 三曲= 三把= = 上胛= 一昙三。； 三。= 上d = 一上“= lc o s 口： 6 = 削= = 上能= ，c o s ( 护+ 1 2 0 1 ) ： 。= 上d = = h = 上。c o s ( 臼一1 2 0 ”) 。 1 2 ( 2 4 ) 0咕kkb0 丌jiiiiiiiiiiii业 幻卿舯咖拆以 0bk0“0 ”iiijjiiiiijijjj”二jjiiji睢 “缸缸知知“珈伽伽伽伽如 知知加知伽如伽埘从缸础“伽伽伽助伽助助助助助埘助 颤1 学位论文 其中 三。上f 2 - 定子和转子漏感： 上。，= 三。= 。一定子和转子之间的互感a 3 运动方程式 t ：乃+ 三粤 ( 2 5 ) 门nn j 式中电机的电磁转矩； l 电机的负载转矩； i ，电机的转动惯量； ”电机的极对数。 4 转矩方程式 t = 耕；簪q 簪l = 一摊。孵f 。+ i r 毛+ f 。) s i n 移+ ( f + f 8 ，+ 誓f 。) s i n ( 口+ 1 2 0 ”) + ( 2 6 ) ( f 。j 。+ + f ) s i n ( 口一1 2 0 。) 】 5 异步电机的数学模型 将前述式归纳在一起，便构成了在恒转矩负载下三相异步电机的多变量数学 模型： “：r f + 上堕+ 堕f 讲a6 i 抄五+ 鲁警 眨， j ”，7 历f ”i 百 j d 口 d i 2 2 3 坐标变换 上节中已推导出异步电机的动态数学模型，但是，要分析和求解这组非线性 方程显然是十分困难的，即使要画出很清晰的结构图也并非易事通常需采用坐 标变换的方法加以改造，往变换后的数学模型容易处理一些。 2 2 3 1 坐标变换的基本思路和原则 坐标变换的思路是将交流电机的物理模型( 图2 1 ) 等效地变换成类似直流 电机的模式，然后在模仿直流电机进行控制，问题就可以大为简化。在这里，不 同电机模型彼此等效的原则是：在不同坐标系下产生的磁动势相同。 交流电机的三相对称的静止绕组a 、b 、c ，通以三相平衡的正弦电流f 。，f 。， 时，所产生的合成磁动势是旋转磁动势f ，它在空间呈正弦分布，并以同步转速出 沿着a b c 相序旋转，物理模型如图2 2 a 所示，实际上就是图2 1 中的定了部 兰兰堡塑丝丝墼丝丝堡堡生竺量尘皇堡垒薹丝竺重篓 分。 然而，产生旋转磁动贽不一定非要三相不可，除单相以外，两相、二相、四 相等任意多相对称绕组，通以多相平衡电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相 最为简单。图2 2 b 中的两相静止绕组d 和卢，它们在空间相差9 0 1 ，通以时间上 相差9 0