（电机与电器专业论文）异步电机矢量控制研究.pdf

异步电机矢量控制研究 r e s e a r c ho nt h ea s v n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t i d l a b s t r a c t 舢a 北s u l t0 ft l l el i m i 协t i o no fd i r e c t c u 小m ts p e c dc o n n o lm o d u l a t i o na n dm e s u p e r i 谢t ) ，o fa l t e m a t i l l gs p e e dc o 蛐o lm o d u l a t i a 1 1 dt h eu n c e 勰i n gd e v e l o p m e n to f c o m p u t 盯t e c l l i l o l o g ya n de l e c 仃i cp o w e re l e c 仃o n i cd e v i c e ，t h ef k q u e n c yc o n v c r s i o nv e l o c i t y m o d u l a t i o nt e c l l i l o l o g yo f 邪y n c h r o n o 璐m o t o ri si nm er a p i dd e v e l o p m e n t t h em p i d d e v e l 叩m e n to fm i c r o c o m p u t e rt e c l m o l o g y ，t h ec o m i i l o 哪i m p r o v e m e mo fm ec o m p u t e r r u l l l l i n gs p e e da i l dt l l ee x e c u 虹o ns p e c do fi i l s 协j c t i o nh a v em a d ei tp o s s i b l et l l a tc o m p l e x a l g o r i m mc a r r i e so nt l l e 仇砖- t i m eo p e 洲a n dc x e c u t i o nb y 懈i i l gc o m p u t e 体a 船rm e a p p l i c a t i o na i l dd e v e l o p m e n ti n t l l e p a s tl oy e 材s ，t h e 舶q u e n c yc o n v e r s i o nv e i o c 时 m o d u l a t i p e r f i o r i i l a n c eo f 鹊y n c h m n o 璐m o t o fh 硒s u r p a s s e dt 1 1 ed i r e c tc u 玎e n tv e l o c i t y m o d u l a t i o ns y s t e m a tp r c s e n t ，t 量l e 雒y n c h r o n o i i sm o t o fv e l o c i t ym o d u l a t i o n ，v e c t o rc o m r o l 甜l dd h c tt o r q u e c h e c ke t c 锄i i ld e t a i l e ds n l d i e s 碳sp 印a rd i s c u s s e sm em o d u l a t i m e m o do f 船y i l c h r o n o 惦m o t o r ，w m c hh 嬲m ea d v 跏t a g e so fs u p e r i o rd y i l a m i ca n dl o w s p e e d p e 舳a i l ca n d 谢d cv e l o c 毋m o d l l l a t i o ns c o p e t i l i s p a p e ra n a l y s 锄de l a b o m t e st h em a t h e m a t i c a lm o d de s t a b l i s l l m e n to ft 1 1 e 髂y n c h m n o l l sm o t o r nh 硒e s t a b l i s h c dt l l em 砒e m a t i c a lm o d e l so f 硒y n c h r o n o 璐m o t o 体i l l d i f f e r e mc o o r d i n a t es y s t e ma n dh 鹞s h o w nt l l a tt h em o d e lc h a m c t e r i s t i c so fm e 孙y n c l l i d n o l l s m o t o ri san o l l l i n c a rs y s 蜘、 ，i t l lm o r em 觚o n ev a r i a b l e s t t l i s 弘i p c rp o i l l t so u tt h ep f o c e s so f 呻l e m e n t i i l gv e c t o f f o m a t i o na n de x p l a i m h o wt 0w o r ki np a i 埽i nt h em a m e m a t i c a lm o d e l so f 豁”l c h r o n o l l sm o t o r si nt i | 1 _ n sw i l i k e l a b o m t i n g t l l ev e c t o rc o n n d p r i n c i p l e si l l 嬲y n c h r o n o 璐 m o t o f ni i l 协) d u c e st l l e c o m p u t a t i o l l a lm e t l l o do f r o t o rf l u xl i i l l ( a g ea i l dd e s i g n e dt l l ev i s u a l i z e rf o rm t o rn u xl i i 山a g e t h i s p a p e ra n a l y z e st 圭l ew o r k i n gp 血c i p l e so fm a 鲈e t i cn u x 把g u l a t o r t o r q u c r c g l i l a t o ra n dr p mc 0 蛐r o l 锄dh 船d e s i 印e da l lo ft h e m t a l 【i i l gd s p 船仕屺c 伽血d lc o r c ，i t h 觞a l s od e s i g n e dt l l eh a r d w a 埔o ft h cv e c t o rc o m r o l l i n gs y s t c mi nt h e 嬲y n c l l i o 璐m o t o f 舭d l l a s 州t t c nm cs o f h v 撇p r 0 鲫 n h 嬲a p p l i e dt l 玲s i m i ，i n kt o o ls o f h v a r ei nm a l l ，a bt 0c a n yo nt h es i m u l a t i o nt o i i 沈阳工业大学硕士学位论文 t h ec o n n d l l i n gs y s t e mo f m a g n e t i cc l o s e d1 0 叩v e c t o ra i l dt o 舀v en l es i m u l a t i o nr c s u h 锄【dt h e 锄l y s i so f t l l er e s u l t k e yw o r d s ：a s y n c h r o n o u sm o t o r ，v e c t o rc o n t r o l ，m a g n e t i cf i e md i r e c t i o 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：燃日期礁z ：至! 兰苎 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期：丝z ：! ：堡 1 绪论 1 1 课题的意义与发展现状 1 1 1 课题意义 在2 0 世纪的大部分年代里，鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速转 动都采用直流电动机( 以下均简称为直流电机) ，而约占电气传动总量加的不变速传 动贝i j 采用交流电动机( 以下均简称为交流电机) ，这种分工在一段时期内已成为一种举 世公认的格局交流调速系统虽然早已有多种方案问世，并已获得一些实际应用的领域， 但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌直到本世纪7 0 年代初叶，席卷世界先进 工业国家的石油危机迫使他们投入大量人力和财力去研究高效节能的交流调速系统，交 流调速系统主要沿着下述三个方向发展和应用 。 1 一般性能的节能调速在过去大量的所谓不变速交流传动中，风机、水泵等机械 总容量几乎缸业电气传动总容量的一半，其中有不少场合并不是不需要调速，只是因 为过去交流电机本身不调速，不得不依赖挡板和阀门来调节送风和供水的流量，许多电 能因而白白地浪费掉了如果换成交流调速系统，把消耗在挡板和阀门上地能量节省下 来，每台风机、水泵平均约可节能2 0 ，效果很是可观的 2 高性能交流调速系统许多在工艺上就需要调速的生产机械，过去多用直流传动， 鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、转动惯量小、效 率高，如果改成交流调速传动，显然能够带来不少的效益但是，由于交流电机原理上 的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样直接通过电流施行灵活的即时控制7 0 年代初 发明了矢量控制技术( 或称磁场定向控制技术) 通过坐标交换，把交流电机的定子电 流分解成励磁分量和转矩分量，用来分别控制磁通和转矩，就可以获得和直流电机相仿 的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的发展其后，又陆续提出了 直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列在性能上可以和直流调速系统媲美的高 性能交流调速系统 3 特大容量、极高转速的交流调速直流电机换向器的换向能力限制了它的容量和 转速，其极限容量与转速的乘积约为1 0 6 聊r 血，超过这一数值时，直流电机的设 计与制造就非常困难了交流电机则不受这个限制，因此，特大容量的转动，如厚板轧 杌、矿井卷扬机等和极高转速的转动，如高速磨头、离心机等都以采用交流调速为宣 1 1 2 现代交流变频调速技术的发展概况 现代交流电机变频调速系统的发展，主要经历了以下几个阶段：早期通用变频器，大 多数为开环恒压频比的控铡方式其优点是控制结构简单、成本较低缺点是系统控制 异步电机矢量控带4 研究 以及调速性能不高，比较适合应用在风机、水泵等场合，其控制曲线会随着负载的变化 而变化，转矩响应慢，电磁转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存 在而性能下降，稳定性变差；八十年代初日本学者提出了基于磁通轨迹的电压空间矢量 法( 或称磁通轨迹法) 。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙理想 圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形这种方法被称为电压空间矢量控制， 它通过引入频率补偿控制，消除速度控制稳态误差，基于电机的稳态模型，用直流电流 信号重建相电流，由此估算出磁链幅值，并通过反馈控制来消除低速时定予电阻对调速 性能的影响实现输出电压、电流闭环控制，以提高动态负载下的电压控制精度和稳定 度，同时在一定程度上获得电流波形的改善这种控制方法的另一个优点是对再生过电 压、过电流抑制较为明显，从而可以实现快速的加减速 交流电机是一个多变量，非线性的复杂的被控对象u 】，上述方法研究其控制特性， 静、动态效果均不太理想，在上述各种方法中，由于未引入转矩控制调节，系统性能没 有得到根本性的改善针对上述控制方法的缺点，国外一些学者通过对电机数学模型进 行了简化，实现了现在应用比较广的矢量控制理论。也称磁场定向控制它是七十年代 初由西德f b b 略s c h k c 等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法分析阐述 了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河它使人们看到交流电 动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质阳1 矢量控制的基 本原理是控制电机磁链矢量，通过分解定子电流，使之分解成转矩和磁场两个分量，经 过坐标变换实现正交解耦控制但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复 杂性使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的 不足此外，它必须直接或间接得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控 制，从而使得在这种矢量控制系统中需要配置转子位置或速度传感器，这给许多应用场 合带来不便在电机运行过程中，由于温度等外界环境和电机磁场变化对电机转子时间 常数等参数的影响，大大降低了控制系统的精度，转子时间常数的辨识方面，国内外许 多学者做了大量的工作继矢量控制方式之后，1 9 8 5 年德国鲁尔大学d 印出o c k 教授 首先提出直接转矩控制理论回i r e 瞄t c 唧ec 删简称跏r c ) 直接转矩控制与矢 量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被 控量来控制，转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速 沈阳工业大学硕士学位论文 信息，直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁 链和转矩它不需要将交流电动机控制等效成直流电动机控制方式，因而避免了矢量旋 转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交 流电动机的数学模型。控制上对除定子电阻外，其他所有电机参数变化鲁棒性良好；所引 入的定子磁链观测器能够很容易对同步速度信息进行估算，因而能方便地实现无速度传 感器控制。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，对于一些不方便安装速度传 感器的场合尤其重要，提高了系统的稳定性，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控 制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别( i d e n t i f i c a t i o n 简称) ) ，通过d 确立电机实际的定子阻抗互感、电机惯量等重要参数，然后根据精确 的电动机模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的b 觚d b 觚d 控制产生p w m 信号，对逆变器的开关状态进行控制。交流传动与控制技术是目 前发展最为迅速的技术之一，这是和电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术以及 微型计算机和大规模集成电路的飞速发展密切相关的m 。 变频技术的发展是建立在电力电子技术发展基础之上的。在低压交流电动机的传动 控制中，应用最多的功率器件有g 1 o 、锄k l g b t 以及口m ，i g b t 和口m 集中了g t r 的低饱和电压特性和m o s f e t 的高频开关特性，是目前通用变频器中应用最为广泛的 主流功率器件。i g b t 集射电压可小于3 v ，开关频率可达到2 0 乜，内含的集射极间超 高速二极管t 盯可达1 5 0 n s 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 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。而口m 的 投入应用比i g b t 约晚二年，由于口m 包含了i g b t 芯片及外围的驱动和保护电路，有 些甚至把光耦也集成于一体，因此是一种更为经济适用的集成型功率器件目前，在模 块额定电流l o 6 0 0 a 范围内，通用变频器均有采用口m 的趋势，其优点有：( 1 ) 开关速 度快，驱动电流小，控制驱动更为简单；( 2 ) 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过 电流和短路电流，能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低；( 3 ) 由于在器件内部 电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干 异步电机久量控制研究 扰等问题能有效得到控制；( 4 ) 保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护等 一应俱全，随着技术的进步，保护功能将进一步日臻完善；( 5 ) p m 的售价已逐渐接近 i g b t ，而设计人员采用口m 后的开关电源容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以 及综合性能提高等因素后，在许多场合其性价比已高过i g b t ，有很好的经济性。 控制技术的发展还得益于微处理机技术的发展，自从1 9 9 1 年t e l 公司推出 8 x 1 9 6 m c 系列以来，专门用于电动机控制的芯片在品种、速度、功能、性价比等方面 都有很大的发展如日本三菱电机开发的用于电动机控制的m 3 7 7 0 5 、m 7 9 0 6 单片机和 美国德州仪器的1 m s 3 2 0 c 2 4 0 系列都是颇具代表性的产品与单片机相比，d s p 器件 具有较高的集成度，具有更快的c p u ，更大容量的存储器，提供高速、同步串口和标准 异步串口，有的片内集成了模数转换器和采样保持电路，可提供p w m 输出，其汇编指 令集为仿c 语言或代数语言格式，所有指令都能在一个机器周期内完成，并且通过并行 处理技术，使一个机器周期可完成多条指令。1 r i 和a d 公司的d s p 采用改进的哈佛结 构，具有独立的程序空间和数据空间，允许同时存取程序和数据，同时，程序空间和数 据空间也有专门的通道可以进行数据交换，从而既避免了某一个空间的浪费，又为某些 应用做好了准备。内置高速的硬件乘法器。增强的多级流水线，使d s p 器件具有高速 的数据运算能力而单片机为复杂指令系统计算机( c i s c ) ，多数指令要2 3 个指令 周期来完成单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空问存取，同一时刻只能单独 访问指令或数据札u 只能作加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周 期，运算速度比较慢。所以，结构上的差异使d s p 器件比1 6 位的单片机单指令执行时 间快8 l o 倍，完成一次乘法运算快1 6 3 0 倍。 1 1 3p w m 调制技术的发展概况 p w m 调制技术是变频技术的核心技术之一。1 9 6 4 年a s c h 伽u n g 和h s t c m m l 盯首 先在b b c 评论上把这项通讯技术应用到交流传动中，为交流传动的推广应用开辟了 新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制 s p w m 信号用以控制功率器件的开关状态，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时 在线的p w m 信号输出，p w m 调制在各种应用场合仍占主导地位，并一直是人们研究 的热点1 6 ，7 i 。 沈阳工业大学硕士学位论文 由于p w m 调制可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，在交流传动乃至其它能 量变换系统中得到广泛应用。正弦p w m 己为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流 波形，降低电源系统谐波的多重p w m 技术在大功率变频器中有其独特的优势( 如a b b a c s l o 系列和美国r o b i c o n 公司的完美无谐波系列等) ；而优化p w m 所追求的则 是实现电流谐波畸变率( n 壬d ) 最小，电压利用率最高，效率最优及转矩脉动最小以及 其它特定优化目标【i 川 在7 0 年代至8 0 年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波 频率一般最高不超过5 k h z ，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人们的关注。 为求得改善，p w m 方法应运而生。因其能减少这种噪声，因此得广泛应用1 0 ，i 。正因 为如此，即使在i g b t 已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制在较低频率的场合， p w m 仍然有其特殊的价值( d 1 控制即为一例) ；另一方面则告诉人们消除机械和电 磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，因为p w m 技术提供了一个分析、解决问 题的全新思路。 1 2 未来发展趋势 基于电机控制理论的通用变频器的发展是世界高速经济发展的产物，其发展的趋势 大致为： l 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 m m m ( 即双列直插式封装) 的研制已经完成并推向市场，一种使逆变功率和控制电 路达到一体化、智能化和高性能化的h v i c ( 高耐压i c ) s o c ( s y s t c m c h i p ) 的概念 已被用户接型1 2 ，1 3 ，1 1 2 小型化。变频器的小型化除了出自支撑部件的封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 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( a c 吐v ep o w e r f 0 0 rc o f r e c t i o n 。a p f c ) 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推崇半谐振方式，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 。 异步电机矢量控制研究 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【1 5 1 蜘。 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，今后变频器的高速响应和高性能将是基本条件1 1 7 ，i s 。 1 3 控制系统整体方案比较选择 1 3 1v f 开环控制 当前异步电机调速总体控制方案中，v f 控制方式是最早实现的调速方式。该控制 方案结构简单，通过调节逆变输出电压实现电机的速度调节，根据电机参数，设定v f 曲线，其可靠性高但是，由于其属于速度开环控制方式，调速精度和动态响应特性并 不是十分理想。尤其是在低速区域由于定予电阻的压降不容忽视而使电压调整比较困 难，不能得到较大的调速范围和较高的调速精度。异步电动机存在转差率，转速随负荷 力矩变化而变动，即使目前有些变频器具有转差补偿功能及转矩提升功能，也难以实现 o 5 的精度，所以采用这种v f 控制的通用变频器异步电机开环变频调速适用于一般要 求不高的场合，例如风机、水泵等机械，若要开发高性能专用变频控制系统，此种控制 方式不能满足系统要求i 她2 1 捌 1 3 2 矢量控制 矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流，它是通过分析电机数学模型对电 压、电流等变量进行解耦面实现的。针对不同的应用场合，矢量控制系统可以分为带速 度反馈的控制系统和不带速度反馈的控制系统【2 3 甜】矢量控制变频器可以分别对异步 电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际 值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电机控制静态精度和动态品质。转速精 度约等于o 5 ，转速响应也较快采用矢量变频器异步电机变频调速是可以达到控制 结构简单，可靠性高的效果其主要表现在以下几个方面： 1 ) 可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广； 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 可以对转矩实行较为精确控制： ( 3 ) 系统的动态响应速度很快； ( 4 ) 电动机的加速度特性很好 带速度传感器矢量控制变频器的异步电机闭环交频调速技术性能虽较好，但是毕竟 它需要在异步电动机轴上安装速度传感器，已经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高 的特点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安装速度传感器。系 统增加了反馈电路和其他辅助环节，也增加了出故障的机率。因此，对于调速范围、转 速精度和动态品质要求不是特别高的条件场合，往往采用无速度传感器矢量变频开环控 制异步机变频调速系统随2 7 ，2 s 捌。 3 3 直接转矩控制 除以上两种调速方式之外，国际学术界比较流行的电机控制方案研究还有致力于直 接控制电机输出转矩的直接转矩控制( d t c ) 将电机输出转矩作为直接控制对象，通 过控制定予磁场向量控制电机转速下面对直接转矩控制和矢量控制在各个方面上进行 对比。 单从原理上分析，直接转矩控制和矢量控制没有太大的区别矢量控制通过定子电 流采样，进而进行解耦，对影响电机磁场和转矩的电流分量分别控制。而直接转矩控制 方式根据原理公式，由电机转矩与定子磁场和转子磁场间的关系，通过控制定子磁场， 控制转矩输出，其测量量为电机的输出转矩，电机的性能主要与电机转矩有关，所以其 控制方式比较直接，定子磁场的观测类似于矢量控制中的定子磁链的观测方法，因此其 低速时由于定子电阻的影响，性能不高，与直接电流闭环的矢量控制方式相似邶1 咒3 3 1 。 直接转矩控制电压矢量的获得也是分别控制8 个逆变开关状态。这两种控制方式同样与 电机的参数辨识是否精确有关，矢量控制方式中，磁链角和转子时间常数对控制性能的 影响比较大，而直接转矩控制方式主要是定子电阻的辨识，因为定子电阻直接影响了定 子磁链的观测，从而直接影响了电机转矩控制精度j 5 j 6 1 。在参考文献3 4 中，对两种控 制方法进行了详细的对比，从仿真的结果对电机静态和动态性能，转矩，磁场以及电机 参数的敏感度等性能做了详细的分析，从结论中，可以看到，矢量控制在转矩性能控制 以及电机参数的敏感度上占了一定的优势，而直接转矩控制在磁场控制性能上有一定的 异步电机矢量控制研究 优势，而且直接转矩控制由于省略了大部分的坐标变换，比矢萤控制在计算量上较为简 化。直接转矩控制是上世纪8 0 年代在德国才兴起控制技术，其应用还不是很成熟。还 有待于进一步对其工程化推广 综合比较以上几种典型控制方式以及考虑到实际因素，本论文选择有传感器的转速 闭环矢量控制系统，在以后的工作中，再逐步实现无传感器的矢量变换的调速系统以及 其他面向不同工矿条件下的控制方案。 1 4 逆变调制方式选择 由于p w m 变换器具有功率因数高，调制简单，可同时实现变压变频以及抑制谐波 的特点，因此，得到了广泛的工程应用d 7 ，”j 9 柏】在电机控制中，对于精度或者动态响 应要求不高的场合，可以使用六阶阶梯波调制方法控制，这种方法将电机磁空间分为六 个区域，通过不断的变换功率管的导通次序，产生在空间的阶跃形的磁场此方法的缺 点是转矩脉动比较大，不适合于高精度场合应用，相对于这种方法的缺点，工程技术中 应用最多的就是s p w m 调制，即正弦调制。它根据电网正弦电压的要求产生正弦的旋 转磁通，从而使控制性能大大提高。在以往的s p w m 正弦调制中，模拟电路采用得最 多的是通过振荡电路，产生正弦波和三角波，再通过比较器来确定桥臂的导通与关断 或者是通过正弦波产生芯片来控制功率管，如h e f 4 7 5 2 和s l e 4 5 2 0 而对数字电路来 说，则可以根据微处理器性能的差异选择不同的波形产生方法。对速度比较慢的处理器 来说，可以应用表格法来产生，这种方法将要输出的脉冲宽度以数据表格的形式存放在 内存或者外部扩展r o m 块中，通过实时读取表格中参数值，就可以输出产生正弦波形。 对晶振频率较高的处理器，可以采用实时采样输出的方法，计算下一周期理想输出的波 形脉宽。一般来说有自然采样和规则采样，派生出来了对称和不对称规则采样等，在此 基础上，国内外一些研究人员也提出了在算法上的改进。由于本论文不涉及到这些控制 方法，因此也不一一做详细介绍 随着数字交流驱动系统成为工业标准，传统的s p w m 调制方式已经逐渐拨现在兴 起的s w m ( 勋口卯跆啪r ，l ，垃w 础b 肼d 幽幼幻疗) 调制方式所取代，s v l w m 调制方 式将电压矢量作为一个控制对象，在控制电压幅值大小的同时，控制电压向量的方向， 对不同状态电压向量的综合，达到输出所需电压向量的目的h 1 4 2 】。在本系统中，选择了 沈阳工业大学硕士学位论文 1 r i 公司的电机控制专用芯片作为主控芯片，其内部集成了s ? w m 模块，因此，有利 于直接使用s ，w m 控制方式。其具体的性能以及实现方法将在控制系统设计章节中介 绍。 1 5 矢量控制方式选择 异步电机矢量控制是基于磁场定向的方法，其调速控制系统的方式比较复杂，要确 定最佳的控制方案，必须对系统的静态特性进行充分的研究。以下主要介绍最常用的控 制策略。 1 、转子磁场定向矢量控制原理：交流电机的转矩与定转子旋转磁场及其夹角有关， 要控制好转矩，必须精确检测和控制磁通，在此种控制方式中，检测出定子电流的d 轴 分量，就可以观测出转子磁链的幅值，当转子磁链恒定时，电磁转矩和电流的g 轴分量 成正比，忽略反电动势引起的交叉耦合，可以由电压方程j 轴分量控制转子磁通，g 轴 分量控制转矩，目前大多数变频系统是使用此种控制方法的，它实现了系统的完全解耦， 但是其最大的缺点是转子磁通的观测受转子时间常数的影响。 2 、转差率矢量控制原理：如果使电机的定子、转子或气隙磁场中一个保持不变， 电机的转矩就由转差率主要决定因此，此方法主要考虑转子磁通的稳态方程式，从转 子磁通直接得到定子电流d 轴分量，通过对定子电流的有效控制，形成了转差矢量控制， 避免了磁通的闭环控制，不需要实际计算转子的磁链，用转差率和量测的转速相加后积 分来计算磁通相对于定子的位置，但此种方法主要应用在低速系统中，而且系统性能同 样受转子参数变化影响。 3 、气隙磁场定向矢量控制原理：除了转予磁场的定向控制以外，还有一些控制系 统使用的是气隙磁场的定向控制，此种方法比转子磁通的控制方式要复杂，但其利用了 气隙磁通易于观测的优点，保持气隙磁通的恒定，从而使转矩与q 轴电流成正比，直接 对g 轴电流控制，达到控制电机的目的 4 、定子磁场定向矢量控制原理：由于转子磁通的检测容易受电机参数影响，气隙 磁通的检测需要附加一些额外的检测器件等弊端，国内外兴起了定子磁场定向的矢量控 制方法，此种方法是通过保持定子磁通不变，控制与转矩成正比的g 轴电流，从而控制 异步电机矢量控制研究 电机，但是，此种方法和气隙磁场定向的矢量控制一样，需要对电流进行解耦，而且以 定子电压作为测量量，容易受到电机转速的影响。 从以上几种电机控制方案来说，转差率的矢量控制只考虑了转予磁通的稳态方程， 动态效果太差，不适合于高性能的电机控制系统，而气隙磁场控制和定子磁场控制都没 有实现电量的完全解耦，因此需要增加解耦控制器，针对设计任务书要求，选择转子磁 场定向的矢量控制方案，对于此方案的最大缺点：转子磁场估测受电机参数影响较大，需 要在电机控制方案上给予补偿。本论文主要对采用的转子磁场定向控制方案设计做一个 比较系统的描述。 6 论文的研究内容 全文共分为六章： 第一章为绪论，介绍了课题的意义、变频器的发展方向以及与本论文相关技术的发 展动态。 第二章为电机模型，介绍了异步电机的数学模型以及为简化模型的各个坐标变换原 理和公式实现。 第三章为矢量控制系统原理，介绍控制系统方案选择，通过对各种不同的电机控制 方案，选择合适的满足本系统性能要求的控制方案在确定了系统的总体方案后，对比 不同的控制方式以及实现方式选择调速系统各个予模块实现方式 第四章为控制系统的设计，通过论述矢量控制系统各子模块的实现原理给出各个子 模块的工程实现，通过理论分析，计算电流闭环的控制p 1 参数。针对矢量控制方式的 缺陷，论述了转子参数辨识方法 第五章为仿真结果分析，得出电机转速仿真曲线、电机转矩指令仿真曲线和电机转 矩输出等各种仿真曲线。 第六章为本文结论 沈阳工业大学硕士学位论文 2 建立矢量控制数学模型 2 1 三相异步电机的数学模型 众所周知，交流电机的数学模型由于非线性参量的存在而异常复杂，对交流电机模 型进行分析，需要选择适当的坐标系国内外许多专家都提出了感应电机在不同坐标系 变换下的数学模型，其中使用较多的有电机三相坐标系，在此坐标系中，电机的三相参 量各代表一坐标。还有两相静态坐标系，在此坐标系中，电机各个参量以静态参量处理， 除此外，根据不同控制要求，将静态坐标系的横坐标轴置于某一特定运动参量上，则可 以得到跟随其变化的同步旋转坐标系。为了分析方便，需要在各个坐标系中进行等效变 换，本章随后将对一般常用的等效变化做一个详细的分析异步电机运行过程中，电机 定子三相绕组a ，b ，c 在空间固定。转予绕组a ，b ，c 随转子旋转。建立图2 1 所示的坐标 系及电机模型。 图2 1 三相坐标系及异步电机模型 f i g2 1n _ 咕m o d e io f 伽r 静煅c f d i l l 龇es y s t e m 枷船”c h 啪。畔m a 幻r 三相坐标系a b c 在空问固定，定子绕组建立在此坐标系上三相坐标系a b c 是旋转 坐标系，转子绕组建立在此坐标系上旋转坐标系的a 轴与固定坐标系a 轴之问的夹角 为口假设三相转子绕组的绕组参数已经归算到定子绕组，定转子绕组参数相同。 异步电机矢量控制研究 型。 根据电路学原理，可以推导出在恒转矩负载下三相异步电机的多变量非线性数学模 电机每相定子电压表达式 f ，麒= k r ，+ p 。 + e + p - y 。= 。r | + p 甲。 ( 2 一1 ) ( h ) ( 2 3 ) 转子电压表达式 = f 。r ，+ p y 。 ( 2 4 ) = f 而r ，+ p 妒一 ( 2 5 ) = 耳+ p 妒。 ( 2 6 ) 方程中，吃比分别表示定子三相电压，分别表示转子三相电压， k0 表示定子三相电流，kkf 。表示转子三相电流，y 。，y 。，y 。为定子 三相磁链值，y 。，y 。y 。为转予三相磁链值，p 表示为微分算子 在上面的定转予电压方程中含有磁链分量，其表示的是各绕组本身的自感磁链与其 他绕组的互感磁链之和 绕组磁链矩阵表达式 组每相的自感和两相之间的互感也相等。又由于转子绕组归算到了定子绕组，转 子绕组的每相串联匝数和绕组系数与定子绕组相同，则转子绕组两相之间的互感 与定子绕组两相之间的互感相等。设定子绕组之问互感的最大值为上。，则定子绕 组每相自感为 乩= 工阳= k = 厶+ ( 2 8 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 转子绕组每相自感为 删= 三肋= 三= k + 三， ( 2 9 ) 定子绕组两相之间的互感为 k = k = 毛= k = 毛= 如= 一工- ( 2 一l o ) 转子绕组两相之间的互感为 工朋= 工小= 上劓= 三群= 二( _ = 厶菩= 一妄工。 ( 2 一1 1 ) 定子和转子之问的互感，可以表示为下列公式： 三一口= 三肋= 厶= 【“= 上6 占= 【= 巩c o s p ) ( 2 1 2 ) 三一6 = 工肺= 白= 工蛆= 工犯= 匕= 三胛c o s 妒+ 1 2 0 0 ) ( 2 1 3 ) 工血= 上船= 三c 西= d = 工拈= 上圮= c o s p 1 2 0 0 ) ( 2 一1 4 ) 将上面的各等式代入磁链方程，用向量表示为： 孑= 西( 2 一1 5 ) 将上面的磁链表达式代入感应电机定转子电压方程，用向量形式表示为： 矿= 蔚+ p 西) = 雨+ z 罢+ 尝i ( 2 一1 6 ) 式中 矿为电压向量【吃，r ；为电流向量【f 棚，k ，k ，k r ，三为电感矩阵。 趸为电阻参数硪昭陬，b ，r ，墨，群，孟，r 。 上面的方程就是异步电机的电压模型，它是一个高阶，非线性，强耦合的多变量系 统同时，交流传动系统的运动学方程表达式 = 瓦+ 专警+ 号+ 专p c 2 一， 式中瓦为负载阻转矩，为机组的转动惯量。d 为与转速成正比的阻转矩阻尼系数。x 为扭转弹性转矩系数。以为极对数对于恒转矩负载，d 为o ，置为o ，因此，运动学 方程可以简化为下面的形式 疋= 瓦+ 毒警 c 2 堋， 异步电机矢量控制研究 在运动学中，转速方程 ：塑( 2 一1 9 ) = 一 z i yj 田 以上的电压公式，磁链方程，转矩方程和转速方程便构成了三相异步电机的多变量非线 性数学模型。 从上面公式中可以看出，电机数学模型表达式不能直接应用在工程设计中，最主要 的原因是电感参数是随时间变化的。因此有必要对上述电机数学模型在坐标变换的基础 上加以简化，以达到系统解耦的目的，实现异步电机高性能控制。为此，首先推导出简 化电机模型的等效变换的变换矩阵 2 2 坐标变换 2 ，2 1 三相一两相坐标系变换( 3 2 变换) 图2 2 为交流电机坐标系等效变换图。图中的a ，b ，c 坐标轴分别代表电机参量 分解的三相坐标系丽口，罗则表示电机参量分解的静止两相坐标系。每一个坐标轴上的 磁动势分量，可以通过在此坐标轴的电流f 与电机在此轴上的匝数的乘积来表示 o 0 ， 吩占) ( 2 ) ，- ( 飓i 屹i c ) o 吒( a 擘t ) t a l 乞。 图2 2 坐标变换图 f i g2 2 o r d i n 忸t i 册们n 娠md 咖 假定a 轴与口轴重合，三相坐标系上电机每相绕组有效匝数是m ，两相坐标系上 电机绕组每相有效匝数为，。在三相定子绕组中，通入正弦电流，则磁动势波形为正 弦分布，因此，当三相总安匝数与两相总安匝数相等时。两相绕组瞬时安匝数在口，轴 上投影应该相等。因此有式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) 沈阳工业大学硕士学位论文 2 屯= 3 一3 f e c o s 6 0 。一，站伽6 0 。= 3 l 一兰一三七 2 = 3 s i n 6 0 。一3 咖6 0 。= 孚3 也一t ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 为了保持坐标变换前后的总功率，即应该保持变换前后有效绕组在气隙中的磁通相等 岛= 岛 设三相绕组磁通公式： ( 2 2 2 ) 马= 矾陬一“小i n 佟一划c 2 秘， 两相绕组磁通公式； 占：= 矾r 2 ( c o s 口+ s i n 口) ( 2 2 4 ) 上面两式k 为一固定比例参数，通过增入一个零分量，我们可以写成矩阵形式为： = 瓮 将上两式写成矩阵形式并对其规格化得到下面方程： ( 2 2 5 ) 2 卜( 一抖冲 沪2 a ， 从上式解得，三相到两相的匝数比应该为： = 威 当电机使用星型接法时，有等式： ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 一 一1 2 翊2 异步电机矢量控制研究 + + 屯= o 则上面的变换矩阵可以写成下面的形式： 叫料 同时，我们可以得到从两相到三相的变换矩阵，即为上面矩阵的逆变换： 褂 ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) ( 2 3 1 ) 从原理上分析，上面的变换公式具有普遍性，同样可以应用于电压或者其他参量的 变换中从三相坐标到两相坐标的变换，通常只是简化电机模型的第一步，为了满足不 同参考坐标系的各个参量分量的分析，需要找出不同参考运动坐标系的变换方程，下面 推导从静止坐标系到运动坐标系的变换公式。 2 2 2 旋转变换( 2 s 2 r 变换) p 久8 位 圈2 3 旋转坐标系变换圈 f 喀2 3r 删n g c r d i r i 翻略夥s 幢mt 啪s f 研md i a 掣枷 下面通过相电流的等效变换，来说明旋转变换原理如图2 3 表示了从两相静止坐 标系到两相旋转坐标系d q 的电机相电流变换。此变换简称2 s 2 r 变换。其中s 表示静 止，r 表示旋转从图中可以看出，假定固定坐标系的两相垂直电流与旋转坐标系的两 沈阳工业大学硕士学位论文 刖= 捌扣他引 c 2 咄， 刖篇矧扣z 班，引 c 2 嘲， 酬；帮剥”叫， 异步电机矢量控制研究 2 3 矢量控制数学模型 德国西门子公司的f - b 伽c 妇提出了“感应电机磁场定向的控制原理”和美国 p c o f 咖册和一c 仫睹申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”为现在已经 普遍应用的矢量控制变压变频调速系统奠定了基础。 以上电机数学模型分析表明，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系下的 交流电流，i c 通过3 2 变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流，通过 以转子磁场定向的坐标变换，可以等效为同步旋转坐标系下的直流电流，原交流电 机的转子磁通等效为直流电机的磁通，d 绕组相当于直流电机的励磁绕组，分别为 励磁电流和与转矩成正比的电枢电流从内部看，异步电机是一台以0 ，毛为输入，转速 为输出的直流电机。通过模仿直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，经过相 应的坐标反变换，能够实现异步电机的高性能控制