（电力电子与电力传动专业论文）基于矢量控制的交流电机控制器的设计.pdf

d e s i g no ft h ea c m o t o rc o n t r o l l e rb a s e do nv e c t o rc o n t r o l a b s t r a c t i nt h ed r i v ec o n t r o lf i e l do fe l e c t r i cv e h i c l e s ，t h ea cm o t o rc o n t r o l l e rw i t hi t s h i g h - p e r f o r m a n c e ，h i g hp o w e rd e n s i t y ，h i g hr e l i a b i l i t y ，l o wc o s t ，l o wp o l l u t i o na n d g o o de n v i r o n m e n t a la d a p t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c se t c ，i n c r e a s i n ga c c e s s t oaw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，a n dt o w a r d st oad i g i t a l ，c a nb eo p t i m i z e d ，e t c r e s p o n s et om a r k e td e m a n d ，t h i sp a p e rd e s i g n e da n dd e v e l o p e dad s p - b a s e d o w nb r a n da cc o n t r o l l e rp r o d u c t s ，w h i c hu s i n gf i e l do r i e n t e dc o n t r o lm e t h o da n d s v p w m a l g o r i t h mt om e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ee l e c t r i cp a l l e tc a r s ， f o r k l i f t s ，e l e c t r i cv e h i c l e sa n ds oo n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et h r e e - p h a s ea c i n d u c t i o nm o t o ra tf i r s t ，t h i sp a p e ro u t l i n e da na l g o r i t h mp r i n c i p l eo fi n d u c t i o n m o t o rp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，e s t a b l i s h e dam a t l a b s i m u l i n km o d e la n ds i m u l a t e d i t v e r i f i e dt h er e l i a b i l i t yo ft h i si d e n t i f i c a t i o np r i n c i p l e a n dt h e nt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo ft h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ， t h ep a p e rd e s c r i b e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fa ca s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o l s y s t e m ，t h e nt h i sp a p e rd e s c r i b e dt h es v p w m m o d u l a t i o nt e c h n i q u ei nd e t a i lb a s e d o nt h ep r i n c i p l eo fp w m m o d u l a t i o n ，f i n a l l y ，s v p w mm o d u l a t i o na l g o r i t h m sa n d t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e ma r es i m u l a t e db ym a t l a b t h er e s u l t ss h o w e dt h ew h o l e s y s t e mi se f f e c t i v e f o rt h er e a l i z a t i o no fr a p i da g i l e 、r e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo n ，w h i c h e l e c t r i cv e h i c l e sd r i v ec o n t r o ls y s t e mn e e d s ，t h ep a p e ru s e dt i sh i g h p e r f o r m a n c e c o n t r o lc h i pt m s 32 0 l f 2 4 0 7 ai nt h ec h o i c eo ft h ec o n t r o lc h i p ，a n a l y z e dt h e d e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，an u m b e ro fa n t i - i n t e r f e r e n c ea n dp r o t e c t i v e m e a s u r e si nd e t a i l i no r d e rt o v e r i f yt h ef e a s i b i l i t y o ft h ed e s i g n e ds y s t e m ，b a s e do nt h e m a t l a bs i m u l a t i o n ，d ot h ee x p e r i m e n t a ld e v e l o p m e n to fo n b o a r ds y s t e mf o r s o f t w a r ea n dh a r d w a r et e s t i n g ，d e b u g g i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea l g o r i t h mc a nb e o u t p u tt h e w a v e f o r m ，w h i c hi sc l o s et oi d e a ls i n ew a v e ，t oa c h i e v er e l i a b l e ， h i g h p e r f o r m a n c ec o n t r o lo fa ca s y n c h r o n o u sm o t o r k e y w o r d s ： a cm o t o rc o n t r o l l e r ，p a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o n ，v e c t o rc o n t r o l ，s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) v 插图清单 图2 1 三相异步电动机的物理模型6 图2 2 感应电机单相等效电路8 图2 3 电流控制环参数测试9 图2 4 特定电流波形1 0 图2 5 电机静止测试波形1 0 图2 6 电机静止测试波形1 l 图2 7 电压波形分析1 1 图2 8 电流控制环参数测试s i m u l i n k 模型1 2 图2 9 电机参数静止测试s i m u l i n k 模型1 2 图3 1 矢量控制原理框图1 4 图3 2 三相a b c 绕组和两相qd 绕组各相的磁势1 5 图3 3 定子电流矢量在0 qb 坐标系和m t 坐标系上的投影1 6 图3 4 三相异步电机转差频率间接矢量控制系统结构图1 9 图3 5 三相电压型逆变电路原理图2 1 图3 6 基本电压空间矢量与磁链轨迹2 1 图3 7 基本电压空间矢量线性组合2 2 图3 8 转子和定子启动变化仿真2 4 图3 9 转速启动和转矩仿真波形2 4 图3 1 0s v p w m 仿真模型2 4 图3 1 1 逆变器的开关信号2 4 图3 1 2 电机的电压电流波形2 4 图3 1 3 转差频率矢量控制系统仿真模型2 5 图3 1 4 定子a 相电流响应2 6 图3 1 5 转子a 相电流响应2 6 图3 1 6 转子角度2 6 图3 1 7 转速响应：2 7 图3 1 8 电动机电磁转矩2 7 图3 1 9 转矩一转速特性2 7 图3 2 0 定子磁链轨迹2 8 图4 1 系统硬件总体框图2 9 图4 2 看门狗与上电复位电路3 1 图4 3 前进开关输入电路3 2 图4 4v c l 产生电路3 2 图4 5l 3 型加速器检测电路3 3 i x 图4 62 型加速器检测电路3 3 图4 7u g n 3 5 0 3 参数图3 4 图4 8 霍尔电流检测电路3 5 图4 9 温度检测电路图3 6 图4 1 0 预充电与放电电路3 7 图4 1 1 主接触器驱动电路3 8 图4 1 2m o s 管驱动电路3 9 图4 1 3 短路保护电路4 0 图4 1 4 串口通讯接口电路4 1 图4 1 5 电源转换电路4 l 图4 1 6i r f 3 2 0 5 s 参数表4 2 图4 1 7u 相上桥主电路4 3 图5 1 主循环流程图4 5 图5 2 初始化模块流程图4 6 图5 3 电机控制中断流程图4 7 图5 4 车辆控制中断流程图4 8 图5 5 车辆状态转换图4 9 图5 6 实验电机及负载5 0 图5 7 控制板5 0 图5 8d s p 外围电路板5 l 图5 9 功率板5 l 图5 1 0 电路板三层整体5 1 图5 1 1 电机端电压p w m 波形图5 2 图5 1 2 端电压p w m 波形( 带负载) 5 2 图5 1 3u 相端电压波形( 照片) 5 2 图5 1 4 电机线电压波形( 滤波) 5 3 图5 1 5 编码盘a 、b 两相脉冲5 3 x 表格清单 表2 1 测试电机参数1 3 表2 2 仿真电机参数1 3 表3 1p 值与扇区号的对应关系2 3 x i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金魍王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：套弋 签字同期；沙d 年骖月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅或借阅。本人授权 金日墨王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内 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、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：套弋 签字日期：2 0 d 年q - 月“日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：万乏主式 签字日期：加f o 年争月6 日 电话： 邮编： 致谢 三年时间转瞬即逝，在这三年的学习时间里，我得到了周围老师和同学们 热忱和无私的帮助，度过了人生这一段美好的时光。 首先，我要感谢我的导师万文斌副教授，在攻读硕士学位期间，万老师为 我提供了良好的科研环境和优越的实验条件，他治学严谨，知识渊博，为人胸 襟广阔。在课题研究过程中，万老师往往从大处着手，宏观把握，并提出新颖 的解决思路，让我茅塞顿开。我从万老师身上学到的不仅有科研方法，更有严 谨的治学态度和站在决策的高度去看待和处理问题的方法策略，这都使我终生 难忘。 在攻读硕士学位期间，我还有幸得到了方凯研究员和钱玮研究员等多位老 师在科研和生活上的关怀和指导，在我遇到问题时，他们都毫无保留地耐心解 答，并提出很多有益的建议，为我们的科研和人生指引航向。 另外，感谢同一课题组的及帮助过我的在读硕士钱园园、孔凡波、石勇、 刘鹏、刘青、王乐临、吴敏等同学以及已毕业的刘瑞芳师姐、刘仪博士给予我 的鼓励和支持，感谢他们在学习和生活上给我的无私帮助。 还要感谢家人和亲友给我的关心和帮助，使我能顺利完成学业，在此向他 们表达我深深的敬意。 最后，还要感谢各位评审老师抽出宝贵的时间对我的论文进行审阅。 v i 作者：李飞 2 0 10 年0 3 月 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 随着科学技术的不断发展进步，交流传动及相关方面的技术日新月异，在 现代国民经济领域交流电机广泛适用性的前提之下，电气传动交流化的时代已 经到来。众所周知，交流电机结构简单、维护方便、价格低廉，但是其模型复 杂，控制和调速都比较困难，要获得和直流电机一样的调速性能更是十分困难 的。而科学技术的发展解决了这个问题。在现如今电力电子技术、计算机技术、 控制技术发展都十分迅速的情况下，交流电机的调速性能不仅大大提高，并且 有超越直流电机调速性能的趋势。交流电控产品也越来越被广泛的应用。 而伴随着石油资源的枯竭以及世界范围内环保意识的增强，新型电力驱动 用车辆应运而生。电动汽车是一种电力驱动的、节能的、极少污染的新型交通 工具，是解决燃油汽车所带来的能源和环境问题的最有希望的方案之一。世界 各国政府以及各大汽车制造商都在加大力度开发各种不同类型电动汽车，作为 新型交通工具的电动车辆( e l e c t r i cv e h ic l e 或e v ) 的研究j 下日益受到关注。 电动汽车属于绿色产品，是集汽车技术、电子及计算机技术、电化学技术、能 源及新材料技术于一体的高新技术产品，是人类新一代的清洁交通工具。随着 技术的成熟，目前国际上主流的电机驱动器厂商如c u r t i s 、z a p i 、d a n a h e r 等均 已在近年推出了面向电动车辆的交流电机控制器，正在向市场推广，功率从 l k w 5 0 k w 不等，覆盖了电动车辆的主要需求范围。 本课题基于t i 公司高性能的d s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ) ，采用转差频率矢量控 制与s v p w m 调制理论相结合的设计思想，以研制应用于叉车和电动汽车的全 数字化交流异步电机矢量控制器为工程背景展开，意义如下： 1 简化系统结构，提高系统性能。 本系统采用t i 公司生产的专用电机控s t j d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，它不仅 在处理速度上大大超过传统的单片机，且包括很多电机控制专用外设：两个e v 事件管理器，8 个1 6 位p w m 输出通道，3 个捕获单元以及专有的增量式编码盘接 口。应用2 4 0 7 a 即可省去很多外围电路，这样在大幅提高系统性能的同时还简 化了系统的结构。 2 实现异步电机的全数字化矢量控制。 本课题基于d s p ，采用间接矢量控制策略控制三相异步电机，使用d s p 模 块化的编程思路，实现异步电机电流、转速双闭环的控制方案。以系统的高运 算速度和可靠性为目标，建立异步电机的全数字化矢量控制系统，对实际的交 流电控产品化有一定的理论指导作用和意义。 3 适合电动叉车、汽车用电机的复杂工况。 本课题试研制适用于中小型电动叉车和电动汽车的交流电控，因此种车辆 的实际工作情况复杂，系统从抗干扰、散热、保护等多种需求出发，采用强弱 电分离，增加铝板散热，以及各种保护措施来保证系统在各种恶劣工况下的稳 定运行。 1 2 交流电机变频调速及相关技术的发展概况 2 0 世纪7 0 年代以前，交流调速系统的发展长期处于调速性能差、低效耗能 的阶段。2 0 世纪7 0 年代后，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了 极有利的技术条件和物质基础。交流调速理论和应用技术有以下几个相关方面 的发展： ( 1 ) 电力电子技术的发展。 电力电子器件是交流调速的基础，其发展直接决定和影响着交流调速的发 展。2 0 世纪8 0 年代前期，电力电子器件已由最简单的晶闸管半控型器件发展到 全控型器件，这些全控型器件包括门极可关断晶闸管( g t o ) 、电力双极性晶闸 管( b j t ) 以及电力场效应晶闸管( p o w e rm o s f e t ) 等。这类器件开关速度得到 大幅提升，并可以很容易的控制开通和关断，电流和功率承载能力也大大提高。 8 0 年代后期，以绝缘栅极场效应管( i g b t ) 为代表的第三代电力电子器件发展 迅速，它把m o s f e t 和b j t 的优点集于一身，开关频率高、驱动电路简单、承载能 力大，已成为变频调速装置的主流选择。2 0 世纪9 0 年代以后，随着功率集成模 块( i p m ) 的出现，电力电子器件进入第四代器件发展时期，逐渐向智能化的方 向发展。 ( 2 ) 现代数字控制技术与微处理器的发展。 在现代控制技术中，数字化的趋势越来越明显。对于交流调速而言，控制 核心至为关键，在微处理器出现之前，交流调速完全依靠模拟系统构成，此类 系统只能实现一些简单的功能，且效率低下，更新换代十分困难。而分立器件 组成的系统精度很低，远远不能满足控制要求。 随着微处理器与集成电路的发展，单片机乃至专用电机控制芯片d s p 的出 现，使得交流调速的整个控制系统由全模拟系统逐渐向全数字系统发展。如今 的由d s p 构成的交流调速全数字控制系统不仅处理速度大幅提高，性能卓越，可 以实现各种控制功能的软件化，实时性高，电机控制的精度也大大提升。 ( 3 ) 脉宽调制( p w m ) 技术 交流电机调速性能的不断提高在很大程度上取决于p w m 调制技术的不断发 展。由于在电力电子装置中，逆变器的应用越来越来广泛，而对于逆变器来说， p w m 调制技术即是其核心技术之一。随着现在调制技术的发展，应用于交流电机 调速的p w m 技术已由最初的等宽p w m 调制、正弦p w m ( s p w m ) 发展到目前国际上最 先进的电压空间矢量调制( s v p w m ) 技术。 空间电压矢量脉宽调制技术( s v p w m ) 从电动机角度出发，其原理就是利用 2 逆变器各桥臂开关控制信号的不同组合，使逆变器的输出空间电压矢量的运行 轨迹尽可能接近圆形。s v p w m 与常规的s p w m 相比，能明显减小逆变器输 出电压的谐波成分，降低脉动转矩，而且有较高的电压利用率，更易于数字实 现，因而在交流感应电机控制中，应用前景十分看好。 ( 4 ) 矢量控制技术的发展。 在电气传动交流化时代的背景下，交流变频调速技术被公认为是一种最有 前途的交流调速方式，它不仅有着卓越的调速性能，而且在工业各领域都有着 广泛的应用。 早期的变频调速系统都是采用恒压频比( u f - 常数) 的控制方式，这种方 法尽管控制简单方便，但是属于开环控制，精度很低，稳定性也比较差。后面 出现的一些闭环控制方法在各方面也没有达到直流调速系统优越的性能。 直至2 0 世纪7 0 年代德国学者f b l a s c h k e 等人提出矢量控制理论，才使交 流传动进入了一个崭新的时代。由于电流电机是一个多变量、非线性、强耦合 的控制对象，要想和直流电机达到同样的控制性能，必须首先解决交流电机诸 变量解耦的问题，矢量控制的主要思想正是将异步电机模拟成直流电动机，通 过坐标变换的方法使得异步电机定子电流的励磁分量和转矩分量实现解耦，以 达到和直流电机相近甚至高于其的控制性能。 8 0 年代后期，随着科学技术的发展，出现了直接转矩控制理论( d t c ) 以 及模糊控制等方法。对于不同的适用范围，这几种控制方法都各有千秋，都能 够实现对交流电机卓越的控制性能。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本次课题以美国c u r t i s 交流控制器为样机，设计、研制一款自主品牌的交 流电机控制器产品。主要是基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片对三相异步电动机的控 制系统进行设计，详细讨论了异步电机矢量控制原理，在系统总体设计和核心 控制器确定的基础上进行了相应的系统硬件和软件设计，并对一些保护措施进 行了研究。本系统能够实现良好的控制性能与完备的保护功能，能满足在电动 托盘车、小型电动车辆、叉车等场合的应用需求。 论文的具体内容安排如下： 第2 章：介绍了三相异步电动机的数学模型及异步电机静态参数辨识的原 理，给出了参数辨识的具体算法，并在此基础上利用m a t l a b 仿真验证了算法的 可靠性。 第3 章：在矢量控制坐标变换的基础上，介绍了三相异步电机转差频率间 接矢量控制的基本原理及电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术的基本原理和实 现。并对系统进行了m a t l a b 仿真试验。 第4 章：介绍了系统的总体设计方案，给出系统的硬件组成，并对各部分 电路的具体实现以及系统的抗干扰和一些保护功能进行了较为详细的介绍。 第5 章：介绍了系统的软件设计，给出了主要设计的设计思想和程序流程 图，并给出了系统实验板调试波形。 第6 章：对全文工作进行总结和展望。 4 第二章交流异步电机的模型及参数辨识 交流异步电动机虽然结构简单、工作可靠、维护方便、效率高，但是调速 非常困难，主要的问题就是异步交流电动机数学模型比较复杂，各变量之间耦 合严重，所以要使其控制好交流电机，必须首先研究清楚异步电机的数学模型。 工业现场用异步电机一般不标明电机具体定转子参数，且电机转子参数随 电机磁场及温度变化而变化，而其控制方法对电机参数的依赖性很大，参数辨 识的准确与否严重影响电机的控制性能和精确度。故本文设计了一种离线式的 参数辨识方法，提出了具体的辨识算法，并通过模型仿真验证了算法的实用性。 2 1 三相异步电动机的数学模型 异步电动机的定子绕组通常为三相绕组，转子为三相或多相绕组，没有励 磁绕组。在研究异步电动机的多变量数学模型时，常作如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称( 在空间上互差1 2 0 。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线性的。 ( 3 ) 忽略铁心损耗。 ( 4 ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 这样，实际的电动机被等效成如图2 1 所示的物理模型。图中，定子三相绕 组a 、b 、c 在空间上是固定的，故称为三相静止坐标系。设a 轴为参考坐标轴， 转子以w 速度旋转，转子绕组轴线为a 、b 、c ，随转子旋转。a 轴与定子a 轴间的 电角度差为0 = i 踏，称为空间角位移。图中，“。，u b ，u c 为定 子和转子相电压的瞬时值。，屯，乞，乞为定子和转子相电流的瞬时 值。足，r ，为定子和转子电阻。厶，厶：为由漏磁通产生的定子和转子漏感。 。= 厶，= 厶：为定子和转子互感。 吣t ) c 图2 1 二和并步电明衫l 明砌埋俣型 互感的情况较为复杂，定子和转子的6 个绕组之间的互感可考虑有两类： 一类是a 、b 、c 相绕组及a 、b 、c 相绕组之间因位置固定，故互感为常数；另 类是定子任一相与转子任一相之间的位置是变化的，互感是角位移0 的函数。 互感的变参数是造成系统非线性的根源。 异步电动机的数学模型可由以下4 组微分方程来描述： 1 电压方程式 三相定子绕组电压方程式为 铲置+ 等 = 讹+ 百d w b ( 2 1 ) 嘲+ 警 驴屯垦+ 等 = 毛r + 百d w b ( 2 2 ) 驴f c 垦+ 等 上式以微分算子p 代替i d ，用矩阵形式表示则可写成 6 曷0 0 墨 oo o0 oo oo o0 oo r i 0 0 恐 o0 o0 0o o0 o0 0o 如0 0 r 2 + p 甲一 y 口 甲c 甲。 甲6 甲。 ( 2 3 ) 2 磁链方程式 每个绕组的磁链是其本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，可 表达为 甲一 b 甲c 甲。 甲6 甲。 l 丸4l a bl 由cl a al 抽l a c ( 2 4 ) 式中，自感 匕= k = k = 厶 ( 2 5 ) l a q = k = k = 厶： 、。 互感 l b = _ ”k = 厶 l l 曲= l b d = 2 l c b = 去l m l 。= 乞= 2 k = 匕c o s ( 2 6 ) 厶6 = k = 2 k = l c o s ( o + 1 2 0 。) l a 。= 匕= 2 k = 乙e o s ( o 一1 2 0 。) 3 转矩方程式 t = 以k ( i i o + f 6 + i c i d s i n o + ( i a i b + 如乞+ i c i , , ) s i n ( o + 1 2 0 。) + ( 之+ 乞+ i c i b ) s i n ( o 一1 2 0 。) ( 2 7 ) 4 运动方程式 z = 瓦+ 案警 ( 2 8 ) 式中，乏为负载转矩，g d 2 为电动机和负载的飞轮转矩，g d 2 = 4 9 j ，为 转动惯量。 2 2 异步电机离线参数辨识原理及算法分析 感应电机的控制基本上可以分为两个类别：开环控制和闭环控制，开环控 制如y f 恒压频比控制虽然动态性能不佳，但是相对而言对电机的参数不敏感。 7 晰咖比砌加以 知励知k k珈励知伽励伽切知励如伽缈伽伽助伽励伽伽励励励砌砌助 闭环控制如间接矢量控制则相反，它有着卓越的动态性能和稳态性能，却非常 依赖电机具体的参数。 交流驱动系统不能发挥其期望的性能的一个主要原因就是控制器得不到精 确的电机参数( 资料) 。由于电机的详细资料通常不会公布，所以电机参数也不 易获得，而且电机供应商可能也没有详细的电机资料。本系统将提供一种测试 方法来自动的辨识矢量控制所需要的一些关键的电机参数。并对辨识算法进行 了m a t l a b 仿真，并给出了图表形式的仿真结果。 2 2 1 感应电机简易电路模型 下图示出了感应电机单相等效电路，代表三相感应电机的一相，假定所有 的转子侧参数都已折算到定子侧。 一世一? t 肝l i t r ，il h 车触幸 1 】 图2 2 感应电机单相等效电路 当电机静止时，转差率s = i ，我们可以写出电机定、转子的电感： 厶= 厶。+ 。 l r = l 、r + l m 霉= 对电机参数自动辨识的测试包括两个阶段，且第二个阶段是建立在第一个 阶段测试结果的基础上而进行的： l 、采用开环电压测试来自动调整电流控制环的参数。 2 、在电机静止状态下通过电流闭环测试来确定电机的绝大部分参数。 以上的测试过程具体描述如下： 2 2 2 电流控制环参数的确定 在任何采用电流闭环的控制系统，最重要的莫过于准确设置电流环的参数 ( 如各增益) 以保证系统的稳定性和快速的动态响应。 对于三相异步电机来说，矢量控制系统有两个电流环。每一个p i 调节器都 有以下的控制形式： v = k p e + k ji e d t 8 这里的p 代表的是两个电流轴的电流误差。通过开环电压测试我们就可以 确定电流环的两个增益。 测试过程如下：在电机定子端加上一个4 5 0 0 u s ，幅值为电机额定电压l 3 的直流电压脉冲，这将引起电机定子电流的快速反应。并且在脉冲末端会出现 一个呈指数函数衰减的趋势。在下图中示出仿真结果。( 波形均出自下节 s i m u l i n k 模型仿真结果，下同) 宅 1 0 0 j8 8 6 ， 8 箍 等 生 。 | l 、 图2 3 电流控制环参数测试 从电流波形分析中可以确定系统开环增益h 和电机静止时间常数瓦，并 通过电机模型可以得出： 疋：刍! 刍： 。 r 。+ r ， 通过p i 控制环的零极点补偿也可以得出电流p i 环的参数： 群= 乏墨= 等 增益周期k 在本系统中取2 ，电流闭环就此确定。 2 2 3 电机静止测试 感应电机相对于其它一些直流或交流电机而言，它最大的优点就是若在其 定子绕组中加上非交变电流矢量时，电机不会产生轴转矩。这一点足以保证电 机可以在静止的情况下进行测试，以免因不经意的车辆运动造成的危险。 在上一段测试确定电流控制环后，此次测试就可以利用电流闭环。在此段 测试中除了磁饱和感应系数外电机的所有关键参数都会被确定下来。在电机定 子端加上特定的非交变电流脉冲并测量电压波形，两者的测试波形都在下图中 给出。 9 t ot t i t-t2 t 3 图2 4 特定电流波形 i ( # ) h r 吣 l l l 图2 5 电机静止测试波形 每一段电流脉冲的长度都大约比期望的电机电气时间常数大一个数量级以 上，以便在电流脉冲的每一次变化以后，都可以在电压取样之前使得电机电压 稳定下来。定子电阻可以用下式估算： 愿：志r 高一高 确定定子电阻以后便可以通过下式来估算定子磁链： 仍= l ( 1 ，一f l 尺，) 衍 经= i ( v i l r 。) d t 由此定子电感也可确定如下： l o 岛= 把+ 韵 转子电阻可以通过f ：时刻的瞬f 7 电压来确定，从t 。时刻到t ：时刻，电流f ：流 经l 。，而在，：时刻突加定子电流毛，由于定转子磁链无法立即变化，此时只会 在转子中感生电流去抵消定子的磁动势，由此可以测量产生的转子电压，以确 定转子电阻r ，的值。 黧咄 ： ： 善 j i 。 ? 霉 o 掌 o ： o 皇 勤 矿， = 1 0 0 5 0 霉 o - 5 0 + _ ? 1 吗 雾- 7 i _ j 嫡? j f ，j ? ? ? 射引l 释l 拥蝣i o 神d m 3 ：i 积略 - _ 。- 一d a ! a 1 _ _ 一d a t a 2 d a t a 3 f 。知h 笙一 一一。 髟 i 。j 。， ， 图2 6 电机静i | = 测试波形 t 2 图2 7 电压波形分析 从电压波形分析中可以确定瞬间定子电压吃和转子时间常数z 。从而转子 参数可估算如下： r ，：g r o _ - _ i 3 r , l ，：r ，c 1 3 1 2 将计算出的结果带入前节的公式组成方程组，解此方程组即可得出m 、 三。，、厶，。至此，电机的所有关键参数都已确定。 2 3 参数辨识s i m u l i n k 模型仿真验证 为了验证上述参数辨识算法的正确性和可靠性，特在m a t l a b s i m u l i n k 中 搭建了仿真模型。由于系统采用的参数辨识大部分都是在电机静止的情况下测 试完成的，所以仿真模型主要是基于电机的简易电路模型而搭建的。 仿真模型主要包括两个：分别是电流控制环参数测试模型及电机参数静止 测试模型。电流控制环参数测试模型如图2 8 所示： 图2 8 电流控制环参数测试s i m u l i n k 模型 图中搭建了电机的单相等效电路，由r s 、l 1s 、l m 、l l r 、r r s 组成，因电 机静止，图中s 取1 ，整个电路由控制电流源供电，前面的阶跃模块及逻辑与 模块组成电压信号源，信号输入电压源的控制端，形成特定的电压信号，具体 的仿真电压及电流波形见图2 3 所示。分析波形并计算即可得到电流控制的p i 参数k p 和k i 。 电机参数静止测试模型如图2 9 所示： 1 2 图2 9 电机参数静止测试s i m u l i n k 模型 模型中基本的电机模型与前面相同，在第一个测试后，电流p i 环的参数已 经确定，故在第二个测试中加上电流p i 环，电流信号经过p i 调节后转换成为 电压信号，驱动控制电压源继续给电机单相电路供电。模型中的前段组合成电 流信号源，以形成辨识算法中特定的电流信号。模型的仿真波形如图2 5 、图 2 6 所示。通过波形分析即可得出电机的定、转子参数。 仿真中采用的实际电机为额定电压3 2 v ，额定功率2 k w 的大电流低电压电 机，具体的定、转子参数如表2 1 所示。而通过s i m u l i n k 模型仿真及计算得到 的试验结果如表2 2 所示。 表2 1 测试电机参数表2 2 仿真电机参数 参数值单位 r s6 5mq r r2 6mq l s0 3 1m h l r0 3 2m h l mo 3m h l 1s0 0 1m h l 1 ro 0 2m h 参数值单位 r s6 4 8 5 3 4 6mq r r2 4 7 4 8 3 5mq l s0 2 8 2 1 6 3 m h l r0 2 9 6 4 7 2m h l m 0 2 7 4 1 6 5 m h l 1s0 0 0 7 9 9 8m h l l r0 0 2 2 3 0 7m h 由仿真结果可以看出，仿真的电机参数与实际电机的参数稍有偏差，但偏 差基本上保持在5 之内，通过计算还可得出电机静止时间常数t s 为3 3 8 2 m s ， 这与其实际值3 2 7 3 m s 也十分接近。所以本文中此种参数辨识方法是比较可靠 的。 2 4 本章小结 本章首先介绍了三相异步电动机的数学模型，并在此基础上介绍了一种异 步电机离线参数辨识的原理及其具体的算法，然后利用了m a t l a b 仿真工具 建立了一个异步电机的模型并验证了这些参数辨识算法的可靠性。为系统中参 数辨识的具体实现作出了理论基础和指导。 第三章间接矢量控制原理及s v p w m 技术 矢量控制是2 0 世纪7 0 年代以后逐渐成熟起来的现代电动机控制理论，它通 过将异步电动机构造上不能分离的转矩电流和励磁电流分离成相位差9 0 0 的转 矩电流和励磁电流分别进行控制，从而改善了异步电动机的动态控制性能，大 大简化了控制的难度。 本章将在上章异步交流电动机数学模型的基础上，讨论其在不同坐标系下 的变换形式，从而得到异步电动机矢量控制的基本方程，并对矢量控制系统的 结构进行了分析。此外具体介绍了空间电压矢量脉宽调制( s v p w m ) 技术的原理 与实现方法。最后利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具验证了系统的可靠性。 3 1 矢量控制的基本原理 由第二章中2 1 节讲述的异步电机三相原始数学模型可知，模型中既存在 定、转子间的非线性耦合，也存在着三相绕组间的交叉耦合，主要表现在磁链 方程与转矩方程中。由于定转子间的相对运动，导致三相绕组之间的夹角p 不 断变化，使得互感矩阵均为非线性变参数矩阵。因此，异步电机三相原始模型 相当复杂，求解困难。为了使三相异步电动机具有可控性，必须对其进行简化、 解耦，使其成为一个线性的系统。 所谓矢量控制就是将静止坐标系上表示的电动机矢量关系变换到以气隙磁 场、定子磁场或者转子磁场定向的旋转坐标轴系上，达到对电机转矩的实时控 制的目的。由于转子磁场定向的矢量控制方法简单易行，解耦方便，控制精度 较好，本文的工作就是基于转子磁场定向的。交流电机三相定子电流i a 。、如。、 f c 。，经过由三相静止坐标系到两相静止坐标系变换得到屯。、f 卢。，然后、f 用再 由两相静止坐标系到两相旋转坐标系变换，并使d 轴沿着转子磁链的方向，得 到交流电机励磁电流分量f 。和转矩电流分量1 ，分别等效于直流电动机的励磁 电流和转矩电流。这样通过控制f 。，和乙l 就可以按照直流电动机的控制方法来控 制交流电动机。 图3 1 矢量控制原理框图 1 4 矢量控制基本原理如图3 1 所示，中间的坐标转换就是用来实现矢量控制 的，可以完全用软件来实现。3 2 是三相静止到两相静止坐标系的变换，v r 是 两相旋转变换，矽是转子磁链位置角，它表示m 轴与a 轴的夹角，由转子磁链 观测器给出。因本系统采用转差频率矢量控制方法，所以汤主要由转差公式及 矢量控制方程获得，这要涉及到交流电机电流解耦问题。因此需要研究坐标变 换以及在此基础上的电流解耦问题。 3 2 矢量控制的坐标变换 矢量坐标变换必须要遵循以下原则： ( 1 ) 应遵循变换前后电流所产生的旋转磁场等效； ( 2 ) 应遵循变换前后两个系统的电动机功率不变； 3 2 1c l a r k e 变换 c l a r k e 变换，也称为3 2 变换，是将三相平面坐标系o a b c 向两相平面坐 标系0 0 【p 的转换。 图3 2 三相a b c 绕组和两相q p 绕组各相的磁势 图3 2 所示是定子三相绕组a 、b 、c 的磁势矢量和两相电动机绕组a 、p 的磁势矢量的空间位置关系。其中选定a 轴与a 轴重合。 根据上面所述的坐标变换原则，可得到c l a r k e 变换式为 c l a r k e 逆变换式为 水 l 1 1 22 o 鱼一鱼 = zz 111 压压压 ( 3 1 ) 辨 10 下1 2 1 4 3 1 22 2 13 1 2 2 2 ( 3 2 ) 对于三相绕组不带零线的星形接法，有+ + i c = 0 ，因此，可进一步简化 得到： 卧 ；： = 掣 血 压l ( 3 3 ) ( 3 4 ) 3 2 2p a r k 变换 所谓p a r k 变换，就是将两相静止直角坐标系仅p 轴投影到两相旋转直角坐标 系m t 轴的变换，也叫交直变换。 雾妒 氛 铸。 口 图3 3 定子电流矢量在0 q6 坐标系和m t 坐标系上的投影 如图3 3 是定子电流矢量在o0 【p 坐标系与o m t 旋转坐标系的投影。图中， m t 坐标系是以定子电流角频率崃速度在旋转。冬与m 轴的夹角为岛，m 轴与仅轴 的央角为热，因为m t 坐标系是在旋转的，因此随时间在变化，纷= w s t + q ，o ， 是初始角。 由图3 3 可以得到屯，如与0 ，弓的关系为( 即为p a r k 变换) 鬻翟m 5 ， 而p a r k 逆变换为 1 6 阱睫哪s i n q 删s i a 6 ， 3 2 3 三相异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型 前面已经推导出三相异步电动机的数学模型和坐标变换的c l a r k e 变换矩 阵，只要将这两个方程式进行合并及整理，即可得到异步电动机在两相静止坐 标系的数学模型 1 电压方程 l u # l u 口2 2 2 磁链方程 3 转矩方程 墨+ 厶p o l m p 一心 l y 口l 儿2 2 o 局+ 厶p 呜 l m p 丘0 0 厶 厶0 0 厶 l m p o 恐+ l r p w l , 厶0 0 厶 厶0 0 l r z = 见l m ( i p l 乞2 一乞l i p 2 ) k l k l 2 砀2 o l m p w l , 恐+ p 0 l 砀l 乞2 砀2 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 3 2 4 三相异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型 三相异步电动机在两相静止坐标系上的数学模型仍存在非线性因素和具有 强耦合的性质。非线性主要存在于产生电磁转矩环节