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感应电机无速度传感器转子磁场定向矢量控制系统的研究
作&&&&者：
来&&&&源： 北方工业大学
摘&&&&要： 随着矢量控制技术的广泛应用,感应电机的无速度矢量控制得到了质的提升,发展成为了一个可以和直流电机调速系统相媲美的方向。通过消除速度传感器,使无速度的矢量控制系统成为一种结构更为简单、低廉、可靠的系统。基于这种大的背景,本论文对此系统进行了研究。
无速度矢量控制系统中,最为关键的是磁链估计。论文首先分析了基于电压、电流等模型的磁链观测法,然后分析了改进电压法磁链模型,为了解决低速下直流偏移量问题以及消除转子磁链观测器误差,一种新型的自适应转子磁链观测法被提出。通过检测磁链与反电动势的夹角,磁链补偿值可以自动改变,通过具体的实验检测,证明这种方法可以准确的估算出磁链,同时减小直流偏移量的影响。
针对速度估算,本论文较为详细的介绍了两种方法：基于电机模型的速度估算法和基于PI的速度估算法,第一种方法比较直观,但比较依赖于电机参数,第二种方法具有一定的自适应性,但磁链的准确性对其有一定影响。
矢量控制系统中的控制器是影响控制性能的一个关键因素,本论文结合电机数学模型对系统中的电流环和转速环的传递函数进行了推导,同时按照典型系统的控制方法对各个参数进行了设计,最后介绍了一种抗饱和的PID调节器,在积分量出现饱和时,通过设定合适的参数值,使饱和量退饱和,避免了被控量出现超调导致控制器饱和输出。
在感应电机空间矢量调制技术的基础上,本文对SVPWM进行了详尽的分析,并对死区的原因进行了阐明,论述了几种死区补偿的方法。
最后,本论文结合以DSP2812为基础的矢量控制系统实验平台,从硬件、软件两方面论述了整套算法的可行性,实验结果证明上述算法能够使系统具有较好的控制性能。
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? Abstract5-9
? 1 绪论9-15
1.2 交流异步电机控制方式的分类9-12
1.2.1 标量控制9-10
1.2.2 矢量控制10-11
1.2.3 直接转矩控制11-12
1.2.4 其他控制方法12
1.3 矢量控制技术国内外研究现状12-13
1.3.1 磁链观测技术12-13
1.3.2 转速辨识技术13
1.4 本文研究内容13-15
? 2 感应电机无速度矢量控制系统15-37
2.1 感应电机矢量控制的基本思想15-16
2.2 坐标变换16-18
2.2.1 变换矩阵的确定原则16
2.2.2 Clarke变换16-18
2.2.3 Park变换18
2.3 各个坐标系下的数学模型18-21
2.3.1 三相静止坐标系下的电机数学模型19-20
2.3.2 两相静止坐标系下电机数学模型20
2.3.3 同步旋转坐标系下电机数学模型20-21
2.4 矢量控制原理21-24
2.4.1 磁场定向矢量控制技术的分类21-22
2.4.2 转子磁场定向矢量控制系统22-23
2.4.3 按转子磁链定向的矢量控制方案的理论基础23-24
2.5 磁链观测模型24-32
2.5.1 电流模型25
2.5.2 电压模型25-26
2.5.3 电压-电流混合模型26-28
2.5.4 改进的电压模型28-31
2.5.5 自适应正交补偿磁链观测模型31-32
2.6 转速辨识32-36
2.6.1 转速辨识基本思路33
2.6.2 数学模型推导转速估计法33-34
2.6.3 基于PI的速度估算法34-36
2.6.4 其他自适应转速观测器估算法36
2.7 本章小结36-37
? 3 矢量控制系统中各个调节器设计37-43
3.1 电流环设计37-38
3.2 速度环设计38-40
3.3 控制器设计40-42
3.4 本章小结42-43
? 4 感应电机空间矢量调制技术(SVPWM)43-53
4.1 电压矢量与电磁矢量的关系43-44
4.2 基本电压空间矢量44-46
4.3 SVPWM技术的关键问题46-50
4.3.1 相邻基本电压矢量作用时间的确定46-49
4.3.2 扇区的确定49-50
4.4 死区补偿50-53
4.4.1 死区效应分析51-52
4.4.2 补偿方法分类52-53
? 5 基于DSP的无速度矢量控制系统实现53-68
5.1 主回路部分53-55
5.1.1 整流电路53-54
5.1.2 中间直流环节54-55
5.1.3 逆变电路55
5.2 控制电路部分55-59
5.2.1 控制器选择56-57
5.2.2 电源模块57
5.2.3 PWM信号驱动模块57-58
5.2.4 电压、电流信号采集、处理模块58-59
5.3 驱动电路59-61
5.3.1 基于PC929的驱动电路原理图59-60
5.3.2 驱动电路工作原理60-61
5.4 系统软件程序设计61-64
5.4.1 控制系统结构设计61-62
5.4.2 软件程序流程设计62-64
5.5 实验波形及分析64-67
5.6 本章小结67-68
? 参考文献68-71
? 结论与展望71-72
? 攻读硕士学位期间发表的学术论文72-73
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京公网安备75号方波工况下基于q轴电流误差的异步电机转子磁场定向误差校正策略--《中国电机工程学报》2012年33期
方波工况下基于q轴电流误差的异步电机转子磁场定向误差校正策略
【摘要】：在异步电机的控制中,转子磁场定向控制以其高转矩控制精度和快速的动态响应速度得到非常广泛的应用,但是在交流电力机车等大功率应用领域,电机在弱磁区通常采用方波控制,电机电压失去调节能力,造成传统的矢量控制算法失效。该文对异步电机方波控制策略进行了研究,提出一种方波工况下异步电机转子磁场定向角度误差的实时校正策略,该方案中采用电流开环控制,通过分析磁链角度误差对电机d、q轴电压指令值与实际值的影响,进而利用电机模型提出通过q轴电流参考值和反馈值的误差消除方波工况下转子磁场定向角度误差。仿真和实验都验证该方案能够对各种原因引起的转子磁场定向角度的误差起到很好的校正效果,使电机转矩输出在方波下仍然具有高稳态精度和快速的动态响应速度。
【作者单位】：
【关键词】：
【基金】：
【分类号】：TM343【正文快照】：
正效果,使电机转矩输出在方波下仍然具有高稳态精度和快速的动态响应速度。0引言作为高性能控制算法的代表之一,转子磁场定向控制以其优越的转矩控制精度和快速的动态响应速度在很多工业领域得到广泛的应用。我国引进的CRH系列高速动车组和HXD系列大功率交流传动电力机车都普
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京公网安备74号59感应电动机磁场定向矢量控制系统的设计与仿真-第5页
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59感应电动机磁场定向矢量控制系统的设计与仿真-5
互作用产生的；机的转差率而变；似，如果能保持转子磁通的恒定，转子磁通的恒定包括；2.3异步电动机矢量调速控制系统；异步电动机的矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变；图2-1带转矩内环的转磁链闭环矢量控制系统；异步电动机矢量调速控制系统的主电路采用了电流追踪；链调节器，磁链观测环节采用按转子磁场定向两相旋转；的模型结构；****矩分量ist和励磁分量ism；i
　 互作用产生的。即使气隙磁场保持恒定，电动机的转矩不但与转子电流的大小有关而且还与转子电流的功率因数角?2有关。它随电流的频率，即电动机的转差率而变。更何况电动机的气隙磁场是由定子电流和转子电流共同产生的，随负载的变化，磁通也要发生变化。因而在动态过程中要准确的控制异步电动机的电磁转矩就显得比较困难。但因为转子磁通?2??mcos?2，这样式(2-2)就变为Te?CTi2cos?2这种形式和直流电动机的转矩公式非常相似，如果能保持转子磁通的恒定，转子磁通的恒定包括磁通相位和幅值恒定两个方面。这样控制转子电流就可以调节转矩。基于这种方法提出了一种以转子磁场定向的矢量控制方法。2.3 异步电动机矢量调速控制系统异步电动机的矢量控制是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现定子电流励磁分量和转矩分量之间的解耦，达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的，从而获得了优良的静、动态性能。矢量调速控制系统的结构图如图2-1所示： 图2-1 带转矩内环的转磁链闭环矢量控制系统异步电动机矢量调速控制系统的主电路采用了电流追踪型逆变器。在控制电路中转速调节器ASR的输出是转矩调节器ATR的给定值Te*，AψR为磁链调节器，磁链观测环节采用按转子磁场定向两相旋转坐标系上的转子磁链9的模型结构。将在下文中详细阐述。ATR和AψR的输出分别为定子电流的转****矩分量ist和励磁分量ism。ist和ism经过2r/3s变换后得到定子电流的给定值i*，AiB，iC**，并通过电流滞环控制电动机定子的三相电流。2.4 矢量控制系统常用方案及比较2.4.1 矢量控制系统常用的方案1、转差频率矢量控制方案转差频率矢量控制的出发点是，异步电机的转矩主要取决于电机的转差频率。在运行状态突变的动态过程中，电机的转矩之所以出现偏差，是因为电机中出现了暂态电流，它阻碍着运行状态的突变，影响了动作的快速性。如果在控制过程中，能使电机定子、转子或气隙磁场中一个始终保持不变，电机的转矩就和稳态工作时一样，主要由转差频率决定[8]。这样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，从而避免了磁通的闭环控制，不需要实际计算转子的磁链的幅值和相位。该控制方法是用转差率和测量的转速相加后积分来计算磁通相对于定子的位置。结构简单，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统的水平。2．气隙磁场定向矢量控制方案气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的d轴定向于气隙磁场的方向，此时气隙磁场的q轴分量为零。如果保持气隙磁通d轴分量恒定，转矩直接和q轴电流成正比。因此，通过控制q轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制电机的目的。3、定子磁场定向矢量控制方案定子磁场定向的矢量控制方法，是将旋转坐标的d轴放在定子磁场方向上，此时，定子磁通的q轴分量为零，如果保持定子磁通恒定，转矩直接和q轴电流成正比，从而控制电机。定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定子磁通观测器的实现。然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合项的影响。 10 因此，需要设计一个解耦器，对电流进行解耦[12]。4、转子磁场定向的矢量控制方案转子磁场定向的矢量控制方法是在磁场定向矢量控制方法中，把d，q坐标系放在同步旋转磁场上，把静止坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d轴与转子磁场的方向重合，磁势转子磁通q轴分量为零。只需检测出定子电流的d轴分量即可以观测转子磁通幅值。当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的q轴分量成正比，通过控制定子电流的q轴分量就可以控制电磁转矩。因此称定子电流的d轴分量为励磁分量，定子电流的q轴分量为转矩分量。在忽略反电动势引起的交叉耦合项以后，可由电压方程d轴分量控制转子磁通，q轴分量控制转矩，从而实现磁通和转矩的解耦控制[12]。2.4.2 控制方案的比较1、转差频率的矢量控制方案转差型矢量控制系统结构简单，思路清晰，不需要实际计算转子磁链的幅值和相位，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双环控制的水平，然而间接磁场定向控制中对转子时间常数比较敏感，当控制器中这个参数不正确时，计算出的转差频率也不正确，得出的磁通旋转角度将出现偏差，即出现定向不准的问题。因此这种控制方法不适合于高性能的电机控制系统[12]。2、定子磁场定向的矢量控制方案定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现且不包括对温度变化非常敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简单。然而低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。定子磁场定向的矢量控制系统适用恒功率调速和于大范围弱磁运行的情况[12]。3、气隙磁场定向矢量控制方案气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在耦合，需要增加解耦器，这使得它比转子磁通的控制方式要复杂，但具有一些状态能直接测量的11优点，比如气隙磁通。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应[7]。4、转子磁场定向的矢量控制方案转子磁场定向的控制方案，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，一定程度上影响了系统的性能。但优点是它达到了磁通电流分量和转矩电流分量两者的完全解耦控制，无需增加解耦器，控制方式简单，具有较好动态性能和控制精度[15][16]。比较上述三种方案，转子磁场定向的矢量控制是最佳的方案，所以本文采用了转子磁场定向的矢量控制方案。2.5 异步电动机的数学模型矢量控制系统是建立在异步电动机的动态数学模型基础之上的，因此必须首先分析异步电动机的动态数学模型。2.5.1 三相坐标系下的数学模型异步电动机本质上是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。这是因为异步电动机的变频调速需要进行电压(或电流)和频率的协调控制，有电压(或电流)和频率两个独立的输入变量。输出变量中除转速外，还应包括磁通，因此，异步电动机的数学模型是一个多变量系统。而电压(电流)、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，主要的耦合是绕组之间的互感联系。另外，在异步电动机中，磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就会有两个变量的乘积项，因此，异步电动机的数学模型是非线性的高阶系统[21]。无论电动机转子是绕线型的还是鼠笼型的，都将它等效成绕线转子，并折算到定予侧，折算后的每相绕组匝数都相等。这样，实际电动机就被等效为图2-2所示的三相异步电动机的物理模型。图中，定子三相绕组轴线A，B， C在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系。设A轴为参考坐标轴，转子以?速度旋转，转子绕组轴线为a，b，c随转子旋转。转子a轴和定子A轴间的电角度差?为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符 12 合电动机惯例和右手螺旋定则。这时，异步电动机的数学模型由下述的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。在研究异步电动机的多变量数学模型时，常做如下假设[22]:(1)、忽略空间谐波，设三相绕组对称(在空间互差120电角度)，所产生的磁动势沿气隙圆周按正弦规律分布；定子A，B，C及三相转子绕组a，b，c在空间对称分布，各相电流和及不计；(2)、忽略磁路饱，各绕组的自感和互感都是恒定的；(3)、忽略铁心损耗；(4)、不考虑温度和频率的变化对电动机参数的影响。1、电压方程A 图2-2 三相异步电动机的物理模型将电压方程写成矩阵形式，并以微分算子p代替微分符号ddt?uA??R00000??i?sA???A??u??B??0Rs0000????i???B???B??uC??00R????s000??iC???C??ua??000Rr00????p?
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基于矢量控制系统的异步电机在线参数辨识研究
【摘要】：
矢量控制是通过坐标变换将异步电机模拟成直流电机,实现磁通和转矩的解耦控制,使交流电机达到直流电动机的控制效果。由于转子磁场定向的矢量控制系统是基于转子磁链的准确观测,因此电机参数的变化对控制系统的性能影响很大,主要表现为:当电机参数发生变化时,特别是转子时间常数发生变化时,转子磁链观测将存在显著误差,导致定子电流不能完全解耦,严重影响基于矢量控制的电机调速性能。
简要介绍了矢量控制系统的构成及其工作原理,推导出转子时间常数与转子磁链和转矩的数理模型,并基于该模型分析了电机参数变化对转子磁链观测的影响,证明了参数辨识的必要性;同时定性分析了转子时间常数对矢量控制的影响,阐述了转子时间常数在线辨识的重要性。
论文采用模型参考自适应法(MRAS)在线辨识异步电机转子时间常数,建立了两相静止坐标系下异步电机理想数学模型。以此模型为参考模型,构造出当转子时间常数变化时的可调模型,并推导出该自适应系统的误差方程。设计了基于李亚普诺夫稳定性理论的转子时间常数的自适应律,推导出转子时间常数在线辨识算法。
将上述在线参数辨识方法应用于异步电机矢量控制系统,并利用Matlab/Simulink软件对其进行了阶跃响应和跟踪性能仿真实验,结果表明:该参数辨识算法具有较为理想的收敛速度,可较好地跟踪转子时间常数的变化。通过对含转子时间常数在线辨识的矢量控制系统仿真结果分析,证明使用转子时间常数的在线辨识可有效跟踪转子磁链,为基于矢量控制的电机精准调速奠定了一定的理论及技术基础。
【关键词】：
【学位授予单位】：大连交通大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2009【分类号】：TM343【目录】：
ABSTRACT6-9
第一章 绪论9-16
1.1 变频调速发展现状9-11
1.2 异步电机参数辨识的必要性11
1.3 异步电机参数辨识综述11-15
1.4 本文研究内容及章节安排15-16
第二章 异步电机矢量控制系统16-31
2.1 矢量控制的基本原理16-18
2.2 矢量坐标变换18-21
2.3 转子磁场定向矢量控制21-24
2.4 空间矢量脉宽调制24-30
2.4.1 电压矢量与磁链矢量的关系25
2.4.2 SVPWM 技术25-30
本章小结30-31
第三章 异步电机参数变化对矢量控制的影响31-38
3.1 转子磁链观测误差分析31-34
3.1.1 转子互感对转子磁链的影响32-33
3.1.2 转子时间常数对转子磁链的影响33-34
3.2 转子时间常数变化对矢量控制的影响34-37
3.2.1 对静态性能的影响34-35
3.2.2 对动态性能的影响35-37
本章小结37-38
第四章 异步电机参数辨识38-50
4.1 异步电机参数离线辨识38-41
4.2 模型参考自适应系统基本理论41-45
4.2.1 模型参考自适应系统的基本思想41-42
4.2.2 模型参考自适应系统的设计目标42-43
4.2.3 模型参考自适应律设计43-45
4.3 异步电机转子时间常数在线辨识45-48
4.3.1 模型参考自适应系统误差方程的建立45-47
4.3.2 转子时间常数在线辨识算法47-48
4.4 含转子时间在线辨识的矢量控制系统48-49
本章小结49-50
第五章 含转子时间常数在线辨识的矢量控制系统仿真50-65
5.1 转速－电流双闭环矢量控制系统仿真模型50-57
5.1.1 异步电机仿真模型51-52
5.1.2 矢量变换模块52-57
5.2 矢量控制仿真结果及分析57-58
5.3 转子时间常数辨识仿真结果及分析58-63
5.3.1 阶跃响应仿真实验58-61
5.3.2 跟踪性能仿真实验61-63
5.4 含转子时间常数在线辨识的矢量控制系统仿真63-64
本章小结64-65
参考文献66-68
攻读硕士学位期间发表的学术论文68-69
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