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1、华中科技大学 硕士学位论文 感应电机无速度传感器矢量控制系统研究 姓名：李涛 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：沈安文 20070202 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 转速闭环控制是高性能交流调速系统中不可缺少的环节，然而速度传感器安 装往往会对系统的简单性、可靠性、适用范围及成本等方面带来不利的影响，因 此，过去 20 年来，无速度传感器调速系统的开发成为了交流传动领域的研究热点， 本文就采用基于 PI 闭环控制作用的转速估算方法，构造了一种无速度传感器矢量 控制系统，并对其进行了较为全面、深入的研究。 文章首先对目前的交流调速方法及无
2、速度传感器控制方法进行了概述，并对 各种方案进行了简单分析。然后，介绍了感应电机的数学模型，对矢量控制中关 键的转子磁链观测环节进行了讨论，分析了不同观测模型的优、缺点及它们各自 对电机参数的敏感性，并选择了一种改进的电压电流组合模型作为本文研究系 统中的转子磁链计算方法，文中根据 PI 作用构造了电机转速信号，并依此设计了 一种基于间接磁场定向的无速度传感器矢量控制系统。为了进一步提高系统的性 能，文章又提出用单神经元 PID 控制方法来构造转速信号，以提高动态转速的估 算效果，同时，还通过加入死区补偿措施来改善系统的稳态及低速运行性能。最 后，本文利用 Matlab 软件对所提出的控制方案
3、进行了仿真，并在基于 DSP 的硬件 平台上实现了该系统，进行了电机调速试验。 初步的仿真和试验结果验证了所提出控制方法的可行性和稳定性，说明本文 研究的无速度传感器矢量控制系统具有一定的实用价值。 关键词关键词：无速度传感器 矢量控制 磁链观测 单神经元 死区补偿 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract A close-loop control of rotor speed is necessary in high performance AC drive systems. However, the installation of speed sensors
4、will bring some disadvantages to the drive systems such as increased hardware complexity, reduced reliability, limited working environment and higher cost. Therefore, the developing work of speed- sensorless drive system becomes a popular research aspect in AC drive field. An induction motor speed-s
5、ensorless vector control system with a speed estimation scheme based on the PI close-loop control theory is designed in this thesis, while deep and comprehensive researches on the proposed system are carried out too. First, a general review and simple analysis of some AC drive control methods and sp
6、eed-sensorless control schemes are given in this thesis. Then, mathematic models of induction motor are introduced. The performances and parameter sensitivities of several rotor flux observation methods are discussed and an improved voltage-current model rotor flux observer is chosen. A speed estima
7、tion method based on PI algorithm is introduced and an indirect flux orientation vector controlled (IFOC) AC drive system is hereby designed. Furthermore, a single-neuron PID controller is added to the system to improve the dynamic speed estimation effect, a dead-time compensation method is also add
8、ed to the system in order to improve both its steady performance and low-speed running performance. Finally, both Matlab simulations and real experiments based on a DSP controlled AC drive hardware platform are implemented. Primary simulation and experiment results show that the proposed system is s
9、table, feasible and is suitable for practical applications. Keywords: Speed-sensorless Vector Control Flux Observer Single Neuron Dead-time Compensation 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由
10、本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 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，即：学校有 权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，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技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。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期： 年 月 日日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪
11、论论 1.1 引言引言 近年来，随着电力电子技术、控制技术的不断发展以及单片机、DSP 等微处 理器性能的快速提高，高性能的感应电机变频调速技术日趋成熟，应用也越来越 广泛。与直流调速相比，交流调速系统具有电机制造成本较低，结构简单，容易 维护，可实现高压大功率驱动等优点，矢量控制技术的提出，更使得交流电机调 速系统获得了能与直流调速系统相媲美的性能。众所周知，在高性能感应电机矢 量控制系统中，电机转速的闭环控制必不可少，通常采用光电码盘等传感器来检 测转速，然而，速度传感器的安装会给系统带来一些不利因素，比如：系统成本 增加，特别是在中小功率的系统中，速度传感器有时占到系统成本的 20以上，
12、 另外，码盘的安装存在同心度的问题，安装不当会影响测速精度，再者，速度传 感器的安装会导致系统体积的增大，系统维护的难度增加，同时也限制了系统在 高温，高湿等恶劣环境下的使用，因此，为了克服这些缺陷，无速度传感器交流 调速系统的开发成为了交流传动领域的重要研究方向之一1。 国内外学者和工程人员经过近几十年来的努力，已经在无速度传感器交流调 速系统的研究上取得了许多成果，提出了多种有效的电机控制方案，并且其中一 些已经被应用于实际产品之中，相比之下，目前国内在此领域上的技术水平和产 品化水平上与国外尚有一定差距，另外，由于感应电机是一个具有多输入，强耦 合等特点的高阶非线性系统，已经提出的各种无
13、速度传感器控制方案也还有进一 步改进以提高控制性能的空间。在这样背景下，本文展开对了一种基于闭环控制 作用构造转速信号的无速度传感器矢量控制系统的研究工作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 现代交流调速技术现代交流调速技术 在过去较长的一段历史时期内，调速传动领域基本上被直流电机调速系统所 垄断，然而，虽然直流调速的性能较好，但电机机械换向器的存在也给直流调速 系统带来了一些弊端，例如：维修工作量大、系统容量受到换向条件制约、使用 环境受到限制、无法在易燃易爆等场合使用等，而交流电机正好可以克服这些缺 陷，但是交流电机最大的缺陷是其调速控制困难，简单调速方案的性能不
14、佳，因 而在一段时期内发展较为缓慢。 20 世纪 60 年代以后，普通晶闸管，小功率晶体管的实用化，使得交流电机变 频调速技术开始进入实用阶段，除变频调速以外的一些简单调速方法，诸如变极 调速，定子电压调速，转差离合器调速等，由于性能较差，也慢慢被变频调速所 取代。七、八十年代以后，电力电子技术和微电子技术飞速进步，使得许多较复 杂的控制方案得以实现，交流调速系统的性能有了大幅提高，逐步取代了直流调 速系统，成为电气传动的主流。 在交流感应电动机的诸多调速方法中，变频调速方法的性能最好，这类方法 调速范围大，静态稳定性好，运行效率高。目前，感应电机变频调速系统主要有 变压变频（VVVF）控制、
15、转差频率控制、矢量控制（FOC）、直接转矩控制（DTC） 等几种控制方式23。 变压变频即恒压频比（V/f）控制，该方法通过改变频率的设定值来实现电机 调速，在改变电机频率的同时对感应电动势进行控制，以保持电机磁通的恒定。V/f 控制是转速开环控制，控制电路简单，通用性强，是一种使用较多的控制方式。 但由于采用的是开环控制，电机的实际转速要根据转差频率的大小来决定，给定 频率不变时，转速随负载的变化而变化，所以这种控制方式的速度精度不高，其 动态性能也较差。 转差频率控制通过增加转速闭环环节，求出转差频率，并将其与设定频率相 加，将此叠加值作为 V/f 控制的设定频率，以此来实现对转差的补偿，
16、与转速开环 的 VVVF 控制相比，转差频率控制的调速精度大为提高。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 然而，由于变压变频控制和转差频率控制均建立在异步电机的静态数学模型 上，因此它们的动态性能指标都不高，1971 年，由德国西门子公司的 F. Blaschke 等人提出的矢量控制技术使交流电机变频调速的动态性能有了很大改善。在转子 磁场定向的感应电机矢量控制系统里，通过坐标系的三相/二相变换和旋转变换， 将旋转坐标系的 d 轴与转子磁场方向重合，使得该坐标系下的电机动态模型中， 磁通和转矩实现了解耦控制，此时异步电机得以等效于直流电机，从而可以模仿 直流电机的控制方式，先分别求出励磁和转矩电流的给定值，经过坐标反变换后 来控制三相异步电机45。通过对磁通和转速的闭环控制，矢量控制交流变频调速 系统的动、静态性能完全可与直流调速系统相媲美。 1985 年，德国学者 M.Depenbrock 提出了直接转矩控制(DTC)理论6，与矢量 控制的思想不同，直接转矩控制并不需要考虑电机模型的解耦和坐标变换，而是 通过检测定子电
