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1、上海大学硕士学位论文1 1 引言第一章绪论电气传动实现了电能与机械能之间的能量变换。电气传动装置可分为转速可调和不可调两大类，不可调速传动由电网直接向电动机供电，不能人为地改变转速“儿4 。1 。常用的可调速传动则由可控电源向电动机供电，因而能改变电动机的转速。电气传动控制通过控制电机的电压、电流、频率等电气量，来控制机械的位移、速度、转矩等机械量，使工作机械能按人们期望的要求进行工作，以满足生产工艺要求。生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标：调速系统的稳态性能指标是调速范围和静差率；动态性能指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标。现代电气传动技术以各种电机为控制
2、对象，以微处理器为控制核心，以电力电子功率放大装置为执行机构，辅以各种传感器等检测元件，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统，以达到控制电机转速或位置的目的。m m l 。随着电力电子技术和现代控制理论的提出和迅速发展，促进了各种类型的交流电机调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换相器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展，使过去颇为困难的交流电机调速问题变得和直流机一样可行了，甚至可以得到比直流机调速更高的性能。交流调速系统由于控制电路小型化、简单化，电机控制器可以和电机做成一体，即把电机供电和控制部分也装在机壳内，从外表看就是一个可用上位机控制的、可调速的机电一体化装置
3、，因此目前在调速传动领域交流电机己取代直流电机“”阻儿。1 2 异步电动机控制策略发展状况交流电机结构简单，无需机械换向装置，可适用于各种恶劣环境。但交流电机数学模型复杂，具有非线性强耦合多变量的性质“儿4 ，要获得满意的静、动态性能相当困难。自二十世纪七十年代以来，随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，新的控制理论不断被提出，特别是具有代表性的矢量控制与直接转矩控制的提出和发展，使得交流传动控制系统的性能可与直流电气传动一L 海大学硕士学位论文系统相媲美。近年来，在两种控制方案的基础上又加入了智能控制，使得传动控制系统又进入了一个崭新的发展阶段。1 。根据电机学原理，异步电动机
4、从定子传入转子的电磁功率分为拖动负载的有效功率和转差功率，根据转差功率的流向，异步电动机的调速系统可以分成三类嘲 3 】：( 1 ) 、转差功率消耗型调速系统这类调速系统的转差功率全部转换成热能的形式而消耗掉，调速系统效率最低，而且是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低，越向下调效率越低。但是这类系统结构简单，还有一定的应用场合。调压调速和绕线电机转子串电阻调速都属于转差功率消耗型调速系统。( 2 ) 、转差功率馈送型调速系统此类调速系统的特点是：转差功率一部分被消耗掉，大部分则通过变流装置回馈至电网，这类系统的效率要高于第一类，绕线电机串级调速就属于该类调速系统。同时转差功率也可以由转子侧送
5、入，可使转速高于同步转速，但是此类系统只能用于绕线型感应电动机。( 3 ) 、转差功率不变型调速系统这类系统无论转速高低，转差功率都只有转子铜耗，在同样负载转矩下基本不变，因此效率最高，变极对数调速与变频调速属于此类。变极调速只能有级调速，其应用场合有限。变频调速则是应用较广的一种调速方案。变压变频调速系统控制策略“”m 1 有：1 、转速开环V f 控制转速开环变频调速系统采用恒压频比加低频电压补偿的协调控制。基频以下时，保持磁通幅值恒定；基频以上时，保持定予电压恒定。其结构简单，成本较低，但调速系统静、动态性能不高，常用于风机、水泵类节能型调速系统。2 、转速闭环转差频率控制转速闭环转差频
6、率控制的交流调速系统基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，采用P I 型转速调节器，使转速无静差，稳态性能显著提高。在动态过程中，转速调节器饱和，系统能以最大转矩乙加减速，保证了在允许条件下的快速性、加减速的平滑性。然而转差频率控制是从异步电动机稳态等值电路2上海大学硕士学位论文和稳态转矩公式出发的，“保持磁通恒定”的结论只在稳念情况下成立。而且转差频率控制系统只控制了定子电流的幅值，而并未控制其相位，与直流双闭环系统比较，其动态性能仍存在一定的差距。3 、矢量控制7 0 年代初，德国工程师，EB l a s c h k e “和w F 1 6 t e r “7 3 等人提出“感应电机磁场
7、定向控制原理”，美国P C C u s t m a n 和A A C l a r k 提出“定子电压坐标变换控制”，经过不断改进和完善，至今已形成高性能的矢量控制系统。其基本思想是：通过矢量变换和转子磁场定向，实现定子电流转矩分量与励磁分量的解耦，得到类似直流电机的动态数学模型，然后模拟直流电机进行控制，获得良好的静、动态性能。1 9 8 0 年日本难波江章教授等人提出转差型矢量控制，进一步简化系统结构，使之进一步实用化“。8 0 年代初期，德国B r a u n s c h w e i g 工业大学控制技术研究所w 1 _ o n h a n d 教授和R G a b r i e l 等人用
8、微机实现矢量控制系统的数字化，大大简化系统硬件结构。由于转子磁链直接检测相当困难，往往利用转予磁链模型间接计算，而电机运行状态的变化以及参数的变化势必会影响转子磁链模型的精确度，造成定向不准，进而影响系统的静、动态性能。w S c h u m a e h e r ，K H a r m s和GH e i n c m a n n 。”等人在矢量控制系统的研究基础上进行了自适应磁链模型与自适应矢量控制系统的研究，以提高矢量控制系统的鲁棒性。4 、直接转矩控制1 9 8 5 年，德国鲁尔大学D e p e n b r o c k 教授提出直接转矩D S R 控制1 ，1 9 8 7年把它推广到弱磁调速
9、范围。直接转矩控制在定予坐标系上实现定子磁链和转矩的B a n g B a n g 控制，省去了复杂的矢量旋转变换，从控制转矩出发，采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹，通过两点式调节器，将转矩波动限制在一定范围内，并直接产生P W M 驱动信号。目前可以通过实时计算电机转矩与磁链的误差，结合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量，使得直接转矩控制系统的磁链轨迹已经接近于圆形。直接转矩控制其控制结构简单，是一种高动态响应的交流传动系统。但是由于B a n g - B a n g 控制带来的转矩脉动造成转速波动，在低速时尤为明显，因此限制了该类系统的调速范围。5 、间接自控制随后，德国鲁尔大学
10、D e p e n b r o c k 教授和S t e i m e l 教授提出间接自控制I S R上海大学硕士学位论文系统。将砰砰控制器改为连续的调节器，用P I 调节器对定子磁链幅值进行闭环控制，以建立圆形的定子磁链轨迹。根据电磁转矩的偏差推算出磁链矢量增量所对应的角度，按照磁链、转矩两个调节器的输出推算出定子电压矢量，求得相应的变频器开关状态。I S R 系统实际上是直接转矩控制系统和矢量控制系统的融合与折中。近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的发展，使传统的电气传动系统向智能化发展。在电气传动控制系统中，常采用智能控制与传统P I 控制结合使用，取长补短，既保证了系统的控制精度，又
11、增加了系统的自学习、自调整及决策能力，提高了系统的智能化程度。1 3 课题研究的目的和意义在高性能交流传动系统中，为了达到较高的静、动态性能，转速的闭环控制环节是必不可少的，从某种意义上讲，甚至决定了控制系统性能的优劣。通常，采用旋转编码器等速度传感器来进行速度的检测，并反馈转速信号，用于闭环控制。但是，速度传感器的安装会给系统带来以下一些缺陷“”“：( 1 ) 系统的成本大大增加。精度越高的码盘价格也越高，有时占到中小容量控制系统总成本的1 5 - - 2 5 。( 2 ) 码盘在电机轴上的安装，存在同心度问题，安装不当将影响测速精度。( 3 ) 使电机轴向上体积增大，而且给电机的维护带来一
12、定的困难，同时破坏了异步电动机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性。( 4 ) 在高温、高湿度的恶劣环境下无法工作，而且码盘工作精度易受环境条件的影响。( 5 ) 转速反馈信号的传输容易受到各种扰动信号的污染，且传送距离受到限制。在这种情况下，人们进而研究无需速度传感器的电机转速估算方法，并提出了无速度传感器的矢量控制，这项研究也成为交流传动的一个热点问题”。近年来，国内外学者致力于无速度传感器控制系统的研究，在这方面做了大量的工作并取得了许多成果，国外已有比较成熟的产品问世，国内也有很多理论性的研究成果，但离产品化还有一段距离。实现异步电动机无速度传感器矢量控制，可以免除速度传感器给系统带
13、来的4上海大学硕士学位论文种种缺陷，使得电机与控制器的连线减少，系统成本降低，而且对提高系统的可靠性、对环境的适应性、进一步扩大交流调速系统的应用范围具有重要的意义。本课题的研究目的就是实现异步电动机无速度传感器矢量控制系统，得到一些研究成果和实际经验，为国内无速度传感器矢量控制通用变频器的产品化做一些贡献。1 4 论文的主要研究内容本论文以作者攻读硕士学位期间承担课题的工作为基础。第章阐述了本课题相关科学的发展状况、本课题的概况以及课题研究的目的和意义。第二章对异步电动机的动态数学模型进行理论分析研究，并用M A T L A B S I M U L I N K 建立了异步电动机的仿真模型。第
14、三章对异步电动机矢量控制系统和无速度传感器矢量控制系统进行了分析研究，并对比较转子磁链的电压模型和电流模型用P I 控制闭环构造转速和比较定子电压用P I 控制闭环构造转速等转速估算方法进行较深入的分析研究，最后提出本文采用的基于转矩电流微分估算转速的无速度传感器矢量控制方案。第四章详细介绍了基于英飞凌X C l 6 4M C U 的交流调速实验装置的设计思想及各部分的具体电路设计。第五章阐述了无速度传感器矢量控制系统的软件设计，详细介绍了系统资源的分配、各个中断的安排与设计，最后给出了实验结果。最后第六章总结全文。上海大学硕士学位论文第二章异步电动机动态数学模型及仿真2 1 引言异步电动机具
15、有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。在研究异步电动机的多变量数学模型时，常作如下假设：( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组在空间对称互差1 2 0 。，磁势在空间按正弦分布；( 2 ) 忽略铁芯损耗；( 3 ) 不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感都是线性的；( 4 ) 不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。2 2 交流异步电动机的动态数学模型2 2 1 异步电动机三相原始模型无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相
16、等。图2 1 所示为笼型异步电动机三相绕组空间分布和物理模型。定子三相绕组轴线A B C 在空间是固定的，转子绕组轴线a b e 随转子旋转，以A 轴为参考坐标轴，转子a 轴和定子A 轴问的电角度日。为空间角位移变量。规定各绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。6上海大学硕士学位论文图2 一l 笼型异步电动机三相绕组空间分布和物理模型图2 1 中R 表示电阻，L 表示电感，下标s 代表定子，下标r 代表转子，a 、b 、c 分别代表三相绕组，蛾表示转子旋转角速度。在上述条件下得异步电动机三相原始数学模型啪，异步电动机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。磁链方程：缈= L i( 2 - 1 )电压方程：R i + 孕( 2 2 )d r运动方程：丢等= z 一瓦( 2 3 )其中：电流矩阵i = D 。i , bi , oi 。kt F磁链矩阵吵= 眇。9 曲y 而5 f ，。】r电压矩阵= k 。”n 打。打。“m “。r电阻矩阵R =R000R ，000
