【畢業(yè)學(xué)位論文】無(wú)速度傳感器異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究-控制理論與控制工程

分類號(hào) 密級(jí) U D C 編號(hào) 中南大學(xué) 士學(xué)位論文 論文題目 無(wú)速度傳感器異步電機(jī)直接 轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的研究 學(xué) 科 專 業(yè) 控制理論與控制工程 研究生姓名 王 堅(jiān) 導(dǎo) 師 姓 名 桂衛(wèi)華 教 授 碩士學(xué)位論文 摘 要 摘 要 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是繼矢量控制技術(shù)之后交流傳動(dòng)領(lǐng)域中一種新興的控制技術(shù)，它省去了復(fù)雜的矢 量變換，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)速度傳 感器技術(shù)是當(dāng)前交流傳動(dòng)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，由于速度傳感器的安 裝不僅增加了系統(tǒng)的成本，而且存在安裝不便、維修困難等缺點(diǎn)， 因而用軟件代替速度傳感器來(lái)辨識(shí)轉(zhuǎn)速，即無(wú)速度傳感器技術(shù)，具有非常好的應(yīng)用前景。 本論文從異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理，詳細(xì)的分析了直接轉(zhuǎn)矩控制 的六邊形及圓形磁鏈軌跡的控制方案，對(duì)圓形磁鏈軌跡的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié) 器進(jìn)行改進(jìn)，減小了轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，并提出一種新型的十八邊形磁鏈 軌跡控制方案，改善了電流波形，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合及不同的轉(zhuǎn) 速范圍可以應(yīng)用不同的控制方案。本文對(duì)無(wú)速度傳感器技術(shù)進(jìn)行了 深入的研究，著重分析了基于模型參考自適應(yīng)的速度辨識(shí)算法，建 立了三種速度辨識(shí)方案的數(shù)學(xué)模型，并將它們應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制 系統(tǒng)中進(jìn)行仿真比較，發(fā)現(xiàn)基于全階磁鏈觀測(cè)器的速度自適應(yīng)辨識(shí) 在全速度范圍都有著理想的辨識(shí)效果，且由磁鏈觀測(cè)器得到的定子 磁鏈可以直接應(yīng)用于直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)。 本論文用 件對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制不同磁鏈軌跡的控制方案進(jìn)行了詳盡的仿真研究，構(gòu) 建了三種速度辨識(shí)方案的仿真模型，對(duì)無(wú)速度傳感器的異步電機(jī)直 接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果與理論分析是一致的。 關(guān)鍵詞 異步電機(jī)，直接轉(zhuǎn)矩控制，無(wú)速度傳感器，系統(tǒng)仿真 碩士學(xué)位論文 I he is a of in of of it t a in of it of So of a of of TC is in is A is in a of of on of in it of on is by be in In TC of of is of 目 錄 I 目 錄 第 1 章 緒 論 .流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 . 電力電子器件的發(fā)展 . 交流調(diào)速系統(tǒng)控制策略的發(fā)展 . 控制元件的發(fā)展 .接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 .速度傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀 .文的主要內(nèi)容 . 2 章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論 .步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 .變器數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量 .壓空間矢量對(duì)定子磁鏈和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響 . 電壓空間矢量對(duì)定子磁鏈的影響 . 電壓空間矢量對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響 .步電機(jī)的磁鏈模型 . 型 . 型 . 型 .結(jié) . 3 章 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) .邊形磁鏈方案 . 磁鏈自控制 . 轉(zhuǎn)矩自控制 .似圓形磁鏈方案 .八邊形磁鏈方案 .接轉(zhuǎn)矩控制在交流傳動(dòng)電力機(jī)車中的應(yīng)用 . 低速范圍 . 高速范圍 . 弱磁范圍 .結(jié) .士學(xué)位論文 目 錄 第 4 章 無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制研究 .型參考自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)的理論基礎(chǔ) .于轉(zhuǎn)子磁鏈模型的速度辨識(shí) .于自適應(yīng)全階狀態(tài)觀測(cè)器的速度辨識(shí) . 基于以定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量觀測(cè)器的速度辨 32 于以定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈為狀態(tài)變量觀測(cè)器的速度辨 35 結(jié) . 5 章 異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真研究 .同磁鏈軌跡控制系統(tǒng)仿真 . 六邊形磁鏈軌跡控制系統(tǒng)仿真 . 近似圓形磁鏈軌跡控制系統(tǒng)仿真 . 十八邊形磁鏈軌跡控制系統(tǒng)仿真 .速度傳感器控制系統(tǒng)仿真 . 基于轉(zhuǎn)子磁鏈模型速度辨識(shí)的仿真 . 基于自適應(yīng)全階狀態(tài)觀測(cè)器速度辨識(shí)的仿真 .結(jié) .束語(yǔ) .考文獻(xiàn) . 謝 .士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 1 第 1章 緒 論 在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)機(jī)作為把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的主要設(shè)備，一是要具有較高的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；二是應(yīng)能根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。 流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)性能和轉(zhuǎn)矩的控制性能比較理想，只要改變電樞電流就能簡(jiǎn)便而線性地、無(wú)時(shí)間滯后地控制轉(zhuǎn)矩。所以長(zhǎng)期以來(lái)，凡是要求調(diào)速范圍廣、速度控制精度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好的場(chǎng)合，幾乎全都采用直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。由于交流電機(jī)是多變量、強(qiáng)耦合的非線性器件，定子電流同時(shí)包含有轉(zhuǎn)矩電流分量和勵(lì)磁電流分量，因而對(duì)其電磁轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)值進(jìn)行控制比較困難。但是交流電機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)：制造成本低、重量輕、慣性小、可靠性和運(yùn)行效率高、免維護(hù)、無(wú)電刷和換向器，所以能在惡劣環(huán)境中安全運(yùn)轉(zhuǎn)。 近幾年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展為交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不但性能同直流電動(dòng)機(jī)的性能一樣，而且成本和維護(hù)費(fèi)用比直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)更低，可靠性更高?，F(xiàn)在，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、交流變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代控制理論、高速微處理器的普及應(yīng)用，交流調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。其中，電力電子技術(shù)的進(jìn)步是交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，控制策略的進(jìn)步是其理論基礎(chǔ)，控制元件的進(jìn)步是其技術(shù)保證。 力電子器件的發(fā)展 電力電子器件是現(xiàn)代交流調(diào)速裝置的支柱，其發(fā)展直接決定和影響交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。迄今為止，電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了分立換流關(guān)斷器件（第一代）自關(guān)斷器件（第二代）功率集成電路 三代）智能模塊四代）四個(gè)階段。 20 世紀(jì) 80 年代中期以前，變頻裝置功率回路主要采用晶閘管元件。裝置的效率、可靠性、成本、體積均無(wú)法與同容量的直流調(diào)速裝置相比。 20 世紀(jì) 80碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 2 年代中期以后用第二代電力電子器件 創(chuàng)造的變頻裝置在性能與價(jià)格比上可以與直流調(diào)速裝置相媲美。隨著向大電流、高電壓、高頻化、集成化、模塊化方向繼續(xù)發(fā)展，第三代電力電子器件是 20 世紀(jì) 90 年代制造變頻器的主流產(chǎn)品，中、小功率的變頻調(diào)速裝置主要是采用 、大功率的變頻調(diào)速裝置采用 件。 20 世紀(jì) 90 年代至今，電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了第四代。主要實(shí)用的第四代器件為：高壓 由于 件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件進(jìn)入第三代以來(lái)， 件已被淘汰不再使用。進(jìn)入第四代后， 件也將被逐步淘汰。第四代電力電子器件模塊化更為成熟。如智能化模塊 用功率器件模塊。模塊化功率器件將是 21 世紀(jì)主宰器件。 流調(diào)速系統(tǒng)控制策略的發(fā)展 隨著電力電子器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略也得到了發(fā)展。目前實(shí)用的交流調(diào)速系統(tǒng)的控制策略，主要有以下幾種： （ 1） V/F 控制 V/F 控制是交流電機(jī)最簡(jiǎn)單的一種控制方法，通過(guò)在控制過(guò)程中始終保持V/F 為常數(shù)，來(lái)保證定子磁鏈的恒定。然而 V/F 控制是一種開(kāi)環(huán)控制，速度動(dòng)態(tài)特性很差，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)還需要根據(jù)負(fù)載的不同來(lái)做相應(yīng)的調(diào)整，特別是低速時(shí)由于定子電阻和逆變器電力電子器件開(kāi)關(guān)延時(shí)的存在，系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 （ 2）滑差頻率控制 滑差頻率控制引入了速度閉環(huán)，使轉(zhuǎn)速變化頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升或下降，與 V/F 控制相比，加速、減速更為平滑，且容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。但滑差頻率控制并未能實(shí)施對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，而且動(dòng)態(tài)電流相位的延時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)性能。 （ 3）矢量控制 矢量控制技術(shù)是在 1971 年由德國(guó)人 先提出的。它的基本思想是：以坐標(biāo)變換理論為基礎(chǔ)，參照直流電機(jī)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流在空間相互垂直，沒(méi)有耦合，可以分別進(jìn)行獨(dú)立控制的特點(diǎn)，相應(yīng)地把交流電機(jī)定子電流分解成勵(lì)磁電流分量和與之相垂直的轉(zhuǎn)矩電流分量。這樣，對(duì)兩個(gè)分量分別進(jìn)行控制，就可以和直流電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)解耦控制，實(shí)時(shí)控制電機(jī)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，使被控系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。矢量控制分為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制、定子磁場(chǎng)定向矢量控制、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制和電壓定向矢量控制等五種。矢量控制理碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 3 論的提出和應(yīng)用使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性顯著改善，從而使高性能交流傳動(dòng)成為現(xiàn)實(shí)。但矢量控制計(jì)算量較大，控制系統(tǒng)復(fù)雜，需要對(duì)磁場(chǎng)精確定向，且性能受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響較大。 （ 4）直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是繼矢量控制之后出現(xiàn)的又一種交流電機(jī)調(diào)速控制策略。它不考慮如何使定子電流解耦，而是直接著眼于對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。它采用空間矢量的方法，在定子坐標(biāo)系下計(jì)算和控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)（ 制）產(chǎn)生 號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳選擇，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能控制。它省去了復(fù)雜的矢量變換，沒(méi)有通常的 制器。此外，由于電壓開(kāi)關(guān)矢量的優(yōu)化，降低了逆變器的開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗。作為一種瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，直接轉(zhuǎn)矩控制的思想非常新穎，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，信號(hào)處理的物理概念明確，是一種具有高靜動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速方法。 制元件的發(fā)展 在過(guò)去的幾十年里，單片機(jī)的廣泛應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的智能控制功能。單片機(jī)作為控制元件的控制系統(tǒng)雖然目前仍然占據(jù)著電機(jī)控制系統(tǒng)的主導(dǎo)地位，然而隨著對(duì)控制要求的不斷提高和新的控制策略的產(chǎn)生，單片機(jī)作為控制元件也顯得越來(lái)越力不從心。 數(shù)字信號(hào)處理器芯片 產(chǎn)生，在很大程度上彌補(bǔ)了單片機(jī)作為控制核心所表現(xiàn)出來(lái)的不足。隨著 術(shù)的發(fā)展和控制要求的提高，越來(lái)越多的工業(yè)控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)采用了 片。 一種高速專用微處理器，它既具有傳統(tǒng)微處理器自成系統(tǒng)的特點(diǎn)，又具有優(yōu)于通用微處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算能力。目前，多家公司都推出了專門用于電機(jī)控制的 一高度集成化的器件代表了傳統(tǒng)微處理器及通用 理器方案的重大突破，使電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及調(diào)速控制更為簡(jiǎn)單易行。此類專用芯片具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力，并集成了電動(dòng)機(jī)控制所需的外圍接口，使設(shè)計(jì)者只需外加較少的硬件即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，從而降低系統(tǒng)費(fèi)用，提高了性價(jià)比。 片已經(jīng)在交流電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中越來(lái)越多地展示出其卓越的性能。 接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀 1985 年，德國(guó)魯爾大學(xué)的 1教授首次提出了基速以下的異步電機(jī)直接自控制方法（ 1987 年將它推廣到弱磁調(diào)速范圍。 第 1 章 緒論 4 教授當(dāng)時(shí)是針對(duì)大功率的電力機(jī)車傳動(dòng)系統(tǒng)提出的直接自控制方法，其定子磁鏈軌跡是按六邊形運(yùn)動(dòng)的，磁鏈控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)頻率低，開(kāi)關(guān)損耗也小。但是六邊形磁鏈方案的電流脈動(dòng)大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲都比較大。所以只在某些大功率領(lǐng)域（開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗均有較大限制）的場(chǎng)合予以考慮。 目前，為了減少定子電流中的諧波分量，傾向于增加六邊形的邊數(shù)，如采用十八邊形的磁鏈軌跡等。 1986 年，日本的 2等人提出了使定子磁鏈近似圓形的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。由于異步電機(jī)由三相對(duì)稱正弦波供電時(shí)，電機(jī)氣隙磁通為圓形，此時(shí)電機(jī)損耗、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲最小，故在中小功率場(chǎng)合人們趨向于采用近似圓形磁鏈的方案。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，各方面性能都在不斷提高，并已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，國(guó)外目前已成功應(yīng)用于大功率高速電力機(jī)車、地鐵和城市有軌電車的主傳動(dòng)系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)株洲電力機(jī)車研究所處于領(lǐng)先地位，已開(kāi)發(fā)出多種基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的交流傳動(dòng)系統(tǒng)，成功應(yīng)用于干線電力機(jī)車及其它交流傳動(dòng)車輛的牽引傳動(dòng)。 當(dāng)前，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面： （ 1）低速范圍性能的改善 傳統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈的計(jì)算一般采用 模型。在高速范圍，定子電阻壓降的影響可以忽略，但在低速范圍，由于定子電阻壓降的影響不能忽略，且定子電阻隨溫度變化，定子磁鏈發(fā)生比較嚴(yán)重的畸變，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能。因此，如何準(zhǔn)確的檢測(cè)定子電阻的變化一直是改善系統(tǒng)低速性能的首要問(wèn)題，目前已有不少關(guān)于在線辨識(shí)定子電阻的文獻(xiàn)。還有人利用定子電壓的三次諧波分量來(lái)計(jì)算定子磁鏈，這樣就能擺脫定子電阻變化的影響。 另外，低速范圍的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、死區(qū)效應(yīng)和開(kāi)關(guān)頻率的問(wèn)題也非常突出。當(dāng)控制系統(tǒng)全數(shù)字化時(shí)，采樣周期是固定的，在一個(gè)采樣周期內(nèi)，轉(zhuǎn)矩的增加量和減少量是不同的，于是產(chǎn)生低頻的鋸齒波分量，它在低速時(shí)頻率低，幅值大，影響系統(tǒng)的低速性能。 （ 2）磁鏈調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的細(xì)化 直接轉(zhuǎn)矩控制根據(jù)磁鏈調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出選取電壓空間矢量，不同的電壓矢量對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩都有不同的作用，傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制一般對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩采取單滯環(huán)控制，即只有一個(gè)容差。磁鏈和轉(zhuǎn)矩的偏差區(qū)分得越細(xì)，所選擇得電壓矢量就越精確，控制性能就越能得到改善。國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出雙滯環(huán)理論，即每個(gè)滯環(huán)都有兩個(gè)容差，磁鏈和轉(zhuǎn)矩得偏差被細(xì)化，這樣能改善直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性。 碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 5 （ 3）無(wú)速度傳感器技術(shù)的研究 在現(xiàn)代交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，為了達(dá)到高精度的速度閉環(huán)控制，速度傳感器的安裝是必不可缺的。但是速度傳感器的安裝不僅增加了系統(tǒng)的成本，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，而且在有些惡劣應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器的安裝和維護(hù)都非常不便，因此無(wú)速度傳感器技術(shù)的研究成為當(dāng)今各國(guó)學(xué)者研究的熱門方向。無(wú)速度傳感器技術(shù)是利用檢測(cè)到的電機(jī)電壓、電流和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型推測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)速的技術(shù)，具有不改造電機(jī)、省去昂貴的機(jī)械傳感器、降低維護(hù)費(fèi)用和不怕粉塵和高溫高濕等惡劣環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)。 （ 4）智能控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)合 近幾年來(lái)，許多學(xué)者將智能控制和直接轉(zhuǎn)矩控制相結(jié)合，提出了許多基于模糊控制、自適應(yīng)模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等控制策略的控制系統(tǒng)，使直接轉(zhuǎn)矩控制的性能有了進(jìn)一步的提高。 模糊控制善于處理存在不精確性和不確定性信息的控制問(wèn)題，適用于常規(guī)控制難以解決的非線性和時(shí)變系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用并行計(jì)算結(jié)構(gòu)，利用它建立的觀測(cè)器和辨識(shí)器具有較好的跟蹤性能，并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)學(xué)習(xí)異步電機(jī)的各種參數(shù)變化時(shí)的映射關(guān)系來(lái)確定內(nèi)部反饋的權(quán)重系數(shù)，在電機(jī)參數(shù)變化時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制。目前關(guān)于智能控制在直接轉(zhuǎn)矩控制中的應(yīng)用研究主要集中在電機(jī)的參數(shù)辨識(shí)以及開(kāi)關(guān)狀態(tài)選擇的優(yōu)化等方面。 速度傳感器技術(shù)的研究現(xiàn)狀 國(guó)外早在 20 世紀(jì) 70 年代就開(kāi)始了無(wú)速度傳感器技術(shù)的研究工作。 1975年， 人推導(dǎo)出基于穩(wěn)態(tài)方程的轉(zhuǎn)差率估計(jì)方法，在無(wú)速度傳感器領(lǐng)域作出了首次嘗試，調(diào)速比可達(dá) 10:1，但由于其出發(fā)點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)方程，故調(diào)速范圍比較小，動(dòng)態(tài)特性和調(diào)速精度難以保證。其后，雖有不少學(xué)者在此基礎(chǔ)上作了改進(jìn)研究，但終因無(wú)法脫離穩(wěn)態(tài)方程這一基礎(chǔ)，性能總不理想，這種方法現(xiàn)在已經(jīng)基本不用了。再之后， 學(xué)者利用轉(zhuǎn)子齒諧波法來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速，限于當(dāng)時(shí)檢測(cè)技術(shù)和控制芯片的實(shí)時(shí)處理能力，僅在轉(zhuǎn)速大于 300r/速范圍內(nèi)取得了令人滿意的效果，但這種思想令人耳目一新。 1983 年，次將無(wú)速度傳感器應(yīng)用于矢量控制，這使得交流傳動(dòng)技術(shù)又上了一個(gè)新臺(tái)階。在其后的十幾年中，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的研究工作，提出了多種速度辨識(shí)方法，主要有如下幾種： （ 1）動(dòng)態(tài)速度估計(jì)器363738碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 6 此方法基于電機(jī)的動(dòng)態(tài)派克方程，針對(duì)不同的控制策略得出不同的速度估計(jì)表達(dá)式。主要有基于轉(zhuǎn)子磁鏈的估計(jì)方法、基于反電勢(shì)的估計(jì)方法、基于定子磁鏈的估計(jì)方法和直接計(jì)算法。這些方法的特點(diǎn)是算法較簡(jiǎn)單，理論上無(wú)延時(shí)，可較好的工作于動(dòng)靜態(tài)過(guò)程，但它們都存在對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴性強(qiáng)，抗干擾能力差的缺點(diǎn)。 （ 2）模型參考自適應(yīng)法（ 3940該方法的主要思想是將不含未知參數(shù)的方程作為參考模型，而將含有待估計(jì)參數(shù)的方程作為可調(diào)模型，利用兩個(gè)模型的的輸出量的誤差構(gòu)成合適的自適應(yīng)律來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)模型的參數(shù)，以達(dá)到控制對(duì)象的輸出跟蹤參考模型的目的。 用到轉(zhuǎn)速估計(jì)方面較有影響的工作是 0提出的方法，將不含真實(shí)轉(zhuǎn)速的磁鏈方程（電壓方程）作為參考模型，含有待辨識(shí)轉(zhuǎn)速的磁鏈方程（電流模型）作為可調(diào)模型，以轉(zhuǎn)子磁鏈作為比較輸出量，采用比例積分自適應(yīng)律進(jìn)行速度估計(jì)，狀態(tài)和速度的漸進(jìn)收斂性由 超穩(wěn)定性理論來(lái)保證。該方法由于在參考模型中采用了純積分器，使得在低速時(shí)的轉(zhuǎn)速誤差較為明顯。 （ 3）基于自適應(yīng)全階狀態(tài)觀測(cè)器的 法4152從控制理論的觀點(diǎn)出發(fā)，未知的電機(jī)狀態(tài)量如定子磁鏈或轉(zhuǎn)子磁鏈，都可以用一個(gè)狀態(tài)觀測(cè)器獲得，該方法也可以歸入 類，將電機(jī)作為參考模型，所采用的觀測(cè)器作為可調(diào)模型，把轉(zhuǎn)速作為參數(shù)來(lái)辨識(shí)使得觀測(cè)器呈線性。日本學(xué)者 14243在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制中，利用 測(cè)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)，并根據(jù)定子電流的偏差和轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)值自適應(yīng)辨識(shí)出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和定子電阻。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于磁鏈的觀測(cè)和速度及參數(shù)的辨識(shí)是緊密結(jié)合在一起的。 （ 4）擴(kuò)展卡爾曼濾波法515253卡爾曼濾波器是由 20 世紀(jì) 60 年代初提出的一種最小方差意義上的最優(yōu)預(yù)測(cè)估計(jì)的方法。它的突出特點(diǎn)是可以有效地削弱隨機(jī)干擾和測(cè)量噪聲的影響。擴(kuò)展卡爾曼濾波算法則是線性卡爾曼濾波器在非線性系統(tǒng)中的推廣應(yīng)用。 2和 1分別將卡爾曼濾波器及擴(kuò)展卡爾曼濾波器應(yīng)用于速度辨識(shí)中，獲得了成功，但是由于算法復(fù)雜，離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。 （ 5）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法5455565758隨著智能控制理論的發(fā)展，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法也被利用進(jìn)行速度辨識(shí)。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行辨識(shí)，一般都先規(guī)定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，再通過(guò)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的輸入和輸出，使?jié)M足性能指標(biāo)要求，進(jìn)而歸納出隱含在系統(tǒng)輸入輸出中的關(guān)系。利碩士學(xué)位論文 第 1 章 緒論 7 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的方法有多種，最常用的是前饋多層模型法，文獻(xiàn) 55 應(yīng)用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速、磁鏈、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)，文獻(xiàn) 56 利用基于反向通道技術(shù)的兩層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)估算異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出與電機(jī)的實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比，并利用兩者之間的偏差反向調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)，最終使轉(zhuǎn)速估計(jì)值跟蹤轉(zhuǎn)速的真實(shí)值。但是，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法在理論研究上還不太成熟，其硬件實(shí)現(xiàn)有一定難度，使得這一方法的應(yīng)用還需要較長(zhǎng)的時(shí)間。 文的主要內(nèi)容 論文首先從異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，闡述了逆變器的數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量等直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論，建立了異步電機(jī)三種定子磁鏈模型。 第三章著重分析了直接轉(zhuǎn)矩控制的三種不同磁鏈軌跡的控制方案，對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合及不同的轉(zhuǎn)速范圍應(yīng)用不同的控制方案，第三章還介紹了直接轉(zhuǎn)矩控制在交流傳動(dòng)電力機(jī)車中的應(yīng)用，并根據(jù)電力機(jī)車的牽引特性在不同的區(qū)域 采取不同的控制方案。 第四章是對(duì)無(wú)速度傳感器技術(shù)的研究，從模型參考自適應(yīng)的理論出發(fā)，建立了三種速度辨識(shí)方案的數(shù)學(xué)模型，并完成了其穩(wěn)定性的證明。 第五章對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入的仿真研究。通過(guò) 三種磁鏈軌跡控制方案進(jìn)行了詳盡的仿真分析。最后，建立了第四章中三種速度辨識(shí)方案的仿真模型，并將它們應(yīng)用到直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)速度的辨識(shí)。 碩士學(xué)位論文 第 2 章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論 8 第 2章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論 直接轉(zhuǎn)矩控制由德國(guó)魯爾大學(xué)的 授在 1985 年首次提出，然后在 1987 年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍。它是繼矢量控制之后發(fā)展起來(lái)的一種高性能的交流變頻調(diào)速技術(shù)，它用空間矢量的分析方法，通過(guò)檢測(cè)到的定子電壓和電流，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)滯環(huán)比較，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。它省掉了電機(jī)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換，使電機(jī)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算得到簡(jiǎn)化，且不需要單獨(dú)的 制器。它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制手段直接，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，是一種具有高靜動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速方法。 步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。按慣例在建立其數(shù)學(xué)模型時(shí)做如下假定。 （1）電機(jī)定、轉(zhuǎn)子三相繞組完全對(duì)稱，所產(chǎn)生的磁勢(shì)在氣隙空間中正弦分布。 （2）忽略鐵芯渦流、飽和及磁滯損耗的影響，各繞組的自感和互感都是線性的。 （3）暫不考慮頻率和溫度變化對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型一般包括電壓方程、磁鏈方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和機(jī)電運(yùn)動(dòng)方程。 在對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行分析和控制時(shí)，均需對(duì)三相進(jìn)行分析和控制，若引入量變換，會(huì)帶來(lái)很多方便。量將三個(gè)標(biāo)量（三維）變換為一個(gè)矢量（二維）。如圖 2示，選三相定子坐標(biāo)系中的 a 軸與 量復(fù)平面的實(shí)軸 軸重合可得 、 坐標(biāo)系。 a、b、坐標(biāo)系的關(guān)系 碩士學(xué)位論文 第 2 章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論 9 三相靜止坐標(biāo)系 (a、 b、 c)到兩相靜止坐標(biāo)系 ( 、 )的 3/2 變換矩陣為： 1112 22333022C=(2可得到異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系 ( 、 )中的電壓方程： 0000s ms mr m rr r R + + = + + (2式中： 分別為定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻； 分別為定子自感、轉(zhuǎn)子自感和定轉(zhuǎn)子互感； 電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度（電角速度）； 分別為定子電壓的 、 分量； 分別為轉(zhuǎn)子電壓的 、 分量 ,在鼠籠機(jī)中0； 分別為定子電流的 、 分量； 分別為轉(zhuǎn)子電流的 、 分量； p 微分算子，。 電機(jī)的磁鏈方程為： 00000000 = (2式中： 分別為定子磁鏈的 、 分量； 碩士學(xué)位論文 第 2 章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論 10 分別為轉(zhuǎn)子磁鏈的、 分量。 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為： ()32 = (2或利用式 (2寫成： ()32= (2式中： 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； 電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 電機(jī)的機(jī)電運(yùn)動(dòng)方程為： (2式中： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J 電機(jī)及拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 式 (2 (2構(gòu)成了異步電機(jī)在 、 坐標(biāo)系下完整的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。為了便于綜合分析，上述電機(jī)方程有時(shí)采用矢量方程的形式。以 軸為實(shí)軸， 軸為虛軸，可以得到矢量形式的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。 r =+=+ s ss =+() ()3322 =v (2碩士學(xué)位論文 第 2 章 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論 11 變器數(shù)學(xué)模型和電壓空間矢量 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用三相兩點(diǎn)式電壓型逆變器向交流異步電動(dòng)機(jī)供電，逆變器每個(gè)橋臂有兩個(gè)開(kāi)關(guān)元件，如圖 2 2 所示： 逆變器電動(dòng)機(jī)模型 兩點(diǎn)式逆變器各開(kāi)關(guān)元件的通斷可以組成 8 個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，見(jiàn)表 2 1。 時(shí)，表示逆變器的 a 橋臂的上開(kāi)關(guān)閉合，下開(kāi)關(guān)斷開(kāi)； 時(shí)，情況相反，另外兩個(gè)橋臂與此同。如圖以定子繞組軸線為空間坐標(biāo)系，建立靜止三相坐標(biāo)系a、 b、 c，同時(shí)建立正交兩相坐標(biāo)系、，這樣 8 個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng) 8 個(gè)電壓空間矢量 7,其中 零電壓空間矢量。電壓空間矢量如圖 2 3 所示。 表21 逆變器的8種開(kāi)關(guān)組合狀態(tài) 狀態(tài) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1(011)01)01)00)10)10) 電壓空間矢量 碩士學(xué)位論文