【正文】 摘要 異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制技術(shù)提高了交流傳動系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)成本。準(zhǔn)確辨識電機(jī)轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)無速度傳感器矢量控制的關(guān)鍵。本文對無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，建立了異步電動機(jī)無速度傳感器 電流模型的 矢量控制系統(tǒng)。對基于該速度辨識模型的無速度傳感器異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)在不同的情況下進(jìn)行了詳細(xì)的研究。該方法依賴于電機(jī)參數(shù)，而電機(jī)參數(shù)在電機(jī)運(yùn)動過程中變化很大，因而給出了對電的一些定、轉(zhuǎn)子參數(shù)進(jìn)行實(shí)時辨識方法，以保持系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能。簡單介紹了基于 DSP的異步電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng) 的硬件結(jié)構(gòu)以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計。 關(guān)鍵詞 : 異步電動機(jī)，矢量控制，無速度傳感器，速度辯識， DSP(數(shù)字信號處理器 ) ABSTRACT The speed sensorless vector control of induction motor teehnology enhances the reliability of AC driving system， and reduces therealization cost， The key Problem 15 that how we canget thes Peed of motor aecuratel. This thesis made a study on the speed sensorless vector contorl built up induction speed – sensorless veetor control System 目 錄 第一章 概論 ????????????????????????????? 1 課題的研究背景及其意義 ??????????????????????? 矢量控制和無速度傳感器控制技術(shù)的現(xiàn)狀 ????????????????? 第二章 異步電機(jī)無速度傳感器轉(zhuǎn)子定向控制理論 ???????????????? 交流電動機(jī)的 SVPWM 技術(shù)???????????????????????? 交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理 電壓空間 矢量 SVPWM 技術(shù) 交流異步電動機(jī)的矢量控制??????????????????????? 交流異步電動機(jī)的矢量控制基本原理 矢量控制的坐標(biāo)變換 轉(zhuǎn)子磁鏈位置的計算 交流異步電動機(jī)無速度傳感器轉(zhuǎn)子磁場定向控制 ..1 交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制 磁通觀測原理 基于數(shù)學(xué)模型的開環(huán)速度估計 原理 第三章 基于 DSP 系統(tǒng)硬件 主電源電路的設(shè)計 控制電路的設(shè)計 IGBT 驅(qū)動及電源電路設(shè)計 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 第四章 總結(jié)與展望 后期工作展望 第一章 概論 課題的研究背景及其意義 電氣傳動技術(shù)是以電機(jī)為控制對象，以微電子裝置為控制核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成電氣傳動控制系統(tǒng)，以達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的目的 。 電機(jī)可分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，而交流電機(jī)又可分為異步電機(jī)和同步電機(jī)。這三種電機(jī)各有利弊 :直流電機(jī)控制簡單，調(diào)速性能好，故其主要用于變速傳動 領(lǐng)域，但其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，電刷容易磨損，維護(hù)不方便，對環(huán)境的要求較高 。異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，但由于其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)對其控制相對困難，故長期以來其主要用于不變速傳動領(lǐng)域 。同步電機(jī)的優(yōu)越性在于如果電源頻率保持不變，則其轉(zhuǎn)速就保持恒定，但過去一直存在著起動困難、重載時有發(fā)生振蕩甚至失步的危險，故實(shí)際應(yīng)用有限。 然而在近幾十年里，這種格局己經(jīng)發(fā)生變化，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及控制技術(shù)的不斷發(fā)展，諸多新型異步電機(jī)控制技術(shù)不斷被提出，交流電機(jī)調(diào)速取得了突破性的進(jìn)展，電氣傳動交流化 的時代隨之到來。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)異的調(diào)速和起、制動性能及高效節(jié)電的效果，用變頻調(diào)速技術(shù)的電機(jī)，其容量、速度和電壓等級都可以很高 。調(diào)速系統(tǒng)體積小、重量輕、慣性小，運(yùn)行可靠性高，維護(hù)工作量少，適宜惡劣工作環(huán)境，成本低。由于變頻調(diào)速技術(shù)特別是矢量控制技術(shù)的突出特點(diǎn)，因此從一般工業(yè)技術(shù)到航空、航天軍事工業(yè)，乃至家電空調(diào)、精密伺服機(jī)器人控制等等，變頻調(diào)速技術(shù)無所不及，正在逐步取代直流調(diào)速。 矢量控制技術(shù)作為一種高性能的變頻調(diào)速技術(shù)，雖已在交流調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其理論與應(yīng)用仍不完善。要實(shí)現(xiàn)異步電機(jī) 高性能的矢量控制，一般來說速度閉環(huán)是必不可少的，轉(zhuǎn)速閉環(huán)需要實(shí)時的電機(jī)轉(zhuǎn)速，速度傳感器的安裝增加了整個系統(tǒng)的成木和復(fù)雜性，影響檢測精度，在惡劣條件下 (如高溫、潮濕等 )，速度傳感器的安裝又降低了系統(tǒng)的可靠性，除此之外，帶速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)也不實(shí)用于轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘幾萬轉(zhuǎn)甚至數(shù)十萬轉(zhuǎn)的高速電機(jī)的高速運(yùn)行。因此，研究無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)具有實(shí)際意義。 無速度傳感器的矢量控制技術(shù)是在常規(guī)帶速度傳感器的矢量控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，除電機(jī)轉(zhuǎn)速信息的獲取途徑、方法不同之外，仍沿用磁場定向控制技術(shù)。因此，無速度傳感器 矢量控制技術(shù)的核心是如何準(zhǔn)確的獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。近年來，轉(zhuǎn)速估計的方法不下 10 種，然而受轉(zhuǎn)速估計精度和動態(tài)性能的影響，目前實(shí)用的無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)一般的動態(tài)性能，其調(diào)速范圍不過 l:10 左右。 對無速度傳感器的研究，國外早已起步并且實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，例如日立、東芝、三菱、富士、 ABB 等公司都推出了自己的產(chǎn)品 。而國內(nèi)在產(chǎn)品化及產(chǎn)品性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外，理論研究水平也較落后，目前國內(nèi)的研究僅限于少數(shù)幾所高等院校，同時僅相當(dāng)于八十年代中后期國外的水平。我國工業(yè)目前對通用型變頻器的年需求量相當(dāng)大，性能優(yōu)異的無 速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)更受青睞。而如今 80%～ 90%的市場都被國外產(chǎn)品所占領(lǐng)，國內(nèi)產(chǎn)品鮮有競爭力。因此，開發(fā)高性能的無速度傳感器交流調(diào)速技術(shù)并盡快將之產(chǎn)品化，己成為振興我國民族變頻器工業(yè)面臨的一個待解決的課題。 矢量控制和無速度傳感器控制技術(shù)的現(xiàn)狀 自 20 世紀(jì) 70 年代，德國西門子公司的 提出了 “磁場定向控制的理論 ”和美國的 與 申請了專利 “感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制 ”，矢量控制技術(shù)發(fā)展到今天己形成了各種較成熟并已產(chǎn)品化的控制方 案，且都已實(shí)現(xiàn)無傳感器控制，即用轉(zhuǎn)速估算環(huán)節(jié)取代傳統(tǒng)的速度傳感器 (如測速發(fā)電機(jī)、編碼盤等 )。 矢量控制的理論根據(jù)就是電機(jī)統(tǒng)一理論，在實(shí)現(xiàn)上將異步電動機(jī)的定子三相交流電流 Ai 、 Bi 、 Ci 通過坐標(biāo)變換變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸系下的兩相直流電流。實(shí)質(zhì)上就是通過數(shù)學(xué)變換把三 相交流電動機(jī)的定子電流分解成兩個分量 :用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢的勵磁分量和用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量。然后像控制直流電機(jī)那樣在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上設(shè)計和進(jìn)行磁場與轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，再由變換方程把這些控制結(jié)果轉(zhuǎn)換為隨時間變化的瞬時變量，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的。 矢量控制的理論根據(jù)就是電機(jī)統(tǒng)一理論，在實(shí)現(xiàn)上將異步電動機(jī)的定子三 相 交流電流 Ai 、 Bi 、 ci 通過坐標(biāo)變換變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系軸系下的兩相直流電流實(shí)質(zhì)上就是通過數(shù)學(xué)變換把三相交流電動機(jī)的定子電流分解成兩個分量 :用來生旋轉(zhuǎn)磁動勢的勵磁分量和用來產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量。然后像控制直流電那樣在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上設(shè)計和進(jìn)行磁場與轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制，再由變換方程把些控制結(jié)果轉(zhuǎn)換為隨時間變化的瞬時變量，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的。 無速度傳感器矢量控制技術(shù)是在上述矢量控制方案的基礎(chǔ)上，利用電機(jī)定子邊較易測得的電量 (電壓或電流 )推算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速和 磁通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制。它口前是眾多國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，主要是由于高性能的矢量控制系統(tǒng)必須采用速度閉環(huán)控制，而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速檢測裝置多采用光電碼盤等速度傳感器來進(jìn)行轉(zhuǎn)速檢測。而速度傳感器的應(yīng)用往往存在以下問題 :(1)增加了系統(tǒng)的成本 :(2)使電動機(jī)軸向上體積增大，而且給電動機(jī)的維護(hù)帶來一定困難，同時破壞了異步電機(jī)簡單堅(jiān)固的特點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的機(jī)械魯棒性 。(3)若安裝碼盤，存在同心軸問題，安裝不當(dāng)將影響測速精度 。(4)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性 。(5)有些場合不容許外裝任何傳感器。如此種種， 影響了異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的簡便性、廉價性及系統(tǒng)的可靠性。 無傳感器矢量控制需同時推算轉(zhuǎn)子磁通和轉(zhuǎn)速，雖然增加了系統(tǒng)軟件的復(fù)雜性和計算量，但隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，高運(yùn)算能力的微處理器不斷出現(xiàn)和普及，其應(yīng)用前景廣闊。無速度傳感器的控制系統(tǒng)無需檢測硬件，免去了速度感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)的成本 。另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電機(jī)與控制器的連線，使得采用無速度傳感器的異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用更加廣泛。 第二章 異步電機(jī)無速度傳感器轉(zhuǎn)子定向控制理論 交流電動機(jī)的 SVPWM 技術(shù) 交流 異步電動機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單 、 體積小 、 重量輕 、 價格便宜 、 維護(hù)方便的特點(diǎn)，在生產(chǎn)和生活中得到廣泛的應(yīng)用。 變頻異步電動機(jī)變頻調(diào)速原理 交流 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可表示如下： ? ?spfn ?? 160 (11) 式中， n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速 (r/min)； p 為電動機(jī)磁極對數(shù)； f 為電源頻率 ? ?Hz ； s 為轉(zhuǎn)差率。 由式 (11)可見，影響電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有：電動機(jī)的磁極對數(shù) p ， 轉(zhuǎn)差率 s 和電源頻率 f 。其中，改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)交流異步電動機(jī)調(diào)速的方法效果最理想，這就是所謂變頻調(diào)速。 變頻與變壓 根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，其有效值可由下式計算： ??KfE (12) 式中， K 為與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)； f 為電源頻率； ? 為磁通。 而在電源一側(cè)，電源電壓的平衡方程式為： jIxIrEU ??? (13) 該式表示，加在電機(jī)繞組端的電源電壓 U，一部分產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 E，另一部分消耗在阻抗 (線圈電阻 r和漏感 x )上。其中定子電流： 21 III ?? (14) 分成兩部分：少部分 (1I )用于建立主磁場磁通 ? ，大部分 (2I )用于產(chǎn)生電磁力帶動機(jī)械負(fù)載。 當(dāng)交流異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時，例如頻率 f 下降，則由公式 (12)可知 E 降低；在電源電壓 U 不變的情況下，根據(jù)公式 (13),定子電流 I 將增加；此時，如果外負(fù)載不變時， 2I 不變， I 將增加將使 1I 增加 (見公式 (14))，也就是使磁通量 ? 增加；根據(jù)公式 (12)， ? 的增加又使 E 增加，達(dá)到一個新的平衡點(diǎn)。 理論上這種新的平衡對機(jī)械特性影響不大。但實(shí)際上，由于電動機(jī)的磁通容量與電動機(jī)的鐵芯大小有關(guān)，通常在設(shè)計時已達(dá)到最大容量。因此當(dāng) 磁通量增加時，將產(chǎn)生磁飽和，造成實(shí)際磁通量增加實(shí)際磁通量增加不上去，產(chǎn)生電流波形畸變，削強(qiáng)電磁力矩，影響機(jī)械特性。 為了解決機(jī)械特性下降的問題，一種解決方案是設(shè)法維持磁通量恒定不變。即設(shè)法使： 常數(shù)??? KfE (15) 這就要求，當(dāng)電動機(jī)調(diào)速改變電源頻率 f 時， E 也應(yīng)該作相應(yīng)的變化，來維持它們的比值不變。 但實(shí)際上， E 的大小無法進(jìn)行控制。 由于在阻抗上產(chǎn)生的壓降相對于加在繞組端的電源電壓 U 很小，如果略去，則公式(13)可簡化成： EU? (16) 這說 明可以用加在繞組端的電源電壓 U 來近似地代替 E 。調(diào)節(jié)電壓 U ，使其跟隨頻率 f 的變化，從而達(dá)到使磁通量恒定不變的目的。即： 常數(shù)?? fUfE (17) 因此，在變頻的同時也需要變壓，這就是 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。 如果頻