【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的反饋輸入。這樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計(jì)器計(jì)算速度快，容錯(cuò)性強(qiáng)，抗諧波干擾，它的缺點(diǎn)是反復(fù)的訓(xùn)練會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電機(jī)控制取得了一些成果，但這些研究都還不大成熟，并且很多事通過仿真來實(shí)現(xiàn)的，工業(yè)應(yīng)用尚處于起步階段，還需要專門的硬件平臺(tái)來支持，離實(shí)用化還有一定的距離，然而，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論及技術(shù)的不斷完善，必定會(huì)對(duì)交流傳動(dòng)控制技術(shù)帶來巨大的變化。 課題研究的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排通過上面幾種控制方案的比較，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方案具有較高的性能和實(shí)用價(jià)值，使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。無速度傳感器矢量控制更是增加了系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性和魯棒性。本文從矢量控制出發(fā)，結(jié)合電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術(shù)，建立了基于自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)器的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真模型，并用Matlab/simulink仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，最好采用TI公司的電機(jī)控制專用DSP芯片TMS320F2812為核心進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。論文基本結(jié)構(gòu)如下：第一章介紹了研究背景、方法，以及矢量控制和無速度傳感器技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和趨勢(shì)。第二章 對(duì)異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型、矢量控制、矢量變換的基本原理進(jìn)行了介紹。第三章 介紹了基于電流模型和電壓模型的兩種磁鏈估計(jì)方法，并對(duì)無速度傳感器技術(shù)進(jìn)行研究，在帶速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以模型參考自適應(yīng)的理論出發(fā)，建立了速度辨識(shí)方案的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性證明。第四章 通過Matlab/simulink軟件建立了基于MRAS轉(zhuǎn)速估計(jì)的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，分別對(duì)基于電流模型和電壓模型磁鏈估計(jì)方法進(jìn)行了分析和比較。第五章 在仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，包括主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 第六章 詳細(xì)介紹了基于DSP的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)流程，各中斷子程序流程圖及各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)。第七章 分析和總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并給出了提出后續(xù)工作和有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。 2 異步電機(jī)的矢量控制理論 本章首先闡述異步電動(dòng)機(jī)的三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)坐標(biāo)變換理論，得到了它在兩相靜止坐標(biāo)系下和兩相同步坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)方程，在此基礎(chǔ)之上介紹了異步電機(jī)的矢量控制原理【14】。 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 由于異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的控制方式比較復(fù)雜，要確定最佳的方式，必須對(duì)系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行充分的研究。異步電機(jī)本質(zhì)上是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，為了便于研究，一般進(jìn)行如下假設(shè): （1)三相定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組在空間均分布，即在空間互差所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙圓周按正弦分布，并忽略空間諧波。 (2)各相繞組的自感和互感都是線性的，即忽略磁路飽和的影響。 (3)不考慮頻率和溫度變化對(duì)電阻的影響。 (4)忽略鐵耗的影響。 無論三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組為繞線型還是籠型，均將它等效為繞線轉(zhuǎn)子，并將轉(zhuǎn)子參數(shù)換算到定子側(cè)，換算后的每相繞組匝數(shù)都相等。 異步電機(jī)的物理模型，定子三相對(duì)稱繞組軸線A、B, C在空間上固定并且互差 ，轉(zhuǎn)子對(duì)稱繞組的軸線a、b、 c隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。我們把定子A相繞組的軸線作為空間參考坐標(biāo)軸，轉(zhuǎn)子a軸和定子A軸間的角度作為空間角位移變量。規(guī)定各繞組相電壓、電流及磁鏈的正方向符合電動(dòng)機(jī)慣例和右手螺旋定則。這樣，我們可以得到異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。 異步電機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 三相定子繞組的電壓平衡方程為 (21) 式中以微分算子P代替微分符號(hào)相應(yīng)地，三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)的電壓方程 (22)式中：為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時(shí)值； 為定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時(shí)值； 為定子和轉(zhuǎn)子相磁鏈的瞬時(shí)值；為定子和轉(zhuǎn)子電阻。將定子和轉(zhuǎn)子電壓方程寫成矩陣形式： (23)磁鏈方程 由于繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和，因此，根據(jù)圖21可列出三相異步電機(jī)的磁鏈方程 （24）或者寫成： (25)式中L是6x6電感矩陣，其中對(duì)角線上元素是各繞組的自感，其余元素是各燒組間的互感。與電機(jī)繞組交鏈的磁通主要有兩類:一類是只與一相繞組交鏈而不穿過氣隙的漏磁通。另一類是穿過氣隙的互感磁通，稱為主磁通。對(duì)于各相繞組，它所交鏈的磁通是主磁通與漏磁通之和，因此定子各相自感為 (26)轉(zhuǎn)子各相自感為： （27）在假設(shè)氣息磁通為正線分布的條件下，兩相繞組間的互感為： (28) (29)(210) (211) (212)從以上方程可知，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組之間的互感與轉(zhuǎn)子位置角 有關(guān)，它們是變參量，這是系統(tǒng)非線性的一個(gè)根源。將方程(28)(212)帶入式(24)，即可得到磁鏈方程。 電磁轉(zhuǎn)矩方程由機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，可得到電磁轉(zhuǎn)矩方程 (213)從上式可以看出，電磁轉(zhuǎn)矩是定子電流、轉(zhuǎn)子電流及角的函數(shù)，是一個(gè)多變量，非線性且強(qiáng)耦合的函數(shù)。 運(yùn)動(dòng)方程 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為 (214)式中 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，阻尼系數(shù)D=0,則有 （215） 坐標(biāo)變換及變換矩陣 如果將交流電機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電機(jī)的模式，分析和控制問題就可以大為簡(jiǎn)化。上節(jié)中得到的異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型非常復(fù)雜，要分析和求解這些非線性方程顯然是非常困難的，即便是做了一些假設(shè)，要畫出清晰的結(jié)構(gòu)圖也并不容易。采用坐標(biāo)變換的方法可以使變換后的數(shù)學(xué)模型容易處理一些，有利于異步電機(jī)的分析和控制。因此，坐標(biāo)變換是實(shí)現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵。由異步電動(dòng)機(jī)坐標(biāo)系可以看到，它涉及到了兩種坐標(biāo)變換式:3s/2s變換和2s/2r旋轉(zhuǎn)變換，又稱克拉克(Clark)變換和2s/2r變換即派克(Park)變換。通過坐標(biāo)變換的方法，使得變化后的數(shù)學(xué)模型得到簡(jiǎn)化。 1. 3/2變換(Clark變換) 由電機(jī)學(xué)原理可知，交流電機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組A、B、C，通以三相平衡的正弦電流 、 、 時(shí)，產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，且以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。兩相繞組的軸線分別為、 ，空間位置相差，構(gòu)成、 兩相靜止坐標(biāo)系(坐標(biāo)軸逆時(shí)針超前坐標(biāo)軸)。在該兩相固定繞組 、 中，加時(shí)間上相差的兩相平衡交流電流 、時(shí)，同樣也可以產(chǎn)生與三相定子合成磁動(dòng)勢(shì)相同的空間矢量F，且同步角頻率為 。三相異步電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組和與之等效的兩相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組、 。 根據(jù)變換前后總磁動(dòng)勢(shì)不變和變換前后總功率相等的原則，3s/2s變換用矩陣可表示為 （216） 三相靜止到兩相靜止變換 其反變換式如下： （217）因此，經(jīng)過3s/2s變換，可以將三相異步電機(jī)模型變換為兩相正交的異步電機(jī)模型。 旋轉(zhuǎn)變換(Park變換) , T的變換稱作Park變換，簡(jiǎn)稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)。如圖23所示，其中，靜止坐標(biāo)系的兩相交流分量和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩個(gè)直流分量產(chǎn)生同樣大小的同步旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。 兩相靜止到兩相旋轉(zhuǎn)變換 （218） 旋轉(zhuǎn)反變換如下： （219） 其中為MT坐標(biāo)和靜止的夾角 異步電機(jī)在兩相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 上面分析得到了異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，為了矢量控制分析，必須把它轉(zhuǎn)換為MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，因此，必須先將三相靜止坐標(biāo)系下的模型轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系下的模型。然后，通過旋轉(zhuǎn)變換將異步電機(jī)模型轉(zhuǎn)換到MT坐標(biāo)系中，其結(jié)果如下所示。異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過3s/2s變換，就得到了三相異步電機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。(1) 電壓方程 (220)（2）磁鏈方程 （221）（3）電磁轉(zhuǎn)矩方程 （222）（4）運(yùn)動(dòng)方程 （223）在 坐標(biāo)系中繞組都落在兩根相互垂直的軸上，兩組繞組間沒有耦合，矩陣中所有元素均為常系數(shù)，消除了異步電動(dòng)機(jī)在三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型中的一個(gè)非線性的根源。 異步電機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過3s/2r變換，就得到了異步電機(jī)在任意兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型:（1) 電壓方程 (224) 式中：表示定子的同步角頻率，表示轉(zhuǎn)差角頻率（2） 磁鏈方程 （225） （3） 電磁轉(zhuǎn)矩方程 （226）（4）運(yùn)動(dòng)方程 (227)式(224)(227)是矢量控制中重要的方程式，接下來的基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制都要依據(jù)這些方程式。 異步電機(jī)矢量控制矢量控制(vector control)理論，是在20世紀(jì)70年代初由美國(guó)學(xué)者和德國(guó)學(xué)者各自提出的，以后在實(shí)踐中經(jīng)過改進(jìn)，形成了現(xiàn)在普遍采用的矢量控制方法，矢量控制的基本思想是：按照旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效的原則，通過一系列的坐標(biāo)變換(矢量變換)，把定子電流分解成互相垂直的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，在交流調(diào)速系統(tǒng)中，如果能保持勵(lì)磁分量不變，控制轉(zhuǎn)矩分量，就可以像控制直流電機(jī)那樣控制交流電機(jī)了。它們的誕生使交流變頻調(diào)速技術(shù)大大的邁進(jìn)了一步，以后，在實(shí)際中許多學(xué)者進(jìn)行了大量的工作，經(jīng)過不斷的工作，不斷的改進(jìn)，歷經(jīng)30多年的時(shí)間，達(dá)到了可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的程度。 矢量控制的原理 通過前面的分析我們可以發(fā)現(xiàn)，異步電機(jī)的矢量控制理論【15】【16】，就是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流、 、 通過3s/2s變換，可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的電流 、再經(jīng)過同步旋轉(zhuǎn)變換，把電機(jī)定子電流分解成互相垂直的勵(lì)磁電流 和轉(zhuǎn)矩電流。當(dāng)觀察著站在鐵心上，并與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，交流電機(jī)便等效成了直流電機(jī)。其中，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通就變成了等效的直流電機(jī)的磁通，M繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，相當(dāng)于勵(lì)磁電流，T繞組相當(dāng)于偽靜止繞組，相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。，圖中， 、 為三相交流輸入，為轉(zhuǎn)速輸出。 感應(yīng)電機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖，異步電機(jī)等效成了直流電機(jī)，因此，可以模仿直流電機(jī)的控制方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的控制，先求得直流電機(jī)的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的矢量控制。根據(jù)等效控制理論，可以構(gòu)成直接控制、的矢量控制系統(tǒng)。 矢量控制系統(tǒng)的基本框圖 ，在設(shè)計(jì)矢量變換控制系統(tǒng)時(shí)，我們可以認(rèn)為反旋轉(zhuǎn)變換 將與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)相抵消，2s/3s變換與電機(jī)內(nèi)部的3s/2s變換相抵消，如果忽略電流控制變頻器中的時(shí)間滯后。 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理及結(jié)構(gòu) “感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理”，是人們首次提出矢量控制的概念，以后在實(shí)踐中經(jīng)過不斷改進(jìn)，形成了現(xiàn)在普遍采用的矢量控制系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)也稱為磁場(chǎng)定向控制，即選擇電機(jī)某一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向作為特定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)方向。對(duì)于異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的磁場(chǎng)定向通常有三種，即轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，定子磁場(chǎng)定向，氣隙磁場(chǎng)定向等，本文采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方法。 通過分析發(fā)現(xiàn)，如規(guī)定MT坐標(biāo)系的M軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈的方向，并稱之為磁化軸，T軸垂直于，稱之為轉(zhuǎn)矩軸。這樣MT坐標(biāo)系就變成了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系，而 是以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的矢量。因此： ，由同步坐標(biāo)系下異步電機(jī)的磁鏈方程可得： （228） (229)對(duì)于交流異步電機(jī)有： ，電壓方程可以轉(zhuǎn)化為以下形式 (2