【文章內(nèi)容簡介】 的反饋輸入。這樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計器計算速度快，容錯性強，抗諧波干擾，它的缺點是反復(fù)的訓(xùn)練會花費大量時間。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于電機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來支持，離實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，必定會對交流傳動控制技術(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)子磁場定向控制方案具有較高的性能和實用價值，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仿真軟件對系統(tǒng)進行了仿真分析，最好采用TI公司的電機控制專用DSP芯片TMS320F2812為核心進行了實驗系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。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)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和趨勢。第二章 對異步電動機數(shù)學(xué)模型、矢量控制、矢量變換的基本原理進行了介紹。第三章 介紹了基于電流模型和電壓模型的兩種磁鏈估計方法，并對無速度傳感器技術(shù)進行研究，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)，建立了速度辨識方案的數(shù)學(xué)模型，并對其進行了穩(wěn)定性證明。第四章 通過Matlab/simulink軟件建立了基于MRAS轉(zhuǎn)速估計的無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，分別對基于電流模型和電壓模型磁鏈估計方法進行了分析和比較。第五章 在仿真的基礎(chǔ)上，對實驗系統(tǒng)進行了硬件設(shè)計，包括主電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路的設(shè)計與實現(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)軟件實現(xiàn)流程，各中斷子程序流程圖及各個模塊的實現(xiàn)。第七章 分析和總結(jié)實驗結(jié)果，并給出了提出后續(xù)工作和有待進一步研究的內(nèi)容。 2 異步電機的矢量控制理論 本章首先闡述異步電動機的三相坐標(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的矢量控制原理【14】。 異步電機的數(shù)學(xué)模型 由于異步電機矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的控制方式比較復(fù)雜，要確定最佳的方式，必須對系統(tǒng)動靜態(tài)特性進行充分的研究。異步電機本質(zhì)上是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，為了便于研究，一般進行如下假設(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)生的磁動勢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電阻的影響。 (4)忽略鐵耗的影響。 無論三相異步電動機轉(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。 異步電機的物理模型，定子三相對稱繞組軸線A、B, C在空間上固定并且互差 ，轉(zhuǎn)子對稱繞組的軸線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機慣例和右手螺旋定則。這樣，我們可以得到異步電機在三相靜止坐標(biāo)系下的電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程。 異步電機在三相靜止坐標(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)子相電壓的瞬時值； 為定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值； 為定子和轉(zhuǎn)子相磁鏈的瞬時值；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@組對它的互感磁鏈之和，因此，根據(jù)圖21可列出三相異步電機的磁鏈方程 （24）或者寫成： (25)式中L是6x6電感矩陣，其中對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)，是一個多變量，非線性且強耦合的函數(shù)。 運動方程 電機的運動方程為 (214)式中 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 為轉(zhuǎn)動慣量。對于恒轉(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 如果將交流電機的物理模型等效地變換成類似直流電機的模式，分析和控制問題就可以大為簡化。上節(jié)中得到的異步電機動態(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，有利于異步電機的分析和控制。因此，坐標(biāo)變換是實現(xiàn)矢量控制的關(guān)鍵。由異步電動機坐標(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)模型得到簡化。 1. 3/2變換(Clark變換) 由電機學(xué)原理可知，交流電機三相對稱的靜止繞組A、B、C，通以三相平衡的正弦電流 、 、 時，產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢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)軸逆時針超前坐標(biāo)軸)。在該兩相固定繞組 、 中，加時間上相差的兩相平衡交流電流 、時，同樣也可以產(chǎn)生與三相定子合成磁動勢相同的空間矢量F，且同步角頻率為 。三相異步電動機的定子三相繞組和與之等效的兩相異步電動機定子繞組、 。 根據(jù)變換前后總磁動勢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模型變換為兩相正交的異步電機模型。 旋轉(zhuǎn)變換(Park變換) , T的變換稱作Park變換，簡稱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)系的兩個直流分量產(chǎn)生同樣大小的同步旋轉(zhuǎn)磁動勢。 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的動態(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)變換將異步電機模型轉(zhuǎn)換到MT坐標(biāo)系中，其結(jié)果如下所示。異步電機在兩相靜止坐標(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）運動方程 （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)，消除了異步電動機在三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型中的一個非線性的根源。 異步電機在兩相同步旋轉(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）運動方程 (227)式(224)(227)是矢量控制中重要的方程式，接下來的基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制都要依據(jù)這些方程式。 異步電機矢量控制矢量控制(vector control)理論，是在20世紀(jì)70年代初由美國學(xué)者和德國學(xué)者各自提出的，以后在實踐中經(jīng)過改進，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，如果能保持勵磁分量不變，控制轉(zhuǎn)矩分量，就可以像控制直流電機那樣控制交流電機了。它們的誕生使交流變頻調(diào)速技術(shù)大大的邁進了一步，以后，在實際中許多學(xué)者進行了大量的工作，經(jīng)過不斷的工作，不斷的改進，歷經(jīng)30多年的時間，達到了可與直流調(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)，異步電機的矢量控制理論【15】【16】，就是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(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，把電機定子電流分解成互相垂直的勵磁電流 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，交流電機便等效成了直流電機。其中，交流電機的轉(zhuǎn)子總磁通就變成了等效的直流電機的磁通，M繞組相當(dāng)于直流電機的勵磁繞組，相當(dāng)于勵磁電流，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)電機的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖，異步電機等效成了直流電機，因此，可以模仿直流電機的控制方法來實現(xiàn)對異步電機的控制，先求得直流電機的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就實現(xiàn)了異步電機的矢量控制。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)計矢量變換控制系統(tǒng)時，我們可以認(rèn)為反旋轉(zhuǎn)變換 將與電機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)相抵消，2s/3s變換與電機內(nèi)部的3s/2s變換相抵消，如果忽略電流控制變頻器中的時間滯后。 轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理及結(jié)構(gòu) “感應(yīng)電機磁場定向的控制原理”，是人們首次提出矢量控制的概念，以后在實踐中經(jīng)過不斷改進，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)也稱為磁場定向控制，即選擇電機某一旋轉(zhuǎn)磁場方向作為特定的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)方向。對于異步電機矢量控制系統(tǒng)的磁場定向通常有三種，即轉(zhuǎn)子磁場定向，定子磁場定向，氣隙磁場定向等，本文采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制方法。 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)系下異步電機的磁鏈方程可得： （228） (229)對于交流異步電機有： ，電壓方程可以轉(zhuǎn)化為以下形式 (2