基于模型参考自适应控制的异步电动机速度辨识-尚媛.docx

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1、西安理工大学 硕士学位论文 基于模型参考自适应控制的异步电动机速度辨识 姓名：尚媛 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：钟彦儒 ;孙向东 20050301 论文题目 : 基于模型参考自适应控制的 异步电动机速度辨识 学科：电力电子与电力传动 作者：尚媛 导师：钟彦儒孙向东 职 称 ：教 授 副 教 授 答辩日期： 2005年 3月 摘要 无速度传感器矢量控制系统的关键环节之一就在于如何对系统进行准确的速度 辨识。本文分析了矢量控制的基本原理，对无速度传感器矢量控制转速辨识的多种 方案进行了比较研究，最终确定了基于无功功率的模型参考自适应控制方法进行速 度辨识的方案，并且采用

2、 MATLAB仿真软件对该速度辨识方案进行了仿真分析。在此 基础上，设计了以 TMS320F240 DSP为核心的控制系统，在 1.1kw电机上进行了速度 开环实验，实现了基于 V/F控制的模型参考自适应速度辨识方案。同时着重讨论了 基于直流母线电压和开关管状态的输出电压重构方法，分析了死区时间和开关器件 非线性对输出电压重构的影响。仿真结果和实验 结果证明了基于无功功率的模型参 考自适应速度辨识方案的可行性和正确性。 关键词：速度辨识 模型参考自适应控制 数字信号处理器 输出电压重构 Title： SPEED IDENTIFICATION OF ASYNCHRONOUS MOTOR BASE

3、D ON MRAS Autors: Tutors: ABSTRACT Sensorless vector control has been studied broadly, and speed identification of asynchronous motor exactly is very important. The theory of vector control is analyzed in this paper. Based on analysis of several schemes of speed identification, the control strategy

4、of reactive power model referencing adaptive system ( MRAS) is chosen. It is implemented via MATLAB software. Eventually the control system in the core of TMS320F240 DSP is designed, and the reactive power MRAS scheme based on a V/F open-loop control system is carried out for 1.1kw induction motor.

5、The reconstruction of output voltage is analyzed in terms of the DC-bus voltage and switching patterns of the inverter, and the effects of the dead-band time and non-linear characteristic of the switches on reconstruction of output voltage are studied. The results of simulation and experiment demons

6、trate the feasibility and validity of this strategy. Keywords: SPEED IDENTIFICATION MRAS DSP OUTPUT VOLTAGE RECONSTRUCTION 主要符号表 Usd d、 q系统中定子 d轴电压 叫一 d、 q系统中定子 q轴电压 isd d、 q系统中定子 d轴电流 isq d、q系统中定子 q轴电流 Id d、 q系统中定子 d轴磁链 Wsq d、 q系统中定子 q轴磁链 ird d、 q系统中转子 d轴电流 irq d、 q系统中转子 q轴电流 d、 q系统中转子 d轴磁链 Wrq d、

7、q系统中转子 q轴磁链 Rs 定子（折算后）的电阻 Rr 转子（折算后）的电阻 Ls 定子自感 Lr 一转子自感 Lm 定子和转子之间互感 Pn 电机极对数 0 一滑差速度 % 同步旋转角速度 P 微分算子 1绪论 1.1交流变频调速技术的发展与研究现状 交流电机变频调速技术是当今工业生产中实现优质、高产、低功 耗、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制 动性能、高效率、高功率因素和节能效果，被国内外公认为最有发展 前途的调速方式。 交流变频调速技术是强弱电结合、机电一体的综合性技术，既要 处理电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输， 通用变频器的发展是世界

8、高速经济发展的产物。特别是近二十年来， 由于电力电子器件的不断发展使变频器向高电压、大容量、小型化方 向前进，同时，由于微电子技术和 LSI技术的飞速发展，使变频调速 系 统的控制电路由原来的全模拟电路被全数字电路所取代。其控制核 心也经过了 8位通用单片机、 16位通用单片机、 16位专用单片机、通 用 DSP， 发展到了专用 DSP的地步。 交流传动与控制技术发展迅速，与电力电子器件制造技术、变流 技术、控制技术以及微型计算机和大规模集成电路飞速发展密切相关。 1.1.1功率器件的发展 电力电子技术一直是电机控制发展重要的基础，大功率半导体器 件的发展也制约着电机控制的水平。在低压交流电动

9、机的传动控制中， 应用最多的功率器件有 GTO、 GTR、 IGBT以及智能模块 IPM(Intelligent Power Module)， 后面二种集 GTR的低饱和电压特性和 MOSFET的高 频开关特性于一体是目前通用变频器中最广泛使用的主流功率器件。 IGBT由于其损耗低，开关速度快、电压高，容量大的特点，使其在通 用变频器中得到广泛应用。目前，第四代 IGBT的应用使变频器的性能 有了很大的提高。而 IPM的投入应用比 IGBT约晚二年，由于 IPM包 含了 1GBT芯片及外围的驱动和保护电路，因此是一种更为好用的集成 型功率器件。目前，在模块额定由流 10 600A范围内，通用变

10、频器均 有采用 IPM的趋向，其优点是： (1) 开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单。 (2) 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流， 能对功率芯片给予足够的保护，故障率大大降低。 (3) 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化， 所以浪涌电压，门极振荡，噪声引起的干扰等问题能有效得到控制。 (4) 保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护一应俱 全，随着技术的进步，保护功能将进一步日臻完善。 (5) IPM的售价已逐渐接近 IGBT“ 而计入采用 IPM后的开关电源 容量、驱动功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后 在许多场合其性价比已

11、高过 IGBT， 有很好的经济性。 从最初的晶体管到第二代的 GTR、 MOSFET再到第三代的 IGBT， 大功率半导体器件的性能不断提高，使得变频装置发生了根本性的变 化。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化方向发展。智能功率 模块 IPM是向第四代功率集成电路 PIC的过渡产品。它是微电子技术 和电力电子技术相结合的产物。它不但提供功率传输变换能力，而且 具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电 路、保护电路，具 有过流、短路、欠压与过热保护等功能。 1.1.2控制理论的发展 变频调速控制方式大体可分两种：开环控制和闭环控制，开环控 制有 V/F控制方式，闭环控制有

12、转差频率控制、矢量控制和直接转矩 控制方式。 V/F控制是在改变频率的同时控制变频器输出电压，使电机磁通保 持恒定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。因 为控制电压与频率之比，故称 V/F控制，该方式常用于通用变频器。 矢量控制是一种高性能异步电机控制方式。 1971年，德国学 者 F.Blaschke发表论文提出的 感应电机磁场定向的控制原理 和美国 P.C.Custman与 A.A.Clark申请的专利 感应电机定子电压的坐标变换 控制 ，为高性能的交流传动控制奠定了理论基础。矢量变换控制是以 交流电动机的双轴理论为依据，在同步旋转坐标系中把定子电流矢量 分解为两个分量：一

13、个分量与转子磁链矢量重合，称为励磁电流分量 ; 另一个分量与转子磁链矢量垂直，称为转矩电流分量。通过控制定子 电流矢量在旋转坐标系的位置及大小，即可控制励磁电流分量和转矩 电流分量的大小，实现象直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。 直接转矩控制是由鲁尔大学 Depenbrok教授在 1985年提出的，用 空间矢量的分析方法直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转 矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生 PWM信号，直 接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能。它 在很大程度上解决了矢量控制中计算控制复杂、特性易受电动机参数 影响的一些重大问题。 随着科技的发展，不

14、断出现了新的控制理论。基于现代理论的控 制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理 论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优 控制技术和 逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策略，有模糊 控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。 这些新控制理论的应用对交流调速系统的发展起着重要的作用。 1.1.3微处理器和专用集成电路 （ ASIC)的发展 控制技术的发展完全得益于微处理机技术的发展，微电子技术的 迅速发展，微处理技术的日益更新，使得电机控制技术开始由传统的 模拟技术转向微处理器控制的数字技术。其控制核心也经过了 8位通 用单片机、

15、16位通用单片机到高性能的面向电机数字化控制的工业单 片机 （ MCU等）和 高速数字信号处理器 （ DSP)， 电机控制系统的精度、 稳定性、抗干扰性、多功能化、通用化、性价比等大大提高。自从 1991 年 INTEL公司推出 8X196MC系列以来，专门用于电动机控制的芯片 在品种、速度、功能、性价比等方面都有很大的发展。 DSP可以满足 各种复杂的应用需求，实现高性能的电机数字化控制。如日本三菱电 机开发用于电动机控制的 M37705、 M7906单片机、美国德州仪器的 TMS320C24X DSP和 AD公司的 ADC401等都是颇具代表性的产品。 各种 ASIC芯片，如 PWM调制器

16、、矢量旋转器或全功能控制器等， 已广泛运用于电力电子系统中。将来的趋势是带有微处理器芯的混合 ASIC芯片，外围控制硬件及其固定的控制功能将由 ASIC实现，而受 系统参数变化影响的可编程控制和估值软件则由微处理器完成。电力 电子控制系统中的众多功能单元将由神经网络实现，并做在 ASIC芯片 上，最终整个电力电子控制系统必将集成于一片 ASIC之中。 1.1.4 PWM技术的发展 P酬控制技术是变频技术的核心之一。 P酬可以实现变频变压与抑 制谐波的特点，在包括交流传动的能量变换系统中得到广泛应用。 P酬 控制技术大致可以分为三类，正弦 PWM (包括电压，电流或磁通的正弦 为目标的各种 P酬

17、方案，多重 P酬也归于此类），优化 P酬及随机 P酬。 正弦 P酬已为人们所熟知，多重 PWM技术由于改善了输出电压、电流 波形，降低了电源系统谐波而在大功率变频器中有其独特的优势；优 化 P酬则是实现电流谐波畸变率 （ THD)最小，电压利用率最高，效率 最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标；为了改善电机绕组的 电磁噪音及谐波引起的振动，随机 P酬方法应运而生。其原理是随机 改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声，尽管噪音的总分贝 数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。 1.1.5计算机辅助技术的发展 随着计算机和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大， 速度越

18、来越快。为系统设计和仿真提供的软件越来越多，如 MATLAB、 Saber、 Pspice、 EMTP等。 MATLAB凭借其强大的矩阵运算能力、简 便的绘图功能、可视化的仿真环境以及丰富的算法工具箱，已成为科 研和工程技术人员的有力开发工具。控制理论方面的 一些新的想法、 新的控制策略都可以先通过 MATLAB进行验证、修改。 1.2本课题的目的和任务 (1) 研宄异步电动机无速度传感器矢量控制速度辨识的原理和方法，并 对控制系统进行仿真分析。 (2) 重点研宄基于模型参考自适应控制的电动机速度辨识算法，以及 分析基于直流母线电压和开关管状态的输出电压重构并讨论死区时间 及开关器件非线性对输

19、出电压重构技术的影响。 (3) 在建立基于 V/F控制的速度开环控制方案的基础上，实现基于无 功功率的模型参考自适应控制的电动机速度辨识方案。 (4) 在以 TMS320F240 DSP为核心的通用型变频器上，完成包括输入 信号检测、模数转换、键盘采样处理、 LED显示、算法定点处理、 PWM 波生成及保护功能等软件及硬件设计。 2. 矢量控制的基本原理 交流异步电动机是高阶、非线性、多变量、强耦合的时变参数系 统，对异步电动机直接实施控制很难达到直流电机的控制效果。异步 电动机矢量控制的基本思想就是把异步电动机的控制模拟成直流电动 机来控制。通过坐标系之间变换的方法，将定子电流分解为互不耦合

20、 的励磁电流分量和转矩电流分量，进行分别控制，使感应电机能够像 他励直流电机一样控制 【 m3】。 2.1矢量控制的基本原理 2.1.1矢量控制的基本概念【 5】 通常的变频调速系统的控制量是交流电动机的定子电压幅值和频 率（电压控制型 ） 或定子电流幅值和频率（电流控制型），它们都是标 量，故称为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电动机稳态运 行规律进行控制，不能控制任意两个磁通势矢量的大小和相对位置， 转矩控制性能差。 欲改善转矩控制性能，必须对定子电压或电流实施矢量控制，既 控制大小，又控制方向。一个矢量通常用它在直角坐标系上的两个分 量来表达，交流电动机的所有矢量 （ 磁 通势、磁链、电压、电流等） 都在空间以同步速度旋转，它们在定子坐标系（静止系）上的各分量， 即在定子绕组上的物理量，都是交流量，控制和计算不方便。因此借 助坐标变换，从静止坐标系变为同步旋转坐标系，这样电动机各矢量 都变为静止矢量，它们在坐标系上的各分量都是直流量，可以方便的 找到转矩和被控矢量（电压或电流等矢量 ） 各分量间的关系，实时的 算出被控矢量各分量值（直流给定量）。由于这些直流分量在物理上不 存在，因此再经坐标变换回到静止系，将上述直流给定量变换成物理 上存在的交流给定量，在定子坐标系对交流量进行控 制，使其实际值 等于给定值。整个矢量控制过程可用图 2-1所示框图表示。