（控制科学与工程专业论文）异步电机矢量控制系统的参数辨识研究.pdf

摘要 本文主要研究异步电机矢量控制系统中的参数辨识问题。目前， 矢量控制方法是交流调速领域较为成熟的控制方法，它基于转子磁场 定向通过旋转坐标系变换，实现定子电流的解耦。矢量控制建立在转 子磁链准确观测基础上，控制系统性能受电机参数变化影响较大。异 步电机受工况影响，电机参数会发生变化，特别是转子电阻和电感随 温度变化，导致转子磁链观测存在误差，影响定子电流完全解耦，从 而降低矢量控制系统性能。 论文简要介绍了异步电机矢量控制系统的组成以及工作原理，证 明电机参数辨识的必要性；借助m a t l a b s i m u l i n k 软件工具定量分析 了电机参数变化对转子磁链观测的影响，并定性分析了电机参数变化 对矢量控制系统稳态、动态性能的影响，阐明电机参数辨识的重要性。 为了抑制电机参数变化对矢量控制系统性能的不良影响，论文采 用模型参考自适应法在线辨识异步电机转子时间常数。推导了基于转 子磁链模型的转子时间常数辨识算法，但其辨识精度受定子电阻变化 影响较大。因此采用基于无功功率模型的转子时间常数辨识算法，消 除定子电阻变化对辨识算法的影响，并应用模糊控制技术改进自适应 律，提高该辨识算法的收敛速度，得到基于模型参考模糊自适应的转 子时间常数辨识方法。将这种参数辨识方法应用于异步电机矢量控制 系统，并利用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行仿真实验，仿真结果表明该 参数辨识算法具有良好的准确性和理想的收敛速度，明显改善了异步 电机矢量控制系统性能。 关键词异步电机，矢量控制，参数辨识，转子时间常数，模型参考 自适应 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep a r a m e t e r se s t i m a t i o no fv e c t o rc o n t r o l s y s t e mo fa s y n c h r o n o u sm o t o r a tp r e s e n t ，t h ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g y w o r k sw e l li nt h ef i e l do fa l t e r n a t i n gc u r r e n ts p e e dr e g u l a t i o n ，w h i c h b a s e so nr o t o rf l u xo r i e n t a t i o na n ds o l v e st h e d e c o u p l i n gp r o b l e mo f s t a t o rc u r r e n tt h r o u g hr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e mt r a n s f o r m b e c a u s et h e v e c t o rc o n t r o lb a s e do nt h ea c c u r a t eo b s e r v eo fr o t o rf l u x i t sp e r f o r m a n c e i s g r e a t l y a f f e c t e d b yt h ec h a n g eo fm o t o rp a r a m e t e r s h o w e v e r , a s y n c h r o n o u sm o t o ri si n f l u e n c e d b yw o r k i n g c o n d i t i o na n di t s p a r a m e t e r sc h a n g e e s p e c i a l l yt h er e s i s t a n c ea n di n d u c t a n c eo fr o t o r c h a n g ea st h et e m p e r a t u r e ，r e s u l t i n gi nt h ei n c e n s e m e n to f o b s e r v i n ge r r o r o fr o t o rf l u xa n di n c o m p l e t ed e c o u p l i n go fs t a t o rc u r r e n ts oa st or e d u c e t h ep e r f o r m a n c eo f t h ev e c t o rc o n t r o ls y s t e m r -一一一一一 lh ec o m p o n e n t sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mo f a s y n c h r o n o u sm o t o ri sp r e s e n t e db r i e f l yt op r o v et h a ti ti sn e c e s s a r yt o i d e n t i f ym o t o rp a r a m e t e r s a n dt h e nt h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r sc h a n g i n g o no b s e r v a t i o n a c c u r a c yo fr o t o rf l u xi sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e db y m a t l a b s i m u l i n ka n dt h ei n f l u e n c eo nt h ed y n a m i ca n ds t a t i cp e r f o r m a n c e o fv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi sa l s oa n a l y z e d ，s oi ti s i m p o r t a n tt oi d e n t i f y m o t o rp a r a m e t e r s i no r d e rt or e s t r a i nt h e b l i g h to fp a r a m e t e r sc h a n g i n go nv e c t o r c o n t r o ls y s t e m ，m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ei su s e df o rr o t o rt i m ec o n s t a n t o fi n d u c t i o nm o t o ro n l i n ee s t i m a t i o n t h em e t h o do fi d e n t i f y i n gr o t o r t i m ec o n s t a n tb a s e do nr o t o rf l u xm o d e li sd e d u c e db u tt h ec h a n g eo f s t a t o rr e s i s t a n c ea f f e c t sh e a v i l yo nt h ei d e n t i f i c a t i o na c c u r a c y t h e r e f o r e ， t h em e t h o do fi d e n t i f y i n gr o t o rt i m ec o n s t a n tb a s e do nr e a c t i v ep o w e r m o d e li su s e dt or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h ec h a n g eo fs t a t o rr e s i s t a n c e 。 a n df u z z yc o n t r o lt e c h n o l o g yi su s e dt oi m p r o v ea d a p t i v el a wt oi n c r e a s e c o n v e r g e n c er a t e ，a n dt h e nt h em e t h o do fi d e n t i f y i n gr o t o rt i m ec o n s t a n t b a s e do nm o d e lr e f e r e n c ef u z z ya d a p t i v ei s p r o p o s e d t h em e t h o di s a p p l i e di nv e c t o rc o n t r o ls y s t e m ， e x p e r i m e n tb ym a t l a b s i m u l i n k a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti ns i m u l a t i o n s h o w st h a tt h em e t h o do fi d e n t i f y i n g u r o t o rt i m ec o n s t a n th a sh i g ha c c u r a c ya n dc o n v e r g e n c er a t e ，a n di t i m p r o v e s t h ep e r f o r m a n c eo fv e c t o rc o n t r o ls y s t e me f f e c t i v e l y k e yw o r d si n d u c t i o nm o t o r , v e c t o rc o n t r o l ，i d e n t yp a r a m e t e r s ，r o t o r t i m ec o n s t a n t ，m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：多基塾盘日期：兰! 盟年月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：主基逸五导师签名罐1 11 , 1 ：之丝年 月笪日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 异步电机控制策略 第一章绪论 电动机是生产、生活中的重要动力设备，广泛应用于机械、矿山、纺织、造 纸、水泥、交通、钢铁以及农业灌溉等行业，按其工作原理分为直流电机和交流 电机。较直流电机，交流电机有结构简单，制造方便，价格低廉，转动惯量小， 维护方便，容量、电压、电流和转速上限高等优点。 随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技 术等支撑技术的快速发展，交流电机控制技术得到了飞速的发展，各种通用的、 高性能的交流传动系统相继出现。交流传动系统的性能比以前有了大幅度的提 高，具备了宽调速范围、高稳态精度、快速动态响应及四象限运行等良好技术性 能，其动、静态性能已达到可以和直流传动装置相媲美的程度。交流电机调速已 经取得了广泛的应用，并逐步取代直流调速。发展至今，异步电机较为成熟的控 制策略有以下三种： 1 变压变频控制策略 v w f ( v a r i a b l e v o l t a g ea n d v a r i a b l ef r e q u e n c y ，变压变频) 控制策略【1 】是异 步电机最简单的一种控制方法，在控制过程中始终保持电压和频率之比为常数， 来保证转子磁通的恒定，通过改变对异步电机的供电频率到达调节电机转速的目 的，也称恒压频比控制策略。 w 控制策略根据异步电机转速公式 刀= 刀o ( 1 一s ) = 6 0 石( 1 - s ) n 口 ( 1 - 1 ) 其中，坳为同步转速，s 为转差率，石为定子电压频率，为极对数。通过改变 对异步电机的供电频率来调节电机转速的目的。 v v v f 控制策略是以s p w m ( s i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，正弦脉冲 宽度调制) 技术为基础的恒压频比控制。1 9 6 4 年，a s c h o n u n g 和h s t e r n m l e r 将通信系统的调制技术应用到交流传动中，提出s p w m 技术。尔后，各种p w m 策略被提出，比如，以保证定子磁链轨迹为圆形的s v p w m ( s p a c e v e c t o r p w m ， 空间矢量脉冲宽度调制) 圆；以消除特定次谐波为目的的s h e p w m ( s e l e c t e d h a r m o n i ce l i m i n a t i o np w m ，特定谐波消去p w m ) 【3 4 j ；以提高直流电压利用率的 过调制技术【5 】；为了实现系统高性能的效率最优p v - r l v l l 6 1 ；为了减少电流谐波成 分的随机p w m l 7 1 。s p w m 控制方式的电路结构简单、成本较低，市场上己经有 很多商品化的s p w m 信号产生集成电路。但是，v v v f 控制系统性能不高、控 中南大学硕士学位论文第一章绪论 制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定 子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性交差。 2 矢量控制策略 2 0 世纪6 0 年代之后，电力电子器件、微处理器技术和现代控制理论的飞速 发展为交流电机调速技术的飞跃提供了条件。1 9 6 8 年，德国d a m s t a d t e r 技术大 学的h a s s e 博士初步提出了磁场定向( f i e l do r i e n t a t i o n ) 控制理论，之后在1 9 7 1 年德国西门子公司的eb l a s c h k e 等提出的“感应电机定向的控制原理 和美国 学者pc c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控 制 ，经过不断的实践和改进，形成了现已得到普遍应用的v c ( v e c t o r c o n t r o l ， 矢量控制) 变频调速技术。在此基础上，经过2 0 年的努力，又相继出现转差型 间接磁场定向矢量控制【8 1 ，定子磁场定向矢量控制【9 】，无速度传感器矢量控制 1 0 , 1 1 。现今矢量控制交流调速系统的性能已经达到直流调速系统的水平。交流传 动系统不仅可以应用于一般的交流调速领域，也可以应用于伺服控制这样高精度 的领域。矢量控制优点有以下四点【l l 】： ( 1 ) 可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广； ( 2 ) 可以对转矩实行较为精确控制； ( 3 ) 系统的动态响应速度很快； ( 4 ) 电动机的加速度特性很好。 但是，经典的矢量控制方法在具体应用中还存在不少的问题，比如对于异步 电机尤其是鼠笼式异步电机，电机参数由于温度的变化常导致磁场定向不准，影 响了矢量控制解耦的准确实现。国内外已经有很多学者对此做了大量的理论分析 和实验研究，也取得了很多的实际成果。人们不光围绕着矢量控制技术自身的系 统结构、非线性问题和电机参数变化影响系统性能等问题进行了大量的研究，还 将现代控制理论应用到了矢量控制之中，对矢量控制进行了拓展。 3 直接转矩控制策略 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授提出的d t c ( d i r e c tt o r q u e c o n t r o l ，直接转矩控制) 思想【1 2 1 ，这是异步电机控制策略的又一次飞跃。随后， 日本学者i 做a l l a s l l i 也提出了类似的思想【1 3 1 ，不过前者是基于六边形的磁链轨 迹，而后者是基于圆形磁链轨迹，但两者的基本思想是一致，都是通过检测定子 电压和定子电流，直接计算出交流电机的磁链和转矩，并利用两个滞环比较器， 直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制，其结构框图如图1 1 所示。 与传统的矢量控制通过控制定子电流和转子磁链而实现间接转矩控制不同， 直接转矩控制以定子磁场定向，直接把转矩作为被控量，通过控制电压空间矢量， 实现对转矩的直接控制。它不仅降低了对电机参数变化的敏感性，而且加快了转 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 矩的响应速度。此外，它还省去了坐标旋转变换、电流调节器和p w m 调制单元， 代之以滞环比较器和开关选择单元，大大地降低了系统的复杂性。 c 虮 图卜1 直接转矩控制的结构框图 但是，直接转矩控制仍然存在一些缺点，比如：低速时转矩脉动大，逆变器 开关频率变化，电流谐波成分大，磁链观测模型不够精确 1 4 - 1 r l 。针对以上缺点， 人们提出了一些改进方法，比如：注入抖动信号【9 1 ，基于空间矢量调制的无差拍 控制1 1 8 l ，最优开关时间1 1 9 1 ，转矩预测控制【2 0 】等。 综上所述，随着电力电子器件、微处理器技术和现代控制理论的飞速发展， 异步电机控制策略，大致经历了从恒压频比控制，到矢量控制，再到直接转矩控 制，这样一个发展过程。从最近十几年的发展来看，能获得比较好的转矩控制的 方法还是矢量控制和直接转矩控制。 1 2 异步电机矢量控制方法比较 矢量控制策略广泛应用于异步电机控制系统，并取得了良好的控制效果。根 据不同的设计和控制思想出现了四种常见的矢量控制方法【1 , 1 1 ，2 0 - 2 2 。 1 转差率矢量控制方法 日本学者y a m a m u r a 、n a b a e 等人基于矢量控制思想，应用稳态转差率，得 到转子磁场的位置，即转差率矢量控制方法。其控制原理是，根据异步电机的转 矩主要取决于电机的转差率，考虑转子磁通的稳态方程式，从转子磁通直接得到 定子电流d 轴分量，通过对定子电流的有效控制，形成了转差率矢量控制，从而 避免了磁通的闭环控制，不需要实际计算转子的磁链。该控制方法是用转差率和 测量的转速相加后积分来计算磁通相对于定子的位置。算法以定子电流的幅值、 相位和频率为控制量，保持电机的旋转磁场大小不变，而改变磁场的旋转速度， 以此控制电机，可得到无延时的转矩响应。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 转差率矢量控制方法结构简单，不需要实际计算转子磁链的幅值和相位，避 免了磁通的闭环控制，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统 的水平。然而，间接磁场定向控制对转子时间常数比较敏感，若该参数不准确， 计算出的转差率也不准确，得出的磁通旋转角度将出现偏差。这种控制方法不适 合高性能的电机控制系统。 2 气隙磁场定向矢量控制方法 气隙磁场的定向控制是将旋转坐标系的d 轴定向于气隙磁场的方向，此时气 隙磁场的q 轴分量为零。如果保持气隙磁通d 轴分量恒定，转矩直接和q 轴电流 成正比。因此，通过控制g 轴电流，可以实现转矩的瞬时控制，从而达到控制电 机的目的。 气隙磁场定向系统中磁通和转差之间中存在耦合，需要增加解耦器这使得它 比转子磁通的控制方式要复杂，但电机气隙磁通等状态能直接测量的优点。同时 电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理 饱和效应等问题。 3 定子磁场定向矢量控制方法 定子磁场定向的矢量控制方法，是将旋转坐标的d 轴放在定子磁场方向上， 此时，定子磁通的g 轴分量为零。如果保持定子磁通恒定，转矩直接和q 轴电流 成正比，从而控制电机。定子磁场定向控制使定子方程大大简化，从而有利于定 子磁通观测器的实现。然而此方案在进行磁通控制时，不论采用直接磁通闭环控 制，还是采用间接磁通闭环控制，均须消除耦合影响。因此，需要设计一个解耦 器，对电流进行解耦。 定子磁场定向矢量控制方法，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观 测器，非常易于实现，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简 单。然而低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差 较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能，定子磁场定向的矢量控制系统适 用于大范围弱磁运行的情况。 4 转子磁场定向矢量控制方法 转子磁场定向矢量控制方法，是在磁场定向中将d 、q 坐标系放在同步旋转 磁场上，将电机转子磁通作为旋转坐标系的d 坐标轴。若忽略由反电动势引起的 交叉耦合，只需检测出定子电流的d 轴分量，就可以观测转子磁通幅值。当转子 磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的q 轴分量成正比，通过控制定子电流的g 轴 分量就可以控制电磁转矩。因此称定子电流的d 轴分量为励磁分量，定子电流的 9 轴分量为转矩分量。可由电压方程d 轴分量控制转子磁通，q 轴分量控制转矩， 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 从而实现磁通和转矩的解耦控制。 转子磁场定向矢量控制方法，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精 度受转子时间常数的影响较大，降低了系统的性能。但它达到了完全的解耦控制， 无需增加解耦器，控制方式简单，具有较好动态性能和控制精度。 就以上四种电机控制方案而言，转差率矢量控制方法只考虑了转子磁通的稳 态方程，动态效果太差，不适合于高性能的电机控制系统，而气隙磁场定向矢量 控制方法和定子磁场定向矢量控制方法都没有实现电流的完全解耦，因此需要增 加解耦控制器，而转子磁场定向矢量控制方法是比较成熟的异步电机控制方法， 并广泛应用于生产实践。但是，要实现异步电机控制的高动、静态性能，需要解 决转子参数变化影响的问题。 1 3 异步电机转子参数辨识方法综述 异步电机的转子参数辨识，分为离线辨识和在线辨识两种。前者主要解决异 步电机的质量检测问题和异步电机调速系统启动时电机参数的自检测问题，后者 主要解决异步电机调速系统运行过程中电机转子参数变化的问题。本文主要讨论 异步电机转子参数的在线辨识问题。 从2 0 世纪8 0 年代开始，参数辨识就已成为异步电机调速系统研究和开发中 的一个较为重要的方面，国内外学者对此进行了大量的研究，并且将现代控制理 论、系统辨识理论等应用于参数辨识当中，提出了许多在线辨识的算法。通常， 电机参数辨识是把定子电流和定子电压值( 测量或重构得到的) 视为辨识信息。 实用的电机参数在线估计方案可以分为三类： 1 直接辨识方法 利用某些测量值和合适的感应电机稳态模型直接精确计算出电机参数，如信 号注入法。信号注入法辨识转子参数，此方法通过向系统注入特定的激励信号， 然后检测系统的某个或某些物理量的响应，再通过对这些响应信号的处理得到所 要辨识的电机参数。进行系统辨识时，激励系统时所采用的信号称之为激励信号， 激励信号可分为非周期激励信号和周期激励信号两大类。通常，使用的非周期激 励信号有脉冲信号、阶跃信号、斜坡信号，而使用的周期激励信号有简单的正弦 波信号，二位式信号。文献【2 3 】在正常的转矩电流分量上迭加了负序的高频摄动 电流信号，通过检测与扰动信号相应的电压信号来计算出定、转子电阻和电感。 这种方法的一个较突出的特点是，可以在电机空载情况下，辨识电机参数，但由 于激励信号的加入，在一定程度上破坏了电机真实的运行状况，有时甚至产生强 烈的转矩脉动，干扰了系统的正常运行。文献【2 4 】基于电机的动态数学模型，通 过在电机端注入直流或者单相交流电流，测量相应的电压响应，离线辨识出电机 中南大学硕士学位论文第一章绪论 的定子电阻、转子电阻、定子瞬态电感和转子时间常数。这是一种新的电流同步 方案，降低辨识算法的复杂性，但是无法应用于在线测量。电机参数直接计算方 法因其带来的负面影响较大，不利于实际应用。 2 间接辨识方法 通过自适应机构在线辨识电机参数，如最4 - - 乘法，m r a s ( m o d e lr e f e r e n c e a d a p t i v es y s t e m ，模型参考自适应系统) ，k a l m a n 滤波器，自校正方法。 ( 1 ) 最小二乘法作为一种回归估计方法，在目前电机参数辨识的研究中使 用得比较多，其既可用于电机参数的离线辨识又可用于在线辨识。其一般要求系 统的输出相对于被辨识参数是线性的，在满足这个条件的情况下，可以应用最小 二乘法及其改进的方法进行参数的辨识。在系统受白噪声干扰的情况下，最小二 乘法具有无偏性，一致性以及有效性等统计性质。文献 2 5 ，2 6 提出一种基于模 型概念的电机参数辨识方法。辨识算法的收敛性通过采集扩展数据和局部数据进 行了研究，但是此参数辨识方法需要检测所有的状态。文中提出一种参数子集的 在线辨识方法，通过仿真进行了验证，但是此方法计算太复杂，实时应用的可能 性有待进一步的研究。文献 2 7 弓1 k 渐消记忆最小二乘递推算法在线估计损耗模 型参数，提出了基于参数在线估计的异步电动机效率优化控制策略。文献【2 8 】针 对电机启动时的特殊情况，得出一种简化的电机模型，通过测量电机启动时的数 据，再通过最4 x - 乘法对电机参数进行离线的辨识。文献【2 9 】是通过检测电机的 定子电压、电流和转速信号，而不需要转子磁链信号，利用最小二乘法递推算法 对电机参数进行予辨识，由于不需要转子磁链，这样通过观测得到的磁链就不会 影响辨识的准确性，消除了参数计算和磁链观测之间的耦合。 ( 2 ) m r a s 利用参考模型和可调系统输出量的偏差，根据一定的自适应规 律来动态的更新可调系统的参数，使模型之间的广义误差为零，从而使可调系统 的参数与参考模型相同，达到参数辨识的目的。但是，这一方法的最大缺点是不 能确保所设计的自适应系统是全局渐进稳定的。直到p a r k s 提出应用l y a p u n o v 方法，l a n d a u 利用p o p o v 方法设计模型参考自适应系统之后，这一方法才引起 各国学者的重视。在m r a s 控制系统中，可调模型是对应着真实物理对象的， 参考模型是构造出来的；而在参数辨识时，参考模型是对应真实物理对象的，而 可调模型是构造出来的。利用两个模型输出量的偏差，根据一定的自适应规律来 动态的更新可调模型的参数，使模型之间的广义误差为零，就能够使可调模型的 参数与参考模型相同，达到参数辨识的目的。文献 3 0 3 2 采用p o p o v 超稳定性方 法设计自适应规律，同时辨识定子磁链和电机参数。文献 3 3 3 6 】则利用l y a p u n o v 定理得到参数的自适应规律。文献 3 7 ，3 8 】通过正实误差模型得到参数调整算法。 文献 3 9 1 提出一种基于m r a s 的电机转速和定子电阻并行辨识方法，此方法增加 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 了系统的复杂性。文献【4 0 】分析了转速观测与转子电阻辨识，指出当二者独立工 作时都无差收敛，但组合工作时无差收敛性无法保证，通过理论分析表明，无差 收敛性的破坏起源于异步电机的本质耦合，因而不可能构造出无差收敛的组合转 速观测器和转子电阻辨识器。 ( 3 ) 卡尔曼滤波器基于噪声的协方差，并将系统参数偏差视为一种噪声， 于是系统的参数辨识问题就转化成增广状态方程的滤波问题，而滤波问题由卡尔 曼滤波器解决。这一技术适用于非线性、时变、多输入多输出系统，的离线或在 线辨识。由于异步电机是非线性系统，因而需要用到扩展卡尔曼滤波算法进行辨 识。扩展卡尔曼滤波算法是一种迭代形式的非线性估值方法，此算法含有非常多 的矩阵运算，因此实时实现有一定困难。文献【4 l 】将转子磁通的两个分量和转子 电阻作为状态变量，应用扩展卡尔曼滤波器，观测降阶模型的状态。降阶的扩展 卡尔曼滤波器在一定程度上减少了观测过程的计算量，但是扩展卡尔曼滤波器不 能使得性能指标最小，并且无法保证模型的收敛性。文献【4 2 】采用扩展卡尔曼滤 波器观测电机磁通，同时观测转子电阻。对于p w m 供电的异步电机调速系统而 言，测量噪声和参数误差并不能作为白噪声来建模，因此限制了卡尔曼滤波器的 应用。此外，卡尔曼滤波器计算量非常大，即使采用降阶的异步电机模型来观测， 用d s p 或者微处理器来实时实现也是具有相当难度的。 ( 4 ) 自校正控制技术是针对结果已知和参数未知而恒定变化或缓慢变化的 随机控制系统。自校正控制系统的一个主要特点是具有被控对象数学模型的在线 辨识环节。此类系统要根据系统运行数据，首先对被控对象进行在线辨识，然后 再根据辨识得来的模型参数和事先指定的性能指标，进行在线的综合控制。文献 【4 3 】提出一种基于自校正方法的转子电阻在线辨识算法，文中主要分析了算法中 p i 调节律参数k p 、k ，、电阻初始设定值、转速和负载转矩的变化对辨识效果的 影响。讨论了负载转矩和转速对转子电阻辨识精度产生影响的原因。针对转子电 阻变化对异步电机调速系统的影响，会因为控制策略和控制结构的不同而有所差 别，文献【4 4 】提出了一种基于转子磁场定向的转子电阻自适应辨识方法，这种方 法利用电流模型中的g 轴磁链的偏差，产生转子电阻辨识的规律。这种方法结构 简单，计算量少。但是这种方法只适用于有速度传感器系统。对于无速度传感器 系统，由于速度误差导致的磁通观测误差和转子电阻变化引起的磁通观测误差相 互抵消，将导致辨识的失败。 3 智能辨识方法 使用人工智能技术如人工神经网络，模糊逻辑控制以及神经模糊控制等获得 电机参数的辨识值。以上所介绍的是电机控制中采用的较为经典的参数辨识方 法，各具特色，但也存在一些缺点，比如辨识精度受噪声的影响，且收敛速度和 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 鲁棒性有待改善。因此许多研究人员将智能控制理论应用到电机参数辨识领域， 以达到提高辨识精度和速度的目的。智能辨识方法，主要有模糊控制方法，神经 网络辨识方法等。近来有人还将小波变换，遗传算法应用到异步电机的参数辨识 当中，进一步开阔了参数辨识算法的研究方法。智能辨识方法普遍具有鲁棒性强， 精度高，收敛快等特点。 文献 4 5 】利用b p 神经网络，在考虑负载扰动的前提下，在线辨识异步电机 调速系统的参数。文献1 4 6 利用h o p f i e l d 神经网络，在考虑了传感器延迟特性下， 在线辨识异步电机调速系统的参数。文献【4 7 】采用微分进化算法来辨识电动机的 参数。文献 4 8 - 5 0 将小波分析和神经网络结合起来运用，进行参数辨识。而文献 【5 1 】则采用了基于神经网络的模糊控制器，应用这一算法对感应电机转子时间常 数进行了辨识。文献【5 2 】使用遗传算法进行电机参数辨识，在有很大噪声的情况 下，仍然找到了满意的参数，精度很高，具有全局寻优的能力，但实际应用有待 进一步的研究。这些方法普遍具有鲁棒性强，精度高，收敛快等特点，但是计算 量大，方法复杂，对于处理器要求非常高，因此离实际实用仍有一段距离。 1 4 课题研究目的及意义 目前，矢量控制策略已经广泛应用于异步电机控制，并取得了良好的控制效 果。然而，转子参数对控制系统的性能具有重要影响，且转子电阻会随工作环境 的变化而变化，这种变化不仅与电机温度有关，还与电机的磁链有关，当磁链饱 和时与弱磁控制时其值不同，与转子电阻有关的电机转子时间常数的变化可以达 到原值的o 7 5 到1 5 倍【3 兀。电机参数变化对调速系统的影响可以表现为如下三 个方面： 1 单位电流产生的力矩变小，导致在使用时不得不选取更大容量的逆变器； 2 产生的力矩非线性，导致速度闭环的性能变差： 3 动态运行中不能得到一个稳定、准确的磁通值，交、直轴电流产生耦合 效应，致使电机效率降低，造成能源的浪费。 由此可见，在异步电机矢量控制中，对电机转子参数的要求非常高，并且转 子参数又是容易发生较大范围的变化，有效的转子参数辨识方法对于异步电机矢 量控制系统来说是非常重要的。 1 5 论文主要研究内容 本文主要研究异步电机矢量控制系统中的参数辨识问题，简要介绍了异步电 机矢量控制系统的结构及组成，分析了电机参数变化对转子磁链观测精度和矢量 控制系统性能的影响，阐明了电机参数辨识的重要性。针对异步电机在运行过程 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 中受工况影响，导致电动机参数变化的问题，采用模型参考自适应法对电机参数 进行在线辨识。研究了选择不同模型所得模型参考自适应电机参数辨识法的辨识 精度和收敛速度存在差异，提出基于模型参考模糊自适应电机参数辨识方法，并 进行了仿真实验，结果表明该方法可行，能有效的提高矢量控制系统性能。 本文共分5 章： 第一章简要介绍了交流电机控制策略的发展，比较了四种矢量控制方法的优 缺点，并概述了电机参数辨识的重要性和常见的参数辨识方法。 第二章简要介绍了异步电机矢量控制的原理和系统结构，并分别介绍了控制 系统各组成部分工作原理和实现。 第三章着重分析了电机参数变化对转子磁链观测器观测精度和矢量控制系 统性能的影响，阐明了异步电机参数辨识的重要性。 第四章重点研究模型参考自适应电动机参数辨识方法，分析了该方法的优缺 点并加以改进，并将模型参考自适应参数辨识方法与矢量控制系统相结合，实现 电机参数在线辨识提高系统控制性能。 第五章是全文的总结，对研究内容和所做的工作进行总结，并对以后继续研 究的内容加以展望。 9 中南大学硕士学位论文 第二章异步电机矢量控制基本原理 第二章异步电机矢量控制基本原理 2 1 异步电机数学模型 2 1 1 等效电路 异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此对异步电机的数 学模型进行分析时，常作如下的假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 度电角度，所产 生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，认为各绕组的自感和互感都是恒定的； ( 3 ) 忽略铁心损耗； ( 4 ) 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 这样，异步电机数学模型等效电路如图2 1 所示【5 3 l 。 图2 - 1 异步电动机空间矢量等效电路图 图中，p = d d t ，r 。、r ，分别为定子电阻、转子电阻，沙。、，分别为定子磁 链、转子磁链，t 、分别为定子电流、转子电流，材。为定子电压，( 1 9 ，为电机转 速，三。、工。、三，分别为定转子互感、定子电感、转子电感。 异步电机的数学模型和直流电机的数学模型相比有着本质上的区别【l 】： ( 1 ) 异步电动机变频调速时需要进行电压和频率的协调控制，有电压和频 率两种独立的输入变量，如果考虑电压是三相的，实际输入的变量数目还要多； ( 2 ) 在异步电动机中，磁通乘电流产生转矩，转速乘磁通得到旋转感应电 动势，由于它们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项，这样 一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的； ( 3 ) 三相异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕 组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再加上运动系统的机电惯性，即使不考虑变 频装置中的滞后因素，至少也是一个八阶系统。 l o 炸哆 母 - 中南大学硕士学位论文第二章异步电机矢量控制基本原理 异步电机在三相静止坐标系下的动态数学模型，由电压方程、磁链方程、转 矩方程和运动方程组成。然而，由于各变量之间的强耦合性，要分析和求解非线 性方程组是非常困难的，所以通常需要采用坐标变换的方法加以改造，使数学模 型简化成比较简单的等效的直流电机数学模型。坐标变换的前提是保持总磁动 势、功率保持不变，保证了坐标变换的可行性和有效性。 2 1 2 坐标变换 坐标变换的目的是：简化异步电机数学模型，将交流电机数学模型等效地变 换成直流电动机数学模型，从而大大简化异步电机分析和控制。坐标变换须从简 化磁链关系入手，因为复杂的电感矩阵( 6 x6 矩阵) 体现了影响磁链和受磁连影 响的复杂关系。坐标变换的原则是：在不同的坐标下所产生的磁动势完全一致， 实现不同电机模型彼此等效。 ( 1 ) c l a r k e 变换 在三相静止绕组a 、b 、c 和两相静止绕组口、之间的变换，或称三相静 止坐标系( a b c 坐标系) 和两相静止坐标系( 筇坐标系) 之间的变换，简称 3 2 变换，即c l a r k e 变换。 置 i 、 。 _、 以蠡 i 。z 一a n ，i a - d 版 7 二 冶 c 图2 - 2 三相和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 图2 - 2 绘出了a b c 和筇两个坐标系，取彳轴和口轴重合。设三相和两相绕 组每项有效匝数分别为，、n 2 ( 考虑变换前后总功率不变，则匝数比为【i j n ，n ，：2 3 ) ，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量位于相关 相的坐标轴上，幅值随时间变化。设磁动势波形为正弦，当三相总磁动势与两相 总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在口、轴上的投影应该相等，得： 2 i a = n 3 一3 c o s 6 0 0 n 3 tc o s 6 0 0 ，、 2 = n 3 i ns i n 6 0 0 n 3 i cs i n 6 0 0 中南大学硕士学位论文 第二章异步电机矢量控制基本原理 由此求得c l a r k e 变换矩阵c 3 ，2 和反c l a r k e 变换矩阵c 2 ，3 分别为： l l 2 2 矗压 2 2 0 压 2 压 2 按照所采用的条件，电流变换阵也就是电压变换阵和磁链变换阵。 ( 2 _ 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 ) p a r k 变换 从两相静止坐标系到两相旋转坐标系( 脚坐标系) 的变换称作- - 相_ _ - - 相 旋转变换，简称2 s 2 r 变换( s 表示静止，r 表示旋转) ，即p a r k 变换。 i h j 坷 、 “声 t 。m 纵妒。 图2 - 3 两相静止和旋转坐标系与绕组磁动势的空间矢量 在图2 - 3 中，两相交流电流、和两相直流电流乙、，产生同样的以同步 转速q 旋转的合成磁动势只。由于各绕组匝数相等，可以消去磁动势中的匝数， 直接用电流表示。脚坐标系和矢量只都以转速q 旋转，口轴与m 轴的夹角缈随 时间而变换，因此电流矢量乙和的幅值保持不变，而电流矢量和如的幅值随 时间变化。 由两相静止和旋转坐标系下总磁动势相等，得p a r k 变换矩阵c ：m ，和反p a r k 变换矩阵c ：m ，( 电压和磁链的旋转变换阵相同) 分别为： c 2 们，：lc ? 缈8 1 婶f ( 2 - 4 ) l s i n 缈c o s 缈j c 2 ，2 。：罡矽。8 1 即i ( 2 - 5 ) 1 2 ，一2一2 一 一 ，。l 压惦 中南大学硕士学位论文第二章异步电机矢量控制基本原理 2 1 3 数学模型 ( 1 ) 两相静止坐标系下的数学模型 两相静止坐标系( 筇坐标系) 的坐标轴静止不动，而坐标轴相对于转子的 转速为一织。由于两相坐标轴相互垂直，两相绕组之间没有磁耦合，从而使异步 电机数学模型简化许多。经c l a r k e 和p a r k 变换后，得出异步电机在筇坐标系下 的数学模型。 电压方程 豫= r ，k + p j ；f ，麒 铀醇。r s ? 七p 叩s 8 ( 2 - 6 ) ”甩= r ，k + p f ，旭+ c o ，y 够 “带2r ，i n g + p g n 8 一，少m 磁链方程 _ l l ，啦= l s i m + l 协i 幢 2 锄+ ? 锄( 2 - 7 ) y 旭= 厶+ v 吊= l 哆+ l r i 哆 转矩方程 t = r i p l ( 如k 一k ) ( 2 - 8 ) 运动方程 疋；瓦+ 鲤 ( 2 9 ) 刀p 其中，丘、分别为定子电感、转子电感，瓦为负载转矩，为机组的转动惯 量。 ( 2 ) 两相同步旋转坐标系下的数学模型 两相同步旋转坐标系( m t 坐标系) 其坐标轴以同步角速度q 旋转，而坐标 轴相对于转子的转速为吃= q q ，即m t 坐标轴相对于转子的角速度为转差。 根据异步电机在妒坐标系下的数学模型，得出异步电机在t y f 坐标系下的数学 模型。 电压方程。 一 稚潮= r s i 。+ p vs m 一渖n 材对= 尺s + p q 耵+ l y 肺 ( 2 1 0 ) ，= r ，+ p l | f ，。一鸭j c ，一 “一= r ，0 + p ( ，f + ，l f ，瑚 1 3 中南大学硕士学位论文 第二章异步电机矢量控制基本原理 慨链万柱 缈册= l ，乙+ l i 。 沙甜= s + 三m ( 2 1 1 ) f ，册2l m i 册+ l ，l 朋 vq = l m i q + l r i n 转矩方程 t = n p l ，( f ，一0 ) ( 2 1 2 ) 运动方程，同式( 2 8 ) 。 考虑笼型转子内部是短路的，有“。= = 0 。由式( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 、 ( 2 1 2 ) 消去、y 堋、沙玎，经整理即得国，一沙，一t 状态方程： p q = 警( 帆号瓦 p ，= 一f 1 沙，+ ( q q 渺一一等 p y 一= 一f 1y “q 叫渺一号 ( 2 - 1 3 ) p 。南去懒一笔笋嘲+ 小南”去州，一等笋一q 去 其中，仃= 1 一丢专为漏感系数，z = r , 为转