1、上海大学硕士学位论文ABSTRACThiasPeedsensorlessvectorcontrolsystem，thePrecisionofsPeedestimationisreliedonthePrecisionofmotorparameterAccordingtothemathematicalmodeloflheinductionmodel，anewmethodtoidentifytheParametersofmotorhasbeenachieved，whichuseownresourceofthetransducerFirstly，thepaPerintroducesthethoroyo
2、fParameteridentiflcationwhichusestraditionalmetllod，andvalidatesitbysimulinkofMatlab.Theemulationalresuitsindicatesthatthisn1et11odcanofferquiteaccurateelectricalParameterforsPeedsensorlessvectorcontrolsystemSecondly，itdiscussesindetailthatthepWMvoltagesProducedbyfre甲encyconverteroneselfwasaddedonth
3、eelectricalmachineryasencouragingtocarTyontheexPerimentsofdirectcurrent，single币haseandzeroesload，thenthecurrentshavebeenmeasuredtocollI1tleaksthesense，rotorandleaksthesense，theresistanceofstatorandtheresistanceofrotorthoughthesofi、vareautomaticall丫Theresultsshowsitsatisfytherequestofvectorcontr01Fin
4、ally，Self0rganizecoI11PetitionNeuralNetworkisaPpliedintheParameters，identification，itstudiestheParameterswehavegot，theresultProvesitcanconvergequicklyandiI11ProvethePrecisionofmotorParameteridentificationW匕cangettheexactitudemotorParameterbyfronialtest，andtheresultissatisfied.Keywords:InductionMotor
5、，Parameterldentification，PWMSelf-organizeComPetition，NeuralNetworkVl上海大学硕士学位论文摘要在无速度传感器矢量控制系统中，转速估算的精度在很大程度上依赖于电机参数。本文从电机的数学模型出发，提出了一种利用变频器自身的资源来对电机参数进行辨识的方案。本文首先介绍了利用传统方法来测量电机参数的原理，并用MAI，LAB仿真软件对这种方法进行了仿真验证，仿真结果证明了这种方法简单易用，能够为无速度传感器矢量控制系统提供较高精度的电机参数，具有一定的可实施性。然后本文详细论述了利用变频器自身所产生的各种PWM电压作为激励加在电机上，对电
6、机进行直流、单相交流、三相空载试验，然后利用变频器所检测到的电流等量，通过软件计算，实现对电机的定子电阻、转子电阻、定子漏感、转子漏感、定转子互感的自动测试，并且给出了辨识结果。试验证明所得到的电机参数的精度满足矢量控制的要求。为了进一步使最后试验所得到的参数准确。本文最后介绍了在上位机中利用自组织竞争网络对试验所得到的数据进行学习，试验结果证明该神经元网络可以快速稳定地收敛，提高参数的辨识精度。通过以上的试验，对电机参数的静态测试得到了比较精确的电机参数，取得了令人满意的结果。关键词:异步电动机，参数辨识，PWM，自组织竞争，神经元上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明:所呈交的论文是本人在
7、导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表或撰写过的研究成果口参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名遏互熟日期:又沙习;.;.才本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名:呈咤鸟导师签名:日期:I孚卿3.1上海大学硕卜学位论文第一章绪论1.1引言电气传动实现着电能与机械能之间的能量变换，而电气传动控制则通过控制电机的电压、电流、频率等电气量，来控
8、制机械的位移、速度、转矩等机械量，使工作机械能按人们期望的要求进行工作，以满足生产工艺要求。工业生产和科学的发展，对电气传动控制系统提出新的更为复杂的要求，同时也为研制和生产各类新型装置提供了可能。现代电气传动技术是以电子计算机和其它电子装置为主要控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以控制理论和信息处理为理论基础，以从控制对象(各类电机)的物理规律中抽象出的数学模型为前提，以计算机数字仿真和辅助设计(CA-D)和辅助制造(CAM)为研究和开发的工具。直流电机传动与交流电机传动在19世纪中叶先后诞生，在20世纪大部分年代里，约占整个电气传动容量80%的不可调传动系统采用交流电机，只有2
9、0%高性能可调传动系统采用直流电机。交流调速的许多方案虽然早已提出，其性能却始终无法与直流调速相匹敌。近20年来，电力电子技术和微电子技术带动了新一代交流可调传动兴起，正在逐步打破这一格局。交流电机结构简单，无需机械换向装置，可适用于各种恶劣环境。但交流电机具有非线性强祸合多变量的性质，要获得满意的静动态性能相当困难。因此，长期以来，交流电机只被用于恒速传动系统，要发展交流传动使之能与直流传动并驾齐驱是人们长期的愿望，今天，这个愿望正在逐步地成为现实l1123j4。1.2交流异步电机控制策略发展概况异步电机调速系统种类很多，从转差功率的处理上可分为三大类:转差功率消耗型、转差功率回馈型和转差功
10、率不变型l1目前，在这三种调速系统中。转差功率不变型调速系统由于不论转速高低，上海大学硕士学位论文转差功率都只有转子铜耗，在同样负载转矩下基本不变，因此效率最高，变极对数调速与变频调速属于此类。变极调速只能有级调速，其应用场合有限。变频调速则是应用较广的一种调速方案。转速开环变频调速系统采用恒压频比带低频电压补偿的协调控制，其结构简单，成本较低，但调速系统静、动态性能不高，常用于风机、水泵类节能型调速系统。转速闭环转差频率控制的交流调速系统基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点，采用Pl型转速调节器，使转速无静差，稳态性能显著提高。在动态过程中，转速调节器饱和，系统能以最大转矩Tm加减速，保
11、证了在允许条件下的快速性、加减速的平滑性，容易使系统稳定。然而基本型转差频率控制是从异步电机稳态等值电路和稳态转矩公式出发的，“保持磁通恒定”的结论只在稳态情况下成立。电流调节器只控制了定子电流的幅值，而并未控制其相位，与直流双闭环系统比较，其动态性能仍存在一定的差距。异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强辊合的多变量系统，虽然可以通过坐标变换可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性，多变量的本质。因此，需要异步电动机调速系统具有高动态性能时，必须面对这样一个动态模型。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案己经获得了成功的应用，目前应用最多的方案有:按转子磁链定向的矢量控制系统和按定
12、子磁链控制的直接转矩控制系统。近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的发展，使传统的电气传动系统向智能化发展，既保证了系统的控制精度，又增加了系统的自学习，自调整及决策能力，提高了系统的智能化程度。1.3无速度传感器矢量控制系统矢量控制技术使得交流电动机获得了与他励直流电动机一样的控制特性，采用矢量控制技术的交流调速系统的性能达到了直流调速系统的水平。因此，矢量控制交流调速系统首先在对速度稳态精度、速度动态响应能力有很高要求的高性能控制领域(如轧钢、造纸等)迅速得到应用。在矢量控制交流调速系统中，用以上海大学硕士学位论文检测电机旋转速度的速度传感器是必不可少的，从一定意义上讲，速度传感器决定了高
13、性能交流调速系统的稳态精度，以及对动态转矩的控制能力。随着工业的发展与技术的进步，交流电气传动的应用范围不断扩大。在一般工业传动中也有采用矢量控制技术的倾向，以解决V/F控制存在低速力矩小、稳态精度低、动态性能不理想等缺陷。但矢量控制所用的高精度速度传感器存在下列问题:(1)环境适应性不强。不宜用于高温(高于60)、低温(低于一40)环境或较强震动的场合;(2)抗干扰能力差。速度传感器的输出信号容易受到各种扰动信号的污染，且传送距离受到限制;(3)高精度速度传感器价格昂贵，将显著增加中、小容量系统的硬件成本，并且不易维护;(4)安装在电动机主轴上的速度传感器有碍机械传动，使得系统的机械鲁棒性降
14、低。速度传感器造成的矢量控制系统在工业应用中的局限性，有违人们使用交流电动机，尤其是鼠笼型异步电动机的初衷。如果能够取消矢量控制系统中的速度传感器无疑能扩大矢量控制系统的应用范围，同时也提高了矢量控制系统的可靠性以及环境适应性。在这种情况下，就提出了无速度传感器的矢量控制。无速度传感器的矢量控制是在常规带速度传感器的矢量控制基础上发展起来的，除电机转速信息的获取方法、途径不同之外，仍沿用直接磁场定向控制技术，或间接磁场定向控制(又称转差频率矢量控制)技术。因此，无速度传感器矢量控制技术的核心问题是如何获取电机的旋转速度，解决问题的出发点是利用容易测量到的定子电流量、定子电压量推算出速度或估计出
15、转子磁链与速度，以便实现间接磁场定向控制或直接磁场定向控制团s。上海大学硕十学位论文1.4交流电机的参数辨识1.4.1交流电机参数辨识的必要性交流电机的控制性能在很大程度上依赖于电机模型的精度，在已知受控对象准确数学模型的基础上，可以采用各种灵活的控制策略，使系统满足于不同的性能指标要求。因此控制设计的首要任务使对受控对象进行辨识，以综合出其有效的数学模型。从系统辨识的角度来讲，受控对象的数学模型包括结构形式和模型参数两个方面，大量的电机理论研究和电机运行实践表明，异步电机数学模型的结构形式具有较高的可信度，故可认为异步电机的数学模型属于一个灰箱问题，其模型的精度直接取决于电机参数的精度。电机
16、参数精度与所采用的参数测定技术密切相关。由于无速度传感器矢量控制方案中要用到电机参数，而实际上在系统中不能预知现场所用电机的参数，也不太可能采用常规的空载试验和短路试验方法去测电机参数。所以作为通用变频器必须具有电机参数自测定功能，才能适用于不同类型的异步电机。利用变频器本身所发出的电压激励信号，然后获得电机的电流响应等量，通过软件运算，对无速度传感器矢量控制所需要的参数实现自动测试。1.4.2电机参数辨识的现状及主要方案近十几年来，各国学者对异步电机的参数辨识方法进行了深入的研究，主要有以下几种典型方法:(1)应用模型参考自适应系统对异步电机参数进行辨识，但是该方法过于复杂，且辨识精度不够精
17、确。(2)向磁链电流注入交流信号，通过测取注入电流响应辨识电机参数，但是该方法会导致异步电动机转矩和转速振荡。(3)自校正电动机滑模变结构法，采用自适应辨识方法比较简便可行。自适应系统能够认识环境条件的变化，并自动校正控制动作，使系统达到最优的控制效果。自校正控制的基本思想是将参数估计递推算法与各种不同上海大学硕士学位论文类型的控制算法结合，形成一个能自动校正控制器参数的实时计算机控制系统。(4)扩展卡尔曼滤波法是非线性系统最常用的一种递推滤波算法，被用于非线性系统的状态估计或线性系统的状态和参数联合估计，有抑制噪声干扰，提高状态估计准确度的优点。(5)可利用变频器本身对电机进行直流试验，单相
18、交流试验，三相空载试验，实现对电机参数的辨识。以上方案1一4主要用于异步电动机调速系统的在线参数辨识，或多或少要加一些额外的设备。且控制方法复杂，不易实现。随着调速系统的发展，在电机投入正常运行前的参数辨识方法，特别是不需要增加额外的设备而仅靠电动机调速系统本身的资源来进行的参数辨识方法己经成为现代电机参数辨识的一个方向。，这个就是电机参数自整定方法，采用的是电机参数离线辨识179113lll4lllslv。1.5课题研究的主要内容本文在综合研究国内外异步电机参数辨识技术的基础上，对电机参数辨识的理论和方法进行了深入的研究，主要进行了以下的工作:(1)对所提出的参数辨识方法进行理论上的研究和验
19、证，阐明了利用变频器自身资源进行参数辨识的方法，并且利用MATLAB仿真软件建立电机模型，对所提出的方法进行仿真验证。(2)在基于TI公司的TMS320LF2407A系列芯片的通用变频器上实现对异步电机的参数辨识，实现变频器的静态电机参数辨识功能。(3)介绍了自组织神经元网络在交流异步电机参数辨识中的应用。推导了用神经元网络处理数据的过程与算法，然后应用这种方法对所计算的参数进行参数的优化，得到相对比较准确的电机参数。上海大学硕士学位论文第二章静态电机参数辨识方案与原理2.1电机参数辨识方法综述根据无速度传感器矢量控制系统的要求，需要辨识电机的参数包括定子电阻R:，转子电阻R，漏感几:和气r，
20、互感气一共五个参数。根据前面的阐述已经得知，电机参数辨识方法可以分为在线辨识和离线辨识，由于在线辨识需要增加一些额外的设备，并且控制方法复杂，不易实现，所以准备采用离线的参数辨识方法。这种方案采用的是利用变频器自身的资源，在电机投入运行前对电机的参数进行辨识。目前，在文献上查到的静态辨识方法主要有两种:传统辨识方法及基于单相测试的等效电路参数辨识方法Ivjlo。2.1.1传统辨识方法所谓的传统辨识办法就是采用传统的直流试验，单相试验(或堵转试验)和空载试验来对电机的参数进行辨识，在大功率电机参数测量时，一般采用单相试验代替堵转试验，电机的一般等效电路如图2.1所示6l:尺气缘1川州|lesll
21、.甲。了七-书卜iI几!UI图2.1电机等效电路图直流试验是对电机加以直流电，由于电感对直流电流不起作用，从图2，1可以看出电感相当于短路，所测参数只是定子电阻R:。单相试验是对电机通以单相电，当电机通以单相电时生，所以其电磁现象与三相堵转时相同。从图2.1可以看出由于没有电磁转矩产，由于互感L。较大，上海大学硕士学位论文流过励磁回路的电流可以忽略不计，所加电压基本降落在定、转子电阻和漏感上。空载试验就是让电机在转子轴上不带负载，电源频率为额定频率，转速近似等于额定转速的情况下运行，此时等效电路中转子回路相当于开路，电压降落在定子电阻和互感上。2.1.2基于不同频率单相试验的参数辨识基于不同频
22、率单相测试的参数辨识方法只要做直流试验和单相试验即可，与传统的方法相比较等效电路参数辨识可以少做一个空载试验。电机定子电阻还是用直流试验来测量。原理为:利用电机的等效模型来进行辨识。通过做在码和叭不同频率下的单相试验，通过所测电流和电压有效值还有通过测量有功功率计算得到的功率因数角可以计算出电机的参数。以图2.1所示等效电路来推导电机参数的计算，设:L;=纵十几，LZ=纵+几，戈=口气凡=臼工口:戈=臼乙用(2.1.1)设所加相电压有效值为队，测得电流有效值为1.，功率因数角为。可得:_以乙_=一=大。+石【+11了见阴(凡十j入几)R，+j(戈+XZ)=凡长不戳。(2.1.2)竺。5。乙R了
23、+(弋R_X三二尺。+R+X+X丫X2sin口=xZ+戈R厂+X用xZ(X用+XZ)(2.13)R厂+(弋+x:)，=?竺人Re= 弋而又:凡。=凡一尺，所以，在鸟和叭不同频率下，通过计算可以推得所需测量的电机参数值为:上海大学硕士学位论文RZ、(外)(叫竺 姚闷-陈-码-叭X-X一X-XR，=所以，几 弋(叫生 Rr一凡彩码)码(2.1.4)L，二生.丛匹缪竺丝码VRr几:=Lor二人一气从以上公式可以看出要做。，和。2两个不同的频率下的单相实验，然后再取各自的值来完成以上计算。2.13两种方案的比较对于以上两种方案，虽然基于不同频率单相试验的辨识方法比传统辨识方法要少做一个空载试验，但是这
24、种方法计算复杂，计算精度不容易精确，很难达到要求。而传统的方法虽然多做一个试验，但是不浪费系统的软硬件资源，因为空载试验准备采用SVPWM实现，系统在正常工作时也是采用这种工作方式，并且这种方法实现起来比较简单，精度比较容易得到保证，所以本文准备采用传统的参数辨识方法来实现异步电机的参数辨识。2.2电机参数辨识的原理图22所示是交一直一交电压型主电路的逆变器和电动机负载，本节就结合电路介绍直流试验，单相试验和空载试验的实现原理。上海大学硕士学位论文图22试验主电路电路拓扑2.2.1定子电阻的辨识在试验中，准备给电机加以双极性的直流PWM电压，具体的方法如下:把B、C两相看作是一组，与叮，嘿组成
25、H桥电路，当输入正半周波形时制，VT.、叹导通，当输入负半周波形时，叹导通，嘿、嘿调制作时的等效电路如图23所示:叮调电路工凡Lm了1一2切Ln-一压虽-电一写+|幸图2乌直流试验等效电路此时，由于电路中所加为双极型直流PWM电压正负半周轮流导通电机中的电感吸收和放出的能量相等，所以电感的作用可以忽略，所以我们在计算电流的时候只要取电流的平均值就是我们想要得到的直流电流。而且由于采用的是双极性调制，直流母线电压较大，所以管子的开通压降对于电压来说可以是可以忽略不计的，并且死区的时间里相当于管子的正电压与负电压正好相互抵消，所以对计算结果没有什么影响。所以，当产生直流双极型PWM时，电压正半周期
26、占空比为D时，可以推得定子电阻辨识的公式为:R、二马(1一ZD) 1.51，(22.1)2.2.2转子电阻及漏感的辨识转子电阻和漏感的辨识是通过单相实验来实现的，由于单相电不能使电机产上海大学硕十学位论文生电磁转矩，其作用与三相堵转实验相同。在做单相试验时嘿、厂砚关断，在整个正弦周期上，由叮，嘿和叹，嘿互补导通，组成H桥的单相电路。然后通以单相的SPWM电压，进行单相试验。下面先介绍单相SPWM的生成原理:1964年，一位德国人率先提出了脉宽调制变频的思想，他把通讯系统中的调制技术推广应用于交流变频器。所谓的正弦脉宽调制(SPWM)波形，就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的
27、原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分成n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形就与正弦波的半周等效，称作sPWM波形15。sPwM有两种调制方式:单极性SPWM和双极性SPWM，单极性SPWM指得的是正弦波的正、负半周分别用正、负脉冲等效的方法调制。单极性SPWM波形在半周内的脉冲电压在“正”(或“负”)和“零”之间变化，主电路每相只有一个开关器件反复通断。采用双极性控制时，在全部周期内，同一桥臂的上下两只逆变开关管交替开通关断，形成
28、互补的工作方式。在单相实验时，忽略励磁回路的影响，电机的等效电路如图2屏所示。一。巩钱兰“代叭B一几图2井单相试验电机等效电路通常产生单相SP认叭1的方法有单极性和双极性两种。从图22所示逆变器的结构分析，单极性方法将叹和V双桥臂断开，在电压正弦波的正半周期中上海大学硕士学位论文让叹一直处于导通状态而对叮进行调制，使叹和嘿都处于关断状态;在电压波形的负半周期中，让叹一直处于导通状态而对嘿进行正弦调制，而使V不和叹都处于关断状态。这种方式产生PW入1的方法就是单极性方法，但值得注意的是，在正半周和负半周切换时，为了防止上下管直通必须在它们之间加上一个死区时间。双极性方法则将嘿和VTe桥臂断开，在
29、整个正弦周期上，让叮、叹和嘿、嘿互补导通，但此时必须在上下桥臂上加死区时间。由于电机的反电动势没有建立起来，所以电机的电流很大，因此加在电机上的电压不能太大，只能最大为额定电压的。4。单相试验时所加在电机上的电压为相位相差180度的A，B两相的相电压。U朋=U，一UB=U.sin(砚)一呱sin(研一180)(222)=2呱sin洲从式(2念2)可以看出，电机上的线电压都是正弦波，所以双极性方法也可以产生单相正弦电压。由于单极性方法需人工加上死区时间，在死区时间内即在在电压过零时，由于电感的作用电流不能突变，但是此时的电流变化率很大，所以存在电流突变的问题，使电流谐波增加，影响辨识参数的准确性
30、，所以本课题使用双极性方法来产生单相正弦波。设在t=0时刻，在两相绕组的两端产生一个基波频率为f=50伪，基波幅值2呱，基波相位为沪;的交变电压，然后对A，B相电流进行采样计算出相电流幅值几，然后通过相位检测器检测出此时电机工作时的功率因数角口。由于试验中定子漏感和转子漏感不能够分别辨识出，所以我们可以把定子漏感与转子漏感近似为相等。此时，转子电阻和漏感的计算公式为:上海大学硕士学位论文Rr二呱几cos夕 2一R、(223)戈=戈呱几sino 2(224)X，毛，=L，二2厂j(2之.5)，2.3互感的辨识互感的辨识是通过空载试验实现的，空载试验就是让电机在额定转速上空载转动，所加电压为Svp
31、认吸1调制电压，其工作原理为:SVPWM的工作原理是将逆变器和电动机看成一个整体，依据电机磁链和电压的关系，用八个基本电压矢量合成期望的输出电压矢量，实现交流电动机变压变频调速。从图2.2中逆变器的拓扑结构来看，逆变器件共有八种工作状态。如把上桥臂器件导通用“1”表示，下桥臂器件导通用“0”表示，则上述的)又种工作状态可相应的表示为100、110、010、011、001、101、111及00Oj又组数字。其中，前六个工作状态是有效的，后两个工作状态为零状态。而对于前六个有效的工作状态，我们可以用UI、UZ、U3、U4、US、U6六个空间矢量表示，它们幅值相等，相位不同。而两个零矢量，可用U7和
32、U:来表示，它们的幅值为零，无相位。图2.5给出了由这八个电压空间矢量组成的电压空间矢量图及六个扇区。(010)U3UZ(110)(011)U4Ul(100)(001)USU6(101)图25电压空间矢量及六个扇区上海大学硕士学位论文工作时用相邻的两个工作电压矢量来合成期望的电压矢量，如果期望的电压矢量沿半径恒定的圆形轨迹旋转，则在合成电压矢量作用下，异步电机可以获得幅值近似恒定、顶点沿圆形轨迹运动、平均速度可调的定子磁链矢量。而按照平行四边形法则，利用这八个电压空间矢量可合成任意的电压矢量。以第一扇区为例，用U，和认就可逼近所期望的电压空间矢量Ur。根据合成法则可得:兀=M兀sin于一0)=
33、MTssino“Ts一几一几(22石)弓T0M=其中万usEd(2_2夕)M为调制度，600060“)为电压矢量与所在扇区起始边的交角TL与TM分别为主辅电压矢量U，与姚的作用时间，Ts为调制周期。但Ts不一定恰好等于TL+TM，所以不足的时间就由零矢量所代表的工作状态来补充，实际上则为等待。即:T。=Ts一TL一TM。当电机在空载情况下运行时，电机的转速接近于同步转速，转差率接近于0，电机转子回路相当于开路，此时电路A相的等效电路如图2石所示leswt.下l0尺1:二一产r丫丫.勺卜tU图2石空载试验等效电路通过逆变器在异步电机定子三相绕组上施加基波频率为f二50Hz的5钾从zM电压，使异步
34、电机空载运行。所加相电压的基波幅值屹和基波初相位角都可由微机控制。选定一相电压相位为零的时刻开始对该相绕组中的电流进行采样。根据一个周期中的相电流采样的数据，可以计算出互感为:上海大学硕上学位论文二Xl=了份，一(22名)L_L_二一2汀1(22，9)上海大学硕士学位论文第三章电机模型的建立及参数辨识方法的仿真系统仿真软件MAJLAB不仅在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的分析和数据可视化方面有着其他类似软件难以匹敌的优势。界面友好，编程效率高，扩展性强，MATLAB提供的511吐LJLINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。SIMIJLNK的目的是能够让用
35、户把更多的精力投入到模型设计本身。它提供了一些基本的模块，这些模块放在浏览器里面，用户可以随时调用。当模型构造以后，用户可以进行仿真，等待结果，或者改变参数进行仿真08。本章的主要内容是利用SIMuLINK来构造电机的动态模型，并且对正弦PW飞4(sPWM)和空间矢量PWM(SvPW卜4)这两种控制方法来进行仿真，并且把这些控制方法所产生的激励加到电机仿真模型上来仿真验证参数辨识的方法。3.13.1.1电机参数辨识仿真模型的建立异步电机的动态数学模型及仿真模型113引异步电机的数学模型是一个高阶、非线性、强祸合的多变量系统川。在研究异步电机的多变量数学模型时，常作如下假设:(1)忽略空间谐波，
36、设三相绕组在空间对称互差120。，磁势在空间按正弦分布;(2)忽略铁芯损耗;(3)不考虑磁路饱和，即认为各绕组间互感和自感都是线性的;(4)不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。异步电机的数学模型由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成【2。电机三相原始模型卜海大学硕士学位论文凡二队二Rrc图3.1笼型异步电机三相绕组空间分布和三相坐标系如图3.1所示笼型异步电机三相绕组空间分布和三相坐标系，其中R表示电阻，L表示电感，下标5代表定子，下标r代表转子，a、b、。分别代表三相绕组，叭表示转子旋转角速度。在上述条件下得异步电机三相原始数学模型:磁链方程:承=Li(3.1.1)、=*厂+丝电压方
37、程:dt(3.1.2)转速方程:J面，_=1。一了1npdt(3.1.3)其中:电流矢量八凤。1二1。1叻ircr磁链矢量伞一加犯、，。、:。、，。、二T电压矢量反=u:。，。，。u。u叻u。了电感矩阵:一乙J乙3) ILrs今二门lleseseseseseseseseseeeello000oRrn八11onnn0凡n甘00凡OR:ORr00二凡00000厂les一!.名lesesesL- R电阻矩阵0000定子自感矩阵和转子自感矩阵分别为:上海大学硕士学位论文L。十乌从一告乌阴一告编一告编编+乌二一告乌，一告乌，一合LI，zas+乌m一一LssL。+LI，告乌二一合一合LI，一告石，L份+L
38、I。一告石，盖L。+乌，resesesesl胜L-一 厅 L互感矩阵为几。二赚几，L、石，cos风rcos(氏二一120)cos(氏，+120)L，.cos(只，+120)L，cos氏L。州cos(氏，一120“)L，.cos(65，一120。)L】，cos(osr+120)Ll二cos氏r转矩方程为:门leseeweesesesesesesJ气.骊气厂1一.IL干一胜.|Jsin焦冗二飞几。imise训sin(焦一1200)sin(焦+1200)sin(0sr+1200)sin(愁一12)sin焦sin(0sr+12汀)sin(gsr一1200)sin氏(3.1，4)其中，。:，为定、转子a
39、相绕组轴线的夹角，L。和L。为定、转子漏感，与。为互感，几为负载转矩，J为机组的转动惯量，。，为极对数，口;为电机转子的电气角速度。由以上方程可知，异步电机三相原始模型中的非线性祸合主要表现在磁链方程和转矩方程中，既存在定子和转子间的藕合，也存在三相绕组间的交叉祸合(三相绕组在空间按12扩分布)。而交流异步电机的能量转换及传递过程，决定了定、转子之间的祸合不可避免。由于定、转子之间的相对运动，导致其夹角氏;不断变化，使得互感矩阵乙5;和L。均为非线性变化矩阵。因此，异步电机三相原始模型相当复杂，求解困难。异步电机在两相静止坐标系上的数学模型:上海大学硕士学位论文经过三相静止/两相静止坐标变换及
40、两相旋转/两相静止坐标变换，可得异步电机在两相静止坐标系上的数学模型。电压方程:，.lesesesesesl.lsalsn.lral.#尸lesesweesesllweweseweweesJRI+LsP0L二尸一口，L，0RJ十乌尸。r纵L。尸0L。尸田rL，RZ+L，P(3.1.5)厂lesesesesesesesesesesesweL-一.leseseseseses月J招叨陌叨UUUUr.卫ee月esesesl.IIL磁链方程:OL.(3.1.6).偏协.偏啼千一lesL0气。红0吞几0L.Lso纵。一一一十一lesesJ川班限叨俨梦样尹一1:ai叨)(3.1.7) L 刀 -班叨-l0=
41、双一几(3.1.8)式中:、一登L，一。、。静止坐标系上定子与转子绕组间的互感，L，=、十号LI，一。、。静止坐标系上两相定子绕组的自感，L，一、十号L】。一。、。静止坐标系上两相转子绕组的自感，R，、。一定、转子电阻，兀为负载阻转矩，J为机组的转动惯量，。，极对数，。，为电机转子的旋转角速度。在进行交流传动控制系统仿真时，第一步必须建立异步电动机的仿真模型。为了使仿真结果尽可能地接近异步电动机的实际运行状况，仿真模型应该与异步电动机的原始模型尽量保持一致，在这种情况下，所得到的仿真结果才具有现实指导意义。在这里，以两相静止a、p、。坐标系中的数学模型作为建立仿真模型的依据，该数学模型是在变换
42、前后功率保持不变的约束条件下，经过三相静止到上海大学硕士学位论文两相静止坐标变换得到的，不需要其他假设条件。根据式(3.1.5)至(3.1.8)所列的电压、磁链、转矩和转速方程，就可得到异步电机在两相静止坐标系中的仿真模型，见(图32)朋即自傲是沈。，1币幻甩扁巴TL一二介-住刀叩-咧孙姚2异步电机在两相静止坐标系上的仿真模型usa/isa，us刀/15刀模块实现的功能就是异步电机在两相静|叫|日.刁|外|J-王呼，t-斌-。-陶-图2-JJ-图|.L-在止坐标系上的电压方程，ir刀/ir“，ir“/ir刀即为磁链方程。通过3/2变换，将三相静止坐标系中的电压“。、u。、u。转换成两相静止坐标
43、系上的电压气。、，(图33)。图中，、11一、，2=、，3=涯，龙，一K;_立 2。根据两相旋转/静止变换，将两相静止坐标系中的定子电流15。、isn转换成三相静止坐标系上的定子电流la、1。、1。(图3.4)。图中行2 KK21=K22二凡:一五上海大学硕士学位论文图3.3三相静止电压/两相静止电压+十扮图3.4两相静止电流/三相静止电流综合图3.2、3.3、34，就能得到异步电机的仿真模型，见图35。娟相钾止坐标系上电尔核型图3.5异步电机模型3.1.2在SIMULINK中单相SPWM及SVPWM生成单相SPWM在Simlink中的生成L海大学硕士学位论文所谓正弦脉宽调制(SPWM)波形，
44、就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分成n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点相重合。这样，由n个等幅不等宽的矩形脉冲组成的波形就与正弦波的半周等效，称作SP认妊波形。从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的方法是引用通讯技术中的“调制”的概念，以三角波作为载波，所期望的正弦波作为调制波，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数
45、值的矩形脉冲.使用双极性方法来产生单相正弦波，采用双极性方法产生的单相SPWM波加在电机上检测电机参数，在MATLAB中的仿真图如下所示:图3.6SP翎在51用LINK中的模型在图3.6中，Subsysteml模块所起的作用就是产生与正弦波比较的三角载波，三角载波与调制波比较后产生幅值为1的SPWM电压波形，然后乘以一个常数得到所需要的任意幅值的正弦SPwM电压。SVPWM在Simlink中的生成在变压变频调速系统中，异步电机由三相PWM逆变器供电，这时，供电电上海大学硕士学位论文压和三相平衡正弦电压有所不同。以直流侧中性点0为参考点，参见图3.7，则三目输出电压u*u。、u。只有两中电平+合
46、E。或一合E。以A目为例，上桥臂叭书导通，uA=定义5。=1;下桥臂从导通，u，=定义5:=0。这样 E +依据三相逆变器的开关状态，共有8种不同组合，在这)种电压矢量中，UO、U7的幅值为”，称为零矢量，其它六个电压矢量幅值均为号Ed，称为有效工作矢量。(010)uZ(110)uo(000)不(111)(100)us(001)疏(101)图3刀电压空间矢量电压空间矢量生成环节:以在时间上互差1200的三相对称电压源作为输入经过Park矢量变换后，形成幅值不变，以电源角频率恒速旋转的电压空间矢量五5，参见图3.8。Con盛曰n性上海大学硕十学位论文图3.8电压空间矢量生成环节SVP姗生成环节:
47、SVPWM生成环节参见图3.9。空间电压矢量云:的角度e为期望电压矢量与定子A轴的夹角。而利用M产ILAB的极坐标转换模块得出的角度e在一180。一180“范围内，所以应加上1800的角度偏移，将其折算成0一360范围内两个零阶保持器将空间电压矢量云，的角度和幅值都保持一个采样周期。开关函数生成环节将相应的开关函数序列号送入到Miltiportswitch(多路选择开关)，以选择八个空间电压矢量中的相应电压矢量。这八个空间电1J dE1一2 -压矢量是这样存储的，“一:，一。，它们分另“。一合Ed，一合Ed，.J dE1一2 -，“2一:合E。，二Ed。3=卜全Ed，合Ed，一全Ed】，。;一
48、卜合Ed，合Ed，合Ed，J dE1-2 l E1.1-勺升。=一工E月， 2一合:d，合“d，。6=【合Ed，一合Ed，“。一卜合Ed，一合Ed，一云6是有效工作矢量，。和反，是零矢量。 ，J d E112今“7=。合Ed，二Ed图3，svPwM生成环节将开关函数生成环节展开，参见图3.10。一方面，求出调制度M(见图3，8中的方框);另一方面，利用MATLAB函数对60取余(函数Mod(u，pi/3)，得到所在扇区内的电角度e，(e，是所在扇区内的空间电压矢量与扇区起始边的上海大学硕士学位论文夹角)，然后，根据式算出T，和TZ的大小;同时，用MATLAB函数fix(u*3/P1)+l求出扇
49、区号，也就确定了扇区内对应T，时间的起始矢量压T一用MATLAB函数mod(u，6)+l确定扇区内对应TZ时间的终止矢量叭，参见图3.7用Mod(u，2)函数来判断是奇扇区还是偶扇区，如果是奇扇区，则置1，如果是偶扇区，则置0。5一function函数根据输入的时间信号Tesve以or和电压矢量信号v一ector，生成开关函数序列号。其基本思想如下:按照开关损耗最小原则，在每一采样周期毛内，如果是奇扇区，电压空间矢量的输出顺序为:五。，石TI，云几，五7，五7，五丁:，叭，五。;如果是偶扇区，电压空间矢量的输出顺序为:云。，云几，叭，云了，云，五:，五几，五。将图3.7封装成“Power“模块，将图3.8封装成“SVPWM“模块，再将这两个模块和电机模型的模块组合起来，就可得到SVP认卞1在MATLAB中的仿真模型，参见图3.11。modu.2图3.10开关函数生成环节上海大学硕十学位
