1、摘要异步电机无速度传感器矢量控制技术提高了交流传动系统的可靠性，降低了系统的实现成本。准确辨识电机转速是实现无速度传感器矢量控制的关键。本文对无速度传感器矢量控制系统进行了研究，建立了异步电动机无速度传感器电流模型的矢量控制系统。对基于该速度辨识模型的无速度传感器异步电动机矢量控制系统在不同的情况下进行了详细的研究。该方法依赖于电机参数，而电机参数在电机运动过程中变化很大，因而给出了对电的一些定、转子参数进行实时辨识方法，以保持系统的动、静态性能。简单介绍了基于 DSP 的异步电机无速度传感器矢量控制系统的硬件结构以及软件系统的设计。关键词: 异步电动机，矢量控制，无速度传感器，速度辩识，DS
2、P(数字信号处理器)ABSTRACTThe speed sensorless vector control of induction motor teehnology enhances the reliability of AC driving system，and reduces therealization cost，The key Problem 15 that how we canget thes Peed of motor aecuratel.This thesis made a study on the speed sensorless vector contorl system.
3、And built up induction speed sensorless veetor control System目 录第一章 概论 11.1 课题的研究背景及其意义 1.2 矢量控制和无速度传感器控制技术的现状第二章 异步电机无速度传感器转子定向控制理论 2.1 交流电动机的 SVPWM 技术2.1.1 交流异步电动机变频调速原理2.1.2 电压空间矢量 SVPWM 技术2.2 交流异步电动机的矢量控制2.2.1 交流异步电动机的矢量控制基本原理2.2.2 矢量控制的坐标变换2.2.3 转子磁链位置的计算2.3 交流异步电动机无速度传感器转子磁场定向控制2.3.1 交流异步电动机转子
4、磁场定向控制2.3.2 磁通观测原理2.3.3 基于数学模型的开环速度估计原理第 3 章基于 DSP 系统硬件3.1 主电源电路的设计3.2 控制电路的设计3.3 IGBT 驱动及电源电路设计3.4 系统软件的设计第 4 章总结与展望4.1 总结4.2 后期工作展望第一章 概论1.1 课题的研究背景及其意义电气传动技术是以电机为控制对象，以微电子装置为控制核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统，以达到控制电机转速或转矩的目的。电机可分为直流电机和交流电机，而交流电机又可分为异步电机和同步电机。这三种电机各有利弊:直流电机控制简单，调速性能好，故其主要
5、用于变速传动领域，但其缺点是结构复杂，成本高，电刷容易磨损，维护不方便，对环境的要求较高;异步电机结构简单，成本低廉，但由于其数学模型复杂，要实现对其控制相对困难，故长期以来其主要用于不变速传动领域;同步电机的优越性在于如果电源频率保持不变，则其转速就保持恒定，但过去一直存在着起动困难、重载时有发生振荡甚至失步的危险，故实际应用有限。然而在近几十年里，这种格局己经发生变化，随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的不断发展，诸多新型异步电机控制技术不断被提出，交流电机调速取得了突破性的进展，电气传动交流化的时代随之到来。交流变频调速系统具有优异的调速和起、制动性能及高效节电的效果，用变频调速技
6、术的电机，其容量、速度和电压等级都可以很高;调速系统体积小、重量轻、惯性小，运行可靠性高，维护工作量少，适宜恶劣工作环境，成本低。由于变频调速技术特别是矢量控制技术的突出特点，因此从一般工业技术到航空、航天军事工业，乃至家电空调、精密伺服机器人控制等等，变频调速技术无所不及，正在逐步取代直流调速。矢量控制技术作为一种高性能的变频调速技术，虽已在交流调速领域得到广泛应用，但其理论与应用仍不完善。要实现异步电机高性能的矢量控制，一般来说速度闭环是必不可少的，转速闭环需要实时的电机转速，速度传感器的安装增加了整个系统的成木和复杂性，影响检测精度，在恶劣条件下(如高温、潮湿等)，速度传感器的安装又降低
7、了系统的可靠性，除此之外，带速度传感器的矢量控制系统也不实用于转速高达每分钟几万转甚至数十万转的高速电机的高速运行。因此，研究无速度传感器矢量控制系统具有实际意义。无速度传感器的矢量控制技术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途径、方法不同之外，仍沿用磁场定向控制技术。因此，无速度传感器矢量控制技术的核心是如何准确的获取电机的转速信息。近年来，转速估计的方法不下 10 种，然而受转速估计精度和动态性能的影响，目前实用的无速度传感器调速系统只能实现一般的动态性能，其调速范围不过 l:10 左右。对无速度传感器的研究，国外早已起步并且实现了产品化，例如日立、东芝、三
8、菱、富士、ABB 等公司都推出了自己的产品;而国内在产品化及产品性能上远远落后于国外，理论研究水平也较落后，目前国内的研究仅限于少数几所高等院校，同时仅相当于八十年代中后期国外的水平。我国工业目前对通用型变频器的年需求量相当大，性能优异的无速度传感器调速系统更受青睐。而如今 80%90%的市场都被国外产品所占领，国内产品鲜有竞争力。因此，开发高性能的无速度传感器交流调速技术并尽快将之产品化，己成为振兴我国民族变频器工业面临的一个待解决的课题。1.2 矢量控制和无速度传感器控制技术的现状自 20 世纪 70 年代，德国西门子公司的 F.Blaschke 提出了“磁场定向控制的理论”和美国的 P.
9、c.Custman 与 A.A.Clark 申请了专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，矢量控制技术发展到今天己形成了各种较成熟并已产品化的控制方案，且都已实现无传感器控制，即用转速估算环节取代传统的速度传感器(如测速发电机、编码盘等 )。矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子三相交流电流 、 、 通过坐标变换变换到同步旋转坐标系轴系下的两相直流电流。实质上就AiBCi是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量:用来产生旋转磁动势的励磁分量和用来产生电磁转矩的转矩分量。然后像控制直流电机那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转矩的独立控制，再由变换方程把这
10、些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量，达到控制电机转速和转矩的目的。矢量控制的理论根据就是电机统一理论，在实现上将异步电动机的定子三相交流电流 、 、 通过坐标变换变换到同步旋转坐标系轴系下的两相直流电流实质上就是AiBci通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量:用来生旋转磁动势的励磁分量和用来产生电磁转矩的转矩分量。然后像控制直流电那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转矩的独立控制，再由变换方程把些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量，达到控制电机转速和转矩的目的。无速度传感器矢量控制技术是在上述矢量控制方案的基础上，利用电机定子边较易测得的电量(电压或电流)推算出电机的转速和
11、磁通，进而实现对转速的控制。它口前是众多国内外学者研究的重点和热点，主要是由于高性能的矢量控制系统必须采用速度闭环控制，而传统的转速检测装置多采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测。而速度传感器的应用往往存在以下问题:(1)增加了系统的成本:(2)使电动机轴向上体积增大，而且给电动机的维护带来一定困难，同时破坏了异步电机简单坚固的特点，降低了系统的机械鲁棒性;(3)若安装码盘，存在同心轴问题，安装不当将影响测速精度;(4)增加了系统的复杂性，降低了系统的可靠性;(5)有些场合不容许外装任何传感器。如此种种，影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性及系统的可靠性。无传感器矢量控制需同时推算转子磁通
12、和转速，虽然增加了系统软件的复杂性和计算量，但随着计算机技术的迅速发展，高运算能力的微处理器不断出现和普及，其应用前景广阔。无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本;另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。第二章 异步电机无速度传感器转子定向控制理论2.1 交流电动机的 SVPWM 技术交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛的应用。2.1.1 交流电动机变频调速的原理2.1.1.1 变频异步
13、电动机变频调速原理交流异步电动机的转速可表示如下：(1-1)spfn160式中，n 为电动机转速(r/min)； 为电动机磁极对数； 为电源频率 ； 为转差pfHzs率。由式(1-1)可见，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数 ，转差率 和电ps源频率 。其中，改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就f是所谓变频调速。2.1.1.2 变频与变压根据电机学理论，交流异步电动机定子绕组的感应电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，其有效值可由下式计算：(1-2)KfE式中， 为与电动机结构有关的常数； 为电源频率； 为磁通。Kf而在电源一侧，电源电压的平衡方程式为：(1-3
14、)jIxrEU该式表示，加在电机绕组端的电源电压 U，一部分产生感应电动势 E，另一部分消耗在阻抗(线圈电阻 r 和漏感 )上。其中定子电流：(1-4) 21I分成两部分：少部分( )用于建立主磁场磁通 ，大部分( )用于产生电磁力带动机1I2I械负载。当交流异步电动机进行变频调速时，例如频率 下降，则由公式(1-2)可知 降低；f E在电源电压 不变的情况下，根据公式(1-3),定子电流 将增加；此时，如果外负载UI不变时， 不变， 将增加将使 增加(见公式(1-4)，也就是使磁通量 增加；根据2II1I 公式(1-2)， 的增加又使 增加，达到一个新的平衡点。E理论上这种新的平衡对机械特性
15、影响不大。但实际上，由于电动机的磁通容量与电动机的铁芯大小有关，通常在设计时已达到最大容量。因此当磁通量增加时，将产生磁饱和，造成实际磁通量增加实际磁通量增加不上去，产生电流波形畸变，削强电磁力矩，影响机械特性。为了解决机械特性下降的问题，一种解决方案是设法维持磁通量恒定不变。即设法使：(1-5)常 数KfE这就要求，当电动机调速改变电源频率 时， 也应该作相应的变化，来维持它fE们的比值不变。但实际上， 的大小无法进行控制。E由于在阻抗上产生的压降相对于加在绕组端的电源电压 很小，如果略去，则公U式(1-3)可简化成：(1-6)EU这说明可以用加在绕组端的电源电压 来近似地代替 。调节电压
16、，使其跟随UEU频率 的变化，从而达到使磁通量恒定不变的目的。即：f(1-7)常 数fUE因此，在变频的同时也需要变压，这就是 VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)。如果频率从 调到 ，则电压 也要调到 。用频率调节比 表示频率的变化，fxfUx fK用电压调节比 表示电压的变化，则它们分别可表示为：UK(1-8)nxff(1-9)nxUK式中， 为电动机的额定频率； 为电动机的额定电压。nf nU要使磁通量保持近似恒定，就要使：(1-10)fUK变频后电动机的机械特性如图(1-1)所示。f n = 5 0 H Zf 0 f 1 f 2n 0n 1nn 2T c 0T c 1 T nT0(a)电动机向低于额定转速方向调速时的机械特性T c 2 T c 1 T n Tf n = 5 0 H Zf 1f 2f n f 1 f 2nn 2n 1n 00(b)电动机向高于额定转速方向调速时的机械特性
