密 级,单位代码,10422
分 类 号,学 号,200211449
硕 士 学 位 论 文
论文题目,
作者姓名 程金路
专业控制理论与控制工程
指导教师姓名专业技术职务 张承进 教授
2005 年 5 月 1 日
高性能感应电机电流控制研究
TP273
原 创 性 声 明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注 明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名,日 期,
关于学位论文使用授权的声明
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(保密论文在解密后应遵守此规定 )
论文作者签名,导师签名,日 期,
山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文
i
目 录
目 录,....................................................................................................,i
摘 要,...................................................................................................iii
ABSTRACT............................................................................................,v
符号注释,.............................................................................................,vii
第 1 章 绪 论,...................................................................................,1
1.1 引言,........................................................................................,1
1.2 感应电机电流控制,..................................................................,2
1.3 电流控制的研究与发展,..........................................................,3
1.3.1 滞环控制,......................................................................,3
1.3.2 PI 控制,........................................................................,5
1.3.3 有限拍控制,...................................................................,7
1.3.4 神经网络控制,...............................................................,8
1.3.5 模糊控制,......................................................................,8
1.4 本文的主要工作及内容安排,...................................................,9
1.4.1 本文的主要工作,...........................................................,9
1.4.2 本文的内容安排,.........................................................,10
第 2 章 预备知识,.............................................................................,12
2.1 引言,......................................................................................,12
2.2 坐标变换,...............................................................................,12
2.2.1 三相坐标系与两相静止坐标系,..................................,13
2.2.2 两相静止坐标系与两相同步旋转坐标系,...................,16
2.2.3 三相坐标系与两相同步旋转坐标系,...........................,18
2.3 感应电机数学模型,................................................................,18
2.3.1 三相坐标系模型,.........................................................,18
2.3.2 两相静止坐标系模型,.................................................,19
2.3.3 两相同步旋转坐标系模型,..........................................,20
2.3.4 按转子磁场定向两相同步旋转坐标系模型,................,20
2.4 矢量控制基本原理,................................................................,21
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ii
2.5 参数辨识与自校正控制,.........................................................,23
2.5.1 最小二乘参数辨识,......................................................,23
2.5.2 自校正控制,.................................................................,27
2.5.3 数值仿真,.....................................................................,28
2.6 小结,.......................................................................................,33
第 3 章 感应电机自校正解耦电流控制,............................................,34
3.1 引言,.......................................................................................,34
3.2 模型描述,...............................................................................,35
3.3 解耦控制,...............................................................................,37
3.4 定子电流控制,........................................................................,38
3.5 在线参数辨识,........................................................................,40
3.6 仿真研究,...............................................................................,41
3.7 小结,.......................................................................................,44
第 4 章 感应电机自适应有限拍电流控制,........................................,45
4.1 引言,.......................................................................................,45
4.2 模型描述,...............................................................................,45
4.3 电流控制器设计,....................................................................,46
4.4 在线参数估计,........................................................................,48
4.5 仿真结果,...............................................................................,49
4.6 小结,.......................................................................................,52
第 5 章 总结与展望,..........................................................................,54
参考文献,.............................................................................................,56
致 谢,.................................................................................................,63
攻读硕士学位期间完成的论文及参加的科研工作,.............................,64
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iii
摘 要
电力电子技术和控制技术的飞速发展,使得交流调速性能可以与直流调速相媲美，目前，交流调速已 进入逐步替代直流调速的时代。
在高性能感应电机转速、电流双闭环 调速系统中，首先要设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速 调节系统中的一个环节，再设计速度调节器。因此，电流控制环是双 闭环调节系统的重要组成部分，
电流调节器的性能直接影响着整个系 统的控制性能。人们已经对电流控制做了大量的研究，提出了很多有效 的电流控制方法。实际情况中，
感应电机的参数，尤其是电阻，会因 环境以及电机自身工作状态的影响而变化,利用基于模型的方法设计的控制器对 电机的参数变化敏感。
所以参数变化会极大地影响感应电机 的控制性能。本文将自适应控制方法用于感应电机的电流控制，依次探讨,(i)利用遗忘因子最小二乘
(LS)法辨识时变参数的问题； (ii)两相同步旋转坐标系下，感应电机模型的自校正 (STC)解耦电流控制； (iii)自适应的感应电机有限拍电流控制。
本文的主要工作如下,
考察了遗忘因子最小二乘递推算法开环辨识时变参数的过程中，
遗忘因子对于参数辨识结果的影响。又利用遗忘因子最小二乘递推算法设计极点配置自校正控制器，考察遗忘因子对于闭环辨识结果的影响，为设计自适应电流控制器作理论准备。
从物理角度利用状态反馈对感应电机的状态空间方程进行解耦，
然后用两个比例积分 (PI)控制器分别调节励磁电流和转矩电流。为了解决电机参数变化问题，保证解耦控制器和电流控制器的参数与电机的实际参数一致，对感应电机进行递推参数估计，在线校
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iv
正控制器参数，实现了自校正解耦电流控制。
设计了一种自适应的感应电机有限拍电流控制器。在两相静止坐标系里，通过差分消去电机模型中的反电动势，推导出控制电压的递推算法。利用补偿电压进一步消除电流误差。针对有限拍控制器对电机参数变化敏感的问题，在线辨识电机参数，保证控制器参数能够跟踪实际参数的变化。得到了鲁棒性强的有限拍控制器，获得了快速的动态响应和良好的稳态性能。
针对以上所探讨的自适应控制方案，分别进行了仿真研究。结果表明，本文提出的各种控制算法是可行的和有效的。
关键词,感应电机 ; 电流控制 ; 自适应控制 ; 参数估计 ; 鲁棒性
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v
ABSTRACT
The development of semiconductor technology and microprocessor
control technique has brought induction machine drives to high
performance applications,giving fast,near step changes in machine
torque,In high performance control of induction motor,the architecture
consists of a current control loop and a speed control loop,As a result,the
drive performance largely depends on the current control techniques;
current regulation plays a key role in the induction machine control,A
great deal of work has been undertaken to develop the current controllers,
Practically,induction machine parameters are known with a limited
accuracy,and are dependent on the frequency and operation conditions,
Thus,model based approaches suffer from the influence of the parameter
variation,This thesis studies the application of adaptive control in current
control of induction machine drives,(i)Identification of time-varying
parameters by recursive least square algorithm with forgetting factor is
investigated; (ii)A self-tuning decouple current controller is presented;
(iii)An adaptive deadbeat current controller in the two phase stationary
coordinates is proposed,
The main works of the thesis are as follows,
Both pole placement self-tuning controller and open loop
identification of time-varying parameters by recursive least square
algorithm with forgetting factor are investigated,The influence of the
forgetting factor to the estimation tracking performance is examined,
A feedback decoupling of the extended state equation is utilized,The
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vi
dynamics of the decoupled d and q axis currents are expressed by two
simple linear first order differential equations,thus two PI regulators
can be employed,Plant parameters are adjusted adaptively online to
tackle parameter sensitivity issues,The self-tuning decouple current
controller is proved to be effective,
An adaptive deadbeat current controller is proposed,since parameter
sensitivity issues decrease the system performance significantly,The
controller eliminates the machine back electro motion force with an
assumption that it is a constant in one sampling interval,A recursive
parameter estimation algorithm then adjusts the controller online to
guarantee the precise current tracking,independent of time-varying
motor parameters,Both satisfactory steady state performance and fast
dynamic response are acquired,
For the above-mentioned control schemes,simulation investigations
are carried out respectively,The results show that the adaptive
control algorithms are applicable and effective,
Keywords,Induction machine; current control; adaptive control;
parameter estimation; robustness
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vii
符号注释
A
v,
B
v,
C
v 三相坐标系定子相电压,V
a
v,
b
v,
c
v 三相坐标系转子相电压,V
ds
v,
qs
v 两相静止坐标系 d,q轴定子电压,V
dr
v,
qr
v 两相静止坐标系 d,q轴转子电压,V
dse
v,
qse
v 两相同步旋转坐标系 d,q轴定子电压,V
dre
v,
qre
v 两相同步旋转坐标系 d,q轴转子电压,V
A
i,
B
i,
C
i 三相坐标系定子相电流,A
a
i,
b
i,
c
i 三相坐标系转子相电流,A
ds
i,
qs
i 两相静止坐标系 d,q轴定子电流,A
dr
i,
qr
i 两相静止坐标系 d,q轴转子电流,A
dse
i,
qse
i 两相同步旋转坐标系 d,q轴定子电流,A
dre
i,
qre
i 两相同步旋转坐标系 d,q轴转子电流,A
dse
i,
qse
i 两相同步旋转坐标系 d,q轴参考电流,A
A
ψ,
B
ψ,
C
ψ 三相坐标系定子磁链,Wb
a
ψ,
b
ψ,
c
ψ 三相坐标系转子磁链,Wb
ds
ψ,
qs
ψ 两相同步旋转坐标系 d,q轴定子磁链,Wb
dr
ψ,
qr
ψ 两相同步旋转坐标系 d,q轴转子磁链,Wb
dse
ψ,
qse
ψ 两相同步旋转坐标系 d,q轴定子磁链,Wb
山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文
viii
dre
ψ,
qre
ψ 两相同步旋转坐标系 d,q轴转子磁链,Wb
do
e,
qo
e 两相静止坐标系 d,q轴反电动势,V
doe
e,
qoe
e 两相同步旋转坐标系 d,q轴反电动势,V
s
R,
r
R 定子、转子电阻,?
s
L,
r
L,
m
L 定子电感、转子电感、互感,H
sl
L,
rl
L 定子漏感、转子漏感,H
J 转动惯量,kg/m
2
e
T,
L
T 电磁转矩、负载转矩,Nm
e
ω,
r
ω,
sl
ω 同步、转子、转差角速度,rad/s
p 微分算子
N
p 极对数
r
τ 转子时间常数,s
-1
σ 漏感因子
A
N,
B
N,
C
N 三相绕组匝数
d
N,
q
N 两相绕组匝数
ABC
V,
abc
V 三相坐标系定子、转子电压矢量
dqs
V,
dqr
V 两相静止坐标系定子、转子电压矢量
dqse
V,
dqre
V 两相同步旋转坐标系定子、转子电压矢量
ABC
I,
abc
I 三相坐标系定子、转子电流矢量
dqs
I,
dqr
I 两相静止坐标系定子、转子电流矢量
dqse
I,
dqre
I 两相同步旋转坐标系定子、转子电流矢量
山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文
ix
ABC
ψ,
abc
ψ 三相坐标系定子、转子磁链矢量
dqs
ψ,
dqr
ψ 两相静止坐标系定子、转子磁链矢量
dqse
ψ,
dqre
ψ 两相同步旋转坐标系定子、转子磁链矢量
dqo
E,
dqoe
E 两相静止坐标系、同步旋转坐标系反电动势矢量
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1
第 1章 绪 论
1.1 引言
电能适宜于大量生产、集中管理、远距离传输和自动控制。人们为了生产和利用电能，积极致力于电机和电力工业的研究开发，在 19
世纪末已初具规模。电机作为一种能量转换装置在生产实践的各个方面占有非常重要的地位
[1]
。
旋转电机有直流电机和交流电机之分。交流电机主要可以分为同步电机和异步电机两类，因为异步电机的定子和转子之间没有电的直接联系，能量的传递靠电磁感应作用,所以也称感应电机
[2]
。从基本原理上看，发电机和电动机只不过是电机的两种运行方式，它们本身是可逆的。
由于直流电动机具有良好的起动特性，能在宽广的范围内平滑而经济地调速，所以它被广泛地用于电力机车、起重机和机床等高性能场合。长期以来，直流调速一直以性能优良领先于交流调速。随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。换向器的存在使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们从而转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的感应电动机。
感应电动机的数学模型和直流电动机 模型相比有着本质上的区别。
1) 感应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，实际的输入变量数目还要多。在输出变量中，除转速外，磁通也得算一个独立的输出变量。因为电机只有一个三相电源，磁通的建立和转速的变化是同时进行的，但为了获得良好的动态性能，还希望对磁通施加某种控制，使它在动态过程中尽量保持恒定。由于这些
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2
原因，感应电动机是一个多输入多输出系统，而电压、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统。
2) 在感应电动机中，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) 三相感应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，即使不考虑变频装置中的滞后因素，至少也是一个七阶系统。
总起来说，感应电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统
[3]
。感应电动机的调速性能难以 满足生产要求，于是，
从 20 世纪 30 年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。近年来，半导体技术和计算机控制技术的发展，电机绕组设计方法的改进，现代控制理论的建立和应用，为研制高性能、高效率、
高可靠性和低成本的感应电机调速系统创造了一个坚实的物质和理论基础。 60 年代以后，特别是 70 年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争，目前，交流调速已进入逐步替代直流调速的时代。
1.2 感应电机电流控制
参考速度
-
电流反馈速度
调节器
外环 内环
感应电机
控制电压参考电流速度反馈
电流
调节器
电压源
逆变器
-
图 1.1 转速电流双闭环调速系统结构图
在高性能感应电机应用中，转速、电流双闭环调速系统可以获得较高的控制性能。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系