密级 单位代码:10422 分类号:TP273 学号:200211449 东子 硕士学位论文 论文题目: 高性能感应电机电流控制研究 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
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 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被査阅 和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文 (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:
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 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 (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 目录 目录 摘要 ABSTRACT 符号注释 第1章绪论 1.1引言 1.2感应电机电流控制 1.3电流控制的研究与发展.… 1.3.1滞环控制 1.32PI控制. 1.3.3有限拍控制 1.34神经网络控制. 1.3.5模糊控制 4本文的主要工作及内容安排 3578899 14.1本文的主要工作 14.2本文的内容安排 第2章预备知识 2.1引言 22坐标变换 22.1三相坐标系与两相静止坐标系 222两相静止坐标系与两相同步旋转坐标系… 16 23三相坐标系与两相同步旋转坐标系 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 2.3.3两相同步旋转坐标系模型…… 2.、34按转子磁场定向两相同步旋转坐标系模型 20 24矢量控制基本原理 21
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
山东大学硕士学位论文 2.5参数辨识与自校正控制 2.5.1最小二乘参数辨识 2.5.2自校正控制 2.53数值仿真 2.6小结 第3章感应电机自校正解耦电流控制 3.1引言 3.2模型描述 3.3解耦控制 34定子电流控制 3.5在线参数辨识 3.6仿真研究 41 3.7小结 第4章感应电机自适应有限拍电流控制 45 1引言 45 4.2模型描述 45 4.3电流控制器设计 .46 44在线参数估计 4.5仿真结果 4.6小结 52 第5章总结与展望 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间完成的论文及参加的科研工作
山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 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
山东大学硕士学位论文 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;(i)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;(i)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
山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 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
山东大学硕士学位论文 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
山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 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
山东大学硕士学位论文 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 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 technique 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 riation. This thesis studies the application of adaptive control in current control of induction machine drives. (iDentification of time-varying parameters by recursive least square algorithm with forgetting factor is investigated;(iiA 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
山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 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
山东大学硕士学位论文 dynamics of the decoupled d and g axis currents are expressed by two simple linear first order differential equations, thus two PI regulato 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
山 东 大 学 硕 士 学 位 论 文 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
山东大学硕士学位论文 符号注释 三相坐标系定子相电压,V 三相坐标系转子相电压,V vds,"g 两相静止坐标系d、q轴定子电压,V 两相静止坐标系d、q轴转子电压 V,1 两相同步旋转坐标系d、q轴定子电压,V 两相同步旋转坐标系d、q轴转子电压,V IA,B,C 三相坐标系定子相电流,A Ia,b, Ic 三相坐标系转子相电流,A 两相静止坐标系d、q轴定子电流,A 两相静止坐标系d、q轴转子电流,A 两相同步旋转坐标系d、q轴定子电流,A 两相同步旋转坐标系d、q轴转子电流,A 两相同步旋转坐标系d、q轴参考电流,A W4,W,vc三相坐标系定子磁链,Wb 三相坐标系转子磁链,Wb yds,y 两相同步旋转坐标系d、q轴定子磁链,Wb 两相同步旋转坐标系d、q轴转子磁链,Wb 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 vii 符号注释 A v , B v , Cv 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 Ai , Bi , Ci 三相坐标系定子相电流，A ai , bi , ci 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 ψ A ,ψ B ,ψ C 三相坐标系定子磁链，Wb ψ a ,ψ b ,ψ c 三相坐标系转子磁链，Wb ψ ds ,ψ qs 两相同步旋转坐标系 d 、 q 轴定子磁链，Wb ψ dr ,ψ qr 两相同步旋转坐标系 d 、 q 轴转子磁链，Wb ψ dse ,ψ qse 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 两相同步旋转坐标系d、q轴转子磁链,Wb e.,e 两相静止坐标系d、q轴反电动势,V 两相同步旋转坐标系d、q轴反电动势,V R. R 定子、转子电阻,g L,, L, L 定子电感、转子电感、互感,H 定子漏感、转子漏感,H 转动惯量,kg/m2 电磁转矩、负载转矩,Nm O2,O1,O,同步、转子、转差角速度,rad/s 微分算子 P 极对数 转子时间常数,s 漏感因子 N,N,N三相绕组匝数 N. N 两相绕组匝数 三相坐标系定子、转子电压矢量 两相静止坐标系定子、转子电压矢量 两相同步旋转坐标系定子、转子电压矢量 三相坐标系定子、转子电流矢量 两相静止坐标系定子、转子电流矢量 Jv,Jl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 viii ψ dre ,ψ qre 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 Rs , Rr 定子、转子电阻，Ω Ls , Lr , Lm 定子电感、转子电感、互感，H Lsl , Lrl 定子漏感、转子漏感，H J 转动惯量，kg/m2 Te ，TL 电磁转矩、负载转矩，Nm ωe ,ωr ,ωsl 同步、转子、转差角速度，rad/s p 微分算子 pN 极对数 r τ 转子时间常数，s -1 σ 漏感因子 NA , NB , NC 三相绕组匝数 Nd , Nq 两相绕组匝数 VABC ,Vabc 三相坐标系定子、转子电压矢量 Vdqs ,Vdqr 两相静止坐标系定子、转子电压矢量 Vdqse ,Vdqre 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