变频器控制算法的研究.docx

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变频器控制算法的研究

摘要

20世纪60～70年代，随着电力电子技术的发展，采用电力电子变频器的交流传动系统得以实现，高性能交流调速系统应运而生。

通过分析交流传动系统的工作原理可知：

在各种异步电机调速系统中，效率最高，性能最好的是变压变频调速系统。

其主要控制方式有：

恒压频比方式，转差频率控制方式，矢量控制方式和直接转矩控制方式。

由于直接转矩控制方式采用定子磁链定向，对电机参数依赖较小所以具有控制手段直接、结构简单、性能优良的特点，备受人们关注并不断得到发展和完善。

采用模糊神经网络技术选择开关状态。

为了弥补了现代直接转矩控制中使用了模糊控制技术或神经网络技术的开关选择器和电阻观测器方法的不足。

模糊集合理论是介于逻辑计算和数值计算之间的一种数学工具。

它形式上利用规则进行模糊推理，但其逻辑值可在0和1之间连续变化，采用数值的方法而非符号的方法进行处理。

将模糊集合理论应用于各种控制中形成了模糊控制。

它模仿人的控制经验而不是依赖于控制的模型，实现了人的某些智能。

关键词：

变频器；直接转矩控制；磁链；模糊控制

Abstract

Inthe1960`s-1970`s,theexchangetransmissionsystemthatusedtheelectricpowerandelectrictechnologywasinventedalongwiththedevelopmentoftheelectricpowerandelectrictechnology,thehighperformanceexchangevelocitymodulationsystemhasairisedthehistoricmoment.

Theworkprinciplethatpassestheanalyticalexchangestospreadtomovethesystemcanknow:

Inanelectricalengineeringofvariousdifferenceadjustsoonsystem,theefficiencyistallest,thefunctionisbestistochangetopresstochangetheFrequencytoadjustsoonsystem.Itsmaincontrolmethodhave:

Theequilibriumpressurefrequencyismoretheway，Turnthebadfrequencycontrolmethod，ThevectorcontrolmethodandDirecttorqueControltheway.Itsmaincontrolmethodhave:

Theequilibriumpressurefrequencyismoretheway，Turnthebadfrequencycontrolmethod，ThevectorcontrolmethodandDirecttorqueControltheway.BecauseDirecttorqueControlthewayTheadoptionsettlesthesonMagneticfieldchaindefinitedirection,Totheelectricalengineeringparameterdependencesmallersohavethemeansofcontroldirect,thestructureissimple,goodcharacteristicsoffunction,enjoythepeopleconcernandgetdevelopmentcontinuouslyandperfect.

Adoptthemistynervenetworktechniquechoiceswitchappearance.FormakingupthemoderntoturndirectlytouseinthemoderndirecttorqueControlUsingthemistycontroltechniqueorthenervenetworkstechnicalswitchselectorandelectricresistancesprognosticatestheshortageofthemachinemethod.Thefaintnessgathertheoriesislietocomputeinthelogicandofthenumbercalculationofakindofmathematicstool.Itmakesuseoftheruletocarryonfaintness'reasonlogicallyformally,butitslogicvaluecanat0and1itconsecutionvariety,themethodoftheadoptionnumberratherthanthemethodofthesigncarriesontheprocessing.Gatherfaintnessthetheoriesapplicationinbecamethemistycontrolinvariouscontrol.Itcopiestheperson'scontrolexperiencebutisnotdependoninthecontrolofmodel,carriedouttheperson'ssomeintelligence.

Keywords:

Transducer；Directtorquecontrol；Statorflux；Neuro-FuzzyControl

目录

第1章绪论1

1.1概述1

1.1.1交流调速的发展及应用情况1

1.1.2本课题研究的目的与意义2

第2章异步电动机传动系统的控制策略4

2.1变频调速4

2.1.1变频调速原理4

2.1.2变频调速控制原理4

2.2变频调速控制方式6

2.2.1恒压频比控制6

2.2.2转差频率控制6

2.2.3矢量控制6

2.2.4直接转矩控制7

2.3直接转矩控制原理7

2.3.1定子电压矢量与定子磁链的关系7

2.3.2三相磁链时间的变化规律11

2.3.3磁链控制12

2.3.4转矩控制13

2.3.5零矢量的选择15

2.4弱磁范围内的调节方案的特点18

第3章直接转矩控制数字化方法的实现19

3.1数字化积分方法19

3.2基于直接转矩控制变频器的数字化实现20

第4章模糊控制器在直接转矩控制中的应用24

4.1模糊控制的实现24

4.2模糊神经网络控制技术发展与分类29

4.3模糊神经网络在变频控制系统中的应用29

第5章MATLAB仿真31

5.1MATLAB7.0语言简介31

5.2模糊逻辑工具箱的图形界面工具31

5.3MATLAB模糊逻辑工具箱与Simulink的接口32

5.4仿真结果32

第6章结论34

参考文献35

致谢36

附录37

第1章绪论

1.1概述

1.1.1交流调速的发展及应用情况

1.交流调速的发展情况

直接转矩控制变频调速技术，德语称之为DSR（DirekteSelbstregelung），英语称之为DSC（DirectSelf-Control），是近十年来继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流变频调速技术。

在1885年，世界上第一台交流电动机问世。

交流电动机，特别是笼式异步电动机，结构简单，坚固耐用，价格便宜，不需要经常维修，应用十分广泛。

交流调速和直流调速是传动领域的两大分支。

纵观电力传动的发展过程，交、直流两种调速方式并存于各个领域。

到了19世纪，由于交流电的出现，解决了三相制交流电的输送与分配问题，同时又制成了经济使用的交流鼠笼式异步电动机，这就使交流调速在工业中逐步得到了应用和发展，并把电力传动推向一个新的阶段——交流调速占主要地位。

交流调速涉及到包括电力半导体器件、交流电机原理、逆变技术、控制理论及电力电子技术在内的许多领域，成为一门跨学科的新技术。

交流电动机因为能够克服直流电动机的维护困难，受运行环境限制，向高电压、高转速、大容量发展困难等缺点，所以人们一直以来都在探索以交流调速代替直流调速。

19世纪30年代，就有人提出了有关理论。

到了60年代，随着电力电子学与电子技术的发展，交流调速得以迅速发展。

尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使交流调速传速得以飞速发展。

现今，交流传动系统已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应以及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性完全可以和直流传动系统相媲美,代直流传动。

2.交流调速的应用情况

在经济发达国家，交流调速的推广应用速度相当快，已遍布冶金、电力、铁路、运输、化工、民用等各个领域。

据BBC资料，1974—1988年提供了129套静止变频器。

在我国某电站，有目前最大的静止变频器，输出功率为60MW，即用于起动，又用于调速。

循环变流器供电的交流传动设备，国内大约有11套，7套是进口的，2套合作生产，2套是国产的。

从1985年开始，几乎各大钢铁厂都从国外引进了大功率交流调速设备，用于初轧机和连轧机。

目前，世界上最大的GTO逆变设备也在我国。

西门子公司生产的50多台交-交变频器，最大容量12700KW，其中9套用于我国各大钢厂初轧机主传动上。

国外各大公司在我国几乎都有中小型功率变频器代销点，可见我国对变频器的需求量很大。

3.变频器的发展状况及方向

分析交流传动系统的工作原理就可知道，在各种异步电动机调速系统中，频率最高、性能最好的是变压变频调速系统，而变频调速是应用最广的一种高性能交流调速方式。

因此，交流调速系统的发展就更要依靠于变频调速技术的不断完善。

由于微处理技术的快速发展，交流传动系统的变频控制经历了8位、16位、32位微处理器和高速数字信号处理器（DSP）三个发展阶段，已实现了系统的全数字化控制。

使控制电路大大简化，进而改善了系统的可靠性、可用性及可维修性。

而从第一代电力电子器件半控的晶闸管到智能功率集成模块的出现也进一步促进了交流调速的发展和更新换代。

特别是先进的控制理论（例如：

恒压频比控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、反馈线性化控制、自适应控制等）与先进的控制算法（例如：

模糊控制、神经网络技术等）在新型变频器上的成功应用，使得交流调速系统的功能更完善、调速性能也进一步提高，加快了交流传动取代直流传动的步伐。

在世界上，以600KW为标准把变频器分为大、中、小三类。

其中大容量变频器正朝着多品种、数字化、提高性能指标和扩大单片机容量方向发展，而且变频器多采用微机处理器（CUP）全数字化控制。

多CPU和高速数字信号处理器（DSP）的应用大大提高运算和处理速度，不但能快速完成多种任务，而且促使诸如状态观测器、参数估计器、非线性解耦等现代控制和智能控制理论及技术的实用化，大大提高了系统的控制性能。

中小型变频器正朝着小型化、低噪声、智能化、高性能的方向发展。

随着IGBT、IGCT等开关频率的提高（可达几十kHz）及专用集成电路（ASIC）、现场可编程门列阵器件（FPGA）、智能功率模块（IPM）的应用使变频器的体积大大缩小，用途更广泛。

1.1.2本课题研究的目的与意义

在交流传动系统的控制策略中，变频调速是最佳的调速方式。

变频调速技术是我国重点推广的十大高新技术之一。

目前我国生产变频器的企业已有近60多家，有的变频器技术指标已接近或达到国际水平。

国产的大功率交流设备的投入运行，结束了我国大功率交流调速装置长期依赖进口的历史。

但是在我国变频器市场百分之八十的产品仍为国外厂家产品所占据。

因此，有必要大力推动国产变频器的研制与开发。

在变频器的控制算法研究中方法很多，其中最热门的是直接转矩控制和模糊逻辑。

直接转矩控制具有转矩响应快、控制结构简单、对参数依赖性小、性能优良等特点，模糊逻辑可以进一步改善直接转矩控制系统的动态性能和稳态性能。

直接转矩的控制思想是直接利用逆变器的6种开关状态，简单得到六边形的磁链轨迹，通过改变磁链角的大小以达到控制的目的。

对于变频器控制算法的研究的成果可以广泛的用于交流调速领域。

如：

电力机车牵引的大功率交流传动、超高速压缩机、高压风机等驱动系统上。

其在生产活动中所起的作用以及所带来的生产效益都是显而易见的。

第2章异步电动机传动系统的控制策略

本章首先对变频调速原理进行了论述，并介绍了当今广泛使用的交流变频控制策略。

指出直接转矩控制方式是目前最为先进的控制方式，重点论述了直接转矩控制的原理及优点。

2.1变频调速

2.1.1变频调速原理

目前，在各种异步电机调速系统中。

变频调速系统的效率最高，且性能最好。

下面我来介绍变压变频调速原理。

异步电动机的定子绕组在流过电流时会产生旋转磁场，并在转子绕组内感应出电动势，因而产生感应电流。

这个电流与定子旋转磁场之间相互作用是产生了电磁力。

即产生了电磁转矩。

P对磁极的异步电动机在三相交流电的一个周期内旋转1/P转，因此旋转磁场的旋转速度即同步速度n1与极对数P及f1关系为：

n1=60f1/P。

由于在定子旋转磁场作用下异步电机的转子要产生转矩，因此同步转速n1与转子速度n不同。

则有转差率

。

所以转子速率可表示：

（2-1）

由此式可知，改变转子速度有三种方式，其中之一就是改变电动机的供电频率f1，来改变电动机转速的变频调速方法，可以得到基本平行的机械特性。

因此，这种方法具有调速范围宽，平滑性好、效率高的特点，并且有优良的动、静态性能。

所以，变频调速是目前应用最广的一种高性能交流调速方式。

2.1.2变频调速控制原理

在进行电机调速时，通常要考虑一个重要因素：

在设计电机时，为了充分利用铁心材料，一般将额定工作点选在磁化曲线开始弯曲处。

因此调速时希望保持电机中每极磁通量为额定值并保持不变。

因为磁通增加将引起铁心过分饱和、励磁电流急剧增加、导致绕组过分发热、功率因数降低，而磁通减少将使电动机输出转矩下降。

如果负载转矩仍维持不变，势必导致定、转子过电流，也要产生过热，故而希望保持磁通恒定。

根据异步电动机定子每相绕组感应电动势：

（2-2）

式中：

f1—定子频率；N1—定子每相绕组串联匝数；KN1—基波绕组系数；Φm—每极气隙磁通量。

由上式知，需要保持磁通Φm恒定，就要求在改变电动机供电频率f1的同时改变定子每相绕组感应电动势E1。

如果忽略定子阻抗压降，则E1≈端电压U1，即：

（2-3）

因此根据端电压U1和频率f1的不同比例关系，可以有不同的变频调速方式。

1.基频以下调速

由式（2-2）知，要保持Φm不变，当频率f1从额定值fN1向下调节时，必须同时降电动势难以直接控制，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压U1≈E1，则U1/f1＝常值，即采用恒压频比的控制方式。

低频时，U1和E1都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能忽略。

这时可以人为地把电压U1抬高一些，以便近似的补偿定子压降。

2.基频以上调速

基频以上调速时，频率可以从fN1往上增高，但电压U1却不能超过额定电压U1N，最多只能保持U1＝U1N。

由式（2-2）可知，这将迫使磁通与频率成反比的降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况结合起来，可得图2.1所示的异步电动机变压变频调速控制特性。

如果电机在不同转速下都能达到额定电流，即都能在升温允许条件下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。

按照电气传动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于恒转矩调速；而在基频以上，频率升高时转矩降低，属于恒功率调速。

图2.1异步电动机变压变频调速控制特性

2.2变频调速控制方式

随着变频调速方法的不断完善和发展，先后出现了很多的控制方式方法，其中主要有：

转速开环恒压频比控制（u/f=常数），转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。

而为了更好的实现这些控制方式，又加入了非线性、自适应、滑模变结构以及智能控制等技术。

然而，这些控制策略又各有优缺点，这就要求我们在实际应用中根据具体要求作适当选择，以得到最佳效果。

2.2.1恒压频比控制

异步电动机定子电压u1，定子电动势E1与气隙磁通ψm，有如下关系：

（2-4）

在异步电动机变频调速时，根据端电压u和频率的不同比率关系，可以有不同的变频调速方式，即：

基本以下调速和基本以上调速。

在基本以下调速时要求保持电压和频率的比值为定值。

这是因为要保持定子磁链不变，当频率从额定值向下调节时，电动势必须同时降低，使E/f=常值，即恒压频比控制。

这种方式只控制了电动机的气隙磁通，而不能调节转矩，性能不高不能使电动机的转速和转矩得到快速响应。

2.2.2转差频率控制

在电机稳态运行时，转差率S很小，转差角频率ωs也很小，这样，转矩公式可近似为：

（2-5）

式中Km是电机的结构常数，ψm是气隙磁通。

式（2-5）表明，在S值很小并与气隙磁通保持不变时，异步电动机的转矩就近似与转差频率成正比，也就是说在异步电动机中控制转差频率就代表控制转矩。

这就是控制转差频率的思想。

转差频率控制虽然能够在一定程度上控制电机转矩，但它依据的稳态模型，并不能真正控制动态过程中的转矩，从而得不到理想的动态控制性能。

2.2.3矢量控制

矢量控制技术的提出将交流传动向前推进了一大步。

它的控制思想是把交流电机模拟成直流电机，然而象控制直流电机那样对交流电机进行控制。

基本原理为：

以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的2个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，然后分别对其进行独立控制。

它虽然能得到像直流电机一样良好的动态特性。

但它需要进行复杂的坐标变换，并需要对转子磁链进行准确观测，而且对电机参数依赖性很大，难以保证解哦耦。

此外，过多的计算使矢量控制难以在一般单片机上实现。

2.2.4直接转矩控制

1985年德国鲁尔大学的德彭布罗克（Depenbrock）教授提出了直接转矩控制理论。

它有如下特点：

1.直接转矩控制电机定子侧的参数，即定子电压，电流，磁链，而不受转子回路参数变化的影响。

2.直接转矩控制运算均在定子静止坐标系中进行，不需进行坐标变换，简化信号处理过程，提高控制运算的速度。

3.直接转矩控制采用转矩闭环直接控制电动机电磁转矩。

4.直接转矩控制系统既直接控制转矩，又直接控制定子磁链。

5.直接转矩控制利用电压矢量的概念，综合控制逆变器的6个开关器件的导通与关断，使得逆变器开关器件开关次数小，开关损耗小。

同时直接转矩控制系统具有结构简单，控制性能优良。

控制思路新颖等优点。

下面我们将主要介绍直接转矩控制的原理。

2.3直接转矩控制原理

2.3.1定子电压矢量与定子磁链的关系

1.定子空间电压矢量

由电压型逆变器供电的异步电动机变频调速系统的主电路接线如图2.2所示。

图2.2电压型逆变器

为了便于分析，把直流电源E一分为二，两部分各为E/2，其中点O为零电压。

当逆变器采用双极性调制时，每相上下桥臂的开关器件是互锁的。

因而，六个开关器件的工作状态并不完全独立，实际上只有三个独立变量，如图2.2中的SaSbSc。

如我们规定开关导通状态用1表示，关断状态用0表示，则逆变器输出电压与开关状态对应关系为：

+E/2，Sa=1

Vao=

-E/2，Sa=0

+E/2，Sb=1

Vbo=

-E/2，Sb=0

+E/2，Sc=1

Vco=

-E/2，Sc=0（2-6）

三个开关量Sa，Sb，Sc共有八种组合，分别是

（SaSbSc）=（000），（100），（110），（010），（011），（001），（101），（111）

上述八种组合中，（000）及（111）状态下，电动机的线电压均为零，称为无效组合，其他六种组合称为有效组合，若有效组合依照式（2-6）次序循环作用，则逆变器输出电压Vao，Vbo，Vco和VabVbcVca随时间变化规律如图2.3所示。

Vao

0

Vbo

0

Vco

0

Vab

0

Vbc

0

Vca

0

图2.3逆变器输出电压波形

在对异步电动机进行分析和控制时，需对三相绕组分析和控制，从而使用Park矢量公式即：

（2-7）

其中用Vs代表定子三相线电压VabVbcVca的合成作用在定子静止坐标系中的位置，并用V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7分别表示八种开关组合状态下的电压矢量。

设Vao与a轴重合，以开关组合（SaSbSc）=（100）为例，由式（2-6）可导出电压矢量V1的大小和位置。

从图2.2中可知

即

=

=

（2-8）

上式说明组合（100）状态下电压矢量V1的幅值等于

，且与a轴重合，如图2.3所示。

用相同的方法可导出其它矢量的幅值。

β

V3V2

V7V1α

V40

V5V6

图2.4电压空间矢量图

从图2.4中可知，逆变器的六个有效工作状态给出了六个不同的电压空间矢量。

它们在坐标系中位置各差60度，周期性的顺序出现，且电压空间矢量的幅值不变。

因此，六个电压空间矢量的顶点构成一个正六边形。

六个电压空间矢量的顺序是V1（100），V2（110），V3（010），V4（011），V5（001），V6（101）。

它们依次逆时针方向旋转，两个无效电压状态V0（000）和V7（111）位于定子坐标系的原点。

2.定子电压矢量与定子磁链的关系

若略去定子绕组的电阻和漏感，则定子回路的电压平衡方程式变为

（2-9）

或

（2-10）

式中ψso------定子磁链矢量的初始值。

式（2-10）说明：

1）定子磁链矢量ψs的增长方向，即ψs矢头的运动方向决定于电压矢量Vs的方向。

2）ψs矢头的运动速率与Vs的幅值Vs的大小成正比。

3）若Vs=0，则ψs的矢头停止运动。

4）若有效电压矢量依照图所示的V1V2V3V4V5V6V7……的次序交替作用，且作用时间相等，则ψs矢头的运动轨迹为一正六边形，如图2.5所示。

β

b

V4V3

α

a

V5ΨsV2

V6V1

c

图2.5磁链轨迹图

按照上述几点结论，还可以得出以下两点推论：

1.若改变有效电压矢量的交替作用时间，即改变ψs的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值是不变的，所以它们的作用时间改变后正六边形的面积将会发生变化。

作用时间变短，面积将变小，磁链矢量的幅值ψs也将变小。

因此用这种方法可以控制异步电动机的弱磁升速，实现恒功率调速。

2.若在有效矢量的作用期间以一定的规律插入零矢量（V0V7），使有效矢量作用时，ψs以最