智能控制在感应电动机矢量控制中的应用研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 6.63MB 71 页 15积分
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i
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ........................................................................................................................................ 1
§1.1 本课题的意义和背景 .........................................................................................................1
§1.2 现代交流调速技术的发展 .................................................................................................1
§1.3 智能控制应用的现状 .........................................................................................................2
§1.4 本文的主要研究安排 .........................................................................................................3
第二章 交流变频调速系统 ................................................................................................................5
§2.1 变频调速 ............................................................................................................................. 5
§2.2 变频器的原理 .....................................................................................................................5
§2.2.1 交—直—交变频器的结构 ......................................................................................5
§2.2.2 交—直—交变频器的输出调制 ..............................................................................6
§2.3 PWM 控制原理 .................................................................................................................. 7
§2.3.1 简单 PWM 方式 ...................................................................................................... 7
§2.3.2 SPWM 方式 ............................................................................................................. 8
§2.3.3 SVPWM 方式 .......................................................................................................... 9
§2.4 变频调速的基本控制方式 .................................................................................................9
§2.4.1 恒压频比控制 ..........................................................................................................9
§2.4.2 转差频率控制 ........................................................................................................11
§2.4.3 矢量控制变频调速 ................................................................................................11
§2.5 小结 ................................................................................................................................... 12
第三章 异步电动机的矢量控制技术 ..............................................................................................13
§3.1 坐标变换 ...........................................................................................................................13
§3.1.1 感应电动机的数学模型 ........................................................................................13
§3.1.2 坐标变换理论 ........................................................................................................13
§3.2 矢量控制 ...........................................................................................................................15
§3.2.1 矢量控制的基本原理 ............................................................................................15
§3.2.2 矢量控制的方案 ....................................................................................................16
§3.3 基于 PID 的转差频率矢量控制 ...................................................................................... 17
§3.3.1 PID 调节规律 ........................................................................................................ 17
§3.3.2 PID 参数整定 ........................................................................................................ 17
§3.3.3 PID 转差频率矢量控制系统 .................................................................................18
§3.4 小结 ................................................................................................................................. 19
第四章 智能控制在交流调速中的应用 ..........................................................................................20
§4.1 PID 矢量控制的不足 ....................................................................................................... 20
§4.2 基于智能控制的电机驱动技术 .......................................................................................22
§4.3 模糊控制系统 ...................................................................................................................23
§4.3.1 模糊控制原理 ........................................................................................................23
§4.3.2 模糊控制器设计 ....................................................................................................25
§4.3.3 模糊控制系统实现 ................................................................................................25
§4.4 复合智能矢量控制在异步电机调速中的研究 .............................................................. 26
ii
§4.4.1 复合智能矢量控制的提出 ....................................................................................26
§4.4.2 复合智能矢量控制的原理 ....................................................................................26
§4.4.3 复合智能自寻优控制的特点及合理性 ............................................................... 27
§4.4.4 复合智能自寻优控制的实现 ................................................................................27
§4.5 小结 ................................................................................................................................... 28
第五章 变频调速控制方案及效率 ..................................................................................................29
§5.1 变频调速系统的建模 .......................................................................................................29
§5.1.1 系统仿真模型 ........................................................................................................29
§5.1.2 能耗计算 ................................................................................................................29
§5.2 风机变频控制与节流控制的对比研究 ...........................................................................30
§5.2.1 风机控制系统建模 ................................................................................................30
§5.2.2 风机控制分析与对比 ............................................................................................31
§5.3 PID 矢量控制与恒压频比控制的对比研究 ................................................................... 33
§5.3.1 PID 矢量控制与恒压频比控制系统建模 ............................................................33
§5.3.2 矢量控制与恒压频比控制对比分析 ................................................................... 35
§5.4 模糊控制在变频调速中的研究 .......................................................................................37
§5.4.1 模糊控制在矢量控制中的建模 ............................................................................37
§5.4.2 模糊矢量调速系统仿真 ........................................................................................38
§5.5 复合智能矢量控制在变频调速中的研究 ...................................................................... 38
§5.5.1 复合智能矢量控制的建模 ....................................................................................38
§5.5.2 复合智能矢量控制的对比分析 ............................................................................39
§5.6 小结 ................................................................................................................................... 42
第六章 硬件系统设计 ......................................................................................................................43
§6.1 DSP 在运动控制中的应用 .............................................................................................. 43
§6.2 主电路设计 .......................................................................................................................44
§6.2.1 系统概述 ................................................................................................................44
§6.2.2 专用智能功率模块（ASIPM）........................................................................... 45
§6.2.3 中间直流电路 ........................................................................................................46
§6.3 检测电路设计 ...................................................................................................................47
§6.3.1 转速检测 ................................................................................................................48
§6.3.2 定子电流检测 ........................................................................................................48
§6.3.3 直流母线电压检测 ................................................................................................49
§6.4 小结 ................................................................................................................................... 49
第七章 软件系统设计 ......................................................................................................................50
§7.1 DSP 软件编程 ...................................................................................................................50
§7.2 主程序设计 .......................................................................................................................51
§7.3 中断服务程序设计 ...........................................................................................................51
§7.4 子程序设计 .......................................................................................................................52
§7.5 小结 ................................................................................................................................... 53
课题总结与展望 .................................................................................................................................. 54
参考文献 .............................................................................................................................................. 55
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................................................. 59
致 谢 .................................................................................................................................................. 60
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 本课题的意义和背景
微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善，使交流调速系
统逐步具备宽调速范围、高控制精度、良好的动态响应以及四象限运行等技术性
能。现在交流调速传动己进入与直流调速传动相媲美、相竞争并逐渐占据主导地
位的时代；交流电机控制已成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和
数字仿真为一体的新兴学科[1，2]。
三相感应电动机是高阶、多变量、强耦合的非线性时变系统[3]。矢量控制通过
坐标变换，实现了转矩和转子磁链的解耦控制，使其具有了与直流电动机相同的
控制特性。但是，矢量控制并没有从根本上改变系统的非线性特性，在实际控制
中，系统的某些非线性因素仍然是进一步提高其稳态和动态性能的障碍。
通常，矢量控制系统中采用常规的 PID 调节器。该调节器一般是基于线性理
论设计的，对扰动和系统参数变化非常敏感。人们提出的各种改进措施也严重依
赖于精确的数学模型和对参数的准确辨识。矢量控制基于电机数学模型，三相感
应电动机的转子磁场定向受转子电阻变化的影响严重，是一个有待解决的问题。
因此，必须解决高性能调速系统中的非线性、参数变化、扰动和噪声等控制问题，
才能提高交流调速系统的控制精度和性能。
智能控制技术可以有效解决一些传统和其他现代控制方法难以解决的问题，
可以提高运动控制品质。智能控制有其自身的特点和优势。首先，智能控制不依
赖或不完全依赖受控对象的数学模型，只按实际效果控制，在控制中有能力并可
以充分考虑系统的不确定性和不精确性。其次，智能控制具有明显的非线性控制
特征。模糊逻辑控制是智能控制中研究及应用的热点之一。
将模糊逻辑控制与传统的 PID 控制结合形成的模糊-PID 复合智能控制，融合
模糊控制和 PID 控制各自的优点，以使调速系统具有较好的跟随性、节能性和适
应参数变化的鲁棒性，实现高精度调速控制。
§1.2 现代交流调速技术的发展
近十几年来，随着电力电子技术、计算机技术及自动控制技术的不断发展和
电力电子器件的更新换代，交流变频调速技术获得了飞速发展。
其中，德国学者于 1971 年提出矢量控制，利用坐标变换将三相异步电动机等
效为直流电动机来控制，获得了与直流调速系统同样优良的动静态性能。以后随
着计算机技术的发展，人们又克服了矢量控制计算量大而复杂的缺点，使得矢量
控制成为目前所有调速系统中性能最优越的一种。但它自身也有一些缺点，如对
电机参数的依赖很强等。
智能控制在感应电动机矢量控制中的应用研究
2
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效果；采用变频
调速技术的电机，其容量、速度和电压等级都可以做得很高；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优点，从一般工业技术到航空、航
天军事工业，乃至日常家电等，变频调速技术广泛应用，正在逐步取代直流调速。
现在，各国学者都致力于异步电机无速度传感器矢量控制系统的研究。利用
检测定子电压、电流等易于测量的物理量进行电机速度的估算以取代速度传感器。
该控制不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，
提高了系统的可靠性，降低了成本，因而引起了各国学者的关注，成为现代交流
调速控制领域中最受重视的课题之一。
直接转矩控制是上世纪 80 年代中期提出的又一转矩控制方法，其特点是把电
机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、
转矩的计算，通过磁通跟踪型 PWM 逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无
须对定子电流进行解耦，免去了矢量控制的复杂计算，其控制结构简单，便于实
现全数字化，目前受各国学者重视。
随着现代控制理论的发展，非线性解耦控制、神经网络自适应控制、模糊控
制等新的电机控制策略正在不断涌现，展现出更为广阔的前景。专家系统、模糊
控制、神经元网络等智能控制方法在交流调速控制系统中的应用，是现在研究的
热门课题。本论文主要研究智能控制中的模糊控制在感应电动机矢量控制的应用。
§1.3 智能控制应用的现状
智能控制是控制理论发展的前沿。智能控制有单独地应用某种智能控制方法，
而较多的是将智能控制与传统的 PID 控制相融合形成复合智能控制。
与传统的PID控制相比,模糊控制器具有更小的超调量和更强的抗干扰性 [4～6]。
将模糊控制应用于交流电动机的矢量控制中,可以很好地克服传统矢量控制方法
所带来的诸如非线性、参数变化等对系统性能影响过大的缺点,使系统具有较强的
鲁棒性[7，8]。用模糊控制器取代常规的PID控制器,在参数变化、负载扰动的情况下
仍可得到快速跟随和强鲁棒性的控制[9]。
近年来，智能控制从理论到应用均得到长足发展，随之不断涌现将智能控制
方法与常规 PID 控制方法融合在一起的新方法，形成了各种形式的智能 PID 控制
器。它简化了建模手续，方法简单，明显提高了系统的控制品质，引起了国内外
的广泛关注，是当前控制领域研究热点之一。智能控制与 PID 进行复合控制的方
式有以下几种：（1）用智能控制来整定 PID 的参数，如用模糊控制、神经网络控
制等智能控制方法来整定优化 PID 的控制参数；（2）智能控制与 PID 控制进行分
第一章 绪论
3
段切换控制，如在大偏差范围内应用模糊控制，小偏差范围内切换为 PID 控制；
（3）同种或不同种智能控制方法相融合，实现对智能控制的完善优化。
人们在这方面的实践有：设计Fuzzy+PID复合结构的控制器,同时利用RBF神
经网络自整定PID参数以解决PID参数整定问题[11]；设计主模糊控制器和辅助模糊
控制器，即在常规模糊控制器的基础上，引入了一个辅助模糊控制器，其输出为
比例因子系数。辅助模糊控制器的作用是，根据控制误差和误差变化率的大小，
对比例因子系数进行调节，以改善整个控制系统的动静态性能[12]；根据输入变量
的大小调整模糊控制器的量化因子、比例因子和两个输入变量的权重，从而自动
调整模糊控制规则 [13]；为充分结合常规PID与模糊控制的优点,将整个过程实施分
段控制,通过分段PID参数在偏差调节中的作用,采用模糊控制来实现参数自整定
[14]；对于矢量控制的交流调速系统,运用模糊逻辑和参数自整定PID,采用分层递阶
智能控制结构,构成具有较强实用性和鲁棒性多级智能控制系统 [15]；将PI控制策略
引入模糊控制器形成模糊-PI控制,在大偏差范围内采用模糊控制,在小偏差范围内
转换为PI控制，这种复合控制比PI控制有更快的动态响应特性和更小超调,比模糊
控制具有更高的稳态精度[8，9，14]；以及模糊神经网络的应用研究 [18～22]。
将传统的控制方法和智能控制手段相结合,是当代交流调速的基本思路[23]。实
际应用中,对快速准确控制要求很高的诸如电机调速这样的时变参数非线性系统,
常规模糊控制所依赖的控制规则缺乏在线自学习或自调整的能力,难以满足控制
需要。因此,将模糊控制器与其他控制策略相结合,设计不同类型的模糊控制器，
以克服常规模糊控制的局限性,满足更为精确的控制要求。近年来,优良的复合控
制应用于交流调速系统,展示了良好的前景[8，9，16]。
§1.4 本文的主要研究安排
研究内容：模糊-PID 复合智能控制在感应电动机矢量控制中的应用
创新点：
1.为提高矢量控制的动稳态性能和对转子电阻变化的鲁棒性，提出了一种模糊
-PID 复合自寻优控制方案，实现复合智能矢量控制。对比传统的 PID 矢量控制，
在动稳态性能、鲁棒性和节能降耗方面，复合智能矢量控制具有较好效果。
2.对不同控制方案的节能效果进行了定性分析和定量表达。
实施方案及步骤：
1.系统仿真
研究模糊-PID 复合控制，实现基于模糊-PID 的复合智能矢量控制系统，并与
传统的 PID 矢量控制系统仿真对比。
矢量控制系统比较复杂，先对系统进行建模仿真，以节约开发成本，加快系
智能控制在感应电动机矢量控制中的应用研究
4
统调试进度。Matlab 中的 Simulink 仿真模块，具有良好的用户界面和强大的功能，
特别是其中的电气系统模块库，给交流电机控制系统的仿真带来极大的方便。
本文的仿真工作在 Matlab 7.0 中进行，用到了 Simulink 仿真模块及其附带的
各种工具箱，使得仿真模型的建立快捷方便。并且，Matlab 所擅长的矩阵运算也
使仿真模型得以简化。
2. 系统实验
基于 DSP 芯片 TMS320LF2407A 和专业智能功率模块(ASIPM)PS12036,实现
三相感应电动机矢量控制系统，搭建以 DSP 为控制核心的异步电机矢量控制系统
实验平台。
摘要：

i目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论........................................................................................................................................1§1.1本课题的意义和背景.........................................................................................................1§1.2现代交流调速技术的发展............

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