智能方法在变频调速系统中的应用研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.44MB 81 页 15积分
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第一章 绪论
1
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................. 1
§1.1 本课题的意义与背景.........................................................................................1
§1.2 交流调速技术概况和发展趋势.........................................................................2
§1.3 智能控制在交流调速系统中的应用现状.........................................................4
§1.4 本文的主要研究安排及创新点.........................................................................5
第二章 异步电机的变频调速 ..................................................................................... 7
§2.1 交流调速的基本类型.........................................................................................7
§2.2 变频调速的基本原理及其实现装置.................................................................8
§2.2.1 变频调速的基本原理................................................................................8
§2.2.2 变压变频装置............................................................................................9
§2.3 矢量控制变频调速...........................................................................................10
§2.3.1 异步电机数学模型和坐标变换..............................................................10
§2.3.2 矢量控制原理..........................................................................................13
§2.4 电压空间矢量调速系统...................................................................................15
§2.4.1 SVPWM 的基本原理 .............................................................................. 15
§2.4.2 SVPWM 技术的实现 .............................................................................. 17
§2.5 直接转矩调速系统...........................................................................................19
§2.5.1 直接转矩控制的基本原理......................................................................19
§2.5.2 直接转矩控制系统的特点......................................................................22
§2.6 小结...................................................................................................................22
第三章 智能方法在调速系统中的应用 ................................................................... 23
§3.1 空间电压矢量控制和直接转矩控制的基础与不足.......................................23
§3.2 基于智能控制的电机驱动技术.......................................................................25
§3.3 智能空间电压矢量系统研究...........................................................................26
§3.3.1 神经网络控制的基本概念......................................................................26
§3.3.2 智能空间矢量控制的原理......................................................................28
§3.4 基于人工神经网络直接转矩控制的研究.......................................................29
智能方法在变频调速系统中的应用研究
2
§3.4.1 基于 ANN 的DTC 控制的提出 .............................................................29
§3.4.2 基于 ANN 的DTC 控制的原理与实现 .................................................29
§3.5 小结...................................................................................................................30
第四章 智能调速系统的设计与实现 ....................................................................... 31
§4.1 MATLAB/SIMULINK 中电动机的仿真组态 ....................................................... 31
§4.2 异步电机智能空间矢量系统的研究...............................................................32
§4.2.1 智能 SVPWM 控制系统方案的实现 .....................................................32
§4.2.2 智能 SVPWM 控制器功能模块设计 .....................................................34
§4.2.3 仿真结果对比与分析..............................................................................36
§4.2.3.1 谐波分析.........................................................................................37
§4.2.3.2 转速响应分析.................................................................................37
§4.2.3.3 仿真结果综合分析.........................................................................38
§4.3 异步电机智能直接转矩控制系统的研究.......................................................39
§4.3.1 智能 DTC 控制系统的方案的实现........................................................39
§4.3.2 智能电压状态选择控制器功能模块设计..............................................39
§4.3.3 仿真结果对比与分析..............................................................................44
§4.4 小结...................................................................................................................46
第五章 调速系统实验板设计与实现 ....................................................................... 47
§5.1 DSP 在调速系统中的应用 ...............................................................................47
§5.2 主电路设计.......................................................................................................48
§5.2.1 系统概述..................................................................................................48
§5.2.2 专用智能功率模块..................................................................................51
§5.2.3 中间直流电路..........................................................................................52
§5.3 信号检测电路及保护电路设计.......................................................................53
§5.3.1 定子电流检测..........................................................................................53
§5.3.2 直流母线电压检测..................................................................................54
§5.3.3 转速检测..................................................................................................54
§5.3.4 保护电路..................................................................................................55
§5.4 调速系统软件设计与实现...............................................................................56
§5.4.1 SPWM 技术原理 ..................................................................................... 56
§5.4.2 SPWM 波形实现方法 ............................................................................. 57
§5.4.3 基于 DSP2407A 的对称规则采样法实现 ............................................. 58
§5.5 人机接口及上位机通讯界面设计...................................................................60
第一章 绪论
3
§5.5.1 VB 中MSCOMM 控件 ........................................................................... 61
§5.5.2 DSP 串行通讯接口 ..................................................................................61
§5.5.3 通讯模块程序设计..................................................................................61
§5.6 实验波形分析...................................................................................................65
§5.7 小结...................................................................................................................68
第六章 总结与展望 ................................................................................................... 69
附录一 变频实验板线路图........................................................................................71
附录二 SPWM 数据生成程序 ...................................................................................72
附录三 20HZ 频率 SPWM 测试程序 ....................................................................... 74
参考文献......................................................................................................................76
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..........................................79
致 谢 ..........................................................................................................................80
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 本课题的意义与背景
电力电子技术和微电子技术的飞跃发展，新型电力半导体器件的出现，为交
流电机的控制提供了高性能的功率变换器。特别是微电子技术的高速发展，使得
硬件简化。交流电机控制理论上的突破，尤其是 20 世纪 70 年代创立的矢量控制
理论和直接转矩方法、非线性解耦控制方法等，为交流调速奠定了力量基础。现
代交流调速已与直流调速传动相媲美，具有宽调速范围、优良的动态响应和高控
制精度等技术特性，并且广泛应用于直流调速难以胜任的大功率调速场合。交流
电机调速已成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真的一门
交叉性学科[1,2]
在矢量控制的变频调速系统中，由于 PWM 调制技术的应用，产生了正弦脉
宽调制（SPWM）变压变频的思想。1997 年日本的 Yoshihiro Murai 教授发表了
《全数字化逆变器的新型 PWM》一文，由此标志着 SVPWM 调制技术的正式问
世，其独特的矢量调制方式，把电动机与 PWM 逆变器看为一体，着眼于如何使
电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标，它以三相对称正弦电压供电时交流电动
机中的理想磁链圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼
近基准圆，即用多边形来近似逼近圆形，理论分析和实验都表明 SVPWM 调制具
有转矩脉动小，噪音低，直流电压利用率高（比普通的 SPWM 调制约高 15%[3]）
等优点。然而基于矢量控制的 SVPWM 调速系统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，在每个采样周期中必须确定参考电压空间矢量的位置，并通过在线
计算三角函数得到对应基本矢量的作用时间。在常规的数字实现中也可以用查表
的方式来得到三角函数的值，但存储表格要占有额外的内存，另外用插值法得到
的三角函数精度不高，因此增加了谐波成分，且控制性能受到电机参数的影响。
另外直接转矩控制(DTC)调速系统中，理论上可以获得更好的控制性能，但其磁
链计算的准确度也受到积分初值、累积误差和定子电阻变化的影响，要获得良好
的控制性能要有一些复杂的计算，传统的 DTC 控制一般在 DSP 板上通过串行计
算实现，但由于计算时间的延迟，使得控制系统有稳态误差存在，实际上控制性
能在很大程度上依赖控制算法的简单与硬件的性能。
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、降低
变频调速系统输出谐波成分等问题，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，
智能方法在变频调速系统中的应用研究
2
可以提高控制性能。首先，智能控制不依赖或不完全依赖控制对象的数学模型，
只按实际效果进行控制，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特征，人工神经网络就具有简单的结构
以及快速并行处理能力、学习能力和容错能力。
§1.2 交流调速技术概况和发展趋势
交流调速技术产生于 19 世纪，但由于其性能无法与直流调速技术相比，所
以过去的直流调速系统一直在电气传动领域中占统治地位。直到在 20 世纪 50 年
代中期，晶闸管研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。由于价格低、坚
固耐用、体积小、性能良好等一系列的优点，半导体电力电子器件使电机调速用
的各种变流装置迅速进入了实用阶段。随着电力电子技术的发展，采用半导体开
关器件的交流调速系统得以实现。尤其是 70 年代以来，计算机控制技术和大规
模集成电路的发展，以及现代控制理论的应用，为现代交流调速技术的发展创造
了有利条件，促进了各种类型的交流调速系统的高速发展，如矢量控制调速系统、
串极调速系统、变频调速系统以及无换相器电动机调速系统等。目前在电气传动
领域中，现代交流调速技术已有取代直流调速技术的趋势，费用比直流电动机系
统更低,可靠性更高。国外先进的工业国家生产直流传动的装置基本呈下降趋势,
而交流变频调速装置的生产大幅度上升。以日本为例,1975 年在调速领域,直流占
80%,交流占 20%;1985 年交流占 80%,直流占 20%[3]。迄今为止,日本除了个别的地
方还继续采用直流电机驱动外,几乎所有的调速系统都采用交流变频装置。因此,
采用高效率经济型的交流调速系统来取代原有的直流电动机调速系统是电机调
速技术发展的新动向。
交流调速理论及应用技术大致沿下述四个方面发展.：
⑴电力电子器件的蓬勃发展。电力电子器件是现代交流调速装置的基础,其
发展直接决定和影响交流调速技术的发展。目前为止,电力电子器件的发展经历
了分立换流关断器件(第一代)→自关断器件(第二代)→功率集成电路 PIC(第三代)
→智能模块 IPM(第四代)四个阶段。
⑵脉宽调制(PWM)技术。脉宽调制(PWM)技术的发展和应用优化了变频装置
的性能,变频调速系统采用 PWM 技术不仅能够及时准确地实现变压变频控制要
求,而且能够抑制逆变器输出电压或电流中的谐波分量,从而降低变频调速时电机
的转矩脉动，减少谐波损耗,提高了电机的工作效率,扩大了调速系统的调速范围。
⑶矢量变换控制技术及直接转矩控制技术。矢量变换控制技术实现了将交流
电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程,在理论上实现了重大突破,从而
第一章 绪论
3
使得交流调速的动态和静态性能完全可能同直流传动系统相媲美。矢量控制的关
键是静止坐标轴与旋转坐标轴系之间的坐标变换,而两坐标轴系之间的变换的关
键是要找到两坐标轴之间的夹角。目前,较为成熟的矢量变换控制法有：转子磁
场定向矢量变换控制,定子磁场定向矢量变换控制,滑差频率矢量控制。1985 年,
德国鲁尔大学的 M Depenbrock 教授通过对瞬时空间理论的研究,提出了直接转矩
控制理论[5],与矢量控制法相比直接转矩控制可获得更大的瞬时转矩和极快的动
态响应。因此,交流电动机直接转矩控制也是一种很有前途的控制技术。
⑷微型计算机控制技术。随着微机控制技术,特别是以单片微机及数字信号
处理器 DSP 为控制核心的微机控制技术的迅速发展,现代交流调速系统的控制回
路由模拟控制迅速走向数字控制。全数字化的交流调速系统已在当今得到普遍应
用。数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高,许多难以实现的复杂控制,如
矢量控制中的复杂坐标变换运算、解藕控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适
应控制等,采用微机控制器后便都解决了。此外,微机控制技术增加交流调速系统
的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性并且降低了变频调速装置的成本和体
积。尤其是故障诊断技术得到了完全的实现。
纵观交流调速技术的发展,可以看出现代交流调速技术未来的发展动向和趋
势：
(1)智能化控制方法对交流调速系统的影响研究。当今,在许多工业过程控制
系统中,被控对象往往存在着参数和结构的不确定性或非线性耦合等特性,难以用
准确的数学模型描述,因此,用常规线性控制算法很难满足电动机调速性能的要
求。人工神经网络、模糊控制不依赖于对象,而是通过输入、输出信息进行仿人
思维的智能化控制方法。将智能控制方法应用到交流调速系统中成为交流调速控
制技术新的研究方向。
(2)系统可靠性的研究。调速系统的可靠性是最重要的技术指标,也是国内外
研究的热点。提高系统的可靠性主要有两个途径：一是提高部件的设计和制造水
平;二是利用容错和冗余技术。利用马尔柯夫过程理论对容错控制系统进行可靠
性建模,研究冗余和容错系统的硬件结构和软件设计也是交流调速研究的新领
域。
(3)改善交流调速系统效率的方法研究。提高调速系统的效率是现代交流调速
技术解决的重要问题之一。要提高调速系统的效率,就必须改善电机的使用性能
和提高变频器输出效率。提高调速系统效率的具体解决方法主要依赖于开发研制
新型变频器主电路,主要措施是降低电力电子器件的开关损耗。例如使电力电子
器件在零电压或电流下转换,即工作在所谓“软开关[6]”状态下,从而使开关损耗
摘要：

第一章绪论1目录摘要ABSTRACT第一章绪论.................................................................................................................1§1.1本课题的意义与背景.........................................................................................1§1.2交流调速技术概况和发展趋势..............................................

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