毕业设计论文——异步电机无速度传感矢量控制系统的研究.doc
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1、异步电机无速度传感矢量控制系统的研究毕 业 设 计 论 文题 目: 异步电机无速度传感矢量控制系统的研究 (院)系 应用技术学院 专业 电气工程 班级 0682学号 200613010229 学生姓名 李舜婷 导师姓名 蔡斌军 完成日期 2010-06-15 湖南工程学院应用技术学院毕业设计(论文)任务书 设计(论文)题目: 异步电机无速度传感矢量控制系统的研究 姓名 专业 电气工程及其自动化 班级 学号 # 指导老师 蔡 斌 军 职称 讲师 教研室主任 谢卫才 一、 基本任务及要求:本课题以交流异步电机为控制对象在simulink设计平台上进行无速度传感矢量控制系统进行仿真研究。主要内容及要
2、求为:掌握矢量控制调速系统的工作原理及结构组成;研究无速度传感的速度辨识的方法;掌握系统的仿真软件matlab/simulink; 建立无速度传感矢量控制系统的仿真模型并进行仿真验证;编写设计说明书等。通过本系统的设计,可达到以下目标:掌握矢量控制中速度的辨识方法;掌握基于simulink的仿真模型建立的方法;验证方法的可行性及效果。 二. 进度安排及完成时间: 2月26日-3月10日 指导老师布置任务, 学生查阅资料 3月11日-3月16日 撰写文献综述和开题报告, 电子文档上传FTP 3月17日-3月30日 毕业实习、撰写实习报告 4月1日-4月30日 总体设计,仿真模型的建立,中期检查
3、5月1日-5月30日 仿真调试,得出结论 6月1日-6月12日 撰写毕业设计说明书 6月12日-6月14日 修改、装订毕业设计说明书,电子文档上传FTP 6月15日-6月20日 毕业设计答辩及成绩评定 目 录摘要IABSTRACTII第一章 绪论11.1交流调速控制系统的发展11.2矢量控制的现状11.3无速度传感器技术简介21.3.1无速度传感器技术的发展历程21.3.2无速度传感器技术的主要实现方法31.3.3目前无速度传感器技术研究中存在的主要问题31.3.4无速度传感器技术目前研究的热点41.4课题的研究背景及其意义41.5仿真工具语言简介51.6本课题的主要内容5第二章 矢量控制原理
4、72.1矢量控制基本原理72.2 异步电动机模型分析的数学基础82.2.1 坐标变换的原则和基本思想82.2.2 三相/二相变换92.2.3 二相/二相旋转变换92.2.4 三相静止坐标系/任意二相旋转坐标系的变换92.3 异步电动机的动态数学模型102.3.1 异步电动机在三相静止坐标系上的数学模型102.3.2 异步电动机在任意二相旋转坐标系上的数学模型112.3.3 异步电动机在二相静止坐标系上的数学模型122.3.4 异步电机的电磁转矩模型132.3.5 异步电动机的磁链模型13第三章 异步电机矢量控制原理153.1转子磁场定向矢量控制原理153.2矢量控制中的磁通观测173.3几种无
5、速度传感器技术的简介233.3.1基于PI自适应控制器的无速度传感器技术233.3.2基于扩展卡尔曼滤波器的无速度传感器技术243.3.3基于神经网络自适应的无速度传感器技术24第四章 建立无速度传感矢量控制仿真模型并进行仿真27结束语29参考文献3035异步电机无速度传感矢量控制系统的研究摘要:交流电机是一个多变量、强耦合的非线性系统,同时其转矩也不易控制,因此要实现高性能的交流电机控制是件十分困难的事情。近年来,随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展,越来越多的先进控制策略,如矢量控制、直接转矩控制、变结构控制等被应用到了各种交流电机调速控制系统之中,使交流调速技术获得了迅猛
6、的发展。在所有这些控制策略之中,矢量控制是一种相对来说更简单、有效的控制策略,因此矢量控制系统正越来越多的应用于高性能交流电机调速领域。在高性能交流调速领域,转速闭环是必不可少的。而速度传感器又在安装、维护等方面严重影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性及系统的可靠性。因此越来越多的学者致力于无速度传感器技术的研究,以期改善系统的简易性和鲁棒性,目前无速度传感器正在成为现代交流传动研究中的一个重要方向。本论文首先研究了异步电动机的数学模型,介绍了转子磁场定向矢量控制的基本原理,然后又在此基础之上讨论了无速度传感器的几种实现方法。最后建立无速度传感矢量控制模型,得到仿真结果。仿真结果表明,本文所
7、采用的转速辨识方法是正确、可行的,采用该转速辨识方法的异步电机矢量控制系统在保持快速响应及稳定性的基础上,同时具有较强的鲁棒性和自适应性。关键词:异步电机;矢量控制;无速度传感器;转速估计AbstractAbstract:Because of the AC motor is a strongly-coupled nonlinear system with many variables and the torque is not easy to control, the realization of the good performance AC motor control system is
8、very difficult. In rencent years along with the rapid development of power electronics technology, computer technology and automatic control technology, more and more advanced control principles, such as vector control, direct torque control and variable structure control have been applied in the va
9、riable speed AC motor systems, which led to the rapid development of the variables peed AC motor systems. Among all of the control principles,vector control technique has been widely used in high performance variable speed AC motor systems ,because of its simplicity and efficiency.Closed loop is abs
10、olutely needed in the high performance variable speed AC motor systems. But due to its installation uneasy and difficult maintenance, speed sensor cause unsatisfactory characteristic that affect variable speed systems simplicity, convenient and systems confidence for AC machines. Now more and more e
11、xperts dedicate themselves to the study of speed estimation without speed sensor to promote the simplicity and robustness it .Now the speed estimation without speed sensor has been an important trend of modem AC drive.In this thesis the author makes a study of asynchronous motor model and introduces
12、 the basic principle of rotor field oriented vector control. Further more, a lot of speed estimation methods have been probed in this thesis. The simulation results show that the methods of estimating rotor speed in this thesis are precise and feasible. The asynchronous motor vector-control system u
13、sing rotor speed estimation methods proposed above can provide the properties of robustness and adaptability as well as rapid response and stability.Key words: Asynchronous, Vector Control, Speed Sensorless, Rotor Flux Observation, Speed Estimation第一章 绪论1.1交流调速控制系统的发展直流电气传动和交流电气传动在19世纪中期先后诞生,由于直流电气传
14、动具有良好的调速性能和转矩控制性能,而交流调速中决定电动机转速调节的交流电源频率的改变和电动机转矩控制都是极为困难的。因此,在20世纪相当长的一段时间内直流传动成为调速传动的主流。然而由于直流电动机具有电刷和换向器,成为限制其自身发展的主要缺陷,导致其生产成本高、制造工艺复杂、运行维护工作量大,加之机械换向困难,其单机容量、转速及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机。从20世纪30年代,人们就致力于交流调速技术的研究。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,变频调速技术获得了飞速的发展。交流变频调速技术已由最初的变
15、压变频控制的变频调速发展到了高性能的矢量控制变频调速,使得交流电机的调速性能达到甚至超过了直流电机的调速性能。其中,德国学者于1971年提出的交流电动机的矢量变换控制,利用坐标变换原理将一台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引起了人们的极大关注。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,它不但控制连续、平滑而且调速范围很宽,但它自身也有一些缺点,如对电机参数的依赖很强等。矢量控制技术提出以后,各国学者又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
16、于测量的物理量进行电机速度的估算以取代速度传感器,其关键是在线获取速度信息,在保证较高控制精度的同时,满足实时控制要求。无速度传感器控制不需要检测硬件,也避免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。1.2矢量控制的现状从20世纪60年代至今,无论是交流调速系统的研究还是开发方面,德国一直处于领先地位。20世纪60-70年代,德国学术界对电机理论、瞬时值解析、空间矢量等电机特性和过渡过程响应的研究已经很盛行。同一时期,由于微处理器、大规模集成电路(LSI)等微电子技术,以及快速的全控自关断型
17、电力半导体器件的飞速发展,PWM逆变器随之开始闪亮登场,也给矢量控制的研究奠定了坚实的物质基础。在这种背景下,终于在20世纪70年代初提出了两项突破性的研究成果:德国西门子公司的F.Blaschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”,从此奠定了矢量控制的基础。 矢量控制的理论根据就是电机统一理论,在实现上将异步电动机的定子三相交流电流通过坐标变换变换到同步旋转坐标系d-q轴系下的两相直流电流。实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流分解成两个分量:用来产生旋转磁动势的励磁分量和用来产生电磁转
18、矩的转矩分量。然后像控制直流电机那样在同步旋转坐标系上设计和进行磁场与转矩的独立控制,再由变换方程把这些控制结果转换为随时间变化的瞬时变量,达到控制电机转速和转矩的目的。1.3无速度传感器技术简介 在高性能异步电机矢量控制系统中,速度闭环是必不可少的环节,该系统的速度反馈信号通常情况下来自于速度传感器,如光电码盘等。但是,由于速度传感器的安装给系统带来了很多的缺陷,从而促使越来越多的学者开始了无速度传感器技术的研究。安装速度传感器给系统带来的缺陷主要包括以下几点:(1)系统的成本大大增加。精度越高的码盘价格也越贵,有时占到中小容量控制系统总成本的15%-25%。(2)码盘在电机轴上的安装存在同
19、心度的问题,安装不当将影响测速的精度。(3)使电机轴向的体积增大,而且给电机的维护带来一定因难,同时破坏了异步电机的简单坚固的特点,降低了系统的机械鲁棒性。(4)在高温、高湿的恶劣环境下无法工作,码盘工作的精度易受环境的影响。1.3.1无速度传感器技术的发展历程国外在20世纪70年代就开始了无速度传感器技术的研究。1975年,A.Abbondanti等人推导出基于稳态方程的转差频率估计方法,但其出发点使用稳态方程,故调速范围比较小,动态性能和调速精度难以保证.在此之后,1979年,M.Ishida等学者利用转子齿谐波来检测转速,但是限于检测技术和控制芯片的实时处理能力,仅在大于300r/min
20、的转速范围内取得了较为令人满意的效果,但这种思想令人耳目一新。而首次将无速度传感器技术应用于矢量控制是在1983年由R.Joetten完成的,这使得交流传动技术的发展又上了一个新的台阶。目前,无速度传感器技术作为各国专家研究的一个热点问题,己经取得了丰硕的成果,自适应控制、智能控制、神经网络、变结构控制等技术都被逐渐被应用到了无速度传感器技术之中。1.3.2无速度传感器技术的主要实现方法目前研究较多的无速度传感器技术主要有以下几种:(1)动态速度估计法主要包括转子磁通估计和转子反电势估计。这种速度估计法以电机模型为基础,算法简单、直观性强。但是由于缺少误差校正环节,抗干扰的能力较差,对电机的参
21、数变化敏感,因此在实际实现时,需要加上参数辨识和误差校正环节来提高系统抗参数变化和抗干扰的鲁棒性,才能使系统获得良好的控制效果。(2)PI自适应控制器法其基本思想是利用某些量的误差项,通过PI自适应控制器获得转速的信息。一种方法是采用转矩电流的误差项:另一种方法是采用转子q轴磁通的误差项。该方法利用了自适应思想,是一种算法结构简单、效果良好的速度估计方法。(3)模型参考自适应法(MRAS)这种电机转速的辨识方法将在第四章中做出详尽的探讨,此处不再介绍。(4)扩展卡尔曼滤波器法该方法将电机的转速看作一个状态变量,考虑电机的五阶非线性模型,采用扩展卡尔曼滤波器法在每一估计点将模型线性化来估计转速.
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