【正文】 交流電機(jī)無速度傳感器控制研究畢業(yè)論文目 錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 研究課題的和意義背景 1 無速度傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 異步電動(dòng)機(jī)的控制方法 2 本文的主要研究內(nèi)容 4第2章 異步電機(jī)矢量控制理論與控制環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 5 矢量控制的基本思路 5 異步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 6 異步電動(dòng)機(jī)在ABC三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 7 異步電動(dòng)機(jī)在靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 9 異步電動(dòng)機(jī)在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 10 異步電動(dòng)機(jī)在MT同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 13 控制環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì) 15 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)框圖 15 電流環(huán)的設(shè)計(jì) 16 轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì) 17 磁鏈環(huán)的設(shè)計(jì) 19 本章小結(jié) 20第3章 異步電機(jī)轉(zhuǎn)速估計(jì)和轉(zhuǎn)子磁鏈模型 21 轉(zhuǎn)速估計(jì)的方法 21 異步電機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的轉(zhuǎn)速估計(jì) 23 本章小結(jié) 24第4章 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真 254．1 Matlab／Simulink仿真平臺(tái) 25 無速度傳感器矢量控制仿真實(shí)驗(yàn) 25 電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)模型仿真 26 磁鏈環(huán)模型仿真 28 整個(gè)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)模型仿真 29 仿真結(jié)果分析 34 本章小結(jié) 35結(jié)論 36參考文獻(xiàn) 37致謝 39附錄1 開題報(bào)告 40附錄2 中期報(bào)告 45附錄3 外文翻譯 61附錄4 外文原文 71III第1章 緒論 第1章 緒論 研究課題的和意義背景隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和矢量控制技術(shù)的發(fā)展，異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉，因而各國研究人員紛紛轉(zhuǎn)向交流調(diào)速技術(shù)的研究，高性能的交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)一般采用轉(zhuǎn)子磁場定向控制、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制，離不開速度的閉環(huán)控制，因而必須實(shí)時(shí)獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)速度信息的辨識(shí)方法，分為直接法和間接法。直接法就是通過電子式或機(jī)電式速度傳感器，如霍爾效應(yīng)器件(HALL)、光學(xué)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等，以及處理電路、處理軟件等來獲取電機(jī)速度信息，通常分為M法和T法來測速。間接法就是通過測量電機(jī)的定子電流、定子電壓等信號(hào)，根據(jù)電機(jī)的模型間接估計(jì)辨識(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。然而由于速度傳感器的安裝給系統(tǒng)帶來了以下一些缺陷：1)系統(tǒng)成本增加：除了速度傳感器本體外，還需配套電氣連接線，速度處理電路等，所有這些增加了電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本，同時(shí)降低了可靠性。2)編碼器安裝在電機(jī)軸上，存在同軸度問題，安裝不當(dāng)將影響轉(zhuǎn)速測量精度；3)破壞了異步電機(jī)簡單堅(jiān)固的特點(diǎn)，降低了系統(tǒng)的機(jī)械魯棒性。電機(jī)軸上的體積增大，同時(shí)給系統(tǒng)維護(hù)帶來了不便；4)增加了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；5)編碼器工作精度受環(huán)境條件影響，有的對(duì)環(huán)境條件很敏感，如電磁干擾、振動(dòng)、潮濕和溫度變化都會(huì)使性能下降，使得整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性難以得到保證；6)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍寬，傳感器有的分辨率低或運(yùn)行特性不好，同一個(gè)速度傳感器很難同時(shí)很好地既測量極低速度范圍又測量極高速度范圍。由于速度傳感器的安裝存在以上缺點(diǎn)，所以對(duì)無速度傳感器轉(zhuǎn)速估算方法的研究，成為高性能交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。利用檢測的定子電壓電流等容易測得的物理量進(jìn)行速度估算，即對(duì)交流電機(jī)無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1~4]。使用無速度傳感器控制方案，無需速度檢測硬件，避免了速度傳感器帶來的種種麻煩，提高了系統(tǒng)可靠性，降低了系統(tǒng)成本：另一方面，使得系統(tǒng)的體積小、重量輕，而且減少了電機(jī)與控制器的連線，使得采用無速度傳感器的交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用更加廣泛。因而。開發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的無速度傳感器交流傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品已成為當(dāng)務(wù)之急，本文就是在此背景下開展的交流電機(jī)無速度傳感器控制系統(tǒng)的研究[1~4]。 無速度傳感器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀矢量控制技術(shù)使高性能交流調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)，使其獲得了巨大的發(fā)展空間。近20 年來，無速度傳感器控制研究受到國內(nèi)外許多學(xué)者和工程技術(shù)人員的高度重視，成為了研究的熱點(diǎn)。國外從20世紀(jì)70 年代末開始開展這方面的研究工作，目前，國外已經(jīng)開發(fā)出實(shí)用的無速度傳感器通用變頻器產(chǎn)品，德國和日本在這方面技術(shù)上則遙遙領(lǐng)先。相對(duì)而言，國內(nèi)在無速度傳感器交流調(diào)速方面的研究起步較晚，在理論和實(shí)際應(yīng)用方面都與國外有著較大的差距，沒有產(chǎn)品化，高性能電機(jī)控制主要依賴進(jìn)口控制器。所以在電機(jī)控制方面需要我們作更深入，系統(tǒng)的研究 [5~10]。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速反饋一般采用轉(zhuǎn)速傳感器檢測反饋到輸入端，這種結(jié)構(gòu)有時(shí)會(huì)受到局限性。為了解決這個(gè)問題，在近 20 年的實(shí)踐中，來自不同國家的控制領(lǐng)域?qū)＜叶紝?duì)無速度傳感器的方案做了研究，并提出了不同的轉(zhuǎn)速估計(jì)手段。這種方法的思想是：利用容易檢測到的系統(tǒng)物理量（如定子電壓信號(hào)和定子電流信號(hào)）對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行計(jì)算估計(jì)，利用計(jì)算得到的速度值取代實(shí)際檢測得到的反饋量。無速度傳感器控制技術(shù)的關(guān)鍵在于能夠及時(shí)有效地估計(jì)電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速，且使得估計(jì)出的轉(zhuǎn)速擁有較高的可信度，以滿足調(diào)速性能。無速度傳感器控制省去了轉(zhuǎn)速直接檢測環(huán)節(jié)，改用間接測量，這就避免了測量元件給控制系統(tǒng)造成的各種問題，使影響降到最低，控制系統(tǒng)可靠性得到了很大程度的改善，從而降低了后期維護(hù)費(fèi)用。此外，不使用速度傳感器也減小了整個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，使得無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)能夠更加廣泛地應(yīng)用于工程中[11~18]。 異步電動(dòng)機(jī)的控制方法交流異步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)大致可分為兩大類，一類是標(biāo)量控制系統(tǒng)，主要是變頻調(diào)速系統(tǒng)，包括恒壓頻比控制和轉(zhuǎn)差頻率控制。另一類是矢量控制系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和無速度傳感器矢量控制[19~22]。1．標(biāo)量控制系統(tǒng)（1）恒壓頻比控制(V/f)交流異步電機(jī)調(diào)速時(shí)，總是希望保持每極磁通量為額定值不變，這樣鐵芯才能工作在最經(jīng)濟(jì)狀態(tài)。電源頻率和電機(jī)極對(duì)數(shù)決定異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即在改變電源頻率時(shí)，可以改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這時(shí)只有控制電源電壓與變化的頻率的比值為恒定(V/f 恒定)，才能確保電動(dòng)機(jī)的磁通基本恒定。1）恒壓頻比控制，為定子端電壓，這種方式最容易實(shí)現(xiàn)，能夠滿足一般調(diào)速要求，其缺點(diǎn)是低速帶載能力差，需要對(duì)定子壓降進(jìn)行補(bǔ)償。2）恒控制，是氣隙磁通在定子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢，它以對(duì)恒壓頻比實(shí)行電壓補(bǔ)償為目標(biāo)，穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能優(yōu)于恒壓頻比控制。這種控制方式的缺點(diǎn)是機(jī)械特性非線性，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力不強(qiáng)。3）恒控制，是氣隙磁通在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢，這種控制方式可以得到和直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)一樣的機(jī)械特性，從而使高性能調(diào)速得以實(shí)現(xiàn)。但是它的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。以上的電壓—頻率協(xié)調(diào)控制都是基于異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的控制方案，多用于動(dòng)態(tài)性能不高的場合。而且是在基頻以下進(jìn)行的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，如在基頻以上則采用電壓恒定只提高頻率的恒功率弱磁調(diào)速。（2）轉(zhuǎn)差頻率控制前面所述的電壓—頻率協(xié)調(diào)控制可以滿足一般平滑調(diào)速要求，但是其動(dòng)、靜態(tài)性能差，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)大都服從其基本運(yùn)動(dòng)方程，由該式子可知，控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制速度的變化率，從而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速加、減速平滑，系統(tǒng)容易穩(wěn)定，而且動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程快，系統(tǒng)無靜差。基本上具備了直流電機(jī)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛。但實(shí)際轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)還不能完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)水平。（1）轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制( FOC)FOC控制算法是根據(jù)電機(jī)動(dòng)態(tài)模型經(jīng)過縝密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的，其過程需要進(jìn)行坐標(biāo)變換，將三相異步電動(dòng)機(jī)變換為空間上互差90176。的兩相電動(dòng)機(jī)，d軸和 q軸構(gòu)成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。(2) 轉(zhuǎn)差矢量控制轉(zhuǎn)差矢量控制是一種間接磁場定向控制，在保證轉(zhuǎn)子磁鏈的大小恒定不變的前提條件下，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率成比例。根據(jù)所需要的轉(zhuǎn)矩推算出相應(yīng)的轉(zhuǎn)差角頻率和計(jì)算動(dòng)態(tài)過程中為保持轉(zhuǎn)子磁鏈相位不變的附加轉(zhuǎn)差角頻率，并測出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度，以三者之和的積分進(jìn)行磁場定向。其優(yōu)點(diǎn)是不需要實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位，不需要進(jìn)行繁瑣的坐標(biāo)變換，調(diào)速范圍寬。由于轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制并沒有實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場的真正閉環(huán)控制，定子旋轉(zhuǎn)磁場同步角速度和轉(zhuǎn)子磁鏈間又存在著很強(qiáng)的耦合關(guān)系，動(dòng)態(tài)性能比較差。(3)直接轉(zhuǎn)矩控制( DTC)直接轉(zhuǎn)矩控制是一種基于電機(jī)定子變量的直接控制的非線性控制方式，并被看作與FOC并列的控制策略。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接在定子坐標(biāo)系下對(duì)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算與控制，采用空間矢量分析方法，利用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，瞬時(shí)控制電動(dòng)力矩和定子磁通幅值。(4)無速度傳感器矢量控制無速度傳感器的高性能異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是在常規(guī)帶速度傳感器的控制基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。其控制的核心就是轉(zhuǎn)速信號(hào)的觀測，獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)的方法基本上有以下三條思路:1）基于電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算轉(zhuǎn)速這種思路主要包括兩種方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算，一種是基于轉(zhuǎn)子反電動(dòng)勢估計(jì)法，另一種方法是基于轉(zhuǎn)子磁通計(jì)算轉(zhuǎn)速，基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，利用異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過電壓、電流和磁鏈方程推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速估計(jì)公式，對(duì)估算轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差進(jìn)行估算。這兩種方法主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡單、易于實(shí)現(xiàn)、直觀性強(qiáng)，速度估計(jì)實(shí)時(shí)性較好。缺點(diǎn)是基于開環(huán)工作狀態(tài)的估測，精度不高。對(duì)電機(jī)參數(shù)比較敏感，抗干擾能力差。2) 基于PI閉環(huán)控制作用構(gòu)造轉(zhuǎn)速信號(hào)這種思路利用PI閉環(huán)控制構(gòu)造轉(zhuǎn)速，包括轉(zhuǎn)矩電流或轉(zhuǎn)子磁通的誤差項(xiàng)，通過自適應(yīng)控制器去調(diào)整這個(gè)誤差項(xiàng)以獲取轉(zhuǎn)速信息。這種無傳感器控制系統(tǒng)共同的優(yōu)點(diǎn)是自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，算法簡單易行。其缺點(diǎn)是: PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)能力有限，辨識(shí)精度受磁鏈觀測性能影響較大。動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度依賴于實(shí)際調(diào)試，同樣型號(hào)的變頻器用于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不一樣的負(fù)載機(jī)械時(shí)，必須重新調(diào)試。3) 利用電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)上的特征提取轉(zhuǎn)速信號(hào)無論是基于數(shù)學(xué)模型的開環(huán)計(jì)算轉(zhuǎn)速，還是基于PI控制的閉環(huán)構(gòu)造轉(zhuǎn)速，都需要電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型來做鋪墊，這樣就必不可少地受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響。為了克服速度估計(jì)中對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性，可以從電動(dòng)機(jī)本身結(jié)構(gòu)上的特征出發(fā)，設(shè)法找到與轉(zhuǎn)速有關(guān)的信息，從而提取轉(zhuǎn)速信號(hào)。 本文的主要研究內(nèi)容本文結(jié)合國內(nèi)外研究成果，查閱并消化理解相關(guān)資料，了解無速度傳感器控制技術(shù)的工作原理，并對(duì)相關(guān)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，運(yùn)用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的方法，對(duì)于無速度傳感器矢量控制進(jìn)行了研究，并根據(jù)控制策略，在MATLAB／SIMUKINK中對(duì)整個(gè)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，分析仿真結(jié)果來證明此方法的可行性和正確性。81第2章 異步電機(jī)矢量控制理論與控制環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 第2章 異步電機(jī)矢量控制理論與控制環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì) 矢量控制的基本思路矢量變換控制：在靜止三相坐標(biāo)系下的定子交流電流通過三相/二相變換，可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流；再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流。如果觀察者站在鐵芯上與坐標(biāo)一起旋轉(zhuǎn)，他看到的便是一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)。原交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通就是等效直流電機(jī)的磁通，M繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，相當(dāng)于勵(lì)磁電流；T繞組相當(dāng)于電樞繞組，相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。上述矢量變換控制系統(tǒng)的思想可以用結(jié)構(gòu)圖的形式表示為如圖21所示。圖21 矢量變換控制系統(tǒng)的思想從整體上看，A、B、C三相輸入，轉(zhuǎn)速輸出，為異步電動(dòng)機(jī)。從內(nèi)部看，通過三相/二相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，異步電動(dòng)機(jī)變換成一臺(tái)由輸入，輸出的直流電動(dòng)機(jī)。矢量旋轉(zhuǎn)變換：也就是交流二相繞組和直流二相M、T繞組之間電流的變換，它是一種靜止的直角坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的變換。把兩個(gè)坐標(biāo)系畫在一起，如下圖22所示。圖22中，靜止坐標(biāo)系的兩相電流，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的兩個(gè)直流電流均以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢。由于各繞組匝數(shù)相等，可消去合成磁動(dòng)勢的匝數(shù)，可以直接標(biāo)上電流，如合成磁動(dòng)勢直接標(biāo)成了。但是，矢量與其分量表示的式空間磁動(dòng)勢矢量，而不是電流的時(shí)間相量。圖22 靜止直角坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系間的變換圖圖22中，M軸、T軸和矢量都以轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以分量的長短不變，相當(dāng)于M、T繞組的直流電動(dòng)勢。而軸是靜止的，軸與M軸的夾角隨時(shí)間的變化而變化，所以矢量在軸上的分量的長短也隨時(shí)間的變化而變化，相當(dāng)于繞組交流磁動(dòng)勢的瞬時(shí)值。由圖22可知，和之間的關(guān)系有（21）二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到二相靜止坐標(biāo)系的矩陣形式為（22）由（22）式可求出二相靜止坐標(biāo)系到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的逆變關(guān)系為（23）同理可得，電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換也與電流的旋轉(zhuǎn)變換相同。 異步電機(jī)在不同坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型相較于直流電機(jī)，異步電機(jī)是一個(gè)多變量（多輸入多數(shù)出）的系統(tǒng)，其輸入變量有電壓和頻率，二者相互獨(dú)立；輸出變量有磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩等。感應(yīng)電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速和磁鏈的乘積有關(guān)，電磁轉(zhuǎn)矩與電流和磁鏈的乘積有關(guān)，輸入電壓及頻率的變化會(huì)引起電流、磁鏈、電磁轉(zhuǎn)矩等變量同時(shí)變化，因此電機(jī)模型中包含兩個(gè)變量的乘積，再加上電機(jī)本身的電磁慣性和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電慣性等，使得異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。實(shí)際上，電機(jī)在運(yùn)行過程中，存在各種非理想的因素，如三相繞組不平衡、內(nèi)部氣隙不均勻、鐵磁材料的磁通飽和與磁滯損耗、銅線的集膚效應(yīng)以及參數(shù)的溫度漂移等。這些非理想的因素將異步電機(jī)完整動(dòng)態(tài)模型進(jìn)一步復(fù)雜化，因此，為了簡化異步電機(jī)的建模過程，做如下理想化假設(shè)：1. 電機(jī)三相繞組完全對(duì)稱，忽略空間諧波；2. 各繞組自感和互感固定，忽略磁路飽和；3. 頻率和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響不計(jì)；4. 忽略磁芯的損耗；5. 繞線型和籠型電機(jī)轉(zhuǎn)子都等效為三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)；本文就是在以上假設(shè)條件下建立的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型。首先建立了三相坐標(biāo)系下的異步電機(jī)原始模型，然后進(jìn)行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)模型，最后推導(dǎo)得到MT坐標(biāo)系下的磁場定向方程，并在此基礎(chǔ)上