【正文】 當(dāng)觀察者站在鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，交流機(jī)就變成了直流機(jī)。七、 對(duì)指導(dǎo)教師及學(xué)院管理的意見及建議學(xué)院及指導(dǎo)老師給我安排了《交流電機(jī)無速度傳感器控制研究》這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，符合了時(shí)代技術(shù)特點(diǎn)，而且具有良好的研究意義。電流調(diào)節(jié)器選擇PI調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（2）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算由于，因此取。由于各繞組匝數(shù)相等，可消去合成磁動(dòng)勢(shì)的匝數(shù)，可以直接標(biāo)上電流，如合成磁動(dòng)勢(shì)直接標(biāo)成了。首先，將三相靜止坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型變換到二相靜止坐標(biāo)系下，從而得到異步電動(dòng)機(jī)在二相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。但是光電碼盤在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的安裝存在同心度的問題，安裝不當(dāng)將影響測(cè)速的精度，并導(dǎo)致電機(jī)軸上的體積增大，而且給電機(jī)的維護(hù)帶來一定困難，同時(shí)破壞了異步電機(jī)的簡(jiǎn)單堅(jiān)固的特點(diǎn)。因而，利用檢測(cè)的定子電壓電流等容易測(cè)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][2][3][4]。在本論文的寫作過程中，吳忠強(qiáng)老師傾注了大量的心血，從選題到開題報(bào)告，從寫作提綱，到一次次地指出論文稿中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘。調(diào)節(jié)器則采用PI調(diào)節(jié)器，用工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。 磁鏈環(huán)模型仿真。第4章 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真 第4章 無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)仿真 Matlab／Simulink仿真平臺(tái)Matlab名字的由來是Matrix和laboratory兩個(gè)詞的前幾個(gè)字母縮寫組合而成的，它是一種科學(xué)計(jì)算軟件，在美國(guó)和其他發(fā)達(dá)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室及其科學(xué)研究機(jī)構(gòu)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。該方法是在最佳線性濾波理論的基礎(chǔ)上，把狀態(tài)空間模型引用到濾波理論中，并形成一套推理算法。(3)基于PI的自適應(yīng)調(diào)節(jié)器法。對(duì)籠型電機(jī)而言，速度傳感器的安裝將破壞電動(dòng)機(jī)本身堅(jiān)固、簡(jiǎn)單、低成本的優(yōu)點(diǎn)。(2)電流調(diào)節(jié)器的類型選擇。由式（215）~（220）可得（221）式（220）和（221）是描述異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程。三相定子繞組的電壓平衡方程式：（24）三相轉(zhuǎn)子繞組電壓方程式： （25）若用微分算子，電壓矩陣方程可以表示為:（26）式中：為定子三相電壓瞬時(shí)值；為轉(zhuǎn)子三相電壓瞬時(shí)值；為定子三相電流瞬時(shí)值；為轉(zhuǎn)子三相電流瞬時(shí)值；為定子三相磁鏈瞬時(shí)值；為轉(zhuǎn)子三相磁鏈瞬時(shí)值；分別為定子和轉(zhuǎn)子電阻。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)。(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。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(shì)，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)。國(guó)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(guó)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(guó)和日本在這方面技術(shù)上則遙遙領(lǐng)先。 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(guó)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?jī)?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(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)、價(jià)格低廉，因而各國(guó)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。相對(duì)而言，國(guó)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(guó)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。但是它的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。其控制的核心就是轉(zhuǎn)速信號(hào)的觀測(cè)，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(shì)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。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)。每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對(duì)它的互感磁鏈之和，表達(dá)式為：（27）式中 而。對(duì)（221）作非奇異變換可求得以定子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈作為狀態(tài)時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)方程為(222)相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩表示為： (223)式中，為定子電壓的dq分量，為轉(zhuǎn)子電壓的dq分量；為定子電流的dq分量，為轉(zhuǎn)子電流的dq分量；為定子磁鏈的dq分量，為轉(zhuǎn)子磁鏈的dq分量；為d軸與坐標(biāo)系軸間的夾角，為定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步角速度；為轉(zhuǎn)子軸與坐標(biāo)系軸間的夾角，為轉(zhuǎn)子角速度；為d軸與軸間的夾角（即），為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度。電流調(diào)節(jié)器選擇PI調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為（3）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算由于直流電磁時(shí)間常數(shù)，因此取電流調(diào)節(jié)器開環(huán)時(shí)間常數(shù)為。因此，無速度傳感器成為了籠型電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)先采用的技術(shù)。其基本思想是利用某些量的誤差項(xiàng)，通過PI自適應(yīng)控制器獲得轉(zhuǎn)速的信息，一種采用的是轉(zhuǎn)矩電流的誤差項(xiàng)；另一種采用了轉(zhuǎn)子q軸磁通的誤差項(xiàng)?？柭鼮V波是以最小均方差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則。20世紀(jì)60年代后期，美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系教授為學(xué)生設(shè)計(jì)了一套調(diào)用庫程序的方便計(jì)算的接口，這個(gè)就是用F語言編寫的最原始的Matlab，隨后Matlab由美國(guó)的Mathworks公司于1984年正式推出市場(chǎng)。圖45 磁鏈環(huán)仿真模型當(dāng)分別給定磁通為60，100時(shí)，磁鏈環(huán)仿真波形分別如圖46，47所示。第3章首先介紹了轉(zhuǎn)速估計(jì)的方法，分析并比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，吳忠強(qiáng)老師對(duì)我們非常認(rèn)真負(fù)責(zé)。（二）國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)：近20 年來，這項(xiàng)研究受到國(guó)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)。在某些惡劣環(huán)境下，速度傳感器工作的精度易受環(huán)境的影響。為了完成靜止3/2變換和逆變換，需要分別使用如下系數(shù)變換矩陣：和經(jīng)過變換可以得到異步電機(jī)在二相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。但是，矢量與其分量表示的式空間磁動(dòng)勢(shì)矢量，而不是電流的時(shí)間相量。這樣可以消去大的慣性環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的快速性。學(xué)院給我們安排了嚴(yán)格的畢業(yè)設(shè)計(jì)完成時(shí)間表，分別為開題答辯、中期答辯及畢業(yè)總答辯3次完成，每個(gè)階段進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容和進(jìn)度評(píng)定，督促了我們認(rèn)真做好畢業(yè)設(shè)計(jì)。其中，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通，就變成了等效的直流電動(dòng)機(jī)的磁通，繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，相當(dāng)于勵(lì)磁電流。以產(chǎn)生完全一致的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流,通過3S／2S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(chǎng)定向的矢量旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流。第13~14周要完成各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)并進(jìn)行仿真驗(yàn)證；第15周進(jìn)行論文大綱和結(jié)構(gòu)安排；16~17周進(jìn)行論文核心部分的工作，并準(zhǔn)備答辯事宜。定子兩相靜止坐標(biāo)系中磁鏈為磁鏈的幅值及相位角為由以上式子可求出同步角速度為由矢量控制方程式可求得，轉(zhuǎn)差角速度為3. 電流環(huán)的設(shè)計(jì)圖3 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（1）電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖中，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(shì)。2. 異步電動(dòng)機(jī)在靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型為了獲得類似直流電動(dòng)機(jī)的速度控制性能，必須按照矢量控制原理進(jìn)行坐標(biāo)變換。通常情況下，人們利用電機(jī)同軸安裝的光電碼盤來實(shí)現(xiàn)測(cè)速。特別是在中小型交流電機(jī)系統(tǒng)中，速度傳感器的成本占據(jù)整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的三分之一以上，速度傳感器的高成本是影響變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要因素。在此，我要特別感謝我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師吳忠強(qiáng)教授。第2章探討了矢量控制理論，在建立異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用坐標(biāo)變換將三相系統(tǒng)等效為兩相系統(tǒng)，再經(jīng)過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的同步旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦，從而達(dá)到對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩電流的分別控制，將一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)。圖44 給定角速度為1500時(shí)的仿真波形給定轉(zhuǎn)速為1500 rad/s時(shí)，從圖中可以看出電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)有一定的超調(diào)，在6s鐘后電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于平穩(wěn)(圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間time，單位s；縱坐標(biāo)為角速度speed，單位rad/s)。根據(jù)第2章中的轉(zhuǎn)子磁鏈定向的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出計(jì)算轉(zhuǎn)速的表達(dá)式。(7)卡爾曼濾波法。目前，MRAS 法主要解決的問題在于如何找出新的參考模型以及可調(diào)模型，以降低異步電機(jī)的參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速估計(jì)得影響，以及如何選取合適的控制規(guī)律，能夠使得轉(zhuǎn)速估計(jì)的收斂性和抗干擾性同時(shí)達(dá)到最優(yōu)。常用的速度檢測(cè)方法有：用測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)轉(zhuǎn)速、用光電方法測(cè)速等等，這些利用速度傳感器的方法不可避免的要在電機(jī)上安裝硬件設(shè)置。圖24電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(1)按照電流環(huán)典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。定子電壓方程為（215）轉(zhuǎn)子電壓方程為（216）定子磁鏈方程（217）轉(zhuǎn)子磁鏈方程（218）由三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子短路，有，可以得到電壓方程的矩陣形式變化為：（219）（220）在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程中，交流電機(jī)的各個(gè)物理量已經(jīng)成為在空間中靜止不動(dòng)的直流物理量了。 異步電動(dòng)機(jī)在ABC三相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型忽略系統(tǒng)的非理想因素，基于電機(jī)理想化假設(shè)的前提下，列寫異步電動(dòng)機(jī)在ABC三相靜止坐標(biāo)系上的電機(jī)方程，包括電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程。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。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(chǎng)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。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)。近20 年來，無速度傳感器控制研究受到國(guó)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)。高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)一般采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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。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]。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(chǎng)合。這兩種方法主要優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、直觀性強(qiáng)，速度估計(jì)實(shí)時(shí)性較好。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。式中，為定子A軸和轉(zhuǎn)子軸間的空間位移角；為定子和算后的轉(zhuǎn)子間的互感；分別為定子和轉(zhuǎn)子漏感。 異步電動(dòng)機(jī)在MT同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型定子電壓方程 （224）轉(zhuǎn)子電壓方程（225）定子磁鏈方程（226）轉(zhuǎn)子磁鏈方程（227）考慮到，則有數(shù)學(xué)模型式為（228）式中，為定子電壓的M、T分量，為轉(zhuǎn)子電壓的M、T分量；為定子電流的M、T分量，為轉(zhuǎn)子電流的M、T分量；為定子磁鏈的M、T分量，為轉(zhuǎn)子磁鏈的M、T分量。這樣可以消去大的慣性環(huán)節(jié)，提高系統(tǒng)的快速性。交流電機(jī)無速度傳感器的矢量控制技術(shù)是在常規(guī)帶速度傳感器的矢量控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,也是沿用磁場(chǎng)定向控制技術(shù),只是電機(jī)轉(zhuǎn)速的獲取途徑、方法不同。(4)基于自適應(yīng)全維狀態(tài)觀測(cè)器的轉(zhuǎn)速估計(jì)法。它把電機(jī)轉(zhuǎn)速也看作為一個(gè)待估算的狀態(tài)變量，利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值來修正狀態(tài)變量的估計(jì)值，求出當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)值。隨著版本的不斷升級(jí)，內(nèi)容的不段擴(kuò)大，功能的更加全面。圖46 給定磁通為60時(shí)的磁鏈仿真波形圖47 給定磁通為100時(shí)的磁鏈仿真波形給定磁通分別為60,100時(shí)，從圖46，(圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間time，單位s；縱坐標(biāo)為角速度magnetic flux，單位Wb)。由第2章中異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈定向的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出計(jì)算轉(zhuǎn)速的表達(dá)式。每周定時(shí)對(duì)我們進(jìn)行悉心指導(dǎo)，當(dāng)遇到一些難以理解的問題時(shí)，老師會(huì)讓我們先到圖書館