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異步電機參數(shù)在線辨識技術(shù)的研究硬件部分畢業(yè)設(shè)計(參考版)

2024-09-01 14:08本頁面
  

【正文】 檢測電路設(shè)計 有了上面三項的設(shè)計,就構(gòu)成了這個溫度檢測電路,利用鉑電阻的特性,當溫度發(fā)生變化時,電阻也會隨著變化,電阻變化,它的電壓降也會變化,本設(shè)計就是獲取的這個電壓的變化量,以此來反推導(dǎo)出電機定子側(cè)的溫度,在本設(shè)計里讓電流恒定不變,這樣電阻的變化和電壓的變化就是線性的,這樣以來,有利于我們的分析和計算。有: REFP VV ? ( 44) RsN VV ? (45) 其中, PV 是比較放大器的同相輸入端電壓, NV 是反相輸入端電壓。 sR 是取樣電阻,當電流 I 流過取樣電阻 sR 時,在電阻上產(chǎn)生的電壓降為 RsV ,公式為: RsV =I ? sR ( 43) RsV 與 I 成正比的關(guān)系。恒流源由基準電壓、比較放大、 調(diào)整部分和取樣部分組成。這樣,在溫度變化時,只要它們的長中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 度和電阻溫度系數(shù)相等,它們的電阻變化就不會影響到電橋的工作狀態(tài)。比如, 50Ω 的鉑電阻,若導(dǎo)線電阻為 1Ω,將會產(chǎn)生 5℃的測量誤差,為了解決這一個問題,消除掉由于連接導(dǎo)線隨環(huán)境溫度變化而造成的測量誤差,在本設(shè)計采用三線制電橋接線方法。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 鉑電阻分度表 41 溫度 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 電阻值(Ω) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 在實際的溫度測量中,熱電阻的測量電路最常用的是電橋電路。 使用鉑熱電阻的特性方程式,每隔 1℃求取一個相應(yīng)的 tR ,就可得到鉑熱電阻的分度表。它的測量范圍一般為 200— +650℃ .這在測量電機的溫度中已經(jīng)遠遠夠用,故對其沒有影響。這是因為鉑在氧化性介質(zhì)中,甚至在高溫下其物理和化學(xué)性質(zhì)都非常穩(wěn)定。它的長時間穩(wěn)定復(fù)現(xiàn)性可以達到 410? K, 是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計。而現(xiàn)在用的最廣泛的熱電阻是鉑電阻和銅電阻兩種,鉑電阻的測溫范圍是 200—+650℃,銅電阻的測溫范圍在 50— +150℃ ,本設(shè)計中要測量的電機的溫度已經(jīng)超過了150℃,銅電阻已經(jīng)滿足不了設(shè)計的需要,故選擇鉑電阻作為本設(shè)計的溫度傳感器。后面接電容 C3和 C4 都是起濾波的作用,最后面的發(fā)光二極管 LED0 是 5V 的電源指示燈,以檢測電源是否正常供電。 因為我們要輸出 5V 的電壓,所以選用 7805, LM7805 最大可以輸出 1A 的電流,內(nèi)部有限流式短路保護,短時間內(nèi),例如幾秒鐘的時間,輸出端對地( 2 腳)短路并不會使 7805燒壞,故具有良好的穩(wěn)壓作用。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 變壓器輸出端的 10V 電壓經(jīng)橋式整流并電容濾波,在電容 C2兩端大約會產(chǎn)生 11V多一點的電壓,假如從電容兩端直接接一個負載,當負載變化或交流電源有少許波動都會使 C2兩端的電壓發(fā)生較大幅度的變化,因此要得到一個比較穩(wěn)定的電壓,在這里接一個三端穩(wěn)壓器的元件。在生活中,正常的工頻交流電為 220V,而在本設(shè)計中,檢測電路、單片機 ATmega1顯示電路以及串口通信所需要的電壓是直流5V,這是不滿足我們要求,不能直接給所需電路供電,需要經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換,以達到要求,本電源電路首先將 220V 電壓降壓,然后進行整流,濾波以及穩(wěn)壓,最后輸出本設(shè)計所需要的電壓,具體的電路和工作原理圖如圖 42。本設(shè)計的硬件原理框圖 41如下: 溫度傳感器信號處理電路單片機串口通信顯 示 電 路 圖 41 硬件原理框圖 本設(shè)計中的溫度傳感器采用的是鉑電阻,它的電阻值隨溫度的變化而變化,它串聯(lián)在電路中,測量信號以電壓的形式輸出,然后經(jīng)信號處理電路處理后送入單片機;單片機外接顯示電路,經(jīng)顯示電路把溫度顯示出來,單片機又經(jīng)通信口把計算的電機參數(shù)傳到上位機,控制電機,使電機在最佳狀態(tài)運行。 設(shè)本電機為 Y型接線,則測量定子電阻如圖 33: A BCr ar cr br a br c ar b c 圖 33 定子電阻測量圖 Y型各相電阻計算如下: 1 ()21 ()21 ()2c a ab bcab a bbc b c ab bc c ac a c abc c a abr r r rr r rr r r r r r rr r rr r r r?? ? ???? ? ???? ? ? ? ? ????? ? ?? ? ? ?? (318) 有上面計算公式,把測量的值帶入,即可求出常態(tài)下定子電阻的阻值。 利用萬用表來直接測量 電機電阻 r大小的方法就是直讀法。211 ( 317) 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 其中, fZ 為堵轉(zhuǎn)時的總阻抗; fR 為堵轉(zhuǎn)時的等值電阻; fX 為堵轉(zhuǎn)時的等值電抗。239。在負載試驗時,獲得阻抗為: ffmm mmf jXRjxsrjxr jxsrjxrjxrZ ????? ????? )/()( )/)(()( 39。 ( 3)負載試驗 在負載試驗中,給試驗電機增加適當?shù)?負載,負載的大小隨著電機運行工況的不同而改變。239。239。在以往的堵轉(zhuǎn)試驗中大多都在試驗臺上來進行,所以可以在電機轉(zhuǎn)動之前利用工具將轉(zhuǎn)子卡住不動。轉(zhuǎn)速完全接近同步轉(zhuǎn)速 1nn? ,轉(zhuǎn)差頻率 s≈ 0,由圖 可以看出,轉(zhuǎn)子阻抗很大,相當于開路,于是可得空載時的總阻抗: 00110 )()( jXRxxjrrZ mm ?????? ( 315) 其中: 0Z 為空載時的總阻抗; 0R 為空載時的等值電阻; 0X 為空載時的等值電抗。 電機參數(shù)辨識常用試驗方法 本試驗有三種電機狀態(tài),即:空載試驗,堵轉(zhuǎn)試驗和負載試驗。 電動機 在運行時參數(shù)必然會發(fā)生一些變化。圖 32是一個典型的由電阻和電抗組成的電路。 將圖 31 的異步 電動機 T型等效電路等效成如圖 32 的一個電路來進行分析。21 rss? — 電動機旋轉(zhuǎn)時的附加電阻; 1x — 定子漏抗; 39。 根據(jù)式 (314),可以畫出異步 電動機 的 T型等效電路為 (其中一相 ): 圖 31 異步電動機 T型等效電路圖 其中, 1r — 定子電阻; 39。39。磁動勢平衡方程式: ?1F +?2F = ?mF (38) 從式( 36)( 37)( 38)導(dǎo)出電流平衡方程式為: 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 ?? 11112 Ipkwm w + ?? 22222 Ipkwm w = ?? mw Ipkwm 1112 (39) 寫成: ??? ??mIkII221 (310) 式中 222111122wwkwm kwmIIk ???? 稱為電流變比。轉(zhuǎn)子磁動勢又影響了氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場,其結(jié)果是定子旋轉(zhuǎn)磁動勢 ?1F 和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢 ?2F 聯(lián)合起來產(chǎn)生氣隙主磁通 m? ,在定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電動勢 1?E 和 2?E 。由于對變壓器電磁理論比較熟悉,在分析異步 電動機 時,可以采用類比的方法將其旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的參數(shù)折算到靜止的定子側(cè),這樣可以簡化異步 電動機 模型的分析。一般雜散損耗約為額定輸出的 %,但是當 150%過載運行時,雜散損耗將上升為額定輸出的 10%。 (4)雜散損耗。轉(zhuǎn)子電阻與轉(zhuǎn)子漏抗也受到磁飽和程度的影響。 (3)磁路飽和。異步 電動機 通過改變電源頻率而達到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。 在 電動機 正常工作的情況下,由于運轉(zhuǎn)時的摩擦, 電動機 溫度會發(fā)生變化,而 電動機 的定子繞組一般是銅導(dǎo)線制成的,所以溫度變化會導(dǎo)致定子電阻阻值的變化。 影響異步電動機 在線參數(shù) 的因素 由于異步 電動機 在運行過程中受 到現(xiàn)場工況的影響, 電動機 參數(shù)會發(fā)生改變。 繞組電阻值與溫度的關(guān)系為: 0 (1 )R R t?? ? ? (31) 式中 R 是 t℃的電阻值, 0R 是 0℃的電阻, ? 為電阻溫度系數(shù),其中銅電阻溫度系數(shù)為 10? ???/℃。異步 電動機 定子繞組一般用銅材料制成,繞組的電阻值與繞組的溫度呈線性關(guān)系。因此,如何準確地獲得這些參數(shù)是矢量控 制系統(tǒng)或直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)需要解決的首要問題。異步 電動機 基本參數(shù)的變化對磁場定向的準確性影響很大。 由上可知, 電動機 參數(shù)的變化對 電動機 的運行有很大的影響,因此,電 動 機參數(shù)在線辨識具有十分重要的意義。如果此時不考慮定子電阻的變化情況,計算出來的定子磁鏈、轉(zhuǎn)矩的準確性將會受很大影響,這就使有定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩輸出誤差決定的電動機運行性能變差。但是低速條件時, su 和 ssiR 在同一個數(shù)量級別,此時就應(yīng)該考慮定子電阻 sR 的變化對定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響。 直接轉(zhuǎn)矩控制的時候,對整個控制系統(tǒng)的產(chǎn)生很大影響的因素是定子磁鏈的準確與否。 磁場定向控制在對交流 電動機 實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩 高性能控制的時候,對電動機參數(shù)的依賴性是很強的。所以,在啟動電動機之前需要對一些參數(shù)進行精確的測試,在調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù),比如三相異步電動機,可以在 電動機 常態(tài)下測量電動機定子電壓和電流來獲得電動機的參數(shù),這時,變頻器用來產(chǎn)生參數(shù)辨識所需要的各種測試信號。 當前,我們所用的異步 電動機 和變頻器基本上是不同的廠家所生產(chǎn)的 ,相對于變頻器來說,電動機的參數(shù)是不知道的。可是,電動機在工作時參數(shù)是實時變化的,比如,由于溫度變化、集膚效應(yīng)、飽和等現(xiàn)象導(dǎo)致參數(shù)的變化。 在實際的應(yīng)用中,直流調(diào)速系統(tǒng)的性能是優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)的,但隨著 電動機 使用技術(shù)的發(fā)展,交流 電動機 在應(yīng)用領(lǐng)域越來越多的替代直流 電動機 ,這就導(dǎo)致研究交流調(diào)速控制系統(tǒng)成為必然。在 20 世紀 40 年代末到 50 年代,對串級及離子變頻的交流調(diào)速系統(tǒng)進行了一些研究,并提出了無換向器電動機的原理。生產(chǎn)力的不斷發(fā)展,又要求更先進的 電動機及控制系統(tǒng)的應(yīng)用。在 DSP等快速處理器發(fā)展的今天,許多智能控制理論 的 電動機 參數(shù)辨識方法相繼也一一研究出來,這些參數(shù)辨識方法更加提高了控制系統(tǒng)的性能。運用正常的工作信號或內(nèi)部的擾動信號作為輸入檢測信號是比較方便的檢測方法,但是只有在它們符合參數(shù)辨識的要求時,省略掉外部附加的信號才是可以的。此參數(shù)辨識方法對輸入的檢測信號有特定的要求:首先,要求這個檢測信號對系統(tǒng)的影響與被辨識 電動機 的參數(shù)有密切的關(guān)系;其次,這種檢測信號應(yīng)能滿足一些條件的限制,比如:要有足夠?qū)挼念l率范圍,測試信號要盡量大等條件;最后,外加的測試信號不能對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生明顯 的影響。在系統(tǒng)保持穩(wěn)態(tài)時,理論上就能認定 可調(diào)模型中的參數(shù)值就是我們需要的參數(shù)值,得到的此參數(shù)就能用來更新系統(tǒng)中對應(yīng)的參數(shù)。應(yīng)用模型參考自適應(yīng)法對參數(shù)進行辨識的主要思路是:把包括待估計參數(shù)的方程當作可調(diào)模型,把不包括待估計參數(shù)的方程當作參考模型,兩個模型包括同樣物理意義的輸出量。遺憾的是,現(xiàn)在我們比較多的選擇極點是在不同的轉(zhuǎn)速下依靠經(jīng)驗來預(yù)先進行判斷,利用我們要用到的極點重新來計算反饋系數(shù)。 因為廣義龍貝格觀測器反饋矩陣的系數(shù)是通過極點配置來選擇的,所以極點選擇的好壞就決定了觀測器的性能。它基本的思想是:首先把非線性的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線性化系統(tǒng),然后運用龍貝格觀測器的算法對其狀態(tài) 進行估計。 異步 電動機 通常是非線性系統(tǒng),如果用龍貝格觀測器進行 電動機 參數(shù)的辨識,那么就要運用廣義的龍貝格觀測器。龍貝格觀測器和卡爾曼濾波器是 電動機 控制中最常用的兩種觀測器。所以它的計算量相對與別的參數(shù)辨識方法還是比較大的。由于觀測的誤差,模型的誤差以及外干擾的存在,就使這種參數(shù)辨識的理想情況不在存在,也就導(dǎo)致了這種辨識方法不再具有無偏性。但為了能提高參數(shù)辨識的精度,就要求有盡量多的數(shù)據(jù),也就是需要相當大的樣本容量,但這樣一來就需要有更大的內(nèi)存容
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