【正文】 ............................................. 25 引腳設(shè)置 ........................................................... 26 顯示電路 ........................................................... 26 串口通信 ......................................................... 27 5 結(jié)論 ..................................................................... 28 參考文獻(xiàn) ................................................................... 29 翻譯部分 ................................................................... 30 英文部分 ............................................................. 30 中文譯 文 ............................................................. 34 致 謝 ..................................................................... 40 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 1 三相異步電動(dòng)機(jī)原理 三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 異步 電動(dòng)機(jī) 由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，為了減小勵(lì)磁電流，提高功率因數(shù)，氣隙應(yīng)做的盡可能小。這兩種電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)完全一樣，僅轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。定子鐵芯是 電動(dòng)機(jī) 磁路的一部分，一般有絕緣漆的 硅鋼片疊壓而成，采用硅鋼片的原因是為了減少鐵損，絕緣漆可以減少鐵芯的渦流損耗。有引出 3 根線的，也有引出 6根線的，可以根據(jù)需要連接成星形或三角形。 圖 11 圖 12 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu) 異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯的外圓周上也沖滿著槽，槽內(nèi)安放轉(zhuǎn)子繞組。這種電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)和調(diào)速時(shí)，可以在轉(zhuǎn)子電路中串入外接電阻，或進(jìn)行串級(jí)調(diào)速。如圖 1— 3 所示。鑄鋁式轉(zhuǎn)子把導(dǎo)條、端環(huán)和風(fēng)扇一起鑄出，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便，常用于中、小型電動(dòng)機(jī)?；\型轉(zhuǎn)子如果把鐵芯去掉單看繞組部分，其形似鼠籠，因此稱為籠型轉(zhuǎn)子，如圖 1— 4所示。為了改善性能，異步 電動(dòng)機(jī) 空氣隙一般較小，中、小型異步 電動(dòng)機(jī) 的空氣隙為 — ,而且是均勻的。對(duì)磁場(chǎng)的要求是：磁場(chǎng)的極性不變、大小不變、轉(zhuǎn)速不變（穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速）。理論與實(shí)踐證明：三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱電流后，空間能產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，且極性、大小、轉(zhuǎn)速均不變。 三相電流的表達(dá)式為 ： tIi mA ?cos? ， )120co s ( ??? tIi mB ? ， )240c o s ( ??? tIi mC ? 三相電流變化的頻率是 f=,B,C 三相是隨 t 變化的， A、 B、 C 交替出現(xiàn)最大值—— 稱之為正序。符號(hào)⊙表示電流流出， ? 表示電流流入。若電流每秒變化 f1 周，磁場(chǎng)轉(zhuǎn) n0 轉(zhuǎn) —— 即 n0=f1 轉(zhuǎn) /秒；習(xí)慣上用每分鐘表示。如 2 極 電動(dòng)機(jī) ， p=1， n0=60*f1=3000 轉(zhuǎn) /分 若要求磁場(chǎng)產(chǎn)生 4 個(gè)極呢？只需在繞組排列上作些變動(dòng)即可，原則仍為： 1）三相對(duì)稱繞組，空間互差 120； 2）放置次序?yàn)?AZBXCY,不同的是每相不是一個(gè)線圈，而是 4 個(gè)！ 下面以 4 極 電動(dòng)機(jī) 為例進(jìn)行分析：（如圖 16） 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 圖 16 可見： 1）電流變化一周 360，磁場(chǎng)在空間只旋轉(zhuǎn)半圈 180； 2）轉(zhuǎn)向仍為逆時(shí)針，正轉(zhuǎn) —— 逆時(shí)針； 3）轉(zhuǎn)速 1500 轉(zhuǎn) /分； 4） 電動(dòng)機(jī) 極數(shù)多，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速慢的原因是：每個(gè)線圈只占 1/4 圓周，較 2極 電動(dòng)機(jī) 少一半 ，一個(gè)極矩是 180，電流變化一周是 360，導(dǎo)體應(yīng)當(dāng)經(jīng)過一對(duì)極。 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 如已知定子能產(chǎn)生一個(gè)極性、大小、轉(zhuǎn)速均不變的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，以 n0旋轉(zhuǎn) —— 相當(dāng)于模型中的大磁鐵。這個(gè)電磁力矩就是拖動(dòng) 電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，它使轉(zhuǎn)子順磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)。 異步電動(dòng)機(jī)的工作特性 異步電動(dòng)機(jī)的工作特性是指在定子電壓、頻率均為額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、定子電流、功率因數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩、效率與輸出功率的關(guān)系，即在 NUU ?1 , nff ?1 時(shí)，n ,1I , ?cos , 2T ,? 同 2P 的關(guān)系。大容量電動(dòng)機(jī)因受設(shè)備的限制，通常由空載和短路試驗(yàn)測(cè)出 電動(dòng)機(jī) 的參數(shù)，然后再利用等值電路來計(jì)算出工作特性。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩只用于克服空載轉(zhuǎn)矩 0T ，此時(shí)轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子銅損耗很小，可忽略；轉(zhuǎn)差率 s很小，接近于 0,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速接近同步1n 。相應(yīng)的 轉(zhuǎn)速有所下降，但降得不多；轉(zhuǎn)差率增加并不很大。轉(zhuǎn)速特性 n = f ( 2P )是稍微向下傾斜的一條近似直線的曲線。這里的曲線從上是 1， 2，…到最下 5。隨著負(fù)載增加，轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)子電流增大，勵(lì)磁電流基本不變，定子電流也增大。如圖 1— 7所示 的第 4 條曲線。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，定子電流中的有功電流增加，使 1cos? 提高得較快。負(fù)載再增加時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率增大， 2sr 加大，轉(zhuǎn)子電流的無功分量有所增加，相應(yīng)定子電流無功分量隨之增加，反而略有下降。 電磁轉(zhuǎn)矩特性 T = f ( 2P ) 將輸出轉(zhuǎn)矩 2T = 2P / ? 代入式 T = 2T + 0T ，可得異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方程式 2T = 2P / ? + 0T 。如圖 1— 7 所示的第 5 條曲線。 隨著輸出功率 2P 增加，效率也在增加，但效率的高、低決定于損耗在輸入功率中所占的比重。當(dāng)輸出功率增加時(shí)，由于可變損耗增加較慢，所以效率上升較快。一般來說，電動(dòng)機(jī)容量越大，效率越高。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 2 異步 電動(dòng)機(jī) 的參數(shù)辨識(shí)發(fā)展概述 發(fā)展情況 直流 電動(dòng)機(jī) 拖動(dòng)和交流 電動(dòng)機(jī) 拖動(dòng)在 19世紀(jì)中先后誕生。交流調(diào)速系統(tǒng)的方案雖然早已有多種發(fā)明并得到實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。經(jīng)過十年左右的努力，到了 80 年代大見效，一直被認(rèn)為是天經(jīng)地義的交直流拖動(dòng)的分工局限逐漸被打破了，高性能交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用的比重逐年上升。 讓交流 電動(dòng)機(jī) (特別是感應(yīng) 電動(dòng)機(jī) )能實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速一直是學(xué)術(shù)界、工業(yè)界的 夢(mèng)想，因?yàn)樗菍?shí)現(xiàn)高效率調(diào)速的最佳手段。 1971 年 F. Blashke 在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了磁場(chǎng)定向矢量控制原理，后來他以此論文以西德技術(shù)大學(xué)通過了博士了答辯。晶閘管問世不久，McMurray 換流電路 (輔助可控硅換流電路 )與 McMurryBedford 換流電路 (串聯(lián)電感式換流電路 )、串聯(lián)二極管電路，以及交 —— 交變頻周波變流器的相繼出現(xiàn)，可關(guān)斷 器件 GTR 的實(shí)用化， 16 位微處理器及 DSP 的日益完善，磁場(chǎng)定向矢量技術(shù)在 8385 年左右才真正取得巨大進(jìn)步，并迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。 磁場(chǎng)定向矢量控制在磁場(chǎng)方向計(jì)算精確，可實(shí)現(xiàn)磁通和力矩的近似完全解禍，可對(duì)交流 電動(dòng)機(jī) 實(shí)現(xiàn)對(duì) 象 直流 電動(dòng)機(jī) 般的準(zhǔn)確控制。例如，由于溫升 、飽和等現(xiàn)象導(dǎo)致的原理性的參數(shù)變化；由于暫態(tài)、電源幅值及頻率變動(dòng)，或負(fù)載等變化導(dǎo)致的運(yùn)行參數(shù)變化。例如， 電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)軸 等受力部件的彈性疲勞，軸承磨損等對(duì)氣隙的影響，絕緣結(jié)構(gòu)及硅鋼片老化對(duì)電磁性能的影響，各種應(yīng)力作用及其所產(chǎn)生的振動(dòng)，不僅直接損壞絕緣，且危及各零部件的強(qiáng)度。尤其一些高度的非線性現(xiàn)象，當(dāng) 電動(dòng)機(jī) 運(yùn)行在大范圍內(nèi)變化時(shí)，參數(shù)改變的影響更為重要。所以，將 電動(dòng)機(jī) 模型當(dāng)作恒定參數(shù)的現(xiàn)行方 程式，不僅不符合實(shí)際，也滿足不了當(dāng)前發(fā)展的需要。鑒于此，參數(shù)的自估計(jì)就理所當(dāng)然成為 90 年代磁場(chǎng)定向矢量控制的研究重點(diǎn)。 參數(shù)自測(cè)試是現(xiàn)代傳動(dòng)系統(tǒng)的主要特征之一，這種參數(shù)自測(cè)試是建立在參 數(shù)辨識(shí)方法之上，并在 電動(dòng)機(jī) 運(yùn)行的過程中自動(dòng)完成，以保證對(duì) 電動(dòng)機(jī) 實(shí)現(xiàn)更有效，更準(zhǔn)確的控制。 (2) 在矢量控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，解決交流傳動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、負(fù)載、和各種非理想因素的適應(yīng)控制問題。一般的矢量控制系統(tǒng)無法適應(yīng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)隨電動(dòng)機(jī)溫升和勵(lì)磁等工況不同所發(fā)生的變化，因而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)在錯(cuò)誤的勵(lì)磁條件持續(xù)運(yùn)行和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)震蕩。近 10 年來，于電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，這一問題越來越受到人們的關(guān)注。 電動(dòng)機(jī) 的主要的實(shí)時(shí)參數(shù)用于 電動(dòng)機(jī) 控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì) 電動(dòng)機(jī) 的控制。由此可見， 電動(dòng)機(jī) 的參數(shù)辨識(shí)對(duì)于今天的工業(yè)應(yīng)用有非常重要的意義。最初通過 電動(dòng)機(jī) 空載、堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)獲取異步 電動(dòng)機(jī) 的參數(shù)。 隨著控制技術(shù)的發(fā)展，人們可以通過對(duì)輸入 — 輸出的結(jié)果的測(cè)量，用傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程可識(shí)別動(dòng)態(tài)系統(tǒng)參數(shù)，于是紛紛轉(zhuǎn)向可測(cè)量的電壓、電流、轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)軸的空間位置，來進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。 Zai 和 Lipo onhard 僅局限于變化緩慢，轉(zhuǎn)速波動(dòng)量在額定值的 5%條件下。 Sheriling 提出了輸入四種不同的電壓信號(hào)通過測(cè)量 電動(dòng)機(jī) 靜止?fàn)顟B(tài)下的電流頻響來確定 電動(dòng)機(jī) 的漏感，轉(zhuǎn)子時(shí)常數(shù)，轉(zhuǎn)子電阻，定子電阻。 由此可以看出，異步 電動(dòng)機(jī) 的參數(shù)識(shí)別經(jīng)歷了由離線識(shí)別到在線識(shí)別這一過程，而且由靠單純的頻率響應(yīng)頻域識(shí)別的辦法發(fā)展到時(shí)域辨識(shí)法。 中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 總體而言，在 電動(dòng)機(jī) 的參數(shù)識(shí)別的研究過程中，國外的科研工作者做了大量的工作尤其是歐洲的科研工作者，其中以俄國的科研人員的工作最為深入。而國內(nèi)科研工作者相對(duì)更加專注于同步電動(dòng)機(jī)問題的研究工作，在 異步 電動(dòng)機(jī) 參數(shù)識(shí)別方面的投入不大，成果也不太多。辨識(shí)的方法可以分為兩類 :一種是利用辨識(shí)對(duì)象正常運(yùn)行條件下的輸入，輸出信息，在初始估計(jì)下開始，靠遞推算法，逐步修正估計(jì)值的在線辨識(shí)，其特點(diǎn)是在一定的條件下 (計(jì)算機(jī)內(nèi)存，運(yùn)算速度及算法 )能進(jìn)行實(shí)時(shí)處理 ； 另一類是將辨識(shí)對(duì)象由系統(tǒng)中分離出來受時(shí)間限制的離線辨識(shí)，其特點(diǎn) :信息存儲(chǔ)大。由于 電動(dòng)機(jī) 的復(fù)雜電磁狀態(tài)，其中的部分參數(shù)又表現(xiàn)出非線性，因此又是難度較大的課題。異步電 動(dòng) 機(jī)的參數(shù)識(shí)別按辨識(shí)手段的特點(diǎn)又可分為兩類 : 一為頻域響應(yīng)法?？偨Y(jié)近年來對(duì)頻域響應(yīng)法本身理論的研究與實(shí)踐可發(fā)現(xiàn)該法在計(jì)算方法上己較為成熟，算法穩(wěn)定性較好且具有一定的濾波功能。由于方法本身限制，目前國外 電動(dòng)機(jī) 頻響研究趨于減少。該方法于 70 年代末，開拓 電動(dòng)機(jī) 參數(shù)測(cè)試的廣闊前景。但在線辨識(shí)也存在一些問題 :如周圍環(huán)境的影響 。在線辨識(shí)還有可能遇到不同實(shí)驗(yàn)或同一實(shí)驗(yàn)所識(shí)別的參數(shù)相差較大，即參數(shù)不穩(wěn)定的問題。 下面對(duì)異步 電動(dòng)機(jī) 參數(shù)辨識(shí)方法進(jìn)行一些綜述，異步 電動(dòng)機(jī) 參數(shù)辨識(shí)的方法有離線辨識(shí)和在線辨識(shí)兩種。具體可分為： 1. 最小二乘法辨識(shí) 電動(dòng)機(jī) 參數(shù) 。在滿足了這個(gè)條件的時(shí)候，就能運(yùn)用最小二乘法的方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí) 了。通常在使用過程中，需要考慮每次觀測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)估計(jì)參數(shù)的不同影響，就可以采用加權(quán)的方法，通過觀測(cè)精度和實(shí)際需要來確定權(quán)矩陣的主對(duì)角元素。 當(dāng)今在 電動(dòng)機(jī) 參數(shù)辨識(shí)過程中，提出最小二乘法的辨 識(shí)方法，如果設(shè)定系統(tǒng)的干擾為中國礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁 白噪聲情況時(shí)。除此之外，相對(duì)于 電動(dòng)機(jī) 的狀態(tài)空間模型，現(xiàn)在常用的方法是檢驗(yàn)狀態(tài)空間模型的可觀測(cè)性，在將其轉(zhuǎn)換成可觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)值，而后求出輸入輸出之間差分方程的關(guān)系，最后依據(jù)現(xiàn)有的方法進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。 2. 狀態(tài)觀測(cè)法辨識(shí) 電動(dòng)機(jī) 參數(shù) 運(yùn)用狀態(tài)觀測(cè)器的方法進(jìn)行 電動(dòng)機(jī) 參數(shù)的辨識(shí)，它的基本思想是把要進(jìn)行估計(jì)的 電動(dòng)機(jī) 參數(shù)看作系統(tǒng)內(nèi) 部的狀態(tài)，然后把估計(jì)的參數(shù)和 電動(dòng)機(jī) 模型方程進(jìn)行組合，最后用觀測(cè)器的理論為依據(jù)來設(shè)計(jì)參數(shù)辨識(shí)方法，把我們需要的參數(shù)觀測(cè)出來。第一種是根據(jù)極點(diǎn)配置理論來確定系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器，第二種是最小方差意義上的最優(yōu)預(yù)測(cè)估計(jì)方法。廣義龍貝格觀測(cè)器是龍貝格觀測(cè)器在非線性系統(tǒng)中的推廣。通常 電動(dòng)機(jī) 的模型受轉(zhuǎn)速的影響，都不是線性的，因此需要根據(jù)速度的變化來重新計(jì)算系統(tǒng)的模型和反饋矩陣，所以計(jì)算量比較大，計(jì)算時(shí)間也較長。假如極點(diǎn)離虛軸很近，觀測(cè)器的收斂速度就會(huì)比較慢；假如極點(diǎn)離虛軸很遠(yuǎn)，測(cè)量的誤差就會(huì)被放大，影響到辨識(shí)的結(jié)果。 3. 模型參考自適應(yīng)辨識(shí) 電動(dòng)機(jī) 參數(shù) 模型參考自 適應(yīng)法是自適應(yīng)控制方法的一種，它是根據(jù)控制系統(tǒng)中存在的不確定因素提出的，是一種依據(jù)數(shù)學(xué)模型的控制方法，它所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的常態(tài)參數(shù)是很少的，所以要求在系統(tǒng)工作中實(shí)時(shí)獲取有關(guān)模型的信息，達(dá)到模型趨于完善的目的。根據(jù)兩個(gè)模型輸出量之間的差值，運(yùn)用恰當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)規(guī)律，動(dòng)態(tài)的更新可調(diào)模型的參數(shù)，直到兩個(gè)模型的輸出差值接近零值。 4. 信號(hào)注入法辨