無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)仿真

課程設計任務書學生姓名：專業(yè)班級：指導教師：工作單位：武漢理工大學題目:無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)仿真初始條件：電機參數(shù)為：額定電壓U=380V、頻率f二50Hz、定子電阻R=0.252Q、s額定功率p=2.2KW、定子自感L=0.0016H、轉(zhuǎn)子電阻R=0.332q、額定轉(zhuǎn)速srn=1420rpm、轉(zhuǎn)子自感l(wèi)=0.0016H、級對數(shù)n=2、互感厶=0.08H、轉(zhuǎn)動rpm慣量J=0.6Kgm2要求完成的主要任務:（1）設計系統(tǒng)原理圖;（2）用MATLAB設計系統(tǒng)仿真模型；（3）能夠正常運行得到仿真結(jié)果,包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等曲線，并將推算轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速進行比較參考文獻：[1]洪乃剛.《電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真》.北京：機械工業(yè)出版社，2005:212-215時間安排：2011年12月5日至2011年12月14日，歷時一周半，具體進度安排見下表具體時間設計內(nèi)容12.5指導老師就課程設計內(nèi)容、設計要求、進度安排、評分標準等做具體介紹；學生確定選題，明確設計要求12.6-12.9開始查閱資料，元成方案的初步設計12.10—12.11由指導老師審核設計方案，學生修改、完善并對其進行分析12.12-12.13撰寫課程設計說明書12.14上交課程設計說明書，并進行答辯指導教師簽名：年月日系主任（或責任教師）簽名：武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書摘要異步電動機具有非線性、強耦合、多變量的性質(zhì)，要獲得高動態(tài)調(diào)速性能，必須從動態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電機的調(diào)速方案。矢量控制是目前交流電動機較先進的一種動態(tài)模型,它又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的、無速度傳感器和有速度傳感器等多種矢量控制方式。無速度傳感器控制的高性能通用變頻器是當前全世界自動化技術(shù)和節(jié)能應用中受到普遍關(guān)心的產(chǎn)品和開發(fā)課題。本文介紹無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的原理和Matlab仿真。關(guān)鍵詞：矢量控制、無速度傳感器、Matlab目錄TOC\o"1-5"\h\z矢量控制概述1無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)1無速度傳感器矢量控制方法2無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)SIMULINK分析3仿真結(jié)果分析8學習心得9參考文獻1武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書#無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)仿真1矢量控制概述空間矢量法是一種應用于交流電機變頻調(diào)速領域的最重要的閉環(huán)控制技術(shù)之一，并且常用于交流電機動態(tài)建模?？臻g矢量是一個復雜變量，其大小和角度都隨時間任意地變化。目前被認為是假定在空間按正弦分布。在矢量控制的應用中，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的位置都可以通過使用諸如測速發(fā)電機或者編碼盤等傳統(tǒng)的機電傳感器來獲得。但是，這樣增加了驅(qū)動系統(tǒng)的體積和成本。如果轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的位置能夠估計，我們就不必要再使用傳感器。這就是所謂的無傳感器控制技術(shù)。無傳感器控制技術(shù)的主要目的就是估計轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速并利用此電機速度參數(shù)測量電壓和電流。矢量控制，即利用空間坐標變換方法控制交流電機模型。在實現(xiàn)上通過坐標變換將三相坐標系變?yōu)閮上?，再由兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系，由此將交流電機模型轉(zhuǎn)化為直流電機模型。由于電機轉(zhuǎn)速是利用轉(zhuǎn)子磁鏈直接控制的。因此，該系統(tǒng)利用了轉(zhuǎn)子磁鏈的定向控制原理。矢量變換控制可以讓交流電動機模仿直流電動機的控制規(guī)律。實現(xiàn)交流電動機磁通和轉(zhuǎn)矩的相互獨立控制，使交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)具有直流調(diào)速系統(tǒng)的全部優(yōu)點。為了適應高精度的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制及磁場定向的需求。要在電機軸上安裝速度傳感器。然而，在有些場合不允許外裝任何速度和位置檢測元件，且安裝速度傳感器在一定程度上降低了調(diào)速系統(tǒng)的可靠性,增加了速度傳感器本身帶來的誤差。解決這種問題，可以通過無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)研究，使用間接計算法求出電機運行的實際轉(zhuǎn)速值作為反饋信號,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速外環(huán)控制。2無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)一般說來,異步電動機無速度傳感器控制系統(tǒng),把獲得轉(zhuǎn)速（或同時獲得磁鏈）的方法分為三大類一是利用電機的運動方程進行轉(zhuǎn)速的推算;二是利用電機的狀態(tài)方程直接

進行轉(zhuǎn)速的計算;三是利用自適應狀態(tài)觀測器觀測磁鏈并同時對轉(zhuǎn)速進行辨識。還有其它一些方法是這幾類方法的變形、混合或是不便于把它歸結(jié)為其中的某一種類型。這種系統(tǒng)是用一個轉(zhuǎn)速推算器代替速度傳感器,其中轉(zhuǎn)速推算器有4個輸入信號和2個輸出信號。轉(zhuǎn)速推算器的一個輸出就是電動機運行的實際轉(zhuǎn)速值厲，以此作為轉(zhuǎn)速反饋信號。其中ACR為電流調(diào)節(jié)器。3無速度傳感器矢量控制方法在電機定子側(cè)裝設電壓傳感器和電流傳感器，檢測三相電壓UABC和三相電流IAbc，根據(jù)3/2變換求出靜止軸系中的兩相電壓Us、UsR、及兩相電流Isa、1栢。由定子靜止軸saspsasp系（a-p）中的兩相電壓、電流可以推算定子磁鏈，估計電機的實際轉(zhuǎn)速。當二相同步旋轉(zhuǎn)坐標系按轉(zhuǎn)子磁場定向時，異步電機的數(shù)學模型為：(1)(2)(3)(4)(5)d^r=PLm［片—LT

dtjL(1)(2)(3)(4)(5)3=LmisTr…sqrrdrd=—1片+Lmi

dtTrdTrsddisd=Lm血—RsLr+RrLmi+3i+usd

dtoLsLrTrrdoLsLj2sd1sqoLsdisq=—Lm3片—RsLr+RrLmi+3i+UsddtoLsTrrrdQLsLj2sq1sdoLs式中：Ls，Lr，Lm，Rs，Rr——分別為定、轉(zhuǎn)子的電感、互感和電阻；31，3s，3r，3，——分別為同步轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)差、真實轉(zhuǎn)速和估算轉(zhuǎn)速；Usd，Usq，isd，isq分別為按轉(zhuǎn)子磁場定向后定子電壓和電流的d、q軸分量；嘰，0——分別為按轉(zhuǎn)子磁場定向后轉(zhuǎn)子磁鏈的d軸分量、d軸與固定坐標a軸夾角；-，P，Tl――分別為轉(zhuǎn)子電磁時間常數(shù)、極對數(shù)和負載轉(zhuǎn)矩;6J――分別為漏磁系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量。

將(5)代入(2),又由Tr=Lr/Rr，整理得:(6)=sdisq/dtUsqRsisq

^rdLm/LrQLsisd(6)式(6)表明，可以根據(jù)電感量、勵磁電流isd、轉(zhuǎn)矩電流isq、轉(zhuǎn)子磁鏈體d和轉(zhuǎn)矩電流isq的微分計算得到同步轉(zhuǎn)速3］。結(jié)合式(1)，得估算轉(zhuǎn)速：岔=叫3s(7)由同步轉(zhuǎn)速得磁鏈角：3］=d0/dt⑻電壓變換和電流變換環(huán)節(jié)根據(jù)&將電壓和電流變換為按轉(zhuǎn)子磁場定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的量;磁鏈轉(zhuǎn)差計算環(huán)節(jié)根據(jù)式(2)和式(3)。由勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流及電機參數(shù)得到轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和轉(zhuǎn)差;同步轉(zhuǎn)速計算環(huán)節(jié)根據(jù)式(6)得到3］；e等于同步轉(zhuǎn)速的積分，根據(jù)式(8)得到；根據(jù)式(7)可以得到估算轉(zhuǎn)速3。4無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)SIMULINK分析為了驗證上述方案的可行性，根據(jù)前述數(shù)學模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，進行仿真實驗?？紤]到籠型電機轉(zhuǎn)子側(cè)短路，電壓為0，異步電機動態(tài)數(shù)學模型可表示為：r(9)L屮mrLmr(9)L屮mrLmiT屮strr(10)1+TPr屮Lrm(11)Li屮—np~m~SirLr(12)=Li=mSm(13)3si1mrpi=—^―M1r基于以上動態(tài)模型建立異步電機仿真模型，可以通過MATLAB/Simulink中的示波器觀察系統(tǒng)運行過程中各變量的波形，如基于式(7)的估算轉(zhuǎn)速、基于式(11)的電磁轉(zhuǎn)矩和基于式(12)的實際轉(zhuǎn)速等。給定不同轉(zhuǎn)速，任意時刻改變負載，可以得到運行過程中各變量的波形。仿真原理圖如圖2所示。圖1仿真原理圖1)SWPWMGENERATOR模塊SVPWM不僅使電流諧波分量減少,而且諧波轉(zhuǎn)矩也減少,從而使電機的轉(zhuǎn)矩脈動得到一定的抑制。SVPWM的數(shù)學模型是非線性的,采用通用的軟件進行仿真的工作量很大,開發(fā)周期長,難度較大。隨著MATLAB711的推廣,新增的SPACEVECTORGENERATOR可以很好地解決這個問題2)基于MRAS的轉(zhuǎn)速推算模塊模型參考自適應的速度推算(MRAS)是利用轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓方程和電流方程分別計算轉(zhuǎn)子磁鏈。由于電壓模型不含角速度項,而電流模型有項,故用電壓模型的輸出作為轉(zhuǎn)子磁鏈的期望值，電流模型的輸出作為轉(zhuǎn)子磁鏈的推算值，從而得出轉(zhuǎn)速er其模型如圖

2所示。3）轉(zhuǎn)子磁鏈模型結(jié)構(gòu)對于MRAS來說，這個模型是很重要的，關(guān)系到推算的結(jié)果的精度。圖3和圖4分別是電壓模型和電流模型結(jié)構(gòu)。圖3轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型dqOt：u)1Wri5t訪匚t￡id口0TransformationGairlTransferFenThein呂tarTrigansmEtriDFunctionTriganDmEtriDFundior1Gain2Integrsic-r1UTiriZ1圖4轉(zhuǎn)子磁鏈電流模型仿真波形如下：圖3轉(zhuǎn)子給定轉(zhuǎn)速波形圖4轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速波形2005000.20.40.50.60.8Timeoffset:■2OOo150-1Q0-圖5電磁轉(zhuǎn)矩波形圖6定子磁鏈變化曲線仿真結(jié)果分析本文提出了一種異步電機無速度傳感器矢量控制的方法，在異步電機按轉(zhuǎn)子磁場定向的動態(tài)數(shù)學模型基礎上，由電流微分表達式推導出同步轉(zhuǎn)速的表達式，結(jié)合轉(zhuǎn)差表達式可估算出轉(zhuǎn)速。從仿真結(jié)果可以看出，無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)能夠滿足交流調(diào)速的可靠性和快速性的要求，與有速度傳感器矢量控制系統(tǒng)相比，減少了檢測裝置，避免了速度傳感器檢測本身帶來的誤差，提高了精度。該系統(tǒng)能夠更好地控制電磁轉(zhuǎn)矩，有利于降低成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，有推廣應用價值。利用此估算轉(zhuǎn)速作為反饋信號構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)，結(jié)合電流閉環(huán)和磁鏈閉環(huán)構(gòu)成異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。此方法具有概念清晰、直觀性強、算法簡單、速度計算無延時的特點，為系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎。仿真實驗證明了此方法的可行性。實際系統(tǒng)中，電機參數(shù)變會影響系統(tǒng)性能，所以實現(xiàn)時要加上參數(shù)辨識和誤差校正環(huán)節(jié)來提高系統(tǒng)抗參數(shù)變化和干擾的魯棒性。學習心得這次仿真中我根據(jù)無速度傳感器的矢量控制的基本概念和系統(tǒng)原理圖，建立了交流異步電動機專差頻率矢量控制系統(tǒng)的仿真，并進行了仿真實驗。經(jīng)過不斷的嘗試發(fā)祥為了減少仿真需要的時間，可以在仿真中減小了電動機的轉(zhuǎn)動慣量，但是過小轉(zhuǎn)動慣量容易使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，要通過調(diào)節(jié)參數(shù)來觀測參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)具有良好的控制性能。通過這次分組實驗中，我們小組完成的是無速度傳感器的矢量控制系統(tǒng)的仿真，最初遇到了很多困難，最主要的就是參數(shù)的正確設定，通過和同組人的討論分析后，我們仿真出來的圖也有了一定的起色，通過網(wǎng)上找資料和翻閱相關(guān)圖書，再通過自己的不斷嘗試最終得到了滿意的結(jié)果，讓我知道了學無止境的道理。我們每一個人永遠不能滿足于現(xiàn)有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面還有更高的山峰在等著你。這次的課程設計也讓我看到了團隊的力量，我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發(fā)揚團結(jié)協(xié)作的精神。剛開始的時候，大家就分配好了各自的任務，大家有的繪制原理圖，進行仿真實驗，有的積極查詢相關(guān)資料，并且經(jīng)常聚在一起討論各個方案的可行性。在課程設計中只有一個人知道原理是遠遠不夠的，必須讓每個人都知道，否則一個人的錯誤，就有可能導致整個工作失敗。團結(jié)協(xié)作是我們成功的一項非常重要的保證。而這次設計也正好鍛煉我們這一點，這也是非常寶貴的。這次期末的仿真作業(yè)將會成功我人生中一次美好的經(jīng)歷！武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書武漢理工大學《運動控制系統(tǒng)》課程設計說明書參考文獻洪乃剛.《電力電