無速傳感器感應(yīng)電機(jī)矢量控制仿真

1、拖動(dòng)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目： 無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真專業(yè)：姓名： 學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真主要任務(wù)與目標(biāo)矢量變頻器技術(shù)是基于DQ軸理論而產(chǎn)生的,它的基本思路是把電機(jī)的電流分解為D軸電流和Q軸電流,其中D軸電流是勵(lì)磁電流,Q軸電流是力矩電流,這樣就可以把交流電機(jī)的勵(lì)磁電流和力矩電流分開控制,使得交流電機(jī)具有和直流電機(jī)相似的控制特性,是為交流電機(jī)設(shè)計(jì)的一種理想的控制理論,大大提高了交流電機(jī)的控制特性。矢量控制，也稱磁場定向控制。它是七十年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法分析闡述了這一原

2、理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。本課題就是以這類高性能矢量型變頻器為研究對(duì)象。一、該同學(xué)的主要任務(wù)1、查找文獻(xiàn)，掌握異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本控制原理。2、設(shè)計(jì)異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。3、應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行建模。4、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能。二、目標(biāo)1、系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的高性能變頻控制；2、系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能；3、系統(tǒng)具有較好的控制精度；主要內(nèi)容本課題以DSP為控制器，采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式，設(shè)計(jì)異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。該同學(xué)的主要承擔(dān)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與MATLAB仿真試驗(yàn)。主要內(nèi)容：1、設(shè)計(jì)系統(tǒng)交直交主電

3、路、驅(qū)動(dòng)電路；2、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁場定向控制算法設(shè)計(jì)；3、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)；4、負(fù)載變化等抗干擾性能的仿真試驗(yàn)。主要參考資料一、主要參考文獻(xiàn)1、電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)；陳伯時(shí)，機(jī)械工業(yè)出版社；2、電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)，吳守，機(jī)械工業(yè)出版社；3、電力電子技術(shù)，浣喜明，高等教育出版社；4、電動(dòng)機(jī)的DSP控制，王曉明，北京航空航天出版社；計(jì)劃進(jìn)度：序號(hào)內(nèi)容1任務(wù)布置與介紹2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)4SVPWM算法設(shè)計(jì)5電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)6速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)7磁鏈觀測器設(shè)計(jì)8仿真調(diào)試與試驗(yàn)9撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告10答辯實(shí)習(xí)地點(diǎn)指導(dǎo)教師簽 名 年 月 日系 意 見系主任簽名： 年 月 日學(xué)院蓋章主

4、管院長簽名： 年 月 日摘要矢量變換控制(Transvector Control)，也稱磁場定向控制。它是由德國學(xué)者F.Blaschke等人在1971年提出的一種新的優(yōu)越的感應(yīng)電機(jī)控制方式，是基于dq軸理論而產(chǎn)生的，它的基本思路是把電機(jī)的電流分解為d軸電流和q軸電流，其中d軸電流是勵(lì)磁電流，q軸電流是力矩電流，這樣就可以把交流電機(jī)的勵(lì)磁電流和力矩電流分開控制，使得交流電機(jī)具有和直流電機(jī)相似的控制特性，是為交流電機(jī)設(shè)計(jì)的一種理想的控制理論，大大提高了交流電機(jī)的控制特性。一般將含有矢量變換的交流電動(dòng)機(jī)控制都稱為矢量控制，實(shí)際上只有建立在等效直流電動(dòng)機(jī)模型上并按轉(zhuǎn)子磁場準(zhǔn)確定向的控制，電動(dòng)機(jī)才能獲得

5、最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。本文介紹了矢量控制系統(tǒng)的原理及模型的建立，搭建了帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制無速度傳感器調(diào)速系統(tǒng)的Simulink模型，并用MATLAB最終得到了仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機(jī); 矢量控制; 磁鏈觀測; 速度估算目錄摘要iv目錄v1 異步電機(jī)及Simulink模型11.1 異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路11.1.1 等效電路中各參數(shù)物理意義11.1.2 感應(yīng)電機(jī)功率流程11.2 Simulink仿真基礎(chǔ)21.2.1 異步電動(dòng)機(jī)Simulink模型21.2.2 異步電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)置31.3 電機(jī)測試信號(hào)分配器模塊及參數(shù)設(shè)置42 矢量控制52.1 矢量控制的基本思路52.2 矢量坐標(biāo)

6、變換原理72.2.1 定子繞組軸系的相變換(A-B-C和坐標(biāo)系間的變換)72.2.2 轉(zhuǎn)子繞組軸系的變換(A-B-C和d-q坐標(biāo)系間的變換)83 電流正弦PWM技術(shù)84 轉(zhuǎn)子磁鏈模型的建立94.1 基于電壓電流模型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器94.2 基于轉(zhuǎn)差頻率設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器105 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊116 轉(zhuǎn)速推算器的設(shè)計(jì)116.1 基于轉(zhuǎn)矩電流誤差推算速度的方法116.2 基于模型參考自適應(yīng)方法(MARS)的速度估算126.3 基于空間位置角的速度估算方法137 感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的Simulink仿真138 結(jié)論18參考文獻(xiàn)19附錄1 基于的感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型20附錄2 基于dq0的感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)

7、模型21附錄3 基于dq0的轉(zhuǎn)子磁鏈定向感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型221 異步電機(jī)及Simulink模型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是借定子旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的一種電機(jī)。定、轉(zhuǎn)子間的能量轉(zhuǎn)換依靠旋轉(zhuǎn)磁場的電磁感應(yīng)作用，故稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)利用旋轉(zhuǎn)磁場的原理，當(dāng)定子三相繞組通入三相電流后，在空氣隙中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如果在這個(gè)磁場內(nèi)放一個(gè)短路線圈，則會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生電流，這個(gè)電流和旋轉(zhuǎn)磁場相互作用就產(chǎn)生了轉(zhuǎn)矩，使線圈動(dòng)起來，跟隨旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動(dòng)。由于其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終低于同步速，即n與之間必須存在者差異，因而又稱“異步”電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)差的存在是感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行的必要條件，我們將轉(zhuǎn)差與

8、同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率，用符號(hào)s(0<s<1)表示，按照定義，轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為，式中同步轉(zhuǎn)速，。為供電電源頻率；為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。1.1 異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在下述三個(gè)假定條件下：忽略空間和時(shí)間諧波；忽略磁飽和；忽略鐵損。異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型可以用T形等效電路表示，如圖所示。異步電動(dòng)機(jī)T形等效電路1.1.1 等效電路中各參數(shù)物理意義定子每相繞組電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相繞組電阻； 定子每相繞組漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相繞組漏感；定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電感；定子相電壓；供電電源角頻率，； 定子相電流和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子相電流，箭頭為規(guī)

9、定正方向；轉(zhuǎn)差率1.1.2 感應(yīng)電機(jī)功率流程感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子繞組從電源輸入的有功功率為 其中一部分消耗在定子繞組銅耗及旋轉(zhuǎn)磁場在定子鐵芯中的鐵損耗(由于，很低，而且轉(zhuǎn)子鐵芯也為迭片而成，所以轉(zhuǎn)子鐵耗忽略不計(jì))。剩下的大部分即為通過電磁感應(yīng)而進(jìn)入轉(zhuǎn)子的電磁功率，即 由T形等值電路可知，進(jìn)入轉(zhuǎn)子回路的電磁功率為 即中的一部分消耗在轉(zhuǎn)子繞組的銅耗上，另一部分則轉(zhuǎn)化為軸上的總機(jī)械功率。而且還必須克服機(jī)械損耗及由于定轉(zhuǎn)子開槽等原因引起的附加損耗，剩下的才是從軸上輸出的機(jī)械功率，即 則感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率為按照交流異步電動(dòng)機(jī)原理，從定子傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子的電磁功率分成兩部分：一部分是機(jī)械功率是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，另一部

10、分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。從能量轉(zhuǎn)換的角度看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，能量是被消耗掉還是得到利用，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。1.2 Simulink仿真基礎(chǔ)Simulink工具箱的功能是在MATLAB環(huán)境下，把一系列模塊連接起來，構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)模型；電力系統(tǒng)仿真工具箱(SimPower System)是在Simulink環(huán)境下使用的仿真工具箱，其功能非常強(qiáng)大，可用于電路、電力電子、電機(jī)系統(tǒng)、電力傳輸?shù)阮I(lǐng)域的仿真，它提供了一種類似電路搭建的方法用于系統(tǒng)的建模。1.2.1 異步電動(dòng)機(jī)Simulink模型Asynchronous Machine SI Units 國際單位制的異步

11、電動(dòng)機(jī)其電氣連接和功能分別為：A、 B、C：交流電機(jī)的定子電壓輸入端子；Tm：電機(jī)負(fù)載輸入端子，一般是加到電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載；a，b，c：繞線式轉(zhuǎn)子輸出電壓端子，一般短接；而在鼠籠式電機(jī)為此輸出端子；m：電機(jī)信號(hào)輸出端子，一般接電機(jī)測試信號(hào)分配器觀測電機(jī)內(nèi)部信號(hào)，或引出反饋信號(hào)。1.2.2 異步電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)置異步電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)設(shè)置Rotor type：轉(zhuǎn)子類型列表框，分別可以將電機(jī)設(shè)置為繞線式(Wound)和鼠籠式(Squirrel-cage)兩種類型；Reference frame：參考坐標(biāo)列表框，可以選擇轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(Rotor)、靜止坐標(biāo)系(Stationary)、同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(Sy

12、nchronou)；Nominal power, voltage(line-line), and frequency Pn(VA), Vn(Vrms), fn(Hz) ：額定功率(VA)，線電壓(V)，頻率(Hz)；Stator resistance and inductance Rs(ohm) L1s(H) ：定子電阻Rs(ohm)和漏感L1s(H)；Rotor resistance and inductance Rr(ohm) L1r(H) ：轉(zhuǎn)子電阻Rr(ohm)和漏感L1r(H)；Mutual inductance Lm(H)：互感Lm(H)；Inertia, friction fac

13、tor and pairs of poles J(kg.m2) F(N.m.s) p() ：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J(kg.m2)、摩擦系數(shù)和極對(duì)數(shù)；Inertia conditions：初始條件包括：初始轉(zhuǎn)差s，點(diǎn)角度phas, phbs, phcs(deg)和定子電流isa isb isc(A)。1.3 電機(jī)測試信號(hào)分配器模塊及參數(shù)設(shè)置 電機(jī)測試信號(hào)分配器模塊及參數(shù)設(shè)置ir_abc：轉(zhuǎn)子電流ira, irb, irc；ir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電流ir_d；phir_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_q和d軸下的轉(zhuǎn)子磁通phir_d；vr_qd：

14、同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_q和d軸下的轉(zhuǎn)子電壓vr_d；is_abc：定子電流isa, isb, isc；is_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子電流is_q和d軸下的定子電流is_d；phis_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子磁通phis_q和d軸下的定子磁通phis_d；vs_qd：同步d-q坐標(biāo)下的q軸下的定子電壓vs_q和d軸下的定子電壓vs_d；wm：電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Te：電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Thetam：電機(jī)轉(zhuǎn)子角位移。2 矢量控制異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，分析和求解十分困難。在實(shí)際應(yīng)用中必須予以簡化，簡化的基本方法就是矢量坐標(biāo)變換。利用矢量坐標(biāo)變換將異步電動(dòng)

15、機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)矩控制，實(shí)現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的高性能速度控制。2.1 矢量控制的基本思路在交流異步電動(dòng)機(jī)定子三相對(duì)稱繞組中，通入對(duì)稱的三相正弦交流電ia、ib、ic時(shí)，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，并由它建立相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場，如圖(a)所示，磁場的旋轉(zhuǎn)角速度等于定子電流的角頻率ws。然而，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場不一定非要三相繞組，除單相外任意的多相對(duì)稱繞組，通入多相對(duì)稱正弦電流，都能產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。如圖(b)所示，具有位置互差的兩相定子繞組、異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)通入兩相對(duì)稱正弦電流、時(shí)，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。如果這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場的大小，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向與圖(a)所示三相繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場完全相同，則可認(rèn)為圖(a)和圖(b)所

16、示的兩套交流繞組等效。由此可知i，處于三相靜止坐標(biāo)系上的三相對(duì)稱靜止交流繞組，可以等效為兩相靜止直角坐標(biāo)系上的兩相對(duì)稱靜止交流繞組；三相交流繞組中的三相對(duì)稱正弦交流電流ia、ib、ic與二相對(duì)稱正弦交流電流、之間必存在著確定的變換關(guān)系 該式為矩陣方程，其中和為變換矩陣 由直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)可知，直流勵(lì)磁繞組是空間上固定的直流繞組，而電樞繞組在空間是旋轉(zhuǎn)的繞組，雖然電樞繞組本身在旋轉(zhuǎn)，但是電樞磁勢(shì)Fa在空間上卻有固定的方向，這樣從磁效應(yīng)的意義上來說，可以把直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組當(dāng)成在空間上固定的直流繞組。因而直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組可以用圖(c)所示的兩個(gè)在空間位置上互差的直流繞組d和q(或者

17、說是M和T)來等效，d繞組是等效的勵(lì)磁繞組，直流電流id被稱為勵(lì)磁電流分量；q繞組是等效的電樞繞組，直流電流iq被稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。(a)三相交流繞組；(b)兩相交流繞組；(c)旋轉(zhuǎn)的直流繞組 設(shè)為d繞組和q繞組分別通入直流電流id和iq時(shí)產(chǎn)生的合成磁通，且在空間固定不動(dòng)。如果人為地使這兩個(gè)繞組旋轉(zhuǎn)起來，則也自然地隨著旋轉(zhuǎn)。當(dāng)觀察者站在d-q繞組上與其一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，在他看來，仍是兩個(gè)通入直流電流的固定繞組。若使的大小、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向與圖(b)相同，則二相交流繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與二相d-q直流繞組等效，又因?yàn)槎嘟涣骼@組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與三相A-B-C交流繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同，則d-q直流繞組與A

18、-B-C交流繞組等效。顯而易見，使固定的d-q繞組旋轉(zhuǎn)起來，只不過是一種物理概念上的假設(shè)，然而，這種旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)，可以通過矢量坐標(biāo)變換方法來完成。在旋轉(zhuǎn)磁場等效的原則下，交流繞組可等效為d-q直流繞組，這時(shí)交流繞組中的交流電流、與d-q直流電流id、iq之間存在著確定的變換關(guān)系 該式為矩陣方程，其中和為變換矩陣 由上可知，d-q直流繞組中的電流id、iq與三相電流ia、ib、ic之間存在著確定關(guān)系，因此通過控制id、iq就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)ia、ib、ic的控制。即 實(shí)際系統(tǒng)是在交流電動(dòng)機(jī)的外部，把定子電流的勵(lì)磁分量id、轉(zhuǎn)矩分量iq作為給定控制量，記為id*、iq*，通過矢量旋轉(zhuǎn)變換得到兩相交流控制量

19、、，記為、，然后通過二相-三相矢量變換(2S/3S)得到三相電流的控制量ia、ib、ic，記為ia*、ib*、ic*，再用其來控制三相交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。2.2 矢量坐標(biāo)變換原理由于是用空間矢量來描述異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)系，因此坐標(biāo)變換稱為矢量坐標(biāo)變換。異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換主要有三種，即三相靜止坐標(biāo)系變換到二相靜止坐標(biāo)系，或二相靜止坐標(biāo)系變換到三相靜止坐標(biāo)系；由二相靜止坐標(biāo)系變換到二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，或者由二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到二相靜止坐標(biāo)系；由直角坐標(biāo)系到極坐標(biāo)系的相互變換。其中，三相軸系到二相軸系或二相軸系到三相軸系的變換又稱為相變換，表示為3S/2S變換或2S/

20、3S變換。2.2.1 定子繞組軸系的相變換(A-B-C和坐標(biāo)系間的變換)三相定子繞組和二相定子繞組磁勢(shì)的空間矢量位置三相靜止量到兩相靜止量的變換，又稱為坐標(biāo)變換。其定義如下： 其中，為了保護(hù)變換前后功率不變，變換后的二相繞組每相有效匝數(shù)應(yīng)為原三相繞組每相有效匝數(shù)的倍，由此在原始的Clark變換中。2.2.2 轉(zhuǎn)子繞組軸系的變換(A-B-C和d-q坐標(biāo)系間的變換)(a)轉(zhuǎn)子三相軸系；(b)轉(zhuǎn)子兩相軸系從abc-dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換，也稱為3S/2R旋轉(zhuǎn)變換，在給定角速度下將三相平衡量(電壓或者電流)變換到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下。定義如下：，為d軸與坐標(biāo)系軸的夾角其中在原始的Park變換中3 電流正弦P

21、WM技術(shù)交流電機(jī)的控制性能主要取決于轉(zhuǎn)矩或電流的控制質(zhì)量(在磁通恒定的條件下)，為了滿足電動(dòng)機(jī)控制的良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)，經(jīng)常采用電流正弦PWM技術(shù)。本質(zhì)上是電流閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)方法有PI控制，滯環(huán)控制及無差拍預(yù)測控制等，都具有控制簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和電壓利用率高的特點(diǎn)。目前，實(shí)現(xiàn)電流控制的常用方法是A.B.Plunkett提出的電流滯環(huán)SPWM，即把正弦電流參考波形和電流的實(shí)際波形通過滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，其結(jié)果決定逆變橋臂上、下開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。如圖所示為三相電流滯環(huán)SPWM4 轉(zhuǎn)子磁鏈模型的建立矢量控制得以有效實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于異步電動(dòng)機(jī)磁鏈信息的準(zhǔn)確獲取。為實(shí)現(xiàn)磁場定向和磁鏈閉環(huán)控制，需要知道磁鏈的

22、大小和位置。因而，進(jìn)行磁通觀測問題的討論很有必要。工程上，轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測因工藝和技術(shù)問題難以實(shí)現(xiàn)，因而多采用間接檢測法，即利用易測得的定子電壓、電流和轉(zhuǎn)速，借助異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈(在simulink模型中為phir)和空間位置角(在simulink模型中為或是psid)。異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈包括：定子磁鏈(在simulink模型中為phis)、轉(zhuǎn)子磁鏈、氣隙磁鏈等類型。但只要觀測出其中一個(gè)，另外兩個(gè)就不難推出。4.1 基于電壓電流模型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器反電動(dòng)勢(shì)積分法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器是最簡單的方法。該方法的基本思想是利用檢測得到的電機(jī)的定子電壓和電流，計(jì)算定子電壓和電流的綜合矢

23、量，并利用感應(yīng)電機(jī)定子靜止兩相電壓電流模型計(jì)算出定子磁鏈?zhǔn)噶?，再利用定子磁鏈?zhǔn)噶坑?jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆椒ā?其中基于電壓電流模型設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器4.2 基于轉(zhuǎn)差頻率設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器轉(zhuǎn)差頻率法是在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下得到的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型，它根據(jù)定子電流勵(lì)磁分量給定值is_d*、轉(zhuǎn)矩分量給定值is_q*以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速wr，計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈phir、轉(zhuǎn)差角頻率Awr、旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速ws和空間位置角psid。有關(guān)表達(dá)式如下：轉(zhuǎn)子磁鏈： 轉(zhuǎn)差角頻率：定子旋轉(zhuǎn)磁場同步角速度： 空間位置角：基于轉(zhuǎn)差頻率設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器5 轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程推導(dǎo)轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊如下：轉(zhuǎn)矩計(jì)算模塊6 轉(zhuǎn)速

24、推算器的設(shè)計(jì)為了得到高性能的調(diào)速系統(tǒng)，需采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，因而需要檢測異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。常用的速度檢測方法有：測速發(fā)電機(jī)測速、光電方法測速等，這些利用速度傳感器的測速方法不可避免地要在電機(jī)上安裝硬件裝置。對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)這類電動(dòng)機(jī)，因其本身較復(fù)雜，再附加一個(gè)速度傳感器硬件，倒也無所謂。對(duì)籠形感應(yīng)電動(dòng)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、簡單、低成本的優(yōu)點(diǎn)。因此，無速度傳感器技術(shù)成為籠形感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)先采用的技術(shù)，即通過間接計(jì)算法求出電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的實(shí)際轉(zhuǎn)速值作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。6.1 基于轉(zhuǎn)矩電流誤差推算速度的方法當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩僅由

25、轉(zhuǎn)矩電流分量is_q產(chǎn)生，即 將和代入式中并整理得 式中，可見，轉(zhuǎn)矩電流變化量的積分可以反映電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。即 其中考慮到實(shí)際可能檢測到的電流分量為轉(zhuǎn)矩電流分量is_q，因此構(gòu)造一個(gè)電機(jī)速度推算機(jī)構(gòu)為即利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩電流分量的指令值與實(shí)際值之差的積分來進(jìn)行速度估算。其物理概念是：因?yàn)楣烙?jì)的速度與實(shí)際速度之間的誤差，一定會(huì)引起指令轉(zhuǎn)矩和實(shí)際轉(zhuǎn)矩(或轉(zhuǎn)矩電流分量)之間產(chǎn)生誤差，可以利用這些誤差去估計(jì)速度，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的無差控制?；谵D(zhuǎn)矩電流誤差估算速度6.2 基于模型參考自適應(yīng)方法(MARS)的速度估算MARS方法使用兩個(gè)模型，其一為不含待觀測變量(如電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速)的參考模型，另一個(gè)是含有待觀測變量的可

26、調(diào)模型。兩個(gè)變量均輸出同一個(gè)變量，利用兩個(gè)模型輸出變量的差值對(duì)可調(diào)模型中的待觀測變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過設(shè)計(jì)出合適的調(diào)節(jié)規(guī)則，那么就可以在足夠短的時(shí)間內(nèi)觀測出未知變量。該方法受電機(jī)參數(shù)影響小、具有較好的魯棒性，實(shí)用性強(qiáng)。此處是利用轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓方程和電流方程分別計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈，由于電壓電流模型不含角速度w項(xiàng)，而轉(zhuǎn)差頻率包含角速度w項(xiàng)，故用電壓電流模型的輸出作為轉(zhuǎn)子磁鏈的期望值，轉(zhuǎn)差頻率的輸出作為轉(zhuǎn)子磁鏈的推算值，計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速wr，其關(guān)系為。其中是按轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算的轉(zhuǎn)子磁鏈，是按電壓電流方程計(jì)算的轉(zhuǎn)子磁鏈基于模型參考自適應(yīng)方法(MARS)的速度估算器6.3 基于空間位置角的速度估算方法在電動(dòng)機(jī)定子側(cè)裝設(shè)

27、電壓傳感器和電流傳感器，檢測三相電壓和三相電流。根據(jù)3S/2S變換求出靜止軸系中的兩相電壓和兩相電流，繼而推算出定子磁鏈，估計(jì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速。在定子兩相靜止軸系中磁鏈為其模型為phis observe，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖phis observe模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)磁鏈的幅值及、相位角及同步角頻率為7 感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的Simulink仿真圖是構(gòu)造的“無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)”的仿真模型，其中各部分的建模與參數(shù)設(shè)置已在上文中做了介紹。無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)矢量控制仿真原理圖仿真時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖所示PI整定時(shí)，先內(nèi)環(huán)再外環(huán)；首先把積分環(huán)節(jié)切除，去將比例增益Kp由小到大變化，取波形超調(diào)的

28、臨界值Kp，在再加入積分環(huán)節(jié)Ki，消除余差；最后再稍作調(diào)整即可。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置如下PI調(diào)節(jié)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置KpKi積分限幅輸出限幅下限上限下限上限ASR3.80.8-8080-7575APhir1.8100-1515-1313ATR4.512-6060-6060wm calculation45001.98注：為防積分飽和，位置式PI需要積分限幅和輸出限幅，而增量式PI只需輸出限幅即可。轉(zhuǎn)速n=1500r/min，空載起動(dòng)至0.6s時(shí)增至60Nm，環(huán)寬-0.3到1時(shí)的波形轉(zhuǎn)速n=1450r/min，空載起動(dòng)至0.6s時(shí)增至60Nm，環(huán)寬-0.7到0.5時(shí)的波形轉(zhuǎn)速n=1200r/min，

29、空載起動(dòng)至0.6s時(shí)增至60N.m,環(huán)寬-8到5時(shí)的波形 轉(zhuǎn)速n=800r/min，空載起動(dòng)至0.6s時(shí)增至60N.m,環(huán)寬-10到12時(shí)的波形 轉(zhuǎn)速n=120r/min，空載起動(dòng)至0.6s時(shí)增至60N.m,環(huán)寬-10到12時(shí)的波形 8 結(jié)論無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)矢量控制的仿真系統(tǒng)采用了模型參考自適應(yīng)法估算了感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種估算轉(zhuǎn)速的方法受電機(jī)參數(shù)影響小、具有較好的魯棒性，實(shí)用性強(qiáng)。在仿真過程中我也試了其他的估算方法，但最終都沒有成功，個(gè)人認(rèn)為是參數(shù)沒有調(diào)節(jié)好的原因還有就是對(duì)該方法了解不多吧；PI參數(shù)調(diào)整時(shí)，問題也不是很大；主要就是仿真時(shí)的仿真速度太慢了，改變了電流跟蹤的滯環(huán)環(huán)寬，把開關(guān)頻率變小，速度就變快了，整體仿真速度提高了，但電流波形就不大美觀了，整體誤差提高了。在改變給定轉(zhuǎn)速時(shí)，根據(jù)需要改變滯環(huán)環(huán)寬，同時(shí)對(duì)PI參數(shù)稍作調(diào)整即可得出波形如上所示。在整個(gè)仿真初期，最初開始并不是很理解，后來慢慢的了解，查找資料，熟悉感應(yīng)電機(jī)原理及矢量控制思想和變換，先做出有速度傳感器的矢量調(diào)速系統(tǒng)，看波形調(diào)整參數(shù)，大致可以的時(shí)候，再搭出速度估算器，連入電路中，再進(jìn)行仿真，調(diào)