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PLC及运动控制系统创新实践报告——异步电机参数离线辨识学院自动化科学与工程学院学生姓名罗艺锋学生学号201230641470指导教师吴玉香提交日期2015年7月7日教师评语教师签名：日期：成绩评定备注目录一、创新实践选题与要求...................................11.创新实践选题介绍...................................1（1）研究内容.....................................1（2）研究背景.....................................12基本要求...........................................2（1）基本理论.....................................2（2）设计工作.....................................2（3）预期成果.....................................2二创新实践方案设计.....................................21.研究对象介绍......................................22.设计指标..........................................33.方案内容...........................................3（1）系统辨识方法的基本原理........................3（2）异步电动机的Matlab/Simulink仿真.............7三基于MATLAB平台的仿真.................................91.基于上述方案设计开展仿真的具体工作..................92.仿真结果..........................................9四、展望...............................................11五、参考文献...........................................11一、创新实践选题与要求1.创新实践选题介绍（1）研究内容针对三相异步电动机系统的参数辨识提出一种准确、简便的方法，并通过对异步电动机进行的直流、空载和堵转测试以确定电动机的基本性能参数。利用上述试验获取两种不同型号异步电动机的等效电路参数，然后将这些参数在运行Matlab/Simulink的环境下建立用于上述不同类型试验测试的等效模型，并进行相应的虚拟仿真。此外，为了评估所建立等效模型的有效性及仿真准确度，将试验结果与仿真结果进行比较，其相对误差表明仿真结果和试验测试结果之间具有较好的相关性，并具有良好的动静态特性，最终验证了所建模型的准确性。本文采用三项基本测试的传统方法，其中包括直流测试、空载测试和制动测试，并将试验结果与仿真结果进行比较。直流、空载和堵转测试的仿真模型可通过Matlab/Simulink和电力系统模块集(PowerSystemBlockset，PSB)获得。（2）研究背景三相异步电动机是工业中应用最为广泛的电动机，这是由于其具有简单、坚固、廉价和易于维护等诸多优点所决定的。然而，当载荷发生波动时异步电动机的性能可能受到影响，并且当电动机的工作载荷大于额定值时可能还会损坏电动机或者其部件。因此，异步电动机的等效电路对确定其负载变化时的响应是一个非常有用的工具。同时提出了对仿真模型的研究，利用Matlab/Simulink软件对异步电动机的参数进行辨识，并通过与试验结果的对比研究，确定所建立试验模型的准确度。我们可以利用电机参数辨识，诊断机电设备发生的故障。例如，通过辨识稳态参数监测异步电机转子电阻变化，从而诊断转子是否断条。电机参数辨识还有助于实现电机在轻载下的降压节能控制。在某些对电机转矩控制精度要求较高的系统中，利用电机参数辨识，可以改善系统的控制性能，减少因电机参数变化而引起的转矩脉动和误差。一般情况下很难在普通的电机铭牌或手册中查到电机的自感、互感、电阻、转子吋间常数等参数，而且不同的电机个体的相关参数也各不相同。电机的参数还会随着工况的改变发生变化。综上所述，如何实时的获得电机精确参数问题，值得进一部研究探讨。目前，许多的研究人员旨在辨识异步电动机的主要参数，例如对异步电动机的参数应用动态优化以对其进行矢量控制及故障检测、在间接矢量控制驱动过程中使用人工神经网络对异步电动机定子和转子的阻抗进行在线评估，另一个在线参数评估则采用最小二乘法。在国内也有诸多的研究人员致力于在Matlab/Simulink环境下对异步电动机进行系统辨识和系统仿真的研究。2基本要求（1）基本理论A.了解矢量控制系统电机参数辨识有哪些方法；B.异步电机参数离线辨识方法：直流、空载、堵转测试。（2）设计工作了解异步电机离线参数辨识的概念和原理，建立异步电机离线参数辨识数学模型，搭建基于该模型的离线参数辨识仿真模型，并在Matlab上进行直流测试、空载测试和堵转测试仿真。（3）预期成果能从Matlab的仿真得到直流、空载、堵转三项测试的参数，从而实现异步电机的离线参数辨识。二创新实践方案设计1.研究对象介绍交流电机控制系统是一个强稱合、参数时变的多变量非线性系统，而且参数之间相互稱合。矢量控制、自适应控制、直接转矩控制等高性能的电机控制方法的准确实现都是建立在精确的电机数学模型基础上。要想建立精确地电机数学模型，就必须要获知电机的准确参数。因此，必须通过参数辨识来得到准确的电机参数，才能实现精确的高性能电机控制系统。异步电机的参数辨识分为在线辨识和离线辨识两种。在线辨识，顾名思义，主要是在电机的运行过程中实时跟踪参数的变化情况；离线辨识，主要是在电机在投入生产运行前，辨识出电机的电阻、电感等参数。离线辨识的常规方法主要有堵转法和空载法两种，由于电机堵转和空载运行在实际中不易于实现，所以提出了在电机静止状态下的辨识方法。其基本方法是在电机系统开始运行前，由逆变器或电系统中的处理芯片行相关测试程序，再将测试信号输送到待测电机中，计算处理采样数据，得到电机相关参数。2.设计指标对受控对象的参数进行离线辨识,通过仿真得到的三项测试的仿真参数要与实验结果基本吻合，平均相对误差要小。3.方案内容（1）系统辨识方法的基本原理图1所示的辨识方法流程图描述了整个研究过程中所采用的相关方法，其由试验测试和Matlab仿真两个部分组成。三相异步电动机稳定状态的运行特征通常采用单相等效电路的方式进行研究，如图2所示。在等效电路图中，Ｒ1和X1分别为定子电阻和漏磁电抗;Ｒ2和X2分别为与定子相应的转子电阻和漏磁电抗;电阻Ｒc为铁心损耗;X.M为磁化电抗;s为转差率。等效电路通常用于促进各种运行参数的计算，例如定子电流、输入功率、损耗、感应转矩和效率等。当需要着重研究电源的运行相位时，分流电阻ＲC通常可以忽略不计，铁心损耗包括摩擦、间隙和杂散损耗等引起的损耗。试验测试等效电路的参数能够通过直流、空载和堵转试验测试的方法获取，上述试验测试采用两种型号的绕线转子异步电动机(采用Y形联结，极数为4)，即UiTMShahAlam公司的2AW1666和MCDNO．SD54429两种型号的异步电动机进行测试，并分别用M1和M2表示，异步电动机的具体技术参数如表1所示:①直流测试在异步电动机的定子绕组上施加直流电压Vdc，然后进行直流测试验以计算定子绕组的电阻Ｒ1。由于通过定子绕组的电流为直流，因此在转子回路中没有产生任何电压，并且电动机的电抗为零，此时定子电阻Ｒ1是电路中唯一能够影响电流的参数，其计算公式为：②空载测试异步电动机的空载(No－Load，NL)测试旨在测量电动机的转动损耗及确定部分等效电路的参数(ＲC、XM)，如图3所示。在空载测试中，定子接线端提供额定频率的平衡电压，并且同时要求电动机转子不能与任何的机械负载相连。并需要测量电动机的输入端的电压、电流和功率，总损耗包括铁心损耗、绕组损耗以及由间隙和摩擦引起的损耗等部分。从图3中可以看出，等效的输入阻抗可以近似计算，其公式为：式中，X1可以通过转子制动试验获得;XM为磁化阻抗，可从异步电动机技术参数中获知，并且忽略电阻ＲC。③堵转测试堵转(Blocked－Ｒotor，BＲ)测试的目的旨在确定等效电路的一些参数(包括Ｒ2和X1+X2)，在该试验测试中，电动机的转子将处于受阻状态。然后对电动机定子施加平衡电压，其使用频率是额度频率的25%，并且该平衡电压能够使电动机在额定电流条件下运行。测量电动机输入端的电压、电流及功率等参数，且电动机的输入功率可由式(3)计算得到:因此堵转阻抗角θ为总的阻抗角也为θ，因此式中，ＲBR为堵转电阻，能够由下式获得因为Ｒ1可由直流测试确定，故转子电阻Ｒ2=ＲBR－Ｒ1，则获得堵转阻抗为：式中，frated和ftest分别为额度频率和测试频率，但由于试验测试采用的是绕线式异步电动机，因此转子电抗有如下关系（2）异步电动机的Matlab/Simulink仿真试验测试参数辨识通过使用Matlab/Simulink虚拟异步电动机来证实，表2为用于仿真试验的辨识参数，图4、图5分别为直流测试和空载测试的仿真模型，并可以获得定子电阻。图4直流测试仿真的Simulink模型图5空载测试和堵转测试的Simulink仿真模型虚拟的空载和堵转测试仿真均使用相同的Simulink模型，但是惯量和摩擦参数设置有一些不同，其中堵转测试仿真的惯量和摩擦力设定为无限值(惯量设为10000kg·m2，摩擦力设为10000N·m·s/rad)。两台电动机的虚拟仿真参数如表2所示：三基于MATLAB平台的仿真1.基于上述方案设计开展仿真的具体工作在Mat-lab/Simulink中搭建出基于参数离线辨识的原理框图，并在各个模块内写入相应的数据或程序，然后就可以进行仿真了。2.仿真结果试验结果和仿真结果分别如表3、表4所示，其中诸如电压、电流和功率等各种变量被用于计算电动机的等效参数。为了确定上述模型的仿真准确度和仿真效果，试验和仿真得到的各个参数值需要进行比较，并利用相对误差评估相应的仿真准确度和效果，具体的试验和仿真结果以及相对误差如表5所示。分析比较表5中等效电路参数的试验及仿真结果，可以看出，电动机M2的相对误差要小于电动机M1，这说明本文提出的辨识方法能够更精确地辨识电动机M2的参数，因而该辨识方法更适合类似于M2的异步电动机。对于电动机M2的参数Ｒ1来说，其仿真结果与试验结果完全相同，然而电动机M1的参数Ｒ1却稍有不同。此外，比较电动机M1和M2其他参数的试验和仿真结果，能够发现电动机M1结果的相对误差要高于电动机M2，其中参数X1和X2两个参数的相对误差尤为明显，这可能是由于试验中使用的异步电动机相对老旧或者长时间没有使用，因而造成试验结果的不准确。但从总体来说，尽管在电动机M1的参数X1和X2误差较大的情况下，上述的所有结果表明仿真和试验的平均相对误差均小于3%，仍然在可以接受的误差范围内。根据仿真和试验结果的比较表明，本文提出的Matlab/Simulink辨识方法能够准确获取异步电动机的等效参数，在异步电动机的应用中具有一定实际意义。四、展望这次plc创新实践我们选的课题是“异步电机参数辨识”，因为这是一个课外我们没学过的课题，所以一开始我们都感觉无从下手。后来经过我们同组同学之间互相讨论并且在网上查找了一些资料后，我们决定做离线辨识。但参数离线辨识也不好做，主要是不知从何入手，后来跟同样是做参数离线辨识的同学讨论了一下才有了大概的思路。有了思路后，我们就开始动手设计了，前面设计的挺顺利的，但在要用Matlab构建离线辨识三项测试的仿真结构图时却遇到了困难：不会构建结构图，因为大家都没学过，并且网上也没查找到类似的结构图。最后在经过大家讨论和查找到的一些资