无速度传感器的矢量控制系统仿真

课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：武汉理工大学题目:无速度传感器的矢量控制系统仿真初始条件：电机参数为：额定电压U=380V、频率50fHz、定子电阻sR=0.252、额定功率P=2.2KW、定子自感sL=0.0016H、转子电阻rR=0.332、额定转速n=1420rpm、转子自感rL＝0.0016H、级对数pn＝2、互感mL＝0.08H、转动惯量J=0.6Kgm2要求完成的主要任务:（1）设计系统原理图;（2）用MATLAB设计系统仿真模型；（3）能够正常运行得到仿真结果,包括转速、转矩等曲线，并将推算转速与实际转速进行比较参考文献：[1]洪乃刚.《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》.北京：机械工业出版社，2005:212-215时间安排：2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容12.5指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求12.6－12.9开始查阅资料，完成方案的初步设计12.10—12.11由指导老师审核设计方案，学生修改、完善并对其进行分析12.12－12.13撰写课程设计说明书12.14上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书摘要异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电机的调速方案。矢量控制是目前交流电动机较先进的一种动态模型,它又有基于转差频率控制的、无速度传感器和有速度传感器等多种矢量控制方式。无速度传感器控制的高性能通用变频器是当前全世界自动化技术和节能应用中受到普遍关心的产品和开发课题。本文介绍无速度传感器的矢量控制系统的原理和Matlab仿真。关键词：矢量控制、无速度传感器、Matlab武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书目录1矢量控制概述..............................................................................................................................12无速度传感器矢量控制系统......................................................................................................13无速度传感器矢量控制方法......................................................................................................24无速度传感器矢量控制系统SIMULINK分析........................................................................35仿真结果分析..............................................................................................................................86学习心得......................................................................................................................................97参考文献......................................................................................................................................1武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书1无速度传感器的矢量控制系统仿真1矢量控制概述空间矢量法是一种应用于交流电机变频调速领域的最重要的闭环控制技术之一，并且常用于交流电机动态建模。空间矢量是一个复杂变量，其大小和角度都随时间任意地变化。目前被认为是假定在空间按正弦分布。在矢量控制的应用中，转速和转子的位置都可以通过使用诸如测速发电机或者编码盘等传统的机电传感器来获得。但是，这样增加了驱动系统的体积和成本。如果转速和转子的位置能够估计，我们就不必要再使用传感器。这就是所谓的无传感器控制技术。无传感器控制技术的主要目的就是估计转子的位置和转速并利用此电机速度参数测量电压和电流。矢量控制，即利用空间坐标变换方法控制交流电机模型。在实现上通过坐标变换将三相坐标系变为两相，再由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，由此将交流电机模型转化为直流电机模型。由于电机转速是利用转子磁链直接控制的。因此，该系统利用了转子磁链的定向控制原理。矢量变换控制可以让交流电动机模仿直流电动机的控制规律。实现交流电动机磁通和转矩的相互独立控制，使交流电动机变频调速系统具有直流调速系统的全部优点。为了适应高精度的转速闭环控制及磁场定向的需求。要在电机轴上安装速度传感器。然而，在有些场合不允许外装任何速度和位置检测元件，且安装速度传感器在一定程度上降低了调速系统的可靠性,增加了速度传感器本身带来的误差。解决这种问题，可以通过无速度传感器的矢量控制系统研究，使用间接计算法求出电机运行的实际转速值作为反馈信号,实现转速外环控制。2无速度传感器矢量控制系统一般说来,异步电动机无速度传感器控制系统,把获得转速(或同时获得磁链)的方法分为三大类一是利用电机的运动方程进行转速的推算;二是利用电机的状态方程直接武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书2进行转速的计算;三是利用自适应状态观测器观测磁链并同时对转速进行辨识。还有其它一些方法是这几类方法的变形、混合或是不便于把它归结为其中的某一种类型。这种系统是用一个转速推算器代替速度传感器,其中转速推算器有4个输入信号和2个输出信号。转速推算器的一个输出就是电动机运行的实际转速值𝜔̅，以此作为转速反馈信号。其中ACR为电流调节器。3无速度传感器矢量控制方法在电机定子侧装设电压传感器和电流传感器，检测三相电压UABC和三相电流IABC，根据3/2变换求出静止轴系中的两相电压Usα、Usβ、及两相电流Isα、Isβ。由定子静止轴系（α−β）中的两相电压、电流可以推算定子磁链，估计电机的实际转速。当二相同步旋转坐标系按转子磁场定向时，异步电机的数学模型为：dωr𝑑𝑡=𝑝𝐿𝑚𝑗𝐿𝑟𝑖𝑠𝑞ψ𝑟𝑑−𝑃𝐽𝑇𝐿(1)ωs=LmTrψrdisq(2)Dψ𝑟𝑑dt=−1Tψ𝑟𝑑+LmTrisd(3)disddt=LmσLsLrTrψ𝑟𝑑−RsLr2+RrLm2σLsLr2isd+ω1isq+UsdσLs(4)disqdt=−LmσLsTrωrψ𝑟𝑑−RsLr2+RrLm2σLsLr2isq+ω1isd+UsdσLs(5)式中:Ls，Lr，Lm，Rs，Rr——分别为定、转子的电感、互感和电阻；ω1，ωs，ωr，ω̂，——分别为同步转速、转差、真实转速和估算转速；Usd，Usq，isd，isq——分别为按转子磁场定向后定子电压和电流的d、q轴分量；𝜓𝑟𝑑，θ——分别为按转子磁场定向后转子磁链的d轴分量、d轴与固定坐标α轴夹角；𝑇r，p，𝑇𝐿——分别为转子电磁时间常数、极对数和负载转矩；σ，J——分别为漏磁系数和转动惯量。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书3将（5）代入（2），又由Tr=LrRr⁄，整理得：ω1=−σLsdisq/dt+Usq−Rsisq𝜓𝑟𝑑Lm/Lr+σLsisd(6)式(6)表明,可以根据电感量、励磁电流isd、转矩电流isq、转子磁链𝜓𝑟𝑑和转矩电流isq的微分计算得到同步转速ω1。结合式(1)，得估算转速：ω̂=ω1−ωs(7)由同步转速得磁链角：ω1=dθ/dt(8)电压变换和电流变换环节根据θ将电压和电流变换为按转子磁场定向的同步旋转坐标系下的量;磁链转差计算环节根据式(2)和式(3)。由励磁电流和转矩电流及电机参数得到转子磁链幅值和转差;同步转速计算环节根据式(6)得到ω1；θ等于同步转速的积分,根据式(8)得到；根据式(7)可以得到估算转速ω̂。4无速度传感器矢量控制系统SIMULINK分析为了验证上述方案的可行性,根据前述数学模型和系统结构，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型，进行仿真实验。考虑到笼型电机转子侧短路，电压为0，异步电机动态数学模型可表示为：MLLirmrr1(9)strrmsiTL(10)rmrmLPTi11(11)rrStmeLiLnpT(12)r=1prSmmTiL(13)基于以上动态模型建立异步电机仿真模型，可以通过MATLAB/Simulink中的示波武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书4器观察系统运行过程中各变量的波形，如基于式(7)的估算转速、基于式(11)的电磁转矩和基于式(12)的实际转速等。给定不同转速，任意时刻改变负载，可以得到运行过程中各变量的波形。仿真原理图如图2所示。图1仿真原理图1)SWPWMGENERATOR模块SVPWM不仅使电流谐波分量减少,而且谐波转矩也减少,从而使电机的转矩脉动得到一定的抑制。SVPWM的数学模型是非线性的,采用通用的软件进行仿真的工作量很大,开发周期长,难度较大。随着MATLAB711的推广,新增的SPACEVECTORGENERATOR可以很好地解决这个问题2)基于MRAS的转速推算模块模型参考自适应的速度推算(MRAS)是利用转子磁链的电压方程和电流方程分别计算转子磁链。由于电压模型不含角速度项,而电流模型有项,故用电压模型的输出作为转子磁链的期望值,电流模型的输出作为转子磁链的推算值,从而得出转速ωr。其模型如图武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书52所示。图2转速推算模块3)转子磁链模型结构对于MRAS来说,这个模型是很重要的,关系到推算的结果的精度。图3和图4分别是电压模型和电流模型结构。图3转子磁链电压模型武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书6图4转子磁链电流模型仿真波形如下：图3转子给定转速波形武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书7图4转子实际转速波形图5电磁转矩波形武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书8图6定子磁链变化曲线5仿真结果分析本文提出了一种异步电机无速度传感器矢量控制的方法，在异步电机按转子磁场定向的动态数学模型基础上，由电流微分表达式推导出同步转速的表达式，结合转差表达式可估算出转速。从仿真结果可以看出，无速度传感器矢量控制系统能够满足交流调速的可靠性和快速性的要求，与有速度传感器矢量控制系统相比，减少了检测装置，避免了速度传感器检测本身带来的误差，提高了精度。该系统能够更好地控制电磁转矩，有利于降低成本，提高企业经济效益，有推广应用价值。利用此估算转速作为反馈信号构成转速闭环，结合电流闭环和磁链闭环构成异步电机无速度传感器矢量控制系统。此方法具有概念清晰、直观性强、算法简单、速度计算无延时的特点，为系统的实现奠定了基础。仿真实验证明了此方法的可行性。实际系统中，电机参数变会影响系统性能，所以实现时要加上参数辨识和误差校正环节来提高系统抗参数变化和干扰的鲁棒性。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书96学习心得这次仿真中我根据无速度传感器的矢量控制的基本概念和系统原理图，建立了交流异步电动机专差频率矢量控制系统的仿真，并进行了仿真实验。经过不断的尝试发祥为了减少仿真需要的时间，可以在仿真中减小了电动机的转动惯量，但是过小转动惯量容易使系统发生振荡，要通过调节参