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异步电机矢量控制的开环磁通观测及其仿真研究.pdf

异步电机矢量控制的开环磁通观测及其仿真研究

飘叶
2010-12-17 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《异步电机矢量控制的开环磁通观测及其仿真研究pdf》,可适用于工程科技领域

异步电机矢量控制的开环磁通观测及其仿真研究周一恒,严家明(中国矿业大学 电子信息与电气工程学院,江苏 徐州 重庆大学 输变电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆 )摘 要:矢量控制得以有效实现的基础在于异步电机磁链信息的准确获取,实用系统中多采用容易实测的电压、电流或转速等物理量的不同组合,形成多种磁链的观测模型来获得磁链信息。电压模型、电流模型和组合模型是典型的三种开环观测模型,通过设计仿真实验,得到了各种模型的优缺点及其适用范围并且与理想模型进行比较,得出这三种模型对磁通的观测是切实可行的。关键词:矢量控制磁通电压模型电流模型组合模型 引言异步电机矢量控制理论是德国FBlaschke于年首先提出的,目的是用来解决交流电机转矩控制问题。异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统,很难直接通过外加信号准确地控制电磁转矩。若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标,利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换,则可将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)。根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位,即控制定子电流矢量,从而将一台三相异步电机等效为直流电机,可以获得像直流调速系统那样快速的转矩和磁通控制的静、动态性能,,。故矢量控制技术对于异步电机的控制具有重要的工程实际意义。根据电机的数学模型,矢量控制得以实现的基础是被控异步电动机磁链信息的准确获取。为了进行磁场定向和磁场反馈控制,需要知道磁通的大小和位置。在任意速度旋转坐标系下,转子磁链的方程如式()和式(),定子磁链方程和气隙磁链方程与此类似。,转子磁链方程式:Ψrd=LmisdLrird()Ψrq=LmisqLrirq()由定子、转子以及气隙磁链的方程得出:磁链表达式与转速无关定子、转子、气隙磁链三者只要观测到其中一个,就可以得到另外二个。在矢量控制中,无论是采用在β坐标系还是dq坐标系,表达式形式是一致的。本次仿真研究选择以转子磁链的状态进行观测,采用间接的方法、开环模型。这种模型就是利用容易检测的电压、电流或转速,借助异步电机的数学模型,直接推导出转子磁链的方程式(幅值和相位),并将该方程式视为转子磁链的状态观测器。这种模型包括三种方法:电压模型法、电流模型法和组合模型法。 电机模型的建立实验采用Matlab对系统进行仿真,仿真设定异步电机其定子电阻为Ω,转子电阻为Ω,定子电感为H,转子电感为H,互感为H,转动惯量为kgM,极对数为:np。仿真实验主框图及其参数如图,其中电机控制输入模块的框图及其参数如图。 开环磁通观测模型及其仿真 电压模型及其仿真No异步电机矢量控制的开环磁通观测及其仿真研究电压模型法是根据定子电流和定子电压的检测值来估算转子的磁链Ψr。把测得的定子电压和定子电流在β坐标系下分别进行坐标变换,,得到电压变换公式和电流变换公式()和式()。ususβ=usausbusc()isisβ=isaisbisc()电压和电流坐标变换仿真运算框图及其参数分别如图和图。  由电压变换、电流变换和异步电机的数学模型,,可得出在β坐标系下转子磁链Ψrα和Ψrβ,如式()和式()。Ψrα=LrLm∫(usαRsisα)dtσLsisα()Ψrβ=LrLm∫(usβRsisβ)dtσLsisβ()其中σ为漏感系数,σ=Lm·LmLs·Lr。仿真运算框图及其参数如图。  电压模型转子磁链观测器实质上是一个纯积分上海大中型电机No器,其优点是算法中不含转子电阻和转速信息。不含转子电阻使算法受电机参数变化影响较小,不需要转速信息,这些对无速度传感器系统很有吸引力,所以该算法比较简单实用。低速度时,随着定子电阻压降作用明显,测量误差淹没了反电动势,使得观测的精度较低纯积分环节的误差积累和漂移问题严重,可能导致系统失去稳定。这些特性使得电压模型在低速下观测磁通是不可行的,但在中高速的合理范围内它依然是可行的,而且也确实被应用于许多场合。进行Matlab仿真以后得到电压模型示波器的输出如图。 电流模型及其仿真电流模型法是根据定子电流和转速检测值来估算转子的磁链Ψr在β坐标系下对检测的定子电流进行的坐标变换,其变换公式及仿真运算框图如式()和图。由电流变换、转速和异步电机的数学模型,,得出在β坐标系下转子磁链Ψrα和Ψrβ,如式()和式()。Ψrα=LrRrp(LmisαLrRrΨrβω)()Ψrβ=LrRrp(LmisβLrRrΨrαω)()图 电压模型磁通观测  仿真运算框图及其参数如图。电流模型与电压模型不同之处在于电流模型使用了角速度ω作为其输入信息。电流模型的优点图 电流模型磁通观测是对磁通的观测不涉及纯积分项,其观测的值是收敛的。但是电流模型受时变特性参数即转子时间常数T=LR的影响,当电机的运行温度发生变化或者磁路出现饱和的时候,τr的变动范围较大,常需要进行实时辩识才能保证磁链观测的精度。这些特性使得电流模型对低速时的磁通观测性能强于电压模型法,但是高速时不如电压模型法。进行Matlab仿真以后得到电流模型示波器的输出如图。 组合模型及其仿真从数学本质上看,磁链观测的电压模型和电流模型描述的是同一个物理对象,不同模型的之所以造成不同的计算精度,主要由于检测了不同的电压、电流或转速参数影响的,并非物理过程变化引起的。电流模型对低速时的磁通观测性能强于电压模型法,但是高速时不如电压模型法,若将二者结合起来使用,即在高速时利用低通滤波器将电流模型的观测值滤掉,让电压模型起作用在低速时利用高通滤波器将电压模型的观测值滤掉,让电流模型起作用。这种将电压模型和电流模型相结合的方法就是组合模型法。由电压模型、电流模型和异步电机的数学模型,可得出在β坐标系下转子磁链Ψrα和Ψrβ,如式()和式(),为了实现平滑的过渡,可令它们的转折频率相等。Ψrα=TsTsΨrα(电压模型)TsΨrα(电流模型)()Ψrβ=TsTsΨrβ(电压模型)TsΨrβ(电流模型)()仿真运算框图及其参数如图。进行Matlab仿No异步电机矢量控制的开环磁通观测及其仿真研究真以后得到组合模型示波器的输出如图。图 组合模型仿真图 观测磁通与理想磁通的仿真比较磁通观测的理想模型仿真图如图仿真实验主框图中所示,进行Matlab仿真后得到理想模型示波器的输出如图。将观测磁通和理想磁通进行比较,这里采用组合模型的磁通和理想模型的磁通进行比较,比较的仿真图如图仿真实验主框图中所示。其中组合模型和理想模型α轴磁通仿真比较的结果如图,β轴比较结果与图相类似。图 α轴磁通仿真比较 结论与讨论根据磁通的实际观测结果以及观测值与理想值比较的结果可以看出,随着时间的进行,一开始观测的磁通越来越趋近于实际的磁通,并逐渐趋于稳定,这说明用这三种模型来观测磁通是可行的磁通观测的电压、电流和组合模型建模简单方便,实时性强,且避免了埋设线圈和敷设霍尔元件等工业技术问题,在一定程度上保证了电机的鲁棒性。在开环磁通观测地基础上可进一步对异步电机进行矢量控制,具有重要的工程应用价值。矢量控制的好坏,主要取决于磁通观测是否准确,因此磁通观测器的设计显得尤为重要,即磁通的幅值和磁通空间角度都是至关重要的问题。人们围绕着定子、转子以及气隙磁链状态估计提出了许多技术方案,如开环估计和闭环估计。本次仿真实验采用的开环估计,虽然简单,实时性较强,结果也比较准确,但存在对电机参数敏感、抗干扰能力差等缺点,实际使用的时候要做相应的改进。闭环估计法针对开环估计的缺点,引入了反馈量,提高了观测器的稳定性和鲁棒性,由于本次实验只讨论开环估计,所以这里对闭环估计就不再赘述。从矢量控制的角度来看,为了实现高性能,转子磁链观测器设计应满足以下的几点要求:估计算法是稳定的估计值对实际值的收敛速度要尽可能的快对受控对象参数变化和测量噪声应具有较好的鲁棒性实现起来要尽可能的方便,结构上不过于复杂等。现有的观测器模型都不能同时满足以上的几(下转第页)上海大中型电机No响。如果粉末的自熔性差、熔点高、粘度大,就容易造成夹渣。 镀层分层在喷镀过程中,有时会在喷镀层中出现层与层之间脱皮的现象。发生这种现象的主要原因有以下几种。①采用间隙喷镀时,在即将到标准尺寸的情况下没有一次喷完,而是停喷太久。这样完成的镀层,在车削和磨光时就会产生分层剥落现象。②在喷镀过程中,由压缩空气带出的油和水溅在工作表面上,使层与层之间的附着力降低。③喷镀场所不清洁,每一层镀层后有大量灰尘吸附到工作表面,使得层与层之间有外来物隔离或部分隔离。 镀层不耐磨在对镀层进行磨削时,经常会出现有的镀层表面不坚硬,部分颗粒脱落影响了泵轴的使用。这主要是由于下列原因所造成的。①喷镀时喷枪离工件物太远金属颗粒提早冷却,喷到工件上后,成为疏松镀层。镀层工件时部分颗粒脱落,擦伤磨擦面。②金属丝进给速度太快,颗粒呈片状。③金属丝材料不合适,硬度不高,不耐磨。④空气压力过低,喷枪距工件太远。 避免不锈钢喷镀缺陷的注意事项首先,喷镀质量的好坏,主要取决于被镀表面的清洁程度粗糙度。表面清洁依赖于清洗的彻底与否。粗糙处理则采用车床进行拉毛,然后在毛螺纹的轴颈上铺设一层微小颗粒镍层。其次,喷镀操作时,一要合理选择喷镀材料,以满足镀层硬度高、耐磨性好、抗腐性强、收缩性小等二要合理选择工件与喷枪之间的相对线速度和喷枪的移动量三要合理选择喷镀距离,即喷嘴与工件间的距离。通常喷镀距离控制在~mm四要合理选择喷镀气压,喷镀时,保持吹喷气压~MPa,氧气压力为~MPa,乙炔气压力为~MPa。最后是做好喷镀后的表面处理,一是渗油处理,当喷镀完成后,在工件温度~℃时采用不断对其表面进行刷油,让润滑油较多地渗入镀层,便于金属切割加工二是以机油作冷却液和润滑剂,用硬质工具进行高速切割,切割完成后,用研磨膏研磨提高表面光洁度。 结语不锈钢喷镀轴颈修复法操作工艺要求高、难度大、设备多,为避免不当操作造成轴颈二度损伤,应选择具有相应资质的检修单位进行修复,以保证加工工艺,延长使用寿命,确保机组安全运行。参 考 文 献徐泽林,雍家树泵站机电设备维修工与泵站运行工M郑州:黄河水利出版社,(上接第页)点要求,但又都有各自的适用范围。因此,根据实际的需要,采用何种观测模型,需要进行全面的折衷考虑。但总的说来,由于异步电动机数学模型的复杂性,无论从控制角度,还是从技术的角度来看,磁通的实时在线观测都是值得进行深入研究的课题。参 考 文 献李永东交流电机数字控制系统M北京:机械工业出版社,尔桂花运动控制系统M北京:清华大学出版社,黄俊电力电子技术(第版)M北京:机械工业出版社,韩利竹MATLAB仿真与应用(第版)M北京:国防工业出版社,CantiPrassade,SrimivasanTAnalysisandsynthesisofsystemscontainingtimesdelayviablockpulsefunctionsJProcofIEEoncircuitsdevicessystem,():MasaruHasegawa,ShinichiFurutani,ShinjiDokiRobustvectorcontrolofinductionmotorusingfullorderobserverinconsiderationofcorelossCProcOfPCCOsaka,:胡崇岳现代交流调速技术M北京:机械工业出版社,陈伯时电力拖动自动控制系统(第版)M北京:机械工业出版社,NieZiling,MaWeiming,LiWeichaoH∞controlofinductionmotorwithefficiencymaximumforHEVsCIEEEInternationalElectricMachinesandDrivesConference,:张志刚,陈颖三相异步电机空间矢量脉宽调制矢量控制系统仿真J电机与控制应用,,():作者简介:周一恒,年生,女,中国矿业大学信息与电气工程学院教师,助教,硕士研究生,研究方向:检测技术与自动化装置。上海大中型电机No

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