电气工程及其自动化毕业设计：异步电动机无速度传感器矢量控制系统的设计与分析.doc

1、 本科 毕业设计 异步电动机无速度传感器矢量控制系统的设计与分析 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1 摘 要 伴随着电力电子技术和计算机技术的飞速发展，把电力电子技术和计算机技术作为基础的交流电机调速技术也取得了很大的进步，而 作为现代交流传动控制的一个重要组成部分的异步电机的无速度传感器矢量控制技术，已经成为了一个热门的研究方向。 对于电机转速的准确辨识则是实现无速度传感器矢量控制的核心问题。 在无速度传感器系统中怎样准确的获取转速信息，并且要求很高的控制准确度，满足实时控制的需求，成为了这个研究方向需要主要解决的问题。 本文设计和分

2、析的是异步电动机无速度传感器矢量控制系统，内容主要包括了无速度传感器电压解耦矢量控制系统与以模型参考自适应为基础的无速度传感器矢量控制系统。第二章介绍了矢量控制的基本原理、异步电动机的基本方程式、矢量控 制的坐标变换、异步电动机在不同坐标系下的数学模型、矢量控制的基本结构、磁链混合观测模型以及空间电压矢量控制原理。第三章介绍了无速度传感器矢量控制系统、模型参考自适应法、无速度传感器矢量控制系统的结构、电压型矢量解耦控制原理、转子磁链相位偏差补偿原理和速度推算原理。 把 MRAS 作为基础的无速度传感器矢量控制系统利用电机的定子电压方程和电流方程得到电动机转速的模型参考自适应辨识算法，在这个的基

3、础上提出了一个改进的变参数 MRAS速度辨识数学模型，并且 依照转子磁场定向的基本原理，以及异步电动机电压磁链方程式，提出了 改进的电压型转子磁链的估算模型。 本文第四章利用 MATLAB/SIMULINK 软件对系统进行动态仿真分析。且在 Matlab 软件中把以该速度为基础的辨识模型的无速度传感器异步电动机矢量控制系统在不一样的状态下进行了详细的仿真。 仿真的结果显示速度推算环节拥有很好的跟随性能，该控制系统的静态性能和动态性能也很不错。在应用了仿真软件之后，证实了复杂的系统设计时运用仿真工具对设计进行仿真分析是非常有效的策略，不但对系统设计效率的提高有帮助，而且减少了系统设计的时间。 关

4、键词 ： 异步电动机；矢量控制；无速度传感器；转速估 计 2 Abstract With power electronic technology and the rapid development of computer technology, the power electronic and computer technology as the foundation of ac motor speed control technology also has made great progress, but as a modern ac drive control is an importan

5、t part of asynchronous motor speed sensorless vector control technology, have become a hot research direction. For motor speed accurate identification is realized speed sensorless vector control core question. Speed sensorless system in how accurate acquisition speed information, and requires high c

6、ontrol accuracy, meet the real-time control demand, became the main research direction needed to solve the problems. The paper presents the design and analysis is asynchronous motor speed sensorless vector control system, content mainly includes performence of speed sensor voltage decoupling vector

7、control system and to model reference adaptive based speed sensorless vector control system. The second chapter presents the basic principle, the vector asynchronous motors basic equations, vector control of induction motors coordinate transformation, in different coordinate vector control mathemati

8、cal model, the basic structure, magnetic chain mixed observation model and space voltage vector control principle. The third chapter presents vector control system without speed sensor, model reference adaptive method, speed sensorless vector control system structure, the voltage type vector decoupl

9、ing control principle, rotor flux phase error compensation principle and speed calculated principle. On the basis of the MRAS speed sensorless vector control system using motor stator voltage equation and current equations to obtain the motor speed model reference adaptive identification algorithm,

10、in this are put forward on the basis of an improvement of the variable parameters of MRAS speed identification mathematical model, and in accordance with the basic principles of rotor field-oriented induction motor voltage, and magnetic chain equation, this paper presents an improved the voltage typ

11、e rotor flux estimation model. The fourth chapter MATLAB/SIMULINK software on system for dynamic simulation analysis. And in the Matlab software based on the speed of recognition model of induction motor speed sensorless vector control system in different conditions made detailed simulation. Simulat

12、ion results show that the speed with good follow calculation link performance, this control system static performance and dynamic performance is also very good. Using the simulation software of complex system, confirmed after using simulation tools when designing simulation analysis of design is ver

13、y effective strategies for system design, not only helps improve efficiency, and to reduce the system design time. Keywords: Asynchronous motor; Vector control; Speed sensorless; Speed estimation 3 目录 第一章 绪论 . 4 1.1 课题的意义 . 4 1.2 国内外研究现状 . 5 1.3 本论文研究的主要内容及目的 . 6 第二章 矢量控制理论 . 8 2.1 矢量控制概述 . 8 2.2 异步

14、电动机的基本方程式 . 9 2.3 矢量控制的坐标变换 . 10 2.4 异步电动机在不同坐标系 下的数学模型 . 12 2.5 矢量控制的基本结构 . 15 2.6 磁链混合观测模型 . 15 2.7 空间电压矢量控制原理 . 16 2.8 本章小结 . 18 第三章 异步电机无速度传感器矢量控制系统 . 19 3.1 无速度传感器矢量控制系统 . 19 3.2 模型参考自适应法 . 19 3.3 无速度传感器矢量控制系统的结构 . 19 3.4 电压型矢量解耦控制原理 . 20 3.5 转子磁链相位偏差补偿原理 . 22 3.6 速度推算原理 . 24 3.7 本章小结 . 25 第四章

15、异步电动机无速度传感器矢量控制系统的仿真 . 26 4.1 MATLAB 的简介 . 26 4.2 以 MRAS 为基础的的无速度传感器矢量控制系统的仿真 . 26 4.3 仿真结果分析 . 30 4.4 本章小结 . 30 结论与展望 . 31 致谢 . 31 参考文献 . 32 4 第一章 绪论 1.1 课题的意义 在电力电子器件、计算机技术和微处理器的迅猛发展期间，变频调速的控制技术和手段 由变压变频、转差频率控制发展到了矢量控制变频调速技术，交流电机无速度传感器矢量控制三电平变频技术是最近二三十年才发展起来的一项控制技术。 无速度传感器控制技术的发展从一般的有速度传感器的传递动力控制系

16、统开始，处理问题的方法是运用检测的定子电压 、电流等检测出来不复杂的量进行速度估计而代替速度传感器 。 最主要的是对于转速信息的获取，且保持较高的控制精度并且满足实时控制的要求 。 在中国，这方面的应用才发展了 10多年，这一技术的发展，不仅仅是控制技术的进步和调速性能的优良所能概括的，它已经和节约能源和经济效益密切联系，成为影响国民经济发展的重要因素。在外国，小到家用电器，大到交流电动机，都是采用了这项技术，其变频器类的产品的发展，也有每两年一次的更新速度。无速度传感器异步电动机矢量控制研究为交流传动理论上的突破提供了帮助。矢量控制技术以坐标替换理论为基础，用 转磁场的方向加以确定方向，在同

17、步旋转坐标系中的转矩分量和励磁分量是相互垂直的，它们构成了定子的电流矢量。定子电流转矩电流分量与励磁电流分量的解耦得到了成功实现，幅值由于控制转子磁链的不变所以不发生变化，直观化的转矩处理得以实现，使其线性机械特性和他励直电动机一样，矢量控制技术的运用使交流调速系统的动、静态性达到了直流双闭环调速系统的水平。 电机分为两种，分别是直流电机与交流电机。异步电机和同步电机则构成了交流电机。这几种电机分别有优缺点 :直流电机容易控制，调速也简单，所以它主要在变速传递动力领域得到了运用， 但它的缺点是结构不简单，成本高，电刷经常被磨坏，维护不是很便利，对外部因素的要求比较高 ; 异步电机的结构不复杂，

18、成本低，但是因为它的不简易的数学模型，比较难于实现对它的控制，所以长久以来它只在变速传动领域得到较多应用 ;同步电机的优点则是电源频率稳定的时候，其转速则保持恒定，但以前都存在着不容易起动、重载时振荡经常产生甚至是失去步骤的可能，故实际生产中应用很少。但是在最近一段时间里，这种格局己经渐渐发生了变化，伴随着电力电子、微电子和控制技术的不断进步，提出了许多新的控制异步电机的技术，交流电机调速的发展解决 了瓶颈，电气传递动力交流化的时代接踵而至。交流变频调速系统对于调速的优越和起动、制动的性能还有高效省电的现象，变频调速方面的电机得到大量使用，它的容量、速度和电压等级都可以很高 ;调速系统体积小、

19、重量轻、惯性小，运行可依靠性高，维护工作量少，适宜比较恶劣的工作环境，成本低廉。由于变频调整速度技术尤其是矢量控制技术的突出特点，所以从一般工业技术到航空、航天军事工业，以至家电空调、精密伺服机器人控制等等，变频调速技术都有所涉及，渐渐的取代了直流调速。过去因为直流调速系统调速方法不复杂、转矩的控制也不难，比较易于得 到优良的动态特殊性质，所以高性能的传递动力系统都在对直流电机进行使用，直流调整速度系统在变速传递动力领域中有着不一般的位置。但是直流电机的机械改变方向的器件结构不简单、需要经常的监测和修理、运行过程中经常冒出火星、制造需要的资金不低，致使直流传递动力系统的维持资金需求很大，特别是

20、因为改变方向问题的存在，直流电机达到做成高速大容量的机组的目的。交流电机因为结构不复杂、制造起来容易、价格又不高，并且可以使用的时间长、惯量不大、运行稳定、不怎么需要检修、在不好的环境也可运用等优点，在实际生产中得到了大范围的使用。 但是交流电机调整速度比较复杂，前期的运用主要是调整电压、电磁转动5 差量离合器和绕线式的异步电机转子串联电阻调整速度，然后是绕线式异步电机串联级调整速度方法的提出，这几种选择都是在电动机旋转的磁场的同步的转速不变的情况下调整转差率，效率都不是很高。还有一种调整速度的方法是调整电动机旋转的磁场同时的速度，这种调速方法比较高效，可以通过变频或变极来实现目的。交流电机高

21、效调速方法在异步电机和同步电机同时适用的典型是变频调速。交流电机采用变频调速不仅能实现无极调速，还可以根据负载的特性不同，利用适当调节频率和电压之间的 关系，使电机始终运行在高效区域，并保持着良好的动态特性。以转子磁场定向的矢量控制系统在高性能的工业应用场合已经得到广泛的应用。因为精密的速度传感器价格较高，并且在某些恶劣环境下速度传感器无法安装，所以无速度传感器矢量控制技术得到越来越广泛的关注和运用。矢量控制技术作为一种高性能的变频调速技术，虽然已经在交流调速领域得到广泛应用，但它的理论与应用仍不完善。如果要实现异步电机高性能的矢量控制的话，那么一般来说速度闭环是必不可少的，转速闭环需要知道实

22、时的电机转速，带速度传感器的存在增加了整个系统的成本和复杂程度，影响了检测精度，在高温和潮湿等恶劣条件下速度传感器的安装使系统的可靠程度变小了，除了以上这点，在每分钟转速非常巨大的高速运行的高速电机的中带速度传感器的矢量控制系统并不是很适用。因此，无速度传感器矢量控制系统的分析很使用有很大程度的现实意义。在一般有速度传感器的矢量控制的基本结构上，产生并发展起了无速度传感器矢量控制技术，而且是作为一项先进技术，无速度传感器的矢量控制技术还是采用了磁场定向控制技术，但是获取电机转速信息的方式和来源都不同了。所以说无速度传感器矢量控制技术的最主要的技术是对与电机的转速信息的准 确得知。最近一段时间，

23、对转速进行的方式多到有十来种，但是转速估计的准确度与动态的性能对其也有影响，所以多数运用的无速度传感器调整速度系统只是可以对普通的动态性能加以实现，它的调整速度范围也很小。国外对无速度传感器研究和实际生产运用已经出现很久了，例如 ABB、三菱、东芝、日立、富士等公司都拥有独特的产品 ;但是国内在该技术的实际运用和产品质量上远远落后于国外，理论研究水平也不高，目前国内的研究也就是少数几所几所高等院校，这水平只相当与国外 20 多年前的水平。我国工业目前对通用型变频器每年的需求量非常大，性能优异的 无速度传感器调速系统更受大家喜爱。而如今的市场被国外产品占领了绝大部分的份额，国内产品竞争力不足。因

24、此，开发高性能的无速度传感器交流调速技术并尽快使其产品化，己成为振兴我国民族变频器工业面临的一个急需解决的课题。 1.2 国内外研究现状 在近二三十年来，各国学者致力于研究无速度传感器控制系统，无速度传感器控制技术的出现开始于常规带速度传感器的传递动力控制系统，处理问题的起始点是运用检测容易检测到的物理量诸如定子电流和定子电压估算它的速度而代替速度传感器。主要的方面是怎么样进行对转速的信息的准确得到，并且保持 有很高的控制准确度，实现即时控制的需要。对硬件的检测在无速度传感器的控制系统一般不会出现，省去了伴随着带速度传感器的很多必须的麻烦步骤，对该系统的可靠程度进行了增加，减少系统成本的支出，

25、增加了系统的简易程度；另外使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机和控制器之间的连线，无速度传感器的异步电机的调速系统因为这方面的优势得以在工程中得到广泛的应用。研究人员为了解决速度估计、磁通辨识和参数适应性等基本问题，提出了多种转速估计和磁通辨识的方法，可运用状态估计、间接测量、参数辨识、直接计算等手段，从定子电流和定子电 压中提取出与速度有关的量，从而获得转子速度。目前比较典型的估计算法有： 6 模型参考自适应法（ MRAS）：用不含转速的方程作为参考模型，用含有转速的模型作为可调模型，两个模型的输出量物理学的领域里是没有不同的，根据不含转速和含有转速的模型输出量的误差组合成合适的自动调节

26、即时调节可调模型的转速，从而实现控制对象的输出的理想模型的要求。模型参考自适应法是一种比较稳定的辨识其参数方法的设计，确保了对参数进行估算的渐变收缩性，但是因为模型参考自适应法观测速度方法的基础是要求参考的模型精确，所以速度辨识和控制系统的成效对 照模型自身受到参数是否精确的直接影响。 动态速度估计法：主要包括对转子反电势的估计和转子磁通的估计。均是把电机的模型作为基本，这种方法算法容易、实用性好。不过因为没有纠正误差环节，抗干扰能力差，对电机的参数不同情况则比较敏感，在实际运用中需要实现时，则要在辨识参数和纠正误差上加以改进以提高系统抗干扰的鲁棒性和抗参数变化，来保证系统获得良好的控制效果。

27、 神经网络法：采用神经网络取代电流模型转子磁链观测器，应用误差反向传播算法的自适应律估计转速，电机的参数为网络的权值。神经网络法的理论研究并不成熟，而且硬件的实现也有一定的难度，目前这一方法的应用还处在起步阶段。 扩展卡尔曼滤波器法（ EKF）：把电机的转速看作是一个状态变量，把电机的五阶非线性模型考虑进去，运用扩展卡尔曼滤波器法在每一估计点将模型线性化来进行转速的估计，这种方法可有效地对噪声进行抑制，并且转速估计的精确度也得以提高。但是估计精度对于电机参数变化的依赖比较严重，并且卡尔曼滤波器法的计算量非常大。 PI自适应控制器法 ： 它的基本思想是利用某一些量的误差项，利用 PI自适应控制器

28、获得转速信息 。 一种是研究转矩电流的误差项；另一种研究转子 q 轴磁通的误差项 。 这种 方法利用了自适应思想，是一种算法简单 并 效果良好的速度估算方法，但是其在低速时的估计还是存在误差 。 从上面可以看出，这几种方法都有自己的优缺点，有几种对电机参数比较依赖，使得计算复杂并且速度估算误差较大。比如比较典型的 EKF算法，这种方法可对噪声有比较有效的抑制，转速估计的精确度得以提高，如今许多学者对这方面的研究都比较深入。 1.3 本论文研究的主要内容及目的 本文较为简略的研究了异步电机无速度传感器矢量控制技术。建立了异步电动机电压解耦矢量控制系统与基于 模型参考自适应法 的无速度传感器异步电

29、动机矢量控制系 统等，其中的以 模型参考自适应法 为基础的无速度传感器矢量控制系统的 模型参考自适应法 是利用电动机定子电流方程与电压方程得到的传统的模型，并基于传统 模型参考自适应法 建立了一个更为优良的参数 模型参考自适应法 速度辨识数学模型，用以提高系统在低速时的速度辨识的精度。 以 模型参考自适应法 为基础的无速度传感器矢量控制系统，只要在有速度传感器矢量控制系统里加上 模型参考自适应法 ，取消速度传感器。其中采用的 模型参考自适应法 是对转子磁通进行估计的方法，它的转子磁链的希望的值就是异步电动机电压模型的输出值，电流模型的输出实际上当做是 转子磁链的计算出来的值。比较以上两个模型的

30、输出值，推导出了自适应速度辨识的公式，做出一个用于估算转速的数学模型。并且对它在高速和低速领域的稳定性进行理论上的分析。 电机转子磁场定向矢量控制的出现使得交流调速系统在性能上拥有了一个非常大的提高，而无速度传感器矢量控制系统更是对系统的鲁棒性与简易性的提高有很大帮助，但是这种系统还是要解决两个问题 : 转子磁链的观测与对转速的估计，也就是运用检测到的电流、电机7 电压与电机的数学模型推测出电机转子转速与位置。 本文主要运用电机的基础的公式和理论，较为细致的研究了异步电机 矢量控制和空间电压矢量脉宽调制的基本原理。接着对交流异步电机的无速度传感器控制的估算转速步骤进行了很细致地研究，简单的阐述

31、了 MRAS、速度自适应转子磁链全阶状态观测器的基本原理，主要是对全阶速度自适应转子状态观测器的异步电机无速度传感器矢量控制方法进行了研究，详细的对控制系统的结构组成和实现方法进行了介绍，而且在 MATLAB/Simulink中进行了仿真。 8 第二章 矢量控制理论 2.1 矢量控制概述 矢量变换控制技术也叫做磁场定向控制，也就是把磁场矢量的方向当作 是坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向的表示都是使用瞬时值。磁场定向控制有以下几个优点 :使磁通和转矩的解耦控制得以实现，它的动态性能也和近直流电机的调速性能相似 ;在的调速领域中能使磁通保持恒定 ;，电流也不会因为大转矩的暂态过程的影响

32、而变的过大 ;在电动机状态、反制动状态以及磁弱状态下都能进行高效的转矩控制。磁场定向控制也有以下几个不足之处 :转子时间常数对转子磁通估计影响较大，尤其是温度、频率这些因素，所以如果想要得到精确的估计是比较困难的 ;PI 调节器的优化调节将很复杂，它对电机模型参数了解的精确成都决 定性能的优良与否。 直流电机的电枢磁势和励磁磁通的方向是相互垂直的，所以他们之间互不影响，电枢绕 组和励磁绕组也相互没有关联，所以可以分别对其励磁电流和电枢电流进行调节，对转矩的独立控制得以实现。如果是感应电机的话，则是将交流矢量变成为两个独立的直流标量来单独进行调节，而且要把被调节后的直流量变回成交流量，最后达到控

33、制交流电机的运行状态的目的，一定要采用矢量的坐标变换和它的逆变换，所以这种系统就叫作矢量变换控制系统。交流电机想得到和直流电机一样优良的动态调速性能可以通过矢量的坐标变换，这种控制方法是 交流电机得到理想调速性能的重要方法。 矢量控制主要是坐标变换、矢量运算和含非线性的运算。控制交流瞬时值必须在是高速时进行运算，它的运算处理的复杂程度要比直流调速还要大很多倍。如果想通过模拟电路来实现的话，则无法保证它的可靠性和性能。微电子微处理器技术在 70 年代急速的成长着，而且研制成功了对激烈减加速和对冲击负载适应的急速电子半导体换流装置，至此矢量控制变频调速装置的可靠性和实用性都得到大幅提升。 矢量控制

34、系统因为把转子磁场作为定向而普遍应用于高性能的工业应用场合得到，因为转速闭环在矢量控制系统里存在 的必要性，所以很多情况下，人们选择测速的是同轴安装的速度传感器。但是精密的速度传感器的价格都是比较高的，而且在很多恶劣的环境都没有办法安装，所以近年国内外学者主要是在研究无速度传感器矢量控制技术。在研究转子磁链和转速估计问题之外，电机的参数辨识问题是矢量控制系统中的另一个研究重点，因为电机在运行的过程中受到磁路饱和和温度变化的影响，电机定转子参数恒定得不到保持，变成随时间变化的参数。对电机参数进实时辨识能够得到良好的动态特性，国内外有很多研究报告事关于这个问题的，但是并没有将该技术实用化。 虽然矢

35、量控制技术 在国内得到广泛研究和实际运用，但是还是有一些问题是需要解决的 :在极低速下的稳定运行和快速动态响应的获取；更先进的进行定转子电阻在线参数辨识的算法的提出；精确的电压电流信号的获取；电机的非线性补偿的转矩误差控制的更为精确；调速范围的继续扩大。 总的来说，无速度传感器矢量控制毫无疑问的是以后很长一段时间的发展方向，其中转速估计和磁链观测的问题解决是主要研究方向。不论是何种估计方法的运用，观测的准确程度和变量估计都是最主要的问题。伴随着各种新的控制理论迅速提出，并且研究成功了拥有高速处理能力的微处理器，计算的速度 对控制算法束缚将不复存在，人们可以电机控制中运用最新的技术，对矢量控制系

36、统的各种有关性能进行提高。 9 2.2 异步电动机的基本方程式 异步电动机变频调速系统的控制方式一般都是很复杂的，如果要选择最佳的控制方式，则需要对系统动、静态性能进行十足的了解。作为控制系统的重要环节之一，异步电动机的特性十分重要，一个合适的数学模型的建立是研究它的动静态性能和它的控制技术的理论基础。 异步电动机作为一个多变量系统，研究它的数学模型的时候经常会忽略以下的的参数：空间谐波、磁路饱和、铁耗的影响和频率和温度变化对绕组电阻的影响 。 图 2.1：异步电动机的物理模型 异步电机在实际中等效如图所示的三相异步电机的物理模型。该图中定义为三相静止坐标系，因为定子三相绕组轴线 A, B.

37、C 在空间上是固定不变的。把 C 轴设为参考坐标系轴，转子旋转速度是 。空间角位移的值是 dt 。 对于鼠笼式电动机，基本方程式 : 00000s s S S m S m sMsMS S s s S m m sTsTm r r rMm r r rTR L p L L p L iuL R L p L L p iuL p R L p iL L R i (2-1) 转子磁场 定向就是按转子全磁链矢量 r 而 定向，就是将 M 取向 r 轴。因为 T 轴 垂直于 M 轴所以得知： r m sM r rML i L i (2-2) 0 m sT r rTL i L i (2-3) 继而得出： 2 1sM rmTpi L (2-4) rrMrpi R (2-5)