基于DSP的异步电机无速度传感器的矢量控制仿真毕业设计论文.docx

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基于DSP的异步电机无速度传感器的矢量控制仿真毕业设计论文

本科生毕业设计

设计题目：

基于DSP的异步电动机无速度传感器的矢量控制研究

中国矿业大学毕业设计任务书

毕业设计题目：

基于DSP的异步电动机无速度传感器的矢量控制研究

毕业设计主要内容和要求：

1.复习电力拖动自动控制系统课程，重点学习异步电机变压变频调速系统理论（包括异步电机动态数学模型和坐标变换技术、转子磁场定向矢量控制系统），了解国内外无传感器控制的现状及发展趋势；

2.学习TMS320C2812DSP；

3．学习观测器理论、模型参考自适应等相关理论；掌握异步电动机矢量控制的方法；

4．完成异步电动机转子磁链估计模型的DSP实现；

5.采用Ｍatlab／Ｓimulink对转子磁场定向矢量控制系统进行仿真。

院长签字：

指导教师签字：

中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

指导教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成绩：

评阅教师签字：

年月日

中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩

答辩情况

提出问题

回答问题

正确

基本

正确

有一般性错误

有原则性错误

没有

回答

答辩委员会评语及建议成绩：

答辩委员会主任签字：

年月日

学院领导小组综合评定成绩：

学院领导小组负责人：

年月日

摘要

异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性，强耦合的多变量系统。

采用坐标变换的方式将三相静止坐标系变为两相同步旋转坐标系，可以实现定子电流的解耦，从而实现磁通和转矩的解耦控制，达到直流电机的控制效果。

按转子磁链定向使交流调速系统的性能产生了质的飞跃。

无速度传感器控制解决问题的出发点是利用检测的定子电压、电流等容易检测到的物理量进行速度估计以取代速度传感器。

这样既减少了成本，又提高了控制系统的简易性和鲁棒性。

无速度传感器的矢量控制重点是磁链的观测和转速的估计。

由于电机在运行过程中的参数会发生变化，必须保证磁链和转速估计的准确性，使系统具有良好的动态性能。

本文应用基于超稳定性理论的模型参考自适应系统，对无速度传感器的矢量控制进行转速估计和磁链观测。

对系统的仿真结果表明，基于模型参考自适应的矢量控制系统具有良好的静态和动态性能。

关键词：

异步电机；无速度传感器的矢量控制；模型参考自适应；转速估计；磁链观测

ABSTRACT

Dynamicmathematicalmodelofasynchronousmotorisahigherorder、nonlinear、thestrongcouplingofmultivariablesystem.Usingcoordinatetransformationtochangethethree-phasestationarycoordinatesystemintoatwo-phasesynchronousrotatingcoordinatesystem,Youcanimplementadecouplingofthestatorcurrent,torealizethedecouplingcontroloffluxandtorque,soastoachievetheeffectofDCmotorcontrols.therotorfieldorientedcontrolhasbroughtessentialadvancesinACvariablespeeddrivesystem.thestartingpointtosolvetheproblemofsensorlesscontrolistousedetectionofstatorvoltageandcurrenteasilydetectedphysicalquantitiestoreplacethespeedsensor.Inthisway,reducingcosts,improvingthecontrolsystemsimplicityandrobustness.

Thekeyofspeedsensorlessvectorcontrolisfluxandspeedestimation.Becausethevariesofparameterwhenthemotorrunning,mustensurethatfluxandspeedestimationaccuracy,makethesystemhasgooddynamicperformance.thespeedestimationandrotorfluxobservationmethodsarestudiedusingthetheoryofModelReferenceAdaptiveSystemforthespeedsensorlessvectorcontrolsysteminthearticle.thesimulationresultsshowtheMRAS-basedfieldorientedcontrolsystemhasgoodstaticanddynamicperformance.

Keywords:

asynchronousmotor；Sensorlessvectorcontrol；MRAS；Speedestimation；Fluxobserver

1绪论

1.1引言

现代社会，电机作为主要的动力设备广泛的用于工农业生产、国防、科技以及社会生活的方方面面。

而很多场合都需要对电机进行调速，如车辆，、电梯、机床及造纸机械等，而风机、水泵等为了减少损耗，节约电能也需要调速。

从20世纪20年代起就开始使用直流调速系统，直流电机由于其励磁电路和电驱电路互相独立，可以分别控制励磁电流和电驱电流，从而控制励磁磁链和转矩。

其优点是调速范围宽、静差小、稳定性好、易于实现速度调节和转矩控制，具有良好的动态性能等。

但由于直流电动机采用机械接触式换向器，结构复杂、制造费时、价格高、易于磨损、维护麻烦，并且难向高转速、高电压、大容量发展，这就限制了直流电动机的应用。

交流电机则因其结构简单、坚固耐用、运行可靠、成本低、易维护、可适应于大容量调速和工作于恶劣环境等优点，因此人们一直期望将交流电机应用到高性能调速系统中去，随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速性能完全可以和直流调速媲美【1】【2】。

1885年，世界上第一台交流电机问世，交流电机出现后，特别是鼠笼型异步电机，由于结构简单、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、制造方便、价格低廉、容量没有限制，维护方便，对环境要求不高等优点被广泛使用。

但是交流电机调速比较困难，早期的应用主要是调压调速，电磁转差离合器调速，绕线式异步电机转子串电阻调速，30年代提出了绕线式异步电机串级调速的方法，这些方法都是在电机旋转磁场的同步转速恒定的情况下调解转差率，效率都很低。

另一类调速方法是调解电机旋转磁场的同步速度，只是一种高效的调速方法，即通过变频来实现。

交流调速方案虽然早已有多种发明并得到实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。

直到1968年，Darmstader工科大学的Hasse博士，发表了第一篇关于矢量控制的论文；1971年，联邦德国学者、西门子公司的F.Blaschke将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制为名称的专利的形式发表。

磁场定向控制理论（即通常说的矢量控制）的出现，使得交流调速技术【3】【4】发生了一次质的飞跃。

基于异步电机模型多变量、强耦合、非线性的本质特点，矢量控制原理引入了坐标变换，在讲原本复杂的异步电机模型等效为M-T模型的基础上，再进一步简化为类似如直流电机的模型。

由于坐标变换后的电机模型考虑了瞬态的情况，不仅可以较准确地控制电机的稳态性能，而且也能保证实现良好的动态性能，为交流变频调速系统的高性能化奠定了强有力的理论基础，一直被认为天经地义的交流拖动的分工格局被逐渐打破，高性能交流调速系统应用的比重逐年上升。

1.2电力电子器件和微处理器的发展

在现代电机控制系统中，无论是直流电机控制还是交流调速系统，都需要可控的电源，在20世纪50年代，可控电源都是旋转变流机组，控制器件都是电磁器件，整个控制设备庞大而笨重。

50年代末出现了静止的电力电子变流装置以后，逐步解决了变流装置的减少设备、缩小体积、降低成本、提高效率、消除噪声等问题，使电机控制系统获得了飞跃发展，从此“电子”进入了强电领域，电力电子器件成为弱电控制强电的纽带，电力电子变流器成为电机控制系统的核心。

矢量控制技术的提出，提高了交流调速系统的静、动态性能，但是要实现矢量控制，如用复杂的模拟电子电路来实现，其设计、制造和调试都很麻烦，有些计算功能根本无法实现。

采用微处理器控制以后，用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，既降低成本，又提高了可靠性。

由此可见，电力电子器件和微处理器的应用是现代交流调速系统发展的两项必备的物质基础，电力电子器件和微处理器的迅速发展是推动交流调速系统不断更新的动力。

50年代末，第1个普通晶闸管（SCR）在美国通用电气公司的实验室诞生，标志着现代电力电子技术的开端。

近20年来，电力电子器件的发展非常迅猛，从只能触发导通不能控制关断的半控型器件（如晶闸管），到可以控制导通和关断的全控型器件;从电流控制到电压控制（场控）;从低频开关到高频开关;从单片元件到模块化、集成化;从小功率（<10Kw）到大功率（>1Mw），新一代的器件带来新一代的变流器，又推动了新一代电机控制系统的产生，成为现代电机控制技术发展的先锋【5】。

晶闸管是初期可控变流装置采用的主要器件，由于它只能触发导通不能控制关断，所以是半控器件，用于可控整流很适合，若用于可控的逆变器，就需要强迫换流电路，使装置复杂化。

因此70年代以后，人们陆续研制出各种全控器件用于交流调速系统，常用的全控器件有P-MOSFET,BJT,GTO和IGBT等。

其中BJT和GTO是电流控制型，而P-MOSFET和IGBT是电压控制型，即场控器件。

P-MOSFET的优点是驱动功率小、开关时间短、安全工作区宽，几乎没有二次击穿效应，可靠性较高;其缺点是导通压降大，只适用于高频小功率的应用场合。

BJT的很多特征和P-MOSFET相反，其主要缺点是开关期间可能发生局部过热的二次击穿，使器件损坏，其开关频率低于5kHz，因此噪声较大。

GTO主要用于数千kVA的大容量变流器，如电气机车、大型轧钢机、矿井卷扬机等，近年来，国产的GTO已经做到2500V,2000A的水平，而三菱公司己推出6000V,6000A的水冷GTO器件，但配置恰当的驱动电路和缓冲电路是GTO应用中的两大难点。

80年代出现的IGBT融合了MOSFET和BJT的优点，开关频率高、MOS门极