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基于动态转速估计的异步电机无速度传感器控制技术研究

基于动态转速估计的异步电机无速度传感器控制技术研究
基于动态转速估计的异步电机无速度传感器控制技术研究

SHANGHAI UNIVERSITY

毕业设计(论文)UNDERGRADUATE PROJECT (THESIS)

题目:基于动态转速估计的异步电机无速度传感

器控制技术研究

学院机电工程与自动化

专业电气工程及自动化

学号06122154

学生姓名许伟跃

指导教师仇志坚

起讫日期2010.3.25~2010.6.30

目录

目录...............................................................................................................................I 摘要.............................................................................................................................. I II ABSTRACT ................................................................................................................. I V 第一章绪论. (1)

1.1引言 (1)

1.2无速度传感器矢量控制的研究现状及发展趋势 (2)

1.3课题的意义和论文的主要内容 (4)

1.3.1课题的意义 (4)

1.3.2论文的主要内容 (4)

第二章交流异步电机矢量控制理论 (6)

2.1矢量控制概述 (6)

2.2异步电机原始数学模型 (6)

2.3坐标变换 (9)

2.3.1三相-两相变换(3/2变换) (9)

2.3.2两相静止-两相旋转变换(2s/2r变换) (11)

2.4异步电机在不同坐标系下的数学模型 (13)

2.4.1异步电机在静止两相坐标系下的数学模型 (13)

2.4.2异步电机在旋转坐标系下的数学模型 (14)

2.5转子磁场定向矢量控制的原理 (15)

2.6电压空间矢量脉宽调制(SVPWM) (17)

2.6.1 SVPWM控制原理 (18)

2.6.2 SVPWM实时调制算法 (21)

第三章基于动态转速估计的异步电机无速度传感器矢量控制技术 (22)

3.1无速度传感器矢量控制基本原理 (22)

3.2磁通观测 (23)

3.2.1磁通观测的电流模型 (23)

3.2.2磁通观测的电压模型 (25)

3.3转速估计 (27)

3.3.1基于转差和同步速计算转速 (27)

3.3.2基于定转子磁链和定子电流计算转速 (28)

第四章基于动态转速估计的无速度传感器矢量控制系统仿真建模 (31)

4.1M ATLAB/SIMULINK仿真软件简介 (31)

4.2基于动态转速估计的无速度传感器矢量控制系统仿真建模 (31)

4.2.1坐标变换模块 (32)

4.2.2 SVPWM仿真模块 (33)

4.2.3异步电动机模块 (37)

4.2.4转子磁场定向模块 (39)

4.2.5转速估计模块 (40)

4.3仿真结果分析 (41)

第五章总结与展望 (45)

5.1本文的主要工作 (45)

5.2需要进一步研究的工作 (45)

致谢 (47)

参考文献 (48)

摘要

高性能的交流调速系统实现很困难,这是因为交流电机是多变量、强耦合的非线性系统,不易实现高性能的转矩控制。矢量控制作为一种先进的控制策略,实现了异步电机的解耦控制,具有先进性、新颖性和实用性的特点。在高性能的异步电机矢量控制系统中,转速的闭环控制环节一般是必不可少的,因此需要测量异步电机的转速。传统的电机转速测量需要安装速度传感器,这就给系统带来了很多缺陷。针对这一问题,人们将目光投向了无速度传感器矢量控制理论。其主要思想是不再安装速度传感器,利用容易检测到的电机电压、电流等参数,结合电机的数学模型推测出转子转速。异步电机的无速度传感器矢量控制系统不仅是现代交流传动控制的一个重要研究方向,也是研究的热点问题。其核心问题是转子磁通观测和转速估计。

本文对无速度传感器矢量控制系统进行了研究,首先阐述异步电机矢量控制的基本原理,包括坐标变换、不同坐标系上的异步电机模型、按转子磁场定向的矢量控制原理以及SVPWM控制技术。然后分析了磁通观测和转速估计两个主要环节,并在此基础上建立基于动态转速估计的无速度传感器矢量控制系统。最后利用Matlab/simulink软件搭建仿真模型,对该系统进行仿真并对仿真结果进行分析,实验结果表明基于动态转速估计的无速度传感器矢量控制系统具有一定的实用性。

本文转速估计环节使用的是动态转速估计法,其出发点是利用定子电压和电流信号推导出电机转速,是最简单且直观性最强的一种方案。虽然受电机参数变化的影响比较敏感,但实现起来较容易。通过这种方法的研究,为进一步研究更加准确的转速估计方法奠定了基础。

关键词:矢量控制;无速度传感器;动态转速估计;SVPWM

ABSTRACT

Good performance in AC motor control system is difficult to achieve. As an advanced control strategy, vector control realizes the decoupling control of induction motor with advanced, innovative and practical features.In the high-performance induction motor vector control system, closed-loop speed control is essential part of the general. For this reason, speed must be measured. The traditional motor speed measurement need install the speed sensor, which brought a lot of shortcomings to the system.To solve this problem, people turn their attention to speed sensorless vector control theory. It uses some easily measured parameters such as stator voltage and stator current to estimate speed. The core problem of speed sensorless vector control system is the rotor flux observer and speed estimation.

This thesis made a study on the speed sensorless vector control system.First of all, this thesis described the basic principles of vector control.It includes coordinate transformation, induction motor model on different coordinate system, field-oriented control and SVPWM.Then analyzes the main areas: flux observer and speed estimation. And the speed sensorless vector control system was built up. Finally, the simulation was tested with Matlab / simulink. The simulation results show that speed sensorless vector control system based on dynamic speed estimation has a utility.

The Principle of dynamic speed estimation is to use the stator voltage and current signals to calculate speed.It is the simplest and most intuitive option.Although it is sensitive to motor parameters’ change, it is easy to realize.It is the basis for further study of more accurate speed estimation method.

Keywords: Vector control; Speed sensorless; Dynamic speed estimation; SVPWM.

第一章绪论

1.1引言

直流电气传动和交流电气传动在19世纪诞生,在直流调速系统中,控制电机的方法十分简单,调节电枢电压和励磁电流大小就可以控制转速和转矩,并且利用电流转速双闭环很容易获得良好的动静态特性。而鉴于当时技术,交流调速中决定电动机转速调节的交流电源频率的改变和电动机转矩控制都是极为困难的。因此在二十世纪很长一段时间,高性能调速传动系统都采用直流电机,但随着工业生产的发展,直流电机的薄弱环节逐渐暴露出来。由于电刷和换向器的存在,直流电机工作环境、最大转速、单机容量受到极大限制,已不能满足现代调速系统发展的要求。而交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、维护方便等特点,在生产生活中得到了广泛的应用。

随着近年来电力电子工业和计算机技术的迅速发展,交流调速系统正广泛应用于工业生产的各个领域。交流调速技术已经由最初的变压变频控制发展到了高性能的矢量控制变频调速,使得交流电机调速性能达到甚至超过了直流电机的调速性能。

在高性能的异步电机矢量控制系统中,转速的闭环控制环节一般是必不可少的,因此需要测量异步电机转速。传统的电机转速测量装置多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器,并反馈转速信号。但是,由于速度传感器的安装给系统带来了以下一些缺陷:

(1)系统的成本大大增加;

(2)码盘在电机轴上的安装存在同心度的问题,安装不当将影响测速的精度;(3)使电机轴上的体积增大,而且给电机的维护带来一定困难,同时破坏了异步电机的简单坚固的特点,并使系统易受干扰,降低了系统可靠性;(4)有些场合不容许外装任何传感器。

因此为进一步减小成本、提高可靠性,越来越多的学者将目光投向了无速度传感器控制系统的研究,这一课题已成为近年来电机控制研究的热点。

概括来说,在异步电机的高性能控制中,要保证矢量控制方法有效性的一个重要条件是对电机转速的准确测量,却不希望安装速度传感器,所以无速度传感

器的矢量控制方法引起了广泛的关注。电机转子磁场定向矢量控制技术的提出使得交流调速系统的性能产生了质的飞跃,无速度传感器矢量控制系统更是提高了系统的简易性和鲁棒性,这种系统需要解决两个主要问题:转速的估计和磁通观测,即利用检测到的电机电压、电流和电机的数学模型推测出电机转子位置和转速。

无速度传感器矢量控制可以获得接近闭环控制的性能,同时省去了速度传感器,具有较低的维护成本。与传统v/hz控制比较,无速度传感器矢量控制可以获得改进的低速运行特性,变负载下的速度调节能力亦得到改善,同时还可获得高的起动转矩,这在高摩擦与惯性负载的起动中有明显的优势。所以无速度传感器控制系统的研究具有重大意义和价值。

1.2无速度传感器矢量控制的研究现状及发展趋势

在20世纪70年代以前,电机调速主要是由安装速度传感器来完成,但由于速度传感器的安装会给系统带来诸多缺陷,调速性能并不高。1972年,Siemens 的Blaschke博士正式提出矢量控制方法,将矢量控制概念正式引入高性能的异步电机调速场合中。1983年,R.Joeten首次将无速度传感器应用于矢量控制,这使得交流传动技术的发展上了一个新台阶。近30年来,各国学者一直致力于无速度传感器控制系统的研究。

对于无速度传感器矢量控制方式,目前并没有标准的解决方案。在过去的几十年里,研究人员提出了很多不同的思路和方法,主要有以下几种方案[1]:(1)动态转速估计法:主要包括转子磁通估计和转子反电势估计。这种方法以电机模型为基础,算法简单、直观性强。但是,由于缺少无误差校正环节,其抗干扰能力较差,对电机的参数变化敏感。在实际应用中,常加上参数辨识和误差校正环节来提高系统的抗参数变化和抗干扰的鲁棒性,以获得良好的控制性能。

(2)PI自适应控制器法:主要是利用某些量的误差项,通过PI自适应控制器来获得转速信息。主要有两种方法:一种是采用转矩电流的误差项;另一种是利用转子q轴磁通的误差项。这种方法利用了自适应思想,算法结构简单,效果也比较好。

(3)模型参考自适应法(MRAS):这种方法将不含转速的方程作为参考模型,将含有转速的方程作为可调模型,这两个模型具有相同物理意义的输出量,利用两个模型输出量的误差构成合适的自适应律实时调节可调模型的参数(即转速),以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据模型输出量的不同,可分为转子磁通估计法、反电势估计法和无功功率法。MRAS是基于稳定性设计的参数辨识方法,保证了参数估计的渐进收敛性。但是,由于MRAS的速度观测是以参考模型准确为基础的,参考模型本身的参数准确程度就直接影响到速度辨识和控制系统的成效。

(4)扩展卡尔曼滤波器法:这种方法将电机的转速看作是一个状态变量,考虑电机的五阶非线性模型,采用扩展卡尔曼滤波器在每一个估计点将模型线性化来估计转速。这种方法可有效地抑制噪声,提高转速估计的精度。但是,估计精度受到电机参数变化的影响,而且卡尔曼滤波器法的计算量很大。

(5)神经网络法:这种方法利用神经网络代替电流模型转子磁链观测器,用误差反向传播算法的自适应律进行转速估计,网络的权值为电机的参数。神经网络法在理论的研究还不成熟,其硬件的实现有一定难度,因此这一方法还处在起步阶段。

除了以上方法外,还有转子齿谐波法和高频率注入法等。

虽然异步电机无速度传感器矢量控制方案很多,但是仍然有许多问题需要解决,如系统的精度、系统复杂性和可靠性之间的矛盾、低速性能的提高等等。目前,无速度传感器矢量控制技术需要进一步解决的问题包括如下几点[2]:

(1)在极低速(或低频率)下如何实现系统的稳定运行,获得较快速的动态响应。

(2)在电机运行时,需要提出更先进的辨识算法,用来进行定转子电阻的在线参数辨识。

(3)如何获得精确的电压电流信号。

(4)电机的非线性补偿问题,若希望将转矩误差控制在3%以内,需要对磁通进行修正,即要补偿励磁电抗引起的饱和以及定子损耗的变化。

(5)需要扩大调速范围。

随着现代控制理论、微处理器、DSP器件以及电力电子开关器件的迅速发展,

这些问题将逐步得到解决,这将使无速度传感器矢量控制技术拥有更加广阔的前景。我们可以想象今后无速度传感器控制研究发展的方向应为:提高转速估计精度的同时改进系统的控制性能,增强系统的抗干扰、抗参数变化的鲁棒性,降低系统的复杂性,使得系统结构简单可靠。

1.3课题的意义和论文的主要内容

1.3.1课题的意义

无速度传感器矢量控制系统能减少成本、提高系统的可靠性,因此这一课题贴近实际应用,它已成为近年来国内外学者研究的热点。对于无速度传感器矢量控制系统的研究,国外早已起步并实现产品化,例如日立、东芝、三菱、西门子、ABB等公司都推出了自己的产品。在市场竞争中产品不断更新换代,其性能也更加全面。我国在交流传动产品的开发上起步较晚,有关高校、研究所及工厂单位都做了不少工作,并具有了一定的理论基础,但在产业化的能力上与国外相比差距较大,尤其是在高性能的交流传动领域更是如此。据有关部门统计,国内约有70%的电气传动产品大体相当于国外70年代水平,另外的30%也只能达到国外80年代中后期的水平[3]。

我国工业目前对变频器的年需求量相当大,性能优异的无速度传感器变频调速系统更加受青睐。但是80%-90%的市场被国外产品占领,国内产品鲜有竞争力。因此开发高性能的交流传动技术并尽快将其产品化,是振兴我国名族变频器工业的新举措,对我国国民经济的发展具有重大意义。

1.3.2论文的主要内容

本课题首先研究了矢量控制的原理,包括异步电机在不同坐标系上的数学模型、按转子磁场定向矢量控制的基本原理以及SVPWM技术的基本原理。然后基于动态转速估计法对无速度传感器矢量控制技术进行了研究,提出磁通观测和转速估计的方法,选择其中适用于本课题的方法构建无速度传感器矢量控制系统。最后通过MATLAB中的simulink建模仿真,给出详细的仿真结果。全文主要内容安排如下:

第一章介绍无速度传感器矢量控制技术的背景、发展现状和发展趋势,对无速度传感器控制技术进行分类,并简单介绍各种方案的原理和优缺点。然后对本

课题研究意义和论文的主要内容进行介绍。

第二章论述交流异步电机矢量控制理论,主要内容包括三相异步电机的数学模型、坐标变换、转子磁场定向的矢量控制技术以及SVPWM技术的基本原理和控制方法。

第三章分析无速度传感器矢量控制技术两个主要环节:磁通观测环节和转速估计环节,选择其中合适的方案构建出无速度传感器矢量控制系统的整体结构。

第四章基于前几章的理论知识,利用Matlab/simulink构建各模块,然后搭建出无速度传感器矢量控制系统仿真模型。在不同转速和转矩下对系统进行仿真,分析仿真结果,验证本文提出的无速度传感器矢量控制技术具有一定的实用价值。

第五章对所做的工作进行总结与并对需要进一步研究的工作进行展望。

第二章 交流异步电机矢量控制理论

2.1矢量控制概述

直流电机具有优良的调速性能,其根本原因是因为我们可以通过励磁电流和电枢电流两个独立的控制量分别控制电机的气隙磁通和电磁转矩。但是对于交流电机来说,情况却要复杂得多。因为交流异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的系统,其转矩公式如式(2-1)所示,其中转子电流I r 和气隙磁通ψm 不是独立的变量,转矩的这种复杂关系成为交流异步电机难以控制的根本原因。一般的交流异步电机控制方式不能使异步电机得到直流电机一样的解耦控制及良好的动、静态性能[4]。

cos e m m r T C I ψθ=

(2-1)

由以上的分析可以看出,如果要使交流异步电机的控制具有良好的动、静态性能,就需要使异步电机解耦,用控制直流电机的方法来对交流异步电机进行控制。这种思想正是矢量控制的基本思路。

矢量控制的基本思想是:按照旋转磁场等效原则,通过坐标变换(矢量变换)将定子电流矢量在同步坐标系下分解为励磁分量和转矩分量,对它们分别进行控制即可得到与直流电机相同的控制特性。因此,坐标变换是矢量控制的基础,通过坐标变换,建立异步电机按转子磁场定向旋转坐标系下的数学模型,从而导出矢量控制所需的控制方程式。

2.2异步电机原始数学模型

要对异步电机进行控制必须先理解异步电机的数学模型。异步电机本质上是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,为分析方便,在研究异步电机数学模型时常作如下假设[5]:

(1)忽略空间谐波,设三相绕组对称,在空间中互差120°电角度,所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布;

(2)忽略磁路饱和,各绕组的自感和互感都是恒定的; (3)忽略铁芯损耗;

(4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。

(5)无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的,都可以等效成三相绕线转子,并折算到定子侧,折算后的定子和转子绕组匝数都相等。

三相异步电动机模型如图2.1所示,定子三相绕组轴线A 、B 、C 在空间是固定的,故定义为三相静止坐标系。转子绕组轴线a 、b 、c 随转子旋转,以A 轴为参考坐标轴,转子a 轴和定子A 轴间的电角度θ为空间角位移变量。规定各

绕组电压、电流、磁链的正方向符合电动机惯例和右手螺旋定则。

图2.1 三相异步电动机的物理模型

异步电机的动态数学模型也即在三相静止ABC 坐标系下的方程,由电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。

(1)电压方程

三相定子、转子绕组的电压平衡方程为:

d dt

=+

Ψu Ri (2-2)

写成矩阵形式为:

0000

0000000000000000000000

0A s A A

B s B B

C s C

C

a r a

a b r b b c r c c

u R i u R i u R i d u R i dt u R i u R i ψψψψψψ=+???????? ? ??? ? ? ??? ? ? ??? ? ?

??? ? ? ??? ? ? ??? ? ? ??? ????

????? (2-3) 式中,u A ,u B ,u C ,u a ,u b ,u c 表示定子和转子相电压的瞬时值;i A ,i B ,i C ,i a ,i b ,i c 表示

定子和转子相电流的瞬时值;ψA ,ψB ,ψC ,ψa ,ψb ,ψc 表示各相绕组的全磁链;R s ,R r 表示定子和转子绕组电阻。上述各量都已折算到定子侧,为简单起见,表示折算的上角标“’”均省略,以下均如此。

(2)磁链方程

由于各相的对称性,定子各相漏感L ls 和转子各相漏感L lr 的值均相等。折算后定、转子各绕组间互感磁通L ms 、L mr 也可认为相同。因此定、转子各相自感为:

AA BB CC ms ls

aa bb cc ms lr

L L L L L L L L L L ===+===+

(2-4)

定子三相彼此之间和转子三相彼此之间的位置固定,因此互感为常值。而定子任一相与转子任一相的位置是变化的,互感是角位移θ的函数。所以电机磁链没有饱和,那么定转子各个绕组的磁通链可表示为:

=ΨLi

(2-5)

其中:

ss sr rs rr L L L L ??= ???

L

(2-6)

111122

2

2

1

111

,22

22

111

12

22

2ms ls ms

ms ms lr

ms ms ss ms

ms ls ms rr ms

ms lr ms ms ms

ms ls ms

ms

ms lr L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L L +--+-

-

=-+-=-+---+--+?

?

?

?

? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

????

L L

(2-7)

°°°°ms °°cos cos 120cos 120L cos 120cos cos 120cos 120cos 120cos T

rs sr

θθθθθθθθθ-+==+--+?? ? ? ???

L L ()()()()()()

(2-8)

把磁链方程代入电压方程,得到展开后的电压方程:

()d d d dt dt

dt

d d dt

d ωθ

=+=++

=++i L u Ri Li Ri L i

i L Ri L

i

(2-9)

式中,d dt

i L

是由于电流变化引起的脉变电动势(或称变压器电动势),

d d ωθ

L

i 是

由于定、转子相对位置变化产生的与转速ω成正比的旋转电动势。

(3)转矩方程

根据机电能量转换原理,可求出电磁转矩T e 的表达式为:

[()sin ()sin(120)()sin(120)]

o e p ms A a B b C c A b B c C a o

A c

B a

C b T n L i i i i i i i i i i i i i i i i i i θθθ=-+++++++++-(2-10)

上式公式是在磁路为线性、磁场空间按正弦分布的假定条件下得出的,但定、转子电流的波形可以是任意的,式中的电流都是瞬时值。 (4)运动方程

运动控制系统的运动方程式为:

e L p J d T T n dt

ω=- (2-11)

式中,J 表示机组的转动惯量,T L 表示包括摩擦阻转矩和弹性扭矩的负载转矩。 由以上方程式可知,异步电机的强耦合性主要表现在磁链方程和转矩方程中,既有三相绕组间的耦合,又有定、转子绕组间的耦合,还存在转矩方程中磁场与定、转子电流之间的相互影响,其根源在于它有一个很复杂的电感矩阵。

2.3坐标变换

异步电动机在三相坐标系下的动态数学模型相当复杂,具有高阶、非线性、强耦合的特性,用传统的方法分析和求解这组非线性方程比较困难。异步电动机在三相坐标系下的动态数学模型之所以复杂,是由于影响磁链和受磁链影响的因素较多。因此要简化数学模型,必须从简化磁链关系入手,通过坐标变换可以实现这种简化。坐标变换主要分为两种,一种是静止三相坐标系和静止两相坐标系之间的变换,另一种是两相静止坐标系和两相旋转坐标系之间的变换。下面的内容将对这两种变换进行介绍。

2.3.1三相-两相变换(3/2变换)

在三相对称绕组中,通以三相平衡电流,所产生的合成磁动势是呈正弦分布并以同步转速旋转的。除了单相,任意对称多相绕组均可产生旋转磁动势,其中以两相最为简单。此外三相变量中只有两相是独立的,完全可以消去一相。所以

三相绕组可以用相互独立的对称两相绕组等效替代。

三相-两相变换是为了实现三相ABC坐标系与两相α-β坐标系之间的变换,简称3/2变换。其变换的原则是产生的磁动势相等。其变换过程对应坐标系变换如图2.2所示。

图2.2 三相坐标系和两相坐标系间的变换

图2.3 三相坐标系和两相坐标系中的磁动势矢量关系ABC和α-β两个坐标系中的磁动势矢量的关系如图2.3所示,设三相绕组每相有效匝数为N3,两相绕组每相有效匝数为N2,各相磁动势为有效匝数与电流乘积。按照磁动势相等的等效原则得到如下等式:

3

3

233323311

cos 60cos 60()

22

3sin 60sin 60()

2

o o

A B C A B C o o

B C B C N i N i N i N i N i i i N i N i N i N i i αβ=--=--=-=

- (2-12)

写成矩阵形式,得

3

2

1112

23302

2A B C i i N i i N i αβ-

-

=-?

?

?? ??? ?

? ? ? ???

? ????? (2-13)

考虑变换前后功率不变,匝数比应为:3

2

23

N

N =

(2-14)

因此,3/2变换的变换矩阵为:

3/22113

661102

2C -

-

=-?? ?

?

? ??

?

(2-15)

2/3变换的变换矩阵可由3/2变换的变换矩阵得出:

2/32031162116

2C =-

--

??

?

? ?

? ? ? ? ??

?

(2-16) 可以证明,上述变换同样适用于电压变换和磁链变换。

2.3.2两相静止-两相旋转变换(2s/2r 变换)

两相静止绕组αβ,通以两相平衡交流电流,产生旋转磁动势。如果令两相绕组旋转起来,且旋转角速度等于合成磁动势的旋转角速度,则两相绕组通以直流电流就可以产生空间旋转磁动势。图2.4绘出了两相旋转绕组d 和q ,从两相静止坐标系αβ到两相旋转坐标系dq 的变换,称为两相静止-两相旋转变换,简称2R/2S 变换。

图2.4

静止两相坐标系到旋转两相坐标系变换

图2.5 两相静止和旋转坐标系中的磁动势

αβ坐标系和dq 坐标系的磁动势矢量如图2.5所示,绕组每相有效匝数均为N 2,两相交流电流i α、i β和两个直流电流i d 、i q 产生同样以角速度ω1旋转的合成磁动势F s 。

由图2.5可得到以下等式:

cos sin sin cos d q i i i i i i αβαβ????

=+=-+ (2-17)

写成矩阵形式,得:

cos sin sin cos d q i i i i αβ????=-?????? ? ?????????

(2-18)

因此,两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵为:

2/2cos sin sin cos s r C ????=-??

?

??

(2-19)

同样可得两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换矩阵为:

2/2cos sin sin cos r s C ????-=??

?

??

(2-20)

电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同。

2.4异步电机在不同坐标系下的数学模型

异步电机原始数学模型相当复杂,通过坐标变换可以简化数学模型,建立在

不同坐标系下异步电机的数学模型,便于分析计算。下面给出了通过坐标变换,得到的异步电机在静止两相坐标系和旋转坐标系下的数学模型。

2.4.1异步电机在静止两相坐标系下的数学模型

第二节介绍了异步电机的动态数学模型,为了进行矢量分析,下面通过坐标变换把它转化成两相静止坐标系下的模型。

异步电动机定子绕组是静止的,只需要进行3/2变换。而转子绕组是旋转的,因此需要通过3/2变换和2R/2S 变换,才能变换到静止两相坐标系上。

(1)3/2变换

对定子和转子三相绕组进行3/2变换。变换后定子αβ坐标是静止的,而转子α’β’坐标是以角速度ω逆时针旋转的。数学模型如下:

电压方程为:

''''''00

0000000000

s s s s s s s s r r r r r r r r u R i u R i d u R i dt u R i αααβββαααβββψψψψ=+??????

??

? ??? ? ?

??? ? ? ??? ? ?

??? ?????????

(2-21)

磁链方程为:

''''0cos sin 0sin cos cos sin 0sin cos 0

s s

m m s s s m m s r m m r r r m m r

r L L L i L L L i L L L i L L L i ααββααββψθθψθθψθθψθ

θ

-=-?????? ? ???

? ??? ? ??? ? ?????????

(2-22) 转矩方程为:

''''[()sin ()cos ]e p m s r s r s r s r T n L i i i i i i i i ααββαββαθθ=-++- (2-23)

式中,3

2

m ms L L =

表示定子与转子同轴等效绕组间的互感;

3

2

s ms ls m ls L L L L L =+=+表示定子等效两相绕组的自感; 3

2

r ms lr m lr L L L L L =

+=+表示转子等效两相绕组的自感。 (2)转子旋转坐标变换及静止αβ坐标系中的数学模型

对转子坐标系α’β’作2R/2S 旋转变换,即将α’β’坐标系顺时针旋转θ角,使其与αβ坐标系重合,且保持静止。 变换后的电压方程为:

00000000000000

s s s s s s s s r r r r r r r r r r r r u R i u R i d u R i dt u R i αααβββαααββββαψψψωψψωψ=++-??????

????

? ??? ? ? ?

??? ? ? ? ??? ? ? ?

??? ? ???????????

(2-24) 磁链方程为:

00000000s s m s s s m s r m r r r m r r L L i L L i L L i L L i ααββααββψψψψ=??????

? ??? ? ??? ? ??? ? ?????????

(2-25)

转矩方程为:

()e p m s r s r T n L i i i i βααβ=-

(2-26)

2.4.2异步电机在旋转坐标系下的数学模型

(1)任意旋转坐标下的数学模型

将定子坐标系和转子坐标系同时进行旋转变换,将它们变换到同一坐标系dq 上,dq 相对于定子的旋转角速度为ω1。

定子旋转变换矩阵为:

2/2cos sin ()sin cos s r C ?????=-??

?

??

(2-27) 转子旋转变换矩阵为:

2/2cos()sin()()sin()cos()r r C ?θ?θ?θ?θ?θ---=---??

?

??

(2-28) 变换后,可得到异步电机数学模型如下:

电压方程为:

1111000000000()0

00

()sd s sd sd sq sq s sq sq sd

rd r rd rd rq rq r rq rq rd u R i u R i d u R i dt u R i ψωψψωψψωωψψωωψ-?????????? ? ??? ? ? ? ??? ? ?=++

? ??? ? ?-- ? ??? ? ?-??????????

(2-29) 磁链方程为:

00000000sd s m sd sq s m sq rd m r rd rq m r rq L L i L L i L L i L L i ψψψψ=?????? ? ??? ? ??? ? ??? ? ?????????

(2-30) 转矩方程为:

()e p m sq rd sd rq T n L i i i i =-

(2-31)

(2)按转子磁场定向同步旋转坐标系下的数学模型

令dq 坐标系与转子磁链矢量同步旋转,且使得d 轴与转子磁链矢量重合,这样就得到了按转子磁链定向的同步旋转坐标系。

对任意旋转坐标系下的数学模型令ω1=0,便可得到同步旋转坐标系下的数学模型。

电压方程为:

00

000000000000sd s sd sd sq s sq sq rd r rd rd rq rq r rq rq rd u R i u R i d u R i dt u R i ψψψωψψωψ?????????? ?

??? ? ? ? ??? ? ?

=++

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??? ? ?-??????????

(2-32) 磁链方程和转矩方程保持不变,与任意旋转坐标系下相同。

2.5转子磁场定向矢量控制的原理

转子磁场定向矢量控制是通过矢量坐标变换将交流电机等效为直流电机,实

基于光电传感器的直流电机转速测量系统设计-课设报告

北京信息科技大学 测控综合实践 课程设计报告 题目:基于光电传感器的直流电机转速测量系统设计学院:仪器科学与光电工程学院 专业:测控技术与仪器 学生姓名:

摘要 摘要 基于单片机的转速测量方法较多,本次设计主要针对于光电传感器测量直流电机转速的原理进行简单介绍,并说明它是如何对电机转速进行测量的。通过实验得到结果并进行了数据分析。 本次设计应用了STC89C52RC单片机,采用光电传感器测量电机转速的方法,其中硬件系统包括脉冲信号的产生模块、脉冲信号的处理模块和转速的显示模块三个模块,采用C语言编程,结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。 关键词:直流电机;单片机;PWM调节;光电传感器

Abstract

目录 摘要................................................................................................I 第一章概述 (1) 1.1 课设目标 (1) 1.2 内容 (1) 第二章系统设计原理 (2) 2.1 STC89C52单片机介绍 (2) 2.2 STC89C52定时计数器 (4) 2.3 STC89C52中断控制 (6) 2.4 光电传感器 (6) 2.5 数码管介绍 (7) 第三章硬件系统设计 (10) 3.1测速信号采集及其处理 (10) 3.2 单片机处理电路设计 (11) 3.3 显示电路 (12) 3.4 PWM驱动电路 (13) 第四章软件设计 (14) 4.1语言选用 (14) 4.2程序设计流程图 (14) 4.3原程序代码 (15) 第五章数据分析 (19) 总结 (20) 附件 (21) 参考文献 (23)

实验十九 开关式霍尔传感器测转速实验

实验十九开关式霍尔传感器测转速实验 一、实验目的:了解开关式霍尔传感器测转速的应用。 二、基本原理:开关式霍尔传感器是线性霍尔元件的输出信号经放大器放大,再经施密特电路整形成矩形波(开关信号)输出的传感器。开关式霍尔传感器测转速的原理框图19—1所示。当被测圆盘上装上6只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化6次,开关式霍尔传感器就同频率f相应变化输出,再经转速表显示转速n。 图19—1开关式霍尔传感器测转速原理框图 三、需用器件与单元:主机箱中的转速调节0~24V直流稳压电源、+5V直流稳压电源、电压表、频率\转速表;霍尔转速传感器、转动源。 四、实验步骤: 1、根据图19—2将霍尔转速传感器安装于霍尔架上,传感器的端面对准转盘上的磁钢并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为2~3mm。 2、将主机箱中的转速调节电源0~24V旋钮调到最小(逆时针方向转到底)后接入电压表(电压表量程切换开关打到20V档);其它接线按图19—2所示连接(注意霍尔转速传感器的三根引线的序号);将频频\转速表的开关按到转速档。 3、检查接线无误后合上主机箱电源开关,在小于12V范围内(电压表监测)调节主机箱的转速调节电源(调节电压改变直流电机电枢电压),观察电机转动及转速表的显示情况。

图19—2 霍尔转速传感器实验安装、接线示意图 4、从2V开始记录每增加1V相应电机转速的数据(待电机转速比较稳定后读取数据);画出电机的V-n(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线。实验完毕,关闭电源。 n(转/ 406286108132157179203225250分) V(mv)2003004635006017037999019991104 电机的V-n(电机电枢电压与电机转速的关系)特性曲线 五、思考题: 利用开关式霍尔传感器测转速时被测对象要满足什么条件? 被测物能够阻挡或透过或反射霍尔信号,般都是一个发射头一个接收头若发射接收安装在同侧,则被测物必须能反射该信号,发射接收安装在对侧,则被测物必须能阻挡透过该信

M440无传感器矢量控制模式

无速度传感器矢量控制(SLVC)基于对转子位置的反复计算,任何原因引起的转子位置信息丢失(定向丢失)将导致不可预知的结果。不正确的电机调试、电源故障引起的温度信息丢失,以及类似的干扰均有可能导致定向丢失。 无速度传感器矢量控制需要精心的调试和设置,这应该由具有MM4 / G120 SLVC 操作经验的调试工程师进行。 重要提示: SLVC 不应用于下列情形: 1. 电机-变频器功率比值小于 1:4 2. 最大输出频率大于 200Hz 3. 多机传动 4. 变频器与电机间接有接触器,变频器运行时,绝对不允许打开接触器 5. 提升机 当变频器定向信息丢失,OFF1 或 OFF3 将不再能够使电机停车,这就是在调试变频器时,必须连接OFF2或脉冲禁止功能的原因(可参考 ID: 7497349 How can the MM440 be shut down in the event of loss o f Vector action?). 推荐的调试方法 正确地输入电机参数以及完成电机识别对于SLVC的正确工作极其重要,执行的顺序也很重要,因为快速调试生成初始电机模型,而电机识别则对这一模型进行改进。

实现过程如下: 1. 快速调试与初始电机模型 P0003 = 2 (访问级别 2) P0010 = 1 (快速调试) P0300 及接下来的电机参数根据电机铭牌进行设置。 P0700, P1000, P1080/P1082, P1120/P1121 选择命令源,选择设定值源,Fmin/Fmax, 斜坡时间等等。 P1300 = 20 无速度传感器矢量控制 P1910 = 1 (A0541 将随之出现> 参见2. 使用P1910进行电机识别) P3900 = 1 计算电机参数时,“busy”将出现在 BOP面板上,持续时间约为1分钟,在特大型变频器上将持续更久。在此之后,A0541将在BOP面板上闪烁。 至此已完成快速调试并生成初始电机模型。 2. 使用P1910进行电机识别 必须完成2项自动测量。 注意:测量必须在冷机状态下进行。还需确保在P0625中已正确输入实际环境温度(工厂设定为20°C),输入环境温度必须在完成快速调试(P3900)之后,执行电机识别之前进行。 P1910 = 1,给一个运行命令:启动电机参数测量。

自动化传感器实验报告十三 光电转速传感器测速实验

广东技术师范学院实验报告 学院:自动化专业:自动化班级: 08自动化 成绩: 姓名:学号: 组 别: 组员: 实验地点:实验日期:指导教师签名: 实验十二项目名称:光电转速传感器测速实验 一、实验目的 了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。 二、基本原理 光电式转速转速传感器有反射型和透射型两种,本实验装置是透射型的,传感器端部有发光管和光电管,发光管发出的光源通过转盘上开的孔透射后由光电二极管接受转换成电 信号,由于转盘上有相间的6个孔,转动时将获得与转速及孔数有关的脉冲,将电脉冲计数 处理即可得到转速值。 三、需用器件与单元 光电转速传感器、直流电源5V、转动源及2~24V直流电源、智能转速表。 四、实验步骤 1.光电转速传感器已经安装在传感器实验箱(二)上。 2.将+5V直流源加于光电转速传感器的电源端。 3.将光电转速传感器的输出接到面板上的智能转速表。 4.将面板上的0~30V稳压电源调节到5 V,接入传感器实验箱(二)上的转动电源处。 5.调节转动源的输入电压,使转盘的速度发生变化,观察转速表上转速的变化。 电压(V) 5 6 7 8 9 10 11 12 频率 (HZ) 45 60 78 95 113 130 150 169 6.调节转动源的输入电压,使转盘的转速发生变化,把界面切换到示波器状态,观察传感器输出波形的变化。 电压越大,波形越窄。 五、注意事项 1.转动源的正负输入端不能接反,否则可能击穿电机里面的晶体管。 2.转动源的输入电压不可超过24V,否则容易烧毁电机。 3.转动源的输入电压不可低于2V,否则由于电机转矩不够大,不能带动转盘,长时间

传感器测电机转速实验2.

传感器测电机转速实验实验报告 朱张甫 冶金 1309 20132151 实验五传感器测电机转速实验 一、实验目的 了解磁电式传感器、霍尔传感器测量转速的原理及方法。 二、基本原理 磁电式传感器:基于电磁感应原理, N 匝线圈所在磁场的磁通变化时, 线圈中感应电势: 发生变化,因此当转盘上嵌入 n 个磁钢时,每转一周线圈感应电势产生 n 次 的变化,通过放大、整形和计数等电路即可以测量转速。 霍尔传感器:利用霍尔效应表达式:U H =K H IB ,当被测圆盘上装上 N 只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化 N 次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化, 输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 三、需用器件与单元 主机箱、磁电式传感器、霍尔传感器、转动源。

四、实验步骤 磁电式传感器测电机转速实验 1、根据图 5-1将磁电式转速传感器安装于磁电式架上,传感器探头中心与转盘磁钢对 准并调节升降杆使传感器端面与磁钢之间的间隙大约为 2~3mm。 图 5-1 磁电转速传感器实验安装、接线示意图 2、首先在接线以前, 合上主机箱电源开关, 将主机箱中的转速调节电源 0~24V 旋钮调到最小 (逆时针方向转到底后接入电压表 (显示选择打到 20V 档监测大约为 0V 左右;然后关闭主机箱电源,将磁电式转速传感器、转动电源按图 5-1 所示分别接到频率/转速表 (转速档的 Fin (1号 2号线可任意接到频率/转速表的 Fin 上和主机箱的相应电源上。 3、合上主机箱电源开关,在小于 12V 范围内 (电压表监测调节主机箱的转速调节电源 (调节电压改变电机电枢电压 ,观察电机转动及转速表的显示情况。 4、从 2V 开始记录每增加 1V 相应电机转速的数据 (待电机转速比较稳定后读取数据 ;

BLDC无位置传感器控制技术

BLDC无位置传感器控制技术 2014.11.12 duguqiubai1234@https://www.doczj.com/doc/889996125.html, BLDC电机是一种结合了直流电机和交流电机优点的改进型电机。其转子采用永磁材料励磁,体积小、重量轻、结构简单、维护方便。BLDC电机又具有控制简便、高效节能等一系列优点,已广泛应用于仪表和家用电器等领域。 本文主要讨论高压BLDC风机无位置传感器起动和运行技术。 一、无位置传感器技术简介 BLDC电机最简单的控制方法是安装三个位置传感器,使用六步换相法控制。但传感器器会增大电机的体积和成本,另外传感器的位置精度影响电机的运行;特别对于极对数较多的电机,传感器偏差少许机械角度也可能引起电角度偏差很多。在某些恶劣环境下,如高温、潮湿、腐蚀性气体等环境,传感器易损坏,因而无法使用。 使用无位置传感器方式则可以克服上述缺点。 无传感器BLDC在性能上也存在一些不足: (1)难以实现重负载(例如额定转矩)起动。好在风机属于轻负载起动的情况。 (2)难以快速起动。例如很难实现1秒内从静止加速到全速。好在风机通常不要求很短时间内完成加速。 (3)无法实现全速范围内任意调速。有传感器BLDC能够实现0%~100%额定转速范围内的调速,而无传感器BLDC通常只能实现10%~100%额定转速范围内的调速。好在风机通常不要求10%额定转速以下运行。 经过以上分析,可以看出风机非常适合使用无位置传感器方式控制。 国内高压无位置传感器BLDC技术仍处于不成熟阶段。使用该技术的产品应以稳定可靠为主要要求,而不是以性能优越为主要要求。高压无传感器BLDC如果追求性能优越,则成本太高,技术难度过大。 风机类产品通常起动后连续工作时间较长,所以通常不要求快速起动,不也要求反复起停。

8bit单片机FOC矢量控制PMSM电机无传感器

说明:下面程序取自IFX 8位机无传感器PMSM电机矢量控制程序。整个程序是连续的矢量控制计算函数,其中有图片说明打断,便于更好的理解。其中包括坐标系变换,磁链角估算,PI速度环电流环调节。(单片机XC886,Keil编译器Cavin整理) 坐标系变换说明:双电阻采样得到两相电流(ia, ib),由abc120°静止坐标系Clarke变换到直角坐标系(iα, iβ),由(iα, iβ)静止直角坐标系Park变换到直角旋转坐标系(iq, id)。直流id不变,通过PI速度环电流环得到期望直流iq,进行限幅控制。由旋转坐标系(vq, vd)经过Park逆变换到静止坐标系(vα, vβ),然后再经过矢量调制成PWM控制电机。无传感器角度估算:由Clarke变换得到(iα, iβ)和由Park逆变换得到的(vα, vβ),经过低通滤波器PT1,再由直角坐标系变极坐标系得到磁链估算角 无传感器开环启动策略:在定子中加入幅值及频率都受控的电流,若PLL收敛,切换到FOC闭环控制。 软件流程图:

void FOC_Calculation (void) using 1 { #pragma asm ;************************************** ;* FOC_Calculation ;************************************** ;* ;* this function contains all calculations ;* necessary for the field oriented control. ;* ;* register bank 1 is used ;* ;************************************** ;* push registers ;************************************** push ACC push b push dph push dpl push PSW push SYSCON0 ; use register bank 0x01 mov PSW,#0x08 ;;anl SYSCON0,#0xFE ; use standard SFRs mov CCU6_PAGE,#0xA0 ; select CCU6-page 0 SST2 ;**************************************

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50 =、定子电阻s R=0.252Ω、 f Hz 额定功率P=2.2KW、定子自感 L=0.0016H、转子电阻r R=0.332Ω、额定转速 s n=1420rpm、转子自感r L=0.0016H、级对数p n=2、互感m L=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

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

传感器测速实验报告(第一组)

传感器测速实验报告 院系: 班级: 、 小组: 组员: 日期:2013年4月20日

实验二十霍尔转速传感器测速实验 一、实验目的 了解霍尔转速传感器的应用。 二、基本原理 利用霍尔效应表达式:U H=K H IB,当被测圆盘上装有N只磁性体时,圆盘每转一周磁场就变化N次。每转一周霍尔电势就同频率相应变化,输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 本实验采用3144E开关型霍尔传感器,当转盘上的磁钢转到传感器正下方时,传感器输出低电平,反之输出高电平 三、需用器件与单元 霍尔转速传感器、直流电源+5V,转动源2~24V、转动源电源、转速测量部分。 四、实验步骤 1、根据下图所示,将霍尔转速传感器装于转动源的传感器调节支架上,调节探头对准转盘内的磁钢。 图9-1 霍尔转速传感器安装示意图 2、将+15V直流电源加于霍尔转速器的电源输入端,红(+)、黑( ),不能接错。 3、将霍尔传感器的输出端插入数显单元F,用来测它的转速。 4、将转速调解中的转速电源引到转动源的电源插孔。 5、将数显表上的转速/频率表波段开关拨到转速档,此时数显表指示电机的转速。 6、调节电压使转速变化,观察数显表转速显示的变化,并记录此刻的转速值。

五、实验结果分析与处理 1、记录频率计输出频率数值如下表所示: 电压(V) 4 5 8 10 15 20 转速(转/分)0 544 930 1245 1810 2264 由以上数据可得:电压的值越大,电机的转速就越快。 六、思考题 1、利用霍尔元件测转速,在测量上是否有所限制? 答:有,测量速度不能过慢,因为磁感应强度发生变化的周期过长,大于读取脉冲信号的电路的工作周期,就会导致计数错误。 2、本实验装置上用了十二只磁钢,能否只用一只磁钢? 答:如果霍尔是单极的,可以只用一只磁钢,但可靠性和精度会差一些;如果霍尔 是双极的,那么必须要有一组分别为n/s极的磁钢去开启关断它,那么至少要两只磁钢。

永磁同步电机无传感器控制技术

哈尔滨工业大学,电气工程系 Departme nt of Electrical Engin eeri ng Harbin In stitute of Tech no logy 电力电子与电力传动专题课 报告 报告题目:永磁同步电机无传感器控制技术 哈尔滨工业大学 电气工程系 姓名:沈召源___________ 学号:14S006040 2016年1月

目录 1.1研究背景 (1) 1.2国内外研究现状 (1) 1.3系统模型 (3) 1.4控制方法设计 ....................................................... 5 ........ 1.5系统仿真 ........................................................... 9 ............... 参考文献 1.6结论 ............................................................. 1.0 ...... 1.1

1.1研究背景 永磁同步电机具有体积小、惯量小、重量轻等优点,在各领域的应用越来越广泛。目前在永磁同步电机的各种控制算法中,使用最多的是矢量控制和直 接转矩控制,而这两种控制方式都需要转子位置,但转子位置传感器的采用限制了系统使用范围。永磁同步电机控制系统大多采用测速发电机或光电码盘等传感器检测速度和位置的反馈量,这不但提高了驱动装置的造价,而且增加了电机与控制系统之间的连接线路和接口电路,使系统易于受环境干扰、可靠性降低。由于永磁同步电机无传感器控制系统具有控制精度高、安装、维护方便、可靠性强等一系列优点,成为近年来研究的一个热点。 1.2国内外研究现状 无传感器永磁同步电机是在电机转子和机座不安装电磁或光电传感器的情 况下,利用电机绕组中的有关电信号,通过直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段,从定子边较易测量的量如定子电压、定子电流中提取出与速度、位置有关的量,利用这些检测到的量和电机的数学模型推测出电机转子的位置和转速,取代机械传感器,实现电机闭环控制。 最早出现的无机械传感器控制方法可统称为波形检测法。由于同步电机是 一个多变量、强耦合的非线性系统,所要解决的问题是采用何种方法获取转速和转角。目前适合永磁同步电机的最主要的无速度传感器的控制策略主要有以下几种 (1)利用定子端电压和电流直接计算出B和 ①。该方法的基本思想是基于场旋 转理论,即在电机稳态运行时,定子磁链和转子磁链同步旋转,且两磁链之间的夹角相差一个功角该方法适用于凸极式和表面式永磁同步电机。该方法计算方法简单,动态响应

异步电动机无速度传感器矢量控制系统设计

肖金凤 1971年1月 生,1994年毕业于湖南大学电气与信息工程学院电机专业,学士学位,2004年毕业于湖南大学电气与信息工程学院控制工程专业,硕士学位,讲师。主要研究方向为电机智能控制、工业过程控制及综合自动化。 异步电动机无速度传感 器矢量控制系统设计 * 肖金凤1 , 黄守道2 , 李劲松 1 (1.南华大学,湖南 衡阳 421001;2.湖南大学,湖南 长沙 410082) 摘要 文章提出一种基于模糊神经网络的模型参考自适应电机转速辨识方法,将其与SVP WM 调制技术控制的变频器系统结合起来,组成了一种基于DSP 的异步电机无速度传感器矢量控制系统。具体介绍了其结构及软硬件的设计。仿真结果表明此系统动态性能好,能准确跟踪电机转速的变化。 关键词 异步电动机 无速度传感器 SVP WM 矢量控制 数字信号处理器 Fiel d Oriented Control Syste m of Speed Sensorless Based on DSP X iao Jinfeng ,Huang Shoudao ,L i Jingsong (1.N anhua Un iversity ;2.H unan Un i v ersity ) Abstract :This paper presents a ne w m et h od of i n ducti o n m otor speed identifica -ti o n .It is the co m binati o n o f f u zzy neural net w ork (FNN )w ith m odel reference adap -ti v e syste m (MRAS).W e co m bi n e this m ethod w it h the i n verter contro lled by space vector pulse w idth m odu lati o n (SVP WM )to for m a field oriented con tro l syste m o f speed senso rless based on DSP . Its struct u re and soft w are and hardw are are ana -l y zed .The S i m u lation results sho w that the contro l syste m has better dyna m ic per -f o r m ance and can accurately track the variati o n of the m otor speed . K ey w ords :I nducti o n m oto r Speed sensorless SVP WM F ield oriented con -tro l (FOC) DSP *湖南省自然科学基金资助项目(编号:02JJ Y 2089) 1 引言 异步电动机的数学模型由电压方程、磁链方 程、转矩方程和运动方程组成,是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。采用传统的控制策略对其进行控制时,动态控制效果较差。目前异步电动机控制研究工作正围绕几个方面展开:采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术;应用矢量控制技术及现代控制理论、智能控制技术;广泛应用数字控制系统及计算机技术;无速度传感器控制技术。本文以电机控制专用芯片 T M S320F240为核心,采用磁通、转速闭环的矢量控制策略,利用SVP WM 脉宽调制技术、无速度传感器及智能控制技术,设计了一电机控制系统。仿真结果表明该控制系统抗干扰能力强,动态性能好。 2 速度估计策略 模型参考自适应方法(MRAS)是应用较广的速度估计方法。本文设计的模型参考自适应速度估计系统为减少定子电阻的影响选择瞬时无功功率模型,同时为有效解决瞬时无功功率模型参考 40 异步电动机无速度传感器矢量控制系统设计《中小型电机》2005,32(2)

光电传感器转速测量系统设计讲解

专业课程设计 题目 光电传感器的转速测量设计 院系:自动化学院 专业班级: 小组成员: 指导教师: 日期:2012年10月8---2012年10月19

一.课程设计描述 采用单片机、uln2003为主要器件,设计步进电机调速系统,实现电机速度开环可调。 二.课程设计具体要求 1、通过按键选择速度; 2、转速测量显示范围为0~9999转/秒。 3、检测并显示各档速度。 三.主要元器件 实验板(中号) 1个步进电机 1个 STC89C52 1个电容(30pF、10uF)各1个 数码管(共阳、四位一体)1个晶振(12MHz) 1个 小按键 4个 ULN2003 1个 电阻若干发光二极管 1个 三极管(NPN) 4个排阻 1个 四.原理阐述 4.1系统简述 按照题给要求,我们最终设计了如下的解决方案: 用户通过键盘键入控制指令(开关),微控制器在收到指令后改变输出的PWM 波,最终在ULN2003的驱动下电机转速发生改变。通过ST151传感器测量电机扇叶的旋转情况,将转速显示在数码管上。 在程序主循环中实现按键扫描与转速显示,将定时器0作为计数器,计数ST151产生的下降沿,可算出转速,并送至数码管显示。 设计思路: (1)利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件,在电机的转轴上安装一个圆盘,在圆盘上挖1小洞,小洞上下分别对应着光发射和光接受开关,圆盘转动一圈即光电管导通1次,利用此信号做为脉冲计数所需。 (2)对光电开关信号整流放大。 (3)脉冲经过单片机内部的计数器和定时器进行计数和定时。 (4)显示电路采用单片机动态显示。

4.2转速测量原理 在此采用频率测量法,其测量原理为,在固定的测量时间内,计取转速传感器产生的脉冲个数,从而算出实际转速。设固定的测量时间为Tc(min),计数器计取的脉冲个数m,假定脉冲发生器每转输出p个脉冲,对应被测转速为N (r/min),则f=pN/60Hz;另在测量时间Tc内,计取转速传感器输出的脉冲个数m应为 m=Tcf ,所以,当测得m值时,就可算出实际转速值[1]: N=60m/pTc (r/min) (1) 4.3转速测量系统组成框图 系统由信号预处理电路、单片机STC 89C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求;波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号;通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数,这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数;设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的LED模块,通过相关计算方法计算得到的转速通过I2C总线放到E2PROM存储,既节省了所需单片机的口线和外围器件,同时也简化了显示部分的软件编程。系统的原理框图如图2.1所示。 图2.1 系统的原理框图 五.系统硬件电路的设计 系统硬件部分包含输入模块、显示模块、控制模块、测速模块等。在硬件搭建前,先通过Proteus Pro 7.5进行硬件仿真实现。 5.1脉冲产生电路设计

浅谈交流电机无速度传感器控制策略

龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/889996125.html, 浅谈交流电机无速度传感器控制策略 作者:吴宏宇吴兴宇史运涛 来源:《科技风》2016年第24期 摘要:目前,随着工业自动化的不断发展,交流电机将会被广泛使用。同时由于无速度 传感器技术具有低成本与高可靠性等优点,所以发展交流电机无速度传感器技术,对于提高科技生产力以及工业自动化具有极其重要的意义。本文将简要介绍高性能无速度传感器交流电机控制策略,一种是异步电机与速度自适应全阶观测器相结合,另一种永磁同步电机与滑模观测器相结合的控制方法,旨在进一步促进高性能无速度传感器交流电机控制策略的发展。 关键词:交流电机;无速度传感器;全阶观测器;滑模观测器 随着电力电子技术、微电子技术、现代电机控制理论的迅速发展,交流电机获得快速的推广与应用[ 1 ]。目前,在高性能交流电机控制领域中矢量控制[ 2 ]已经被广泛应用。在实际应用中,为了进一步提高交流电机在不同环境下运行的可靠性,交流电机无速度传感器控制技术被提出。无速度传感器控制方法主要分为两大类,一种为外部信号注入,这种方法只适应于极低速的工况运行,同时额外的信号注入会带来高损耗、噪声等问题。另一种为基于交流电机模型的方法,如:模型参考自适应[ 3 ]、卡尔曼滤波[ 4 ]、滑模观测器[ 5 ]、自适应全阶观测器[ 6 ]等方法,这些方法具有很高的控制精度以及鲁棒性。 本文将重点介绍自适应全阶观测器、滑模观测器与矢量控制在交流电机无速度传感器技术中的应用。 1 速度自适应全阶观测器 对于异步电机来说,定子磁链和电磁转矩通常无法直接得到,一般是采用实时测量的电压电流信息和电机参数,并根据电机数学模型构造观测器来对内部的状态变量进行估计。全阶观测器在较宽范围内都有很高的观测精度[ 7 ],通过引入速度自适应环节后可以在观测定子磁链的同时估计电机转速,实现无速度传感器控制。 在全阶观测器的设计中,反馈增益矩阵与自适应率系数的设计直接关系到系统的稳定性、鲁棒性以及收敛速度[ 7 ]。为了保证系统的稳定性与收敛性,本文将介绍一种采用极点左移的方法来设计增益矩阵并对其进行简化,最终得到一个常数增益矩阵。引入速度自适应环节,可以利用李雅普诺夫函数推导出转速估计的自适应率[ 7 ],在实际应用中为了保证估计转速的收敛速度一般采用PI调节器来代替纯积分环节。 2 滑模观测器 在无速度传感器永磁同步电机控制策略中,滑模观测器被广泛应用,因为其具有结构简单、鲁棒性强以及快速的动态响应[ 8 ]。滑模观测器的主要思想是通过选取滑模面与滑模增益

霍尔传感器测量转速

测试技术应用案例 (霍尔传感器测量转速) 班级: 学号: 姓名:

霍尔传感器测量转速 一.霍尔传感器的优点 1.测量范围广:霍尔传感器可以测量任意波形的电流和电压, 如:直流、交流、脉冲波形等。 2.精度高:在工作温度区内精度优于1%,该精度适合于任何波形 的测量。 3.线性度好:优于%。 4.动态性能好:响应时间小于1μs跟踪速度di/dt高于50A/μs。 5.性价比高。 各式各样的霍尔传感器 二.霍尔传感器测转速原理 霍尔效应,是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时,若在垂直于电流的方向施加磁场,则金属箔片两侧面会出现横向电位差。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差U H的基本关系为: U H=K H IB K H =1/nq(金属) 式中K H――霍尔系数;n――单位体积内载流子或自由电子的个数;q――电子电量;I――通过的电流;B――垂直于I的磁感应强度; 利用霍尔效应表达式:U H=K H IB,当被测物体上装上N只磁性体时,物体每转一周磁场就变化N次,霍尔电势相应变化N次,输出电势通过放大、整形和计数电路就可以测量被测旋转物的转速。 三.测量设备 本案例以实验室霍尔元件测量圆盘转速为例。 实验设备:CSY2000系列传感器与检测技术实验台。

1、主控台部分,提供高稳定的±15V、+5V、±2V~±10V可 调、+2V~+24V可调四种直流稳压电源;主控台面板上还装有电压、频率、转速的3位半数显表。 2、旋转源0-2400转/分(可调) 需用器件与单元:霍尔传感器、5V直流源、转速调节装置、转动源单元、数显单元的转速显示部分。 四.实验方案 1.实验装置如下图 2.将5V直流源加于霍尔元件电源输入端。 3.将霍尔转速传感器输出端(黄)插入数显单元F i n端。 4.将转速调节中的2V-24V转速电源引入到台面上转动单元中转 动电源2-24VK插孔。 5.将数显单元上的转速/频率表波段开关拨到转速档,此时数显 表指示转速。 6.调节转速调节电压使转动速度变化。观察数显表转速显示的变 化。 五.实验结果计算 磁体经过霍尔元件,霍尔元件就会发出就会发出一个信号,经放大整形得到脉冲信号,两个脉冲的间隔时间即为周期,通过周期就可算出转速。

传感器实验参考资料

光电传感器测转速实验 实 验 指 导 书

简 介 一、本实验装置的设计宗旨: 本实验装置具有设计性、趣味性、开放性和拓展性,实验中大量重复的接线、调试和后续数据处理、分析、可以加深学生对实验仪器构造和原理的理解,有利于培养学生耐心仔细的实验习惯和严谨的实验态度。非常适合大中专院校开设开放性实验。本实验装置采用了性能比较稳定,品质较高的敏感器件,同时采用布局较为合理且十分成熟的电路设计。 二、光电传感器测转速实验实验装置 1.传感器实验台部分 2.九孔实验板接口平台部分:九孔实验板作为开放式和设计性实验的一个桥梁(平台); 3.JK-19型直流恒压电源部分:提供实验时所必须的电源; 4.处理电路模块部分:差动放大器、电压放大器、调零、增益、移相等模块组成。 三、主要技术参数、性能及说明: (1)光电传感器:由一只红外发射管与接收管组成。 (2)差动放大器:通频带kHz 10~0可接成同相、反相、差动结构,增益为100~1倍的直流放大器。 (3)电压放大器:增益约为5位,同相输入,通频带kHz 10~0。 (4)19JK -型直流恒压电源部分:直流V 15±,主要提供给各芯片电源: V 6 ,V 4 ,V 2±±±分三档输出,提供给实验时的直流激励源;V 12~0:A 1ax Im =作 为电机电源或作其它电源。 光电传感器测转速实验 【实验原理】 如图所示:光电传感器由红外发射二极管、红外接收管、达林顿出管及波形整形组成。

发射管发射红外光经电机转动叶片间隙,接收管接收到反射信号,经放大,波形整形输出方波,再经转换测出其频率,。 图1 【实验目的】 了解光电传感器测转速的基本原理及运用。 【实验仪器】 如图所示,光电式传感器、JK-19型直流恒压电源、示波器、差动放大器、电压放大器、频率计和九孔实验板接口平台。 图2 图3 【实验步骤】 1.先将差动放大器调零,按图1接线;

交流感应电动机无速度传感器的高动态性能控制方法综述

交流感应电动机无速度传感器的 高动态性能控制方法综述 清华大学 杨耕 上海大学 陈伯时 摘要:文章分析了交流感应电机无速度传感器的高动态性能控制方案的控制要点。在介绍国内外产业界已实用化的、以及正在研发中的几种代表性的控制策略的同时,讨论了各种方法理论要点和实际应用中的特点。最后,介绍了当前的几个研究热点问题并就发展方向提出了一点设想。 关键词:异步电动机控制 无速度传感器 转矩控制 磁链观测 速度辨识 Rev iew the M ethods for the Speed Sen sor-less Con trol of I nduction M otor Yang Geng Chen Bo sh i Abstract:T h is paper analyzes theo retical po ints of the i m p lem entati on fo r h igh perfo r m ance contro l of in2 ducti on mo to r w ithout speed senso r.A fter that,typ ical app roaches of the contro l strategy,w h ich are used in p ractical p roducts o r are being developed recently,are p resented and the characteristic of each app roach is dis2 cussed.F inally,som e unso lved p roblem s being researched as w ell as the develop ing po tentials are introduced. Keywords:contro l of inducti on mo to r speed senso r2less to rque contro l flux observer speed identifica2 ti on 1 前言 交流感应电机的无速度传感器高动态性能控制,是为了实现与有速度传感器的矢量控制(或直接转矩控制)相当的转矩和速度性能的方案,被用于无法设置速度传感器的设备或新一代高性能通用变频器之中[1,2]。相关的理论与技术也成为近10年来交流传动领域的热门研发内容之一。 本文主要综述在无速度传感器的前提下,具有速度反馈控制环的矢量控制方案(V C)和直接转矩控制方案(D TC),而不讨论诸如“V F控制+为补偿负载变动的滑差补偿”等只考虑静态的方法。本文在介绍各种方法的同时,综述其理论要点和实际应用中的特点、介绍所应用的厂家,从中总结出实现高动态性能控制的要点及主要成果。最后,介绍当前几个研究热点问题。 2 控制方法 211 方法分类的出发点 一般地,由转矩控制环及速度控制环构成的无速度传感器矢量控制(或直接转矩控制)系统由图1所示的3个环节构成。即:①速度调节器;②磁链和转矩控制器;③速度推算或辨识器(含磁链计算或观测) 。 图1 无速度传感器控制系统构成 对于环节②,需要控制转矩和磁链。由此可以分为:a以转子磁链定向控制为基础的矢量控制策略。目前常用的有计算滑差频率的被称为间接法(I V C)和把状态观测器观测到的转子磁链进行反馈控制的直接法(DV C)。b以控制定子磁链为特点的,被称之为直接转矩控制策略(D TC)。 环节③的结构依存于环节②的结构。实际上在计算或推定速度值时,常常也要获得(计算或观测)磁链(转子的或是定子的)值。因此,按其理论上的特点,可以把获得转速和磁链的方法大致分 3 电气传动 2001年 第3期

光电、磁电传感器测量转速实验报告

广东技术师范学院实验报告 学院: 机电学院 专业: 机械电子工程(师范) 班级: 10机电师 成绩: 姓名: 章烁斌 学号: 15 组别: 组员: 实验地点: 607 实验日期: 2013.05 指导教师签名: 实验 (1) 项目名称:光电传感器、磁电传感器测量转速实验 1.实验项目名称 光电传感器、磁电传感器测量转速实验 2.实验目的和要求 (1)了解和掌握采用光电传感器测量的原理和方法 (2)了解和掌握采用磁电传感器测量的原理和方法 (3)了解和掌握转速测量的基本方法 3.实验原理 (1)光电传感器的结构和工作原理 光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。本实验采用的是反射式光电传感器。反射式光电传感器的工作原理见图1,主要由被测旋转部件、反光片(或反光贴纸)、反射式光电传感器组成,在可以进行精确定位的情况下,在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸会取得较好的测量效果。在本实验中,由于测试距离近且测试要求不高,仅在被测部件上只安装了一片反光贴纸,因此,当旋转部件上的反光贴纸通过光电传感器前时,光电传感器的输出就会跳变一次。通过测出这个跳变频率f ,就可以知道转速n 。n=f 图1 反射式光电传感器测转速的工作图

如果在被测部件上对称安装多个反光片或反光贴纸,那么,n=f/N。N-反光片或反光贴纸的数量。 (2)磁电传感器的结构和工作原理 磁电传感器的内部结构请参考图2,它的核心部件有衔铁、磁钢、线圈几个部分,衔铁的后部与磁性很强的磁钢详解,衔铁的前端有固定片,其材料是黄铜,不导磁。线圈缠绕在骨架上并固定在传感器内部。为了传感器的可靠性,在传感器的后部填入了环氧树脂以固定引线和内部结构。 图2 磁电传感器的内部结构 使用时,磁电转速传感器是和测速(发讯)齿轮配合使用的,如图3。测速齿轮的材料是导磁的软磁材料,如钢、铁、镍等金属或者合金。测速齿轮的齿顶与传感器的距离d比较小,通常按照传感器的安装要求,d约为1mm。齿轮的齿数为定值(通常为60齿)。这样,当测速齿轮随被测旋转轴同步旋转的时候,齿轮的齿顶和齿根会均匀的经过传感器的表面,引起磁隙变化。在探头线圈中产生感应电动势,在一定的转速范围内,其幅度与转速成正比,转速越高输出的电压越高,输出频率与转速成正比。 图3 直射式光电传感器的工作方式 那么,在已知发讯齿轮齿数的情况下,测得脉冲的频率就可以计算出测速齿轮的转

传感器测转速的原理【详述】

传感器测转速的原理 内容来源网络,由“深圳机械展(11万㎡,1100多家展商,超10万观众)”收集整理! 更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示,就在深圳机械展. 转速测量原理 转速的测量方法很多,根据脉冲计数来实现转速测量的方法主要有M法(测频法)、T 法(测周期法)和MPT法(频率周期法),该系统采用了M法(测频法)。由于转速是以单位时间内转数来衡量,在变换过程中多数是有规律的重复运动。根据霍尔效应原理,将一块永久磁钢固定在电机转轴上的转盘边沿,转盘随测轴旋转,磁钢也将跟着同步旋转,在转盘下方安装一个霍尔器件,转盘随轴旋转时,受磁钢所产生的磁场的影响,霍尔器件输出脉冲信号,其频率和转速成正比。脉冲信号的周期与电机的转速有以下关系: 霍尔传感器如何测转速_霍尔传感器测转速原理 式中:n为电机转速;P为电机转一圈的脉冲数;T为输出方波信号周期根据公式即可计算出直流电机的转速。 测量电机转速的第一步就是要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号,从而进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器,它有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便等优点,因此选用霍尔传感器检测脉冲信号,其基本的测量原理如图所示,

当电机转动时,带动传感器运动,产生对应频率的脉冲信号,经过信号处理后输出到计数器或其他的脉冲计数装置,进行转速的测量。 霍尔传感器如何测转速_霍尔传感器测转速原理 霍尔传感器测转速方案 霍尔效应,是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时,产生横向电位差的物理现象。当电流通过金属箔片时,若在垂直于电流的方向施加磁场,则金属箔片两侧面会出现横向电位差。利用霍尔效应可以设计制成多种传感器。霍尔电位差UH的基本关系为: 霍尔传感器如何测转速_霍尔传感器测转速原理

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