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
Dynamic mathematical model of asynchronous motor is a higher order、nonlinear、the strong coupling of multivariable system. Using coordinate transformation to change the three-phase stationary coordinate system into a two-phase synchronous rotating coordinate system, You can implement a decoupling of the stator current , to realize the decoupling control of flux and torque ,so as to achieve the effect of DC motor controls.the rotor field oriented control has brought essential advances in AC variable speed drive system. the starting point to solve the problem of sensorless control is to use detection of stator voltage and current easily detected physical quantities to replace the speed sensor . In this way, reducing costs, improving the control system simplicity and robustness.
The key of speed sensorless vector control is flux and speed estimation . Because the varies of parameter when the motor running, must ensure that flux and speed estimation accuracy, make the system has good dynamic performance.the speed estimation and rotor flux observation methods are studied using the theory of Model Reference Adaptive System for the speed sensorless vector control system in the article.the simulation results show the MRAS-based field oriented control system has good static and dynamic performance.
Keywords:asynchronous motor；Sensorless vector control；MRAS；Speed estimation；Flux observer
目 录
1 绪论 ................................................................................................................................................. 1
1.1 引言 ...................................................................................................................................... 1 1.2 电力电子器件和微处理器的发展 ...................................................................................... 1 1.3 无速度传感器矢量控制的研究现状 .................................................................................. 3
1.3.1 直接计算法 ............................................................................................................... 4 1.3.2 模型参考自适应法（MRAS)................................................................................... 4 1.3.3 基于扩展卡尔曼滤波的状态估计算法 ................................................................... 5 1.3.4 神经网络法 ............................................................................................................... 5 1.4 课题研究的主要内容和结构安排 ...................................................................................... 5 2 异步电机的矢量控制理论 ............................................................................................................. 7
2.1 异步电机的数学模型 .......................................................................................................... 7
2.1.1 异步电机在三相静止坐标系下的数学模型 ........................................................... 8 2.1.2 坐标变换及变换矩阵 ............................................................................................. 10 2.1.3 异步电机在两相坐标系下的数学模型 ................................................................. 12 2.1.4 异步电机在两相同步旋转坐标系的数学模型 ..................................................... 13 2.2 异步电机矢量控制 ............................................................................................................ 13
2.2.1 矢量控制的原理 ..................................................................................................... 14 2.2.2 转子磁场定向矢量控制原理及结构 ..................................................................... 14
3 磁链观测和转速估计的方法研究 ............................................................................................... 18
3.1 磁链观测方法研究 ............................................................................................................ 18
3.1.1 基于电压模型的方法 ............................................................................................. 18 3.1.2 基于电流模型的方法 ............................................................................................. 21 3.2 基于模型参考自适应的转速辨识 .................................................................................... 21
3.2.1 基于模型参考自适应系统设计的基本理论 ......................................................... 22 3.2.2 基于超稳定性和正实性系统的设计 ..................................................................... 22 3.2.3 基于转子磁链模型的转速辨识方法 ..................................................................... 24 3.3 基于改进模型参考自适应方法的无速度传感器研究 .................................................... 28
3.3.1 基于反电动势模型的速度辨识 ............................................................................. 28 3.3.2 基于瞬时无功功率模型的速度辨识 ..................................................................... 28 3.4 本章小结 ............................................................................................................................ 29 4 无速度传感器矢量控制系统仿真研究 ....................................................................................... 30
4.1 基于电流模型磁链估计的控制系统仿真 ........................................................................ 30
4.1.1 基于电流模型的无速度传感器矢量控制系统仿真电路图 ................................. 30 4.1.2 仿真模型子系统说明 ............................................................................................. 30 4.2 基于电压模型的无速度传感器矢量控制系统 ................................................................ 32 4.3 仿真结果分析 .................................................................................................................... 33 4.4 本章小结 ............................................................................................................................ 38 5 基于DSP的系统硬件 ............................................................................................................... 39 5.1 主电源电路的设计 ............................................................................................................ 39
5.1.1 整流电路部分 ......................................................................................................... 40 5.1.2 滤波电路部分 ......................................................................................................... 40 5.1.3 逆变电路部分 ......................................................................................................... 41 5.2 控制电路及外围电路的设计 ............................................................................................ 41
5.2.1 DSP控制芯片的特点 .............................................................................................. 41
5.2.2 电源电路 ................................................................................................................. 43 5.2.3 电流、电压检测电路 ............................................................................................. 44 5.2.4 保护电路 ................................................................................................................. 45
6 系统的软件设计 ........................................................................................................................... 46
6.1软件设计概述 ..................................................................................................................... 46
6.1.1 混合编程方法 ......................................................................................................... 46 6.1.2 数据定标 ................................................................................................................. 46 6.1.3 软件变量的标幺值表示法 ..................................................................................... 46 6.2 系统控制软件的任务及设计方案 .................................................................................... 47 6.3 系统软件模块的实现 ........................................................................................................ 48
6.3.1 初始化模块 ............................................................................................................. 48 6.3.2 电流采样模块 ......................................................................................................... 49 6.3.3 故障中断服务程序模块 ......................................................................................... 49 6.3.4 PI调节器模块 .......................................................................................................... 50 6.3.5 基于MRAS的磁链、转速观测模块 .................................................................... 51 6.4 系统软件抗干扰设计 ........................................................................................................ 52 7 总结与展望 ................................................................................................................................... 54
7.1 总结 .................................................................................................................................... 54 7.2 后期工作展望 .................................................................................................................... 54 参考文献 ........................................................................................................................................... 55 翻译部分 ........................................................................................................................................... 56
中文译文 ................................................................................................................................... 56 英文原文 ................................................................................................................................... 62 致 谢 ............................................................................................................................................... 69
中国矿业大学2010届本科毕业设计论文 第1页
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
【2】
术的发展，交流调速性能完全可以和直流调速媲美【1】。 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
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现，使得交流调速技术【3】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