基于状态观测器的三相异步电机调压控制系统研究设计.docx

课题名称基于状态观测器的三相异步电机调压控制系统研究摘要在现代交流调速技术的研究中，为了实现交流电机的高性能控制，状态反馈控制是必不可少的。为此需要交流电机全部状态变量的准确信息，如电流、磁链、转速等。而在实际工程中，不论是单输入系统还是多输入系统，采用全状态反馈多少都是不现实的。原因在于测量所有的状态一方面是困难的，另一方面也是不经济的。为了实现状态反馈，除了可以利用不完全状态反馈或输出外，最常用的方法就是利用观测器来观测或估计系统的状态。关键词：状态观测器 三相异步电动机 调压调速AbstractIn the modern communication technology study, speed in order to realize high performance control of ac motor, state feedback control is indispensable. Therefore, it is necessary to ac motor whole state variables of accurate information, such as current and magnetic chain, speed, etc. But in practical projects, whether single input system or multiple input system, adopt the whole state feedback how much all is not realistic. Reason is that measuring all the state on one hand is difficult, on the other hand is not economic. In order to realize the state feedback, besides can use incomplete state feedback or output outside, the most common way is to use the observer to observation or estimate the system state.Keywords: State observer ，Three-phase asynchronous moter，Pressure regulating speed目录第一章 前言.1.1异步电动机的特点1.2调压调速系统的发展和现状1.3状态观测器设计的意义.1.4状态观测器的应用.第二章 三相异步电动机特性分析.2.1三相异步电动机的工作原理.2.2 三相异步电机的调速方法（调压调速）.2.3 三相异步电机在调压下的外特性.第三章 异步电机的动态数学模型和坐标变换.3.1异步电机的动态数学模型的性质3.2 三相异步电动机多变量非线性数学模型.3.3三相两相坐标变换和变换矩阵.3.4三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型.第四章 观测器设计.4.1 异步电机能观性证明.4.2 系统状态的开环估计4.3 全阶状态观测器的设计.4.4 降维状态观测器的设计.第五章无速度传感器异步电机矢量控制系统5.1动态转速估计器5.2自适应转速观测器5.3带状态观测器的异步电机闭环变压调速系统设计第6章 小结.6.1 总结与展望.6.2参考文献.第一章 前言异步电动机结构简单，价格低廉，运行可靠，坚固耐用并且有较好的机械特性。特别是笼型异步电动机，即使是用在周围环境较差、粉尘较大的场合，仍能很好的运行。异步电动机的不足之处是功率因数稍差，运行时需从电网吸收滞后的无功功率，这一缺点在轻载和启动时更为突出，但现在各类晶闸管节能启动器已经问世，有效地解决了这一问题，加之电网的功率因数也可用其他方法加以补偿，因此异步电动机的这一缺点对其广泛应用并无很大影响。1.2调压调速系统的发展和现状变压调速是异步电动机调速方法中比较简单的一种。由电力拖动原理可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩Te与定子电压Us的二次方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这些比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。1.3状态观测器设计的意义在实际工程中，不论是单输入系统还是多输入系统，采用全状态反馈多少都是不现实的。原因在于测量所有的状态一方面是困难的，另一方面也是不经济的。为了实现状态反馈，除了可以利用不完全状态反馈或输出外，最常用的方法就是利用观测器来观测或估计系统的状态。1.4状态观测器的应用随着技术的发展，矢量控制已广泛应用于各类高性能调速系统中。无传感器电机参数辨识方案克服了机械传感器的弊病。对于速度的检测，不采用有形传感器测速发动机、观点码盘等，而采用状态观测器的方法来构造（观测）。这种方法被广泛的应用在工业领域中。第二章 三相异步电动机特性分析2.1三相异步电动机的工作原理2.1.1三相异步电动机的基本结构1、定子部分（1）定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。（2）定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分（3）机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。2、转子部分（1）转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。（2）转子绕组： 1）笼型转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。3、气隙异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。2.1.2三相异步电动机的基本工作原理1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。2.1.3三相异步电动机的旋转原理三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。三相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场， 定子绕组产生旋转磁场后，转子导体（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向旋转起来。一般情况下，电动机的实际转速低于旋转磁场的转速不同步。为此我们称三相电动机为异步电动机。2.2 三相异步电机的调速方法（调压调速）2.2.1异步电动机变压调速电路变压调速是异步电动机调速方法中比较简单的一种。由电力拖动原理可知，当异步电动机等效电路的参数不变时，在相同的转速下，电磁转矩Te与定子电压Us的二次方成正比，因此，改变定子外加电压就可以改变机械特性的函数关系，从而改变电动机在一定负载转矩下的转速。过去改变交流电压的方法多用自耦变压器或带直流磁化绕组的饱和电抗器，自从电力电子技术兴起以后，这些比较笨重的电磁装置就被晶闸管交流调压器取代了。交流调压器一般用三对晶闸管反并联或三个双向晶闸管分别串接在三相电路中，如图2-1所示。用相位控制改变输出电压。图2-2所示为采用晶闸管反并联的异步电动机可逆和制动电路。其中，晶闸管16控制电动机正转运行，反转时，可又晶闸管1、4和710提供逆相序电源，同时也可用于反接制动。当需要能耗制动时，可以根据制动电路的要求选择某几个晶闸管不对称地工作。例如，让1、2、6三个器件导通，其余均关断，就可使定子绕组中流过半波直流电流，对旋转着的电动机转子产生制动作用。必要时，还可以在制动电路中串入电阻以限制制动电流。2.2.2异步电机在改变电压时的机械特性根据电机学原理，在下述三个假定条件下：（1）忽略空间和时间谐波；（2）忽略磁饱和；（3）忽略铁损，异步电机的稳态等效电路如图2-3有图可以推出 （21）其中，在一般情况下，则1，这相当于将上述假定条件的第（3）条改为“忽略铁损和励磁电流”。这样电流公式可简化为： （22）令电磁功率Pm=3，同步机械角转速，为极对数，则异步电动机的电磁转矩为 （23）式（23）就是异步电动机的机械特性方程式。它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。这样，不同电压下的机械特性便如图2424异步电动机在不同电压下的机械特性将式（23）对s求导，并令,可求出最大转矩及其对应的转差率 （24） （25）2.3 三相异步电机在调压下的外特性第三章 异步电机的动态数学模型和坐标变换3.1异步电机的动态数学模型的性质异步电动机是一个多变量（多输入多输出）系统，而电压（电流）、频率、磁通、转速之间又互相都有影响，所以是强耦合的多变量系统。在异步电动机中，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通得到感应电动势，由于他们都是同时变化的，在数学模型中就含有两个变量的乘积项。这样一来，即使不考虑磁饱和等因素，数学模型也是非线性的。三相异步电动机定子有三个绕组，转子也可等效为三个绕组，每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性，再算上运动系统的机电惯性和转速与转角的积分关系，即使不考虑变频装置的滞后因素，也是一个八阶系统。总之，异步电动机的动态模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。3.2 三相异步电动机多变量非线性数学模型在研究异步电动机的多变量非线性数学模型时，常作如下假设：1） 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布。2） 忽略磁路饱和，认为各绕组的互感和自感都是恒定的。3） 忽略铁心损耗。4） 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。图31为三相异步电动机的物理模型异步电动机的数学模型由下述电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程组成。1、 电压方程 （3-1）其中为定子和转子的相电压的瞬时值，为定子和转子的相电流的瞬时值，为各相绕组的全磁链，而为定子和转子绕组电阻。2、 磁链方程 （3-2）3、 转矩方程 （3-3）4、 电力拖动系统运动方程 （3-4）式中，负载阻转矩 J机组的转动惯量3.3三相两相坐标变换和变换矩阵图32中绘出了A、B、C和、两个坐标系，为方便起见，取A轴和轴重合。设三相绕组每相有效匝数为，两相绕组每相有效匝数为，各相磁动势为有效匝数和电流的乘积，其空间矢量均位于有关相的坐标轴上。设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时磁动势在、轴上投影都应相等，因此写成矩阵形式，得 （3-5）考虑变换前后功率不变，在此前提下，可以证明，匝数比应是 （3-6）代入（3-5），得 （3-7）令表示从三相坐标系变换到两相坐标系的变换矩阵，则= （3-8）3.4三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型交流异步电动机以定子电流和定子磁链为状态变量的静止两相坐标系下的数学模型为， （3-9）， （3-10）式（3-9）为异步电动机状态方程，式（3-10）为输出方程。其中， ， （3-11） （3-12） （3-13） （3-14） （3-15） （3-16）其中 式中，为异步电动机的定子和转子电阻，和分别表示定子和转子自感及两者间的互感，为电机的电角速度。为便于系统的描述，令 （3-17） ， （3-18）则电机的模型可以表示为 第四章 观测器设计4.1 异步电机能观性证明由于系统的能观性直接决定了状态观测器的极点配置，现对其能观性进行证明。考虑到异步电机的机械时间常数远大于电磁时间常数，并且电机的定转子电阻、电感变化比较缓慢，直接以线性时不变系统加以证明。同样的方法可用来证明时变系统的能观性。系统【A，B，C】状态完全能观的充分和必要条件是能观矩阵： （4-1）是满秩 。即rank N=n将（3-17）中的A，C矩阵代入能观矩阵式的前两项得 通过推导得出det0即rankN=4，系统完全能观。4.2 系统状态的开环估计给定系统的状态方程为观测估计系统状态的最简单的方法是，构造一个系统的模型 （4-2）式中，是模型的状态或状态的估计值。如果A、B及已知，且给定了系统的初始状态，那么从上式就可求出状态的估计值。为使估计的状态准确，模型的参数及初始条件必须和真实系统一致。图41就是这种开环估计的结构图。由于没有利用估计误差进行反馈修正，所以称为开环估计。若令为估计误差，则有观测误差的状态方程为由此可见，开环估计时，观测误差的转移矩阵是原系数的转移矩阵A，这事不希望的，因为在实际系统中，观测误差总是存在的，如果原系统是不稳定的，那么观测误差也就不稳定，观测值将不能收敛到实际值，从图41可以看到，开环估计只利用了原系统的输入信号u（kT），并没有利用原系统可测量的输出信号，还可以构造一种闭环估计器，以便利用原系统的输出与估计器输出之间的误差，修正模型的输入。4.3 全阶状态观测器的设计结论将理论知识应用到实际生产过程中是工科学生的一大任务，一大难点。而PLC技术是一种实用型很强的技术对整个生产进行自动化控制，在提高效率的大背景下，PLC控制将运用的越来越广泛。本课题的意义在于通过设备的控制系统的设计，熟悉课题研究范围涉及到各种电气元件如电机、继电器、接近开关、电磁阀等的选型，增强了实践能力，同时培养动手解决实际问题的能力，这也是对四年所学知识的总结。随着电子及计算机技术的发展，PLC的应用将会越来越广泛,PLC将完全满足控制级的要求，从而能完成复杂的工业生产过程的自动控制，为企业带来广阔的前景和可观的效益。此次设计的磁粉探伤机已有样品出现，而设计的目的是强化自己的知识结构。在此设计中，因本人理论水平和实际经验有限，错漏之处在所难免，敬请指导老师和各位审阅老师指教。本人在纂写毕业论文期间得到了梁平老师的指导帮助,在进行最后完稿时得到徐际瑶同学的指导.在这里我要向梁平老师和徐际瑶同学致以衷心的感谢，感谢大学里各科老师帮我打下的良好学习基础。我的毕业设计导师梁平的给予了我无私的帮助和关心，使我的毕业论文能顺利完成。 由于这次毕业设计时间紧，工作量大。论文中对有些方面的论述不够深入，研究不够彻底。有些差错在所难免，希望各位老师批评指正。陈宇.FX1N系列微型可编程控制器编程手册 三菱公司 致 谢时光荏苒，感谢教给我人生道理的老师。结语：