电子信息工程学院开题样板课件.ppt

1、姓姓 名：名：#导导 师：师：#教授教授电机无速度传感器矢量控制系统研究汇报内容：汇报内容：四、课题进行的工作四、课题进行的工作一、选题背景及研究意义一、选题背景及研究意义二、课题研究动态二、课题研究动态三、课题研究的主要内容三、课题研究的主要内容五、工作进展与课题研究计划五、工作进展与课题研究计划 随着工业科技手段的提高和生活水平对于生产要求的增长，变频调速对于系统的功率等级、稳定性都有了进一步的要求。但伴随高压大功率三相调速系统的产业化实现，很多问题也开始逐渐显露：l三相电机故障后会变成单相电机，若不降低负载会产生过电流，容易烧毁电机；l由于受电力电子器件的功率限制，两电平电压源型逆变器要

2、获得大容量输出一般只能通过串、并联功率器件的方式，但是这样的拓扑形式会带来器件均压均流问题，影响系统可靠性。多相电机变频供电与多电平调速系统是实现大功率的并行方案，伴随着工业领域对于系统稳定性要求的提升，特别是在船舶推进、航空航天等低压大电流应用场合，多相电机变频调速开始逐渐取代多电平系统成为行业关注的焦点。一、选题背景及研究意义一、选题背景及研究意义1 1、选题背景、选题背景2 2、研究意义、研究意义u 可采用低压器件实现大功率。u 系统运行具有高可靠性。u 更加丰富的控制方式与资源。u 提高系统动静态性能。多相变频调速系统多相变频调速系统无速度传感器无速度传感器u 降低生产成本u 能够精准

3、估计转速u 能够在艰苦环境下运行矢量控制系统矢量控制系统u 可以通过不同的解耦策略达到控制目的u 系统响应速度快1 1、无速度传感器研究动态、无速度传感器研究动态l A.Abbondanti等提出了基于转差频率的转速辨识方法，利用电机的稳态方程来辨识转速，但精度不高。l M.Ishida等学者提出了利用转子齿谐波检测转速的方法。l Colin Schauder提出了基于模型参考自适应法的转速辨识方法，利用波波夫超稳定性理论设计自适应率估计转速；l P.Muraca等人提出了利用扩展卡尔曼滤波器估计转速和磁链的方法，能抑制噪声干扰，提高估计转速精度，但其计算量太大，容易受电机参数影响，引起系统不

4、稳定。二、课题研究动态二、课题研究动态l M.GodoySiinoes等利用神经网络可以逼近任意曲线的优点，利用检测到的定子电压、电流信号，设计神经网络，通过训练学习计算转子磁链和转速，得出神经网络法的速度估计策略。l 如今，人们通过更加深入的研究分析得到许多改进的转速辨识方法，使得转速估算更为精准。2 2、矢量控制解耦策略研究动态、矢量控制解耦策略研究动态 经过广大学者和科研人员的研究，常用的解耦方法有前馈控制解耦法，电流滞环法，滑膜动态解耦法，逆系统解耦法，智能控制解耦法以及内膜技术解耦法等。前馈控制解耦法：前馈控制解耦法：前馈解耦控制方法原理简单、易于实现，但是去耦电压的计算受到电动机的

5、定子、转子等电路参数的影响。内模技术解耦法：内模技术解耦法：内模控制(IMC)的 本质是一种零极点对消的补偿控制，将对象内部模型的不确定因素分离出来，从而增强系统的鲁棒性，精度高，应用广泛。三、课题研究的主要内容三、课题研究的主要内容1、根据六相电机的绕组结构和已知参数，推导出双三相感应电机的数学模型，并搭建双三相感应电机在基本平面的电机模型，验证模型的正确性。2、对传统的SVPWM算法与基于空间矢量解耦变换的SVPWM算法进行分析研究，通过搭建相应的仿真模型对两种算法进行对比，验证基于空间矢量解耦变换的SVPWM算法的正确性。3、对多种不同的双三相感应电机矢量控制策略进行分析研究，将多种不同

6、的矢量控制策略进行对比。4、根据双三相感应电机的特点，对基于改进型MRAS（变参数法）的双三相感应电机无速度传感器控制系统进行理论推导，搭建出双三相感应电机无速度传感器矢量控制系统仿真模型，并重点针对基于反馈补偿解耦的无速度传感器矢量控制系统和基于电流环内模控制的无速度传感器矢量控制系统两种控制算法进行比较，突出内模控制的优越性。电机参数电机参数数值数值电机参数电机参数数值数值定子电阻(Rs)2.125定子自感(Ls)0.444mH转子电阻(Rr)1.62转子自感(Lr)0.446mH极对数(p)3定转子互感(M)0.434mH根据-平面的电压、磁链、转矩、运动方程及拉普拉斯变换，再经6/2变

7、换，可以得到双三相感应电机的数学模型，仿真模型参数设置如表4-1所示：表4-1 双三相感应电机参数 仿真条件设置为：输入180V正弦相电压激励并空载启动，在0.5s时刻突加负载10Nm，得仿真波形如下列波形所示。1 1、双三相感应电机数学模型双三相感应电机数学模型的验证的验证四、课题进行的工作四、课题进行的工作图4-1 双三相感应电机定子相电流波形 图4-1(a)为电机定子a1相电流，图4-1(b)为a1相及a2相定子电流波形。图4-2(a)为电机转矩波形，图4-2(b)为电机转速波形。图4-2 双三相感应电机转矩和转速波形 由仿真波形可知空载起动时，两套绕组定子电流稳定较快且幅值基本一致；稳

8、态运行时，电磁转矩为零；突加负载时，转速能较快恢复到平衡状态。图4-3 双三相感应电机定子磁链及基波空间电流波形 通过上述仿真波形可知，电机定子磁链为圆形，定子电流为正弦且较快稳定，相邻两相电流互差30，转速上升平滑且波动较小。此系列波形特性验证了在谐波基下搭建双三相感应电机模型的正确性。图4-3（a）为定子磁链波形，图4-3（b）为基波空间电流波形。该算法针对多种调制算法中基本矢量作用时间计算复杂及扇区判断不准确等问题，提出在每个控制周期内，通过电机给定参考电压的简单加减运算确定基本电压矢量作用时间的方法，简化扇区的判断方式，从而实现了电流谐波抑制，降低了开关损耗。2 2、基于空间矢量解耦变

9、换的、基于空间矢量解耦变换的SVPWMSVPWM算法算法图4-4 传统算法下电机定子电流及谐波空间电流图4-5 基于空间矢量解耦变换的SVPWM算法下电机定子电流及谐波空间电流该算法下电机转速及转矩波形为：图4-6 双三相感应电机转矩及转速波形 比较图4-4和图4-5可以看出，使用该算法后，空载时电流较小，在突加负载时刻电流随转矩增大，振荡较小且迅速稳定至另一较大幅值，电流正弦度较好，谐波电流得到了较好的抑制，从而提高了电机定子相电流的质量。3 3、双三相感应电机矢量控制系统的概述、双三相感应电机矢量控制系统的概述 由电机的统一理论可知，三相电机是多相电机的特例，它们拥有相同的理论基础，因此可

10、以采用三相电机系统的矢量控制理论实现多相电机的矢量控制。（1 1）基于电流滞环的矢量控制基于电流滞环的矢量控制 电机缺相运行时，采用电流滞环PWM方法控制逆变器可使电机定子电流谐波得到有效控制，该方法控制简单且容易实现，但开关频率不固定，很难获得性能较高的调速系统。（2 2）基于双基于双d-qd-q电流同步的矢量控制电流同步的矢量控制 为了解决双三相电机两个三相绕组的参数不同导致6相电流的不平衡问题，有人提出了六相电机双d-q同步电流控制方案，该方法用4个PI调节器对双三相电机两套定子绕组的d-q轴电流进行分别控制，并采用磁场定向控制的常用方法计算参考电压矢量，虽然在运行中能保持两组电流平衡，

11、但是增加了电流调节器的复杂程度，降低了系统运行速度。图4-7 基于双d-q电流同步的矢量控制（3 3）基于空间矢量解耦的矢量控制基于空间矢量解耦的矢量控制 该方法的基本思想是在d-q平面上完成磁链-转矩的控制，同时使谐波平面上的电压矢量在一个采样周期中的平均值为零。采用矢量解耦的多相电机矢量控制系统动态响应速度快、电流谐波小，但相数的增加同时会加大实现的难度。图4-8 空间矢量解耦的双三相电机矢量控制（4 4）基于电流环内模控制的矢量控制基于电流环内模控制的矢量控制图4-9 电流环内模控制的双三相电机矢量控制 内模控制建模精度要求较低，系统具有良好的给定跟踪性能，鲁棒性强，抗干扰能力好，且其控

12、制器结构简单、容易实现、方便于现场参数的调整。采用内模控制双三相感应电机定子电流后，其电流环的传函为：IMCIMC11Y sF s G sCs G sR sF s G sCsG sG s在上式中 ；。1(s)=G()L(s)IMCCs 1L sI(1)当模型估计与实际无偏差时，*d*q0101iY sR s L si可得定子电流完全实现了解耦，只成一定的比例关系。(2)当估计有偏差时，根据内模控制的特点，内模解耦也可以得到较理想的解耦效果。当 取较大时，可以迅速达到稳定值，耦合电压偏差基本为 0，估计参数 对解耦效果影响不大。sL可以推导出电流环IMC公式为：ssssddqssssqdqL s

13、RLuiissL sRLuiiss 内模解耦实际是一种偏差解耦，它克服了反馈解耦只能在电机耦合产生后才进行解耦的缺点，定子电流延迟对解耦效果影响减小。前馈解耦策略在没有考虑电动机实际耦合情况下进行了解耦，而内模解耦克服了这一缺陷，实时性较强。图4-10 内模解耦模型图图4-11 两种控制方案下定子电流波形图4-12 两种控制方案下电流频谱分析图4 4、无速度传感器矢量控制系统的转速辨识算法、无速度传感器矢量控制系统的转速辨识算法 无速度传感器矢量控制系统的速度观测是整个系统设计中最关键的环节之一，速度观测值的正确与否将直接影响到整个调速系统的性能。现今对感应电机的速度辨识方法主要有直接计算法、

14、全阶自适应观测器(Luenberher)法、模型参考自适应法(MARS)、扩展卡尔曼滤波器法(EKF)、滑模观测器法以及神经网络法(ANN)等。模型参考自适应控制模型参考自适应控制（MRAS）图4-13 MRAS的工作原理框图图4-14 转速自适应辨识系统框图改进型改进型MRAS方法（变参数法）方法（变参数法）MRAS速度辨识模型在低速时，速度估计误差较大，这时Kp，Ki应取较大值,加快收敛速度，以减小偏差和收敛时间。转速升高时，速度误差较小，这时Kp，Ki应取较小值以便消除静差，减小超调量和稳定时间。PI控制器中的Kp，Ki参数随估计速度而变化。在实际中，原始的电压模型很难实现，因为它采用了

15、纯积分器，必然会引起误差积累和直流漂移问题。为了避免这一问题，采用利用低通滤波环节替代纯积分环节的方法，得到的改进的电压模型，同样地可以通过增加一个高通滤波环节来改进电流模型。prpprr50/=(50/)50/Krad sKKrad siriirr120/=5(120)120/Krad sKKrad s 5 5、双三相感应电机双三相感应电机无速度传感器矢量控制系统无速度传感器矢量控制系统(1)(1)基于基于反馈补偿解耦反馈补偿解耦的无速度传感器矢量控制系统的无速度传感器矢量控制系统图4-15 基于反馈补偿解耦的双三相感应电机无速度传感器矢量控制系统(2)(2)基于电流环内模控制的无速度传感器

16、矢量控制系统基于电流环内模控制的无速度传感器矢量控制系统图4-16 基于电流环内模控制的双三相感应电机无速度传感器矢量控制系统仿真分析仿真分析 对基于反馈补偿解耦的双三相感应电机无速度传感器矢量控制系统和基于电流环内模控制的双三相感应电机无速度传感器矢量控制系统两种控制算法进行仿真结果对比可以得到：图4-17 反馈补偿解耦控制的无速度传感器速度比较图图4-18 电流环IMC控制的无速度传感器速度比较图图4-19 反馈补偿解耦电流、转矩、转速图图4-20 电流环IMC控制电流、转矩、转速图 可以看出使用IMC控制能够减小波动，波形更为平稳。IMC控制方案较之于反馈补偿解耦控制方案来说，在性能上更

17、加优化，能够更好、更加精确地达到控制目的。五、工作进展与课题研究计划五、工作进展与课题研究计划1 1、已完成的工作、已完成的工作理论推导部分理论推导部分u 根据六相电机的绕组结构和已知参数推导出双三相感应电机的数学模型。u 根据基于空间矢量解耦变换理论将六维空间矢量转化为三个两维空间矢量，依据六维矢量变换矩阵可以将相应的数学模型映射到三个二维子空间中。u 利用伏秒平衡原理在不同调制算法中计算基本电压矢量的作用时间，在不同区域内计算不同的调整时间。u 在矢量控制方案中，PI调节器按照系统数学模型来进行参数校正。在内模控制系统中，推导出了相应的传递函数，提高了系统的动态性能和稳定性。u 采用基于改

18、进型MRAS控制策略的无速度传感器矢量控制系统对双三相感应电机进行了闭环控制，达到了预期的速度估计效果，并将基于反馈补偿解耦的无速度传感器矢量控制系统和基于电流环内模控制的无速度传感器矢量控制系统两种控制算法进行了比较，突出了内模控制的优越性。u 搭建多种电机空间矢量脉宽调制策略，包括：传统SVPWM、基于解耦变换SVPWM、基于参考电压的SVPWM。验证算法的正确性。u 分别搭建了基于电流滞环、解耦变换、内模控制的矢量控制系统，通过仿真结果验证了算法的正确性。u 分别搭建了基于反馈补偿解耦的双三相感应电机无速度传感器矢量控制系统、基于电流环内模控制的双三相感应电机无速度传感器矢量控制系统的仿

19、真模型，并做了比较，验证了算法的正确性。搭建仿真部分搭建仿真部分u 基于空间矢量解耦变换理论，搭建双三相感应电机在基本平面的电机模型。实验所用的双三相感应电机采用与山西防爆电机（集团）有限公司合作生产的YS132-6-3型鼠笼电机。其绕组由单层绕组变为两个完全相同的双层绕组，改变前后线圈截面积不变。同时，两套绕组完全独立，在槽内上下分布，两套绕组空间位置上互差30电角度。实验验证部分实验验证部分图4-18 实验电机图 IGBT选择英飞凌公司的DSM50G120DLC模块，由于电机定子电流峰值为10A，考虑2倍安全裕度，IGBT电压承受直流侧电压的一半，考虑电压裕量。实验室开关频率选择为5kHz

20、。主控芯片选用的TMS320F2812，该芯片为32位定点型，CPU主频可以达到150MHz，时钟周期为6.67ns。图4-19 系统逆变器模型 目前阶段，仅完成了开环VF控制实验，会在后面的时间里尽快完成其他实验。2 2、未完成的工作、未完成的工作 在上述理论与仿真实验进行的过程中，还有一些工作需要在此同时进一步完善，对于双三相变频调速系统进行深入的研究：有关闭环控制和无速度传感器的实验还未完成，将尽快完成实验；对于使用内模控制的无速度传感器矢量控制系统进行实验验证；对于关于死区补偿方面的问题进行深入研究。2016.01-2016.02：阅读文献，整理双三相感应电机理论知识，巩固专业基础知识

21、，在算法和控制方案上继续学习，并对调速系统的调速过程进一步优化；2016.03-2016.04：完善现有仿真，对基于电流环内模控制的双三相感应电机无速度传感器控制系统进行优化；2016.04-2016.09：利用实验平台完成课题所涉及的实验内容。完成实验平台的整体调试，利用硬件实验平台验证理论分析的正确性，与仿真分析进行对比，进一步完善课题内容；2016.09-2017.02：对双三相感应电机控制系统进行系统总结，在理论上完成基本原理推导，撰写完成毕业论文初稿；2017.03-2017.04：对论文进行进一步修改，形成论文终稿，准备毕业答辩。3 3、课题研究计划、课题研究计划人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。