异步电机矢量控制系统研究开题报告.doc

开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于10篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。4统一用A4纸，并装订单独成册，随毕业设计（论文）说明书等资料装入文件袋中。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500字以上的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。由于直流调速的局限性和交流调速的优越性，交流异步电动机变频调速技术正在快速发展之中。在现在微机技术的快速发展下，经过最近十几年的应用和开发，交流异步电动机的变频调速性能已经优于直流调速系统。目前广泛研究和应用的交流异步电动机调速技术有恒压频比控制方式、矢量控制、直接转矩控制等。文献对交流异步电动机的数学模型的建立进行了详细的分析和阐述。通过对交流异步电动机的动态电磁关系的分析以及坐标变换原理概念的介绍，逐步引出了异步电动机的数学模型和在不同坐标系上的数学模型表达方程式，指出了异步电动机的模型特点是一多变量、强耦合的非线性系统。矢量控制是在电机统一理论、机电能量转换和坐标变换理论的基础上发展起来的，它将异步电动机模拟成直流电动机来控制，通过坐标变换，将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量并分别加以控制，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。随着异步电动机矢量控制等高性能交流调速技术的发展，电力牵引采用交流调速己经成为发展的趋势。在对异步电动机的矢量控制原理进行阐述时，给出了矢量变换方法实现的步骤，并依次说明了三相异步电动机数学模型是如何解耦的。在论述了三相异步电动机的磁场定向原理后给出了依据龙贝格状态观测理论的转子磁链观测器的设计模型。论文对所设计的矢量控制系统进行了MATLAB的建模与仿真，仿真结果表明该控制系统实现了交流传动控制，系统的静、动态性能良好。 本文最后详细介绍了基于DSP的矢量控制系统硬件电路设计过程，给出了硬件原理图。 For the DC adjusting-speed，has many limitationsthe Ac adjusting speed system has many merits and many with the development of new Powerelectronic component and computer technologyThe technology of AC Asynchronous Motor variablefrequent，adjustingspeed has been on a very leverwith today micrometer technology swift development it make it possible that the real time system of complex could run in a computer，the adjusting speed ability of ac motor had been already better than dc adjusting speed system in the past yearThere are serial technique of motor variable frequency adjusting speed atpresent，such as constant voltage divide frequency control，vector control，direct torque control etc，in this thesis，we will discuss the space vector system for asynchronous moton，Contrast with direct torque control system，it has many merit，such as continuum control：the range of adjustingspeed is wideThe thesis has given detailed analysis on the ac asynchronous motor math model establishment cross the analysis of motor dynamicit has limited the asynchronous motor dynamic。it has limited asynchronous motor math model and equation expression on different coordinate And it has indicated that the asynchronous motorS mathematics model is multi-variable strong coupling，nonlinear systemIt has expatiated on the theory of vector control，at the same timeit has give out the process of how to realize the vector control and how to uncoupling the mathematics modelAfter given out the theory of direct a magnetic field，the paper designs a rotor flux observation，which is by LuenberS theoryThe hardware circuit designs of the vector control system based on DSP are detailedly introduced finallyThe flow chart of control system is also presented异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机,是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩,从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。 异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式（鼠笼式异步电机）、绕线式异步电动机。作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。各国的以电为动力的机械中，约有90左右为异步电动机，其中小型异步电动机约占70以上。在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占相当大的比重。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60多。异步电机的特点异步电动机转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。 由于异步电动机生产量大,使用面广,要求其必须有繁多的品种、规格与各种机械配套。因此，异步电动机的设计、生产特别要注意标准化、系列化、通用化。在各类系列产品中，以产量最大、使用最广的三相异步电动机系列为基本系列；此外还有若干派生系列（在基本系列基础上作部分改变导出的系列）、专用系列（为特殊需要设计的具有特殊结构的系列）。 异步电动机的种类繁多，有防爆型三相异步电动机、ys系列三相异步电动机、y、y2系列三相异步电动机、YVP系列变频调速电动机等等.矢量控制原理矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理,根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制,在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的,使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。具体做法是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制分有速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制两种,前者精度高后者精度低。矢量控制系统的无速度传感器运行方式，首先必须解决电机转速和转子磁链位置角的在线辨识问题。常用的方法有基于检测定子电流信号的辨识方法，有同时使用电流检测信号和电压检测信号的辨识方法，还有根据电流检测信号和逆变器的开关控制信号重构电压信号的方法。交、直流调速的相关概念及对比交流调速系统是以交流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统。直流调速系统是以直流电动机作为控制对象的电力传动自动控制系统。直流调速系统可以在额定转速以下通过保持励磁电流改变电枢电压的方法实现恒转矩调速：在额定转速以上通过保持电枢电压改变励磁电流来实现恒功率调速。采用转速、电流双闭环直流调速系统可以获得优良的静、动态调速特性，因此直流调速在很长时间以来(20世纪80年代以前)一直占据主导地位。但是，由于直流电动机本身结构上存在机械式换向器和电刷这一致命弱点，这就给直流调速系统的开发及应用带来了一系列的限制，具体表现在以下几个方面：(1)机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有一定的限值，这极大的限制了单台电动机的转速和运行功率。而且，大功率的电机制造技术难，成本高。对于高转速大功率的电动机应用场合，直流调速方法是行不通的。(2)为使直流电动机的机械式换向器能够可靠的工作，往往要增大电枢和换向器的直径，导致电机转动惯量很大，对于要求快速响应的生产场合就不能够实现。(3)机械式换向器带来的另外一个麻烦就是必须经常检修和维护，因为电刷要定期更换。这样导致直流调速系统的维护工作量大，运行成本高，同时由于定期的停机检修也造成了生产效率的下降。(4)由于电刷的电火花，直流电机也不能应用于易燃易爆的生产场合，对于多粉尘和多腐蚀性气体的地方也不适用。总之，由于直流电动机存在的这些问题，使得直流电动机的应用受到了极大的限制，也使得直流调速系统的发展和应用受到相应的限制。相对于直流电动机而言，交流电动机(特别是鼠笼型异步电动机)具有许多优点：结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。交流调速系统由于采用了无换向器的交流电动机作为调速传动设备，突破了直流电动机所带来的种种限制，可以满足生产生活的各种需求，具有很大的发展潜力。本论文的研究背景异步电机矢量变换控制系统和直接转矩控制系统都是目前已经获得实际应用性能的异步电机调速系统。这两种方案作为高性能的调速系统，都能实现较高的静、动态性能，但两种系统的具体控制方法不一样，因而具有不同的特色和优缺点，除了普遍适用于高性能调速以外，又各有所侧重的应用领域。针对目前变频器技术的两种技术矢量控制及直接转矩控制，上海大学的陈伯时教授在交流变频传动控制的发展的报告中，就两种控制原理进行了深入的对比，得出了技术本身并无本质差别、各有优缺点的结论。对比直接转矩控制系统，矢量变换控制系统有可连续控制、调速范围宽等显著优点，且多年来在简化矢量变换控制系统方面亦己获满意的结果，为此矢量变换控制系统仍不失为现代交流调速的重要方向之一。鉴于目前国内的电机控制技术还处于较低的应用水平，而较好的控制器大多是国外生产的，国内采用矢量控制技术的变频电机还比较少，矢量控制方法在国内的研究正处于一个比较热点的研究课题。因此本文选择矢量控制原理作为研究对象，主要研究问题集中于矢量控制系统的组成部分，交流电动机又分为同步电动机和异步电动机。异步电动机占交流电机拥有量的80，所以，异步电动机作为应用最广泛的电动机是本文的主要研究对象。参考文献【l】胡崇岳，现代交流调速技术，机械工业出版社，1998(9)：123-146【2】邓星钟，机电传动控制，华中科技人学出版社，2001(3)：64-93【3】陈国呈，PWM逆变技术及应用，中国电力出版社，2007(1)：158-164【4】李鹤轩，李杨，异步电动机的控制，机械工业出版社，2003(9)：54-84【5】李华德，白晶，李志民，李擎，交流调速控制系统，电子工业出版社，2003(3)：109-127【6】上山直彦编著，吴铁坚译，现代交流调速，水利电力出版社，1989(7)：89-96【7】舒志兵，交流伺服运动控制系统，清华大学出版社，2006(3)：65-71【8】郭庆鼎，赵希梅，直流无刷电动机原理与技术应用，中国电力出版社，2008(1)：141-147【9】孟庆春，电力拖动自动控制系统，东北大学出版社，2006(1)：109-115【lO】咚纯厚，近代交流调速，冶金T业出版社，1995(5)：56-58【11】陈坚，电力电子学-电力电子变换和控制技术，高等教育出版社，2002(1)：133-152【12】何希才，姜余祥，电动机控制电路应用实例，中国电力出版社，2005(1)83-110【13】詹跃东，电机与拖动基础，重庆人学出版社，2002(6)：126-132【14】张化光，何希勤，模糊自适应控制理论及其应用，北京航空航天大学出版社【15】邢雷，异步电机数字化实现的研究【16】刘风君，异步电动机变频调速控制策略的研究【17】郭新，矢量控制系统的研究【18】张惠萍，施火权，异步电机效率和动态响应最优的组合控制机电程技术【19】 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通过对本论文内容的研究，进一步深化了电动机调速系统知识的学习、梳理，使学习的知识更加系统化，增加了知识的宽度和厚度，为以后参加更多层面的工作增加了知识储备。同时，使我认识到多学科之问的联系，这种联系能够使复杂的问题简单化，并为实际应用提供依据。由于水平和时问的限制，论文还有很多不足之处。将来如有机会继续研究，将要继续进行系统的优化、调节器设计和矢量控制模块的参数调整，使系统能够更快速、高效的运转。并在结合现代微控制芯片技术和单片机、DSP后进行系统实际应用开发，为节能高效的现代化生产、生活提供技术支援，为列车牵引传动控制贡献力量。二、课题发展现状和前景展望在当今用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活的方方面面。电动机负荷约占总发电量的60一70，成为用电量最多的电气设备。根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，交流电动机分为同步电动机和异步电动机两种。电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，在实际的应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率：二是要根据生产机械的工艺要求控制并调节电动机的转速。电动机的调速性能直接影响着产品质量、劳动生产效率和节电性能。但是直到20世纪70年代，凡是要求调速范围广、速度控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全都采用直流电动机调速系统。其原因主要是：(1)不论是异步电动机还是同步电动机，唯有改变定子供电频率调速是最为方便的，而且可以获得优异的调速特性。但大容量的变频电源却在长时期内没有得到很好的解决；(2)异步电动机和直流电动机不同，它只有一个供电回路一定子绕阻，致使其速度控制比较困难，不像直流电动机那样通过控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地控制电动机的转速。但交流电机，特别是笼式异步电动机，拥有结构简单、坚固耐用、价格便宜且不需要经常维修等优点，正是这些突出的优点使得电气工程师们没有放弃对电力牵引交流传动技术的探索和发展。进入20世纪70年代，由于电力电子器件制造技术和微电子技术的突破和发展，先进的控制理论如矢量控制、直接转矩控制等具有高动态控制性能的新技术开始被采用，使得交流传动进入一个崭新的阶段。交流电动机的诞生已有一百多年的历史，时至今日已经研制出了形式、用途和容量等各种不同的品种。交流电动机分为同步电动机和异步电动机两大类。同步电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系：异步电动机则不保持这种关系。其中交流异步电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。据统计，交流电动机用电量约占电机总用电量的85。上个世纪前半期，由于科技的发展限制，交流调速系统的发展长期处于调速性能差、低效耗能的阶段。20世纪60年代后，由于生产发展的需要和能源的同趋紧张，对调速及节能的需求日益增长，世界各国都丌始重视交流调速技术的研究与开发。20世纪70年代后，科学技术的迅速发展为交流调速技术的发展创造了极有利的技术条件和物质基础。交流调速理论和应用技术有以下几个方面的发展：(1)电力电子器件的发展换代为交流技术的迅速发展提供了物资基础。20世纪80年代中期以前，变频装置功率回路主要采用的是晶闸管，装置的效率、可靠性、成本、体积等均无法与同容量的直流调速装置相比。80年代中后期开始用第二代电力电子器件GTR、GTO(Gate Turn-off Thyristor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等制造的变频装置可以在性价比上与直流调速装置相媲美。随着大电流、高电压、高频化、集成化、模块化的电力电子器件的出现，第三代电力电子器件成为90年代制造变频器的主流产品。20世纪90年代末开始电力电子器件的第四代发展期由于GTR、GT0器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件进入第三代以来，GTR器件已经被淘汰不再使用。进入第四代以后，GT0器件也正在被逐步淘汰。第四代电力电子器件的模块化智能化更加成熟。(2)脉宽调制(PWM)技术随着电压型逆变器在高性能电力电子装置(如交流传动、无功补偿器)中的广泛应用，脉宽调制技术(PWM技术)作为其共同的核心技术，引起人们的高度关注，并得到越来越深入的研究。PWM技术最初是在1964年Ashconung和Hstemmelr发表文章把通信系统的调制技术应用到交流传动中，从此产生了J下弦脉宽调制变频变压的思想，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了一新的道路。PWM技术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦：从效率最优，转矩脉动最小，到消除谐波噪声等。到目前为止，仍然不断的有新方案提出。从实际应用来看，SPWM在各种产品中仍占主导地位，并一直是人们研究的热点，从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生PWM信号，以控制功率器件的开关，到八十年代末到九十年代初使用专门的正弦PWM波产生芯片如HEF4752等，再到如今采用高速微处理SOCl96MC，80C196KC，TMS320C24x，TMS320LF2407A等实时在线PWM信号输出，基本实现了全数字化的方案。从最初的自然采样正弦脉宽调制开始，人们不断探索改进脉宽调制方法，对自然采样的SPVVM做简单的近似，得到规则采样算法，在此基础上，又提出了准优化PWM技术，其实质为在一个基波上面叠加一个幅值为基波14的三次谐波，以提高直流电压利用率。而后出现的空间电压矢量PWM技术初始是以保持电机磁链幅值不变(在平面坐标中轨迹为圆形)为出发点得到的，后来被推广成为当前最有效的工程应用方法。其等效的调制波仍然也含有一定的三次谐波，由于其具有控制简单、数字化实现极其方便的特点，目前也逐渐有取代传统SPwM的趋势。而最近几年研究很多的优化PWM技术具有电流谐波畸变率最小、效率最优、转矩脉动最小的特点，尽管具有计算复杂、实时控制较难，但由于与其它PWM技术相比，具有电压利用率最高、开关次数少、可以实现特定优化目标等突出优点，随着微处理器速度的不断提高，这种PWM技术也逐渐走入实用化阶段。而另外一种应用较多的PWM技术是电流滞环比较PWM以及在它基础上发展起来的无差拍控制PWM均具有实现简单的特点，当开关频率足够高的时候，可以得到非常接近理想正弦的电流波形。到八十年代中后期，人们出于对PWM逆变器产生的电磁噪声给予的越来越多的关注，由于PWM逆变器的电压电流中含有不少的谐波成分，这些谐波产生的转矩脉动作用在定转子上，使电机绕组产生振动而发出噪声。人们为了解决此问题想出了两种方法，一个是提高开关频率，使之高于人耳能感受的范围，另一种方法就是使用随机脉冲频率PWM技术，从改变谐波的频谱出发，使逆变器输出电压电流谐波均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。(3)磁场定向控制20世纪70年代初期提出了两项突破性的研究成果：德国西门子公司的FBalschke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国PCCustmna与AAClakr申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”，奠定了矢量控制的基础。这种原理的基本出发点是，考虑到异步电机是一个多变量、强耦合、非线性的时变参数系统，很难直接通过外加信号准确控制电磁转矩，但若以转子磁通这一旋转的空间矢量为参考坐标，利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变换，则可以把定子电流中的励磁电流分量与转矩电流分量变成标量独立开来，进行分别控制。这样，通过坐标变换重建的电机模型就可以等效为一台直流电机，从而可像直流电机那样进行快速的转矩和磁通控制。其基本出发点还是在于追求加在电机三相绕组上的电压电流的正弦性好。80年代中期，磁场定向矢量控制基本理论研究成熟并形成商品化。磁场定向矢量控制的最重要的特点就是选择和计算出一个紧跟