毕业论文开题报告——异步电机无速度传感矢量控制系统的研究.doc

毕业设计(论文)开题报告题 目：异步电机无速度传感矢量控制系统的研究院 系： 应用技术学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 李舜婷 学 号： 200613010229 指导教师： 蔡斌军 2010年 3 月 16 日开题报告填写要求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。 文献综述一、引言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。通常采用光电码盘等速度传感器来进行转速检测，并反馈转速信号。但是，由于速度传感器的安装给系统带来一些缺陷，系统的成本大大增加，精度越高的码盘价格也越贵，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；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；在恶劣的环境下，码盘工作的精度易受环境的影响。因此，越来越多的学者将眼光投向无速度传感器控制系统的研究。国外在20世纪70年代就开始了这方面的研究，但首次将无速度传感器应用于矢量控制是在1983年由RJoetten完成，这使得交流传动技术的发展又上了一个新台阶，但对无速度传感器矢量控制系统的研究仍在继续。二、无速度传感器矢量控制的几种方法在近20年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，无速度传感器控制技术的发展始于常规带速度传感器的传动控制系统，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。重要的方面是如何准确地获取转速的信息，且保持较高的控制精度，满足实时控制的要求。无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。国内外学者提出了许多方法。 、开环速度估计方法该方法是利用检测到的电机定子电压、电流，通过数学模型（如电压方程、磁链方程、运动方程等）直接推导的数学关系进行转速或转差频率的估计。主要缺点是：开环速度估计对电机参数依赖很大，当电机参数变化时，系统的稳态和动态性能都要受到很大的影响；同时在低速时，开环速度估计的精度将降低。在实际中，常用到的电机参数主要包括定子电阻、转子时间常数、定子瞬态电感以及定子自感等。开环速度估计方法不存在任何误差校正环节，因此抗干扰能力和鲁棒性较差，甚至出现不稳定的情况；另外，定子电阻、转子时间常数都随温度而变化，电感要受电流集肤效应以及磁饱和的影响。主要优点是：算法较为简单，容易实现。 、模型参考自适系统（MRAS）将不含转速的方程作为参考模型，将含有转速的模型作为可调模型，2个模型具有相同物理意义的输出量，利用2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（转速），以达到控制对象的输出跟踪参考模型的目的。根据模型的输出量的不同，可分为转子磁通估计法、反电势估计法和无功功率法。转子磁通法由于采用电压模型法为参考模型，引入了纯积分，低速时转子磁通估计法的改进，前者去掉了纯积分环节，改善了估计性能，但是定子电阻的影响依然存在；后者消去了定子电阻的影响，获得了更好的低速性能和更强的鲁棒性。总的说来，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。模型参考自适应系统的特点：MRAS是基于稳态性理论设计的参数辨识方法，保证了参数估计的渐进收敛性。MRAS是一种自适应控制方法，对电机参数变化和外界扰动具有较强的鲁棒性。MRAS的速度估算是以参考模型为基础的，所以参考模型本身的参数准确程度直接影响到速度辨识的准确程度。 模型参考自适应系统基本原理 目前，大量的模型参考自适应系统都是基于超稳定理论推导的自适应结构（通常可以为PI）进行速度估计的。这些方法的自适应模型都是确定的数学模型，便于数学实现，然而数学模型的使用不同程度地影响了速度估计的精度和鲁棒性。因此采用基于人工智能（神经网络、模糊控制等）的非线性自适应模型是目前模型参考自适应方法发展的方向。 、扩展卡尔曼滤波器法将电机的转速看作一个状态变量，考虑电机的五阶非线性模型，采用扩展卡尔曼滤波器法在每一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，提高转速估计的精确度。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太大。该方法是建立在对误差和测量噪声的统计特性已知的基础上的，需要在实践中摸索出合适的特性参数。最后，该方法对参数变化的鲁棒性并无改进，目前，使用性还不强，并且实现起来比较困难。扩展的Luenberger观测器适用于非线性时变系统。在高性能转矩控制感应电机调速系统中，采用ELO所得到的估计偏差很小，尤其是它可以用常规的设计方法，即通过调整点位置来调节ELO的暂态行为，而且这种调节不会使静态性能变坏。感应电机转矩控制的调速系统中，对转子速度和转子磁链采用ELO不仅可以获得精确的速度估计，还能获得快速的暂态响应；虽然在低速时对转子速度和转子磁链的非线性估计能力有所降低，但只要在零速附近，系统不是匀速运行，ELO估计能力的降低不会构成严重的问题。在高性能无速度传感器调速系统中，采用合适的观测器能够使电机稳定运行在很宽速度范围，甚至在非常低的转速下也能稳定运行。、利用人工智能方法估计人工智能（包括神经网络、模糊逻辑控制、专家系统等）在高性能交流电机调速系统中的应用越来越广泛。其中，神经网络由于具有自适应、自学习、容错性等优点，弥补了传统的采用PI调节器进行自适应辨识的不足，因此广泛应用于电机的转速估计。主要特点有：对电机参数变化和噪声具有很强的鲁棒性；不使用依赖速度的电机数学模型。目前提出的神经网络速度估计方法大多基于模型参考自适应（MRAS）理论。常规的基于MRAS的ANN速度估计如图。该估计器通过比较电压模型（参考模型）和电流模型（ANN可调节模型）输出的转子磁链（或电动势、无功功率等），采用BP算法来对神经网络进行训练，调节权值，使估计转子磁链跟踪转子磁链给定值，从而使估计转速跟实际转速，并对其参数的变化和系统的噪声具有很好的鲁棒性。一般说来，基于人工神经网络的方法在理论研究上还不太成熟，其具体实现还有一定难度，离实用化还有一段路要走，但随着智能控制理论与应用的日益成熟，将会给传动领域带来革命性的变化。 常规的ANN速度估计原理 、利用凸极（几何、饱和）效应估计速度 利用转子齿槽谐波可估算三相感应电机的转差频率和转速。然而在高性能无速度传感器调速系统中，由于受测量宽带的限制，这种估算法已经不再用于直接估算速度，而是间接地用于MRAS速度估算器中。这种速度估算技术的主要优点在于电机的参数不会影响估算精度，而且它适用于所有负载情况，当转子处于零速度和低速度时也可利用电机的凸极效应估算转子的位置和速度。另外，感应电机无速度传感器矢量控制的速度估计方法是目前高性能交流调速研究的一个热点，还存在其它速度估计方法，如高频注入法等。综上所述，利用电机数学模型推导出的转速估计方法受电机参数的影响都比较大，并且在低速区和起动过程存在一定问题。不依赖电机数学模型的速度估计方法，不受电机参数的影响，具有很强的鲁棒性，但是速度辨识也由一定的范围，所以结合各种方法的优点，并利用人工智能的方法进行辨识将是很好的发展方向。 三、结束语 上述是对几种无速度传感器的矢量控制的速度估计方法进行了概括性的总结，虽然辨识速度的方法很多，但仍有许多问题有待解决，如系统的精度、复杂性和系统的可靠性间的矛盾、低速性能的提高等。今后无速度传感器控制的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，抗参数变化能力的鲁棒性，降低系统的复杂性，使得系统结构简单可靠。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，实现高性能的无速度传感器异步电机的调速系统的前景相当乐观。 参考文献1、李永东主编. 交流电机数字控制系统M. 北京:机械工业出版社,2002.2、冯垛生,曾岳南主编. 无速度传感器矢量控制原理与实践M. 北京:机械工业出版社,1997.3、曾岳南,陈伯时主编.异步电动机无速度传感器的矢量控制J.电气传动自动化,2000.4、C.Ilas,A.Bettini,L.ferraris,G.Griva,F.Profumo.Comparision of Different Schemes without Shaft Sensor for Field Oriented DrivesJ.IEEE,1994:1579-1588.5、Fang-Zheng Peng,Tadashi Fukao,Robust Speed Identification for Speed-Sensorless Vector Control of Induction MotorsJ.IEEE Trans.On Ind.Appl.1994,30 (5):1234-12406、Vas.P.Sensorless Vector and Direct Torque Control.Oxford University Press,1998.7、Amol S.Kulkarni,M.A.EI-Sharkawi,Speed Estimator for Induction Motor Drive Using an Artificial Neural NetworkJ.Electrie Machines and Drives Conference Record,IEEE,1997,MD2/2.1-Md/2.3.8、Jac-Yoo Yoo,Tac-Sik Park,Secong-Hwan Kim,Ji-Yoon Yoo.Speed Estimation of an IM using Kalman Filter Algorithm at Uitra-low Speed RegionJ.Electrical Machines and Drives Conference Record,IEEE,1997,MC/2/4.1-MC2/4.3. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告开题报告：一、课题的目的与意义；二、课题发展现状和前景展望；三、课题主要内容和要求；四、研究方法、步骤和措施 开 题 报 告一、课题的目的与意义无速度传感器的高性能异步电动机调速系统是当前受到国际电气传动界普遍关心的一项研究课题和开发项目。20世纪7080年代以来夕很多学者和工程技术人员在这方面倾注了大量心血，取得了不少成就，已经发表了许多研究论文和综述，内容十分丰富，国际上已成功地开发了多种系列的无速度传感器高性能通用变频器产品，而国内品牌的通用变频器仍多停留在恒压频比的一般性能上。为了缩短这个差距，很多学校和企业都在进行研发工作，但从总体上看，主要是学习国外的文献，罗列国外的成果，吸收和模仿国外的产品。另外，随着电力电子技术、微电子技术和数字信号处理器芯片的飞速发展和广泛应用，矢量控制的交流传动系统进入了高精度伺服控制领域，实现了无速度传感器矢量控制，而且全数字化的交流调速系统已经开始取代以前的模拟式交流调速系统。人们期待随着交流调速技术的不断成熟，交流调速系统将在几乎所有工业应用领域中取代直流调速系统。二、课题发展现状和前景展望从20世纪60年代开始至今，无论是交流调速系统的研究还是开发方面，德国一直处于领先地位。我国学者早期发表文章时，常引用德国西门子公司Blaschke和日本三菱电机公司孝良（Nakano）的有关文献。矢量控制的发明和发展对电力电子和交流调速都带来巨大的冲击。矢量控制的论文发表20余年；但真正实用化不过10年左右历史。自1957年美国通用电气（GE）公司发明SCR以来，以SCR整流器为电源的直流传动方式非常普及，可是直流调速存在如下缺点：电动机容量、最高转速、环境条件受到限制。换向器、电刷维护不便。人们在期望能弥补上述缺点的新型交流调速方案出现。在1970年前后，由于快速SCR的出现，SCR变频调速的研究进展很快，并进入实用化阶段。特别是1973年发生石油危机时，社会上对变频调速的风机、水泵节能效果高的事实，评价很高。销售量几乎达到和直流调速一样的水平。但总的来说，当时交流调速的技术水平不高，处于有限调速范围内，外部无干扰才能稳定运转的状态，它只是一种单纯的调速装置，在比较复杂的如轧钢机可逆传动方面尚不能应用。最初的变频调速是用开环U/f恒定控制。后来增加了电流环，称它为转差频率控制，改善了性能并已实用化。但系统只是从稳态公式推导出的平均值控制，完全不考虑过渡过程。这样一来，交流调速系统的稳态性、起动及低速时的转矩动态响应与用瞬时值控制的直流调速相比就略逊一筹。此外，交流调速系统主回路由于采用半导体开关电路，故转矩脉动、高次谐波、无功功率增大也成了问题。在70年代，要说用交流电动机代替直流电动机几乎是没有人会相信的。在此背景下，人们当然会去努力探索更新的交流控制方案。不管是SCR电压型还是电流型的逆变器，必须用换相电路。用电容和电抗组成的换相电路，存在体积大、重量重、换相时间长的缺点，故希望开发出不换相的自励式逆变器。1971年，期间生产厂做出高压GTR，可用于线电压200V的系统。这样，载波频率为3kHz的PWM逆变器开始登场。可以说，这是矢量控制研究的必经之路。经过许多专家学者和工程技术人员的不断改进与完善，终于形成了目前得到普通应用的矢量控制应用的矢量控制变频调速系统。其后，又开发出GTR、IGBT模块