异步电机参数在线辨识技术的研究（硬件部分）毕业设计.doc

中 国 矿 业 大 学 本科生毕业设 计 学 院 中国矿业大学应用技术学院 专 业 电气工程与自动化 设计题目 异步电机参数在线辨识技术的研究 硬件部分 学院 应用技术学院 专业年级 电气自动化 07 4 学生姓名 罗新功 任任务务下下达达日日期期 2010 年年 3 月月 10 日日 毕业论文日期 毕业论文日期 2010 年年 3 月月 10 日至日至 2010 年年 6 月月 10 日日 毕业论文题目 异步电机参数在线辨识技术的研究 硬件部分 毕业论文题目 异步电机参数在线辨识技术的研究 硬件部分 毕业论文专题题目 毕业论文专题题目 毕业论文主要内容和要求 毕业论文主要内容和要求 1 三相异步电动机原理三相异步电动机原理 2 异步电动机的参数辨识发展概述异步电动机的参数辨识发展概述 3 异步电动机参数在线辨识原理异步电动机参数在线辨识原理 4 硬件设计硬件设计 5 完成毕业设计完成毕业设计 院长签字 指导教师签字 中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书 指导教师评语 基础理论及基本技能的掌握 独立解决实际问题的能力 研究 内容的理论依据和技术方法 取得的主要成果及创新点 工作态度及工作量 总 体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 指导教师签字 年 月 日 中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书 评阅教师评语 选题的意义 基础理论及基本技能的掌握 综合运用所学知识 解决实际问题的能力 工作量的大小 取得的主要成果及创新点 写作的规范程 度 总体评价及建议成绩 存在问题 是否同意答辩等 成 绩 评阅教师签字 年 月 日 中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩 答 辩 情 况 回 答 问 题 提 出 问 题 正 确 基本 正确 有一 般性 错误 有原 则性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩 答辩委员会主任签字 年 月 日 学院领导小组综合评定成绩 学院领导小组负责人 年 月 日 摘 要 异步电动机的用途十分广泛 它遍及各个生产部门 容量从几十瓦到高于几千千瓦 在轧钢厂中被用来拖动小型轧机 在相关工厂用来拖动卷扬机和鼓风机 在工厂和家庭 中到处可以看到异步电动机 异步机之所以用的如此广泛 主要原因是它的结构简单 造价低廉和维修方便 并有较好的工作特性 但是异步电动机也存在着功率因数低 调 速性能不够好等缺点 随着变频技术的发展 异步电动机的调速性能已大大地得到了改 善 异步电动机的参数辨识既是基础理论课题 又是应用课题 目前有两类辨识方法 一为频域响应法 该法在计算方法上较为成熟 算法稳定性较好且具有一定的滤波功能 但其缺点是对输入的信号要求严格 频响分析是建立在线性系统基础上 它不能反映动 态过程中的非线性特征 二为时域辨识法 其最大优点是能够自动计及工况影响 一旦 辨识成功 很多因素都自然包含在参数的估计值中 简单易行 计算简便 不需附加任 何其他条件 但时域辨识法用于在线辨识时也存在一些问题 如周围环境的影响 辨识 信号不能太大否则会影响电动机的正常工作 在线辨识还有可能遇到不同实验或同一实 验所识别的参数不稳定的问题 目前时域辨识方法主要有卡尔曼滤波法和最小二乘法 这两种方法一是存在局部最小或收敛性问题 二是往往采取线性化而带来误差 本文分析了上述辨识方法 结合实例对比分析了其应用特点 并提出了在电动机 T 参数模型下将转子漏抗集中折算到定子侧的电动机参数识别方案 通过理论分析 阐述 了方案的可行性 并通过仿真试验验证了其可靠性和准确性 在可接受测量精度的条件 下 该方案使辨识方法更简单 运算速度更快 易实现 对驱动系统本身不须做大的改 动 关键词关键词 异步电动机 在线 参数辨识 辨识研究 ABSTRACT The use of a wide range of asynchronous motor which throughout the various production sectors higher capacity from tens of thousands of watts to kilowatts In the rolling mill was used to drag a small mill used to drag the winch in the relevant plant and blowers Everywhere in the factory and the family can see the induction motor The reason why asynchronous machines so widely used mainly because of its simple structure low cost and easy maintenance and better operating characteristics However there are asynchronous motor power factor is low speed performance is not good enough shortcomings With the development of inverter technology induction motor speed performance has greatly improved Induction motor parameter identification is based on theoretical topics it is the application task There are two types of identification methods 1 for the frequency response method the method is more mature in the calculation method the algorithm stability is good and has some filtering but its drawback is that the input signal demanding Frequency analysis is based on the establishment of linear systems it does not reflect the nonlinear characteristics of dynamic process Second time domain identification method the biggest advantage is the ability to automatically account for effect once the identification of success many factors are naturally included in the parameter estimates the simple calculation is simple without any additional requirement But the time domain identification method for online identification when there are some problems If the surrounding environment identification signal can not be too large otherwise it will affect the normal operation of electric motors line identification may also encounter different or the same laboratory experiments to identify the main instability Current time domain identification methods are Kalman filtering and least square method the first two methods exist local minima or convergence problems the second is often brought to linearization errors This paper analyzes the identification method compared with examples of its application characteristics and made T parameter model in the motor rotor to the stator leakage reactance of the side focus on conversion of motor parameter identification program Through theoretical analysis described the feasibility and the simulation results show its reliability and accuracy Acceptable accuracy under the conditions of the program to identify ways simpler faster easy to implement on the drive itself does not need big changes Key words induction motor on line parameter identification identification of 目目 录录 1 1 三相异步电动机原理三相异步电动机原理 1 1 1 三相异步电动机的结构 1 1 1 1 定子的结构 1 1 1 2 转子的结构 1 1 1 3 气隙 2 1 2 三相异步电动机的工作原理 2 1 2 1 旋转磁场的产生 2 1 2 2 三相异步电动机的工作原理 4 1 3 异步电动机的工作特性 4 1 3 1 转速特性 n f 2 P 5 1 3 2 定子电流特性 1 I f 2 P 5 1 3 3 定子功率因数特性 1 cos f 2 P 5 1 3 4 电磁转矩特性 T f 2 P 5 1 3 5 效率特性 2 P 5f 2 2 异步电动机的参数辨识发展概述异步电动机的参数辨识发展概述 7 2 1 发展情况 7 2 2 异步电动机参数辨识的种类 9 2 3 在线参数辨识的目的和意义 11 3 3 异步电动机参数在线辨识原理异步电动机参数在线辨识原理 12 3 1 参数在线辨识原理 12 3 2 影响异步电动机在线参数的因素 12 3 3 三相异步电动机的 T 型等效电路 13 3 4 电机参数辨识常用试验方法 16 4 4 硬件硬件设设计计 18 4 1 电源电路设计 18 4 2 温度检测电路设计 19 4 2 1 温度传感器的选择 19 4 2 2 铂电阻传感器的测量电路 20 4 2 3 恒流源的设计 21 4 2 4 检测电路设计 22 4 3 ATmega16 芯片 23 4 3 1 引脚设置 23 4 3 2 复位电路设计 24 4 3 3 振荡电路设计 25 4 3 4 单片机及外围连接电路 25 4 4 显示电路设计 25 4 4 1 引脚设置 26 4 4 2 显示电路 26 4 5 串口通信 27 5 5 结论结论 28 参考文献参考文献 29 翻译部分翻译部分 30 英文部分 30 中文译文 34 致致 谢谢 40 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 1 页 1 三相异步电动机原理 1 1 三相异步电动机的结构 异步电动机由定子和转子两部分组成 定子和转子之间有气隙 为了减小励磁电流 提高功率因数 气隙应做的尽可能小 按转子结构不同 异步电动机分为笼型异步电动 机和绕线转子异步电动机两种 这两种电动机的定子结构完全一样 仅转子结构不同 1 1 11 1 1 定子的结构定子的结构 异步电动机定子由定子铁芯 定子绕组和机座等组成 定子铁芯是电动机磁路的一 部分 一般有绝缘漆的 0 5mm 硅钢片叠压而成 采用硅钢片的原因是为了减少铁损 绝 缘漆可以减少铁芯的涡流损耗 定子铁芯的内圆上开有很多个定子槽 用来安放三相对 称绕组 有引出 3 根线的 也有引出 6 根线的 可以根据需要连接成星形或三角形 机 座的作用主要是固定定子铁芯的 因此除有足够的强度外 还要考虑通风和散热的需要 图 1 1 是笼型异步电动机定子的结构图 图 1 2 是笼型异步电动机的纵向结构图 图 1 1 图 1 2 1 1 21 1 2 转子的结构转子的结构 异步电动机转子由转子铁芯 转子绕组和转轴组成 转子铁芯也是磁路的一部分 一 般由 0 5mm 硅钢片叠成 铁芯与转轴必须可靠地固定 以便传递机械功率 转子铁芯的 外圆周上也冲满着槽 槽内安放转子绕组 转子绕组分绕线型和笼型两种 绕线型转子 为三相对称绕组 常连接成星形 3 条出线通过轴上的 3 个滑环及压在其上的 3 个电刷把 电路引出 这种电动机在启动和调速时 可以在转子电路中串入外接电阻 或进行串级 调速 绕线转子异步电动机转子绕组连接 如图 1 3 所示 图 1 3 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 2 页 笼型转子绕组由槽内的导条和端环构成多相对称闭合绕组 有铸铝和插铜条两种结构 铸铝式转子把导条 端环和风扇一起铸出 结构简单 制造方便 常用于中 小型电动 机 插铜条式转子把所有的铜条与端环焊接在一起 形成短路绕组 笼型转子如果把铁 芯去掉单看绕组部分 其形似鼠笼 因此称为笼型转子 如图 1 4 所示 图 1 4 1 1 31 1 3 气隙气隙 在定子和转子之间存在着空气隙 它的大小对电动机的性能影响很大 为了改善性能 异步电动机空气隙一般较小 中 小型异步电动机的空气隙为 0 2 1 5mm 而且是均匀的 1 2 三相异步电动机的工作原理 1 2 11 2 1旋转磁场的产生旋转磁场的产生 已知异步电动机的工作三个条件首先是要有个旋转磁场 对磁场的要求是 磁场的 极性不变 大小不变 转速不变 稳定的转速 旋转磁场是定子绕组按一定规律排列 而产生的 理论与实践证明 三相对称绕组中通入三相对称电流后 空间能产生一个旋 转磁场 且极性 大小 转速均不变 三相对称电流 指A B C 三相电流大小相等 时间上互差 120 三相对称绕组 指A B C 三相绕组匝数相等 空间上互差 120 为构成三相对称绕组 绕组在定子中安放有一定的规律 规定 1 三相定子绕组头尾标志为 A X B Y C Z 2 三相定子绕组按A Z B X C Y 的顺序放入定子槽内 使之空间互差 120 最简单的是每相一个线圈 三相绕组共3 个线圈 6 个线圈边 定子上开有6 个槽 三相电流的表达式为 tIi mA cos 120cos tIi mB 240cos tIi mC 三相电流变化的频率是f 50HZ A B C 三相是随t 变化的 A B C 交替出现最大值 称之为正序 规定 电流为正值时 从每相线圈的首端 A B C 流出 由线圈末 端 X Y Z 流入 电流为负值时 从每相线圈的末端流出 由线圈首端流入 符号 表示电流流出 表示电流流入 取 4 4 个特定时间 如图1 5 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 3 页 图1 5 可见 旋转磁场有如下特点 1 相当空间有一个大小 极性 转速不变的磁极在旋转 2 产生一对极 共开6 个槽 3 个线圈 跨矩为1 2 圆周 3 按A B C 相序 磁场逆时针旋转 称正转 4 当电流变化一个周期3600 时 磁场在空间转一圈 若电流每秒变化f1 360 周 磁场转n0 转 即n0 f1 转 秒 习惯上用每分钟表示 n0 60f1 转 分 同步转 速 如2 极电动机 p 1 n0 60 f1 3000 转 分 若要求磁场产生4 4 个极呢 只需在绕组排列上作些变动即可 原则仍为 1 三相对称绕组 空间互差120 2 放置次序为A Z B X C Y 不同的是每相不是一个线圈 而是4 个 下面以4 4 极电动机为例进行分析 如图1 6 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 4 页 图1 6 可见 1 电流变化一周360 磁场在空间只旋转半圈180 2 转向仍为逆时针 正转 逆时针 3 转速1500 转 分 4 电动机极数多 磁场转速慢的原因是 每个线圈只占1 4 圆周 较2极电动机少 一半 一个极矩是180 电流变化一周是360 导体应当经过一对极 现在一对极只占半 个圆周 固磁场转动速度较2 极电动机慢一半 1 2 21 2 2 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理 如已知定子能产生一个极性 大小 转速均不变的旋转磁场 以n0旋转 相当于 模型中的大磁铁 当转子导条受磁场切割 右手定则 相对运动 可知 导条中感应电 势的方向 又转子是闭合的 所以在转子绕组中有电流产生 转子电流的方向在大多数 导体中与电动势方向是一致的 根据左手定则可知 这些载流导体在磁场中受力所形成 的总电磁力钜方向是顺时针的 这个电磁力矩就是拖动电动机旋转的电磁转矩 它使转 子顺磁场方向旋转 当电动机的电磁转矩与负载的阻转矩在某一转速下相等时 电动机 就在这一转速下正常运行 1 3 异步电动机的工作特性 异步电动机的工作特性是指在定子电压 频率均为额定值时 电动机的转速 定子电 流 功率因数 电磁转矩 效率与输出功率的关系 即在 时 N UU 1n ff 1 n 1 I 同的关系 对于中 小型电动机 其工作特性可以用直接加负载的办法测 cos 2 T 2 P 得 大容量电动机因受设备的限制 通常由空载和短路试验测出电动机的参数 然后再 利用等值电路来计算出工作特性 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 5 页 异步电动机的工作特性曲线 分别介绍如图1 7 图 1 7 1 3 11 3 1 转速特性转速特性 nf 2 P 当电动机空载时 输出功率为为 0 电动机的电磁转矩只用于克服空载转矩 2 P 0 T 此时转子电流 转子铜损耗很小 可忽略 转差率 s 很小 接近于 0 电动机的转速接近 同步 随着负载的增加 增大 这时转子电动势 转子电流均增大 以产生大的电 1 n 2 P 磁转矩来平衡负载转矩 相应的转速有所下降 但降得不多 转差率增加并不很大 当 时 也增大到 0 015 0 05 转速特性 是稍微向下倾斜的一条近 2 P N P N snf 2 P 似直线的曲线 如图 1 7 所示的第 1 条曲线 这里的曲线从上是 1 2 到最下 5 1 3 21 3 2 定子电流特性定子电流特性 1 If 2 P 电动机空载时 转子电流差不多为 0 定子电流近似等于励磁电流 随着负载增 2 I m I 加 转速下降 转子电流增大 励磁电流基本不变 定子电流也增大 当较大时 定 2 P 子电流几乎随按正比例增加 如图 1 7 所示的第 4 条曲线 2 P 1 3 31 3 3 定子功率因数特性定子功率因数特性 1 cos f 2 P 空载时 空载电流基本上是无功电流 因此功率因数很低 不超过 0 2 1 I m I 1 cos 当负载增大时 定子电流中的有功电流增加 使提高得较快 接近额定负载时 1 cos 但最高 负载再增加时 由于转差率增大 加大 转子电流的无功分量有所增加 1 cos 2 sr 相应定子电流无功分量随之增加 反而略有下降 如图 1 7 所示的第 3 条曲线 1 3 41 3 4 电磁转矩特性电磁转矩特性 Tf 2 P 将输出转矩 代入式 可得异步电动机转矩方程式 2 T 2 P T 2 T 0 T 2 T 2 P 可以得出 电动机空载时 电磁转矩 随着负载增大 增加 由于机械角 0 TT 0 T 2 P 速度变化不大 电磁转矩随着的变化近似的为一条直线 如图 1 7 所示的第 5 条曲线 2 P 1 3 51 3 5 效率特性效率特性 f 2 P 由效率公式 SmCuFeCu PPPPPP P P P 212 2 1 2 可知 电动机空载时 0 0 随着输出功率增加 效率也在增加 但效 2 P 2 P 率的高 低决定于损耗在输入功率中所占的比重 损耗中的铁损耗和机械损耗基本上不 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 6 页 随负载的变化而变化 称为不变损耗 而铜损耗和附加损耗随负载的变化而变化 称为 可变损耗 当输出功率增加时 由于可变损耗增加较慢 所以效率上升较快 当可变损 耗等于不变损耗时 效率最高 约为 0 75 0 94 此时负载出现在 0 7 1 0 范围内 N P 当超过额定负载时 可变损耗增加很快 效率反而降低 一般来说 电动机容量越大 效率越高 如图 1 7 所示的第 2 条曲线 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 7 页 2 异步电动机的参数辨识发展概述 2 1 发展情况 直流电动机拖动和交流电动机拖动在 19 世纪中先后诞生 在 20 世纪的大部分年代 里 约占整个电力拖动容量 80 的不变速拖动系统都采用交流电动机 而只占 20 的高控 制性能可调速拖动系统则采用直流电动机 这似乎己经成为一种举世公认的格局 交流 调速系统的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 直到本世纪 70 年代初叶 席卷世界先进工业国家的石油危机 迫使他们投 入大量人力物力去研究高效高性能的交流调速系统 期望用它来节约能源 经过十年左 右的努力 到了 80 年代大见效 一直被认为是天经地义的交直流拖动的分工局限逐渐被 打破了 高性能交流调速系统应用的比重逐年上升 在工业各部门用可调速交流调速拖 动取代直流拖动的形势已经指日可待 让交流电动机 特别是感应电动机 能实现变频调速一直是学术界 工业界的梦想 因为它是实现高效率调速的最佳手段 钱学森先生在 工程控制论 第一版 1954 专门 列出交流系统一章 1971 年 F Blashke 在前人工作的基础上 提出了磁场定向矢量控制 原理 后来他以此论文以西德技术大学通过了博士了答辩 由于受当时电力电子器件和 微处理器的水平所限制 磁场定向矢量控制技术在 70 年代不可能得到大的发展 晶闸管 问世不久 McMurray 换流电路 辅助可控硅换流电路 与 McMurry Bedford 换流电路 串联 电感式换流电路 串联二极管电路 以及交 交变频周波变流器的相继出现 可关断 器件 GTR 的实用化 16 位微处理器及 DSP 的日益完善 磁场定向矢量技术在 83 85 年左 右才真正取得巨大进步 并迅速转化为产品 其中 W Leohard 教授和他的学生们作了大 量的工作 磁场定向矢量控制在磁场方向计算精确 可实现磁通和力矩的近似完全解祸 可对 交流电动机实现对象直流电动机般的准确控制 但由于电动机在运行时参数必然会发生 一些变化 例如 由于温升 饱和等现象导致的原理性的参数变化 由于暂态 电源幅 值及频率变动 或负载等变化导致的运行参数变化 还有使用后随时间推移产生的老化 性的参数变化 例如 电动机转轴等受力部件的弹性疲劳 轴承磨损等对气隙的影响 绝缘结构及硅钢片老化对电磁性能的影响 各种应力作用及其所产生的振动 不仅直接 损坏绝缘 且危及各零部件的强度 其他一些环境因素 如污物 粉尘 霉菌 盐雾 腐蚀 辐射等也会影响电动机的功能及参数变化 尤其一些高度的非线性现象 当电动 机运行在大范围内变化时 参数改变的影响更为重要 例如 采用磁场定向矢量控制计 算零频下磁通的非线性模型 零频下磁通的非线性模型一切均以转子时间常数几为准 但受温度升高影响而缓慢变化 受饱和影响快速变化 所以 将电动机模型当作恒定参 数的现行方程式 不仅不符合实际 也满足不了当前发展的需要 这一切似乎表明除建 立更精确的电动机数学模型来反映电动机的运行状态外 电动机的控制手段也表现得更 为智能化 鉴于此 参数的自估计就理所当然成为 90 年代磁场定向矢量控制的研究重点 参数自估计包括 a 静态方法 适用于电动机启动时 或工作间隙运行次程序 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 8 页 b FO 一 IM 的自适应参数估计方法 模型参考自适应方法 最小拍适应控制 前者严格意义上属于参数离线识别 而后者则涉及到参数的实时测量 参数自测试是现代传动系统的主要特征之一 这种参数自测试是建立在参数辨识方 法之上 并在电动机运行的过程中自动完成 以保证对电动机实现更有效 更准确的控 制 交流传动系统的自适应问题包括两个方面 1 解决矢量控制系统对电动机参数的敏感性的问题 2 在矢量控制系统的基础上 解决交流传动系统中对转动惯量 负载 和各种非 理想因素的适应控制问题 感应电动机磁场定向控制策略 矢量控制 在实现电动机转矩高性能控制的同时 存 在对电动机参数的很强依赖性 一般的矢量控制系统无法适应电动机参数随电动机温升 和励磁等工况不同所发生的变化 因而导致电动机在错误的励磁条件持续运行和动态转 矩出现震荡 几乎自矢量调整控制技术一出现 人 就希望寻找一种能解决电动机参数 变化并确保系统性能的方法 近 10 年来 于电力电子技术和微电子技术的迅猛发展 这 一问题越来越受到人们的关注 解决感应电动机矢量控制系统对电动机参数敏感性问题的方法不外乎有两种 1 研究出不涉及任何电动机参数 不附加任何测试条件 以及对电动机的运行状态 不作任何要求的控制方法 2 准确的获得电动机的主要的实时参数用于电动机控制 以实现对电动机的控制 然后一种方案更易于实现 由此可见 电动机的参数辨识对于今天的工业应用有非常重 要的意义 电动机的参数辨识 尤其是对异步电动机的参数的识别的工作中大量科研工作者作 了大量的工作 最初通过电动机空载 堵转实验获取异步电动机的参数 而 70 年代初 提出利用电动机的转矩与转速 电流与转速特征关系进行离线识别 随着控制技术的发展 人们可以通过对输入 输出的结果的测量 用传递函数和状 态方程可识别动态系统参数 于是纷纷转向可测量的电压 电流 转速或转轴的空间位 置 来进行参数识别 电动机运行于暂态模式下 由于无功功率的计算与测量均依赖于转子时间常数几 为使二者间的偏差最小 基于此 Garces 提出了在磁场定向的传动系统中解决转子时间 常数几适应性的方案 Zai 和 Lipo onhard 仅局限于变化缓慢 转速波动量在额定值的 5 条件下 Gabriel 和 Leonhard 则通过在磁场定向控制系统的 d 电流轴上叠加 地电平的伪随机二进制码序列以校正方法识别电动机参数 但 PRBS 信号可能会对传 动系统的性能造成影响 Sheriling 提出了输入四种不同的电压信号通过测量电动机静止状态下的电流频响来 确定电动机的漏感 转子时常数 转子电阻 定子电阻 Holtz 以一只 80196 芯片完成了 电动机参数的测量 并使之商品化 成为诸多商用变频器上使用的一项专利 由此可以看出 异步电动机的参数识别经历了由离线识别到在线识别这一过程 而 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 9 页 且由靠单纯的频率响应频域识别的办法发展到时域辨识法 随着近几年来现代控制理论 的发展 最小二乘法 卡尔曼滤波法 模糊算法 神经网络理论也纷纷被引入 用以异 步电动机的参数识别 总体而言 在电动机的参数识别的研究过程中 国外的科研工作者做了大量的工作 尤其是欧洲的科研工作者 其中以俄国的科研人员的工作最为深入 相形之下 美国近 些年来似乎有意淡出在电动机这一领域的研究 而国内科研工作者相对更加专注于同步 电动机问题的研究工作 在异步电动机参数识别方面的投入不大 成果也不太多 2 2 异步电动机参数辨识的种类异步电动机参数辨识的种类 在控制理论中 对一些物理现象或过程按需要进行模型化 用观测后得出的输入 输出数据来确定模型的参数及结构称为系统辨识 辨识的方法可以分为两类 一种是利用 辨识对象正常运行条件下的输入 输出信息 在初始估计下开始 靠递推算法 逐步修 正估计值的在线辨识 其特点是在一定的条件下 计算机内存 运算速度及算法 能进行 实时处理 另一类是将辨识对象由系统中分离出来受时间限制的离线辨识 其特点 信息 存储大 电动机的参数辨识既是基础理论课题又是实际应用课题 由于电动机的复杂电磁状 态 其中的部分参数又表现出非线性 因此又是难度较大的课题 对此人们做了不少工 作 形成了一些理论体系与方法 异步电动机的参数识别按辨识手段的特点又可分为两 类 一为频域响应法 该方法起源于 50 年代 在 70 80 年代形成了高潮 民前该方法在 分析理论 测试及处理技术等方面都已有了根本的改进 总结近年来对频域响应法本身 理论的研究与实践可发现该法在计算方法上己较为成熟 算法稳定性较好且具有一定的 滤波功能 其缺点就是对输入的信号要求严格 频域分析建立在线性系统基础上 不能反 映动态过程中的非线性 由于方法本身限制 目前国外电动机频响研究趋于减少 二为时域辨识法 该方法于 70 年代末 开拓电动机参数测试的广阔前景 其最大优 点是能够自动计及工况影响 一旦辨识成功 很多自然的因素都包含在参数的估计值中 简单易行 计算简便 不附加任何其他条件 但在线辨识也存在一些问题 如周围环境的 影响 辨识信号不能太大否则会影响电动机的正常工作 在线辨识还有可能遇到不同实验 或同一实验所识别的参数相差较大 即参数不稳定的问题 目前时域辨识方法主要有卡 尔曼滤波法和最小二乘法 这两种方法一是存在局部最小或收敛性问题 二是往往采取 线性化而带来误差 下面对异步电动机参数辨识方法进行一些综述 异步电动机参数辨识的方法有离线 辨识和在线辨识两种 第一种主要解决的是异步电动机质量检测问题和异步电动机调速 系统启动时电动机参数的自检测问题 第二种主要解决的是异步电动机调速系统运行过 程中电动机参数变化的问题 具体可分为 1 最小二乘法辨识电动机参数 在电动机参数辨识研究中 最小二乘法是一种运用相当多的一种回归估计的参数辨 识方法 它通常要求系统的输出对于被辨识参数来说是线性的 在满足了这个条件的时 候 就能运用最小二乘法的方法对参数进行辨识了 在方差是白噪声的时候 最小二乘 法会有一致性 无偏性和有效性等统计性质 通常在使用过程中 需要考虑每次观测的 数据对估计参数的不同影响 就可以采用加权的方法 通过观测精度和实际需要来确定 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 10 页 权矩阵的主对角元素 但为了能提高参数辨识的精度 就要求有尽量多的数据 也就是 需要相当大的样本容量 但这样一来就需要有更大的内存容量 又加大了处理器计算的 工作量 如果运用递推算法就可以不需要进行重复的计算 而且可以不断的更新估计值 所以就可以减少计算的工作量 使参数辨识方法简便 当今在电动机参数辨识过程中 提出最小二乘法的辨识方法 如果设定系统的干扰 为白噪声情况时 由于观测的误差 模型的误差以及外干扰的存在 就使这种参数辨识 的理想情况不在存在 也就导致了这种辨识方法不再具有无偏性 除此之外 相对于电 动机的状态空间模型 现在常用的方法是检验状态空间模型的可观测性 在将其转换成 可观测的标准值 而后求出输入输出之间差分方程的关系 最后依据现有的方法进行参 数辨识 所以它的计算量相对与别的参数辨识方法还是比较大的 2 状态观测法辨识电动机参数 运用状态观测器的方法进行电动机参数的辨识 它的基本思想是把要进行估计的电 动机参数看作系统内部的状态 然后把估计的参数和电动机模型方程进行组合 最后用 观测器的理论为依据来设计参数辨识方法 把我们需要的参数观测出来 龙贝格观测器 和卡尔曼滤波器是电动机控制中最常用的两种观测器 第一种是根据极点配置理论来确 定系统的状态观测器 第二种是最小方差意义上的最优预测估计方法 异步电动机通常是非线性系统 如果用龙贝格观测器进行电动机参数的辨识 那么 就要运用广义的龙贝格观测器 广义龙贝格观测器是龙贝格观测器在非线性系统中的推 广 它基本的思想是 首先把非线性的系统转换为线性化系统 然后运用龙贝格观测器 的算法对其状态进行估计 通常电动机的模型受转速的影响 都不是线性的 因此需要 根据速度的变化来重新计算系统的模型和反馈矩阵 所以计算量比较大 计算时间也较 长 因为广义龙贝格观测器反馈矩阵的系数是通过极点配置来选择的 所以极点选择的 好坏就决定了观测器的性能 假如极点离虚轴很近 观测器的收敛速度就会比较慢 假 如极点离虚轴很远 测量的误差就会被放大 影响到辨识的结果 遗憾的是 现在我们 比较多的选择极点是在不同的转速下依靠经验来预先进行判断 利用我们要用到的极点 重新来计算反馈系数 3 模型参考自适应辨识电动机参数 模型参考自适应法是自适应控制方法的一种 它是根据控制系统中存在的不确定因 素提出的 是一种依据数学模型的控制方法 它所依据的关于模型和扰动的常态参数是 很少的 所以要求在系统工作中实时获取有关模型的信息 达到模型趋于完善的目的 应用模型参考自适应法对参数进行辨识的主要思路是 把包括待估计参数的方程当作可 调模型 把不包括待估计参数的方程当作参考模型 两个模型包括同样物理意义的输出 量 根据两个模型输出量之间的差值 运用恰当的自适应规律 动态的更新可调模型的 参数 直到两个模型的输出差值接近零值 在系统保持稳态时 理论上就能认定可调模 型中的参数值就是我们需要的参数值 得到的此参数就能用来更新系统中对应的参数 4 信号注入法辨识电动机参数 这种方法的思路是 通过给系统加入特定的检测信号后 反馈系统的某个或某些物 理量就会响应 通过对这些物理量响应的处理就能得到所要辨识的电动机参数 此参数 辨识方法对输入的检测信号有特定的要求 首先 要求这个检测信号对系统的影响与被 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 11 页 辨识电动机的参数有密切的关系 其次 这种检测信号应能满足一些条件的限制 比如 要有足够宽的频率范围 测试信号要尽量大等条件 最后 外加的测试信号不能对系统 的正常运行产生明显的影响 输入的信号可以是系统正常工作时的信号 也可以是正常 运行条件下系统内部的扰动信号 还可以是外加的测试信号 运用正常的工作信号或内 部的扰动信号作为输入检测信号是比较方便的检测方法 但是只有在它们符合参数辨识 的要求时 省略掉外部附加的信号才是可以的 5 智能控制法辨识电动机参数 上述所叙述的是在控制中运用较多而又比较经典的参数辨识的方法 都具有自己的 特色 也存在了一些自身的缺点 比如 参数辨识的精度受到噪声的影响 并且收敛速 度和鲁棒性也需要进一步的提高 在 DSP 等快速处理器发展的今天 许多智能控制理论 的电动机参数辨识方法相继也一一研究出来 这些参数辨识方法更加提高了控制系统的 性能 2 3 在线参数辨识的目的和意义 电动机是随着生活和工业的发展而诞生的 随着社会的进步而发展的 电动机技术 的运用反过来又带动了社会生产力的不断发展 生产力的不断发展 又要求更先进的电 动机及控制系统的应用 20 世纪 30 年代初 出现了发电动机 电动机组 使调速性能优异的直流电动机得到 了广泛的应用 在 20 世纪 40 年代末到 50 年代 对串级及离子变频的交流调速系统进行 了一些研究 并提出了无换向器电动机的原理 其后 晶闸管及电力电子自关断器件的 出现 为交流调速系统开辟了广阔的空间 在实际的应用中 直流调速系统的性能是优于交流调速系统的 但随着电动机使用 技术的发展 交流电动机在应用领域越来越多的替代直流电动机 这就导致研究交流调 速控制系统成为必然 然而要实现对交流电动机像直流电动机的控制那样准确 就需要知道电动机的准确 参数 可是 电动机在工作时参数是实时变化的 比如 由于温度变化 集肤效应 饱 和等现象导致参数的变化 当电动机在大范围内变化工作时 参数变化的影响就会更加 的严重 当前 我们所用的异步电动机和变频器基本上是不同的厂家所生产的 相对于变频 器来说 电动机的参数是不知道的 可是 在启动调速系统之前 我们必须要知道电动 机的参数 虽然电动机的铭牌已经给提供了少许的参数 但是高性能的拖动系统 这样 的数据并不能满足我们的要求 所以 在启动电动机之前需要对一些参数进行精确的测 试 在调整调节器的参数 比如三相异步电动机 可以在电动机常态下测量电动机定子 电压和电流来获得电动机的参数 这时 变频器用来产生参数辨识所需要的各种测试信 号 我们知道电动机参数以后 电动机在正常工作情况下 只需要在线辨识少量参数就 可以了 磁场定向控制在对交流电动机实现转矩高性能控制的时候 对电动机参数的依赖性 是很强的 平常的矢量控制系统是没有办法适应电动机的参数随温度变化和励磁等不同 情况所发生的变化 这就导致电动机在不正确的励磁条件下持续运行和动态转矩出现震 荡现象 直接转矩控制的时候 对整个控制系统的产生很大影响的因素是定子磁链的准确与 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 12 页 否 高速条件时 比大许多 的变化对定子磁链的影响就比较小 不考虑变 s u ssi R s R s R 化的情况下 控制系统也能满足正常要求 但是低速条件时 和在同一个数量级别 s u ssi R 此时就应该考虑定子电阻的变化对定子磁链和转矩的影响 我们知道 定子电阻的变 s R 化范围是很大的 一般可以达到其标准值的 0 75 1 7 如果此时不考虑定子电阻的变化 情况 计算出来的定子磁链 转矩的准确性将会受很大影响 这就使有定子磁链和转矩 输出误差决定的电动机运行性能变差 定子电阻的误差不仅影响到控制系统的控制精度 有的时侯还导致电动机不能稳定的运行 由上可知 电动机参数的变化对电动机的运行有很大的影响 因此 电动机参数在 线辨识具有十分重要的意义 3 异步电动机参数在线辨识原理 3 1 参数在线辨识原理 矢量控制或直接转矩控制与电动机基本参数辨识是分不开的 异步电动机基本参数 的变化对磁场定向的准确性影响很大 当基本参数发生变化时 由于不能够进行准确的 磁场定向 将导致矢量控制系统或直接转矩控制系统性能的下降 所以参数的准确性直 接影响对电动机控制程度的好坏 因此 如何准确地获得这些参数是矢量控制系统或直 接转矩控制系统需要解决的首要问题 下面讲述一下异步电动机在线辨识中的原理 异步电动机定子绕组一般用铜材料制 成 绕组的电阻值与绕组的温度呈线性关系 通过测量绕组的温度值 就可以根据电阻 与温度的线性关系计算出绕组的电阻值 绕组电阻值与温度的关系为 3 1 0 1 RRt 式中 R 是 t 的电阻值 是 0 的电阻 为电阻温度系数 其中铜电阻温度系数 0 R 为 3 4 27 10 先测出异步电动机在静止状态下绕组的电阻值和温度值 在前面已经用直读法测出 了定子绕组的电阻值 再利用公式 3 1 就可以计算出 0 的电阻 当电动机工作时 0 R 通过定子槽内温度传感器在线监测出定子绕组的温度 然后利用公式就可以计算出电动 机工作时的动态定子电阻值 3 2 影响异步电动机在线参数的因素 由于异步电动机在运行过程中受到现场工况的影响 电动机参数会发生改变 主要 影响因素如下 l 温度变化 在电动机正常工作的情况下 由于运转时的摩擦 电动机温度会发生 变化 而电动机的定子绕组一般是铜导线制成的 所以温度变化会导致定子电阻阻值的 变化 2 频率变化 异步电动机通过改变电源频率而达到调节转速的目的 当电源频率增 大时 由于集肤效应的影响 根据槽深的不同 转子电感会有不同程度的减少 而转子 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 13 页 电阻也会有不同程度的增大 3 磁路饱和 励磁电感是由气隙长度与铁心磁饱和程度来决定的 在一定的输出范 围内 当电动机进入到弱磁调速范围 主磁通减少 磁饱和程度降低 励磁电感将会增 加 转子电阻与转子漏抗也受到磁饱和程度的影响 当负载电流流过转子导体时 转子 铁心发生磁饱和 由于漏磁通的作用 转子导体同样会产生集肤效应 使转子电阻增大 转子漏抗下降 4 杂散损耗 要达到高精度转矩控制 杂散损耗也不能忽视 一般杂散损耗约为额 定输出的 0 5 但是当 150 过载运行时 杂散损耗将上升为额定输出的 10 3 3 三相异步电动机的 T 型等效电路 三相异步电动机的定子接于电网电压之后产生旋转磁场 由电磁感应定律可知转子 绕组中产生感应电流 它们相互作用而建立电磁转矩 由于对变压器电磁理论比较熟悉 在分析异步电动机时 可以采用类比的方法将其旋转的转子的参数折算到静止的定子侧 这样可以简化异步电动机模型的分析 1 转子不动时 定子绕组接入电网后有三相对称电流通过 产生定子基波旋转磁 场它以同步转速切割转子绕组 并在转子绕组上产生三相对称电流进而产生转子基波 1 n 旋转磁动势 转子磁动势又影响了气隙中的旋转磁场 其结果是定子旋转磁动势和转 1 F 子旋转磁动势联合起来产生气隙主磁通 在定 转子绕组中感应出电动势和 2 F m 1 E2 E 设当定子绕组匝数为 绕组因数为时 由主磁通在定子绕组中感应出的电 1 w 1w k m 动势为 1 E 3 2 mw kwfjE 111 12 设转子绕组匝数为 绕组因数为 可得转子绕组中感应电动势为 2 w 2w k2 E 3 3 mw kwfjE 222 22 有式 3 2 3 3 得电动势变比为 3 4 22 11 2 1 1 w w kw kw E E k 由电路定律可知 定 转子的电动势方程式 3 5 一般定子绕组与转子绕组有相同极数 但可以有不同的相数 设定子绕组相数 转 1 m 子相数 则定子绕组磁动势 2 m 1 F 3 6 1 11 11 2 I p kw mF w 转子磁动势为 2 F 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 14 页 3 7 2 22 22 2 I p kw mF w 定子磁动势和转子磁动势合并得出互感磁动势 最后产生气隙磁场 磁动势 1 F 2 F m F 平衡方程式 3 8 1 F 2 F m F 从式 3 6 3 7 3 8 导出电流平衡方程式为 3 9 1 11 1 2 I p kw m w 2 22 2 2 I p kw m w m w I p kw m 11 1 2 写成 3 10 m I k I I 2 2 1 式中 称为电流变比 222 111 1 2 2 w w kwm kwm I I k 有上可知 当转子静止时 异步电动机的基本方程组为 3 11 2 当转子旋转时 可作类似的分析 其中 3 12 1 1 111 2 6060 60 sf n nnpnnnpnp f 折算后的基本方程组为 3 13 中国矿业大学 2010 届本科生毕业设计第 15 页 3 14 2 2 s E E s 经上述转子到定子的折算 可以证明 能够保持转子总的视在功率不变 保持转子 电阻有功损耗不变 保持转子漏磁场储能不变及转子磁势的大小 转速不变 根据