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基于无速度传感器电主轴的矢量控制系统的建模与仿真

作　者: 王薪与
导　师: 李文斌
学　校: 太原理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 电主轴矢量控制转速辨识 MARS 无速度传感器磁链观测
分类号: TM921.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 71次
引　用: 1次
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内容摘要

本文从高速加工技术的发展背景出发,通过分析研究高速电主轴的国内外现状及发展趋势确定了电主轴控制技术对于高速加工技术发展的重要作用和意义。在研究高速电主轴的关键技术基础上,还深入研究了高速电主轴无速度传感器矢量控制系统的发展趋势。因为计算机仿真技术在无速度传感器矢量控制系统开发中可以缩短开发周期、降低成本、提高应用开发的成功率,所以是研究无速度传感器矢量控制系统不可缺少的手段。交流异步电主轴是高阶次、强耦合、非线性的多变量对象。本文从异步电主轴三相数学模型出发,利用坐标变换和矢量控制的基本原理,推导出异步电主轴在不同坐标系下各自的数学模型和空间状态方程。在建立异步电主轴的数学模型基础上,对异步电主轴各种参数发生变化时的影响进行分析,通过坐标变换将异步电动机等效为直流电动机,实现了解耦控制。这样的采用矢量控制异步电主轴变频调速系统可以获得优良的静、动态特性;这种控制方法也是一种鲁棒性良好的高性能异步电动机控制策略。本文通过论述三相异步电动机的磁链定向原理,还对比几种常用的磁链观测方法的优缺点,最后确定采用混合磁链观测的方法。这是一种全域范围内能比较准确进行磁链观测的观测模型,并由此方法设计出转子磁链观测器模型。无速度传感器的电动机转速辨识方法研究也是交流调速系统的一个热点问题。本文通过对无速度传感器转速辨识方法的分析研究,通过对基于模型参考自适应速度辨识理论的分析,克服了一般转速辨识算法依赖电动机转子参数和具有积分环节的缺点,实现了基于无功功率MARS转速辨识方法。本文还以传递函数为基础,给出了磁通、转矩和转速PI调节器参数计算公式。这样就为调节器具体参数提供了估算值。并由此实现了双闭环调节控制,为整个系统的可靠性和稳定性提供了支撑。使用MATLAB/Simulink作为仿真工具,得出的仿真结果表明:本文设计的控制系统具有较好的动态性能好,调速范围较宽,转矩控制平稳,转速估算精度高等优良特性。对整个矢量控制系统进行仿真实验和分析,并给出了在不同条件下的实验结果。所建立的基于无功功率MRAS转速观测器的无速度传感器矢量控制系统具有良好的动静态性能,并具有速度调节的稳态误差小的特点。仿真结果说明了该控制系统满足对电主轴控制系统的要求,也验证了所建立的矢量控制系统的正确性和可行性,这样就为异步电主轴的驱动控制系统的设计提供了参考依据。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-27
  1.1 研究目的和意义  12-13
  1.2 高速电主轴及国内外研究现状  13-17
    1.2.1 电主轴与高速加工  13-14
    1.2.2 高速电主轴的性能  14-16
    1.2.3 电主轴的研究现状  16-17
  1.3 异步电主轴的关键技术  17-20
    1.3.1 支承技术  17-18
    1.3.2 润滑技术和冷却技术  18-19
    1.3.3 精密加工与精密装配技术  19-20
    1.3.4 刀具接口技术  20
    1.3.5 驱动控制等配套技术  20
  1.4 异步电主轴的驱动控制技术  20-22
  1.5 无速度传感器的矢量控制系统  22-25
    1.5.1 动态速度估计法  23
    1.5.2 转子齿谐波法  23-24
    1.5.3 模型参考自适应法  24
    1.5.4 扩展卡尔曼滤波器法  24-25
    1.5.5 基于人工神经网络法  25
  1.6 本论文的研究内容  25-27
第二章异步电主轴矢量变换模型的建立  27-40
  2.1 异步电主轴的数学模型  27-32
    2.1.1 电压方程  28-29
    2.1.2 磁链方程  29-31
    2.1.3 运动方程  31
    2.1.4 转矩方程  31
    2.1.5 数学模型  31-32
  2.2 矢量控制中坐标变换的相关内容  32-36
    2.2.1 异步电主轴数学模型变换的原理  32-33
    2.2.2 矢量控制中的坐标变换  33-36
  2.3 异步电主轴数学模型的变换  36-38
    2.3.1 两相静止坐标系下的数学模型  36
    2.3.2 两相同步旋转坐标系下的数学模型  36-37
    2.3.3 按转子磁链定向的数学模型  37-38
  2.4 不同坐标系下的状态方程  38-40
第三章无速度传感器矢量控制系统主要模块的建立  40-58
  3.1 磁通观测基本理论  40-42
    3.1.1 直接磁场定向  40-41
    3.1.2 间接磁场定向  41-42
  3.2 磁通观测器模型  42-46
    3.2.1 定子电流转速磁通模型  42-44
    3.2.2 定子电压电流磁通模型  44-45
    3.2.3 磁通观测器模型的设计  45-46
  3.3 基于模型参考自适应法的速度辨识  46-51
    3.3.1 基于转子磁链模型的速度辨识  47-49
    3.3.2 基于反电动势模型的速度辨识  49-50
    3.3.3 基于瞬时无功功率模型的速度辨识  50-51
  3.4 调节器的设计  51-58
    3.4.1 磁通调节器的设计  53-54
    3.4.2 转矩调节器的设计  54-56
    3.4.3 转速调节器的设计  56-58
第四章无速度传感器矢量控制模型的集成  58-64
  4.1 系统仿真平台简介  58-59
  4.2 异步电主轴无速度传感器矢量控制主要模块  59-62
    4.2.1 异步电主轴的仿真模块  59-60
    4.2.2 坐标变换的仿真模块  60
    4.2.3 磁通观测的仿真模块  60-61
    4.2.4 转速辨识的仿真模块  61
    4.2.5 电压补偿的仿真模块  61-62
  4.3 无速度传感器矢量控制系统的仿真模型集成  62-64
第五章矢量控制系统的模型仿真结果及分析  64-74
  5.1 系统仿真相关参数计算  64-66
    5.1.1 电主轴等效电气参数的计算  64-65
    5.1.2 仿真参数和算法的确定  65-66
  5.2 仿真结果及数据分析  66-74
    5.2.1 空载仿真结果  66-68
    5.2.2 负载仿真结果  68-70
    5.2.3 整体仿真结果和磁链仿真结果  70-71
    5.2.4 转子电阻为标称值1.5 倍时的仿真  71-74
第六章结论与展望  74-76
  6.1 结论  74-75
  6.2 展望  75-76
参考文献  76-79
附录A 异步电主轴模型的S 函数代码  79-81
致谢  81-82
攻读学位期间的发表的学术论文  82

基于无速度传感器电主轴的矢量控制系统的建模与仿真

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