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        永磁同步電機參數(shù)自整定及參數(shù)辨識技術(shù)研究

        2020-03-26 07:55:12蔡華祥薛開昶
        微電機 2020年1期

        程 靜,蔡華祥,陳 強,薛開昶

        (1. 貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院,貴陽 550008;2. 貴州航天林泉電機有限公司,貴陽 550081;3.國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心,貴陽 550081)

        0 引 言

        近十年來,永磁同步電機因其高控制精度高、響應(yīng)速度快、功率密度大等特點使得它在交流伺服系統(tǒng)逐漸脫穎而出,并成為伺服系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)用的主流電機,其應(yīng)用幾乎遍及社會的各個領(lǐng)域,如高精度伺服轉(zhuǎn)臺、機器人系統(tǒng)、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、自動化生產(chǎn)線等[1]。與此同時,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,各行各業(yè)的智能化水平都在不斷提升,因此對永磁同步電機伺服系統(tǒng)也提出了更高的要求,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:①同步電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有自動識別電機參數(shù)的功能。②伺服驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)具有隨負載變化的自適應(yīng)能力;③伺服系統(tǒng)具備控制器參數(shù)自整定、自調(diào)節(jié)的功能?;诖耍疚闹饕獜耐诫姍C系統(tǒng)模型入手,分析伺服控制器參數(shù)整定的來源及依據(jù),從而確定伺服控制所需的電機必要參數(shù)。并結(jié)合工程實際對必要參數(shù)進行辨識,使得控制器具有更廣的適應(yīng)性,降低控制器的調(diào)試時間,以及增加控制器的通用性[2]。

        1 同步電機系統(tǒng)模型分析

        為便于分析,建立同步電機數(shù)學(xué)模型前,通常需定義如下假設(shè)[3-4]:

        ①永磁材料的電導(dǎo)率為零。

        ②電動機定子繞組為三相Y型接法,三相繞組完全對稱。

        ③相繞組中感應(yīng)電動勢波形是正弦的。

        ④鐵磁部分磁路線性,不計飽和、剩磁、渦流、磁鏈損耗等影響。

        ⑤轉(zhuǎn)子無阻尼繞組,永磁體無阻尼作用。

        (1)

        此時,電機同步電機運動學(xué)方程如下所示:

        (2)

        表貼式同步電機中,由于Lq≈Ld,進而有如下關(guān)系

        (3)

        式中,uq,ud分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸電樞電壓分量;iq,id分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸電樞電流;Rs為電樞繞組電阻;ψq,ψd分別為dq坐標(biāo)下定子磁鏈分量;φ為轉(zhuǎn)子磁鋼在定子繞組上的耦合磁鏈。Lq,Ld分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸等效電樞電感分量[5];ωe=2πf·np為同步電機電角速度,f為定子電流頻率。

        對于表貼式同步電機而言,通常采用id=0的控制方式。依據(jù)上式可知,通過控制直軸電流iq就可以間接地控制同步電機電磁轉(zhuǎn)矩,進而控制同步電機的轉(zhuǎn)速。

        若同步電機反電勢為E,工程中通常取

        (4)

        式中,n為同步電機轉(zhuǎn)速,r/min,kv為電機反電勢常數(shù),V/k r/min。

        則還有如下關(guān)系:

        (5)

        式中,ke為國標(biāo)規(guī)定的反電勢常數(shù)值,(V/rad·s-1),工程中常用kv來表示反電勢常數(shù)。

        根據(jù)國標(biāo)GB/T 30549-2014的3.10規(guī)定,對于同步電機有

        (6)

        式中,kt為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

        從而也有:

        kv=60.46kt

        (7)

        2 控制器參數(shù)設(shè)計

        如前所述同步電機的伺服控制模型如圖1所示,模型包含位置環(huán)、速度環(huán)以及兩個電流環(huán)(q軸電流環(huán)和d軸電流環(huán))。由于表貼式同步電機通常采用id=0的控制方式,且兩個電流環(huán)控制器參數(shù)可取相同的參數(shù),因此通常同步電機多閉環(huán)伺服控制可以用圖2所示的控制結(jié)構(gòu)來簡化。

        圖1 同步電機伺服控制模型

        圖2 同步電機簡化控制結(jié)構(gòu)

        如圖2所示,同步電機電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)可以用如下表達式來描述:

        (8)

        式中,Td為系統(tǒng)的延時時間常數(shù),包含電流采樣延時,電流環(huán)計算延時以及占空比更新延時等。但由于相比整個電流環(huán)中機電時間常數(shù)而言,Td值較小,該延時環(huán)節(jié)主要影響電流環(huán)高頻特性,對電流環(huán)中、低頻特性影響較小,甚至可忽略不計。故在設(shè)計電流環(huán)控制器參數(shù)時,通常不考慮延時環(huán)節(jié),則有[6]

        (9)

        式中,ωcc為系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率。開環(huán)截止頻率與系統(tǒng)閉環(huán)帶寬關(guān)系為

        ωcb=(1.1-1.4)ωcc

        (10)

        對于速度環(huán),由于電流環(huán)閉環(huán)以后,輸入電流近似等于輸出電流,而根據(jù)前面分析可知輸出電流與輸出力矩呈線性關(guān)系

        Te=ktiq

        (11)

        故速度環(huán)傳遞函數(shù)[7]如下

        (12)

        (13)

        (14)

        特別地,在工程應(yīng)用中,由于阻尼系數(shù)B相比轉(zhuǎn)動慣量其值非常小,導(dǎo)致其對速度環(huán)的影響很微弱,若仍按上述公式來計算速度環(huán)積分系數(shù),將會導(dǎo)致速度環(huán)的穩(wěn)態(tài)跟蹤性能和抗干擾性能較差。因此,為保證轉(zhuǎn)速無靜差跟蹤,工程中也常用下式來計算速度環(huán)的積分系數(shù)。

        (15)

        結(jié)合前面的分析可知,對于同步電機伺服控制器而言,若想實現(xiàn)控制器的參數(shù)自整定,則最少需要辨識幾個參數(shù):R、L、kt、J。

        則速度環(huán)和電流環(huán)控制器參數(shù)可以依據(jù)所辨識的參數(shù),設(shè)計為

        (16)

        3 參數(shù)辨識

        3.1 電阻辨識

        根據(jù)同步電機靜止坐標(biāo)系下定子電壓方程,可知,當(dāng)控制逆變器在定子兩相之間施加小電壓(如控制A相流入,B相流出),同時給定一個確定的位置參考值,此時,電機將會在一個確定的位置保持靜止不動,則可根據(jù)基爾霍夫電壓定律可知,

        (17)

        式中,uab、iab分別為AB相之間的電壓和電流穩(wěn)態(tài)時,則有

        uab=Udc=2Rsiab

        (18)

        從而可以知道同步電機電阻

        (19)

        需要注意的是,由于施加的電壓值較小,因此必須要考慮以下幾個問題:

        ①同步電機PWM死區(qū)壓降Udead。

        ②逆變器單個場效應(yīng)管壓降Ufdmos。

        ③逆變器單個場效應(yīng)管上續(xù)流二極管壓降Ufkmos。

        從而施加到定子繞組兩端的電壓計算公式如式(20)所示,式中D為PWM占空比。

        因此,同步電機定子相電阻值可通過式(21)計算。

        uab=(Udc-Ufdmos)·D-Udead-Ufkmos·(1-D)-Ufdmos

        (20)

        (21)

        3.2 電感辨識

        同步電機中電感主要對定子電流的瞬態(tài)變化有影響,因此可以用同步電機旋變坐標(biāo)系下的定子電壓方程來分析電機電感。

        (22)

        如公式所示,對于表貼式的同步電機而言,有Lq=Ld,可以只辨識一個電感參數(shù)即可。但對于內(nèi)嵌式同步電機,由于Ld

        控制uq=0,給定一個固定的ud,此時電機轉(zhuǎn)子靜止不動,ω=0,則

        (23)

        (24)

        此外,這里需要注意的是,ud、uq是由三相定子相電壓轉(zhuǎn)化而來,與直流母線電壓之間存在一個的比例關(guān)系,具體可通過式(25)計算:

        (25)

        則有:

        (26)

        3.3 轉(zhuǎn)矩常數(shù)及反電勢系數(shù)辨識

        根據(jù)同步電機電壓方程,采用id=0的控制方法,同時根據(jù)前面辨識的參數(shù)將電機控制器調(diào)整為電流閉環(huán),則當(dāng)電機運行到穩(wěn)態(tài)時,有如下關(guān)系:

        (27)

        則此時可知反電勢系數(shù)如下:

        (28)

        根據(jù)前面的分析可知,轉(zhuǎn)矩常數(shù)可由下式求得:

        kt=0.01654·kv

        (29)

        3.4 轉(zhuǎn)動慣量辨識

        根據(jù)同步電機的轉(zhuǎn)矩方程

        (30)

        根據(jù)前面的分析,相比電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量,同步電機阻尼系數(shù)通常很小,甚至可忽略不計,為此,可以采取以下的近似方法獲取電機轉(zhuǎn)動慣量

        (31)

        需要注意的是,在該部分實驗過程中,將控制器置為電流閉環(huán)。

        4 實驗驗證

        為驗證所提出方法的有效性,搭建了永磁同步電機伺服驅(qū)動平臺,將所提出的方法進行了實驗驗證。實驗所用的伺服電機為科爾摩根公司研制的AKM21G系列伺服電機,電機上帶有旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器,電機主要參數(shù)及辨識結(jié)果如表1所示。

        表1 電機主要參數(shù)

        從表1中可以看到對于同步電機電流環(huán)和速度環(huán)所需要的模型參數(shù),均可辨識出來。從辨識精度來看,除電感參數(shù)誤差略大于10%,其余參數(shù)誤差都控制在10%以內(nèi)。由于兩個環(huán)路通常都是采用PI控制器,其對模型參數(shù)都有較寬的適用范圍,因此,所辨識的參數(shù)誤差在可接受范圍內(nèi)。圖3(a)和圖3(b)展示了電阻、反電勢常數(shù)的辨識結(jié)果。圖3(c)展示了電感辨識時,d軸注入電壓后,其電流隨時間上升變化的結(jié)果。圖3(d)展示的是采用辨識出的電阻及電感,設(shè)計出相應(yīng)的電流環(huán)控制器后,電流閉環(huán),速度開環(huán)時,給定電流下的速度上升曲線。

        圖3 同步電機參數(shù)辨識結(jié)果

        利用所提出的方法辨識出的電阻和電感,給定電流環(huán)頻率為250Hz,依據(jù)式(24)設(shè)計相應(yīng)的控制器后,其電流閉環(huán)結(jié)果如圖4所示。給定電流分別為0.2A和-0.2A??梢钥吹絛軸電流一直穩(wěn)定在0附近,q軸電流能迅速響應(yīng)到所給定的參考電流。

        圖4 電流環(huán)閉環(huán)結(jié)果

        5 結(jié) 論

        本文從永磁同步電機數(shù)學(xué)模型入手,分析了永磁同步電機電流環(huán)、速度環(huán)控制器設(shè)計所依據(jù)的4個模型參數(shù)。并基于此,對控制器設(shè)計所需的4個模型參數(shù)進行辨識,所提出的辨識方法均具有較強的可操作性。為驗證所分析的控制器設(shè)計方法以及參數(shù)辨識方法,搭建了相應(yīng)的永磁同步電機伺服驅(qū)動平臺,針對所選用的AKM伺服電機,對其主要的模型參數(shù)進行辨識及控制器設(shè)計。實驗結(jié)果證實了理論分析的正確性以及參數(shù)辨識及控制器參數(shù)設(shè)計的可行性,從而實現(xiàn)了控制器參數(shù)的自整定,實驗數(shù)據(jù)也表明所提出的方法具有較好的工程使用價值。

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