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        基于滑模觀測(cè)器和準(zhǔn)觀測(cè)器的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法研究

        2022-06-16 14:18:16蘭媛媛
        裝備制造技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:激磁磁鏈觀測(cè)器

        李 曦,鮮 博,蘭媛媛,王 琪

        (桂林航天工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院,廣西 桂林 541000)

        0 引言

        感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固實(shí)用、維護(hù)方便、成本低廉的特點(diǎn),在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。然而,在感應(yīng)電機(jī)高性能閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)速的反饋信號(hào)至關(guān)重要。通常需要使用旋變獲取轉(zhuǎn)速反饋信息,然而同時(shí)卻引入了一系列問題。首先旋變需要與電機(jī)輸出軸同軸安裝,使得電機(jī)軸向體積增大,破壞了感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的特點(diǎn),同時(shí)若安裝不當(dāng),會(huì)影響轉(zhuǎn)速測(cè)量精度。其次旋變輸出側(cè)為模擬信號(hào),需要對(duì)應(yīng)的解碼芯片將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)以便后續(xù)處理,使得控制系統(tǒng)變得更為復(fù)雜且成本增加。再次,旋變往往會(huì)受到極端工作環(huán)境的影響,在高溫、強(qiáng)磁場(chǎng)、高濕度的條件下,其測(cè)量精度和使用壽命都會(huì)受到影響。針對(duì)上述問題,無速度傳感器已經(jīng)成為感應(yīng)電機(jī)控制重要的技術(shù)需求之一[5-7]。

        目前,科研人員已提出了多種感應(yīng)電機(jī)的無速度傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法,總體可以分為兩類,基于非理想化模型和基于理想化模型的方法[8]。前者最典型的應(yīng)用是信號(hào)注入法,該方法在電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)具有十分優(yōu)異的控制性能,但需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行重新改造,還存在高頻噪聲干擾的問題。實(shí)際工程中往往采用基于理想化模型的方法,該方法的觀測(cè)精度受制于電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性和外界環(huán)境的條件。因此,觀測(cè)器的魯棒性是保證無速度傳感器感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵?;S^測(cè)器法因?qū)ο到y(tǒng)精度、數(shù)學(xué)模型精度要求低,設(shè)計(jì)靈活,對(duì)外部擾動(dòng)具有較強(qiáng)的魯棒性,成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[9-10]。同時(shí),很多學(xué)者將滑模觀測(cè)器和其他算法結(jié)合使用,演化出了多種結(jié)構(gòu),其觀測(cè)性能也有了顯著提升[11-12]。然而在這些結(jié)構(gòu)中,多數(shù)都需要對(duì)電機(jī)磁鏈進(jìn)行觀測(cè),從而達(dá)到估計(jì)轉(zhuǎn)速的目的。

        為此研究了一種無需對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行觀測(cè)的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速辨識(shí)方法[13]。首先利用激磁電流向量iM簡(jiǎn)化感應(yīng)電機(jī)矢量控制Γ型等效電路,繼而建立激磁電流向量iM的狀態(tài)方程,接著構(gòu)建關(guān)于激磁電流向量im的滑模觀測(cè)器,當(dāng)滑模觀測(cè)器收斂時(shí),可以得到等效滑模控制量Ueq,并據(jù)此構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)觀測(cè)器,通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論得到轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)律,從而得到感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的觀測(cè)值。最終通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證該方案具有較好的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能和參數(shù)魯棒性。

        1 感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

        在感應(yīng)電機(jī)的靜止坐標(biāo)系,電壓和磁鏈方程的表達(dá)式為:

        式中,νs為定子電壓向量,is為定子電流向量,ir為轉(zhuǎn)子電流向量,φs為定子磁鏈向量,φr為轉(zhuǎn)子磁鏈向量,為φs的微分,為φr的微分,Rs為定子電阻,Rr為轉(zhuǎn)子電阻,Ls為定子電感,ωr為轉(zhuǎn)速,j為虛部單位。

        圖1為感應(yīng)電機(jī)矢量控制的型等效電路,其中σ為漏磁系數(shù),。

        圖1 感應(yīng)電機(jī)的型等效電路

        如圖1所示,由基爾霍夫電流定律可得:

        式中,iM為感應(yīng)電機(jī)的激磁電流。

        將公式(2)代入公式(1)中并化簡(jiǎn),可得激磁電流向量iM在靜止αβ坐標(biāo)系的狀態(tài)方程為:

        式中,τr為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù),τr=Lr/Rr,iMα為激磁電流向量iM在α軸的分量,iMβ為激磁電流向量iM在β軸的分量,為iMα的微分,為iMβ的微分。

        同時(shí),在圖1中,由基爾霍夫電壓定律可得:

        式中,為定子電流向量is的微分,為激磁電流向量iM的微分。

        對(duì)公式(4)進(jìn)行積分運(yùn)算,并將激磁電流向量iM在靜止αβ坐標(biāo)系進(jìn)行展開,可得:

        以上描述了兩種獲得激磁電流的方法。公式(3)通過感應(yīng)電機(jī)定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的關(guān)系推導(dǎo)獲得,需要電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息作為輸入,公式(5)通過感應(yīng)電機(jī)型等效電路定子側(cè)的基爾霍夫電壓定律獲得,不需要電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息作為輸入。據(jù)此可設(shè)計(jì)基于激磁電流的滑模觀測(cè)器,獲得含有轉(zhuǎn)速信息的等效滑模控制量。

        2 轉(zhuǎn)速觀測(cè)器設(shè)計(jì)

        2.1 激磁電流觀測(cè)器設(shè)計(jì)

        以公式(5)獲得的激磁電流為參考變量,對(duì)公式(3)設(shè)計(jì)滑模觀測(cè)器為:

        式中,U0為滑模控制函數(shù)增益,U0>0,sign為符號(hào)函數(shù)。

        通過李雅普諾夫穩(wěn)定性理論,可證該激磁電流滑模觀測(cè)器的收斂性。定義李雅普諾夫函數(shù)為:

        對(duì)該函數(shù)求導(dǎo)可得:

        將式(6)與式(3)相減可以得到激磁電流觀測(cè)誤差的動(dòng)態(tài)表達(dá)式:

        將公式(8)和公式(11)代入公式(10)中,可得:

        當(dāng)滑??刂坪瘮?shù)增益U0足夠大時(shí),此時(shí)<0,滑動(dòng)模型將收斂到滑模面上,可得:

        此時(shí),將公式(13)代入公式(11)中,對(duì)滑??刂坪瘮?shù)U低通濾波后可得等效滑模控制量Ueq,等效滑??刂屏縐eq在靜止αβ坐標(biāo)系的表達(dá)式為:

        2.2 等效滑??刂屏繙?zhǔn)觀測(cè)器設(shè)計(jì)

        考慮到轉(zhuǎn)速等機(jī)械量的動(dòng)態(tài)變化相比于電流、磁鏈等電氣量的變化較慢,在電氣時(shí)間范圍內(nèi)可假設(shè)=0,對(duì)式(14)進(jìn)行微分可得

        對(duì)公式(15)構(gòu)建準(zhǔn)觀測(cè)器,其表達(dá)式為:

        將公式(16)減公式(15)可得等效滑??刂屏坑^測(cè)誤差的動(dòng)態(tài)方程。

        定義李亞普諾夫函數(shù)為:

        對(duì)李亞普諾夫函數(shù)Q求微分得:

        式中,Q為的微分,為的微分。

        將公式(17)代入公式(19)中得:

        準(zhǔn)觀測(cè)器的增益K>0,為滿足李亞普諾夫穩(wěn)定性條件,令:

        將公式(21)代入公式(20)中得:

        此時(shí),在自適應(yīng)率(21)和準(zhǔn)觀測(cè)器增益K>0的作用下,公式(22)小于0,eα和eβ收斂為0。

        由于令轉(zhuǎn)速的微分ω˙r=0,對(duì)公式(21)進(jìn)行積分運(yùn)算后可得轉(zhuǎn)速的觀測(cè)值。

        3 仿真結(jié)果分析

        為了驗(yàn)證上述所提方法的準(zhǔn)確性,在MATLAB/Simulink搭建基于滑模觀測(cè)器和準(zhǔn)觀測(cè)器的感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        其中,仿真電機(jī)的參數(shù)為:額定功率p N=2 kW,額定電壓UN=380 V,轉(zhuǎn)子電阻Rr=5.9Ω,定子電阻Rs=7Ω,勵(lì)磁電感Lm=0.55 H,轉(zhuǎn)子電感Lr=0.58 H,定子電感Ls=0.00227 H,極對(duì)數(shù)p=2,額定頻率fN=50 Hz。

        在圖2中,滑模觀測(cè)器和準(zhǔn)觀測(cè)器的轉(zhuǎn)速辨識(shí)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。其中,滑模觀測(cè)器的參數(shù)K和準(zhǔn)觀測(cè)器的參數(shù)U0取值會(huì)影響轉(zhuǎn)速辨識(shí)效果。取值越大,系統(tǒng)收斂速度越快,但同時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速抖振現(xiàn)象明顯。因此,通過多次整定確定滑模觀測(cè)器中參數(shù)的給定值,U0=2000,準(zhǔn)觀測(cè)器參數(shù)的給定值K=8000。

        圖3 轉(zhuǎn)速辨識(shí)結(jié)構(gòu)圖

        在感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中,轉(zhuǎn)子電阻由于受到溫度的影響,最易發(fā)生改變。在圖5中,轉(zhuǎn)子電阻由原始阻值變化至百分之五十,轉(zhuǎn)速ωr由0 rad/s階躍至100 rad/s,在該閉環(huán)仿真波形中,可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子電阻Rr的變化對(duì)轉(zhuǎn)速觀測(cè)結(jié)果無影響,控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子電阻具有較好的魯棒性。較好地跟蹤參考轉(zhuǎn)速,激磁電流觀測(cè)值和等效

        圖4 轉(zhuǎn)速指令斜坡響應(yīng)過程

        圖5 轉(zhuǎn)子電阻魯棒性仿真圖

        4 結(jié)語

        以感應(yīng)電機(jī)的型等效電路的激磁電流為狀態(tài)量構(gòu)建了滑模觀測(cè)器,并通過對(duì)其等效滑??刂屏康臏?zhǔn)觀測(cè)器設(shè)計(jì)獲得轉(zhuǎn)速信息。該方法無需對(duì)電機(jī)磁鏈信息進(jìn)行觀測(cè),為感應(yīng)電機(jī)無速度傳感器的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。同時(shí)為了驗(yàn)證該方案的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性能,論文以Matlab/Simulink為仿真平臺(tái),驗(yàn)證了該方案的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能以及轉(zhuǎn)子魯棒性。

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