CH08高性能IM变频调速系统.ppt

第八章 高性能异步电动机变频调速系统 8.1 IM 的矢量控制 8.2 提高系统响应的速度 8.3 无速度传感器矢量控制 8.4 IM 控制系统的参数自整定 8.5 电流控制策略 8.1 IM 的矢量控制 8.1.1 IM 的动态数学模型 坐标变换 理想化 IM 的动态数学模型： 忽略铁心饱和、磁滞、涡流，不考虑趋肤效应； 忽略谐波磁势，只考虑正弦分布的气隙磁势； 忽略定、转子齿槽影响，将气隙看成均匀的； 转子为三相绕组。 则定、转子绕组自感 L1、L2，定子绕组互感 MUV、MVW、MWU，转子绕 组互感等，都是常数。定、转子间的互感系数为 （g 为定、转子u相绕组中心线间的电角度） （g0 为转子初位置角；w 为转子电角速度） 当定、转子绕组都为 Y 联接时，电流中只有4个独立，可列写 4 个 变系数的状态方程，加上运动方程，得到 5 阶的 IM 动态数学模型。 BACK 坐标变换的思路： a、将三相 IM 等效为空间上互差90电角度的两相电动机； b、等效以后 IM 的数学模型阶数不变，还是 5 阶； c、等效的出发点，是保持绕组产生的圆形旋转磁场不变。 坐标系（定子上） 使轴（实轴）同 u 相绕组轴线重合，沿旋转磁场方向前进90 的方向，为轴，则 ab 与 uvw 间物理量的关系为： 反向关系为： 其中 Cuvwab 和 Cabuvw 是正交矩阵的一部分，二者互为转置。 BACK Cuvwab 和 Cabuvw 是正交矩阵的一部分，二者互为转置： 选用正交矩阵，可保证变换前后功率的计算公式不变： BACK dq坐标系（同步旋转的直角坐标系） 选转子磁链方向为 d 轴，沿磁场旋转方向前进 90 电角度的方 向为 q 轴，则 dq 与 ab 间各分量的关系为： （正） （逆） 其中 q1 是从 a 轴到 d 轴的电角度： （q 0 为 t = 0 时 q1角，为同步电角速度） Cabdq 和 Cdqab 是正交互逆的矩阵。 例：将三相 AC 电流变换为 dq 轴直流分量： 解： BACK 在 a b 坐标系中，各物理量的复数表示： 定子电压： 定子电流： 转子电流： 则电压方程式： 其中 wm 为转子旋转的电角速度；Lm 为定、转子间的互感。 以定子电流、转子磁链为状态变量时的电压方程： 转子磁链为： 则电压方程式为： 式中 BACK ab 坐标系中的电压方程、转矩方程 电磁转矩为： 其中 “” 为复数向量的外积。 电压方程： 其中w1 为同步角频率，w2 为转子转差角频率。 用转子磁链、定子电流表示的电压方程： 转子磁链为： 则电压方程式为： 电磁转矩为： BACK dqdq 坐标中的电压方程式和转矩方程坐标中的电压方程式和转矩方程 8.1.2 矢量控制原理 历史：1970 年代初，德国人 F.Blaschke 提出“IM 磁场定向的控制原理” ，奠定了矢量控制的基础。 基本原理：利用坐标变换，将 IM 的三相交流电流，变换成两相直流电流； 然后，在两相坐标中，确定电机的转矩电流、励磁电流大小，并分别进行控 制；最后，再将两相电流的设定值，变回三相电流设定值，实现闭环控制。 矢量控制基本方程：在 dq 坐标系中，转子磁链同 d 轴一致，故 F2dqF2常 数（控制为常数），则转子电压方程为： 将 ws = w1 wm，i1dd = i1d + j i1q代入可得： BACK 电磁转矩： (控制 i1q ，即可控制 Tem；i1q、Tem 响应速度相同) 定子三相电流的计算值： (将dq电流转换为三相电流) 则 （用于实际三相电流控制） BACK 8.1.3 转子磁场定向矢量控制系统的构成 BACK 磁链的反馈控制 “计算”的作用：确定 abc、dq 两坐标系轴线间的夹角。 “计算”的实现：经检测、计算磁链来得到。（需利用电机动态数学模型、现 代控制理论，构造磁通观测器，才能获得 F2 的角度） 磁链的前馈控制（转差频率控制的一个组成部分） 一种开环控制，它不检测被控制量（磁链）。 图83 磁链的前馈控制 坐标变换所需的两种坐标系的轴线之间的夹角由下式算得： 图中 BACK ws* 的计算精度，依赖于电机参数 R2 和 L2 的精度；温度变 化会引起 R2 变化，电流大小、频率对 L2 也有影响。利用现 代控制理论，在线辨识时间常数 L2 / R2，可提高精度。 转子磁场定向矢量控制 BACK 磁场定向：“定向”是指 d、q 轴线的选择。当选择 d 轴为转子磁链轴线时， 就称转子磁场定向。这时有：2d =2，2 =0。 直接磁场定向控制：直接检测转子磁链、并进行控制。 间接磁场定向控制：不检测2，而利用电机参数、电流设定值来预测2， 进行前馈控制。 BACK 磁链观测器的功能特点磁链观测器的功能特点： 转子磁链的观测：通过检测电机的电压、电流、转速，利用定子电流进行误 差校正，从而计算出转子磁链的大小、方向（DSP使之实用化）； 定、转子电阻的辨识：使用自适应算法，实时辨识定、转子电阻，可减小参 数变化的影响； 调节磁链、使电机高效化运行：根据参数及所需转矩，适当调节电机磁链， 使总损耗最小。 8.2 提高系统响应速度的技术 转矩控制转矩控制 是快速响应所必须的。 电机参数的变化、控制参数的误差，都会影响系统的控制性能。 BACK 8.2.1 影响响应速度的因数 转子电阻：季节和使用条件不同，其变化可达20，影 响转矩控制的精度和响应速度； （数字控制）采样、计算的延迟：数字控制带来功能丰 富的同时，也带来了响应的延迟； 启动速度慢：启动、复电再启动时，气隙磁场的建立需 要一个过程，导致启动时的响应速度明显变慢。 8.2.2 提高系统响应速度的方法 直接转矩控制： 特点：基于瞬时转差频率控制，对瞬时磁链和瞬时转矩进行同时控制。 优点： a、电流控制部分处在矢量控制部分之内，不会产生电流控制的延时； b、无载波频率的概念，电机噪声较小。 效果：采用DSP的实际控制系统，转矩上升时间可达数十微秒。 无差拍控制： 特点：是一种快速的数字控制，不仅无超调，且在有限的时间内达到稳定。 对比：PI PI 控制控制 不仅有超调，且在理论上要无限长时间，才能达到稳定。 8.3 无速度传感器矢量控制 速度传感器有安装、维护、成本、可靠性、低速性能等问题，且结构复杂 = 无速度传感器的研究 BACK 8.3.1 速度的辨识方法（无速度传感器的技术关键） 速度辨识：用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从电机定 子边的量入手（如定子电压、电流），计算出与速度有关的量，进而得到转 子速度，用于速度反馈控制。（例子：图86） 几种典型方案： 基于电机方程的； a. 稳态方程； b. 动态方程； 基于齿谐波的； 基于模型参考自适应的。 方案一 ：利用电机基本方程式估算速度 A A、基于稳态方程的转差频率估算法：、基于稳态方程的转差频率估算法： 1975年， A . Abbondant 从电机稳态数学模型，推得转差频率 表达式： 其中：w 1 为定子角频率；K 为比例系数；q 1 为稳态时定子电流向 量与励磁电流相量的夹角。 问题：问题：因来源于稳态模型，动态中很难跟踪真实转速。 BACK B B、基于动态派克方程的转差频率估算法、基于动态派克方程的转差频率估算法（有多种实现方案）： 例：在定子磁链定向控制时，使F1d = const，F1q = 0 ，则有： C C、 利用电机方程计算转速的特点：利用电机方程计算转速的特点： 算法简单，理论上速度计算无延时； 缺少误差校正环节，速度计算依赖电机参数，抗扰能力差，易不稳； 以磁链准确定向为前提，受磁链观测、控制的影响； 精度低，速度辨识范围窄。 BACK 方案二：基于齿谐波的转子速度辨识 历史：历史：1984年，M.Ishida、K.Iwata 提出用转子齿谐波来辨识转差频率。 原理：原理：转子旋转时，气隙主磁场中将叠加齿谐波磁场，因而在定子绕组中 感应出齿谐波电势，其幅值、频率都可用于辨识转速(图8-7)。 A A、用齿谐波电压测转差频率法：、用齿谐波电压测转差频率法： 在图（b)的输出端，三相的基 波抵消、三次谐波滤除、齿谐波叠加 ，输出的电压幅值正比于转差频率。 特点：可辨识 300rpm 以上的转速。 B B、定子电流分离齿谐波频率、定子电流分离齿谐波频率 fsh 、基波基波 频率频率 f0 法法： n = 60( fsh f0 ) / Z 特点：转速应高于2Hz，即120rpm； 误差为 15rpm。 方案三：模型参考自适应法（MRAC）辨识速度 A A、MRACMRAC(model(model reference adaptive control) reference adaptive control)的思路：的思路： 两个模型：将不含未知数的方程，作为参考模型；将含有待估参数 的方程，作为可调模型；两个模型应具有相同物理意义的输出量。 跟踪参考模型：利用两模型的输出量差别，产生合适的自适应率， 以实时调节可调模型的参数，达到被控对象的输出跟踪参考模型的目的。 BACK B B、C.SchauderC.Schauder 的转速的转速 MRAC MRAC 辨识方法：辨识方法： 将电压模型（不含真实转速的磁链方程）作参考模型， 将电流模型（含待辨识转速的磁链方程）作可调模型。 问题： a、电压模型中有纯积分环 节，低速误差明显； b、参考模型的参数准确程 度，直接影响控制效果，而电机 参数却是变化的 BACK 8.3.2 磁链的观测 观测磁链的电流模型观测磁链的电流模型 在磁场定向控制、磁场反馈控制中，需选择转子绕组磁链、定子绕组 电流作状态变量，列写状态方程。 在同步旋转的 dq 坐标中，有： 代入转子电压方程转子电压方程 写成矩阵形式为： BACK 对定子电压方程 利用 BACK 组合(1)、(2)两式，获得磁链观测器的电流模型： 若在静止坐标系中观测磁链，则磁链切割转子的频率为2，切割 定子的频率为0，则在前述公式中：s2，10 BACK 写成微分形式： 电流模型的特点 优点：只需检测定子电流、转子转速，可有效衰减零漂等非线性干扰。 缺点：含转子时间常数2，受温度、磁路饱和等影响，需实时辨识2， 测转速也是个不足。 观测磁链的电压模型观测磁链的电压模型 定子电压方程： 定子磁链方程： 转子磁链方程： 磁链观测的电压模型之特点： 优点：模型中无速度项，故无需检测速度。 缺点： a、低速时，因电压检测精度低，影响磁链观测精度； b、模型中包含电流的微分项，不能用简单的积分器实现； c、需高通滤波器，以消除零漂（零漂无法自动衰减）。 改进设想： 高速时使用电压模型； 低速时使用电流模型， 从而使两种模型互补。 BACK 定子电流校正的观测器： IM 的状态方程为： 其中 则采用定子电流校正的全阶观测器为： 式中 G 为误差校正增益矩阵，应能保证观测器快速收敛；i1 为定 子电流推算值（观测值）；i1 为检测值。 BACK 磁链观测器 观测器： 使用可检测的状态变量（定子电流、电压等）， 推算不可检测的状态变量（转子电流、磁链等）； 并对可检测量的检测值、推算值进行比较，以校正不可检测值。 8.4 IM 控制系统的参数自整定（自学） 8.4.1 IM 系统参数自整定的目的 普通变频 IM 系统的特点： (1) IM 为非线性系统，参数因条件（工况、温度、电源频率）而变化； (2) 变频 IM 的参数存在分散性，变频电源的输出精度也很有限。 联合调试：因此，普通的变频 IM 系统，每套都需联合调试（做各种试验 ），十分费时。 变频器参数自整定的目的：为了免除联合调试。 BACK 8.4.2 异步电动机参数自整定的分类 按自整定时间分： 离线式 (off-line) ：一次整定、固定不变（时间充裕、可用复杂算法） 在线式 (on-line) ：实时测量、随时反映实际情况（需采用简捷算法） 按自整定方法分： 基于堵转试验（测 r1 + r2 和 x1 + x2）、空载试验（测定子全电感） 使用自适应方法： 既可在线，也可离线 利用过渡过程：测时间常数、测转动惯量等 8.4.3 IM 参数自整定的原理（介绍4种） （一）通用变频器参数自整定的原理（离线、三步、约需 2 min） Step1：给 IM 的 u、v 相加单相电压，测 r1 + r2、 xs 。 （相当于堵转试验）； Step2：给 IM 的 u、v 相加直流电压，测定子绕组直流电阻； （可用u/I计算，以提高精度） Step3：给 IM 加三相电压，进行空载试验，由 r1+ r2、xs、r2 计算定子电 感 L1。改变频率，可测得不同 u / f 下的电感（对应不同包含程度）。 BACK （二） 测残压确定 IM 转子时间常数 设在 t1 时刻，三相绕组同电网分离，则应用磁链守恒，可确定此刻的转子 电流 i2d(t1+) 、i2q(t1+) 及定子绕组电压（等于断电前的感应电动势）。 在旋转的转子坐标系中，电机电压方程为： IM 的运动方程为： BACK 残压的特点：残压的特点： a、由于转子转速 w 2 也在减慢，因此，残压比转子电流衰减更快，时 间常数比 t 2 = L2 / R 2 要稍小； b、残压频率 转子转速，同转速一起降低； c、由于 t 2 远小于 t m ，因此，在忽略转速变化时，残压的变化曲线就 是转子电流的衰减曲线。测量残压的时间常数，可以近似确定转子绕 组的时间常数2。 利用自适应算法自适应算法的参数自整定原理 （一种在线参数测试技术） （MRAC） BACK 不含要辨识的参数 同一非辨识参数（如电流、 磁链等）：二者趋于一致， 是辨识收敛的判据！ 应能保证辨识 收敛于真值！ 含要辨识的参数 被辨识参数 转动惯量的自整定： 设电机以恒定加速度加、减速，则有： BACK J 变化的实例： a. 从空载到负载， b. 机器人臂长的变化 常采用加速度法 让电机在恒定负载下，以一定的加速度 加速、减速，并检测转矩电流分量，利用运 动方程式来计算转动惯量。 8.5 电流控制策略 定子电流定子电流 是电机电磁转矩、磁场的根源。 电流控制电流控制 决定了调速性能的优劣。 电压型逆变器电压型逆变器（VSI）硬件结构简单，作为调速控制策略的执行机构，其 输出本质上是非线性的、离散的。系统的控制作用域控制作用域 是有限的几个离散点 的集合（8个电压矢量）。 定子电流控制的任务定子电流控制的任务：根据离散控制作用域，选择优化的控制模式，以实 现定子电流的有效控制。 高性能交流调速系统对电流控制的要求电流控制的要求： 动态响应速度快； 稳态时，定子电流的失真度小，以降低转矩脉动、减小谐波损耗； 功率器件开关频率低，以降低开关损耗、延长VSI寿命，并利于实现恒 低频开关控制； 电流控制策略具有良好的鲁棒性（Robust）。 BACK 非线性开关控制 线性开关控制 预测控制 智能控制 8.5.1 非线性开关电流控制器 滞环电流控制器滞环电流控制器 主要特征主要特征： 电流的瞬时值被准确 控制在一定范围内； 瞬时最大误差为滞环 宽度的两倍。 优点优点：最简单；鲁棒性高；跟踪误差极小；动态性能相当好。 缺点点： 开关频率依赖于负载及滞环宽度； 开关随时性导致逆变器保护困难； 噪声。BACK 载波输入电流控制器 （固定开关频率固定开关频率 的滞环电流控制器） 将固定开关频率的三角形载波 同电流误差信号进行调制，所 得信号： (a)具有三角形载波的频率； (b)脉冲的幅度相