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华南农业大学课程讲座-运动控制系统 10级机制 1、2、3、4班 lecture five,各位同学大家好! 华南农业大学工程学院 班华,本讲主要内容,第五章 交流电机控制技术 5.1 交流电机调速系统基本理论 5.2标量控制 5.3矢量控制 5.4直接转矩控制 5.5变频器,交流电机 特点 结构简单、使用与维护方便 交流电机基本分类 异步交流电机和同步交流电机 异步交流电机有鼠笼式和绕线式；同步交流电机有自控式、他控式和永磁式。,使用场合 风机、水泵、压缩机、输送机,5.1 交流电机调速系统基本理论,5.1.1 研究交流电机的解耦问题的必要性 交流电机与直流电机相比，结构简单，使用维护方便，那么为什么早期交流电机调速却得不到应有的普及呢？,限制使用的四个原因,第一是数学模型，由于交流电机的特点是强耦合、时变、非线性，因此其数学模型描述复杂，使得电机转矩控制困难；第二是控制器技术，需要解算的对象相对于直流电机而言复杂，要求交流电机的控制器功能强大；第三是电力电子技术，早期电力电子器件的功能难以满足交流电机对pwm的要求；第四是检测技术，早期反馈检测元件达不到交流电机调速的要求。,随着20世纪80年代微电子制造工艺技术的飞速发展，带动微处理器、电力电子元件及编码器检测技术的制造水平大幅提升，使得交流电机调速系统驱动器的瓶颈得到突破，余下的问题就是电机的模型问题，因此研究交流电机的数学模型十分必要。,5.1.2 交流电机模型,要想解决交流电机分析，就必须建立描述交流电机的方程。其方法就是要对交流电机进行解耦，要能描述交流电机转速、转矩与输入电压之间的关系。描述交流电机模型需建立如下方程： 定子电压方程、转子电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。,1交流电机的物理模型,1)异步交流电机的物理模型 2) 同步交流电机的物理模型,1) 异步交流电机的物理模型 图5-1所示的是异步交流电机的物理模型，其中a、b、c是定子绕组轴线，a、b、c是转子绕组轴线，是定子轴与转子轴的空间电角度，为转子转速。,2) 同步交流电机的物理模型 图5-2所示的是同步交流电机的物理模型，其中a、b、c是定子绕组轴线，转子分为直轴和交轴，uq是交轴阻尼绕组轴线，ud是直轴阻尼绕组轴线，uf是转子励磁绕组轴线。,2异步交流电机稳态等效电路,图5-3所示的t型等效电路着眼点是气隙磁通m。根据图5-3可以得出下列公式：,图5-4是以气隙磁通m为中心的向量图。,因为异步交流电机的电磁转矩是由转子磁通2产生的，故本章着重于2的等效电路。 图5-4的基本思想是保持电机气隙磁场相同，折算系数a为定子绕组匝数和转子绕组匝数的比值。除了按照定子侧折算之外，还有定子磁链恒定折算法、转子磁链恒定折算法。按照转子总磁链恒定的原则，在保证转子总共磁链不变的条件下，通过控制转差就能有效控制转矩。总转子磁链恒定法是转差控制和矢量控制的理论基础。,2) 异步交流电机等效电路的通用形式,如前所述，a是折算系数，那么转子折算到定子侧的电流、电压分别为 ：,令im = i1 + i2且u2 = 0，异步交流电机以电感表示的t型稳态等效电路如图5-5所示。,3) a = lm/l2时突出转子磁链的“t-1型”等效电路 将a = lm/l2代入图5-5所示的转子回路，得到等效电路图5-6，简称“t-1型”等效电路，其励磁回路代表转子总回路。图5-6适用于转子磁链守恒分析，其向量图如图5-7所示。,3交流电机描述方程,假设： 三相绕组对称，即磁路对称，忽略空间谐波，磁势沿气隙圆周按正弦分布； 忽略磁饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； 忽略铁损； 不考虑频率和温度变化对绕组的影响；,在图5-7中，it = i2/a是电磁转矩电流，定子电流i1能够分解成为励磁电流分量im和转矩电流分量it。向量图以2为核心，可得出转矩表达式为,无论电机转子是绕线式还是鼠笼式，都将它等效成绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定、转子每相匝数都相等； 不失一般性地，可将多相绕组等效为空间上互差90电角度的两相绕组，即直轴和交轴绕组；对于同步交流电机转子的阻尼绕组，假设阻尼条和转子导磁体对转子直轴d、交轴q对称。,1) 异步交流电机的基本方程 定子的电压方程为 ua、ub、uc分别为a、b、c三相定子绕组电压；ra、rb、rc分别为定子绕组电阻；ia、ib、ic分别为定子绕组电流；a、b、c 分别为定子三相绕组磁链；p是微分算子。,转子的电压方程为: 式中，ua、ub、uc分别为a、b、c三相转子绕组电压；ra、rb、rc分别为转子绕组电阻；ia、ib、ic分别为转子绕组电流；a、b、c分别为转子三相绕组磁链；p是微分算子。,2) 同步交流电机基本方程 励磁绕组的电压方程为 ： uf为同步交流电机励磁绕组电压；rf为励磁绕组电阻；if为励磁绕组电流；f为励磁绕组磁链；p是微分算子。,直轴与交轴阻尼绕组的电压方程为： ud、uq分别为d、q同步交流电机转子直轴和交轴绕组电压；rd、rq分别为直轴和交轴绕组电阻；id、iq分别为直轴和交轴绕组电流；d、q 分别为直轴和交轴绕组磁链；p是微分算子。,3) 磁链方程 异步交流电机的磁链方程为 ： lxx为系数矩阵，x(a，b，c，a，b，c)，若下角标xx取值相同，则代表自感；若下角标xx取值不同，则代表互感。由此可见，矩阵对角线上的主元素laa、lbb、lcc是定子绕组的自感，laa、lbb、lcc是转子绕组的自感，lxa、lxb、lxc是定子或者转子某相绕组对其他绕组的互感。,定子漏磁通所对应的电感是定子漏感l11，转子漏磁通所对应的电感是转子漏磁l2l，如果用l1m表示与主磁通对应的定子电感，l2m表示与主磁通对应的转子电感，则定子、转子之间的自感分别为,4) 转矩方程与运动方程 转矩方程为 te是电磁转矩；tl是负载转矩；j是转动惯量；np是电机极对数；是角速度。,5) 交流电机数学模型,5.1.3 交流电机解耦分析,(2) 逆变换,park变化的能量守恒问题,5.1.4 交流电机在两相(, )静止坐标系下的数学模型,根据park变换的基本方法、式(5-24)、式(5-27)、式(5-28)和图5-8，求解交流电机在两相(, )静止坐标系下的数学模型，可以得出如下对应的电压、磁链、转矩方程。 (1) 三相电机在两相(, )静止坐标系下的电压方程为,5.1.5 交流电机在两相(d, q)旋转坐标系下的数学模型,5.1.6 交流电机在两相(m, t)旋转坐标系下的数学模型,(1) 交流电机在两相(m, t)旋转坐标系的电压方程为,5.2 标 量 控 制,只控制磁通的幅值大小, 不控制磁通的相位，这就是异步交流电机的标量控制。由异步交流电机的稳态特性推导出的恒压频比控制法和可控转差频率控制法，都只控制变量的幅值，并且给定量和反馈量都是与相应变量成正比的直流量，因此这两种调速方法都是标量控制。,1) 恒压频比控制 在异步交流电机中，磁通m由定子磁势和转子磁势合成产生，因此要保持磁通恒定就需要费一些周折。根据交流电机学公式，三相异步电机定子每相电动势的有效值为 (5-43) 控制好eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。,(2) 基速之下存在的问题 低频时，us和eg都较小，定子漏磁阻抗压降所占的比重较大，不能再忽略。这时，可以人为地把电压us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降的补偿和无补偿的恒压频比控制特性如图5-10所示。从图中可以看出，非线性特性曲线中，us与的比值在高频段是成比例的，但随着频率的下降，开始出现非线性，这时电压逐渐被抬高。 在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样。在控制软件中，必须备有不同斜率的补偿特性，以供用户选择。,(3) 基速以上 在基频以上调速时，频率从f1n向上升高，由于定子电压us绝对不可能超过额定电压usn，最多只能保持us=usn，这将迫使磁通与频率成反比降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图5-9所示，当f f1n时，如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化。按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”；而在基频以上，转速升高时磁通与转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。,2) 可控转差频率控制 标量控制除了恒压频比控制法之外，还有一种就是可控转差频率控制法。有关可控转差频率控制法详见5.2.2节。,5.2.1 电压频率协调控制的变频调速系统,由式(5-48)，当u1/1等于常数时，假如转差率s很小，那么对于同一转矩te，不同的1带负载时的速度降n基本不变。也就是说，在恒压频比条件下改变频率时，机械特性基本是平行移动的。这就是交流异步电机恒压频比控制的依据，它与直流他励电机的调压调速特性类似。当s变大时，机械特性就变软，根据式(5-46)可以导出恒压频比的机械特性曲线，如图5-11所示。其中1n是额定磁通，13 12 11 1n。频率越低，最大转矩就越小。低频时，最大转矩太小，将限制带载能力。,2) 缺陷解决方法 恒压频比的缺点是低频阶段的非线性，导致无法满足要求，详见图5-10。解决办法是在低速时，对给定电压进行补偿，以改善机械特性。图5-10中的偏置特性就是改善的压频比特性。,3恒压频比开环交流控制系统 恒压频比的开环交流控制系统框图如图5-13所示。系统由静止变频器、异步交流电机、速度设定n*、压控振荡器vco、比例器k和电压设定u0组成。 其工作原理是：的值由u0和确定，由压控振荡器vco根据设定速度n*确定，开环系统始终确保电路实现= 常数，这样就能确保静止变频器处于恒压频比的控制方式之中。,4恒压频比闭环交流控制系统 将给定速度与实际速度比较，确定速度偏差，然后通过速度调节器，决定逆变器的频率和电压。 速度环的输出信号通过电流极限控制器来限制变频器的电压和频率的快速变化。 电流反馈只有当电机电流升到预置的最大值时才起作用，它控制逆变器电压和频率的变化率。,5.2.2 可控转差频率控制的变频调速系统,3可控转差率系统结构和机理分析 图5-17所示的是一个恒转差率双闭环调速系统，外环是速度环调节器asr，内环是电流环调节器acr。asr的输出是转差频率给定u*s ，而u*s是acr的输入设定。转差频率s分两路作用在ur和csi；一条支路通过gf，按照的大小产生相应的信号，再通过acr控制定子电流，以保持气隙磁通m恒定。另一条支路按照s + m = 1的规律，产生对应定子频率1的控制电压u1 ， u1 = u + u*s ；当速度给定信号反向时， u*s 、 u1 、 u都反向。dpi判断u1的极性，以确定drc的输出相序，而u1信号本身经过gab决定输出频率的高低。,5.3 矢 量 控 制,矢量控制又称为磁场定向控制，是20世纪70年代德国和美国学者提出的。德国学者blaschke提出“感应电机磁场定向的控制原理”，美国学者custman和clark提出“感应电机定子电压的坐标变换控制”。这些理论的提出使得交流变频调速技术大大进步。矢量控制按照其控制模式可分为：直接磁场定向控制，以blaschke为代表；间接磁场定向控制，以hasse为代表。,矢量控制是一种解耦控制。通过坐标变换，它将定子电流分解成磁通分量和转矩分量，分别进行控制。矢量控制使得在动态过程中对电磁转矩进行精细的控制成为可能，从而大大提高了调速的动态性能。 在矢量控制中，定子电流被分成互相垂直的两个分量im1、it1，其中im1用于控制转子磁链，被称为磁链分量；it1用于调节电机转矩，被称为转矩分量。矢量控制的结果就是通过对定子电流分解，达到转子磁链和电磁转矩的解耦控制。,根据控制结构中是否含有转子磁通调节器，可以分为直接磁场定向控制和间接磁场定向控制。直接磁场定向控制中含有转子磁通调节器，依照转子磁通的实际方向进行定向；间接磁场定向控制则仅仅依靠矢量控制方程来保证转子磁通的定向。,5.3.2 磁通开环转差型矢量控制系统,磁通开环转差型矢量控制的基本工作原理是：asr的输出作为矢量控制的输入，为定子电流转矩分量u*it1提供给定值；定子电流励磁分量u*im1与转子磁通给定信号u*2之间满足式(5-54)，并按照式(5-54)的比例微分关系，对磁通进行动态调节，从而避免了标量控制的磁通滞后问题；给定信号u*it1 、 u*im1经直角坐标和极坐标变换（k/p）合成器合成产生定子电流控制信号；转差频率给定信号u*s 、 u*it1 和u*2遵循式(5-57)函数条件；定子频率信号u1 = u + u*s 。 u1积分后产生m轴控制信号u ，随着旋转角不断累积，取代了环形分配器。1是电流矢量与m轴的夹角，叠加在上，保证瞬时动态控制。,转差矢量控制基本公式,5.3.3 转子磁通观测模型,利用可实测物理量，建立高精度的转子磁通观测模型是实现高性能矢量控制的核心。下面两种方法是典型的方法。,5.3.4 速度、磁通闭环控制的矢量控制系统,采用磁通闭环控制可以改善磁通在动态过程中的恒定性，从而进一步提高矢量控制系统的动态性能。速度和磁通闭环的矢量控制系统使得控制器对电磁转矩的控制能力大大加强。图5-23所示的就是一个速度和磁通闭环矢量控制系统，这种技术方案属于直接磁场定向控制。,该系统的特点是，利用atr取代acr， 转矩反馈信号由转子磁通和定子电流的转矩分量按照式(5-49)计算求得。 asr、atr、ar均采用pi调节器控制。,5.4 直接转矩控制,直接转矩控制是德国学者depenbrock提出的，其主要着眼点是对磁链的控制，避免矢量控制的坐标变换，从而使控制得以简化。,直接转矩控制的特点,(1) 在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，直接控制磁链和转矩，不需要与直流电机进行比较、等效、转化等，省去了复杂的计算； (2) 直接转矩控制只需定子参数，不需随转速变化、难以测定的转子参数，大大减小了参数变化对系统性能的影响； (3) 采用电压矢量和六边形磁链轨迹，可直接控制转矩； (4) 转矩和磁链都采用两点式调节器，把误差限制在允许的范围内，控制直接又简化； (5) 控制信号的物理概念明确，转矩响应迅速，且无超调，具有较高的动静态性能。,1基本控制思想 电机控制的根本是 控制电磁转矩， 转矩控制的核心是磁链控制。,就异步交流电机而言，其磁链可定义为三种：定子磁链s、转子磁链r和气隙磁链a。,异步交流电机矢量控制利用的是转子磁链定向技术，而直接转矩控制利用的是定子磁链定向技术。 1) 定子磁链s(t)与电压空间矢量us(t)的关系 定子磁链s(t)与电压空间矢量us(t)的关系如下：,由式(5-64)可知，定子磁链空间矢量s(t)与电压空间矢量us(t)之间为积分关系。当电压矢量按顺序1、2、3、4、5、6作用时，磁链矢量沿六边形的六条边s1、s2、s3、s4、s5、s6运动，如图5-24所示。假定加在定子上的电压空间矢量是us1，定子磁链将沿着边s1运动；当运动到达顶点6时，改加电压空间矢量us2，则定子磁链就将沿着s2运动。磁链轨迹（s1或者s2）总与电压矢量us1或者us2的方向平行。依次类推，就可以得出六边形的定子磁链圆。,式中，ts是采样周期。从式(5-66)可以得出：当定子绕组施加电压矢量us之后在采用周期ts内，在电机气隙中将产生与us方向一致的磁链s = usts，即s的大小与usts的值有关，但是其方向与s(k-1)不同。s(k)是s(k-1)和s的矢量和。由式(5-62)，可以看出us非零电压矢量能够产生定子磁链并使它运动。只要恰当地控制电压矢量的顺序和作用时间，就能做到磁链按照预期的运动轨迹运动。,2) 电压矢量对电机转矩的影响,电机的转矩大小不仅仅与定、转子磁链的幅值有关，还与它们的夹角有关。当磁链的幅值基本不变，而夹角从0到90变化时，电磁转矩从0变化到最大值。因此，对定、转子磁链的夹角进行控制也能达到控制电机转矩的目的。这就是直接转矩控制思想的基本出发点。 工作电压矢量使定子磁链走，零电压矢量使定子磁链停，控制定子磁链停停走走，就控制了磁通角的大小，也就达到了控制转矩的目的。,直接转矩控制的基本原理如下,图5-25 磁链电压空间向量图 (1) 若要增大电磁转矩，只需按上述规律加载电压空间矢量，只要所加电压的幅值足够，定子磁链的转速就会大于转子磁链，从而使转矩增加。 (2) 若要减小电磁转矩，只需加载零电压空间矢量，定子磁链就会停止转动，从而使转矩减小。 (3) 在控制策略上，直接转矩控制只是对定子磁链的转动进行走走停停的开关式控制。,3) 对电压矢量的正确选择 电压矢量决定定子磁链的运动轨迹。要得到六边形磁链轨迹，就要正确选择电压矢量。其含义是：选择电压矢量的顺序；选择给出各电压矢量的时刻。 在六边形磁链轨迹上建立 坐标系，如图5-25所示。把定子磁链矢量在三相坐标a、b、c轴上投影，则可得到三个相差120相位的梯形波，分别是定子磁链、分量。图5-26(a)给出了定子磁链三个分量的时序图。,同理，磁链开关信号sa、sb、sc与电压开关信号sua、sub、suc由式(5-68)描述。,按照式(5-68)，当电压矢量按顺序“165432”给出时，磁链轨迹按顺时针方向“s4s3s2s1s6s5”旋转，称其反转（也称为n运转）。 电压矢量的给出时刻为各磁链分量到达磁链给定值g的时刻。磁链分量通过比较器得到磁链开关信号，再通过式(5-67)或者式(5-68)得到电压矢量开关信号。其中，g是一个十分重要的参考值，它决定电压矢量的切换时间，其几何意义是六边形磁链边到圆心的距离。,2直接转矩控制的基本结构,图5-28是直接转矩控制系统的基本结构图。系统主要由速度调节器（asr）、转矩调节器（atr）、转矩计算单元（amc）、磁链控制单元（dmc）、定子磁链观测单元、电压型逆变器构成。图中定子磁链观测模型是按照式(5-60)构建的。dmc的作用就是把定子磁链矢量在空间三相坐标上进行投影，在六边形轨迹的各个顶点处磁链矢量在某一轴上的分量达到正或者负的最大值。,转矩计算单元amc按照式(5-69)，转矩调节器atr依据施密特触发器实现。,3直接转矩控制中的问题,(1) 低速运行问题 在低速时，定子电阻压降相对定子电压不可忽略，磁链轨迹发生畸变，由正六边形变成内陷的六边形。在低频时，零电压矢量增多，严重时影响低速性能。应采用区段内的多种电压矢量的控制，以保证低频时的磁链和转矩。在极低频率下，采取圆形磁链轨迹的方案。,(2) 弱磁运行问题 弱磁范围的调节特点是实行功率调节，用功率调节器控制磁链给定值的大小，以实现稳态的功率调节和动态的转矩调节。定子电压矢量为全电压，零电压矢量不再用。,5.5 变 频 器,变频器作为交流电机调速驱动控制器随着电力电子技术和微电子控制技术的快速发展得到迅速普及。变频器按照用途可分为通用型和专用型，按照逆变侧电源性质可分为电流型和电压型。,1变频器的构成,图5-29所示是变频器基本结构框图。它由两大部分构成：主电路和控制电路。主电路是动力回路单元，为电机提供动力，通常有三大功能模块整流回路、平波电路和逆变回路；控制回路涵盖驱动回路和保护回路。控制回路通过操作面板对变频器进行工作模式管理。,图5-30是变频器的工作原理图。图5-30(a)是由三角波和三相电源相电压基波va、vb、vc的合成波构成；晶体管开关的基极驱动信号一般采用三相正弦波作为参考信号，与三角波组合，在正弦波与三角波的相交处发出调制信号（若信号电压大于三角波电压，则晶体管开通；若小于三角波电压，则晶体管关断），根据换相原则顺次地控制6个晶体管通断。图5-30(b)中画出了a、b两点相对于o位的波形。ab间的相电压uab为uaub，它是一组振幅为e、不同脉宽的脉冲电压。在这一组脉冲电压中，用虚线表示的正弦波是其中所含的基波电压成分。由此可见，当改变正弦波参考电压的幅值时，脉宽发生变化，输出电压的大小也随之改变；当改变正弦波参考电压的频率时，输出电压频率也将发生改变，这样就能得到任意频率、任意振幅的三相交流输出电压。如果要改变交流电压的相序以使电动机改变转向，只需改变各个晶体管开关的通断顺序即可,2变频器的使用,虽然变频器的种类很多，但是基本使用形式雷同。变频器的使用分为以下两个重点。 电气连接方法 工作模式选择,接线,1) 变频器硬件的接线 图5-31是变频器硬件的接线原理图。,工作模式,它有以下四种工作模式可选择： (1) 变频器屏幕按键操作模式，即手动工作模式； (2) i/o端子控制模式，即外控模式； (3) 标准信号模拟量控制模式； (4) 标准总线工作模式，通过rs232或者rs485总线控制。,2) 变频器工作模式的选择 变频器作为通用驱动设备，除了接线按照相应的模式外，主要还要对变频器的各个功能寄存器进行设定，使之符合模式要求。 表5-1是变频器内部寄存器设定值参考表，星号是基本功能寄存器。使用变频器前需要仔细阅读变频器的使用手册，然后按照使用模式设定寄存器。,3变频器选择,变频器的种类很多，如何正确地选择使用变频器十分重要，下面就论述变频器选型的要点。 1) 电源（电源等级的选择） 选择与供电电源和电机的额定电压两者相匹配的电压等级。 相数：单相/三相； 电压：200230 v ac/380460 v ac； 频率：50/60 hz； 电源容量：应在变频器额定电源容量以上