（机械电子工程专业论文）电动挖掘机控制同步的理论与仿真研究.pdf

；，。一。：，、乙 a t h e s i s v n 一 【llliooio-ii-r-l l l 独创性l 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 日 司觐 期：沙掳t 7 - ， 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口 学位论文作者签名：训铭 签字日期：v 鼻，7 u，y ， 。一) 东北大学硕士论文摘要 电动挖掘机控制同步的理论与仿真研究 摘要 本文通过对本研究所的w s 一0 0 5 挖掘机试验台的挖掘过程自动化，智能 化研究，研究系统的控制同步的方法。本课题是实验室以现代机电一体化思 想改造挖掘机实验台项目中的电气控制的一部分一进行挖掘机系统中涉及感 应电动机部分的相关研究工作，并且从中提取控制同步的方案。主要是对实 验台中所使用的感应电动机进行参数测量以及转速控制等，为实验台的搭建 做一些必要的准备，并研究感应电机在运行过程中负载与转速的关系，希望 从中找到联系从而通过检测非常容易测得的电机转速来达到对电机外负载的 检测的目的。课题具有重要的实用价值和意义。本文内容有以下几个方面： 1 利用系统动力学理论，建立两电机驱动挖掘机系统的动力学模型，正确 选择系统局部扰动量，推导出给定位姿和运动参数下系统的扰动参量微分方 程。其中局部扰动参量的选择方法为：将所要求的同步参量乘以不同比例因 子，使其同步指标相等，然后利用振动同步系统的局部参量选择方法进行处 理；而求取各同步参量的线型函数表达式时代入同样比例因子。 2 利用非线性动力学理论与数值仿真相结合，分析给定位姿和运动参数下 系统的耦合动力学特征，并给出静动态耦合动力学特征与系统参数，位姿及 运动参数的关系。 3 利用电压同步坐标系，建立异步电动机变频器供电条件下的数学模型， 并推导出给定工作点邻域的小参数扰动方程，以此为依据研究电流相位，幅 值及变频器输入与外负载的动力学特征的关系，进而提出基于电流的异步电 动机外负载动力学特征的辨识算法，并通过数值仿真于实验加以验证。 4 提取系统的祸合动力学特征，提出辨识算法，并通过仿真加以验证。 5 通过计算机数值仿真验证智能控制算法的有效性。 关键词：控制同步；双机传动机械系统；电机仿真；智能控制 i i s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la n d t h es i m u l a t i o n o ft h ee x c a v a t i o n a b s t r a c t t h i sa r t i c l et h r o u g ht ot h i sr e s e a r c hi n s t i t u t e 。s w s 一0 0 5e x c a v a t o rt e s t p l a t f o r m e x c a v a t i o n p r o c e s sa u t o m a t i o n ，i n t e l l e c t u a l i z e d r e s e a r c h ，r e s e a r c h s y s t e m sc o n t r o ls y n c h r o n i z a t i o nm e t h o d t h i st o p i ci s al a b o r a t o r y - c a r r i e so nt h e e x c a v a t o rs y s t e mb ym o d e mi n t e g r a t i o no fm a c h i n e r yi d e o l o g i c a lr e m o l d i n g e x c a v a t o rl a b o r a t o r yb e n c hp r o je c ti ne l e c t r i cc o n t r o lp a r tt oi n v o l v et h ei n d u c t i o n m o t o rp a r tt h er e l a t e dr e s e a r c hw o r k ，a n dw i t h d r a w st h ec o n t r o ls y n c h r o n i z a t i o n t h ep l a n i sm a i n l yt h ei n d u c t i o nm o t o rw h i c hu s e sf o rt h el a b o r a t o r yb e n c hi n c a r r i e so nt h ep a r a m e t e rs u r v e ya sw e l la st h es p e e dc o n t r o la n ds oo n ，m a k e ss o m e e s s e n t i a lp r e p a r a t i o n sf o rt h el a b o r a t o r yb e n c hb u i l d ，a n ds t u d i e st h ea s y n c h r o n o u s m a c h i n ei nt h em o v e m e n tp r o c e s st h el o a da n dt h er o t a t i o n a ls p e e dr e l a t i o n s ， h o p e dt h a tf o u n d t h er e l a t i o n ，t h u sw a se a s yt h r o u g ht h ee x a m i n a t i o nt h ee l e c t r i c a l m a c h i n e r yr o t a t i o n a ls p e e dw h i c ho b t a i n e dt oa c h i e v et ot h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r y o u t s i d et h el o a de x a m i n a t i o ng o a l t h et o p i ch a st h ei m p o r t a n tu s ev a l u ea n dt h e s i g n i f i c a n c e t h i sa r t i c l ec o n t e n th a sf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 u s e st h es y s t e m sd y n a m i c st h e o r y , e s t a b l i s h e st w om o t o r d r i v e ne x c a v a t o r s y s t e m sd y n a m i c sm o d e l ，t h ec o r r e c ts e l e c t i v es y s t e mp a r t i a lp e r t u r b a t i o nq u a n t i t y , t h ei n f e r e n t i a lr e a s o n i n gd e l i v e r sd e c i d e st h ep o s ea n du n d e rt h ep a r a m e t e ro f m o v e m e n tt h es y s t e m a t i cp e r t u r b a t i o np a r a m e t e rm i c r om i n u t ee q u a t i o n a n dt h e p a r t i a lp e r t u r b a t i o np a r a m e t e r sc h o i c em e t h o di s ：w i l lr e q u e s tt h es y n c h r o n i z e d p a r a m e t e r i s m u l t i p l i e db yt h e d i f f e r e n t p r o p o r t i o n a l i t y f a c t o r ，c a u s e s i t s s y n c h r o n i z e dt a r g e tt ob ee q u a l ，t h e nc a r r i e so np r o c e s s i n gu s i n gt h ev i b r a t i o n s y n c h r o n o u ss y s t e m sp a r t i a lp a r a m e t e r c h o i c em e t h o d ；b u ts e e k sv a r i o u s s y n c h r o n i z e dp a r a m e t e r l i n e a rf u n c t i o ne x p r e s s i o nt i m et oe n t e rt h es i m i l a r p r o p o r t i o n a l i t yf a c t o r 2 u n i f yu s i n gt h en o n l i n e a rd y n a m i c st h e o r ya n dt h ev a l u es i m u l a t i o n ，t h e i l l 东北大学硕士论文a b s t r a c t a n a l y s i sa s s i g n st h ep o s ea n du n d e rt h ep a r a m e t e ro fm o v e m e n ts y s t e m sc o u p l i n g d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c ，a n dg i v e s t h es t a t i c d y n a m i cc o u p l i n gd y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i ca n dt h es y s t e mp a r a m e t e r s ，t h ep o s ea n dt h ep a r a m e t e ro fm o v e m e n t r e l a t i o n s 3 u s i n gt h ev o l t a g es y n c h r o n i z a t i o nc o o r d i n a t es y s t e m ，e s t a b l i s h e su n d e rt h e a s y n c h r o n o u sm o t o rf r e q u e n c yc h a n g e rp o w e rs u p p l yc o n d i t i o nt h em a t h e m a t i c a l m o d e l ，a n di n f e r sa s s i g n st h eo p e r a t i n gp o i n tn e i g h b o r h o o dt h es m a l lp a r a m e t e r p e r t u r b a t i o ne q u a t i o n ，t a k e t h i sa st h eb a s i sr e s e a r c hc u r r e n t p h a s e ，t h e p e a k t o p e a k v a l u ea n dt h e f r e q u e n c yc h a n g e ri n p u tw i t ht h eo u t s i d el o a d s d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c sr e l a t i o n s ，t h e np r o p o s e dt h a tb a s e do nt h ee l e c t r i cc u r r e n t a s y n c h r o n o u se l e c t r i c a l l yo p e r a t e d o u t s i d et h ea i r c r a f t l o a d d y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i c si d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h m ，a n dc o n f i r m st h r o u g ht h ev a l u es i m u l a t i o n i nt h ee x p e r i m e n t 4 e x t r a c t i o ns y s t e m sc o u p l i n gd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c ，p r o p o s e st h ei d e n t i f i c a t i o n a l g o r i t h m ，a n dc o n f i r m st h r o u g ht h es i m u l a t i o n 5 t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tt ov e r i f yt h er e s u l t so ft h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa f o r e - m e n t i o n e d k e yw o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o l ；m e c h a n i c a ls y s t e mw i t hm u l t i - m o t o rd r i v e s ； m o t o rs i m u l a t i o n ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l 东北大学硕士论文 目录 目录 声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义1 1 2 控制同步的国内外发展现状2 1 3 课题的主要研究工作4 第2 章电机的变频调速原理及数学模型7 2 1 交流异步电动机的用途7 2 2 交流异步电动机的基本原理7 2 3 交流异步电动机的变频调速原理8 2 4 异步电动机变频器供电条件下的数学模型1 2 2 4 1 三相两相变换1 2 2 4 2 变频速调速下的小信号传递函数15 2 4 3 计算机仿真结果1 8 2 5 交流异步电动机负载情况分析1 9 第3 章挖掘机动力学系统建模2 5 3 1 挖掘机简介2 5 3 2 挖掘轨迹分析计算2 7 v 东北大学硕士论文 目录 3 2 1 挖掘轨迹数学表达式的确定2 7 3 2 2 矢径与轨迹切线夹角值的确定3 0 3 3 系统建模( 双自由度，x 为极坐标系位移) 3 l 3 3 1 系统的扰动参量微分方程3 2 3 3 2 计算机仿真3 6 第4 章挖掘机系统的同步控制3 9 4 1 系统同步控制简介3 9 4 2 传动机械系统的数学模型3 9 4 3 感应电动机的无速度传感器磁场定向控制4 0 4 3 1 感应电动机的转子速度和转子磁链的自适应辩识模型4 1 4 3 2 全维转子状态估计器的设计4 2 4 3 3 转子速度、定子和转子电阻的自适应辨识4 4 4 3 4 感应电动机工作过程中所受外负载的辨识4 6 4 4 传统p i d 算法的应用4 9 4 4 1p i d 控制的基本原理4 9 4 4 2 数字p i d 控制算法5 0 4 4 3 计算机仿真结果5 5 4 5 本章结论5 8 第5 章结论6 0 参考文献6 2 致谢6 6 v i 东北大学硕士论文 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 本课题是实验室以现代机电一体化思想改造挖掘机实验台项目中的电气 控制的一部分一进行挖掘机系统中涉及感应电动机部分的相关研究工作。并 且从中找到控制同步的方案。主要是对实验台中所使用的感应电动机进行参 数测量以及转速控制等，为实验台的搭建做一些必要的准备，并研究感应电 机在运行过程中负载与转速的关系，希望从中找到联系从而通过检测非常容 易测得的电机转速来达到对电机外负载的检测的目的。课题具有重要实用价 值和意义。 课题的挖掘机系统中使用的是异步电动机，这是现在国民经济各部门应 用最广泛的一种电动机。异步电动机又叫做感应电动机，是交流电机的一种。 据统计，异步电动机的总容量约占电网总动力负载的8 5 。在工农业生产以 及日常生活中，用来拖动各种类型的机床、轧钢机、挖掘机、起重机以及通 风机和水泵等。与直流电动机相比较，异步电动机具有结构简单、坚固耐用、 工作可靠、价格便宜和维护方便等一系列优点。但是，异步电动机也存在一 些缺点，主要是它的调速性能差、功率因数较低，这在一定程度上限制了它 的应用。多年来，随着电力电子学的飞速发展，各种大功率半导体器件如可 控硅等的出现，使得交流调速有了飞跃的进步，并已经进入与直流调速相媲 美、相竞争的时代。伴随着我国现代工业的迅速发展，异步电动机连同交流 调速的重要性将更加显著。 无论是在多个电机的工作系统中，还是在单个电机的系统中，电机作为 动力源的地位都是不可忽视的。它为执行机构提供动力，驱动执行机构到达 某个位置，达到某种速度，以完成系统所定下的任务。因而对电机动力学参 数的控制体现着对执行机构的控制，也决定着整个系统的准确性、精确性、 可靠性。测试和控制是现代机电一体化系统的重要表现，为达到对系统实时 性的控制，就要对每个时刻的执行机构的位置坐标，速度，位移等参数实时 反馈，对之分析，然后与目标状态的参数进行比较，以差值完成控制。由于 东北大学硕士论文第1 章绪论 系统是通过电机来实现对执行机构的操作的，所以可以通过对电机相关参数 的检测、控制而达到对执行机构的控制，因此对电机的参数的检测势在必行。 在多机系统运行的过程中，由于工作条件的变化和随机外负载的干扰， 使得各个感应电动机所受的外负载转矩发生变化。而在感应电动机运行过程 中，外负载转矩直接影响电动机的转速，因此，很难保证电机按照指定的转 速指令运行。通常的方法是对电机的转速进行实时的检测然后反馈给输入端， 通过与指令转速的速度差来调节转速，但是由于系统的复杂性，在很多情况 下速度传感器的安装比较困难，尤其是在多个感应电动机驱动的振动系统中， 速度传感器的工作条件往往比较差。同时转子速度传感器的引入又降低了系 统的可靠性和抗干扰能力。本文通过对电机运行过程中定子电流与外负载的 关系的研究，确定了通过检测电流来检测外负载的方法，并设计了一种电机 无速度传感器控制系统，代替传统的速度传感器转速控制方法。所以，通过 本课题的研究，希望能够：搭建挖掘机控制系统的实验台，为以后的试验研 究打好基础，提供好的平台。 1 2 控制同步的国内外发展现状 工程中的许多机械，都要求它们的回转轴有接近相同的速度或有相同的相 位，即所谓“同步”。这就需要采用适当的方法来满足它们的工作要求。目前 常用的方法是采用控制的方法，即应用“控制同步”的方法。 机械系统的控制同步是一门新兴的跨学科的综合性科学技术，是机械 术、电力电子技术和信息技术的有机结合。它的发展和其他相关技术的发 密切联系在一起。控制同步的主要对象是电动机( 在液压系统中是油缸和 塞) ，主要控制参数是位移、速度和相位。目前控制参数除一般控制参数( 转速和相位) 以外，还包括其他一些参数，如作用力和变形等。 2 0 世纪8 0 年代以来，传统的控制理论与智能控制理论都得到了迅速的 展。并在工程实际中得到了广泛地应用，因此，目前用控制的方法实现同 不仅已成为现实，而且可获得良好的控制效果，即能获得满意的精度和工 稳定性。 为了使两轴实现同步运转。必须对某一转轴的驱动电动机的转速进行 节。在该轴的转速落后的情况下，通过调节来增加它的转速；而在超前的 况下，应通过调节，减小其转速，直到它们的转速达到相同为止。目前最 2 东北大学硕士论文第1 章绪论 采用的连续调节交流电机转速的方法有两种： 第一种是通过增减外负荷来调节轴的转速。即每个工作电机都加一个辅助 发电机，通过辅助发电机调节加在主电机上的外载来间接调节工作主电机的 转速，达到多个电机同步的目的。但这种方法速度调节范围小，而且很不经 济，如今工程上己不再使用。 第二种是利用变频调速技术来调节电动机的转速。变频调速技术是2 0 世 纪7 0 年代到8 0 年代发展起来的，是交流电机材料与结构、控制理论及方法、 电子技术发展的结果。控制理论与技术的发展，是交流调速系统的性能大大 提高，并有逐渐取代直流伺服调速系统的趋势，至今已被广泛的应用于生产 实际中。 对于多电机同步控制的研究主要是深入到速度和转角的双重同步控制研 究，它的研究成功将为军事、航空以及一般工业技术领域等需要统一动作功 能的多电机提供同步控制技术。 在工业生产中，伺服控制是机械加工控制系统的基础。个机械系统通常 有多个轴需要伺服控制，对这些轴的控制就是控制驱动轴的电动机。在这种 伺服系统中，最常见的控制算法为多电机非交叉耦合控制算法。但是由于各 电机的动态性能不可能完全一样，并且由于受到负载干扰和噪声干扰等诸多 因素的影响，各电机的动态性能也是在不断改变的。因此针对提高每一个电 机控制精度，而对其它电机具有不可预见性的多电机非交叉耦合控制策略显 然不能达到多电机驱动的高精度伺服系统的要求。针对这种情况，k o r e n 于 1 9 8 0 年提出交叉耦合补偿控制策略。由于同步控制涉及到控制多个电机，因 此多变量控制成为同步控制的基本控制算法。 自从1 9 8 0 年k o r e n 提出交叉耦合控制算法以后，许多科学工作者围绕“多 电机协调控制”展开了进一步的研究，特别是9 0 年代，己深入到速度、转角( 位 置) 双重同步的多电机协调控制理论的研究。k u l k a m i 和s r i n i v a s a n ( 1 9 8 5 ，1 9 8 6 ) 详细地分析了交叉耦合补偿控制策略，并于1 9 8 9 年引进了最优控制方案，而 t o m i z u k a 等又把自适应前馈控制策略用到交叉耦合控制器中，以提高瞬间响 应和抗干扰能力。采用交叉耦合控制能有效地解决各电机之间动态性能不匹 配的问题。 要实现多机传动机械系统的同步控制，机械系统的动力学分析与电力传动 控制是解决多机传动机械系统同步控制的基础，两者有机的结合是解决多机 东北大学硕士论文第1 章绪论 传动机械系统同步控制问题的关键所在。 在多机传动系统中，由于机械结构本身的复杂件，影响系统同步的因素较 多。从机械系统方面考虑，由于机械系统加到各电机的负载不均，这会导致 各电机不同步。这一情况由两方面引起：一方面，机械系统的耦合作用使各 电机的负载按一定规律变化，如双电机驱动的振动同步系统，电机负载随两 个偏心转子的相位差不同而不同；另一方面，机械系统工作介质的质量和特 性的变化、介质分配的不均匀等，会引起各电机外负载转矩的重新分配，导 致电机的不同步。从电机方面看，电源的波动、电机参数随环境湿度和温度 的差异而改变，都将会引起同一机械系统中多个电机的不同步。因此，要保 证同一机械系统中的多个电机同步运行，必须选样正确的控制策略，克服系 统中种种干扰和影响，使系统按要求的同步性指标运行。 在多机机械系统同步控制的研究中，传统控制和智能控制等各种主要控制 方法均得到了采用，如p i d 控制、变结构自适应控制、模糊控制、神经网络 控制等。 传统的控制策略如p i d 反馈控制、解耦控制、自适应控制、变结构控制等， 在交流电机控制中已得到了广泛应用。其中p i d 控制算法蕴涵了动态控制过 程中过去、现在和将来的信息，具有较强的鲁棒性，与其他新型控制思想相 结合，形成了许多有价值的控制策略，在工程中得到了广泛的应用。 最近二十多年来，智能控制得到迅速的发展和应用，在同步控制过程中可 以获得满意的效果。从本质上来说，智能控制的研究对象具有模型的不确定 性、高度非线性和控制任务的复杂性等特点。 近年来，各国学者都致力于感应电动机的无速度传感器控制系统的研究， 利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估计以取代速度传感 器，其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时 控制的要求。 1 3 课题的主要研究工作 耦合动力学理论采用局部扰动参量的动力学分析方法进行研究：首先，将 系统给定的同步指标加入扰动参量，即同步指标设定为指定同步指标( 对应 于控制同步) 或可能的同步指标( 对应于振动同步) 加同步指标扰动参量； 然后，再依据系统的运动特征，设计辅助扰动参量，并将各电动机瞬时转速 4 东北大学硕士论文第1 章绪论 或角位移表示为指定同步指标( 或可能的同步指标) ，同步指标扰动参量的动 力学微分方程；最后，依据系统动力学理论，分析局部扰动参量微分方程， 获得系统的耦合动力学特征。 系统中局部扰动参量总数等于同步指标扰动参量加辅助扰动参量数量。局 部扰动参量选择的原则为：( 1 ) 局部扰动参量数量与系统同步参量数量相同； ( 2 ) 局部参量中必须有同步指标的扰动参量；( 3 ) 系统同步参量均可表示为局部 扰动参量的线型函数。如：对于双电机驱动振动系统，选择两电动平均转速 的瞬时波动量和两偏心转子相位差的瞬时波动速度为局部扰动参量满足上述 原则。 系统实验检测及数据处理方案为：用电流传感器、电压传感器检测各电 动机三相绕组的电压和电流，并将其检测结果通过三相两相变换，变换到定 予方向；电动机转速由光电编码盘检测；电动机单机负载通过转矩传感器检 测；然后，通过单个电动机检测结果，辨识其动力学参数，提出电动机负载 动力学特征的电流辨识算法( 不包括转矩传感器和光电编码盘) ，而转速与转 矩检测结果用于试验过程验证辨识算法的正确性；最后，多机驱动机械系统 各电动机负载特性通过各电动机的动态参数及检测电流提取，其提取算法首 先在参数确定的挖掘机系统中验证。 东北大学硕士论文第2 章电机的变频调速原理及数学模型 第2 章电机的变频调速原理及数学模型 2 1 交流异步电动机的用途 在轨迹控制系统中，要对提升电机、推压电机的转速进行实时控制，调 节转速值，这里就涉及到选择动力源以及如何调速的问题。 直流电机拖动和交流电机拖动是动力机械的主要驱动装置。但是，众所周知， 由于结构上的原因，直流电机存在以下的缺点： ( 1 ) 需要定期更换电刷和换向器，维护保养困难，寿命较短； ( 2 ) 直流电动机存在换向火花，难以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环 垃 幌； ( 3 ) 结构复杂，难以制造大容量、高转速和高电压的直流电动机。 而与直流电动机相比，交流电动机则具有以下优点： ( 1 ) 结构坚固，工作可靠，易于维护保养； ( 2 ) 不存在换向火花，可以应用于存在易燃易爆气体的恶劣环境； ( 3 ) 容易制造出大容量、高转速和高电压的交流电动机。 基于交流电机的如上优点，并随着交流变频调速技术逐渐达到成熟，交 流异步电动机在工业现场得到普遍应用，并催生出批成熟的配套产品，如 变频器等产品。与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行 调速控制的交流施动系统有许多优点，如节能，容易实现对现有电动机的调 速控制，可以实现大范围内的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转 切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，可以对电动机进行 高速驱动，可以适应各种工作环境，可以用一台变频器对多台电动机进行调 速控制，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等 等。在这里结合要用到的普通鼠笼式交流异步电动机和a b b 公司生产的变频 器系列，介绍一下交流变频调速在系统中的运用。 2 2 交流异步电动机的基本原理 当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将 东北大学硕士论文 第2 章电机的变频调速原理及数学模型 产生一个如图2 1 所示的旋转磁场，该磁场的速度由定子电压的频率所决定。 当磁场旋转时，位于该旋转磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组 中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作 用而产生电磁力( 即转矩) ，使转子跟随旋转磁场旋转。这就是异步电动机的基 本工作原理。 一_ 、筏：二：x 二： aa xxxx 图2 1异步电动机的基本工作原理图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r 2 3 交流异步电动机的变频调速原理 异步电动机定子磁场的转速被称为异步电动机的同步转速。这是因为当 转子的转速达到电动机的同步转速时，其转子绕组将不再切割定子的旋转磁 场，因此转子绕组中不再产生感应电流，也不再产生转矩。因此异步电动机 的转速总是小于其同步转速，而异步电动机也正是因此而得名。异步电动机 的同步转速由电动机的磁极个数( 极数) 和电源频率所决定。当用表示同步转 速时，则可以表示为 n o2 2 6 0 厂 p 若p a n 表示异步电动机的转速，并以同步转速为基准，将异步电动机的转 差率s 定义为 东北大学硕士论文 第2 章电机的变频调速原理及数学模型 s = f o - - f ，2 0 则异步电动机的实际转速n 由下式给出 6 0 f ( 1 - s ) ，z = o p 式中刀异步电动机的转速，r m i n ； 旋转磁场的转速( 即同步转速) ，r r a i n ； 厂_ 定子电流频率，h z ； 卜旋转磁场的极对数； s 转差率。 当电动机为空载( 不产生转矩) 时，转差率基本上为0 ，而当电动机为满负 载( 产生额定转矩) 时，则转差率一般在1 1 0 的范围内。 由上式可知，改变参数厂s 和p 中的任意一个，即可以达到改变电动机转 速，即对异步电动机进行调速控制的目的。因此，如果能够有一个可以任意 改变频率的电源的话，即可以通过改变该电源的频率来实现对异步电动机的 调速控制。从某种意义上来说，变频器就是一个可以任意改变频率的交流电 源。但是，由于在实际的调速控制过程中，还必须考虑到有效利用电动机磁 场，抑制起动电流和得到理想的转矩特性等方面的问题，一个普通的频率可 调的交流电源并不能满足对异步电动机进行调速控制的需要。 变频器充分考虑了交流异步电动机的机械特性和电气特性，可以说是为 交流变频调速而量身打造的一种控制设备。经过数十年的发展历史，目前成 为市场主流的异步电动机用变频器传动如图2 2 所示。整流器将交流电变为直 流电，平波回路将直流电平滑，逆变器将直流电逆变为频率可调的交流电。 为了电动机的调速传动所给出的操作量有电压、电流和频率。 厂一一。一一 i。、。l |，。? 。 l 一| 。|i 一l “” | 一l ”。” 1 2 。1 7 tt l 拧击i i ；i 魏 | l 一， 图2 2 变频器的原理图 f i g 2 2s c h e m a t i co fd i a g r a mo ft h et r a n s d u c e r 东北大学硕士论文第2 章电机的变频调速原理及数学模型 随着变频器的发展，出现了多种类型的变频器产品，在这里介绍一下变 频器的分类，并据此选择适合轨迹控制需要的变频器产品类型。 ( 1 ) 按照主电路工作方式分类。当按照主电路工作方式进行分类时，变频 器可以分为电压型变频器和电流型变频器。电压型变频器的特点是将直流电 压源转换为交流电源，而电流型变频器的特点则是将直流电流源转换为交流 电源。 ， 电压型变频器。在电压型变频器中，整流电路或者斩波电路产生逆变电 路所需要的直流电压，并通过直流中间电路的电容进行平滑后输出。整流电 路和直流中间电路起直流电压源的作用，而电压源输出的直流电压在逆变电 路中被转换为具有所需频率的交流电压。在电压型变频器中，由于能量回馈 给直流中间电路的电容，并使直流电压上升，还需要有专用的放电电路，以 防止换流器件因电压过高而被破坏。 电流型变频器。在电流型变频器中，整流电路给出直流电流，并通过中 间电路的电抗将电流进行平滑后输出。整流电路和直流中间电路起电流源的 作用，而电流源输出的直流电流在逆变电路中被转换为具有所需频率的交流 电流，并被分配给各输出相后作为交流电流提供给电动机。在电流型变频器 中，电动机定子电压的控制是通过检测电压后对电流进行控制的方式实现的。 对于电流型变频器来说，在电动机进行制动的过程中可以通过将直流中间电 路的电压以反向的方式使整流电路变为逆变电路，并将负载的能量回馈给电 源。由子在采用电流控制方式时可以将能量回馈给电源，而且在出现负载短 路等情况时也更容易处理，电流型控制方式更适合于大容量变频器。 ( 2 ) 按照开关方式分类。当谈到变频器的开关方式时通常讲的都是变频器 逆变电路的开关方式。而在按照逆变电路的开关方式对变频器进行分类时， 则变频器可以分为p a w 控制方式、p w m 控制方式和高载频p w m 控制方式 三种。 p a m 控制。p a m 控制是p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ( 脉冲振幅调制) 制的 简称，是一种在整流电路部分对输出电压( 电流) 的幅值进行控制，而在逆变电 路部分对输出频率进行控制的控制方式。因为在p a m 控制的变频器中逆变电 路换流器件的开关频率即为变频器的输出频率，所以这是一种同步调速方式。 由于逆变电路换流器件的开关频率( 以下简称载波频率) 较低在使用p a m 控 制方式的变频器进行调速驱动时具有电动机运转噪音小，效率高等特点。但 东北大学硕士论文第2 章电机的变频调速原理及数学模型 是，由于这种控制方式必须同时对整流电路和逆变电路进行控制，控制电路 比较复杂。此外，这种控制方式也还具有当电动机进行低速运转时波动较大 的缺点。 p w m 控制。p w m 控制是p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( 脉冲宽度调制) 控制的 简称，是在逆变电路部分同时对输出电压( 电流) 的幅值和频率进行控制的控制 方式。在这种控制方式中，以较高频率对逆变电路的半导体开关元器件进行 开闭，并通过改变输出脉冲的宽度来达到控制电压( 电流) 的目的。为了使异步 电动机在进行调速运转时能够更加平滑，目前在变频器中多采用正弦波p w m 控制方式。所谓正弦波p w m 控制方式指的是通过改变p w m 输出的脉冲宽 度，使输出电压的平均值接近于正弦波。这种控制方式也被称为s p w m 侧控 制，采用p w m 控制方式的变频器具有可以减少高次谐波带来的各种不良影 响，转矩波动小，而且控制电路简单，成本低等特点，是目前在变频器中采 用最多的一种逆变电路控制方式。但是，该方式也具有当载波频率不合适时， 会产生较大的电动机运转噪音的缺点。为了克服这个缺点，在采用p w m 控制 方式的新型变频器中都具有一个可以改变变频器载波频率的功能，以便使用 户可以根据实际需要改变变频器的载波频率，从而达到降低电动机运转噪音 的目的。 高载频p w m 控制。这种控制方式实际上是对p w m 控制方式的改进，是 为了降低电动机运转噪音而采用的一种控制方式。在这种控制方式中，载频 被提高到人耳可以听到的频率( 1 0 2 0 k h z ) 以上，从而达到降低电动机噪音的目 的。这种控制方式主要用于低噪音型的变频器，也将是今后变频器的发展方 向。由于这种控制方式对换流器件的开关速度有较高的要求，所用换流器件 只能使用具有较高开关速度的i g b t 或m o s f e t 等半导体元器件，目前在大 容量变频器中的利用仍然受到一定限制。但是，随着电力电子技术的发展， 具有较高开关速度的换流元器件的容量将越来越大，所以预计采用这种控制 方式的变频器也将越来越多。p w m 控制和高载频p w m 控制都属于异步调速 方式，即变频器的输出频率不等于逆变电路换流器件的开关频率。 ( 3 ) 按照工作原理分类。当按照工作原理对变频器进行分类时，按变频器 技术的发展过程可以分为v 厂控制方式、转差频率控制方式和矢量控制方式吲。 由于通用的家庭、工厂等地区的交流电网常作为电压源应用，为了方便得到 动力源，在这里选择电压型变频器。 查! ! 垄兰婴主笙查 一 第2 章电机的变频调速原理及数学模型 二二二二：= ：= ：竺! ：! 至三 在这里选择常用的正弦波p w m 控制方式的变频器系列，从性价比和系统 需求来看，比较符合工程需要。 2 4 异步电动机变频器供电条件t数学模型 2 4 1 三相两相变换 感应电动机在转子同步坐标系( d ，g ) 下的状态方程可以表示为： “d l2 f d l + p l 一l p q d q l = i + p l + 甄l p q 0 = 吃毛2 + p 2 一2 夕岛 02 眨2 + p 2 + 矗p 岛 ( 2 2 ) l = 丘。+ i d ： - = 丘f q 。+ k i q ： ：= 丘：+ k 。 ：= 丘f q ：+ k 。 z = 咋( - f q 。一，) 式中u d 。，。定子电压的d 、q 轴分量； ，定子磁通的d 、q 轴分量； 。，i q 。定子电流的d 、q 轴分量； f d ：，：转子电流的d 、q 轴分量； ，吃定子电阻和转子等效电阻； p 撒分符号； 厶，k 定子电感，转子等效电感，定子与转子之间的互感； 舅，幺一轴与定子a 相电压相位角、与转子相位角。 如果将g 轴取在定子电压吐的方向上，则 l = 0 “。：u ( 2 2 ) 则电动机在静态工作点的定子电压方程为 式中q 电网供电频率。 由式( 2 3 ) - 7 得 l o2 f d l o 一i q = 0 2 l2 l + + l 缈l = u o ( 2 3 ) 东北大学硕士论文 第2 章电机的变频调速原理及数学模型 红：盟! q tu o 一 由于电阻压降远椭，_ ，小于端电压u 1 0 ，则，远小于。如果设= o ，则 。= o 。又由于电动机在工作过程中，仅在稳态工作附近波动，如果设振动机 工作过程中电网电压无波动，则电动机在稳态工作的小信号扰动模型可简化 为 l = u o q 0 2 眨f d 2 + 砒2 一( q m r ) m q 2 ( 2 4 ) 0 = 眨f q 2 - i - p 2 - i - ( c o , 一c o , ) v d 2 、7 y q = 丘i q + k f q 2 = 0 l = 丘l - i - k 2 y d 2 = l ，f d 2 + l m f d l z ：z + 三m 由式( 2 4 ) 消去：，虬：得： ( 1 + 何，p ) f d ：一( o ) l - - ( o r ) 仃。f q z2 一百l mi 1 砒 ( 2 5 ) ( q q ) 嘶：+ ( 1 + 职z 一每丢( q c o r ) l f f d t ( 2 6 ) 瓦= 一体争g t d 。f q ： ( 2 7 式中盯漏感系数，盯= 1 一圪厶三，； o 转子时1 9 常数，f ，= l , r 2 。 若在电动机稳态运行时，则由式( 2 6 ) 可得稳态时参数满足 。：垃 i d 2 0 一( q c t ) r o ) o