电压暂降对伺服电机影响的建模分析.docx

窗体顶端摘要：随着现代工业的高度自动化和复杂工艺对电能质量提出了更高的要求，电压暂降对敏感性设备的安全、稳定运行造成了巨大的危害。伺服电机由于其高精度、快速响应等特点，受到电压暂降的影响尤为突出。本文对不同种类的伺服电机进行对比分析，最终选择以Id=0矢量控制下的交流永磁同步伺服电机为例，通过建立仿真模型的方法，详细介绍了电压暂降发生后伺服电机各状态变量的变化过程，并将电压暂降对伺服电机的影响分为五个阶段。在此基础上，本文分别研究了电压暂降的暂降幅值和持续时间对直流侧电压、电机转速、电磁转矩和定子电流的影响。应用电压暂降耐受曲线的概念，本文对伺服电机电压暂降耐受能力进行分析。分别针对变频器跳闸电压、过电流保护和伺服电机运行转速精度要求三种临界条件进行电压暂降耐受曲线的绘制，分析其对伺服电机电压暂降耐受能力的影响。再通过调整不同的运行状态，研究伺服电机的电压暂降耐受能力与电机转速和负载转矩的关系。关键词：电压暂降；伺服电机；电压暂降耐受曲线Abstract：With the highly automated development of modern industry, the complex technology have put forward higher requirements to the power quality. However, the voltage sag will cause great harm to the safe and stable operation of the sensitive equipment. With the feature of high precision and quick response, the servo motor is usually affected more seriously by voltage sag. This paper selects the PMSM controlled by Id=0 vector control method for this study. Founded simulation models, this study gives a detail description and analysis on the change of servo motor caused by the voltage sag. On this basis, the relation between DC voltage, motor speed, electromagnetic torque, stator current and the dimensions of voltage sag are studied. And the voltage tolerance curve for these features are charted by simulation experiments. Then, by comparing the curves and referring to the related literatures, it is found that the motor speed is the most important factor which affects the voltage sag tolerance of the servo motor. In the last part, taking the rotating speed as the critical condition and describing the voltage tolerance curve with the maximum tolerance time and lowest voltage tolerance, the influence of operating speed, load torque and energy storage capacitor on voltage sag tolerance of servo motor are tested.Key word: voltage sag servo motor voltage tolerance curve目录1 绪论 51.1 选题背景及其意义 51.2 电压暂降及伺服电机的相关介绍 61.2.1 电压暂降的概念及 61.2.2 伺服电机 81.3 国内外研究现状 91.4 论文的主要工作 102 模型搭建 102.1 交流永磁同步电机的数学模型 112.1.1 三相静止坐标系下的数学模型 112.1.2 同步旋转坐标系下的数学模型 132.2 伺服电机系统模型的搭建 142.2.1 控制方案的选择 152.3 参数选择和控制参数整定 172.3.1电机参数 172.3.2 转速环PI调节器参数设置 172.3.3 电流环PI调节器参数设置 183 电压暂降对伺服电机的影响分析 193.1 电压暂降过程中伺服电机状态变化 193.1.1 免疫阶段 203.1.2转速下降阶段 213.1.3 平衡阶段 223.1.4 过调节阶段 233.1.5 再次跌落阶段 243.2 电压暂降对伺服电机各部分运行状态的影响 263.2.1 暂降幅值对电机运行状态的影响 263.2.2 暂降持续时间电机运行状态的影响 284 外部条件对伺服电机耐受电压暂降能力的影响 304.1 电压暂降耐受曲线 304.2 不同临界条件下的电压暂降耐受曲线 304.2.1 直流侧电压 314.2.2 定子电流 314.2.3 电机转速 324.3 不同运行状态下的电压暂降耐受曲线 334.3.1 转速对电压暂降耐受曲线的影响 334.3.2 负载转矩对电压暂降耐受曲线的影响 345 结论与展望 35参考文献 36致谢 381 绪论1.1 选题背景及其意义当输配电系统中在短时间内流过大电流时，都会导致相邻馈线上出现短时间的电压跌落现象，这种供电电压突然下降又迅速恢复的现象便是电压暂降。电压暂降不是一个新问题，但随着可编程控制器、变频调速设备、计算机设备等对电压暂降非常敏感的设备的大规模使用，电压暂降问题日益突出，它所带来的危害和经济损失十分巨大。2016年6月18日，西安长安区变电站起火爆炸，导致相邻的三星西安半导体工厂、西安美光工厂、力成半导体工厂出现不同程度的设备停运、产品报废和设备损坏等问题，造成重大的经济损失。在电力系统中，短路故障、大型感应异步电动机的启动和大型变压器的励磁等都会产生大电流，进而引起电压暂降的发生，就目前的技术而言，想要从源头上彻底地抑制电压暂降事故的发生是无法实现的。因此，分析电压暂降对敏感性设备的影响，研究敏感性设备的电压暂降耐受能力，能够帮助我们更加经济、有效地治理电压暂降事故。上世纪80年代以来，随着矢量控制技术的不断成熟与发展，交流伺服系统取代了直流伺服系统成为了伺服系统的主流，其中交流永磁同步电动机是目前市场上使用最为广泛的伺服电机，它具备精度高、稳定性好、快速响应和低速大转矩等特点，广为应用于许多高科技领域，如激光加工、机器人、大规模集成电路制造、自动生产线等。但同样是因为它的这些特性，使得其在电压暂降过程中往往更加敏感。永磁同步电动机采用伺服电源供电，可以说是变频调速装置的一种，目前，国内外对交流调速驱动装置做了许多关于电压暂降事故的研究，但伺服电机由于其自身特点，使得其在电压暂降事件中往往不同于普通电机，因此，研究电压暂降对伺服电机的影响十分有必要。1.2 电压暂降及伺服电机的相关介绍1.2.1 电压暂降的概念及电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降又迅速恢复到正常的一种现象。国际电气与电子工程师协会（IEEE）将电压暂降定义为供电电压有效值快速下降到额定值的90%10%，然后迅速恢复至正常值附近；而国际电工委员会（IEC）则将其定义为下降到额定值的90%1%，持续时间为10ms1min。在我国，电压暂降又被称为电压骤降、电压凹陷或电压跌落，2013年12月颁布的国标GB/T30137-2013电能质量电压暂降与短时中断中正式将电压暂降定义为：电力系统中某点工频电压均方根值突然降低至0.1p.u.0.9p.u.，并在短暂持续10ms1min后恢复正常的现象。在实际应用中，往往用暂降幅值和持续时间对电压暂降现象进行描述，电压暂降的示意图如图1.1所示。图1.1 电压暂降示意图在对一次电压暂降事件进行分析时，通常定义暂降的幅值为暂降后电压有效值与额定电压有效值的比值，如图1.1中的Usag。在电力系统中，电压暂降发生后电压有效值往往是不断变化的，此时，我们取最低电压有效值与额定电压有效值的比值作为暂降幅值。电压暂降的持续时间被定义为从供电电压有效值跌落至90%额定电压以下时刻起直到电压有效值恢复到90%额定电压所持续的时间，如图1.1中T所示。除了暂降幅值与持续时间这两个特征量以外，相位跳变也是电压暂降事件中一个非常关键的特征量。短路故障是造成电压暂降的最主要原因，有调查显示，80%以上的电压暂降是由电力系统的短路故障引起的。对于连接在同一条母线上的输配电线路，当某一条线路发生短路故障时，母线电压跌落，导致相邻线路上的负荷承受一次电压暂降。暂降现象因继电保护设备切除故障线路而清除，电力系统恢复正常供电。由短路故障引起的电压暂降原理图如图1.2所示。图1.2 电力系统短路故障引起临线的电压暂降图中ZS为电源与PCC点之间的系统阻抗，ZF为线路阻抗与短路接地阻抗之和。由图1.2可知，当线路B发生短路故障时，会流过很大的短路电流，使得线路A中流过的电流很大，压降IAZS远大于正常压降，PCC点出现严重的电压跌落，继电保护装置控制断路器跳闸，大电流被切断，此时PCC点电压又迅速恢复正常。在此过程中，线路C出现了电压暂降现象，暂降持续时间与继电保护响应时间相关，通常小于0.2秒。暂降幅值如式（1.1）所示，它的大小与系统阻抗、线路阻抗和短路接地阻抗相关，一般低于0.7p.u.。（1.1）可见，大电流是电力系统发生电压暂降的本质原因，不同种类的短路故障引起的短路电流不同，发生电压暂降的类别和严重程度也差别较大。三相短路故障引起的电压暂降幅值最低，影响最为严重，是一种三相对称的电压暂降。单相短路、相间短路、两相接地短路故障引起的电压暂降都是三相不对称的电压暂降，暂降幅值较高，但对敏感负荷的影响也非常巨大。某些线路中，在单相短路时允许带故障运行，此时，相邻线路会发生更为严重的长时间电压跌落。一般来说，雷击、绝缘子污闪等现象引起的绝大多数短路故障会在断路后迅速恢复，继电保护装置会控制断路器自动重合闸恢复正常供电，相邻线路发生一次电压暂降。但有些短路故障会长期存在，导致自动重合闸失败，此时相邻线路会发生两次电压暂降。除了短路故障，以大型感应电动机的启动和变压器投运为代表的非故障性操作也会在短时间内产生很大电流，同样会导致相邻馈线在短时间内供电电压下降，发生电压暂降。由于此类事件导致的大电流，相比于短路电流来说很小，电压暂降幅值相对较大，但此类大电流一般随着设备的运行状态逐渐稳定而自然减小，持续时间相对较长，对敏感设备的稳定运行同样会造成较大影响。此类电压暂降在恢复过程中电压不会发生突变，逐步恢复至正常值附近。1.2.2 伺服电机伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。简单来说，伺服电机就是指应用于伺服系统中的电动机，它能够将控制指令转化为输出的机械特性，实现伺服系统的自动控制。伺服系统是以机械参数为控制对象的自动控制系统，它可以自动、精确、快速地响应控制信号发出的控制指令，又被称作随动系统或自动跟踪系统。关于伺服系统的研究与应用历史悠久，随着电力电子技术、微电子技术、微型计算机技术、稀土永磁材料与电机控制理论的发展，伺服系统经历了由液压式到电气式、直流式到交流式、模拟式到控制式三次大的技术革新，发展至今，永磁同步电机由于其结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转动惯量低等优点，成为了目前性能最好、应用领域最广的伺服电机。交流永磁同步伺服电机（PMSM）相比于普通电机最大的特点是定子为永磁体，按照转子结构不同，可分为面装式永磁同步电机和内置式永磁同步电机两种，如图1.3所示。它的电枢绕组感应电动势为正弦波，当电枢绕组内流过三相对称的正弦电流时，电机输出连续的电磁转矩。选取与转速同步旋转的d、q坐标系，d轴方向选为转子励磁磁场方向，q轴方向为产前d轴90电角度。在此坐标系下，永磁同步电机的电磁转矩可以写成：（1.2）式中符号见第二章详细说明。公式表明，永磁同步电机的电磁转矩由两部分构成：是永磁体励磁磁场与定子电流的交轴分量所产生的电磁转矩，由于转子部分永磁体的励磁磁场不因外界条件而变化，此部分转矩正比于电机定子交轴电流分量。是磁阻转矩，它与电机的凸极效应相关，与电机的交直轴电流乘积成正比。面装式永磁同步电机相比于内置式永磁同步电机，交直轴电感相等，内部没有凸极效应，电磁转矩大小只与电机定子交轴电流分量相关，更容易实现对电机的控制。永磁同步伺服系统为了实现高精度、高稳定性、快速响应的特点，需要控制系统、变频器和永磁同步电机的共同作用。其中，控制系统一般包括位置控制、转速控制和电流控制三部分。电流控制响应速度快，通过对定子电流和磁极位置的检测，反馈到控制端，在稳定运行中保证电磁转矩与负载转矩的平衡，且又能抑制电机在加速过程中定子电流不超过最大值，保证了系统的快速性。速度控制的响应速度相比于电流控制更慢，它的存在，保证了电机受到外部扰动导致转速变化时能够快速恢复，提高了伺服系统的动态稳定性。位置控制的响应速度和速度控制相差不多，它能够有效地提高系统的静态稳定性和动态跟踪性能。1.3 国内外研究现状自从电力系统建立以来，电压暂降问题就长期存在，但在早期的电力系统中，用户对电能质量的要求较低，电压暂降对用电设备的影响较小，并没有引起人们足够的重视。直到上世纪80年代，电能质量问题日益突出，成为人们关注的重点，电压暂降作为电能质量问题中十分关键的一种，成为了研究的重点。迄今为止，国内外对电气设备的电压暂降敏感性相关问题研究已十分广泛和深入。文献7规定了关于电压暂降相关研究的标准，给出电压暂降试验方法的一些相关准则，并给出了一种电压暂降发生器。文献8提出了用电压暂降幅值和在此电压暂降下设备所能耐受的最长时间为纵、横坐标建立电压暂降耐受曲线的方法描述设备对电压暂降敏感程度。文献9针对交流可调速驱动装置，分布给出了其在对称暂降和非对称暂降下的简化仿真模型，研究了不同电压暂降幅度下，直流侧电压、电机转速和电磁转矩的变化情况，但并未考虑持续时间对电压暂降严重程度的影响，也没有通过设置保护的临界条件的方式得电压暂降耐受曲线。文献10通过试验的方法，给出了交流可调速驱动装置在不同暂降类型下的变化情况，并得到了其电压暂降耐受曲线，并通过分析试验现象，给出了提高交流可调速驱动装置低电压穿越能力的建议。文献11在文献10的基础上，又对不对称电压暂降和发生相角跳变两种情况对可调速驱动装置的影响，但并未给出这两种条件如何影响可调速驱动装置对电压暂降耐受能力。文献12给出了理想电源在三相、两相、单相电压暂降和非理想电源对可调速驱动装置的影响，并研究了设备在开环和闭环运行方式下及不同转速和转矩的敏感特性。总体而言，国内外对电压暂降对可调速驱动装置的影响研究已十分深入，但其只给出了实验现象，而没有针对实验现象解释现象产生的原因，也没有对不同耐受临界条件做单独分析。1.4 论文的主要工作本文针对交流永磁型同步伺服电机，采用仿真建模的方式，对电压暂降发生时伺服电机的运行状态进行了详细的介绍，并其对电压暂降耐受能力进行了分析，改变参考转速和负载转矩，研究了运行状态对电压暂降耐受能力的影响。具体章节安排如下：论文的第一部分为绪论部分，介绍了本文的研究背景及研究意义，对本文的两个研究对象电压暂降和伺服电机进行了基本的介绍，说明了国内外研究进展。论文的第二部分为建模部分，分别进行了电源与交流永磁型同步伺服电机系统的建模。将电机的电压电流方程转换到d、q坐标系下，建立伺服电机的数学模型，然后对交流永磁型同步伺服电机的控制方式进行对比分析，选取应用最为广泛的一种模型作为研究对象，搭建了交流永磁型同步伺服电机系统。论文的第三部分为电压暂降对伺服电机的影响分析部分，将一次电压暂降中伺服电机的运行变化分成了五个阶段，对每一阶段的运行状态及产生原因进行了详细分析。在通过改变电压暂降暂降幅值和持续时间，分析了不同电压暂降对直流侧电压、定子电流、电磁转矩和转速的影响。论文的第四部分是电压暂降耐受曲线的绘制部分。先是对电压暂降耐受曲线进行了相关介绍，再通过模拟电压暂降过程，分别对变频器跳闸、过电流保护和转速超出精度要求三种临界条件下绘制了不同的电压暂降耐受曲线，并分析了改变临界条件对电压暂降耐受曲线的影响。然后，改变电机的参考转速和负载转矩，研究了运行状态对电压暂降耐受能力的影响。论文的第五部分为结论与展望，对前文研究内容进行了总结并对今后可能继续研究的方向进行了展望。2 模型搭建伺服电机的种类繁多，在一些特定场合，直流伺服电机和感应异步电机往往能表现出比交流伺服电机更加优越的性能，但对于绝大多数用户来说，交流伺服电机的总体性能更为优越，能够满足用户对伺服电机控制效果的要求。因此，在市场上，交流永磁同步伺服电机的使用情况远多于其他种类的伺服电机，研究交流永磁同步伺服电机的电压暂降耐受能力更具一般性价值。基于此，本文选择对交流永磁同步电机进行建模。2.1 交流永磁同步电机的数学模型交流永磁同步电机（PMSM）的实际设备中，受到制造工艺和材料特性的影响，其电磁关系往往是非线性的，且会在某些条件下发生难以预测的变化。同时，定子电流产生的磁场和转子磁场相互耦合，在稳定运行状态下，两者同步旋转，但由于不同区域电磁阻尼分布不均，导致电磁关也是不断变化的，十分复杂。因此，想要完全准确无误的建立交流永磁同步电机的数学模型几乎是不可能的。同时，由于电机在运行中也会受到许多外界因素影响内部电磁关系，完全还原电机的数学模型也难以得到与真实情况一摸一样的结果。因此，在不影响对交流永磁同步电机的分析结果的基础上，做出如下假设简化数学模型：1） 磁路不出现饱和效应，忽略涡流和磁滞损耗的影响2） 气隙磁场呈标准的正弦分布3） 转子上不安装阻尼绕组，永磁体不产生阻尼作用图2.1 三相永磁同步电机简易解析模型如图2.1所示，在对永磁同步电机进行数学模型搭建时，一般可分为三相静止坐标系下的数学模型和同步旋转坐标系下的数学模型。两种模型各适用于不同场合的分析，三相静止坐标系中的定子电阻、自感与互感均为实际参数，可通过实验的方法测得，同步旋转坐标系中的电阻、电感则只能通过坐标系转换的方法计算得出。在交流永磁同步电机的矢量控制方法中，往往是通过坐标系转化的方法，将三相静止坐标系下的电磁参数转化到同步旋转坐标系下，等效成一个直流电机进行控制。2.1.1 三相静止坐标系下的数学模型由图2.1所示的解析模型，可以得出永磁同步电机在三相静止坐标系下的电压方程式为：（2.1）式中，uA、uB、uC为A、B、C相的定子电压，只与逆变器输出的电压大小有关，不受转子的运行状态等因素的影响。iA、iB、iC表示定子电流的大小，它的大小直接影响到电磁转矩的大小，是永磁同步电机的控制中的关键变量。eA、eB、eC为定子绕组中产生的感应电动势，它是一种旋转电动势，大小与转子的位置、和电机转速有关，为（2.2）其中，是电机的电角速度，表示转子的电角度，可由积分求得，fm是与定子绕组相交链的永磁体磁链的幅值。可见，感应电动势是和转子同步的旋转电动势。式2.1阻抗矩阵中P是微分算子，RA、RB、RC是定子绕组电阻，它的大小只与自身材料有关，不会受到运行状态的影响。L和M是定子绕组的自感和绕组间的互感，其大小会随着转子的位置不同而改变。自感大小为（2.3）互感大小为（2.4）式2.3、式2.4La是定子绕组的漏感，La0是定子绕组自感的平均值，La2是定子绕组自感的二次谐波幅值，可见永磁同步伺服电机的自感和互感大小也是随转子的转转而发生变化，其变化的速度是转子电角速度的2倍。不论是旋转感应电动势还是随着转速位置不断变化的电感，都使得电压与电流之间的大小关系非常的复杂，难以通过改变定子相电压的大小直接准确调节定子电流的大小，这一度成为了交流永磁同步电机的伺服控制的难点，Park变换的提出，使这一现象得到了改善。除了电压方程，永磁同步电机的电磁转矩大小同样是建模的关键。电磁转矩Te可以用永磁体磁链与定子绕组相交链的大小和定子电流的乘积和来求得，表达式为（2.5）式中pn为永磁同步电机的极对数。观察式2.5，永磁同步电机的电磁转矩大小看似是同样和转子的位置有关，但不可忽略的是定子电流大小是随着转子位置的不同而变化的，将定子电流与转子位置的关系带入式2.5便可以发现，电磁转矩的大小不会随着转子位置的变化而变化，具体说明在下节中指出。2.1.2 同步旋转坐标系下的数学模型2.1.1节中建立了三相静止坐标系下的数学模型，但是我们可以发现，对此坐标系下的各部分参数直接进行计算分析十分复杂，也难以实现对永磁同步电机的伺服控制，同步旋转坐标系的提出极大的改善了这一现象。同步旋转坐标系通过数学变换的方法，将静止的坐标系转化成与转子同步旋转的坐标系，将定子电流、电感等与转子位置相关的变量转化成与转子位置无关的变量，极大地简化了计算，也为矢量控制技术的提出做出了基础。图2.2 永磁同步电机的d-q变换模型图2.2为永磁同步电机的旋转坐标系，它与以角速度和电机转子同步旋转，d轴与永磁体励磁磁场方向相同，q轴超前d轴90。想要将静止坐标系转化到旋转坐标系，要经过变换矩阵为（2.6）需要注意的是，有些公式中变换矩阵的系数为根号2/3，这是因为，电压电流等参数在经历Park变换后无法保证幅值不变和计算功率不变同时满足，选择根号2/3作为系数可以保证计算功率与实际功率相等。但本文的研究对象是永磁同步电机，相比于功率的计算我们更关注如何有效控制电磁转矩，选择幅值不变的变化矩阵使得控制模块中计算更为简便。利用式2.6的变换矩阵将式2.1的电压方程转化到旋转坐标系下，则可以得到在同步旋转坐标系下，永磁同步电机的电压方程式为（2.7）式中，ud、uq分别是旋转坐标系下d轴、q轴的定子电压，id、iq则对应着新坐标系下的定子电流。可以看到，坐标系转化不仅简化了各部分变量之间的关系，而且将三组变量转化成为了两组变量。Ra是旋转坐标系中的定子电阻，其大小与静止坐标系中定子电阻大小相等。Ld、Lq是旋转坐标系中的定子绕组自感，其变换后大小为（2.8）可见，旋转坐标系下的定子绕组自感是不随状态变化的恒定值，这极大的简化了电压、电流之间的关系。当电机转速为定值时，定子电压电流的关系式非常简单，计算快捷方便。式2.7中f是旋转坐标系中的定子绕组与永磁体相交链的幅值，其大小在坐标系变化中不发生变化，但其在计算感应电动势时只需考虑转速的大小，而不再需要考虑位置的变化。将定子电流转化到旋转坐标系下，可以极大的简化电机电磁转矩与定子电流之间的关系，新的电磁转矩表达式为（2.9）由式2.9可知，电机的电磁转矩由两部分组成，分别是只与iq大小有关的永磁转矩，和受电机凸极效应影响的电磁转矩。面装式永磁同步电机的交直轴电感相等，电磁转矩大小只与q轴电流相关，且pn和f都是定值，电磁转矩与iq大小成正比，这一特性为永磁同步电机的控制提供了极大的便利，这一特性使得面装式永磁同步电机往往更迎合市场的需要。内置式永磁同步电机的d轴电感小于q轴电感，及Ld-Lq=0，根据滑模定律，系统不稳定。因此，角加速度和角速度一定呈负相关。那么，在进入第三阶段后，系统会自动调节进入一个新的平衡状态，此时，转速、电磁转矩、定子电流也都不再发生变化。在电机自动调节到新的平衡状态的过程中，电机的转速、定子电流和电磁转矩会存在一个细微的阶跃现象，转速和定子电流的这一现象难以观察，但电磁转矩的这一现象可以证实这个自动调节状态的存在，如图3.8所示。图3.8 平衡阶段的电磁转矩上升现象3.1.4 过调节阶段平衡状态会一直持续到供电电压恢复正常才被打破，但供电电压的恢复并不能代表伺服系统受到电压暂降的影响结束。在电压恢复后的00.23s，系统进入过调节阶段。在这一阶段中转速、定子电流和电磁转矩都会出现一个突然升高的过程，而且这一过程往往会持续一段时间。在供电电压恢复供电的瞬间，直流侧电压与供电电压迅速持平所耗时间几乎可以忽略不计。在这一瞬态，定子电流因定子相电压的陡增而突然加大，如图3.9所示。定子电流的增大使得反馈给电流控制环的iq增大，以此降低定子电流，恢复系统的平衡状态。但由于电流PI控制器积分环节在之前抑制处于不断增大的状态，iq的反馈信息无法转化为控制信号的减小使电机迅速恢复到正常运行状态。图3.9 电压恢复瞬间电流变化同时由于转速的升高，导致旋转电动势(Laid+f)不断增大，uq*不但没有减小，反而增大了，如图3.10所示，uq*的增大使得定子电流和电磁转矩的突增更加严重。但由图3.2可以看出，定子电流和电磁转矩在短暂的过大之后会逐渐减小，在一个略大于正常值的状态达到稳定。这是因为当转速的不断升高，使得阻尼转矩的值不断增大，同理3.2.3中提到的稳定状态，此时，伺服电机达到了一个高速运行状态下的稳定状态，在此状态中，转速在1500r/min运行状态下稳定，uq*随着转速的稳定也达到了稳定。图3.10 过调节阶段uq*变化3.1.5 再次跌落阶段在过调节阶段短暂的稳定状态之后，定子电流、电磁转矩和电机转速都会出现一个明显的跌落再恢复的过程，达到再次跌落阶段，为电压恢复后的0.23s0.35s。这一过程中，电机已经恢复控制，因此持续时间很短。在电机转速超出额定值之后转速PI控制器的输入信号一直为负，它的积分环节的负值不断减小，使得电流PI控制器的输入信号为一个越来越大的负值，如图3.11所示。电流PI控制器中所积累的值不是无限大的，当1.73s电流PI控制器积分环节为零时，比例控制是输出的主要部分，而此时输入信号为一个很大的负值，电流PI控制器的输出信号uq将会出现一次非常严重的跌落，如图3.12所示。uq*同样对逆变器的输入信号同样会出现一个很大的衰减，这就导致定子相电压，定子电流、电磁转矩和电机转速突然减小甚至反向增大。在这一个过程之后，伺服电机的控制环节恢复了正常的控制功能，电机迅速恢复到正常运行状态。图3.11 再次跌落前后电流PI控制器输入信号变化图3.12 再次跌落前后电流PI控制器输出信号变化在再次跌落阶段伺服电机的定子电流变化过程如图3.12所示，可知，定子电流会在1.73s和1.75s出现两次反向增大，分别对应了再次跌落和迅速恢复的过程。其最大值与跌落状态下的幅值有很大关系。（a）再次跌落阶段A相电流变化（b）再次跌落阶段B相电流变化（c）再次跌落阶段C相电流变化图3.13 A、B、C三相电流在再次跌落阶段变化情况需注意的是，电压暂降的发生，除第一阶段必然发生外，期余阶段都因暂降幅值和暂降持续时间等因素影响而不一定发生。3.2 电压暂降对伺服电机各部分运行状态的影响暂降幅值、持续时间和相角跳变作为电压暂降的三个特征量，对伺服电机的运行状态影响很大，分别将暂降幅值、持续时间和相角跳变作为变量，分析暂降幅值和持续时间对伺服电机运行状态的影响。3.2.1 暂降幅值对电机运行状态的影响设定暂降持续时间为1.2s改变暂降深度分析伺服电机的运动状态的不同。当暂降幅值高于免疫阶段的最低电压时，伺服电机能够完全免疫电压暂降对伺服电机的影响。随着暂降幅值的降低，电压暂降对伺服电机的影响越加严重，但当暂降幅值1.2s后仍低于储能电容两端电压，暂降幅值的降低将失去意义。图3.14 暂降幅值对直流侧电压的影响图3.14中，纵坐标表示电压暂降过程中所能达到的直流侧最低电压。当暂降幅值等于0.53p.u.时，储能电容经过1.2s的完全放电后，端电压与暂降幅值恰好相等。当暂降幅值低于0.53p.u.时，直流侧最低电压为储能电容的最低电压，不随暂降幅值的下降而变化。当暂降幅值高于0.53p.u.时，直流侧最低电压与暂降幅值相等。图3.15 暂降幅值对定子电流的影响图3.15中，纵坐标表示电压暂降过程中定子电流的最大值。定子电流的最大值可能出现在两个阶段，分别是电压恢复阶段的骤升过程和在跌落阶段的骤降过程。暂降幅值低于0.53p.u.时，储能电容的解耦作用使得电机的运行状态与暂降幅值无关。当暂降幅值升高时，平衡阶段到来的越早的直流侧电压也越大，不论是电压恢复阶段的电压变化幅度还是电流PI控制器积分环节的累积都更小，定子电流也越小。当暂降幅值大于0.74p.u.时，直流侧电压不会跌落到免疫阶段的最低电压以下，此时电流PI控制器的积分环节几乎不会储存累积误差，电压恢复后电机可迅速恢复控制，而电压恢复时虽然定子电流有突然增大的趋势，但是由于电感对电流的缓冲作用，电流刚有增大的趋势就被电流控制抑制了，此时，定子电流最大值就是额定值。需要注意的是，暂降幅值略小于临界状态的情况下，电流PI控制器的积分环节仍会累积误差，导致电压恢复阶段电流控制无法迅速实现，定子电流骤升。图3.16 暂降幅值对电磁转矩的影响图3.16中，纵坐标表示电压暂降中电磁转矩的最大正转矩和最大负转矩。其变化趋势与定子电流最大值的变化趋势基本相同，不同点在于电磁转矩分别在电压恢复阶段和跌落阶段的突变量体现为最大正电磁转矩和最大负电磁转矩，当暂降幅值大于一定程度时，跌落阶段的电磁转矩不会跌落到负值，此时只有最大正转矩。3.17 暂降幅值对转速的影响图3.17中，纵坐标表示转速的最大值和最小值，转速的最小值和定子电流变化趋势一致。但转速的最大值，其受到电机结构和控制参数的制约，无法无限增大，而一旦出现过调节阶段，电机转速上升速度特别快，使得暂降幅值低于0.74p.u.时最大转速都是1500r/min.3.2.2 暂降持续时间电机运行状态的影响设定电压暂降的暂降幅值为0.5p.u.，暂降持续时间为01.8s变化，分析不同暂降持续时间电机运行状态的变化。当电压暂降持续时间低于储能电容独自放电达到最低免疫电压所需的时间时，伺服电机可以免疫电压暂降的影响。当持续时间增大时，电压暂降对伺服电机的影响越来越严重，。图3.18 持续时间对直流侧电压的影响情况图3.18中，纵坐标表示直流侧电压最低值，当暂降持续时间超过1.24s时，电压暂降过程只有储能电容放电，直流侧电压最低值相等。时间小于1.24s时，直流侧电压最低值变化曲线可分为两端，分别对应免疫阶段与转速下降阶段直流侧电压的下降趋势。图3.19 持续时间对定子电流的影响情况图3.19中纵坐标为定子电流的最大值，当持续时间小于0.63s时，伺服电机对电压暂降免疫。随着持续时间的增大，定子最大电流持续增大。需要注意的是电压恢复时刻和再次跌落时刻都会导致电流