电力电子与现代控制(电机的控制理论和控制系统).ppt

1、中国科学院研究生院电力电子与现代控制，第4章：电机控制理论与控制系统，介绍DC电机控制异步电机控制1，标量控制2，矢量控制：磁场定向控制和直接转矩控制，电励磁和永磁同步电机控制1，磁场定向控制2，直接转矩控制，简介，电机控制的任务：利用电力电子装置，通过控制电机系统的机械特性，使电机以预定的方式或轨迹运行。电机控制类型：位置、速度和扭矩控制；开环控制和闭环控制；标量和矢量控制。电机控制的关键：电机电磁转矩的控制电机的力学方程：电机控制系统的性能取决于电机电磁转矩的控制。DC电机控制与系统，DC电机数学模型：构成DC电机的控制系统有：异步电机控制、标量控制、矢量控制、磁场定向控制、直接转矩控制、

2、异步电机标量控制。稳态时，鼠笼异步电动机的电压方程为：鼠笼异步电动机的电磁转矩为：鼠笼异步电动机稳态等效电路图。当定子电阻被忽略时，定子磁链等于电压和定子角度。转子磁链等于转子电流与转子转差频率之比的负值。转子磁链引导转子电流90度。当定子和转子磁链被忽略时，定子磁链等于转子磁链。因此，当忽略时，鼠笼式异步电动机的稳态电磁转矩为：如果定子磁链的幅值恒定，稳态电磁转矩与转差频率成正比。异步电动机的标量控制、异步电动机的矢量控制、磁场定向控制1、磁场定向控制的基本理论2、磁场定向控制的实现3、磁场定向控制系统4、直接转矩控制的计算和仿真1、直接转矩控制的基本理论2、直接转矩控制的实现3、直接转矩控

3、制系统，异步电动机在同步旋转坐标系中的电压和磁链方程为：电磁转矩：并建立以下矢量： 异步电动机的电压方程可以表示为：转子磁链、定子磁链、气隙磁链、鼠笼异步电动机稳态等效电路图、转子磁场定向控制，如右图异步电动机矢量图所示，如果D轴方向与转子磁链相同，则调整id1可以改变转子磁链，如果id1保持不变，则调整iq1可以线性改变电动机的电磁转矩。 Id1称为电机励磁电流分量，iq1为转矩电流分量。转子磁场定向的理论最大扭矩是无限的。异步电动机的电压和磁链方程为：如图中异步电动机的矢量图所示，如果D轴方向与定子磁链方向一致，则以下关系成立：可以看出，异步电动机的电磁转矩可以表示为电流iq1与定子磁链的

4、乘积，如果定子磁链保持不变，则可以通过调节定子电流iq1来线性调节电磁转矩；定子磁通可以通过调整id1的值来改变，但同时受到iq1的影响。异步电动机的电压和磁链方程为：如右图异步电动机矢量图所示，如果D轴方向与气隙磁链方向一致，则以下关系成立：可以看出，异步电动机的电磁转矩可以表示为电流iq1与气隙磁链的乘积，如果气隙磁链保持不变，可以通过调节定子电流iq1来线性调节电磁转矩；调整id1的值可以改变气隙磁链的大小，但它也受iq1的影响。要实现磁场定向控制，磁场定向控制的关键在于获得定向磁链的空间位置和大小。只有当定向轴与定向磁链重合并且定向磁链的幅值保持恒定时，才能获得像DC电机那样的解耦控制

5、特性。根据获取定向磁链位置的不同方式，有两种实现磁场定向控制的方法：1 .直接法：直接检测或计算定向磁链的空间位置和大小。测量方法：在气隙中放置磁链检测装置，直接测量定向磁链；b计算方法：利用电机的数学模型和参数，以及测量的电压和电流转速值，直接计算定向磁链的空间位置和大小。根据不同的结构有两种估计量和观测量。2.间接法：间接获取定向磁链位置的方法。基本原理是：参见上图所示的转子磁场定向控制矢量图，D轴相对于定子A相轴以同步角频率1逆时针旋转，转子A相轴相对于定子A相轴以转子角频率r逆时针旋转。定向磁链的位置角为：转子角频率R由转子位置传感器测量，转差角频率s1由电机数学模型计算。两者之和为同

6、步角频率1，定向磁链的空间位置角1可通过积分获得。转子磁场定向控制系统(间接法)，包括：异步电动机转子磁场定向控制系统仿真，仿真实例：1。给定角频率为314rad/s，空载开始稳态后突然增加200Nm负载转矩；2.给定314rad/s的角频率，空载启动后将速度设置为零。转差角频率和转子磁连接位置角的计算、模拟情况1、模拟情况2和转子磁场定向控制系统(直接法)如下：定向磁链的计算可分为两类：开环计算(估计器)；电压模型、电流模型和混合模型(观测器)的闭环计算。状态观测器、滑模观测器、扩展卡尔曼滤波器等。定向磁链的计算一般需要测量以下量：定子电压和电流；转子位置或速度。计算转子磁链的电压模型，反电

7、动势积分法也称为U-I模型估计法，利用电机电压方程通过积分获得转子磁链信息。从正确的公式可以看出，该方法所需的参数主要是定子电阻和定子及转子漏电感。它具有实现方法简单、成本低的优点，但只适用于高速场合。该方法存在以下缺陷：在低速时，反电动势的值与脉宽调制和死区效应引起的噪声非常接近，给测量带来误差；电阻值随工作环境的变化而变化，会引起误差；积分器存在误差累积、DC偏移和初始值的问题。这三个方面相互影响，将使计算通量严重偏离实际值，从而失去在低速领域应用的可能性。在定子坐标系中，异步电动机的电压和磁链方程分别为：转子磁链计算的电流模型。电流法也称为I模型估计法，它利用定子电流和速度通过计算获得转

8、子磁链信息。该方法避免了积分器的存在，从而消除了纯积分器的影响，但引入了更多的参数：转速R和转子时间常数2。转子时间常数受温度和磁通饱和的影响很大，影响了该方法的精度。方法1:在定子坐标系中，异步电动机的电压和磁链方程为：然后是：方法2:在转子坐标系中，异步电动机的电压和磁链方程为：混合模型。电流模型和电压模型的开环观测器是应用最广泛的两种开环观测器，结构简单，易于实现。下图显示了由Gopinath最小阶观测器理论设计的转子通量观测器。图中隐含的磁链参考值是当前模型产生的估计值。这种闭环观测器可以实现两个开环观测器之间的自动平滑过渡：低频电流模型和高频电压模型的特性。校准，转子电流模型，定子电

9、压模型，异步电机转子磁场直接定向控制系统仿真，仿真实例：1。给定角频率为314拉德/秒，空载启动至稳态后，突然施加200纳米的负载扭矩；2.给定314rad/s的角频率，空载启动后将速度设置为零。电压模型、电流模型、仿真例1、仿真例2、异步电机直接转矩控制、定子磁链和电磁转矩计算、直接转矩控制系统、异步电机直接转矩控制基础理论、输出电压空间矢量、二电平电压源逆变器、电压矢量：8非零电压矢量：6(V1V6)零电压矢量33602 (V 0 V7)，在定子坐标系中，异步电机的定子电流和磁通空间矢量定义为： 异步电动机直接转矩控制的基本原理，在一个采样周期内，定子磁链的增量为：如图所示，在一个扇区的采样周期内，电压空间矢量： V1V2V6将导致定子磁链的增加，而V3V4V5将导致定子磁链的减少； V2V3V4将增加电磁转矩，V1V5V6将减少电磁转矩。其他行业也是如此。可见，选择不同的电压空间矢量可以直接控制异步电机的定子磁链和电磁转矩，这是异步电机直接转矩控制的基本原理。扇区6、扇区5、扇区4、扇区3、扇区2，假设转子磁链在一个采样周期内不变，电磁转矩增量为：异步电机直接转矩控制的实现将附加空间划分为六个扇区，定义1为定子磁链和异步电机电磁转矩的误差带宽。在扇区：