-電力電子與現(xiàn)代控制(電機的控制理論和控制系統(tǒng))第一部分課件

1、電力電子與現(xiàn)代控制Power Electronic and Modern Control中國科學(xué)院研究生院第四章：電機的控制理論和控制系統(tǒng)簡介 直流電機的控制異步電機的控制 1、標(biāo)量控制 2、矢量控制：磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制電勵磁和永磁同步電機的控制 1、磁場定向控制 2、直接轉(zhuǎn)矩控制簡介電機控制的任務(wù)：采用電力電子裝置，通過對電機系統(tǒng)的機械特性的控制，使電機按照預(yù)定的方式或軌跡運行。電機控制的類型：位置、速度和力矩控制；開環(huán)控制和閉環(huán)控制；標(biāo)量和矢量控制。電機控制的關(guān)鍵：電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制 電機的機械方程： 電機控制系統(tǒng)的性能的好壞取決于電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制。直流電機的控制及系統(tǒng)直流電機的

2、數(shù)學(xué)模型：可以構(gòu)成直流電機的控制系統(tǒng)為：異步電機的控制標(biāo)量控制矢量控制 1、磁場定向控制 2、直接轉(zhuǎn)矩控制異步電機的標(biāo)量控制穩(wěn)態(tài)時，鼠籠型異步電機的電壓方程為：鼠籠型異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩為：鼠籠型異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路圖忽略定子電阻 時，定子磁鏈 等于電壓 與定子角頻率 之比。轉(zhuǎn)子磁鏈 等于轉(zhuǎn)子電流 與轉(zhuǎn)子滑差頻率 之比的負(fù)值。轉(zhuǎn)子磁鏈超前轉(zhuǎn)子電流90度。忽略定轉(zhuǎn)子磁鏈 時，定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相等。所以，忽略 時，鼠籠型異步電機的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩為：如控制定子磁鏈的幅值恒定，則穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與滑差頻率成正比。異步電機的標(biāo)量控制異步電機的矢量控制磁場定向控制 1、磁場定向控制的基本理論 2、磁場定向控制的

3、實現(xiàn) 3、磁場定向控制系統(tǒng) 4、計算與仿真直接轉(zhuǎn)矩控制 1、直接轉(zhuǎn)矩的基本理論 2、直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn) 3、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 異步電機的磁場定向控制理論異步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓和磁鏈方程為：電磁轉(zhuǎn)矩：建立下述矢量：異步電機的電壓方程可表示為：轉(zhuǎn)子磁鏈定子磁鏈氣隙磁鏈?zhǔn)蠡\型異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路圖轉(zhuǎn)子磁場定向控制如右圖所示異步電機的矢量圖中，如將d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致，此時有：異步電機的電壓和磁鏈方程為：則有下述關(guān)系式成立：達到穩(wěn)態(tài)時：可見：異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成兩個電流id1和iq1的乘積；調(diào)節(jié)id1的值就可改變轉(zhuǎn)子磁鏈大小，如果保持id1不變，調(diào)節(jié)iq1的值就可以線性的改變電機電

4、磁轉(zhuǎn)矩的值；id1稱之為電機勵磁電流分量，iq1為力矩電流分量。轉(zhuǎn)子磁場定向理論上最大轉(zhuǎn)矩為無限大。定子磁場定向控制異步電機的電壓和磁鏈方程為：如右圖所示異步電機的矢量圖中，如將d軸與定子磁鏈方向一致，此時有：則有下述關(guān)系式成立：可見：異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成電流iq1和定子磁鏈的乘積，如保持定子磁鏈恒定，調(diào)節(jié)定子電流iq1可以線性的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；調(diào)節(jié)id1的值就可改變定子磁鏈大小，但同時受iq1的影響。氣隙磁場定向控制異步電機的電壓和磁鏈方程為：如右圖所示異步電機的矢量圖中，如將d軸與氣隙磁鏈方向一致，此時有：則有下述關(guān)系式成立：可見：異步電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成電流iq1和氣隙磁鏈的乘

5、積，如保持氣隙磁鏈恒定，調(diào)節(jié)定子電流iq1可以線性的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；調(diào)節(jié)id1的值就可改變氣隙磁鏈大小，但同時受iq1的影響。磁場定向控制的實現(xiàn) 磁場定向控制的關(guān)鍵在于獲取定向磁鏈的空間位置和大小，只有在定向軸線與定向磁鏈重合，且保持定向磁鏈幅值大小恒定，才能獲得如直流電機一樣的解藕控制特性。按照獲取定向磁鏈位置的方式不同，磁場定向控制有兩種實現(xiàn)方法：1、直接法：直接檢測或計算定向磁鏈的空間位置和大小，又有： A.測量法：在氣隙中放置磁鏈檢測裝置直接測量定向磁鏈； B.計算法：利用電機的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，以及測量的電壓電流轉(zhuǎn)速值直接計算 出定向磁鏈的空間位置和大小，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同又有估計器和觀測器兩

6、種。2、間接法：它是一種間接獲取定向磁鏈位置的一種方法。其基本原理是：見上圖所示的轉(zhuǎn)子磁場定向控制矢量圖，d軸在空間上相對于定子A相軸線以同步角頻率1逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a相軸線以相對于定子A相軸線以轉(zhuǎn)子角頻率r逆時針旋轉(zhuǎn)。那么定向磁鏈的位置角為： 轉(zhuǎn)子角頻率r由轉(zhuǎn)子位置傳感器量測得到，而滑差角頻率s1可由電機數(shù)學(xué)模型計算得到，兩者之和即為同步角頻率1，積分可得定向磁鏈的空間位置角1。轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接法）構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接法）為：異步電機轉(zhuǎn)子磁場間接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：1、給定角頻率為314rad/s，空載啟動到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為314r

7、ad/s，空載啟動再將速度置為零?；罱穷l率和轉(zhuǎn)子磁連位置角計算仿真事例1仿真事例2轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）為：定向磁鏈的計算定向磁鏈的計算可以分成兩大類：開環(huán)計算（估計器Estimator）； 電壓模型、電流模型和混合模型閉環(huán)計算（觀測器Observer）。 狀態(tài)觀測器、滑模觀測器、擴展卡爾曼濾波器等。定向磁磁鏈的計算一般需要量測以下各量：定子電壓和電流；轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子磁鏈計算電壓模型 反電勢積分法又稱U-I模型估計法，利用電機電壓方程通過積分來獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。 從右式可見，該方法需要的參數(shù)主是定子電阻和定轉(zhuǎn)子漏感。具有實現(xiàn)方法簡單和成本低的

8、優(yōu)點，但僅適用于高速場合。該方法存在以下的缺陷：低速時，反電勢的值和由于PWM及死區(qū)效應(yīng)的影響所引起的噪聲相比相當(dāng)接近，給測量帶來了誤差；電阻值隨工作環(huán)境的變化而隨之變化，會引起誤差；積分器具有誤差積累、直流偏移和初始值問題。 這三方面相互影響，最終會使計算磁鏈嚴(yán)重偏離實際值，也就失去了在低速領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。在定子坐標(biāo)系下，異步電機的電壓和磁鏈方程分別為則有：轉(zhuǎn)子磁鏈計算電流模型 電流法又稱為 I-模型估計法，它利用定子電流和轉(zhuǎn)速通過計算獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。 該方法極力避免了積分器的存在，從而消除了純積分器的影響，但是與此相對的是引入了更多的參數(shù)：轉(zhuǎn)速r和轉(zhuǎn)子時間常數(shù)2 。轉(zhuǎn)子時間常數(shù)受溫度和

9、磁鏈飽和的影響是很大的，對該方法的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了影響。方法一：在定子坐標(biāo)系下，異步電機的電壓和磁鏈方程分別為：則有：方法二：在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下，異步電機的電壓和磁鏈方程分別為：則有：混合模型 電流模型和電壓模型開環(huán)觀測器都具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的特點，是應(yīng)用最廣的兩種開環(huán)觀測器，這兩種開環(huán)觀測器的特性在很多方面可以互補，因此可以將它們聯(lián)接起來使用以獲得更好的計算結(jié)果。 下圖為用Gopinath最小階觀測器理論設(shè)計的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測器。圖中隱含的磁鏈參考值是電流模型生成的估計值，此閉環(huán)觀測器能實現(xiàn)兩個開環(huán)觀測器之問自動平滑的轉(zhuǎn)換：低頻時表現(xiàn)為電流模型的特性，高頻時為電壓模型的特性。校正環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)子下電流模型定

10、子下電壓模型異步電機轉(zhuǎn)子磁場直接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：1、給定角頻率為314rad/s，空載啟動到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為314rad/s，空載啟動再將速度置為零。電壓模型電流模型仿真事例1仿真事例2異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計算直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論輸出電壓空間矢量：V0V1V2 V3V4V5V6V7Sa01010101Sb00110011Sc00001111兩電平電壓型逆變器電壓矢量:8非零電壓矢量:6(V1V6)零電壓矢量:2 (V0, V7)在定子坐標(biāo)系下，定義異步電機定子電流和磁鏈空間矢量為：異步電機直接轉(zhuǎn)矩

11、控制的基本理論在一個采樣周期內(nèi)，定子磁鏈增量為：如左圖所示，在扇區(qū)I的一個采樣周期內(nèi)，電壓空間矢量:V1V2V6將導(dǎo)致定子磁鏈增加，V3V4V5使定子磁鏈減?。籚2V3V4將引起電磁轉(zhuǎn)矩增加，V1V5V6使電磁轉(zhuǎn)矩減小。在其他扇區(qū)與此類似。 可見通過選取不同的電壓空間矢量可知直接控制異步電機的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，這就是異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。扇區(qū)1扇區(qū)6扇區(qū)5扇區(qū)4扇區(qū)3扇區(qū)2假設(shè)在一個采樣周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁鏈未生變化，電磁轉(zhuǎn)矩增量為：異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn)將增個空間分成六個扇區(qū)，定義1,為異步電機的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的誤差帶寬。在扇區(qū)： 1) 當(dāng)s=1時, 選取V2和 V6增加定子磁鏈; 2) 當(dāng)s=-1時,選取V3和V5減小定子磁鏈; 3) 當(dāng)Tem=1時,選取V2和V3增加電磁轉(zhuǎn)矩; 4) 當(dāng)Tem= -1時,選取V5和V6