現(xiàn)代運動控制要點

交流電機高性能控制的本質是什么？為什么直流電機能自然地實現(xiàn)高性能控制而交流電機不能？如何改造交流電機使之具有如同直流電機那樣優(yōu)良的調速性能？本質是實現(xiàn)交流電機勵磁磁通（勵磁電流）和電樞磁勢（電樞電流）的解耦。直流電動機的勵磁磁通和電樞磁勢在空間上垂直，且勵磁電流和電樞電流分別在不同繞組當中，因此直流電機是一個自然解耦系統(tǒng)，可實現(xiàn)磁場、電樞的解耦控制并且產生的轉矩值最大，當磁通恒定時，對電樞電流動態(tài)控制就能實現(xiàn)轉矩的動態(tài)控制；交流電機磁通和電樞電流之間存在強烈耦合，無法單一地對應控制，因此難以利用一般的調速方法對其進行轉矩動態(tài)控制。通過坐標變換，將交流電機變換成為一臺旋轉的等效直流電機，將復雜的矢量系統(tǒng)變換為簡單的標量系統(tǒng)，將矢量形的電機電分解成磁通電流和轉矩電流兩分量，像直流電機那樣通過對兩解耦分量電流的間接調節(jié)，實現(xiàn)轉矩的動態(tài)控制，從而獲得如同直流電機的良好動、靜態(tài)特性。什么是直接矢量變換控制？什么是間接矢量變換控制？詳述直接矢量變換控制系統(tǒng)中如何檢測轉子磁鏈（磁通）的空間位置？間接矢量變換控制中又是如何實現(xiàn)轉子磁鏈（磁通）空間位置的計算？特別是如何在動態(tài)中修正轉子磁鏈（磁通）空間位置計算的準確性？直接矢量控制是指磁鏈檢測式，作為M軸線的轉子磁通矢量位置角通過磁通檢測或磁通觀測器檢測得到；間接矢量控制指轉差頻率控制式，轉子磁通位置角由實測的轉子位置角與轉差角相加求得。檢測轉子磁通空間位置有兩種方法：直接檢測法和間接檢測法，直接檢測法采用諸如霍爾元件之類的磁傳感器直接測量磁通，間接檢測法利用測得的定子電壓、電流，根據(jù)電機數(shù)學模型進行計算構成磁通信號，實現(xiàn)從電機外部對內部磁通的觀測。間接矢量控制中，由電流轉矩分量和轉子磁鏈可獲得轉差角頻率，與轉子實測角頻率相加，得到轉子磁通旋轉角頻率，然后經積分可得到空間位置角。繪出轉差頻率控制系統(tǒng)框圖，并對磁場定向過程進行解說，特別說清如何確保動態(tài)中轉子磁鏈（磁通）空間位置計算的準確性的具體做法。磁場定向過程：由電流轉矩分量和轉子磁鏈可獲得轉差角頻率，與轉子實測角頻率相加，得到轉子磁通旋轉角頻率，然后經積分可得到空間位置角。具體做法：定子電流激磁電流和轉矩電流在同步速旋轉坐標系中KP變換得到定子電流相對于轉子磁通矢量空間位置角，其給定值8*和實測值8的差值信號經角度調節(jié)器產生修正信號，對給定值進行修正，經過修正的8角加轉子磁通矢量位置角，獲得了實際定子電流矢量的真正空間位置。由于這種方法對瞬態(tài)過程中定子電流的初始相位進行了修正，所產生轉矩在時間上相對于一般轉差頻率控制提前一個轉子回路時間常數(shù)，加快了系統(tǒng)響應的快速性。采取了這種修正措施后，能及時準確地控制定子電流的切換，獲得良好的動態(tài)性能。，穩(wěn)態(tài)中以4=j（泌國將為咧空間位罟角進行磁場定向；動態(tài)中須保持轉子磁鏈相位不變一偵修正轉差角速度，/JII即以0=［（知一悠+冬忍尚為阮空間位宵角進行磁場定向if永磁同步電機恒轉矩運行區(qū)如何實現(xiàn)最大轉矩/電流比控制？每個數(shù)值的電磁轉矩都可由無數(shù)組id和iq來實現(xiàn)，在這無數(shù)組組合中必然存在一組數(shù)值使得定子電流幅值為最小，即在dq坐標系中離原點最近，不同轉矩下最小定子電流構成最小定子電流軌跡，此軌跡上每一個定子電流都可產生最大轉矩/電流比。根據(jù)最小電流分量與最大轉矩的關系，可得到id=f1(Te)和iq=f2(Te)，根據(jù)給定的電磁轉矩可以得到兩個電流分量的指令函數(shù)，利用矢量變換，可將其變換為ABC軸中的三相參考電流，從而實現(xiàn)恒轉矩運行區(qū)的最大轉矩/電流比。面裝式的最大轉矩/電流比軌跡為q軸，插入式或內置式的最大轉矩/電流比軌跡為一曲線。永磁同步電機弱磁控制的基本原理和控制方式？面裝式一一電壓極限圓，插入式/內置式一一電壓極限橢圓(逆變器輸出電壓限制，轉速增加，橢圓變小)電流極限圓(逆變器容量限制)基速一一空載電動勢達到定子電壓極限值luslmax時轉子的速度；轉折速度是指恒轉矩區(qū)域，定子電流為額定值，定子電壓達到極限值時的轉子速度。面裝式，二者基本相等。內置式和插入式，轉折速度略低于基值速度。弱磁控制原理：弱磁控制控制方式：r（最大括矩/電說比軌跡）—Z 卜/“sniax（A點已達恒轉矩控制的速度上限一一轉折速度）當電動機運行于A點時，電流調節(jié)器已處于飽和狀態(tài)，使控制系統(tǒng)喪失了對定子電流的控制能力，定子電流不能跟隨電流指令，只能沿電壓極限橢圓擺動，此時q軸指令電流限幅器減小iq指令電流，迫使指令電流回到電壓極限橢圓內，電流調節(jié)器恢復調節(jié)功能，定子電流再次跟隨指令電流is*，于是is向左擺動，Aid又趨向于0，直軸電流負反饋結束，此過程中交軸分量iq減小，直軸分量id增加，轉子的速度范圍便會得到逐步擴展。產生這種現(xiàn)象的原因是，反向直軸電流產生的磁動勢對永磁體產生去磁作用，減弱了直軸磁場，所以稱這一過程為弱磁。在弱磁過程中，對id和iq的控制稱為弱磁控制。繪出常規(guī)六邊形磁鏈軌跡的直接轉矩控制系統(tǒng)框圖，從定子磁鏈自控制、轉矩自控制兩個環(huán)節(jié)說明其工作原理。系統(tǒng)框圖見書中。工作原理：常規(guī)六邊形磁鏈軌跡直接轉矩控制系統(tǒng)由磁鏈自控制和轉矩自控制組成，磁鏈自控制實現(xiàn)有效定子電壓空間矢量的選擇，保證磁鏈平均幅值和正確的轉向，轉矩自控制根據(jù)轉矩調節(jié)的需求，決定采用有效電壓空間矢量還是零電壓空間矢量，這兩個環(huán)節(jié)共同決定了所需的電壓空間矢量從而控制逆變器開關管的動作。定子磁鏈自控制由定子磁鏈觀測器、2s/3s變換、3s/2s變換、磁鏈調節(jié)器、換相邏輯組成，采樣定子三相電壓、電流，經3s/2s變換，由磁鏈觀測器輸出定子磁鏈觀測值，再經2s/3s變換成三相磁鏈分別送至各相磁鏈調節(jié)器分相控制，磁鏈調節(jié)采用兩位滯環(huán)調節(jié)器，根據(jù)三相定子磁鏈的給定時間波形和磁鏈調節(jié)特性，獲得磁鏈調節(jié)器輸出邏輯量，最后經換相邏輯，結合正反轉邏輯控制輸出逆變器開關信號。轉矩自控制由轉矩觀測器和轉矩調節(jié)器組成，轉矩觀測器實現(xiàn)轉矩的反饋，與轉矩給定值相比較，其誤差值輸入二位轉矩滯環(huán)控制器，輸出一邏輯量，控制輸出有效電壓矢量還是零矢量，從而控制逆變器的開關信號插入零狀態(tài)，有效電壓矢量產生磁鏈增量，使定子磁鏈以最大角速度前進或后退，與轉子磁鏈夾角增大，轉矩增加，零矢量不產生磁鏈增量，定子磁鏈停止運動，夾角減小，轉矩減小。定子磁鏈走走停停，轉子磁鏈勻速運動，致使二者位置夾角一張一合，所產生的電磁轉矩為一平均值基礎上疊加脈動的波形。綜上所述，直接轉矩控制（DTC）采用磁鏈自控制和轉矩自控制兩個環(huán)節(jié)，共同形成電壓空間矢量，跳過電流控制環(huán)節(jié)通過控制電機定子磁鏈矢量的大小和轉速，進而控制定、轉子磁鏈矢量間夾角（轉矩角或功率角），達到直接控制轉矩的目的。從磁鏈控制、調節(jié)器類型說明直接轉矩控制在轉矩調節(jié)響應速度一般比矢量變換控制快的原因及在轉矩控制上固有的缺陷。直接轉矩控制無需復雜的旋轉坐標變換，直接由定子側電壓、電流觀測得到定子磁鏈，經二位滯環(huán)調節(jié)器邏輯輸出，轉矩調節(jié)也通過二位滯環(huán)控制輸出邏輯信號，與磁鏈調節(jié)器共同形成逆變器開關信號，在定子坐標系內對定子磁鏈、電磁轉矩采用電壓空間矢量實現(xiàn)轉矩控制，無需經過電流閉環(huán)，無需定子電流解耦所需的復雜坐標變換和分量電流PI調節(jié)，轉矩控制過程更簡練、直接，響應速度更快；而矢量控制中磁鏈控制由定子電流激磁分量的電流閉環(huán)控制來實現(xiàn)，調節(jié)器常采用PI調節(jié)，且需經過復雜的旋轉坐標正、逆變換，運算速度受到系統(tǒng)硬件水平的制約，無法實與直接轉矩相媲美的轉矩響應速度。然而，直接轉矩控制固有缺陷是電磁轉矩有脈動，若不引入磁鏈幅值閉環(huán)，無法實現(xiàn)定子電流正弦化和磁鏈軌跡的圓化，含有5、7次諧波，影響低速時運行性能，引起動、靜態(tài)特性的矛盾。異步電機直接轉矩控制在恒轉矩（恒磁通）運行時，如何實現(xiàn)電壓/頻率比控制？如何進行頻率調節(jié)（調速）？在直接轉矩控制的系統(tǒng)框圖中表現(xiàn)為對哪個開關量的控制？電壓/頻率比與磁鏈幅值成正比，通過控制有效電壓空間矢量的作用時間來保持此比例值的恒定。定子磁鏈軌跡圓的旋轉速度通過控制零電壓矢量的插入時間來調節(jié)，兩種零電壓空間矢量的選擇以開關次數(shù)最少為原則。在控制框圖中表現(xiàn)為對轉矩調節(jié)器輸出二位邏輯開關量的控制。異步電機直接轉矩控制中如何實現(xiàn)恒功率運行？在系統(tǒng)控制框圖中表現(xiàn)為對哪個量的控制？又如何對這個量實施控制？在電機基頻以上，定子電壓已達額定值，速度調節(jié)不再使用零電壓矢量，而采用減小有效電壓矢量的作用時間，減小磁鏈幅值，以提高轉速，此過程中電磁轉矩減小，但二者乘積即輸出功率恒定，即實現(xiàn)恒功率運行?？刂瓶驁D中表現(xiàn)為對磁鏈調節(jié)器的容差的控制，即對磁鏈給定值的控制。速度調節(jié)器ASR輸出功率給定，轉矩觀測器輸出和轉速度相乘得到實際功率，與給定相比較產生功率誤差，輸出功率PI調節(jié)器，輸出為磁鏈給定值。以永磁同步電機直接轉矩控制系統(tǒng)為例，說明：（1） 電磁轉矩產生的機理與定子電壓空間矢量（有效矢量和零矢量）施加的原則，由此產生轉矩脈動的原因和減少轉矩脈動的原則。（2） 如何根據(jù)六個電壓空間矢量在各區(qū)間中對定子磁鏈的增長變化、對電磁轉矩性質（根據(jù)轉向判斷轉矩是驅動轉矩還是制動轉矩）的貢獻，說明如何編制逆變器功率元件用“開關狀態(tài)表”。（1）電磁轉矩產生的機理：三相逆變器在定子側產生旋轉的電磁場，與轉子側永磁體磁鏈相互作用，產生電磁轉矩驅動轉子運動，因此，電磁轉矩由定、轉子磁鏈幅值和夾角決定，如下式所式。電艇轉矩［―=戶（筋一飯）sin3（隱極電機）定子電壓空間矢量施加原則：為實現(xiàn)直接控制轉矩的目的，控制定子電壓空間矢量，改變定子磁鏈矢量的大小和轉速進而控制定、轉子磁鏈矢量間夾角（轉矩角或功率角）：施加有效矢量，產生磁鏈增量，磁鏈矢量以固有最高速率旋轉，而轉子由于轉動慣量以平均角速度旋轉，定、轉子磁鏈矢量夾角增大，電磁轉矩也隨之增大，直到增大到一定值（由轉矩控制器容差決定）；施加零矢量，定子磁鏈矢量停轉，夾角減小，電磁轉矩減小，直到減小到一定值（由轉矩控制器容差決定）。由此產生了電磁轉矩在一平均值基礎上迭加脈動的波形。轉矩脈動由轉矩調節(jié)器的容差決定，容差增大，轉矩脈動增大，但零矢量使用頻率減小，開關損耗小，容差減小，轉矩脈動幅值變小，但零矢量使用頻率高，開關損耗大。因此可依據(jù)電機穩(wěn)態(tài)調速性能并與開關損耗折中，選擇合適容差。（2）每個扇形區(qū)間中使磁鏈幅值增大或減小、轉矩增大或減小的電壓矢量是不同的。對于任一個區(qū)間，選擇與磁鏈始終成銳角的電壓矢量，可使磁鏈增大，選擇與磁鏈始終成鈍角的電壓矢量，可使磁鏈減小；與轉速切線方向始終成銳角的電壓矢量，可使轉矩增大，與轉速切線方向始終成鈍角的電壓矢量，可使轉矩減小。如何要求磁鏈和轉矩同時減小，則除上述矢量選擇原則外，還可以選擇零矢量。對磁鏈和轉矩所有可能出現(xiàn)在變化（設磁鏈增大為1，減小0，轉增大為1，減小為0），在每一個區(qū)間中，按上述原則，可選出相應的開關矢量，從而繪出“開關狀態(tài)表”，用以決定逆變器開關信號。直接功率控制的原理是什么？結合P、Q相關公式以及Sp、Sq開關量的定義，詳細說明如何通過電壓空間矢量的選擇來實現(xiàn)有功、無功功率控制的。直接功率控制的原理：由實際有功、無功功率反饋值和功率給定分別計算有功、無功功率誤差，經誤差滯環(huán)調節(jié)器調節(jié)，分別輸出有功功率控制信號Sp，無功功率控制信號Sq；通過網側電壓、電流，估計出電源（網）磁鏈位置，結合滯環(huán)調節(jié)器輸出的8?和Sq，查詢開關表，決定減少有功、無功功率控制誤差的最佳空間矢量；控制所施加的空間矢量，可以控制磁鏈的變化，從而控制有功、無功功率的變化。相關公式如下：已=-壬區(qū),眥可-％）（Wcq,Wcd為PWM變換器磁鏈空間矢量的d、q分量）|增加化囪o不變化僉L-1減少（￡0）△PKSp——△叩CQ△臼KSq8△墮dd有效電壓空間矢量U1?U6及零電壓空間矢量U0、U7對網側變換器磁鏈分量的影響和對有功、無功P、Q控制效果相關。①Vq：A'Pcd<0-*AQ<0■*Sq=~1二二理即O.r.AP<0.Sp:華淫：:???△甲疽技臨-*AQ< 嬖緝Vi：'A^cd<0-*AQ<0—Sq=-1△Wg<0AP>0-*Sp=1

?Sq=0AQ=0時，選用只改變-橋臂元件的電壓矢量，以降低開關頻率“此時一般采用零矢量，但5則按開關次數(shù)少者選用。若Sp=-1f<0fV2//V6按開美次數(shù)少選L、vs、v6對P、Q的作用（即Sp.Sq）可同理類推其他區(qū)間內電壓空間矢量對P、Q的作用（即阮、Sq）亦可同理類推依照上述關系可知，選擇合理的電壓空間電壓矢量可以分別對有功、無功功率的控制。預測直接功率控制基本思想和實現(xiàn)方式?；舅枷耄侯A測DTC原理就是根據(jù)下式，計算出下一個采樣周期所需的網側變換器（VSC）輸出電壓，以期使下一個采樣周期內消除所控功率誤差。二-*刖應曾心實現(xiàn)方式^"-“婦（沖風），8=血））P-DPC的控制目標是使下一個采樣周期的終點時刻削除輸出功率誤差，在求得第k次采樣時刻的有功、無功功率誤差，并對功率指令采取零階采樣-保持處理，可以求出下一個采樣周期k+1內所需有功、無功功率變化量，由△P=f1（ucq），AQ=/2（ucd）可得出下一采樣周期產生出所需功率變化的網側變換器VSC交流側平均電壓。（相關公式見書中）永磁同步電機無傳感器運行有哪些方法？它們如何分類？各有什么特點？如何去實現(xiàn)全速度范圍內的轉子空間位置及速度檢測？無傳感器運行分類：直接計算方法：計算簡單，動態(tài)響應快，幾乎沒有什么延遲對電機參數(shù)的準確性要求比較高，隨著電機運行狀況的變化（如溫度的升高），電機參數(shù)會發(fā)生一定的變化，導致轉速和位置的估算偏離真實值沒有補償或校正環(huán)節(jié)，最好結合電機參數(shù)的在線辨識應用。最大的問題在于當電機的轉速低于于最低轉速（典型的為基速的5%）時，反電勢的值很小，幾乎無法準確測量，這種方法將不再適用，由于磁鏈由反電勢積分求得，純積分器有零漂問題