电力电子与现代控制(电机的控制理论和控制系统)第一部分

电力电子与现代控制PowerElectronicandModernControl中国科学院研究生院第四章：电机的控制理论和控制系统简介直流电机的控制异步电机的控制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的控制1、磁场定向控制2、直接转矩控制简介电机控制的任务：采用电力电子装置，通过对电机系统的机械特性的控制，使电机按照预定的方式或轨迹运行。电机控制的类型：位置、速度和力矩控制；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机械方程：电机控制系统的性能的好坏取决于电机电磁转矩的控制。),,(,0remrrrrrploademiufTdtBdtdnJTT直流电机的控制及系统直流电机的数学模型：可以构成直流电机的控制系统为：JTiMiJTTdtdiMiTdtdiLiruMidtdiLiruloadafdloademrafdemfdfdfdfdfdfdaaaaa*nn*emT*aiai*fdufdMi1*fdiAC/DC变换器AC/DC变换器fdi*auACACDCM速度传感器异步电机的控制标量控制矢量控制1、磁场定向控制2、直接转矩控制异步电机的标量控制2122111110jSirjiru1rSr2lL1lL2mL1U1I2I稳态时，鼠笼型异步电机的电压方程为：鼠笼型异步电机的电磁转矩为：鼠笼型异步电机稳态等效电路图)(5.1)(5.1)(5.1)(5.121212212111112121qddqmpqddqpqddqpqddqmpemiiLLniiniiniiiiLnT忽略定子电阻时，定子磁链等于电压与定子角频率之比。转子磁链等于转子电流与转子滑差频率之比的负值。转子磁链超前转子电流90度。忽略定转子磁链时，定子磁链与转子磁链相等。1rllLL21,1121S1U1i所以，忽略时，鼠笼型异步电机的稳态电磁转矩为：llLLr211,,12121S5.15.1ppemninT如控制定子磁链的幅值恒定，则稳态电磁转矩与滑差频率成正比。异步电机的标量控制异步电机的矢量控制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、计算与仿真直接转矩控制1、直接转矩的基本理论2、直接转矩控制的实现3、直接转矩控制系统异步电机的磁场定向控制理论)(5.11111qddqpemiinT122222111111sjpirujpiru122222122222111111111111spiruspirupirupirudqqqqddddqqqqddd2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL异步电机在同步旋转坐标系下的电压和磁链方程为：电磁转矩：222111222111qdqdqdqdjiiijiiijuuujuuu)()()(2122222212111111iiLiLjiiLjiiLiLjmlqdmqmdmmmlqd建立下述矢量：异步电机的电压方程可表示为：转子磁链定子磁链气隙磁链1rSr2lL1lL2mL1U1I2I鼠笼型异步电机稳态等效电路图1i2i1iLm2iLmm1211iLl22iLl定子A轴转子a轴转子磁场定向控制0;222qd如右图所示异步电机的矢量图中，如将d轴与转子磁链方向一致，此时有：21222122212215.11;qmpemmdqmiLLnTLpirLiLs022122221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL异步电机的电压和磁链方程为：则有下述关系式成立：达到稳态时：1122212222111212215.15.111dqmpqmpemmmddqqmiiLLniLLnTLLpiiiiLs可见：异步电机的电磁转矩可以表示成两个电流id1和iq1的乘积；调节id1的值就可改变转子磁链大小，如果保持id1不变，调节iq1的值就可以线性的改变电机电磁转矩的值；id1称之为电机励磁电流分量，iq1为力矩电流分量。转子磁场定向理论上最大转矩为无限大。122222211111111111100sirpirpirupiruqddqqqqddd1i2i1iLm2iLmm12定子A轴转子a轴d轴12q轴定子磁场定向控制0;111qd异步电机的电压和磁链方程为：如右图所示异步电机的矢量图中，如将d轴与定子磁链方向一致，此时有：1121111212122221111215.1)/(1)/()/1(1,;)/()/(1qpemqdmqdinTpisLpiLLLrLiiLps221222122111121110qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL则有下述关系式成立：可见：异步电机的电磁转矩可以表示成电流iq1和定子磁链的乘积，如保持定子磁链恒定，调节定子电流iq1可以线性的调节电磁转矩；调节id1的值就可改变定子磁链大小，但同时受iq1的影响。122221222211111111100spirspirirupirudqqqddqqdd0)(1)(1)(221121221siLsqs)11(4312LnTpsem1i2i1iLm2iLmm12定子A轴转子a轴d轴12q轴气隙磁场定向控制0;qmmdm异步电机的电压和磁链方程为：如右图所示异步电机的矢量图中，如将d轴与气隙磁链方向一致，此时有：mqpemmqmmmdlmqdmmmminTpisLpiLLrLiiLps1211212222211215.1)/(1)/()/1(,;)/()/(1则有下述关系式成立：可见：异步电机的电磁转矩可以表示成电流iq1和气隙磁链的乘积，如保持气隙磁链恒定，调节定子电流iq1可以线性的调节电磁转矩；调节id1的值就可改变气隙磁链大小，但同时受iq1的影响。122221222211111111111100spirspirpirupirudqqqdddqqqqddd222212222212112111112111qlqqmqmdlddmdqlqmqqmdldmddiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiL)11(432mmpmemLnT0)(1)(1)(22112221mqmmmmsiLs1i2i1iLm2iLmm12定子A轴转子a轴d轴12q轴磁场定向控制的实现磁场定向控制的关键在于获取定向磁链的空间位置和大小，只有在定向轴线与定向磁链重合，且保持定向磁链幅值大小恒定，才能获得如直流电机一样的解藕控制特性。按照获取定向磁链位置的方式不同，磁场定向控制有两种实现方法：dtdtsr1121)(1、直接法：直接检测或计算定向磁链的空间位置和大小，又有：A.测量法：在气隙中放置磁链检测装置直接测量定向磁链；B.计算法：利用电机的数学模型和参数，以及测量的电压电流转速值直接计算出定向磁链的空间位置和大小，根据结构不同又有估计器和观测器两种。2、间接法：它是一种间接获取定向磁链位置的一种方法。其基本原理是：见上图所示的转子磁场定向控制矢量图，d轴在空间上相对于定子A相轴线以同步角频率ω1逆时针旋转，转子a相轴线以相对于定子A相轴线以转子角频率ωr逆时针旋转。那么定向磁链的位置角为：转子角频率ωr由转子位置传感器量测得到，而滑差角频率sω1可由电机数学模型计算得到，两者之和即为同步角频率ω1，积分可得定向磁链的空间位置角θ1。1i2i1iLm2iLmm12定子A轴转子a轴d轴12q轴转子磁场定向控制系统（间接法）122222211111111111100sirpirpirupiruqddqqqqddd21222122212215.11;qmpemmdqmiLLnTLpirLiLs*1diabci*1qi*221LLnmp*21qi*1quAC速度传感器mL/1AC变换器ASM2*1*1/dqiipn*nn*emT*1du11di1dq/abc转换abc/dq转换SPWMSVPWM*1bu*1cu*1au构成的转子磁场定向控制系统（间接法）为：1i2i1iLm2iLmm12定子A轴转子a轴d轴12q轴异步电机转子磁场间接定向控制系统的仿真仿真事例：1、给定角频率为314rad/s，空载启动到稳态后突加200Nm负载转矩；2、给定角频率为314rad/s，空载启动再将速度置为零。滑差角频率和转子磁连位置角计算仿真事例1仿真事例2转子磁场定向控制系统（直接法）122222211111111111100sirpirpirupiruqddqqqqddd*1diabci*1qi*221LLnmp*21qi*1quAC速度传感器mL/1AC变换器ASM*nn*emT*1du11di1dq/abc转换abc/dq转换SPWMSVPWMabcabciu&r磁链计算*1bu*1cu*1au构成的转子磁场定向控制系统（直接法）为：1i2i1iLm2iLmm12定子A轴转子a轴d轴12q轴定向磁链的计算定向磁链的计算可以分成两大类：开环计算（估计器Estimator）；电压模型、电流模型和混合模型闭环计算（观测器Observer）。状态观测器、滑模观测器、扩展卡尔曼滤波器等。定向磁磁链的计算一般需要量测以下各量：定子电压和电流；转子位置或转速。转子磁链计算—电压模型反电势积分法又称U-I模型估计法，利用电机电压方程通过积分来获得转子磁链信息。从右式可见，该方法需要的参数主是定子电阻和定转子漏感。具有实现方法简单和成本低的优点，但仅适用于高速场合。该方法存在以下的缺陷：低速时，反电势的值和由于PWM及死区效应的影响所引起的噪声相比相当接近，给测量带来了误差；电阻值随工作环境的变化而随之变化，会引起误差；积分器具有误差积累、直流偏移和初始值问题。这三方面相互影响，最终会使计算磁链严重偏离实际值，也就失去了在低速领域应用的可能性。22222222222211111111dqqqqdddqqqdddpirupirupirupiru在定子αβ坐标系下，异步电机的电压和磁链方程分别为2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL则有：