异步电机调速系统控制策略发展概况
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三相异步电动机变频调速的原理及发展摘要:阐述了变频调速三相异步电动机的原理及其发展趋势。
关键词:异步电动机;变频调速;变频器前言实际的生产过程离不开电力传动。
生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式。
直流电动机可方便地进行渊速,但直流电动机体积大、造价高,并且无节能效果。
而交流体积小、价格低廉、运行性能优良、重量轻,因此对交流电动机的凋速具有重大的实用性。
使用调速技术后,生产机械的控制精度可大为提高,并能够较大幅度地提高劳动生产率和产品质量,而且可对诸多生产过程实施自动控制。
通过大量的理论研究和实验,人们逐渐认识到:对交流电动机进行调速控制,不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能,而且在许多场合中,还具有非常显著的节能效果。
鉴于多种调速方式中,交流变频调速具有系统体积小,重量轻、控制精度高、保护功能完善、工作安全可靠、操作过程简单,通用性强,使传动控制系统具有优良的性能,同时节能效果明显,产生的经济效益显著。
尤其当与计算机通信相配合时,使得变频控制更加安全可靠,易于操作(由于计算机控制程序具有良好的人机交互功能),变频技术必将在工业生产发挥巨大的作用,让工业自动化程度得到更大的提高。
1异步电动机调速的原理及方法三相交流电动机定子绕组中的三相交流电在定子隙圆周上产生一个旋转磁场,这个旋转磁场的转速称同步转速,记为n 实际电动机转速n要低于同步转速,故一般称这样的三相交流电动机为三相异步电动机。
1.1工作原理异步电动机的同步转速遵从电机学基本关系n l=60f/p (1)式中f一一电源交变频率P一电机定子磁极对数电机学中还常用转差率S参量,其定义为s=(n l—n)/n l·100%(2)电机的实际转速n=(60f/p)(1一s)(3)1.2变频调速控制方式式(3)可知,异步电动机变频调速的控制方式基本上有以下三种。
1.2.1电源频率低于工频范同调节,电源的工频频率在我国为50Hz。
变频调速三相异步电动机的设计本文将探讨变频调速技术在三相异步电动机设计中的应用。
本文将简要介绍变频调速技术的原理和发展概况;将详细阐述三相异步电动机的基本工作原理和设计步骤;将讨论变频调速技术在三相异步电动机设计中的应用及其优势。
变频调速技术是一种基于电力电子技术与微控制技术的调节电动机转速的方法。
它通过对电源频率的改变,实现对电动机的平滑调速。
变频调速技术具有高效、节能、精准控制等优点,已成为现代工业领域中广泛应用的调速技术之一。
近年来,随着电力电子器件的不断更新和微控制技术的进步,变频调速技术的性能和可靠性得到了极大的提高。
三相异步电动机是一种应用广泛的电动机类型,它利用电磁感应原理将电能转化为机械能。
三相异步电动机由定子和转子两部分组成,定子绕组接通电源后,产生旋转磁场,转子绕组在旋转磁场的作用下产生感应电流,进而产生电磁转矩,使电动机旋转。
三相异步电动机的设计核心是电磁场的分析和计算,以及转子结构和参数的优化。
三相异步电动机的设计步骤主要包括以下几个方面:(1)明确设计需求:根据实际应用场景,明确电动机的功率、转速、尺寸和温升等参数需求。
(2)选定电动机结构型式:根据应用场景的要求,选择电动机的结构型式,如封闭式、开启式、防护式等。
(3)确定电磁负荷:根据电动机的设计需求,计算电磁负荷,包括每相绕组的匝数、线径、磁路尺寸等。
(4)计算气隙磁通密度:通过电磁负荷的计算结果,计算气隙磁通密度,以确定电动机的电磁性能。
(5)优化转子结构和参数:根据气隙磁通密度计算结果,优化转子结构和参数,以获得更好的电磁性能和机械性能。
(6)设计定子铁心:根据电磁负荷和气隙磁通密度的计算结果,设计定子铁心,包括铁心尺寸、槽形和材料等。
(7)选择冷却方式:根据电动机的设计需求和结构型式,选择合适的冷却方式,如自然冷却、强迫通风冷却等。
变频调速技术在三相异步电动机设计中的应用及其优势变频调速技术在三相异步电动机设计中的应用,主要是通过在电源侧施加变频电压,达到调节电动机转速的目的。
异步电机的高性能变频调速控制策略及系统实现研究的开题报告1. 研究背景与意义随着电力电子技术和数字信号处理技术的不断发展,异步电机变频调速技术已成为现代工业的重要手段。
异步电机具有结构简单、制造成本低、使用寿命长、维护方便等优点,广泛应用于各个领域,如工业、交通运输、农业等。
而异步电机的高性能变频调速控制技术则是弥补其传统调速方法缺陷的关键,能够使异步电机在节能、提高效率、提高控制精度等方面得到显著改善,有着非常广阔的应用前景。
2. 主要研究内容本次研究的主要内容是针对异步电机进行高性能变频调速控制的策略研究和系统实现。
主要包括以下几个方面:(1)异步电机的调速控制原理和方法研究,对比分析传统调速方法和变频调速方法的优缺点,了解异步电机变频调速技术的发展趋势。
(2)基于矢量控制原理,提出一种适用于异步电机变频调速的高性能矢量控制策略,针对电机在不同工作状态下的特性和控制要求进行优化设计,达到提高转矩精度、降低能耗的目的。
(3)设计异步电机高性能变频调速系统,包括硬件设计和软件设计两个方面。
硬件部分包括选型、电路设计、PCB设计等,通过PC机上位机实现与电机之间的通讯和控制;软件部分则包括控制算法设计、界面设计等,实现异步电机变频调速控制的自动化和智能化。
(4)对研究所提出的异步电机高性能变频调速控制策略和系统进行实验验证,并对实验结果进行分析和总结。
3. 研究计划和进度安排(1)前期阶段(1-2个月):查阅文献,学习异步电机基础和变频调速技术,了解现有控制策略和系统设计方案,确定本研究内容和重点。
(2)中期阶段(3-6个月):根据所学知识和现有技术,提出适用于异步电机变频调速的高性能矢量控制策略,进行算法设计和仿真验证,优化改进。
(3)后期阶段(7-9个月):完成系统硬件设计和软件编码工作,并进行系统整体测试和实验验证。
(4)最终阶段(10-12个月):对实验结果进行数据分析和总结,撰写论文并进行答辩。
电机调速控制技术发展现状及对比分析目录1不同电动机调速系统发展及对比 (2)1.1 异步电机驱动系统 (2)1.2无刷永磁同步电机驱动系统 (3)1.3 新一代电机驱动系统 (4)1.4 不同电机调速系统性能对比 (6)2 永磁同步电机控制策略的发展现状 (7)2.1 交流电机调速原理 (7)2.2 电机调速方式 (8)3 DTC技术的发展现状 (20)电机调速控制是电机技术、电力电子技术、传感器技术、微电子技术、自动控制技术等多学科的交叉应用技术。
这些学科的发展促进了运动控制技术的发展。
其构成结构如图1所示。
近十年来,主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。
与原有的直流牵引电机系统相比,具有明显优势,其突出优点是体积小,质量轻(其比质量为0.5-1.0kg/Kw)、效率高、基本免维护、调速范围广。
其研究开发现状和发展趋势如下。
图1.电机运动控制构成要素结构图1不同电动机调速系统发展及对比1.1 异步电机驱动系统异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠,低转矩脉动,低噪声,不需要位置传感器,转速极限高。
异步电机矢量控制调速技术比较成熟,使得异步电机驱动系统具有明显的优势,因此被较早应用于电动汽车的驱动系统,目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品(尤其在美国),但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。
最大缺点是驱动电路复杂,成本高;相对永磁电机而言,异步电机效率和功率密度偏低。
1.2无刷永磁同步电机驱动系统无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构,由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围,发展前景十分广阔,在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者,已在国内外多种电动车辆中获得应用。
1)、内置式永磁同步电机内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。
该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩,磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度,而且易于弱磁调速,扩大恒功率范围运行。
异步电机控制技术发展现状及未来趋势分析引言:近年来,随着能源需求的不断增长和环境保护意识的提高,异步电机控制技术在工业和家庭领域中得到了广泛应用。
本文将对异步电机控制技术的发展现状及未来趋势进行分析,并探讨其在能源节约和环境保护方面的潜力。
一、异步电机控制技术的发展现状1. 传统的异步电机控制技术传统的异步电机控制技术主要包括启动、运行和停止等方面的控制。
其中,启动控制通过启动电流的控制实现电机的平稳启动;运行控制主要包括转速控制、负载控制和故障保护等;停止控制主要通过切断电源来停止电机的运行。
2. 先进的异步电机控制技术随着电力电子技术的发展,先进的异步电机控制技术逐渐兴起。
其中,矢量控制技术通过测量电机的电流和转子位置来实现对电机的精确控制。
矢量控制技术可以实现电机的高效运行,并在低速和高速运行时提供更好的性能。
此外,模型预测控制技术也得到了广泛应用。
模型预测控制技术通过建立电机的数学模型并预测电机的未来运行状态,从而调整控制器的输出信号,实现对电机的控制。
模型预测控制技术在响应速度和动态性能方面具有优势,可用于实现高精度的电机控制。
3. 异步电机控制技术在工业领域中的应用异步电机控制技术在工业领域中发挥着重要作用。
例如,在制造业中,异步电机控制技术可用于控制生产线上的各种设备,提高生产效率;在风电领域中,异步电机控制技术可用于控制风力发电机组的转速和负载,提高风能的利用效率;在交通运输领域,异步电机控制技术可用于控制电动汽车的驱动系统,提高能源利用率。
二、异步电机控制技术的未来趋势1. 高效能源利用未来,随着能源短缺和环境问题的不断突出,异步电机控制技术将更加注重能源的高效利用。
通过优化电机的控制算法和控制策略,减少电机的能量损耗,提高电机的能效。
同时,结合再生能源技术,推动异步电机控制技术与太阳能、风能等能源的融合,实现可持续发展。
2. 智能化和自动化随着人工智能技术和自动化技术的迅猛发展,异步电机控制技术也将朝着智能化和自动化方向发展。
交流异步电机调速系统实验报告引言在电力系统中,电机调速是一个非常重要且复杂的问题。
随着技术的不断发展,异步电机调速系统成为了广泛应用的一种方案。
本实验旨在通过搭建和调试一个交流异步电机调速系统,来研究其调速性能和控制策略。
实验目的1.理解交流异步电机调速系统的工作原理;2.掌握电机调速系统的基本组成和实验搭建方法;3.研究不同控制策略对电机调速性能的影响;4.分析实验结果,评价不同控制策略的优劣。
实验原理1.异步电机工作原理:异步电机由主电路和励磁电路组成。
主电路中的三相对称电压产生一个旋转磁场,而励磁电路中的电压和电流则产生感应转子电动势和转矩,使得电机运转起来。
2.异步电机调速原理:异步电机调速主要通过控制转子电阻、定子电压以及改变电机的励磁电流来实现。
常见的调速方法有直接转矩控制(DTC)、矢量控制(VC)等。
实验设备和步骤1.实验设备:–交流异步电动机–实验控制器–电压调节器–电流测量仪–速度测量仪–控制软件2.实验步骤:1.搭建电机调速系统的硬件连接,确保各设备按照要求连接并接通电源。
2.在控制软件中选择合适的控制策略,并设置调速参数。
3.运行实验控制器,观察电机的调速性能,并记录实验数据。
4.根据实验数据分析电机的调速性能,并评价不同控制策略的优劣。
实验结果分析根据实验数据,我们可以得出以下结论:1.不同控制策略对电机调速性能的影响:–直接转矩控制(DTC)可以实现较好的转矩和速度响应,但对转子电阻参数变化较为敏感。
–矢量控制(VC)具有较好的转矩和速度响应特性,并且对转子电阻参数变化不敏感。
2.不同电机负载对调速系统的影响:–在轻载情况下,不同控制策略的性能相对较为接近。
–在重载情况下,矢量控制(VC)表现出较好的调速稳定性和承载能力。
结论本实验通过搭建和调试交流异步电机调速系统,研究了不同控制策略对电机调速性能的影响,并分析了不同负载下的调速系统性能。
通过实验结果,我们得出了以下结论:1.矢量控制(VC)相比直接转矩控制(DTC)具有更好的转矩和速度响应特性,且对转子电阻参数变化不敏感。
交流异步牵引电机控制策略一、背景介绍异步牵引电机广泛应用于轨道交通领域,其控制策略的研究一直是轨道交通研究的重点之一。
传统的控制策略主要采用定转子电压/定转子电流控制方式,但存在效率低、调速范围窄等问题。
为了克服这些问题,近年来出现了许多新型控制策略,其中异步牵引电机的异步矢量控制策略和直接转矩控制策略得到了广泛应用。
二、异步矢量控制策略1. 控制原理异步矢量控制是基于电机空间矢量理论的一种高级控制技术。
该技术通过对电机空间矢量进行精确测量和计算,并根据所得到的结果对电机进行精确的调节,从而实现对电机运动状态的精确控制。
2. 控制方法(1)转速闭环调节法该方法通过对电机转速进行闭环调节,使得输出扭矩达到期望值,并保证输出功率不变。
具体实现过程为:首先通过测量电机输出功率和功率因数,计算出电机的转速和扭矩;然后将所得到的转速和扭矩值与期望值进行比较,从而得到误差信号;最后通过闭环控制器对误差信号进行处理,调节电机控制信号,从而实现对电机输出扭矩的精确控制。
(2)直接转矩控制法该方法是一种基于空间矢量理论的高级控制技术,通过对电机空间矢量进行精确测量和计算,并根据所得到的结果对电机进行精确的调节,从而实现对电机运动状态的精确控制。
具体实现过程为:首先通过测量电机输出功率和功率因数,计算出电机的转速和扭矩;然后将所得到的转速和扭矩值与期望值进行比较,从而得到误差信号;最后通过闭环控制器对误差信号进行处理,调节电机控制信号,从而实现对电机输出扭矩的精确控制。
三、直接转矩控制策略1. 控制原理直接转矩控制是一种基于空间矢量理论的高级控制技术。
该技术通过对电机空间矢量进行精确测量和计算,并根据所得到的结果对电机进行精确的调节,从而实现对电机运动状态的精确控制。
2. 控制方法(1)矢量控制法该方法通过对电机空间矢量进行精确测量和计算,并根据所得到的结果对电机进行精确的调节,从而实现对电机运动状态的精确控制。
具体实现过程为:首先通过测量电机输出功率和功率因数,计算出电机的转速和扭矩;然后将所得到的转速和扭矩值与期望值进行比较,从而得到误差信号;最后通过闭环控制器对误差信号进行处理,调节电机控制信号,从而实现对电机输出扭矩的精确控制。
交流异步电机现代调速策略摘要:为了更精确地实现交流异步电动机调速,基于交流异步电动机的数学模型论述异步电动机变压变频调速系统的各种控制策略。
总结早期的基于异步电机稳态模型的控制策略,介绍现代控制调速策略,分析现代控制理论在交流异步电动机调速系统中的应用,展望交流调速控制策略的发展方向。
传统的控制策略在工业现场中的应用已经较为成熟,各种现代控制策略和先进控制算法则有广阔的发展前景。
关键词:异步电动机;变压变频调速;控制策略1前言交流异步电动机电力拖动系统有多种调速方法,常见的有降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速、串级调速和双馈电动机调速、变极对数调速和变压变频调速等。
其中,仅变压变频调速能够做到调速范围宽、效率高、动态性能好,因此得到了快速发展和广泛应用变压变频调速技术使同步电动机可以应用到交流调速控制系统中。
变压变频调速系统一般简称为变频调速系统,当采用变压变频调速时转差功率不随转速变化,在采取一定的技术措施后能够实现高动态性能,使得交流调速系统的性能可与直流调速系统相媲美。
纵观异步电动机变压变频调速技术的发展,先后出现了大量有代表性的方式方法,现代控制理论的引入给变压变频调速控制策略的发展注入了新的活力。
2现代控制策略由于负载转矩随时间变化,电机参数如电阻和电感会随温度和频率变化,传统的控制策略普遍受电机参数和扰动的影响较大。
因此,人们开始将不完全依赖数学模型﹑鲁棒性更强的现代控制理论应用于交流调速控制系统,目前现代控制理论在交流调速控制系统中的应用主要包括与矢量控制、直接转矩控制结合。
通过设计参数辨识器#观测器和智能控制器来修正模型参数和提高系统鲁棒性。
2.1滑模变结构控制滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略,它的基本思想是通过不连续的控制律使得系统按照所期望的相轨迹运动。
滑模变结构控制结合矢量控制和直接转矩控制在交流调速系统中得到大量应用。
传统滑模控制器只在系统相轨迹运行到滑动面上时才具有对不确定干扰的抑制能力,而当运行到滑动面之前仍然受到不确定干扰的影响。
第45卷第1期2011年1月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University(Engineering Science)Vol.45No.1Jan.2011收稿日期:2010-02-03.浙江大学学报(工学版)网址:www.journals.zju.edu.cn/eng作者简介:丁辉(1987-),男,湖北京山人,硕士生,从事交/直流电机控制的研究.E-mail:dinghui1111@163.com通信联系人:胡协和,男,教授.E-mail:huxh@supcon.comDOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2011.01.008交流异步电动机调速系统控制策略综述丁 辉,胡协和(浙江大学智能系统与控制研究所,浙江杭州310027)摘 要:为了更精确地实现交流异步电动机调速,基于交流异步电动机的数学模型论述异步电动机变压变频(VVVF)调速系统的各种控制策略.总结早期的基于异步电机稳态模型的控制策略,介绍3种较成熟的基于动态模型的控制策略,分析现代控制理论在交流异步电动机调速系统中的应用,展望交流调速控制策略的发展方向.传统的控制策略在工业现场中的应用已经较为成熟,各种现代控制策略和先进控制算法则有广阔的发展前景.关键词:异步电动机;变压变频调速;控制策略中图分类号:TP 271.4;TM 343 文献标志码:A 文章编号:1008-973X(2011)01-0050-09Review of AC asynchronous motor speed control strategyDING Hui,HU Xie-he(Institute of Cyber-Systems and Control,Zhejiang University,Hangzhou310027,China)Abstract:Variable voltage variable frequency(VVVF)speed control strategies were researched based onthe mathematical model of alternating current(AC)asynchronous motor in order to achieve more accuratespeed control of AC induction motor.The early control methods of induction motor based on the steady-state model were simply summarized.Three mature control schemes based on the dynamic model wereintroduced.The application of modern control theory in AC asynchronous motor speed control system wasanalyzed.Finally,the future development direction of AC speed control strategy was given.Traditionalstrategies were maturely utilized in industrial field,but the modern control theory and advanced controlalgorithms still have vast potential for future development.Key words:asynchronous motor;variable voltage variable frequency speed control;control strategy 交流异步电动机电力拖动系统有多种调速方法,常见的有降电压调速、转差离合器调速、转子串电阻调速、串级调速和双馈电动机调速、变极对数调速和变压变频调速等.其中,仅变压变频调速能够做到调速范围宽、效率高、动态性能好,因此得到了快速发展和广泛应用[1],变压变频调速技术使同步电动机可以应用到交流调速控制系统中.变压变频调速系统一般简称为变频调速系统,当采用变压变频调速时转差功率不随转速变化,在采取一定的技术措施后能够实现高动态性能,使得交流调速系统的性能可与直流调速系统相媲美[1].纵观异步电动机变压变频调速技术的发展,先后出现了大量有代表性的方式方法,现代控制理论的引入给变压变频调速控制策略的发展注入了新的活力,本文以此为线索对异步电动机的变压变频调速控制策略作了详细论述.1 基于稳态模型的控制策略调速的根本在于实现对电磁转矩的控制,早期的异步电动机交流调速系统基于异步电动机的T型稳态等效电路来建立电磁转矩的稳态数学模型,无法实现高效的电磁转矩控制,因而得不到理想的动态性能,但是由于系统结构简单,在不需要高动态性能的场合如风机和水泵中得到广泛应用.1.1 转速开环、恒压频比控制转速开环、恒压频比控制的关键在于协调控制电压和频率,在保证电压频率比Us/ω1不变即气隙磁通量不变的前提下,通过改变异步电动机的同步转速来实现调速.当转差频率ωs较小时,电磁转矩公式近似为Te≈3npUsω()1ωsR′r.(1)式中:np为极对数,Us为定子电压,ω1为电源角频率,R′r为根据异步电动机的稳态等效电路折算到定子侧的转子每相电阻.当电磁转矩一定时,转差频率不变,因此带负载时的转速降不变,可以通过改变定子电压频率来平滑地改变同步转速,从而实现调速[1].在实际应用中,当频率较低时需要对Us进行补偿以避免定子压降的影响[2-3].转速开环、恒压频比控制由于无法控制电磁转矩,动态性能不理想,调速范围窄.1.2 转速闭环、转差频率控制从式(1)可以看出,若能够实现对ωs的控制,则能够控制电磁转矩,从而提高系统的动态性能[4].在转速开环、恒压频比的基础上进行转速闭环控制,在稳态情况下,当给定电压频率突然增加时,电机转速来不及变化,因此转差频率增大,电磁转矩增大,电机转速上升,这是转速闭环、转差频率控制的控制原理.转速闭环、转差频率控制实现了对电磁转矩的控制,动静态性能均优于转速开环、恒压频比控制.2 基于动态模型的传统控制策略转速闭环、转差频率控制从异步电动机的稳态等效电路和稳态转矩公式出发,只能在稳态情况下维持气隙磁通恒定,因此动态性能不够理想.要实现调速系统的高动态性能,必须根据异步电动机的动态数学模型来控制磁通和电磁转矩.矢量控制和直接转矩控制是当今最成熟的基于交流电机动态数学模型的控制策略,在交流调速领域中已经获得广泛应用.反馈线性化解耦控制由于实现了磁链和速度的完全解耦控制,得到了快速发展和应用.2.1 矢量控制矢量控制起源于Blaschke[5]发表的关于感应电机磁场定向控制的论文.后来在感应电机定子电压坐标变换控制理论的基础上,经过各国学者的广泛研究形成了比较成熟的矢量控制理论[6].矢量控制的基本思路是将定子电流分解成励磁分量和转矩分量,分别设计控制器,根据式(2)和(3)在动态过程中实现对转子磁链和电磁转矩的独立控制.Te=npLmLristψr,(2)ψr=LmTrp+1ism.(3)式中:Lm为经坐标变换后在两相旋转坐标系下定子与转子同轴等效绕组间的互感,Lr为在两相旋转坐标系下转子等效两相绕组的自感,ψr为转子总磁链,ist为定子电流转矩分量,ism为定子电流励磁分量,Tr为转子电磁时间常数,p为微分算子.矢量控制系统实现的关键是维持转子磁链恒定,因此需要检测转子磁链信号.早期人们尝试通过磁链传感器来检测转子磁链,但是遇到了不少工艺和技术上的问题,而且在低速时转子磁链检测脉动分量过大[1].在当今的矢量控制系统中多采用软测量的方法,通过检测电压、电流和转速信号来根据转子磁链模型计算磁链的幅值和相位.式(4)和(5)分别是从电机数学模型推导得来的计算磁链的电流模型和电压模型,它们结构简单,执行方便,在实际中得到了大量应用[7].ψrα=1Trp+1(Lmisα-ωTrψrβ),ψrβ=1Trp+1(Lmisβ+ωTrψrα烍烌烎);(4)ψrα=LrLm[∫(usα-Rsisα)dt-(Ls-L2mLr)isα],ψrβ=LrLm[∫(usβ-Rsisβ)dt-(Ls-L2mLr)isβ]烍烌烎.(5)式中:ψrα和ψrβ分别为静止两相坐标系下转子磁链的分量,usα和usβ分别为定子电压分量,isα和isβ分别为定子电流分量,Ls为定子等效两相绕组电感,Rs为定子绕组电阻,ω为转速.电流模型估算转子磁链的准确性受电机转子参数的影响较大;电压模型由于包含一个纯积分项,磁链估算的准确性受积分累计误差和初始值的影响,当低速时由于反电动势较小,对磁链估算的准确性影响更大[8].提高转子磁链估算模型的准确性和鲁棒性是改进矢量控制系统性能的关键.以滞后环节代替纯积分项的改进电压模型[8]以及电流模型和电压模型的结合使用[9-11]都可以提高磁链估算的准确性.2.2 直接转矩控制矢量控制在理论上实现了磁链和转矩的解耦控15第1期丁辉,等:交流异步电动机调速系统控制策略综述制,但复杂的旋转坐标变换和转子磁链的难以准确定向限制了矢量控制的使用范围.Depenbrock[12]提出直接转矩控制系统,它采用双位式控制器直接控制电磁转矩和定子磁链,根据控制器输出从换相表中选择一个合适的电压矢量作用于电机,具有较快的转矩响应.直接转矩控制系统对电磁转矩的控制原理可以描述如下:Te=32npLmLσψrψssinθ.(6)其中,Lσ=LsLr-L2m,通过选择电压矢量使定子磁链在保持幅值恒定的情况下作加速旋转,则定子磁链ψs与ψr的夹角θ增大(小于π/2),电磁转矩增大[13],θ实质上代表了转差率.2.2.1 定子磁链和电磁转矩反馈模型 直接转矩控制系统的核心问题是实现对定子磁链和电磁转矩的直接控制.计算定子磁链的模型有基于定子电压、电流的U-I法,基于定子电流、转子转速的I-ω法以及两者的结合U-ω法[14].U-I法数学模型简单,但是在低速时由于反电动势较小无法准确估计定子磁链,一般用于中高速的定子磁链观测[15-16].用1阶低通滤波器替换U-I模型中的纯积分环节可以改进U-I模型,同时引入校正环节补偿磁链观测的误差[17-18],可以获得更准确的定子磁链观测值,在得到定子磁链后很容易得到转矩测量值.I-ω法和U-ω法由于引入了更多的电机参数,鲁棒性较差,结构复杂,实现起来比较困难[19-20].2.2.2 转矩脉动抑制 基于双位式控制器的经典直接转矩控制系统的典型缺陷是转矩脉动过大.通过减小双位式控制器的误差限或者根据输出动态地改变误差限,可以在一定程度上减小转矩脉动[21-22],但是同时需要较高的电压矢量切换频率.普通变频器只能生成8个电压矢量(包括2个零矢量),离散空间矢量调制(DSVM)通过8个电压矢量的线性组合产生更多的电压矢量,根据多级双位控制器的输出来合理选择电压矢量以保证较小的转矩脉动[23-24].当采用离散空间矢量调制方法时,电压矢量划分越细,控制精度越高,同时系统越复杂.杨家强等[25]提出一种基于电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)的无差拍控制方法,从理论上可以得到在下一采样周期中使磁链和转矩误差为零的电压空间矢量,从而消除转矩脉动;另外采用SVP-WM方法可以通过调节占空比来生成任意大小的电压矢量.无差拍控制虽然从理论上可以消除转矩脉动,但是由于计算量过大,同时对电机参数依赖性大,鲁棒性较差.后来出现了一些性能优良的简化的无差拍控制方法,如转矩跟踪预测控制[26-27]和基于反电动势的离散时间直接转矩控制(DT-DTC)[28].2.3 反馈线性化解耦控制矢量控制和直接转矩控制均需要维持磁链恒定,否则存在非线性耦合,反馈线性化解耦控制能够在磁链变化的情况下实现转速和磁链的精确动态解耦[29].反馈线性化控制通过非线性状态反馈和非线性变换实现系统的动态解耦和全局线性化,分为微分几何反馈线性化和直接反馈线性化.2.3.1 微分几何反馈线性化微分几何反馈线性化方法通过引入微分几何中李导数(Lie derivative)的概念来选择一个可逆的数学变换,经过变换后得到在新的参考坐标系下的系统状态方程,再经过状态反馈可以得到输入-输出解耦的线性化系统.黄济荣[30]详细介绍微分几何方法在异步电机控制中的应用,通过微分同胚坐标变换和非线性静态状态反馈将异步电动机数学模型解耦成转速和磁通2个子系统,解耦后的子系统可以分别根据线性系统理论来设计控制律[31].微分几何反馈线性化从纯数学的角度出发,通过李导数来选择状态反馈,转换后的系统变量物理意义不明确,但它在理论上比较容易理解,系统的解耦也容易实现.2.3.2 直接反馈线性化 直接反馈线性化采用非线性逆系统理论来设计控制律,由我国学者首先提出.将原系统与逆系统串联可以构成一个复合的线性系统[32],如图1所示.制基于动态状态反馈,系统各变量物理意义明确,用到的数学知识简单,但是由于需要考虑零动态问题,限制了它在工程中的应用.3 现代控制策略由于负载转矩随时间变化,电机参数如电阻和电感会随温度和频率变化,传统的控制策略普遍受电机参数和扰动的影响较大;因此,人们开始将不完全依赖数学模型﹑鲁棒性更强的现代控制理论应用于交流调速控制系统.目前现代控制理论在交流调速控制系统中的应用主要包括与矢量控制、直接转矩控制结合,通过设计参数辨识器、观测器和智能控制器来修正模型参数和提高系统鲁棒性.3.1 滑模变结构控制滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略,它的基本思想是通过不连续的控制律使得系统按照所期望的相轨迹运动.滑模变结构控制结合矢量控制和直接转矩控制在交流调速系统中得到大量应用[35],如图2所示.器的参数调整律.实验结果表明,自适应速度控制器有较强的鲁棒性和快速响应特性,当负载转矩大于额定转矩时,转矩电流内环会产生较大的稳态误差,但是通过速度外环的自适应控制可以消除稳态误差,使转速能够跟踪给定值.Lin等[50]以电机模型为参考模型,设计磁通自适应观测器、速度自适应观测器和定子电流观测器,定子电流观测器起到了辅助设计电流自适应控制器的作用.为了解决在交流调速系统中某些状态(如定转子磁链、转矩和无速度传感器时的电机速度)不可直接测量的问题,由系统可测状态和参数重构的自适应观测器近年来得到较快发展.在交流调速控制系统中,需要测量的状态变量一般有定子电流、定转子磁链和转速,但是在一般的控制系统中定子电流和转速可以直接测量,因此只需要设计定转子磁链自适应观测器[51-52].采用磁链自适应观测器的优势是可以设计自适应律,根据实际输出量和预估输出量对磁链观测模型进行校正,得到更准确的磁链观测值[53].若将观测模型作为可调系统模型,选择合适的参考模型,则根据模型参考自适应控制可以实现定转子电阻和转速的在线辨识[54],为无速度传感器控制的发展提供了思路[55].卡尔曼滤波器作为一类特殊的自适应观测器,兼有状态观测器和滤波器的功能.它可以滤除系统噪声和量测噪声的影响,基于最小均方误差对系统状态变量进行线性估计,因此比一般的观测器精度高,鲁棒性强.然而交流调速系统多为非线性系统,为此人们将交流调速系统方程在最优状态估计附近按泰勒级数展开,建立卡尔曼滤波方程,称为扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter,EKF)算法.近年来DSP等高性能控制芯片的快速发展促使EKF在交流电机调速系统的参数辨识[56-58]和磁链、转速观测[58-59]中获得广泛应用.应用EKF算法建立全阶状态观测器可以对异步电机的转速、磁链以及电流等状态变量进行估计,但是由于电流和转速方便直接测量,为了简化观测器,人们开始研究基于EKF的降阶的磁链观测器[60].虽然基于EKF的观测器提高了参数辨识和状态观测的准确性,但是扩展卡尔曼滤波器的精确性和收敛性在很大程度上取决于系统噪声协方差矩阵Q和量测噪声协方差矩阵R的选取.Q和R的选取原则是保证稳态跟踪和滤波收敛,通常可以选为单位矩阵,但是为了保证精度往往需要经过调试进行大量的试凑.EKF的滤波参数优化问题将会成为一个重要的研究方向[61],张勇军等[62]将遗传算法用于EKF的滤波参数优化.3.3 模糊控制模糊控制理论可以用于设计参数辨识器和模糊控制器.在矢量控制系统中,转速和电流控制器均可以设计成模糊控制器,从而提高系统对电机参数变化和负载扰动的抑制能力[63-65].模糊控制在直接转矩控制系统中的应用更普遍,由于直接转矩控制定子磁链的检测与定子电阻相关,当低速时定子电阻的变化对定子磁链影响较大,采用模糊辨识器可以实现对异步电动机定子电阻的估算[66-68].传统的直接转矩控制系统,由于采用磁链和转矩的双位式控制无法分辨磁链和转矩的误差,当控制系统刚启动或者改变磁链和转矩参考值时会导致系统响应缓慢.将磁链位置、磁链误差和转矩误差作为模糊变量,通过模糊控制规则选择合适的电压矢量可以得到更好的控制效果[69-70].结合SVPWM技术的模糊直接转矩控制系统既抑制了转矩脉动,又提高了系统抗干扰能力[71].3.4 神经网络控制人工神经网络的神经元结构如图3所示,它的可任意逼近非线性模型特性十分适用于交流调速系统的控制[72].人工神经网络在交流调速控制系统中的应用包括神经网络辨识器和神经网络控制器的设计.4 结 语异步电动机的交流调速控制系统是一个复杂的多变量、非线性、强耦合的控制系统,传统的控制策略如矢量控制和直接转矩控制在工业上已经获得了较为成熟的应用,但它们普遍依赖精确的电机数学模型,由于受到电机参数变化和不确定性扰动的影响,精确的电机数学模型在实际中往往是无法得到的.现代控制理论在电机模型辨识和非线性控制器设计方面的理论研究成果较丰富,但是它们在工业中的应用还有待进一步的研究.对交流调速控制系统的进一步研究将集中在3个方面:1)如何结合现代控制理论建立更精确的电机模型;2)如何在传统控制策略的基础上,通过设计非线性控制器和智能控制器来提高交流调速系统性能;3)如何逐步摆脱数学模型的限制,利用神经网络实现电机的智能控制.参考文献(References):[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2005:160-163.[2]PONGPANT J,PO-NGAM S,KONGHIRUN M.The per-formance improvement of constant V/f control of inductionmotor drive in low speed[C]∥IEEE Region 10Conference.HongKong,China:IEEE,2006:1957-1960.[3]ALFREDO M G,THOMAS A L,DONALD W N.Anew induction motor open-loop speed control capable oflow frequency operation[C]∥32nd IAS Annual Meet-ing.New Orleans:IEEE,1997:579-586.[4]徐静,阮毅,陈伯时.异步电机按定子磁场定向的转差频率控制[J].电机与控制学报,2003,7(1):1-4.XU Jing,RUAN Yi,CHEN Bo-shi.Stator-flux-orient-ated slip frequency control of induction motor[J].Elec-tric Machines and Control,2003,7(1):1-4.[5]BLASCHKE F.The principle of field orientation asapplied to the new transvector closed-loop control sys-tem for rotating-field machines[J].Siemens Review,1972,39(5):217-220.[6]陈伯时.矢量控制与直接转矩控制的理论基础和应用特色[J].电力电子,2004,2(1):5-9.CHEN Bo-shi.Theoretical basis and application featuresof vector control and direct torque control systems[J].Power Electronics,2004,2(1):5-9.[7]FAGERNES N T,NILSEN R.Evaluation and compari-son of predictor models for rotor flux calculation in in-duction motors[C]∥25th Annual IEEE Power Elec-tronics Specialists Conference.New York:IEEE,1994:729-737.[8]尹雁,邱阿瑞,王光辉.一种改进的电压型转子磁链估计模型[J].电气传动,2000,6(5):9-11.YIN Yan,QIU A-rui,WANG Guang-hui.An improvedrotor flux estimation model based on stator voltages andcurrents[J].Electric Transmission,2000,6(5):9-11.[9]李浩,谭国俊,方静欢,等.基于全阶闭环转子磁链观测器矢量控制系统[J].电力电子技术,2008,42(11):30-31.LI Hao,TAN Guo-jun,FANG Jing-huan,et al.Vectorcontrol system based on full-order closed-loop rotor flux es-timator[J].Power Electronics,2008,42(11):30-31.[10]刘燕,邵晓强.异步电机矢量控制系统转子磁链间接检测方法[J].微电机,2001,34(2):27-29.LIU Yan,SHAO Xiao-qiang.Several ways to detectrotor flux in vector controlled AC induction motor[J].Micromotors,2001,34(2):27-29.[11]BAUER F,HEINING H D.Quick response space vectorcontrol for a high power three-level-inverter drive system[J].Electrical Engineering,1990,74(1):53-59.[12]DEPENBROCK M.Direct self-control(DSC)ofinverter-fed induction machine[J].IEEE Transactionson Power Electronics,1988,3(4):420-429.[13]叶斌.电力电子应用技术[M].北京:清华大学出版社,2006:230-231.[14]谢鸿鸣,陈伯时.异步电机定子磁链的间接观测方法[J].电气传动,1999(1):11-15.XIE Hong-ming,CHEN Bo-shi.Indirect stator fluxlinkage calculation methods of induction motor[J].Electric Transmission,1999(1):11-15.[15]HU Jun,WU Bing.New integration algorithms for estima-ting motor flux over a wide speed range[J].IEEE Transac-tions on Power Electronics,1998,13(5):969-977.[16]HURST K D,HABETLER T G,GRIVA G,et al.Zero speed tacholess IM torque control:simply a mat-ter of stator voltage integration[J].IEEE Transactionson Industry Applications,1998,34(4):790-795.[17]李春杰,李旭春.一种改进的直接转矩控制系统定子磁链观测方法[J].电机与控制应用,2006,33(6):32-35.LI Chun-jie,LI Xu-chun.A modified stator flux ob-server of DTC control system[J].Application of Motorand Control,2006,33(6):32-35.[18]RUMZI N,IDRIS N,HALIM A,et al.An improvedstator flux estimation in steady state operation fordirect torque control of induction machines[J].IEEETransactions on Industry Applications,2002,38(1):110-116.[19]ELBULUK M,LANGOVSKY N,KANKAM M D.Design and implementation of a closed-loop observer55第1期丁辉,等:交流异步电动机调速系统控制策略综述and adaptive controller for induction motor drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34(3):435-443.[20]杜静,韩如成.异步电机直接转矩控制系统中定子磁链的观测方法[J].太原重型机械学院学报,2004,25(9):175-180.DU-Jing,HAN Ru-cheng.Stator flux observationmethod of induction motor direct torque control system[J].Journal of Taiyuan Heavy Machinery Institute,2004,25(9):175-180.[21]KANG J K,CHUNG D W,SUL S K.Direct torquecontrol of induction machine with variable amplitudecontrol of flux and torque hysteresis bands[C]∥International Conference IEMD.Seattle:[s.n.],1999:640-642.[22]CASADEI D,GRANDI G,SERRA G,et al.Effect offlux and torque hysteresis band amplitude in directtorque control of induction motor[C]∥20th Interna-tional Conference on Industrial Electronics,Control andInstrumentation.Bologna:[s.n.],1994:299-304.[23]MARINO P,DLNCECCO M,VISCIANO N.A com-parison of direct torque control methodologies forinduction motor[C]∥IEEE Porto Power TechnologyConference.Porto:IEEE,2001:65-70.[24]TAKAHASHI I,OHMORI Y.High-performancedirect torque control of an induction motor[J].IEEETransactions on Industry Applications,1989,25(2):257-264.[25]杨家强,黄进.基于转矩预测的异步电机直接转矩控制研究[J].浙江大学学报:工学版,2005,39(9):1277-1281.YANG Jia-qiang,HUANG Jin.Research on directtorque control of induction machine based on torqueprediction[J].Jouranal of Zhejiang University:Engi-neering Science,2005,39(9):1277-1281.[26]LI Yong-dong,SHAO Jian-wen,SI Bao-jun.Directtorque control of induction motors for low speed drivesconsidering discrete effects of control and dead-time ofinverters[C]∥32nd IAS Annual Meeting.New Orle-ans:IEEE,1997:781-788.[27]金孟加,邱建琪,史涔溦,等.基于磁链误差矢量预测的PMSM直接转矩控制[J].浙江大学学报:工学版,2005,39(10):1644-1647.JIN Meng-jia,QIU Jian-qi,SHI Cen-wei,et al.Directtorque control of permanent magnet synchronous motorbased on flux error vector estimation[J].Jouranal ofZhejiang University:Engineering Science,2005,39(10):1644-1647.[28]MAES J,MELKEBEEK J.Discrete time direct torquecontrol of induction motors using back-EMF measure-ment[C]∥33rd IAS Annual Meeting.St.Louis:IEEE,1998:407-414.[29]MARINO R,PERESADA S,TOMEI P.Global adap-tive output feedback control of induction motors withuncertain rotor resistance[J].IEEE Transactions onIndustry Applications,1999,44(5):967-983.[30]黄济荣.现代控制理论与交流电机调速Ⅵ:非线性解耦控制[J].机车电传动,2005(6):1-8.HUANG Ji-rong.Modern control theory and speedadjustment of AC motor:nonlinear decoupling control[J].Electric Drive for Locomotive,2005(6):1-8.[31]LUCA A D,ULIVI G.Full linearization of inductionmotors via nonlinear state feedback[C]∥Proceedingof the 26th Conference on Decision and Control.LosAngeles:[s.n.],1987:1765-1770.[32]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社,2001:396-398.[33]张春朋,林飞,宋文超,等.基于直接反馈线性化的异步电动机非线性控制[J].中国电机工程学报,2003,23(2):99-103.ZHANG Chun-peng,LIN Fei,SONG Wen-chao,etal.Nonlinear control of induction motors based ondirect feedback linearization[J].Proceedings of theCSEE,2003,23(2):99-103.[34]刘栋良,赵光宙.灰色反馈线性化控制及其在感应电机调速中的应用[J].浙江大学学报:工学版,2005,39(8):1164-1167.LIU Dong-liang,ZHAO Guang-zhou.Grey feedbacklinearization speed control and its application in induc-tion motor[J].Jouranal of Zhejiang University:Engi-neering Science,2005,39(8):1164-1167.[35]黄济荣.现代控制理论与交流电机调速-滑模变结构控制[J].机车电传动,2005(5):1-8.HUANG Ji-rong.Modern control theory and speedadjustment of AC motor-variable structure control withsliding mode[J].Electric Drive for Locomotive,2005(5):1-8.[36]WAI R J.Adaptive sliding-mode control for inductionservo motor drive[J].Electric Power Applications,IEEE Proceedings,2002,147(6):553-562.[37]WAI R J,LIN K M,LIN C Y.Total sliding-modespeed control of field-oriented induction motor servodrive[C]∥5th Asian Control Conference.Melbourne:[s.n.],2004:1354-1361.[38]SABANOVIC A,IZOSIMOV D B.Application of slid-ing modes to induction motor control[J].IEEE Trans-actions on Industry Applications,1981,17(1):41-49.[39]KELTOUM G.Sliding mode control of the stator currents65浙 江 大 学 学 报(工学版) 第45卷 of the induction motor[J].International Journal of Electri-cal and Power Engineering,2008,2(5):286-287.[40]BARAMBONES O,ALKORTA P,GARRIDO A J,etal.An adaptive sliding mode control scheme for induc-tion motor drives[J].International Journal of Circuits,Systems and Signal Processing,2007,1(5):73-78.[41]DEMIRTAS M.DSP-based sliding mode speed control ofinduction motor using neuro-genetic structure[J].ExpertSystems with Applications,2009,36(2):5533-5540.[42]LIN S K,FANG C H.Sliding-mode linearizationtorque control of an induction motor[J].Asian Jour-nal of Control,2004,6(3):376-387.[43]FU Tian-jun,XIE Wen-fang.A novel sliding-modecontrol of induction motor using space vector modula-tion technique[J].ISA Transactions,2005,44(5):481-490.[44]BENCHAIB A,EDWARDS C.Nonlinear sliding modecontrol of an induction motor[J].International Journalof Adaptive Control and Signal Processing,2000,14(3):201-221.[45]LI Jing-chuan,XU Long-ya,ZHANG Zheng.Anadaptive sliding mode observer for induction motorsensorless speed control[J].IEEE Transactions on In-dustry Applications,2005,41(4):1329-1334.[46]刘金琨,孙富春.滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J].控制理论与应用,2007,24(3):407-418.LIU Jin-kun,SUN Fu-chun.Research and development ontheory and algorithms of sliding mode control[J].ControlTheory and Applications,2007,24(3):407-418.[47]徐小增,秦忆.矢量控制异步电动机的自适应控制和参数辨识[J].电机与控制学报,2002,6(2):111-114.XU Xiao-zeng,QIN Yi.Adaptive control and parameteridentification for vector-controlled induction motor[J].Electric Machines and Control,2002,6(2):111-114.[48]KOJABADI H M,CHANG L,DORAISWAMI R.AMRAS-based adaptive pseudoreduced-order flux observerfor sensorless induction motor drives[J].IEEE Transac-tions on Power Electronics,2005,20(4):930-938.[49]LEKSONO E.Adaptive speed control of induction mo-tor with DSP implementation[C]∥30th Annual Con-ference of the IEEE Industrial Electronics Society.Bus-an:IEEE,2004:1423-1428.[50]LIN Y C,FU L C,TSAI C Y.Non-linear sensorlessindirect adaptive speed control of induction motor withunknown rotor resistance and load[J].InternationalJournal of Adaptive Control and Signal Processing,2000,14(2):109-140.[51]MAES J,MELKEBEEK J.Speed sensorless directtorque control of induction motors using an adaptiveflux observer[C]∥34th IAS Annual Meeting.Pheon-ix:IEEE,1999:2305-2312.[52]金海,黄进,杨家强.感应电机转子磁链自适应观测及参数辨识[J].浙江大学学报:工学版,2006,40(2):339-343.JIN Hai,HUANG Jin,YANG Jia-qiang.Adaptiverotor flux estimation and parameter identification forinduction motor[J].Jouranal of Zhejiang University:Engineering Science,2006,40(2):339-343.[53]黄济荣.现代控制理论与交流电机调速-自适应控制[J].机车电传动,2005(1):1-7.HUANG Ji-rong.Modern control theory and speedadjustment of AC motor[J].Electric Drive for Loco-motives,2005(1):1-7.[54]黄雷,赵光宙,贺益康.PMSM的自适应滑模观测器无传感器控制[J].浙江大学学报:工学版,2007,41(7):1107-1110.HUANG Lei,ZHAO Guang-zhou,HE Yi-kang.Adaptive sliding mode observer for speed-sensorlesscontrol of PMSM[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2007,41(7):1107-1110.[55]郑泽东,李永东,王琛琛.异步电机全阶自适应磁链观测和速度辨识研究[J].电气传动,2006,36(7):7-10.ZHENG Ze-dong,LI Yong-dong,WANG Chen-chen.Study of adaptive flux observer and speed identificationmethod for induction motor[J].Electric Transmission,2006,36(7):7-10.[56]周熙炜.基于扩展卡尔曼滤波器算法的异步电机参数辨识[D].西安:西安理工大学,2003:25-32.ZHOU Xi-wei.Asynchronous motor parameter identi-fication based on EKF[D].Xi’an:Xi’an University ofTechnology,2003:25-32.[57]赵歆,王明渝,刘述喜.基于扩展卡尔曼滤波器的异步电机矢量控制系统的转子电阻辨识[J].电机与控制应用,2009,36(3):18-25.ZHAO Xin,WANG Ming-yu,LIU Shu-xi.Rotorresistance identification in vector control system of a-synchronous motor based on EKF[J].Electric Ma-chines and Control Application,2009,36(3):18-25.[58]OUHROUCHE M A,LEFEBVRE S,DO X D.Applica-tion of an extended Kalman filter to rotor speed and resist-ance estimation in induction motor vector control[C]∥IEEE Canadian Conference on Electrical and Computer En-gineering.Waterloo:IEEE,1998:297-300.[59]SALVATORE L,STASI S,TARCHIONI L.A newEKF-based algorithm for flux estimation in inductionmachines[J].IEEE Transactions on Industrial Elec-tronics,1993,40(5):496-504.[60]TONG Mao-song,LI Shu-guang.Reduced-order75第1期丁辉,等:交流异步电动机调速系统控制策略综述extended Kalman filter for rotor flux and speed esti-mation in speed-sensorless vector control of inductionmotor[J].Journal of Signal Processing,2008,12(5):369-375.[61]唐勇,谢顺依,李晨.异步电机矢量控制中扩展卡尔曼滤波器的优化研究[J].中小型电机,2005,32(4):14-17.TANG Yong,XIE Shun-yi,LI Chen.Research onoptimized extended Kalman filter for speed sensorlessvector control of induction motor drive[J].Small andMedium Electric Machines,2005,32(4):14-17.[62]张勇军,王京,李华德.基于遗传算法优化的定子磁链扩展卡尔曼估计方法[J].电工技术学报,2009,24(9):64-70.ZHANG Yong-jun,WANG Jing,LI Hua-de.A meth-od of the stator flux EKF estimation for inductionmotors based on genetic algorithm optimizing[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(9):64-70.[63]LIAW C M,WANG J B,CHANG Y C.A fuzzy adap-ted field-oriented mechanism for induction motor drive[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,1996,11(1):76-83.[64]孙巨禄,苏鹏声,李永东.自调整模糊控制器在异步电机矢量控制系统中的应用[J].清华大学学报:自然科学版,2002,42(9):1151-1153.SUN Ju-lu,SU Peng-sheng,LI Yong-dong.Self-ad-justing fuzzy controller for vector-controlled inductionmotor drive[J].Journal of Tsinghua University:Sci-ence and Technology,2002,42(9):1151-1153.[65]冯培悌.模糊控制器在无速度传感器矢量控制变频调速系统中的应用[J].电工技术学报,1994,3(8):19-24.FENG Pei-ti.Application of fuzzy controllers in thevariable-frequency system with the sf-vector controlwithout speed-sensor[J].Transactions of China Elec-trotechnical Society,1994,3(8):19-24.[66]陈其工.具有连续输出值的高精度模糊电阻观察器的研究[J].电工技术学报,1999,14(4):10-13.CHEN Qi-gong.Research on the higher precision fuzzyresistance estimator with continuous output values[J].Transactions of China Electrotechnical Society,1999,14(4):10-13.[67]陈其工.一种新型的模糊神经网络电阻检测器[J].仪器仪表学报,1999,20(6):589-592.CHEN Qi-gong.A new type of fuzzy neural networkresistance observer[J].Chinese Journal of ScientificInstrument,1999,20(6):589-592.[68]MIR S A,ZINGER D S,ELBULUK M E.Fuzzy control-ler for inverter-fed induction machine[J].IEEE Transac-tions on Industry Applications,1994,30(1):78-84.[69]孙丹,贺益康.基于转子磁链观测的无速度传感器PMSM DTC[J].浙江大学学报:工学版,2006,40(7):1276-1280.SUN Dan,HE Yi-kang.Rotor flux observation based sen-sorless DTC PMSM[J].Jouranal of Zhejiang University:Engineering Science,2006,40(7):1276-1280.[70]TOUFOUTI R,MEZIANE S,BENALLA H.Directtorque control for induction motor using fuzzy logic[J].ACSE Journal,2006,6(2):19-26.[71]ELBULUK M.Torque ripple minimization in directtorque control of induction machines[C]∥38th IASAnnual Meeting.Salt Lake:IEEE,2003:11-16.[72]黄济荣.现代控制理论与交流电机调速-智能控制2[J].机车电传动,2005(3):1-6.HUANG Ji-rong.Modern control theory and speedadjustment of AC motor-Intelligent control[J].Elec-tric Drive for Locomotives,2005(3):1-6.[73]黎英,邵宗凯.基于神经网络的异步电动机定、转子电阻在线估计法[J].电气传动自动化,1999,21(4):33-36.LI Ying,SHAO Zong-kai.The online estimation meth-od of stator and rotor resistance of induction motorbased on neural network[J].Electrical Drive Automa-tion,1999,21(4):33-36.[74]KARANAYIL B,RAHMAN M F,GRANTHAM C.Stator and rotor resistance observers for inductionmotor drive using fuzzy logic and artificial neural net-works[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2005,20(4):771-780.[75]邱阿瑞,孙健.基于神经网络的感应电机矢量控制系统[J].清华大学学报:自然科学版,1999,39(9):29-32.QIU A-rui,SUN Jian.Vector controlled system ofinduction motor based on neural network[J].Journalof Tsinghua University:Science and Technology,1999,39(9):29-32.[76]SIMOES M G,BOSE B K.Neural network based esti-mation of feedback signals for a vector controlledinduction motor drive[J].IEEE Transactions on Indus-try Applications,1995,31(3):620-629.[77]WISHART M T,HARLEY R G.Identification andcontrol of induction machines using artificial neuralnetworks[J].IEEE Transactions on Industry Applica-tions,1995,31(3):612-619.85浙 江 大 学 学 报(工学版) 第45卷 。
交流异步电机控制技术发展综述
近几十年来,异步电机的应用在不断扩大,其中最重要的是它的控制
技术的发展。
为了确保异步电机的有效控制,研究者们采用了各种不同的
控制方法。
因此,本文综述了近几十年来异步电机控制技术的发展情况。
首先,介绍了异步电机的基本结构和原理,包括电子电路的组成、控
制方式的基本原理。
然后,针对异步电机控制的关键问题,在控制方面,
介绍了传统的速度控制方法、模糊控制方法、神经网络控制方法、模型预
测控制方法和综合新技术控制方法,分别介绍这些方法的基本原理和特点,以及每种方法适用的场合。
随着电子技术和计算机技术的发展,控制理论和技术也在不断改进和
改善。
例如,基于现代数字控制理论,引入了多变量PID算法,改善了电
机控制的精度和抗侧摆特性;引入了各种模型预测控制算法,改善了系统
的稳定性和鲁棒性;发展了基于时变自抗扰技术的控制算法,改善了电机
控制的准确性。
最近,人们开始引入传感技术来检测和控制异步电机。
异步电机矢量控制变频调速系统的研究与设计一、本文概述随着现代工业技术的快速发展,电机作为工业领域中广泛应用的驱动设备,其性能优化和效率提升成为了重要的研究课题。
异步电机作为一种常见的电机类型,在各类工业设备中发挥着重要作用。
传统的异步电机控制方式往往存在着调速范围有限、动态响应慢、能源利用效率不高等问题。
研究与设计异步电机矢量控制变频调速系统具有重要的理论价值和实际应用意义。
本文旨在深入研究异步电机矢量控制变频调速系统的基本原理、控制策略及其优化设计方法。
将对异步电机的工作原理进行简要介绍,为后续研究奠定基础。
将详细阐述矢量控制的基本原理和实现方法,包括空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术和转子磁场定向控制(FOC)策略等。
在此基础上,本文将重点探讨变频调速系统的设计与实现,包括变频器的选择、控制算法的优化以及系统性能的仿真与实验验证等方面。
通过本文的研究,旨在提高异步电机调速系统的性能,实现更宽范围的调速、更快的动态响应以及更高的能源利用效率。
同时,本文还将为相关领域的科研人员和工程师提供有益的参考和借鉴,推动异步电机控制技术的进一步发展。
二、异步电机矢量控制理论异步电机矢量控制理论是现代电机控制技术的核心之一,它的主要目标是通过控制电机的磁通和转矩,实现电机的高效、稳定和精确控制。
矢量控制,又称为场向量控制,其基本思想是将异步电机的定子电流分解为相互垂直的磁场分量和转矩分量,从而实现对电机磁通和转矩的独立控制。
在异步电机矢量控制理论中,最为关键的是坐标变换。
通过坐标变换,可以将电机的三相电流和电压转换为两相正交坐标系(如dq 坐标系)下的直流分量,从而简化电机的数学模型和控制算法。
最为常用的是Clarke变换和Park变换。
Clarke变换将三相电流转换为两相正交坐标系下的电流,而Park变换则进一步将两相正交坐标系下的电流转换为同步旋转坐标系下的直流电流。
在矢量控制系统中,通常采用矢量控制器来实现对电机磁通和转矩的控制。
所属课程名称题目分院专业班级学号学生姓名指导教师2013 年 11 月 11 日异步电机调速系统控制策略发展概况异步电机相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有明显的优势,使它已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。
早期交流调压调速系统的主回路基本上都采用SCR开关器件,输出的电压或电流波形中含有较多的谐波,造成电机转矩脉动大,功率因数较差。
随后发展的滑差频率速度闭环控制系统基本上解决了异步电机平滑调速的问题,同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点,结构也不算太复杂,己能满足许多工业应用的要求,具有较广泛的应用价值。
然而,当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时,上述系统还是比直流调速系统略差一些。
原因在于,其控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的平均值控制,完全不考虑过渡过程,因而在系统设计时,不得不做出较强的假设,忽略较多的因素,才能得出一个近似的传递函数,这就使得设计结果与实际相差较大,系统在稳定性、起动及动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
1971年,德国学者F.Blaschke提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论[1],标志着交流调速理论的重大突破。
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一直接转矩控制。
这种方法结构简单,在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大,控制结构复杂,系统性能受电机参数影响较大等缺点。
直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机与直流电动机做比较、等效、转化;既不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型。
直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法,直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩,采用电子磁场定向,借助于离散的两点式调节产生PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能。
异步电机在电力系统中的优化控制策略有哪些在当今的电力系统中,异步电机扮演着至关重要的角色。
无论是工业生产中的各种设备,还是日常生活中的电器,异步电机都广泛应用其中。
为了提高电力系统的效率、稳定性和可靠性,对异步电机的优化控制策略的研究就显得尤为重要。
首先,我们来了解一下什么是异步电机。
异步电机,也被称为感应电机,其工作原理基于电磁感应。
它的结构相对简单,成本较低,运行可靠,维护方便,这使得它在众多领域得到了广泛的应用。
然而,由于其自身的特性,在运行过程中可能会出现一些问题,比如效率不高、功率因数较低、调速性能较差等。
为了解决这些问题,研究人员提出了多种优化控制策略。
一种常见的优化控制策略是变频调速控制。
通过改变电源的频率,可以实现异步电机转速的调节。
在传统的定频供电中,电机的转速基本固定,无法满足一些对速度调节有较高要求的场合。
而采用变频调速技术,可以根据实际需求精确地调整电机的转速,从而提高系统的运行效率和节能效果。
例如,在风机、水泵等负载变化较大的设备中,采用变频调速能够根据负载的大小自动调整电机的转速,大大降低了能耗。
矢量控制策略也是一种重要的优化方法。
矢量控制的基本思想是将异步电机的定子电流分解为励磁分量和转矩分量,分别进行控制,从而实现对电机转矩和磁链的解耦控制。
这种控制方法可以使异步电机获得类似于直流电机的优良调速性能,提高了电机的动态响应速度和控制精度。
直接转矩控制策略则是另一种有效的优化手段。
它直接对电机的转矩和磁链进行控制,不需要复杂的坐标变换,控制结构相对简单,响应速度快。
通过对定子磁链和转矩的直接观测和控制,能够快速准确地调节电机的运行状态,特别适用于对动态性能要求较高的场合。
在优化控制策略中,智能控制方法也逐渐得到了应用。
比如模糊控制,它不依赖于精确的数学模型,而是根据操作人员的经验和知识,通过模糊推理来实现控制。
在异步电机控制中,模糊控制可以用于对电机的转速、转矩等参数进行调节,具有较好的鲁棒性和适应性。
交流异步电动机调速系统控制策略摘要:为了提高异步电动机调速系统的精确性,本文主要分析了三种较为成熟的控制策略,同时分析了现代控制理论在交流异步电动机调速系统的应用控制策略的未来发展方向,期望能够推动系统控制策略的不断完善发展。
关键词:交流异步电动机;调速系统;策略;方向交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置,其主要成分包括定子、转子和气隙。
定子绕阻在接通三相交流电之后能够产生磁场,而且还切割了转子,进而获得转矩。
交流异步电动机具有结构简单、运行稳定、价格实惠、安装和维护方便等优点,使其得到了广泛的应用。
交流异步电动机常见的调速方法有降压调速、转子串电阻调速和变极对数调速等,其中的变压变频调速的调速范围宽、灵活性较强,应用较为广泛。
变压变频调速时的转差功率能够保持稳定,在配以一定的技术后能够保持高性能,能够与直流调速系统想媲美。
本文以现代控制理论为基础分析了对异步电动机的变压变频调控策略的分析。
一、基于静态模型的控制策略对异步电动机的调速的本质在于对电磁转矩的控制。
传统的异步电动机交流调速系统以T型稳态等电路建立了数学模型,但对电磁转矩的控制率低。
但其也有结构简单、工作场合要求低等特点,在风机和水泵中得到了广泛的应用。
1.对转速开环、恒压频比的控制对转速开环和恒压频比控制的核心在于对电压和频率的控制,确保电压频率比保持稳定不变的情况下,以改变异步电动机的同步转速进行调速。
在这一过程中,当电磁转矩不变时,转差频率不变,负载时的转速不变,通过改变电子电压频率来稳步改变转速。
由于转速开环、恒压频比不能控制电磁转矩,其动态性能较差,调速范围也十分有限。
2.转速闭环、转差频率控制能够控制电磁转矩就能够提高系统的动态性能。
在转速开环、恒压频比上进行转速闭环控制,当电压频率陡然增加时,电机转速较为迟疑,造成转差额较大,电机转速提高,进而实现了对转速的控制。
二、基于动态模型的传统控制策略上述的一种控制策略从稳态的电路出发,在稳态的情况下气隙恒定,动态性较差。
2019年7月交流异步电动机调速系统控制策略综述章启洪(新万鑫(福建)精密薄板有限公司,福建莆田351200)【摘要】近些年来,在电动机当中交流异步电动机应用范围非常广泛,但是因为调节速度性能较差,所以需要使用一部分调节速度比较高的设备,其中变频调速是一种常见的调速方法,在应用过程中主要是围绕转速变动实现的,通过对技术进行改造可以实现高动态的使用性能,目前伴随着现代化水平的提升,现代化的控制理论得到了引进,变频调速上升到一个全新的高度和水平。
本文主要对交流异步电动机调速系统控制策略进行详细分析。
【关键词】交流异步电动机调速系统;控制策略【中图分类号】TM343【文献标识码】A【文章编号】1006-4222(2019)07-0221-021前言旋转电机是一种实现电能转换的机电装置,其在工作状态下可以实现机械能与电能或电能与机械能的相互转换。
针对异步电动机,其具有简单的结构、运行很低的运行成本以及运行安全可靠,所以应用非常广泛,并且与相同容量的直流电动机相比较,重量要轻1/2,造价费用只有1/3。
对于调速要求不高的生产机械,如传送带、水泵等还是大规模的使用交流异步电动机进行驱动。
下面主要对交流异步电动机调速系统的控制策略进行了探讨。
2异步电动机工作原理在人们的日常生活中,异步电动机被人们叫做感应电动机,与直流电动机相比,交流异步电动机有很多方面的不同,主要是围绕子绕运转,此时利用旋转磁场当中的受切割作用而产生感应电流,并且在磁场中还会受到磁力的重要作用,这样就产生了电磁转矩,有效实现了转子旋转的目的。
如果要想更加全面的了解异步电动机的工作园林,必须充分研究和分析磁场的产生,磁场的产生就是根据“电生磁、磁生电”的相互转化原理产生的。
绕组在定子槽彼此成120度位置依次排列,简单的说,当A相电压最大时,此时对应A槽磁力最强;稍后B相电压最大时,B槽内磁力变为最大;这样就形成了最强磁极从A槽转移至B槽,依此循环,便产生了“旋转的磁场”旋转的方向由相序决定,交流电频率与旋转速度成正比关系,磁极对数与交流电频率成反比例关系。
交流异步电动机调速系统控制策略综述交流异步电动机调速相比直流电动机实现更加困难,本文通过建立交流异步电动机的数学模型,总结以前的基于异步电机稳态模型的控制策略,介绍3种异步电动机变压变频(VVVF)调速系统的控制策略。
将现代控制理论应用在交流异步电动机调速系统中。
现代控制策略和先进控制算法在交流异步电动机调速系统中将会发挥越来越大的作用。
标签:异步电动机;变压变频调速;控制策略1 前言交流异步电动机调速工具包括转差离合器调速、串电阻调速、降压调速、串级调速、双馈电动机调速、变极对数以及变压变频调速等.这里面,唯一能够实现较宽的调速范围、高效率和良好的动态性能的是变压变频调速,变压变频调速系统一般叫做变频调速系统,当应用变压变频调速时转差功率围绕转速变动,而且通过技术改造可以達到高动态性能,性能比肩直流调速系统.变压变频调速技术发展过程中,也出现了不少有特点的应用,而且伴随着现代控制理论的引进,变压变频调速控制技术发展到了一个新的水平,这篇文章将对异步电动机的变压变频调速控制技术做细致的讨论及分析。
2 有关稳态模型的控制方法调速的核心目标是调节电磁转矩,之前的交流调速系统是根据异步电动机的T型等效电路构建电磁转矩的稳态数学模型,无法达到电磁转矩的高效控制,从而不能实现很好的动态性能,可是由于系统结构简单,在那些如风机和水泵等不要求高动态性能的工业应用得到广泛使用。
(1)转速开环恒压频比调节。
转速开环、恒压频比调节的关键是调整电压及频率,在确保气隙磁通量不变的基础上,利用调节异步电动机的同步转速来实现调速的结果[1]。
转速开环、恒压频比调节由于不能调节电磁转矩,动态性能不好,调速范围较窄。
(2)转速闭环、转差频率调节。
在转速开环、恒压频比的前提下达到转速闭环控制,当处于稳态时,当电压频率迅速提高时,电机转速不能立即提高,所以转差频率提高,电磁转矩提高,电机转速增加,这也是转速闭环、转差频率调节的基本原理.它可以对电磁转矩进行调节,动静态性能均优于转速开环、恒压频比调节。
所属课程名称题目分院专业班级学号学生姓名指导教师2013 年 11 月 11 日异步电机调速系统控制策略发展概况异步电机相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有明显的优势,使它已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。
早期交流调压调速系统的主回路基本上都采用SCR开关器件,输出的电压或电流波形中含有较多的谐波,造成电机转矩脉动大,功率因数较差。
随后发展的滑差频率速度闭环控制系统基本上解决了异步电机平滑调速的问题,同时也基本上具备了直流电机双闭环控制系统的优点,结构也不算太复杂,己能满足许多工业应用的要求,具有较广泛的应用价值。
然而,当生产机械对调速系统的动静态性能提出更高要求时,上述系统还是比直流调速系统略差一些。
原因在于,其控制规律是从异步电机稳态等效电路和稳态转矩公式出发推导出的平均值控制,完全不考虑过渡过程,因而在系统设计时,不得不做出较强的假设,忽略较多的因素,才能得出一个近似的传递函数,这就使得设计结果与实际相差较大,系统在稳定性、起动及动态响应等方面的性能尚不能令人满意。
1971年,德国学者F.Blaschke提出了交流电机的磁场定向矢量控制理论[1],标志着交流调速理论的重大突破。
1985年,德国鲁尔大学的DePenbrock教授提出了一种新型交流调速理论一直接转矩控制。
这种方法结构简单,在很大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大,控制结构复杂,系统性能受电机参数影响较大等缺点。
直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机的磁链和转矩。
它不需要将交流电动机与直流电动机做比较、等效、转化;既不需要模仿直流电动机的控制,也不需要为解祸而简化交流电动机的数学模型。
直接转矩控制技术采用空间矢量的分析方法,直接在定子坐标系下计算与控制交流电机的转矩,采用电子磁场定向,借助于离散的两点式调节产生PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能。
它省掉了复杂的矢量变化与电动机数学模型的简化处理,没有通常的PWM信号发生器,它的控制思想新颖,控制结构简单,控制手段直接,信号处理的物理概念明确,该控制系统的转矩响应迅速,限制在一拍以内无超调,是一种具有高静动态性能的交流调速方法。
第一节 传统的直接转矩控制系统原理传统的直接转矩控制的结构框图如图:1-1所示。
其根据转矩滞环比较器和磁链滞环比较器输出的开关信号TQ 和ϕT ,以及定子磁链所在的扇区信号sector ,从已知的定子电压开关信号选择表中选择合适开关状态,控制逆变器输出空间电压矢量,以维持转矩和定子磁链的偏差在滞环比较器的容差范围内,从而实现对转矩和磁链的直接控制。
定子磁链和电磁转矩的反馈值,可由磁链和转矩计算单元观测得到。
之前已经介绍了电压型逆变器和异步电机的数学模型,下面再对传统直接转矩控制系统的其他组成部分得工作原理进行简要说明。
e T ψ图1-1 传统的直接转矩控制系统的结构框图1.1 磁链和转矩计算单元直接转矩控制中,定子磁链是不能直接检测的,需要通过定子磁链观测器观测得到。
用定子电压和定子电流来确定定子磁链的观测器模型叫电压—电流定子磁链模型,可得定子磁链的i u -模型的矢量表达式:⎰-=dt i R u s s s sˆψ (1-1)sisusˆ图1-2 定子磁链的i u -模型框图模型框图如图1-2所示。
该模型结构简单,受参数影响小,适用范围在额定转速30%以上。
由于s s s U I R -值较大,测量误差及积分漂移的影响就变得微不足道;采用此模型能比较准确地观测出定子磁链。
但是当电机在低速运行时,s s s U I R -的值将变得很小,由于定子电阻s R 参数变化及测量所带来的误差会把实际值淹没掉,而且积分器漂移的影响也变得严重起来,从而就无法有效使用该模型。
因此,当电机转速较低时定子磁链的观测就不能再采用电压一电流模型了,而是要采用电流—转速模型,即根据定子电流和转速来观测定子磁链。
用定子电流和转速来确定定子磁链的观测器模型叫电流—转速定子磁链模型,在30%额定转速以下时,能准确比较观测定子磁链。
由以上得:s s r rm s i L L L ˆˆˆˆˆˆσψψ+= (1-2)r r s m r r r T j i L dtd T ψωψψˆˆˆˆˆˆ +=+ (1-3)式(1-2)(1-3)组合得到定子磁链的n i -模型,模型框图如图1-3所示。
从式(1-2)(1-3)可以看出,在计算过程中需要用到的电机参数有s L 、r T 、m L 和σ。
需要采集的输入变量为定子电流s i和电机转速r ω。
较i u -模型,n i -模型的表达式较为复杂,计算量也相对增加。
i ωsˆ图1-3 定子磁链的n i -模型框图计算定子磁链需要的定子两相电压αs u 和βs u 的是根据逆变器开关信号a S 、b S 、c S 和直流侧电压d U 的值计算得到的dc b s dcb a s U S S u U S S S u 332-=--=βα (1-4)定子两相电流αs i 和βs i 通过3/2变换获得,再根据三相电流的关系式0=++c b a i i i 进行化简,得到计算式为:ba s as i i i i i 33233+==βα (1-5)定子磁链幅值计算表达式为)(22βαψψψs s s -=(1-6)电磁转矩通过定子电流和定子磁链计算)(23βααβψψs s s s p e i i n T ⋅-⋅=(1-7) 式中p n 为电机极对数。
1.2 磁链调节器磁链调节器功能是根据定子磁链幅值实际值s ψ和幅值给定值*s ψ的偏差确定磁链开关信号ψT 。
其工作原理是根据定子电压和定子磁链的矢量表达式⎰-=dt i R u s s s sψ(1-8)由于定子电阻通常很小,在分析时若忽略定子电阻压降的影响,则有[8]⎰≈dt u s sψ (1-9)式(1-9)上式表明定子磁链空间矢量与定子电压空间矢量之间为积分关系,即增量关系,定子磁链矢量的变化方向跟随电压空间矢量的变化方向。
因此,如要使定子磁链轨迹为图2-4所示的半径为*s ψ,容差范围为ψε2的圆形轨迹,磁链调节器可以采用滞环比较器实现,滞环宽度从ψε-到ψε+,如图2-5所示。
α4V 56图1-4 定子磁链圆形轨迹其工作过程如下:当*s s ψψψε-≥时,说明定子磁链幅值实际值s ψ少于幅值给定值*s ψ,并且超出了容差上限ψε,滞环比较器输出1-=ψT ,开关选择表输出合适的定子电压空间矢量以增大s ψ;当*s s ψψψε-≤-时,说明定子磁链幅值实际值s ψ大于幅值给定值*s ψ,并且超出了容差下限ψε-,此时滞环比较器输出1=ψT ,开关选择表输出合适的定子电压空间矢量以减少s ψ;当*s s ψψεψψε-<-<时,定子磁链幅值实际值s ψ与幅值给定值*s ψ之差在容差范围ψε2内,此时滞环比较器输出保持不变,电压矢量也保持不变。
ψT ψ图1-5 磁链调节器1.3 开关选择单元开关选择单元的功能是,综合磁链开关信号ψT 、转矩开关信号TQ 和定子磁链扇区信号,再根据转矩调节优先的原则,选择合适的定子电压矢量,以达到控制电机转矩和磁链的目的。
开关选择表如表2-1所示表2-1 定子电压开关信号选择表(逆时针旋转)磁链信号ψT转矩信号TQ扇区1 扇区2 扇区3 扇区4 扇区5 扇区6 -1-1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 1 V 7 V 0 V 7 V 0 V 7 V 0 1-1 V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 V 2 1V 0V 7V 0V 7V 0V 7在电机运行过程中,电机参数随现场工况变化的影响在一定范围内变化,且这种变化规律事先难以获取,这将导致定子磁链观测器的精度降低。
在定子磁链和电磁转矩闭环的异步电机直接转矩控制系统中,磁链观测器工作在反馈通道,如果磁链观测器的幅值大于实际值,将导致电动机的弱磁运行;反之,如果磁链观测器的幅值小于实际值,将导致电动机的过励运行。
为了弥补电机参数变化导致的定子磁链和电磁转矩观测失准问题,考虑到i u -模型和n i -模型各自的特点,可以采用基于滤波器的定子磁链观测器。
高速时定子磁链i u -模型观测精度高;低速时定子磁链n i -模型观测精度相对较高,因此将定子磁链i u -模型和n i -模型综合在一起,即在高速时让i u -模型起主要作用,通过低通滤波器将n i -模型的观测值滤除。
在低速时让n i -模型起主要作用,通过高通滤波器将i u -模型的观测值滤除。
并且使这两个滤波器的转折频率相同,即可实现模型之间的平滑过渡。
基于滤波器的定子磁链观测器原理框图如图3-1所示。
定子磁链i u -模型的观测值ui s _ˆψ通过高通滤波器,定子磁链n i -模型的观测值in s _ˆψ通过低通滤波器,再将这两个值相加,即为定子磁链的观测值sˆψ。
s _ˆψs _ˆψsˆ图3-1 基于滤波器的定子磁链观测器电机参数变化导致定子磁链观测器的精度降低,其s R 、s L 和r T 这三个参数的变化对定子磁链观测器的影响较大。
通过增加低通和高通滤波器,提高了定子磁链观测器的精度。
1.4改进的磁链调节器和开关选择表电机低速时,工作电压矢量作用时间很短,零电压矢量作用的时间却很长,定子电阻压降对时间的积分值较大,其对定子磁链的影响也就不能忽略,而导致定子磁链轨迹内陷非常明显。
因此在原来磁链调节器两级容差的基础上扩展一级容差[9],磁链开关信号在“1”和“-1”基础上再增加“-2”,磁链调节器如图3-2所示。
并且引入相应的定子磁链补偿电压,补偿低速时定子压降引起的内陷,得到改进的定子电压开关信号选择表3-1[10]。
ψψT图3-2 增加“-2”级的磁链调节器表3-1 增加“-2”级的定子电压开关信号选择表磁链信号ψT转矩信号TQ扇区1 扇区2 扇区3 扇区4 扇区5 扇区6 -2-1 V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 V 2 1 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 -1-1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 1 V 7 V 0 V 7 V 0 V 7 V 0 1-1 V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 V 2 1V 0V 7V 0V 7V 0V 7第二节直流转矩控制的发展方向十几年来,在国内外直接转矩控制不断得到发展和完善,特别是随着各种智能控制理论的引入,涌现出了许多基于模糊控制和人工神经网络的DTC系统,使得控制性能得到了进一步的改善和提高。
控制系统的性能是借助于控制环节来实现的,改善和优化各个环节的结构,必然有利于控制系统性能的提高。