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发布日期：2022-10-13 10:46:00 点击次数：
§8.1 IM 的矢量控制 8.1.1 IM 的动态数学模型 ⑴ 坐标变换 ☆ 理想化 IM 的动态数学模型： ① 忽略铁心饱和、磁滞、涡流，不考虑趋肤效应； ② 忽略谐波磁势，只考虑正弦分布的气隙磁势； ③ 忽略定、转子齿槽影响，将气隙看成均匀的； ④ 转子为三相绕组。 则定、转子绕组自感 L1、L2，定子绕组互感 MUV、MVW、MWU，转子绕组互感等，都是常数。定、转子间的互感系数为 （g 为定、转子u相绕组中心线 为转子初位置角；w 为转子电角速度） 当定、转子绕组都为 Y 联接时，电流中只有4个独立，可列写 4 个变系数的状态方程，加上运动方程，得到 5 阶的 IM 动态数学模型。 BACK ☆坐标变换的思路： a、将三相 IM 等效为空间上互差90˚电角度的两相电动机； b、等效以后 IM 的数学模型阶数不变，还是 5 阶； c、等效的出发点，是保持绕组产生的圆形旋转磁场不变。 ① αβ坐标系（定子上） 使α轴（实轴）同 u 相绕组轴线重合，沿旋转磁场方向前进90˚的方向，为β轴，则 ab 与 uvw 间物理量的关系为： 反向关系为： 其中 Cuvw→ab 和 Cab→uvw 是正交矩阵的一部分，二者互为转置。 BACK Cuvw→ab 和 Cab→uvw 是正交矩阵的一部分，二者互为转置： 选用正交矩阵，可保证变换前后功率的计算公式不变： BACK ② dq坐标系（同步旋转的直角坐标系） 选转子磁链方向为 d 轴，沿磁场旋转方向前进 90˚ 电角度的方向为 q 轴，则 dq 与 ab 间各分量的关系为： （正） （逆） 其中 q1 是从 a 轴到 d 轴的电角度： （q 0 为 t = 0 时 q1角，ω为同步电角速度） Cab→dq 和 Cdq→ab 是正交互逆的矩阵。 例：将三相 AC 电流变换为 dq 轴直流分量： 解： BACK ① 在 a b 坐标系中，各物理量的复数表示： 定子电压： 定子电流： 转子电流： 则电压方程式： 其中 wm 为转子旋转的电角速度；Lm 为定、转子间的互感。 ② 以定子电流、转子磁链为状态变量时的电压方程： 转子磁链为： 则电压方程式为： 式中 BACK ⑵ ab 坐标系中的电压方程、转矩方程 ③电磁转矩为： 其中 “×” 为复数向量的外积。 ①电压方程： 其中w1 为同步角频率，w2 为转子转差角频率。 ②用转子磁链、定子电流表示的电压方程： 转子磁链为： 则电压方程式为： ③电磁转矩为： BACK ⑶ dq 坐标中的电压方程式和转矩方程 8.1.2 矢量控制原理 ☆ 历史：1970 年代初，德国人 F.Blaschke 提出“IM 磁场定向的控制原理”，奠定了矢量控制的基础。 ☆ 基本原理：利用坐标变换，将 IM 的三相交流电流，变换成两相直流电流；然后，在两相坐标中，确定电机的转矩电流、励磁电流大小，并分别进行控制；最后，再将两相电流的设定值，变回三相电流设定值，实现闭环控制IM电竞APP。 ☆ 矢量控制基本方程：在 dq 坐标系中，转子磁链同 d 轴一致，故 F2dq＝F2＝常数（控制为常数），则转子电压方程为： 将 ws = w1 – wm，i1dd = i1d + j i1q代入可得： BACK ☆ 电磁转矩： (控制 i1q ，即可控制 Tem；i1q、Tem 响应速度相同) ☆ 定子三相电流的计算值： (将dq电流转换为三相电流) 则 （用于实际三相电流控制） BACK 8.1.3 转子磁场定向矢量控制系统的构成 BACK ⑴ 磁链的反馈控制 “θ计算”的作用：确定 abc、dq 两坐标系轴线间的夹角θ。 “θ计算”的实现：经检测、计算磁链来得到。（需利用电机动态数学模型、现代控制理论，构造磁通观测器，才能获得 F2 的角度θ） ⑵ 磁链的前馈控制（转差频率控制的一个组成部分） ☆ 一种开环控制，它不检测被控制量（磁链）。 图8－3 磁链的前馈控制 坐标变换所需的两种坐标系的轴线之间的夹角θ由下式算得： 图中 BACK ws* 的计算精度IM电竞APP，依赖于电机参数 R2 和 L2 的精度；温度变化会引起 R2 变化，电流大小、频率对 L2 也有影响。利用现代控制理论，在线，可提高精度。 ⑶ 转子磁场定向矢量控制 BACK ☆ 磁场定向：“定向”是指 d、q 轴线的选择。当选择 d 轴为转子磁链轴线时，就称转子磁场定向。这时有：Φ2d =Φ2，Φ2 =0。 ☆ 直接磁场定向控制：直接检测转子磁链、并进行控制。 ☆ 间接磁场定向控制：不检测Φ2，而利用电机参数、电流设定值来预测Φ2，进行前馈控制。 BACK ☆ 磁链观测器的功能特点： ① 转子磁链的观测：通过检测电机的电压、电流、转速，利用定子电流进行误差校正，从而计算出转子磁链的大小、方向（DSP使之实用化）； ② 定、转子电阻的辨识：使用自适应算法，实时辨识定、转子电阻，可减小参数变化的影响； ③ 调节磁链、使电机高效化运行：根据参数及所需转矩，适当调节电机磁链，使总损耗最小。 §8.2 提高系统响应速度的技术 ☆ 转矩控制 是快速响应所必须的。 ☆ 电机参数的变化、控制参数的误差，都会影响系统的控制性能。 BACK 8.2.1 影响响应速度的因数 ⑴ 转子电阻：季节和使用条件不同，其变化可达20％，影响转矩控制的精度和响应速度； ⑵ （数字控制）采样、计算的延迟：数字控制带来功能丰富的同时，也带来了响应的延迟； ⑶ 启动速度慢：启动、复电再启动时，气隙磁场的建立需要一个过程，导致启动时的响应速度明显变慢。 8.2.2 提高系统响应速度的方法 ⑴ 直接转矩控制： ☆ 特点：基于瞬时转差频率控制，对瞬时磁链和瞬时转矩进行同时控制。 ☆ 优点： a、电流控制部分处在矢量控制部分之内，不会产生电流控制的延时； b、无载波频率的概念，电机噪声较小。 ☆ 效果：采用DSP的实际控制系统，转矩上升时间可达数十微秒。 ⑵ 无差拍控制： ☆ 特点：是一种快速的数字控制，不仅无超调，且在有限的时间内达到稳定。 ☆ 对比：PI 控制 不仅有超调，且在理论上要无限长时间，才能达到稳定。 §8.3 无速度传感器矢量控制 ☆ 速度传感器有安装、维护、成本、可靠性、低速性能等问题，且结构复杂 =
无速度传感器的研究 BACK 8.3.1 速度的辨识方法（无速度传感器的技术关键） ☆速度辨识：用直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等手段，从电机定子边的量入手（如定子电压、电流），计算出与速度有关的量，进而得到转子速度，用于速度反馈控制。（例子：图8－6） ☆几种典型方案： ① 基于电机方程的； a. 稳态方程； b. 动态方程； ② 基于齿谐波的； ③ 基于模型参考自适应的。 ☆方案一 ：利用电机基本方程式估算速度 A、基于稳态方程的转差频率估算法： 1975年， A . Abbondant 从电机稳态数学模型，推得转差频率表达式： 其中：w 1 为定子角频率；K 为比例系数；q 1 为稳态时定子电流向量与励磁电流相量的夹角。 问题：因来源于稳态模型，动态中很难跟踪真实转速。 BACK B、基于动态派克方程的转差频率估算法（有多种实现方案）： 例：在定子磁链定向控制时，使F1d = const，F1q = 0 ，则有： C、 利用电机方程计算转速的特点： ① 算法简单，理论上速度计算无延时； ② 缺少误差校正环节，速度计算依赖电机参数，抗扰能力差，易不稳； ③ 以磁链准确定向为前提，受磁链观测、控制的影响； ④ 精度低，速度辨识范围窄。 BACK ☆方案二：基于齿谐波的转子速度辨识 历史：1984年，M.Ishida、K.Iwata 提出用转子齿谐波来辨识转差频率。 原理：转子旋转时，气隙主磁场中将叠加齿谐波磁场，因而在定子绕组中 感应出齿谐波电势，其幅值、频率都可用于辨识转速(图8-7)。 A、用齿谐波电压测转差频率法： 在图（b)的输出端，三相的基波抵消、三次谐波滤除、齿谐波叠加，输出的电压幅值正比于转差频率。 特点：可辨识 300rpm 以上的转速。 B、定子电流分离齿谐波频率 fsh 、基波频率 f0 法： n = 60( fsh ± f0 ) / Z 特点：转速应高于2Hz，即120rpm；误差为 ±15rpm。 ☆方案三：模型参考自适应法（MRAC）辨识速度 A、MRAC(model reference adaptive control)的思路： ① 两个模型：将不含未知数的方程，作为参考模型；将含有待估参数的方程，作为可调模型；两个模型应具有相同物理意义的输出量。 ② 跟踪参考模型：利用两模型的输出量差别，产生合适的自适应率，以实时调节可调模型的参数，达到被控对象的输出跟踪参考模型的目的。 BACK B、C.Schauder 的转速 MRAC 辨识方法： ① 将电压模型（不含真实转速的磁链方程）作参考模型， 将电流模型（含待辨识转速的磁链方程）作可调模型。 ② 问题： a、电压模型中有纯积分环节，低速误差明显； b、参考模型的参数准确程度，直接影响控制效果，而电机参数却是变化的 BACK 8.3.2 磁链的观测 ⑴ 观测磁链的电流模型 ☆ 在磁场定向控制、磁场反馈控制中，需选择转子绕组磁链、定子绕组电流作状态变量，列写状态方程。 ☆ 在同步旋转的 dq 坐标中，有： ① 代入转子电压方程 写成矩阵形式为： BACK ② 对定子电压方程 利用 BACK ③ 组合(1)、(2)两式，获得磁链观测器的电流模型： ④ 若在静止坐标系中观测磁链，则磁链切割转子的频率为ω2，切割定子的频率为0，则在前述公式中：ωs＝ω2，ω1＝0 BACK 写成微分形式： ⑤电流模型的特点 优点：只需检测定子电流、转子转速，可有效衰减零漂等非线性干扰。 缺点：含转子时间常数τ2，受温度、磁路饱和等影响，需实时辨识τ2，测转速也是个不足。 ⑵ 观测磁链的电压模型 ☆ 定子电压方程： ☆ 定子磁链方程： ☆ 转子磁链方程： ☆ 磁链观测的电压模型之特点： 优点：模型中无速度项，故无需检测速度。 缺点： a、低速时，因电压检测精度低，影响磁链观测精度； b、模型中包含电流的微分项，不能用简单的积分器实现； c、需高通滤波器，以消除零漂（零漂无法自动衰减）。 ☆ 改进设想： 高速时使用电压模型； 低速时使用电流模型， 从而使两种模型互补。 BACK ☆ 定子电流校正的观测器： IM 的状态方程为： 其中 则采用定子电流校正的全阶观测器为： 式中 G 为误差校正增益矩阵，应能保证观测器快速收敛；i1’ 为定子电流推算值（观测值）；i1 为检测值。 BACK ⑶ 磁链观测器 ☆ 观测器： 使用可检测的状态变量（定子电流、电压等）， 推算不可检测的状态变量（转子电流、磁链等）； 并对可检测量的检测值、推算值进行比较，以校正不可检测值。 §8.4 IM 控制系统的参数自整定（自学） 8.4.1 IM 系统参数自整定的目的 ☆ 普通变频 IM 系统的特点： (1) IM 为非线性系统，参数因条件（工况、温度、电源频率）而变化； (2) 变频 IM 的参数存在分散性，变频电源的输出精度也很有限。 ☆ 联合调试：因此，普通的变频 IM 系统，每套都需联合调试（做各种试验），十分费时。 ☆ 变频器参数自整定的目的：为了免除联合调试。 BACK 8.4.2 异步电动机参数自整定的分类 ⑴ 按自整定时间分： ① 离线式 (off-line) ：一次整定、固定不变（时间充裕、可用复杂算法） ② 在线式 (on-line) ：实时测量、随时反映实际情况（需采用简捷算法） ⑵ 按自整定方法分： ① 基于堵转试验（测 r1 + r’2 和 x1 + x’2）、空载试验（测定子全电感） ② 使用自适应方法： 既可在线，也可离线 ③ 利用过渡过程： 测时间常数、测转动惯量等 8.4.3 IM 参数自整定的原理（介绍4种） （一）通用变频器参数自整定的原理（离线：给 IM 的 u、v 相加单相电压，测 r1 + r’2、 xIM电竞APPs 。 （相当于堵转试验）； Step2：给 IM 的 u、v 相加直流电压，测定子绕组直流电阻； （可用△u/△I计算，以提高精度） Step3：给 IM 加三相电压，进行空载试验，由 r1+ r’2、xs、r’2 计算定子电感 L1。改变频率，可测得不同 u / f 下的电感（对应不同包含程度）。 BACK （二） 测残压确定 IM 转子时间常数 ☆ 设在 t1 时刻，三相绕组同电网分离，则应用磁链守恒，可确定此刻的转子电流 i2d(t1+) 、i2q(t1+) 及定子绕组电压（等于断电前的感应电动势）。 ☆ 在旋转的转子坐标系中，电机电压方程为： ☆ IM 的运动方程为： BACK ☆ 残压的特点： a、由于转子转速 w 2 也在减慢，因此，残压比转子电流衰减更快，时间常数比 t 2 = L2 / R 2 要稍小； b、残压频率 ∝ 转子转速，同转速一起降低； c、由于 t 2 远小于 t m ，因此，在忽略转速变化时，残压的变化曲线就是转子电流的衰减曲线。测量残压的时间常数，可以近似确定转子绕组的时间常数τ2。 ⑶ 利用自适应算法的参数自整定原理 （一种在线参数测试技术） （MRAC） BACK 不含要辨识的参数 同一非辨识参数（如电流、磁链等）：二者趋于一致，是辨识收敛的判据！ 应能保证辨识收敛于真值！ 含要辨识的参数 被辨识参数 ⑷ 转动惯量的自整定： ☆ 设电机以恒定加速度加、减速，则有： BACK J 变化的实例： a. 从空载到负载， b. 机器人臂长的变化 常采用加速度法 让电机在恒定负载下，以一定的加速度加速、减速，并检测转矩电流分量，利用运动方程式来计算转动惯量。 §8.5 电流控制策略 ☆ 定子电流 是电机电磁转矩、磁场的根源。 电流控制 决定了调速性能的优劣。 ☆ 电压型逆变器（VSI）硬件结构简单，作为调速控制策略的执行机构，其输出本质上是非线性的、离散的。系统的控制作用域 是有限的几个离散点的集合（8个电压矢量）。 ☆ 定子电流控制的任务：根据离散控制作用域，选择优化的控制模式，以实现定子电流的有效控制。 ☆ 高性能交流调速系统对电流控制的要求： ① 动态响应速度快； ② 稳态时，定子电流的失真度小，以降低转矩脉动、减小谐波损耗； ③ 功率器件开关频率低，以降低开关损耗、延长VSI寿命，并利于实现恒低频开关控制； ④ 电流控制策略具有良好的鲁棒性（Robust）。 BACK 非线性开关控制 线性开关控制 预测控制 智能控制 8.5.1 非线性开关电流控制器 ⑴ 滞环电流控制器 ☆ 主要特征： 电流的瞬时值被准确 控制在一定范围内； 瞬时最大误差为滞环 宽度的两倍。 ☆ 优点：最简单；鲁棒性高；跟踪误差极小；动态性能相当好。 ☆ 缺点：① 开关频率依赖于负载及滞环宽度； ② 开关随时性导致逆变器保护困难； ③ 噪声。 BACK ⑵ 载波输入电流控制器 （固定开关频率 的滞环电流控制器） ☆ 将固定开关频率的三角形载波同电流误差信号进行调制，所得信号： (a)具有三角形载波的频率； (b)脉冲的幅度相等； (c)脉冲宽度∝电流误差信号。 ☆ 特点： (a)VSI以三角波频率切换； (b)频谱清晰； (c)噪声可移到希望的频率点。 ☆ 缺点：跟踪存在固有误差。 BACK 8.5.2 线性控制器 ☆ 系统特点：电流误差补偿环节、电压调节单元 相互独立。 ☆ 优点： a. 恒定开关频率； b. 清晰谐波频谱； c. 最优开关类型； d. 高直流电压利用率； e. 实现简单。 ☆ 两类： （1）三相 PI 电流控制器 （2）空间矢量同步控制器 BACK 与传统的电压型PWM控制器配合使用。 线性控制器之一：三相 PI 电流控制器 ☆ 电流误差信号经PI调节，产生电压给定信号Uu*、Uv*、Uw*；后者与三角载波比较，产生开关信号Su、Sv、Sw。 ☆ 可在一定频率范围内实现输出电流的最小跟踪误差。 电流误差补偿环节 电压调节单元 ☆ 特点： 由于 i1d*、i1q* 都是直流量，经线性PI调节后，将获得很高的稳态准确度。 BACK 线性控制器之二：空间矢量同步控制器 8.5.3 预测控制器 （基于滞环控制器的空间矢量控制） BACK BACK Isc：给定的参考电流矢量（即预测的电流）； 误差范围的边界由 Isc 确定； Is： 实际的电流矢量： Is[t0]： t0 时刻的 Is； Is[t0 + tk]： 预测控制后的 Is； ☆ 控制原理：当 Is 到达容许的误差边界上某点时IM电竞APP，有7种电流控制策略（即7个电压矢量）可选，以操作 VSI 开关。不同策略对应不同电流轨迹。 ☆ 控制策略的选择原则：是一个预测和优化过程。既可以选择使平均开关频率最小的预测方案，也可以选择获得最小响应时间的预测方案。 8.5.3 预测控制器 （一种滞环控制器的空间矢量控制）
GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf
