電力電子與現(xiàn)代控制電機控制理論和控制系統(tǒng)一部分PPT課件

1、第四章：電機的控制理論和控制系統(tǒng)第四章：電機的控制理論和控制系統(tǒng)n 簡介 n 直流電機的控制n 異步電機的控制 1、標量控制 2、矢量控制：磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制n 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)矩控制第1頁/共30頁簡介簡介電機控制的任務(wù)：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：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；標量和矢量控制。電機控制的關(guān)鍵：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。電機控制系統(tǒng)的性能的

2、好壞取決于電機電磁轉(zhuǎn)矩的控制。),(,0remrrrrrploademiufTdtBdtdnJTT第2頁/共30頁直流電機的控制及系統(tǒng)直流電機的控制及系統(tǒng)n直流電機的數(shù)學模型：直流電機的數(shù)學模型：n可以構(gòu)成直流電機的控制可以構(gòu)成直流電機的控制系統(tǒng)為：系統(tǒng)為：JTiMiJTTdtdiMiTdtdiLiruMidtdiLiruloadafdloademrafdemfdfdfdfdfdfdaaaaa第3頁/共30頁異步電機的控制異步電機的控制n標量控制n矢量控制 1、磁場定向控制 2、直接轉(zhuǎn)矩控制第4頁/共30頁異步電機的標量控制異步電機的標量控制2122111110jSirji ru穩(wěn)態(tài)時，鼠籠型

3、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)等效電路圖鼠籠型異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路圖)(5 . 1)(5 . 1)(5 . 1)(5 . 121212212111112121qddqmpqddqpqddqpqddqmpemiiLLniiniiniiiiLnTp忽略定子電阻 時，定子磁鏈 等于電壓 與定子角頻率 之比。p轉(zhuǎn)子磁鏈 等于轉(zhuǎn)子電流 與轉(zhuǎn)子滑差頻率 之比的負值。p轉(zhuǎn)子磁鏈超前轉(zhuǎn)子電流90度。p忽略定轉(zhuǎn)子磁鏈 時，定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相等。1rllLL21,1121S1U1i所以，忽略 時，鼠籠型異步電機的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩為：llLLr211,12121S5 . 15 .

4、 1ppemninT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。第5頁/共30頁異步電機的標量控制異步電機的標量控制第6頁/共30頁異步電機的矢量控制異步電機的矢量控制n磁場定向控制磁場定向控制 1 1、磁場定向控制的基本理論、磁場定向控制的基本理論 2 2、磁場定向控制的實現(xiàn)、磁場定向控制的實現(xiàn) 3 3、磁場定向控制系統(tǒng)、磁場定向控制系統(tǒng) 4 4、計算與仿真、計算與仿真n直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 1 1、直接轉(zhuǎn)矩的基本理論、直接轉(zhuǎn)矩的基本理論 2 2、直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn)、直接轉(zhuǎn)矩控制的實現(xiàn) 3 3、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 第7頁/共30頁異步電機的磁場定向控制理異步

5、電機的磁場定向控制理論論)(5 . 11111qddqpemiinT122222111111sjpirujpiru122222122222111111111111spiruspirupi rupi rudqqqqddddqqqqddd2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL異步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓和異步電機在同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓和磁鏈方程為：磁鏈方程為：電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩：222111222111qdqdqdqdjiiijiiijuuujuuu)()()(2122222212111111iiLiLjiiLjiiLiLjmlqdm

6、qmdmmmlqd建立下述矢量：建立下述矢量：異步電機的電壓方程可表示為：異步電機的電壓方程可表示為：轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈定子磁鏈定子磁鏈氣隙磁鏈氣隙磁鏈鼠籠型異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路圖鼠籠型異步電機穩(wěn)態(tài)等效電路圖第8頁/共30頁轉(zhuǎn)子磁場定向控制轉(zhuǎn)子磁場定向控制0;222qd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：21222122212215 . 11;qmpemmdqmiLLnTLpirLiLs022122221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL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：11222122221

7、11212215 . 15 . 111dqmpqmpemmmddqqmiiLLniLLnTLLpiiiiLs可見：n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；n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磁轉(zhuǎn)矩的值；nid1稱之為電機勵磁電流分量，iq1為力矩電流分量。n轉(zhuǎn)子磁場定向理論上最大轉(zhuǎn)矩為無限大。122222211111111111100sirpirpi rupi ruqddqqqqddd第9頁/共30頁定子磁場定向控制定子磁場定向控制0;111qd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

8、磁鏈方向一致，此時有：1121111212122221111215 . 1)/(1)/()/1(1,;)/()/(1qpemqdmqdinTpisLpiLLLrLiiLps221222122111121110qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL則有下述關(guān)系式成立：可見：n 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；n 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。122221222211111111100spirspiri rupi rudqqqddqqdd0)(1)(1)(22

9、1121221siLsqs) 11(4312LnTpsem第10頁/共30頁氣隙磁場定向控制氣隙磁場定向控制0;qmmdm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：mqpemmqmmmdlmqdmmmminTpisLpiLLrLiiLps1211212222211215 . 1)/(1)/()/ 1(,;)/()/(1則有下述關(guān)系式成立：可見：n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；n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。12222122221

10、1111111111100spirspirpirupirudqqqdddqqqqddd222212222212112111112111qlqqmqmdlddmdqlqmqqmdldmddiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiL) 11(432mmpmemLnT0)(1)(1)(22112221mqmmmmsiLs第11頁/共30頁磁場定向控制的實現(xiàn)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：dtdtsr1

11、121)(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)學模型計算得到，兩者之和即為同步

12、角頻率1，積分可得定向磁鏈的空間位置角1。第12頁/共30頁轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接法）法）122222211111111111100sirpirpirupiruqddqqqqddd21222122212215 . 11;qmpemmdqmiLLnTLpirLiLs構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接法）為：第13頁/共30頁異步電機轉(zhuǎn)子磁場間接定向控制系統(tǒng)的仿真異步電機轉(zhuǎn)子磁場間接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：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負載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為314rad/s，空載啟動再將速度置為零?；罱穷l率和轉(zhuǎn)子滑差

13、角頻率和轉(zhuǎn)子磁連位置角計算磁連位置角計算第14頁/共30頁仿真事例1第15頁/共30頁仿真事例2第16頁/共30頁轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）122222211111111111100sirpirpi rupi ruqddqqqqddd構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）為：第17頁/共30頁定向磁鏈的計算定向磁鏈的計算定向磁鏈的計算可以分成兩大類：定向磁鏈的計算可以分成兩大類：n開環(huán)計算（估計器Estimator）； 電壓模型、電流模型和混合模型n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

14、各量：定向磁磁鏈的計算一般需要量測以下各量：n定子電壓和電流；n轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速。第18頁/共30頁轉(zhuǎn)子磁鏈計算轉(zhuǎn)子磁鏈計算電壓模型電壓模型 反電勢積分法又稱反電勢積分法又稱U-IU-I模型估模型估計法，利用電機電壓方程通過積計法，利用電機電壓方程通過積分來獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。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優(yōu)點，但僅適用于高速場合。該方法存在以下的缺陷：n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接近，給測量帶來了誤差；n電阻值隨工作環(huán)境的變化而隨之變化，會引起誤差；n積分器具有誤差積累、直流偏移和初

15、始值問題。 這三方面相互影響，最終會使計算磁鏈嚴重偏離實際值，也就失去了在低速領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。22222222222211111111dqqqqdddqqqdddpirupirupi rupi ru在定子在定子坐標系下，異步電機的電壓和磁鏈坐標系下，異步電機的電壓和磁鏈方程分別為方程分別為2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL則有：則有：dti rudti ruqqqddd)()(1111111111111221111122)()(qqqmqdddmdiLdti ruLLiLdti ruLL2121LLLm)/(221122222dq

16、qdtg第19頁/共30頁轉(zhuǎn)子磁鏈計算轉(zhuǎn)子磁鏈計算電流模型電流模型 電流法又稱為電流法又稱為 I-I-模型估計法，模型估計法，它利用定子電流和轉(zhuǎn)速通過計算獲它利用定子電流和轉(zhuǎn)速通過計算獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。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)受溫度和磁鏈飽和的影響是很大的，對該方法的準確性產(chǎn)生了影響。22222222222211111111dqqqqdddqqqdddpirupirupi rupi ru方法一：方法一：在定子在定子坐標系下，異步電機的電壓和磁坐標系下，異步電機的電壓和磁鏈方

17、程分別為：鏈方程分別為：2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL則有：則有：2222222222dqqqddirpirp)/(221122222dqqdtg2222122222212211dqqmqqddmdiLpiLp方法二：方法二：在轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子坐標系下，異步電機的坐標系下，異步電機的電壓和磁鏈方程分別為：電壓和磁鏈方程分別為：2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL則有：則有：22222222121111121111qqqddddqqqqdddpirupirupi rupi ru

18、2212222221222211qqmqqddmddiLirpiLirp)/(221222222dqqdtg第20頁/共30頁混合模型混合模型 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。rssUssis2s2sI2su2rrsir校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

19、子下電流模型下電流模型定子定子下電壓模型下電壓模型第21頁/共30頁異步電機轉(zhuǎn)子磁場直接定向控制系統(tǒng)的仿真異步電機轉(zhuǎn)子磁場直接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：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。電壓模型電壓模型電流模型電流模型第22頁/共30頁仿真事例1第23頁/共30頁仿真事例2第24頁/共30頁異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制異步電機的直接轉(zhuǎn)矩控制n基本理論基本理論n定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計算定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計算n直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)第25頁/共30頁異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論異步

20、電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論輸出電壓空間矢量：輸出電壓空間矢量：)(323432jcjbadcseSeSSVVV0V1V2 V3V4V5V6V7Sa01010101Sb00110011Sc00001111兩電平電壓型逆變器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)第26頁/共30頁在定子坐標系下，定義異步電機定子電流和磁鏈空間矢量為：dtiRVsss)(s異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論)(323432jcjbaseieiii在一個采樣周期內(nèi)，定子磁鏈增量為：sssTV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:nV1V2V6將導(dǎo)致定子磁鏈增加，V3V4V5使定子磁鏈減?。籲V2V3V4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)