異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制電路的設(shè)計(jì)班級(jí)：路德1101

學(xué)號(hào)：0401110212

姓名：劉凱軍

指導(dǎo)教師：楊科科異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制電路的設(shè)計(jì)目錄1緒論1.1交流電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀1.2異步電機(jī)系統(tǒng)控制策略2PWM逆變器的電流滯環(huán)控制原理2.1電流控制原理與方案比較2.1.1斜坡比較PI電流控制器原理2.1.2預(yù)測(cè)電流控制器的原理2.1.3電流滯環(huán)控制器的基本原理2.2基本電流滯環(huán)控制器的分析2.3.1同步開關(guān)法2.3.2正弦滯環(huán)寬度法2.3.3自適應(yīng)滯環(huán)寬度法2.3.4基于鎖相環(huán)的方法2.3.5基于矢量變換的方法2.3.6其它方法2.4電流滯環(huán)控制方案選擇3電流滯環(huán)控制的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.1主電路設(shè)計(jì)3.2檢測(cè)電路設(shè)計(jì)1緒論1.1交流電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀電機(jī)控制系統(tǒng)主要分為速度控制和位置控制兩大類。傳統(tǒng)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)一般指速度控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、礦山、冶金、化工、紡織、造紙、交通等工業(yè)部門。位置（伺服）系統(tǒng)，也就是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是指通過伺服驅(qū)動(dòng)裝置將給定指令變成期望的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng).直流電機(jī)由于控制簡(jiǎn)單、調(diào)速平滑、性能良好，一直占據(jù)主導(dǎo)地位，然而，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)上存在的機(jī)械換向器和電刷，使其具有一些難以克服的固有缺點(diǎn)，如造價(jià)偏高，維護(hù)困難，壽命短，單機(jī)容量和最高電壓都受一定限制等等。交流電機(jī)（特別是異步電機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，在單機(jī)容量、供電電壓和速度極限等方面均優(yōu)于百流電機(jī)。從20世紀(jì)30年代起，不少國(guó)家就開始進(jìn)行無(wú)換向器電機(jī)控制系統(tǒng)的研究，但是由于條件限制，進(jìn)展不大。20世紀(jì)70年代初，在工業(yè)化國(guó)家，經(jīng)濟(jì)型交流電機(jī)調(diào)速裝置已大量地使用在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載中，成為重要的節(jié)能手段。同時(shí)隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能的交流電機(jī)控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了，經(jīng)過近幾十年的不斷努力，性能得到很大改普，成本還在下降。人們期望隨著技術(shù)的不斷成熟，它將在幾乎所有工業(yè)應(yīng)周領(lǐng)域中取代直流電機(jī)控制系統(tǒng)。經(jīng)過大約30年的發(fā)展，交流電氣傳動(dòng)已經(jīng)上升為電氣傳動(dòng)的主流，從數(shù)百瓦的家用電氣直到數(shù)千千瓦級(jí)乃至數(shù)萬(wàn)千瓦級(jí)的調(diào)速傳動(dòng)裝置，可以說無(wú)所不包的都可以用交流調(diào)速方式來實(shí)現(xiàn)。交流調(diào)速已經(jīng)從最初的只能用于風(fēng)機(jī)、泵類的調(diào)速過渡到針對(duì)各類高精度、快響應(yīng)的高性能指標(biāo)的調(diào)速控制。目前人們所說的交流調(diào)速傳動(dòng)，主要是指采用電子式電力變換器對(duì)交流電機(jī)的變頻調(diào)速傳動(dòng)，它得益于如下一些關(guān)鍵技術(shù)的突破性進(jìn)展，它們是新型電力電子器件和脈寬調(diào)制控制技術(shù)、矢量控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、新型電機(jī)和無(wú)機(jī)械傳感器技術(shù)。新型電力電子器件和脈寬調(diào)制(PWM)控制技術(shù)電力電子器件的不斷進(jìn)步，為交流電機(jī)控制系統(tǒng)的完善提供了物質(zhì)保證，尤其是新的可關(guān)斷器件的實(shí)用化，使得高頻化PWM技術(shù)成為可能。目前，電力電子器件正向高壓、大功率、高頻化、組合化和智能化方向發(fā)展。典型的電力電子變頻裝置有電流型、電壓型和交-交型三種。電流型變頻器的優(yōu)點(diǎn)在于給同步電機(jī)供電時(shí)可實(shí)現(xiàn)自然換相，并且容量可以做得很大。但對(duì)于應(yīng)用廣泛的中小型異步電機(jī)來說，其強(qiáng)迫換相裝置則顯得過于笨重。因此，PWM電壓型變頻器在中小功率電機(jī)控制系統(tǒng)中無(wú)疑占主導(dǎo)地位。目前已有采用MOSFET和IGBT的成熟產(chǎn)品，其開關(guān)頻率可達(dá)到15--20kHz，實(shí)現(xiàn)無(wú)噪聲驅(qū)動(dòng).值得注意的是國(guó)外正在加緊研制新型變頻器，如矩陣式變頻器，串、并聯(lián)諧振式變頻器等也開始進(jìn)入實(shí)用階段，預(yù)示著新一代電機(jī)控制系統(tǒng)即將產(chǎn)生。矢量控制技術(shù)和現(xiàn)代控制理論交流電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性的被控對(duì)象，過去的電壓/頻率協(xié)調(diào)控制都是從電機(jī)的穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，動(dòng)態(tài)控制效果均不理想。20世紀(jì)70年代初提出的用矢量變換的方法研究電機(jī)的動(dòng)態(tài)控制過程，不但控制各變量的幅值，同時(shí)控制其相位，并利用狀態(tài)重構(gòu)和估計(jì)的現(xiàn)代控制概念，巧妙地實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的重構(gòu)和解耦控制，從而促進(jìn)了交流電機(jī)控制系統(tǒng)走向?qū)嵱没?。此外，為了解決系統(tǒng)復(fù)雜性和控制精度之間的矛盾，又提出了一些新的控制方法，如直接轉(zhuǎn)矩控制、電壓定向控制和定子磁場(chǎng)定向控制等。尤其自從計(jì)算機(jī)用于實(shí)時(shí)控制之后，使得現(xiàn)代控制理論中的各種控制方法得到應(yīng)用，如二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制和雙位模擬調(diào)節(jié)器控制可提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，狀態(tài)觀測(cè)器和卡爾曼濾波器可以獲得無(wú)法實(shí)畏的狀態(tài)信息，自適應(yīng)控制則能全面地提高系統(tǒng)的性能。3）計(jì)算機(jī)技術(shù)隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制處理芯片的運(yùn)算能力和可靠性得到了很大提高，這使得以單片機(jī)為控制核心的全數(shù)字化控制系統(tǒng)取代以前的模擬器件控制系統(tǒng)成為可能。計(jì)算機(jī)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是控制用微機(jī)，交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)既可用專門的硬件電路，也可以采用總線形式，如STD、VME、Multibusll和II、GEISPAC總線等，加上通用模板或單片微機(jī)模板組成最小目標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來說，由于控制系統(tǒng)復(fù)雜，要求存儲(chǔ)多種數(shù)據(jù)和快速實(shí)時(shí)處理大量信息，可采用微處理機(jī)加數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的方案，除實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律外，也便于故障監(jiān)護(hù)、診斷和保護(hù)、人機(jī)對(duì)話等功能的實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)的第二個(gè)應(yīng)用就是數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD），仿真時(shí)如發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能不理想，則可用人機(jī)對(duì)話的方式改變控制器的參數(shù)、結(jié)構(gòu)以至控制方式，直到滿意為止。這樣得到的參數(shù)可直接加在系統(tǒng)上，避免了實(shí)際調(diào)試的盲目性以及發(fā)生事故的可能性。4）新型電機(jī)和無(wú)機(jī)械傳感器技術(shù)各種交流控制系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)電機(jī)本身也提出了更高的要求。電機(jī)設(shè)計(jì)和建模有了新的研究?jī)?nèi)容，諸如電機(jī)阻尼繞組的合理設(shè)計(jì)以及籠條的故障檢測(cè)等問題。為了更詳細(xì)的分析電機(jī)內(nèi)部過程，多回路理論應(yīng)運(yùn)而生。為了對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制，一些簡(jiǎn)化模型也脫穎而出。目前在小功率運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到重視和廣泛應(yīng)用的是永磁同步電機(jī)。一般來說，為了滿足高性能交流傳動(dòng)的需要，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制是必不可少的。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和位置的反饋控制，須用測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電碼盤（增量式或絕對(duì)式）來檢測(cè)反饋量，對(duì)于方波同步電機(jī)控制系統(tǒng)來說，還需要檢測(cè)磁極位置。目前，同時(shí)滿足上述全部要求的傳感器件無(wú)疑是解算器（Resolver）了。但由于速度傳感器的安裝帶來了系統(tǒng)成本增加、體積增大、可靠性降低、易受工作環(huán)境影響等缺陷，使得成本合理、性能良好的無(wú)速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)成為近年來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。該技術(shù)是在電機(jī)轉(zhuǎn)子和機(jī)座上不安裝電磁或光電傳感器的情況下，利用檢測(cè)到的電機(jī)電壓、電流和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型推測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的技術(shù)，具有不改造電機(jī)、省去昂貴的機(jī)械傳感器、降低維護(hù)費(fèi)用和不怕粉塵與潮濕環(huán)境的影響等優(yōu)點(diǎn)。1.2異步電機(jī)系統(tǒng)控制策略異步電機(jī)采用矢量控制技術(shù)及新的控制方法后，系統(tǒng)性能均人大提高，可望取代直電機(jī)在電氣控制領(lǐng)域中的主導(dǎo)地位。目前典型的已經(jīng)應(yīng)用或正在研究的高性能異步電機(jī)控制系統(tǒng)有以下幾種。1）坐標(biāo)變換矢量控制系統(tǒng)所謂矢量控制，即不但控制被控量的大小，而且要控制其相位。在Blascheke提出的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)中，通過坐標(biāo)變換和電壓補(bǔ)償，巧妙地實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦和閉環(huán)控制。此時(shí)參考坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上，并使d軸和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合，于是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)q軸分量為零。電磁轉(zhuǎn)矩方程得到簡(jiǎn)化，即在轉(zhuǎn)子磁通恒定的情況下，轉(zhuǎn)矩和q軸電流分量成正比，因此異步電機(jī)的機(jī)械特性和他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性完全一樣，得到方便的控制。為了保持轉(zhuǎn)子磁通恒定，就必須對(duì)它實(shí)現(xiàn)反饋控制，因此人們想到利用轉(zhuǎn)子方程構(gòu)成磁通觀測(cè)器。由于轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr隨溫度上升變化范圍比較大，在一定程度上影響了系統(tǒng)的性能，目前提出了很多Tr實(shí)時(shí)辨識(shí)方法，使系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性得到一定提高。2）轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)有時(shí)為簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，直接忽略轉(zhuǎn)子磁通的過渡過程，即在轉(zhuǎn)子方程中，令于是得到定子電流M軸分量，而定子電流T軸分量可直接從轉(zhuǎn)矩參考值，即速度調(diào)節(jié)器的輸出中求得，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)，磁通采用開環(huán)控制，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，且很適合電流型逆變器或電流控制PWM電壓源型逆變器供電的異步電機(jī)控制系統(tǒng)。進(jìn)一步簡(jiǎn)化，即只考慮穩(wěn)態(tài)方程后，還可得出轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)和開環(huán)的電壓/頻率恒定控制系統(tǒng)，其精度雖然不高，但在量大面廣的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載調(diào)速節(jié)能領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。3）直接和間接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制法是直接在定子坐標(biāo)系上計(jì)算磁通的模和轉(zhuǎn)矩的大小，并通過磁通和轉(zhuǎn)矩的直接跟蹤，即雙位調(diào)節(jié)，來實(shí)現(xiàn)?咖控制和系統(tǒng)的高動(dòng)態(tài)性能。從轉(zhuǎn)矩的角度看，只關(guān)心轉(zhuǎn)矩的大小，磁通本身的小范圍誤差并不影響轉(zhuǎn)矩的控制性能。因此，這種方法對(duì)參數(shù)變化不敏感。此外，由于電壓開關(guān)矢量的優(yōu)化，降低了逆變器的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗。電壓定向控制是在交流電機(jī)廣義派克方程的基礎(chǔ)上提出一種磁通和轉(zhuǎn)矩間接控制方法。這種方法把參考坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上，并使d軸與定子電壓矢量重合，并根據(jù)磁通不變的條件，求得其動(dòng)態(tài)控制規(guī)律，間接控制了定轉(zhuǎn)子磁通和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。為了實(shí)現(xiàn)上述控制規(guī)律，須觀測(cè)某些派克方程狀態(tài)變量。此控制規(guī)律不但避免了傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)中繁雜的坐標(biāo)變換，還可使磁通和轉(zhuǎn)矩的控制完全解耦，因此，在此基礎(chǔ)上可方便地實(shí)現(xiàn)速度和位置控制。2PWM逆變器的電流滯環(huán)控制原理異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制經(jīng)過20余年的不斷完善，已發(fā)展成為一種應(yīng)用廣泛且性能良好的交流調(diào)速方式。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制是通過對(duì)兩個(gè)正交電流分量iml、itl的控制來達(dá)到間接的控制轉(zhuǎn)矩的目的，因此電流控制在系統(tǒng)占據(jù)關(guān)鍵位置，它直接影響電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能。2.1電流控制原理與方案比較異步電機(jī)的控制性能主要取決于轉(zhuǎn)矩或電流的控制質(zhì)量（在磁通恒定的條件下），為了滿足電機(jī)控制良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并在極低轉(zhuǎn)速下亦能平穩(wěn)運(yùn)行這一要求，經(jīng)常采用電流的閉環(huán)控制。選擇電流作為被控變量可以消除定子電流的過渡過程（定子電阻、定子電感以及感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)）的影響，其基本原理是：在進(jìn)行定子磁場(chǎng)定向時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩和磁通解耦后直接受控于定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量，通過控制定子電流就能有效地控制轉(zhuǎn)矩和磁通。另外，電流控制器在一定意義上可看成具有理想電流源的特性，可以不考慮電機(jī)的定子側(cè)由于電阻、電感或反電動(dòng)勢(shì)造成的動(dòng)態(tài)行為，使控制系統(tǒng)的階數(shù)較低，同時(shí)也降低了控制環(huán)節(jié)的復(fù)雜性。由于交流電流調(diào)節(jié)器必須控制定子電流的幅值和相位，所以交流傳動(dòng)的電流調(diào)節(jié)器比直流傳動(dòng)的復(fù)雜。北外，穩(wěn)態(tài)電流是交流而不是直流電流，所以若將在直流傳動(dòng)中使用的常規(guī)比例積分控制（PI控制）直接應(yīng)用到交流并不能產(chǎn)生與直流傳動(dòng)電流調(diào)節(jié)器相比的性能。交流傳動(dòng)電流調(diào)節(jié)器形成整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制的內(nèi)環(huán)，所以它必須有更寬的帶寬且有必要具有零或接近零的穩(wěn)態(tài)誤差。無(wú)論電流源型逆交器（CSI）還是電壓源型PWM逆變器的可以按可控電流方式工作。電流源型逆變器本來就是電流源，它能夠適應(yīng)可控電流運(yùn)行。與CSI相比，電壓源型PWM逆變器需要更復(fù)雜的電流調(diào)節(jié)器，但它可提供更寬的帶寬并可消除電流諧波，而且?guī)缀鯚o(wú)例外地作為運(yùn)動(dòng)控制的應(yīng)用。電流控制電壓源型PWM逆變器由通常的電壓源型PWM逆變器和電流控制環(huán)組成，使變頻器輸出可控的正弦波電流，其原理框圖如圖3-1所示。圖2-1電流控制PWM逆變器基本框圖基本的控制方法是：給定三相正弦電流信號(hào)ia*、ib*、ic*分別與電流傳感器實(shí)測(cè)的逆變器三相輸出電流信號(hào)ia、ib、ic相比較，其差值通過電流控制器控制PWM逆變器相應(yīng)的功率開關(guān)器件，若實(shí)際電流大于給定值，則通過逆變器使之減?。悍粗?，則增加。這樣，實(shí)際輸出電流將基本按照給定的正弦波電流變化，變頻器輸出的電壓仍為PWM波形。功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率越高，電流動(dòng)態(tài)性能就越好。日前，大多數(shù)系統(tǒng)采用的電流調(diào)節(jié)器，其開關(guān)頻率或是近乎固定的或至少是有界的。電流控制器是電流控制PWM逆變器的核心，它有許多形式，都具有控制簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和電壓利用率高的特點(diǎn)。日前常見的有三大類：斜坡比較PI電流控制器(PICurrentControllerwithRampComparison)、預(yù)測(cè)電流控制器(PredictiveCurrentController)和電流滯環(huán)控制器(HysteresisCurrentController)o2.1.1斜坡比較PI電流控制器原理斜坡比較PI電流控制器輸出的開關(guān)信號(hào)的頻率是固定的，圖3-2為其基本原理圖。它是一種帶電流反饋的異步三角載波正弦PWM調(diào)制器，將實(shí)際電流與給定電流的誤差值經(jīng)過PI控制器產(chǎn)生電壓給定值，電壓給定值與三角波相比較來獲得開關(guān)信號(hào)。當(dāng)電壓給定信號(hào)大于三角波信號(hào)時(shí)TA+為l,反之，TA_為l。逆變器的功率開關(guān)器件被強(qiáng)制以三角波的頻率進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，產(chǎn)生與來自PI控制器的電壓給定信號(hào)成比例的輸出電壓。互鎖電路是用來保護(hù)功率開關(guān)器件的，防止上下橋臂直通而損壞開關(guān)管。斜坡比較PI電流控制器存在一些問題，比如專電流誤差信號(hào)的變化率大于三角波的變化率時(shí)，電流誤差信號(hào)將多次穿越三角波，導(dǎo)致開關(guān)頻率增大。另外，它還有一個(gè)內(nèi)在的問題，電流的幅值和相位有一定誤差。圖2—2用于逆變器一相的基本PI電流控制器，斜坡比較PTVM2.1.2預(yù)測(cè)電流控制器的原理預(yù)測(cè)電流控制方法的原理如圖3-3所示，是指在固定的采樣周期T內(nèi)，根據(jù)電機(jī)模型計(jì)算出的逆變器最優(yōu)控制電壓矢量，再選擇合適的電壓空間矢量，以決定三相橋臂各功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使其在采樣周期內(nèi)的平均電壓等于估算出的最優(yōu)控制電壓的控制方法。也就是說，用固定頻率f采樣實(shí)際定子電流，并以本次采樣的實(shí)際電流與下一采樣時(shí)刻預(yù)測(cè)的參考電流進(jìn)行比較，求出最優(yōu)控制電壓以及電壓空間矢量，使得電流誤差最小，從而，迫使下一次采樣時(shí)刻的實(shí)際電流以最優(yōu)特性跟蹤下一時(shí)刻參考電流的控制方法。預(yù)測(cè)電流控制法實(shí)現(xiàn)起來很困難，因?yàn)椋海?）在每個(gè)時(shí)鐘周期循環(huán)內(nèi)必須對(duì)所有開關(guān)狀態(tài)計(jì)算其可能的未來電流軌跡；⑵需要知道電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值，而該值是不易檢測(cè)到的。圖2-3預(yù)測(cè)電流控制器一一固定開關(guān)頻率2.1.3電流滯環(huán)控制器的基本原理滯環(huán)控制是占典控制理論中一類典型的非線性控制律，具有受控對(duì)象響應(yīng)速度快、魯棒性好等固有特點(diǎn)。電流滯環(huán)控制器就是運(yùn)用滯環(huán)控制的電流控制器，它在實(shí)際電流與給定的比較中采用滯環(huán)比較器，比較器的輸出作為逆變器的開關(guān)信號(hào)，圖3-4是A相的基本原理圖，ia*為給定的瞬時(shí)參考電流，ia為負(fù)載定子的反饋電流，B為滯環(huán)寬度（B為止值）?；舅枷刖褪菍⑷喽ㄗ与娏鹘o定信號(hào)與檢測(cè)到的相應(yīng)定子電流信號(hào)比較，若誤差信號(hào)超出滯環(huán)范圍，則輸出相應(yīng)的控制信號(hào)迫使誤差向相反方向變化的。這樣t電流波形圍繞給定正弦波作鋸齒狀變化，并將偏差限制在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)電壓波形形成寬度被調(diào)制的PWM波形。?一傘電踣圖2-4逆變器一相的電流滯環(huán)控制器原理圖電流滯環(huán)控制器具有電流的快速響應(yīng)、準(zhǔn)確性和固有的峰值電流限制等性能，并且能夠用最小的硬件來實(shí)現(xiàn)，在理論上不需要負(fù)載參數(shù)等信息?；谝陨显?，電流滯環(huán)控制器優(yōu)于其它兩種電流控制器，在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用t本文就以電流滯環(huán)控制的電壓源型逆變器作為對(duì)象來展開研究。下面就對(duì)基本電流滯環(huán)控制器進(jìn)行分析。2.2基本電流滯環(huán)控制器的分析三相逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本等效結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示，它包括一個(gè)三相逆變器和交流電機(jī)，其中異步電機(jī)用其等效電路來代替，開關(guān)管采用IPM，圖中開關(guān)S決定電機(jī)中性點(diǎn)是否4直流電源中點(diǎn)相連，ea、eb和ec分別是三相的反電動(dòng)勢(shì)。圖3-4所示的基本電流滯壞控制器單獨(dú)作用于其中的某一相，控制相應(yīng)逆變器功率開關(guān)器件的開關(guān)，下面就分情況對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。(1)開關(guān)閉合.即中性點(diǎn)與電源中點(diǎn)相連在這種情況下，電機(jī)任一相的電流只與本相電壓有關(guān)，與其它兩相電壓無(wú)關(guān)，并且逆變器和三相交流電機(jī)是對(duì)稱的，所以不失一般性，下面以三相交流電機(jī)的a相為對(duì)象進(jìn)行說明。圖2-5三相逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖電流滯環(huán)控制器的工作原理具體如下：當(dāng)給定電流與反饋電流的差值時(shí)，滯環(huán)的輸出為正電平，經(jīng)互鎖電路產(chǎn)生逆變器A相上下橋臂的控制信號(hào)TA+和TA_，這兩個(gè)控制信號(hào)經(jīng)過放大和隔離來驅(qū)動(dòng)a相兩個(gè)開關(guān)管Ql和Q4,使Ql導(dǎo)通而Q4截止，使a相電壓為正，流過a相的電流增加，誤差減小。相反，當(dāng)時(shí)，滯環(huán)環(huán)節(jié)輸出負(fù)電平，經(jīng)控制電路使Q1截止Q4導(dǎo)通，a相電壓為負(fù)，a相電流減小，同樣使誤差減小。這樣，通過電流滯環(huán)控制器的作用，電流誤差滿足時(shí)，達(dá)到反饋電流跟蹤給定電流的日的，且使誤差基本保持在滯環(huán)寬度內(nèi)。圖3-6是a相電流以及電壓波形示意圖，從圖中可以看到，內(nèi)因功率開關(guān)器件的交普通斷，負(fù)載電流呈鋸齒狀跟蹤給定的參考電流，并且負(fù)載電壓波形呈PWM形狀，因此這種調(diào)制方法也稱為電流正弦PWM，這里的正弦是指迫使負(fù)載電流以正弦形式跟蹤給定的正弦電流值。下面分析逆變器中功率開關(guān)器件的開關(guān)規(guī)律，在分析前作如下假設(shè)：1）在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行對(duì)，電機(jī)以R-L負(fù)載代替；2）忽略功率開關(guān)器件開關(guān)切換的死區(qū)延時(shí)；3）逆變器的開關(guān)頻率很高，負(fù)載定子漏感的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大干定子電阻，故忽略定了電阻；4）電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)的幅值一定，以與定子電流同頻率做正弦規(guī)律變化，且由于功率開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間很短，可以認(rèn)為在兀關(guān)的、周期內(nèi)不變，故定性分析時(shí)不考慮電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的影響。

圖2-6-相電流與電壓波形示意圖根據(jù)圖3-5可得相電壓和電流的關(guān)系如下：(3-1)實(shí)際中，ua只可能是E/2或-E/2中的一種，這依賴于功率開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)。但是，如果a相通過的電流是理想的參考電流，那么a相就存在假想的相電壓Ua*如下：其中，ua*和ie*都是正弦函數(shù)。2.3電流滯環(huán)控制器的改進(jìn)方案根據(jù)上文的分析，傳統(tǒng)的固定滯環(huán)寬度的電流控制器調(diào)制出的開關(guān)頻率并不固定，且變化范圍較大，這就使負(fù)載電流產(chǎn)生過大的諧波而導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱。同時(shí)，它還有另外一些缺點(diǎn)，比如電流誤差并不能嚴(yán)格控制在滯環(huán)之內(nèi)，負(fù)載電流與給定電流之間存在相位滯后，由于負(fù)載電流含有諧波成分而使矢量變換效果很差。并且在異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中一般都不考慮三相之間的耦合。這些缺點(diǎn)使得含有電流滯環(huán)控制器的高性能調(diào)速系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)。各國(guó)學(xué)者針對(duì)這些問題提出了很多解決辦法，下面就簡(jiǎn)單介紹這些方法的原理和特點(diǎn)及其不足之處。2.3.1同步開關(guān)法圖2-7同步開關(guān)控制法一相原理圖圖3-7所示的是電流滯環(huán)控制的簡(jiǎn)單的改進(jìn)形式一一同步開關(guān)控制法，它的基本思想是在每一個(gè)等距離的采樣瞬間將給定的參考電流ia*與實(shí)際電流ia作比較。若(ia-ia*)>B/2，則D觸發(fā)囂輸出高電平，通過互鎖電路和驅(qū)動(dòng)電路來控制功率開關(guān)器件，迫使輸出電流減?。环粗?，若(ia-ia*)<-B/2,過程相反，即迫使輸出電流增大。在這種方法中，顯然fa越高，ia越接近ia*，即輸出電流的跟隨性越好，同時(shí)逆變器的開關(guān)周期總是l/f的整數(shù)倍。但是同時(shí)存在一個(gè)問題，輸出實(shí)際電流與給定電流的誤差可能超出滯環(huán)寬度范圍，導(dǎo)致電流失真。2.3.2正弦滯環(huán)寬度法AjayTripathi和PareshC.Scn在文獻(xiàn)中提出了一種正弦滯環(huán)寬度法，其滯環(huán)寬度為正弦波，正弦波的頻率和幅值根據(jù)實(shí)際電流來變化。這種方法能夠減小電流紋波成分，這就減小了定子電流諧波成分，同時(shí)能夠保持電流滯環(huán)控制器的響應(yīng)速度快和實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是它也存在一個(gè)問題，在電流過零點(diǎn)的時(shí)候開關(guān)頻率非常高。后來K.M.Rahman等將固定滯環(huán)寬度法和正弦滯壞寬度法結(jié)合起來，提出了一種在固定滯壞寬度的基礎(chǔ)上增加一個(gè)正弦滯環(huán)寬度的方法，它具有固定滯環(huán)控制器的開關(guān)頻率相對(duì)比較低和正弦滯環(huán)寬度的頻譜性好等優(yōu)點(diǎn)。使用該方法的逆變器開關(guān)頻率情況大為改善，并且實(shí)現(xiàn)也比較簡(jiǎn)單，但是仍然沒能使開關(guān)頻率保持恒定，也沒有充分發(fā)揮功率開關(guān)器件的效能。2.3.3自適應(yīng)滯環(huán)寬度法B.K.Bosc在文獻(xiàn)n9］中提出了一種自適應(yīng)滯環(huán)寬度的電流控制器，根據(jù)對(duì)?系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析可知，滯環(huán)寬度與負(fù)載參數(shù)和輸入?yún)?shù)有關(guān)，所以該控制器的滯壞寬度根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)來變化以獲得恒定的開關(guān)頻率。幾年后D.S.Oh和M.J.Youn提出了改進(jìn)方法，其滯環(huán)寬度根據(jù)輸人電壓積分器來改變，并不需要負(fù)載參數(shù)，通過數(shù)字仿真表明該方法能保持開關(guān)頻率基本不變。在Tae-WooChun和Meong-KyuChoi的文卷中滯環(huán)寬度根據(jù)電機(jī)速度、負(fù)載電流和中性點(diǎn)電壓來改變，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其，F(xiàn)關(guān)頻率在任何情況下部能恒定不變26。隨后學(xué)者們又提出了基于模糊邏輯的數(shù)字自適應(yīng)電流滯環(huán)控制器和無(wú)差拍自適應(yīng)電流滯環(huán)控制器等各種方法。但是這些方法無(wú)一例外的都很復(fù)雜，需要進(jìn)行大量計(jì)算。2.3.4基于鎖相環(huán)的方法LuigiMalesani和PaoloTenti在文獻(xiàn)提出了一種利用鎖相環(huán)來控制逆變器開關(guān)頻率的電流滯環(huán)控制器，它在最小化各相之間耦合的同時(shí)保留了滯環(huán)控制器的備種優(yōu)點(diǎn)，由于各相之間的耦合減小了，就能使用鎖相壞來控制滯環(huán)寬度，保證一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)頓率固定不變。作者在文獻(xiàn)中又提出一種日有固定開關(guān)頻率的改進(jìn)型電流滯環(huán)控制器方法，即在鎖相環(huán)上添加一個(gè)簡(jiǎn)單的自適應(yīng)可預(yù)測(cè)滯環(huán)寬度的模擬電路，這種手段改善了相應(yīng)的相位調(diào)制脈沖，減小了電流紋波，同時(shí)具有魯棒性，穩(wěn)定性很好，適合集成化。2.3.5基于矢量變換的方法MananPKazmierkowski和WaldemarSulkowski在文獻(xiàn)中提出了基于矢量變換的電流滯環(huán)控制器的實(shí)現(xiàn)方法。傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)中的電流滯環(huán)比較器的輸入是給定三相電流和實(shí)際三相電流.而給定三相電流是由勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流通過坐標(biāo)變化得到的，它需要三個(gè)電流滯環(huán)比較器。文中提出的方法參見圖3-8(a)，它只需要兩個(gè)三態(tài)滯環(huán)比較器，并且它們的輸入量是直流量，其輸出用來選擇開關(guān)狀態(tài)。與傳統(tǒng)的控制器相比有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)由于使用了三態(tài)滯環(huán)比較器，就可以系統(tǒng)的向逆變器提供零電壓矢量，這樣開關(guān)頻率就減小了；(2)在穩(wěn)定狀態(tài)下，因?yàn)楸容^器的輸入是宣流信號(hào)，所以就可以系統(tǒng)的進(jìn)行開關(guān)；(3)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的諧波成分可以分別進(jìn)行調(diào)節(jié)；(4)不需要計(jì)算反電動(dòng)勢(shì)。后來，Ting-YuChang等人對(duì)該控制器進(jìn)行改進(jìn)，不僅使用電流誤差信號(hào)，還使用電流誤差的導(dǎo)數(shù)信息，以便使用霉電壓矢量進(jìn)一步減小開關(guān)頻率。2.3.6其它方法除了上述電流滯環(huán)控制方法外，各國(guó)學(xué)者還提出了其它方法對(duì)固定滯環(huán)寬度的電流控制器進(jìn)行改進(jìn)，下面分別簡(jiǎn)單說明。NasserH.Rashidi等提出的所謂內(nèi)反饋的電流滯環(huán)控制器，它在每個(gè)控制器中加入內(nèi)部反饋環(huán)節(jié)，通過強(qiáng)迫開關(guān)模式使得逆變器工作特性對(duì)負(fù)載依賴更小，很好的改善了輸出電流特性。QunyingYao和D.G.Holmes提出的使用前饋和反饋技術(shù)的可變滯環(huán)寬度的電流控制器來獲取固定開關(guān)頻率和良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，這種方法易于用硬件電路實(shí)現(xiàn)，對(duì)電機(jī)負(fù)載和母線電壓不敏感。ToshihikoNoguchi等提出的有高頻脈動(dòng)的電流滯環(huán)控制器，它在固定滯環(huán)寬度的基礎(chǔ)上增加了帽值精密的高頻三角波。這種滯環(huán)控制器的特性依賴于三角波的幅值，當(dāng)三角波的幅值與滯環(huán)寬度相等時(shí)，它可以克服固定滯環(huán)寬度電流控制器的一些不足。DavideAmato等人提出了一種多變量的順序電流滯環(huán)控制器，這種控制器的時(shí)序設(shè)計(jì)結(jié)合一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)，它們產(chǎn)生了第二個(gè)滯環(huán)，進(jìn)而減小了開關(guān)頻率，并通過估計(jì)擾動(dòng)來選擇最佳電壓矢量a同時(shí)通過分析可能的擾動(dòng)方向，又得到一種改進(jìn)的時(shí)序機(jī)進(jìn)一步減小開關(guān)頻率。2.4電流滯環(huán)控制方案選擇選擇電流滯環(huán)控制方案的標(biāo)準(zhǔn)有三個(gè)：（l）系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高；（2）開關(guān)頻率變化范圍小，最好固定不變；（3）性能較佳，即具有電流響應(yīng)快，輸出電流諧波較小等優(yōu)點(diǎn)。上文介紹了各種電流滯環(huán)控制的改進(jìn)方案，可以看出自適應(yīng)滯環(huán)寬度法，基于鎖相環(huán)的方法和基于矢量變換的方法等控制效果比較好，但是實(shí)現(xiàn)起來都比較復(fù)雜，違背了選擇電流滯環(huán)控制的初衷一一實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。根據(jù)以上選擇標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際中選擇能較好滿足上述要求的同步開關(guān)法電流滯環(huán)控制。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單.由微處理器輸出給定電流波形，與實(shí)際定子電流相比較得到開關(guān)信號(hào)，之后通過觸發(fā)器就可以得到頻率固定的開關(guān)信號(hào)。3電流滯環(huán)控制的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率很小，只要維持電機(jī)磁通不變，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就近似與轉(zhuǎn)差頻率成正比，控制轉(zhuǎn)差頻率就可以控制轉(zhuǎn)矩，這就是轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的原理，其結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示。在額定轉(zhuǎn)速以F,系統(tǒng)磁通應(yīng)保持恒定不變，此時(shí)定子電流勵(lì)磁分量就是一個(gè)恒定的給定量，而定子電流轉(zhuǎn)矩分量由PI