导图社区 异步电机矢量控制和变频调速
详细描述了异步电机矢量控制和变频调速的原理以及软硬件设计
编辑于2019-09-02 11:07:24异步电机矢量控制和变频调速
2019-08-15 异步电机控制系统首要任务是,使整个系统尽可能的快速达到期望转速或转矩,且稳定的保持在这个期望状态,且有一定承受外部扰动及参数扰动的能力,当受到干扰后能迅速修正。 2019-08-15 异步电机转子需要通过一定手段进行励磁,才能使电机转子形成磁场,从而与定子磁场形成电磁作用力,进一步产生转矩,励磁的大小对整个电机控制系统的性能参数起到关键作用。电机轻载运行时,过励磁会使电机的铜耗和铁耗也随之增加;重载运行时,弱励磁会使电机输出降低,甚至是堵转。合理励磁对提高电机变速性能和电机运行效率具有重要意义。 2019-08-15 结合电力电子在功率驱动方面的技术,使用高性能的微控制器实现复杂的模型解算,以及高频的实时求解控制是当前机电控制领域发展的趋势。
异步电机矢量控制系统
2019-08-15 矢量控制(也称磁场定向控制)的基本原理是:通过将定子电流分解为励磁电流 isd 与转矩电流 isq 两个互相独立的分量,实现磁场与转矩完全解耦。 既然异步电动机在按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系(mt坐标系)的模型可以等效为直流电动机,那么仿照直流电动机的控制策略得到直流电动机的控制量,经过相应的坐标变换便可控制异步电机了,此即磁场定向控制的基本原理。
数学模型(特点:非线性、强耦合)
2019-08-16 由异步电机三相原始模型的性质可知,用三相模型来描述异步电机物理对象相当复杂,因此,我们应寻求较简单的模型来描述异步电机,或者说,我们应通过某些手段来简化异步电机的三相数学模型。经过长期的探索,发现使用坐标变换可达到简化的目的。 坐标变换指的是将一个坐标系上的物理量(电流、电压、磁链)变换到另一个坐标系上,坐标变换的基本原则为:在不同坐标系下,各绕组所产生的合成磁动势矢量相等。 通过坐标变换手段,可达到简化异步电机原始模型的目的,从而找到异步电机的控制规律,以实现高性能调速控制。
电压方程
磁链方程
转矩方程
控制原理
2019-08-16 p p
异步电机无传感器FOC策略
控制框图
2019-08-16 异步电机无速度传感器的FOC的总体过程如下:微控制器根据检测到的信号来完成异步电机无速度传感器的FOC算法,并最终通过SVPWM控制技术产生用于驱动IPM的六路PWM信号;IPM逆变出期望的三相交流电驱动异步电机转动。 注意: 对于磁场定向控制,PWM控制方式只能选用电流跟踪PWM控制方式或空间矢量PWM控制方式,而不能选用正弦波PWM!!!。因为磁场定向控制的实质是电流的控制,因此在控制中应考虑到逆变器输出的电流波形(为正弦波),但SPWM控制技术只着眼于使逆变器输出的电压为正弦波,并未顾及到逆变器输出电流的波形。
关键技术
最终问题:速度估算
2019-08-16 常规获得速度的方法是借助于高精度的速度传感器(如欧姆龙的光电编码器),再结合数字测速的原理从而得到速度信号。这种方法的缺点在于硬件成本较高,同时高精度的测量仪器在较恶劣的环境中具有不稳定性,因而有必要使用软件(速度估算算法)代替硬件来获取速度信号。但是,速度估算也存在一些缺点,如算法一般都很复杂、过于依赖电动机自身参数等。
核心问题:转子磁链估算
2019-08-16 在异步电机的磁场定向控制FOC中,需解决的核心问题就是转子磁链矢量的准确定向,即需要实时地得到转子磁链矢量的幅值及空间位置(在本控制系统中,只需得到转子磁链矢量的空间位置,但需要注意的是:转子磁链矢量的空间位置角指的是电角度而非空间的机械角度)。 转子磁链这个物理量在现实中是真实存在的,但它又不像电流、电压、转速等物理量那样可借助于传感器来检测得到。 在实际应用中,通常借助于异步电机模型来推导出转子磁链的幅值与空间位置。常规的转子磁链估算方法有两种: 基于电流模型的方法 基于电压模型的方法 由于在转子磁链估算中,基于电流模型的方法适用于低速段,而基于电压模型的方法更适用于中、高速段,为更准确地得到转子磁链的幅值与空间位置,需要将两者方法配合使用,使转子磁链适用于任何速度段。
基于电流模型的估算
基于电流模型的估算
主题
PWM整流器的硬件实现
变频调速试验系统结构图
系统硬件电路设计
系统功率主电路设计
2019-08-19 本文设计的 PWM 整流器的主要性能指标包括额定容量为 5k VA、输入电压额定值为 380V、额定频率为 50Hz 以及功率因数为 0.99,接线方式采用三相三线制。
IPM模块选型及外围电路设计
2019-08-19 p 本文设计的母线输出电压为 600V,考虑到安全裕量,选择耐压值为 1200V 的开关器件。综合考虑元器件性价比等因素,本文选取 IPM 模块 PM50CL1A120 作为整流侧变换器功率器件,其额定电流为 50A,直流侧耐压最大为 1200V,输入开关频率最大为20k Hz。
本文设计的母线输出电压为 600V,考虑到安全裕量,选择耐压值为 1200V 的开关器件。综合考虑元器件性价比等因素,本文选取 IPM 模块 PM50CL1A120 作为整流侧变换器功率器件,其额定电流为 50A,直流侧耐压最大为 1200V,输入开关频率最大为20k Hz。
2019-08-19 IPM模块PM50CL1A120介绍 p 图 6.2 为 IPM PM50CL1A120 内部结构图,其中 U、V、W 为三相电压输入端口,P、N 分别为直流侧电压正负输出端口,图中包含了 6 个带反并联二极管的功率开关管以及6 个结构相同的输入模块,每个模块由接地端口、脉冲输入端口、故障输出端口以及电源端口构成,其中上管的 3 个 IGBT 由 3 组互相独立的电源模块供电,下管的 3 个 IGBT由单个电源模块供电。 IPM电源设计 为了保证 IPM 模块能够正常工作,电源的设计起到至关重要的作用。当 IPM 模块正常工作时,其输入电源范围为 13.5V~16.5V。当输入电源小于 13.5V 时,可能会导致IPM 模块发生欠压保护,当输入电源电压大于 16.5V 时,可能会损坏 IPM 模块的内部部件。为此,本文使用金升阳隔离电源模块,将外部 15V 电源隔离出 4 路 IPM 模块供电电源。 p 驱动电路设计 本文选用安捷伦(Agilent)公司生产的 HCPL4504 光耦芯片,该芯片的优点在于共模瞬态抑制比高、传输延时短、TTL 兼容等,能够满足 IPM 模块设计的要求。以 U 相上管为例,图 6.4 为 IPM 驱动电路的原理图。 p
交流侧电感设计
在 PWM 整流器处于正常工作状态时,当能量在电网与负载间交换过程中,交流侧电感主要起到储存能量以及电流滤波等作用。电感参数的选取对系统性能影响很大,电感参数选取过小会造成交流电流谐波成分变高,电感参数选取过大会造成系统动态性能降低。对电感参数的选取主要考虑两方面:①满足有功/无功功率稳态指标;②满足电流快速响应同时抑制电流谐波指标。
2019-08-19 满足有功功率和无功功率的稳态要求 利用直流电压利用率最大值计算,详细见PWM整流在变频调速系统中的应用研究_46。 p 满足电流快速响应同时抑制电流谐波指标
直流侧电容设计
在 PWM 整流器正常工作时,能量在电网与负载间进行流动,电容主要起到储存能量、稳定母线电压以及滤波等作用。电容参数的选取对系统性能影响很大,电容参数选取过小会造成负载变化母线电压波动较大,电容参数选取过大会造成系统动态性能降低。对电容参数的选取主要考虑两方面:①满足电压抗干扰性指标;②满足电压跟随性指标。
2019-08-19 满足电压抗干扰性指标 PWM 整流器处于正常工作状态时,由于负载变化引起瞬态输入功率与输出功率不相等,从而造成直流母线电压波动较大。当整流器由最大功率整流切换至最大功率逆变(或反之),此时瞬时功率变化量为 2 倍额定功率,并且交流侧电流变化量为 2 倍额定电流。PWM 整流器为最大化缩短瞬态过程维持的时间,要求交流侧输出电压必须最大化。 满足电压跟随性指标 根据电压跟随性指标,要求直流母线电压从稳态最低值上升至额定值的时间不超过tr,其中稳态最低值指系统处于二极管不控整流状态时直流母线电压的平均值
系统控制电路设计
数字信号处理器选型
2019-08-19 基于电网电压定向的矢量控制系统中包含较多的控制算法,主要包括DDSRF-PLL、Clark/Park 变换、PI 控制、SVPWM 等,算法程序较复杂且存储量较大,对微处理器性能要求较高,本文选取 TI 的 DSP 控制芯片 TMS320F28335 作为系统的运算处理器件,其具有集成度高、数据存储量大、外设丰富、处理能力强、A/D 采样率高等特点。
通信电路设计
系统信号采样电路设计
电流采样电路设计
为实现 PWM 整流系统双闭环矢量控制,需要对交流三相电流进行采样与调理。根据上述所设计系统额定电流的取值,本文选取森社电子有限公司生产的 CHB-50A 型闭环霍尔电流传感器对三相电流进行采集
直流母线电压采样电路设计
系统保护电路设计
单位功率因素运行的异步电机控制模型
2019-08-15 主电路由 PWM 整流器、直流侧电容、PWM 逆变器以及电机四部分构成。前端 PWM 整流器通过电网电压定向的矢量控制,使系统能够运行在单位功率因数控制,并且具有降低网侧电流谐波和能量双向流动等优点;后端 PWM 逆变器通过按转子磁场定向的矢量控制,从而达到对电磁转矩与转子磁链的解耦。 2019-08-15 当电机运行于电动状态时,前端的 PWM 整流器通过电压外环和电流内环的控制构建一个稳定的直流电源,后端的逆变器通过矢量控制实现对电机高性能调速,此时 PWM整流器工作在整流条件下,能量由电网输送给电机。 当电机运行于制动状态时,电机的再生能量通过逆变器的续流二极管返回到母线电容,当母线电压超过设定值时,为维持母线电压的稳定,经过 PWM 整流器电压外环的控制,改变有功电流内环的给定使 PWM 整流器运行在有源逆变条件下,则能量由电机流向电网。
三相电压型PWM整流器
工作原理
2019-08-15 p 稳态时,根据功率守恒得 ei = Udcidc,当直流侧负载不变,则i的模不变,因此,uL的模也不变,当 e 为参考相量时,则ur端点的运行轨迹是以 O 点为圆心,uL为半径的圆。由此可知,可以通过控制i对ur 进行间接控制,最终实现 PWM 整流器的四象限运行。鉴于此,PWM 整流器具有受控电流源特性,其交流输入电流以及功率因数均可控制。
可四象限运行,一般工作在B和D点
数学模型
2019-08-16 三相模型不易找出相应的控制策略,所以通过坐标变换把数学模型改成另外一种形式,然后在dq轴模型中找到控制策略,找到的被控量转换回来用三相模型实现。
2019-08-15 pClark变换 pPark变换
dq坐标系下的结构框图
控制策略
PI双闭环控制系统
控制框图
左边部分为控制器,右边部分为整流器
总结
根据数学模型设计解耦的控制器,达到数学模型能稳定在给定值的目标
控制器算出dq电压给定值,经基于SVPWM的VSR产生dq电压
得到解耦的数学模型可实现目标
系统软件实现
2019-08-19 本文系统软件是在 TI 公司开发的 DSP 软件 CCS6.0 集成开发环境下完成的,矢量控制系统的软件主程序设计,基于模块化的形式对软件进行编写,保证了系统软件整体结构的清晰,增强了程序的可读性和移植性。
系统软件总体构成
PWM中断程序设计
数字锁相环程序设计
PI程序设计
SVPWM程序设计
双 PWM 变频调速系统协调控制
采用一种基于输出功率前馈补偿的双PWM 控制方法,为满足整流器输入功率与逆变器输出功率相等,通过逆变器的有功功率直接反馈给整流器电流内环的有功电流给定,大大改善系统的动态性能,抑制逆变侧功率突变造成的直流侧电压波动,从而使得系统直流环节有可能应用较小容量的支撑电容。
2019-08-19 前馈补偿项使得前端 PWM 整流器提前预知逆变侧负载的变化,及时调整整流侧输入功率与逆变侧输出功率相平衡,避免更多的能量通过直流侧电容来交换,有效降低了直流侧电压的波动。
主题
2019-08-15 前馈解耦控制 由p可知: 开关管只能控制式中的urd和urq,为了消除dq轴的耦合关系,设计电流内环为: p(这通过控制器实现) 结果得到: p 实现dq轴独立控制,互不影响,提高系统的动态稳定性。控制器得到的urd和urq,通过以下红色部分方式实现: p