电力拖动自动控制系统-运动控制系统期末复习重点第5-7章

第五章重点、难点内容解析1.数字测速基本原件（重点）测量转速常用光电编码器，光电编码器和电机转子同轴安装，结合图5-2理解光电编码器输出脉冲信号中包含电机转速信息。2.三种测速方法的基本原理、分辨率、测速精度和适用转速范围（重点）结合原理示意图分析三种测速方法。M/T法综合了M法和T法，T法通过计高频时钟脉冲个数得到编码器脉冲周期来得到转速，编码器脉冲边沿与高频脉冲边沿无法保证对齐，因高速时编码器脉冲周期很小，这样多数或者少数一个高频时钟脉冲对转速测量影响变大，越到高速，测量误差越大；为了减小这种影响，可以测量多个旋转编码器脉冲间的高频脉冲个数，这就是M/T法；M/T法测速计算公式中有两个脉冲个数，在计算分辨率和误差率时按照极端情况讨论，高速（检测时间近似为采样周期）和极低速（只有一个编码器脉冲）3.数字PI调节器（重点，难点）对时域PI调节器离散化可得到离散PI调节器表达式；模拟PI调节器是通过运算放大电路实现的，离散PI调节器是通过程序实现的，因此要考虑到计算实现问题和对系统性能的影响。可以先做仿真演示使学生有直观认识，再讨论离散化具体方法。位置式PI调节器计算时需要当前误差和上一拍的积分值。需要同时对积分和输出进行限幅。工程上可以采用改进的位置PI调节器，如图5-7，关键是反馈增益要足够大，使得输出刚出现饱和，就减小积分输入，减小积分累计来减小退饱和超调量。增量式PI调节器计算时需要上一拍的输出、当前误差和上一拍误差，仅对输出限幅，实际上就包含对积分部分限幅。注意理解两种不同离散方式采用不同的限幅措施以及对系统超调的影响，可以结合仿真演示。4.数字控制的PWM可逆直流调速系统（重点）使学生有整体系统实现的概念，引导学生讨论系统构成。与直流调速系统相比，以异步电动机作为执行机构，更加难于理解。但实际上基于异步电动机的调速系统的基本结构和直流调速系统是一致的。由于转矩是通电导体在磁场中受力产生的，为了控制转矩，必须兼顾电流和磁场，为了能使电机输出尽量大的转矩，提高带载能力，磁通要工作在接近饱和状态。因此整个第六章、第七章交流调速部分都是围绕这一问题展开的，如何在维持磁通恒定的情况实现一般性能的转速调节和高性能的转速调节。第六章基于稳态模型的异步电动机调速系统1.以异步电动机调压调速为例说明异步电动机调速控制中维持磁通恒定的必要性由机械特性易理解调速原理，但如何解释调压时机械特性变软，临界转矩随电压成平方下降：需结合磁通分析，调压时磁通随电压成反比下降，调压时定子电流也会近似反比下降。导致电机转矩随着电压下降快速下降。2.异步电动机变压变频调速的基本原理（重点，难点）异步电动机从额定转速向下调速时，如果单电机频率，显然电机磁通会增加，需要更大的激磁电流。磁通表示单位面积通过的磁力线的多少，为了使电机在整个转速胃内出力最大，总是希望用足铁芯，即使电机调速时磁通一直接近饱和状态，磁通超过饱和状态时会使激磁电流过大，导致损耗过大，磁通增加又很少，为了使电机在整个调速范围内都能输出足够的电磁转矩，最好保持电机气隙磁通恒定，一直接近饱和状态。如何保持气隙磁通恒定？可以从磁通与反电动势关系入手，即式6-11，而电机反电动势不能直接测量，忽略定子绕组和漏抗压降，可以得到式6-12，从而引出恒压频比控制。并据此分析异步电动机采用恒压频比（书中也称变压变频调速）控制时电压、频率、磁通的变化规律。3.异步电动机采用恒压频比（变压变频）控制时的机械特性（重点，难点）表征异步电动机机械特性的几个关键参数包括：同步转速、临界转矩（表征最大带载能力）、起动转矩（表征起动带载能力）、线性段斜率（表征机械特性硬度）。分析变压变频调速时机械特性曲线变化也关注以上方面。异步电动机变频调速改变的是同步转速，电机实际转速=同步转速-转速降落，转速降落即为sn1,由式6-30可以看出，基频以下，异步电动机的转速降落正比于电磁转矩，可以理解如下：同一负载下采用变频方式调速时，转速降落是相同的，改变同步转速可以调节电机转速。同一负载下采用变频方式调速时，转速降落是相同的，说明变频调速时异步电动机机械特性线性部分是平行的，表明机械特性硬度不变。异步电动机在某一电源频率下工作时，稳态转速取决于负载，且在负载变化时，电机具有自平衡能力。因电机稳态运行，忽略摩擦转矩时输出电磁转矩要与负载转矩平衡。因此负载增大，电机通过降低转速，增加转速降落可以更大的电磁转矩输出，最终与负载平衡。（可以解释为何可以构成开环恒压频闭控制）恒压频调速时，异步电机临界转矩在减小。这是由于磁通减弱造成的。按照式6-27由频率确定定子电压即可保持气隙磁通恒定是有条件的，即可以忽略定子绕组和漏抗压降影响，随着电机转速下降，定子感应电动势的减小，定子绕组和漏抗的影响越来越大，实际磁通是在减弱的，越到低速这种影响越大，这也同时说明了异步电动机调试时保持气隙磁通恒定的重要性。采用恒压频调速时，基频以下调速时，转差功率近似不变，仅适用于恒转矩负载调速。基频以上调速适用于恒功率负载，此时转差功率也近似不变。4.基频以下的电压补偿控制（难点）着力理解不同磁通恒定时异步电动机机械特性的变化，尤其是临界转矩的变化。不必过分关注实现方法。实际上要真正实现恒定子（或气隙，或转子）磁通控制，必须要借助基于动态模型的控制方法，即矢量控制和直接转矩控制。5.SVPWM控制：（重点，难点）在变频调速时，需要给电机施加变压变频的交流电，而交流电如何获取？需要对变频器进行合理控制。SVPWM控制以形成圆形旋转磁场为目标进行逆变器控制。磁场谐波会产生转矩谐波，从而引起转矩脉动。理解空间矢量，电压矢量与磁链空间矢量关系后才能理解SVPWM控制。关于空间矢量：空间矢量是为了表示电机绕组空间位置不同对空间磁场的不同影响而定义的。直观来说，相同的电压脉冲加到空间分布的不同绕组上，就某一点的磁场来看，不同绕组对其影响是不同的，因此考虑空间磁场控制时，必须结合绕组的空间位置来分析。空间矢量的坐标轴以三相绕组的轴线作为坐标轴，见PPT。定义电压空间矢量uAO=kuAOej0，uAO为A相电压的瞬时值，0为绕组的空间位置，空间坐标系以A相绕组所在位置为空间起始位置。K的取值与坐标变换的约束条件有关，采用等功率变换时,k=2当异步电动机由三相正弦电压供电时，其合成电压矢量是圆形旋转的电压矢量，电压矢量端点轨迹是圆，旋转速度恰好是电源角频率。电压与磁链空间矢量关系，重点理解电压矢量如何影响磁链矢量轨迹由式6-68可以得出，忽略定子电阻影响，定子磁链与定子电压矢量关系为定子磁链（t）=定子磁链（t0）+t0结合图（）可以看出，即定子磁链矢量端点沿着电压空间矢量的方向连续移动。在初始定子磁链一定时，施加的定子电压矢量和长度、方向、作用时间决定了定子磁链的旋转方向、定子磁链幅值的变化。因此要想得到圆形的磁链轨迹，就需要圆形的电压空间矢量，对于利用变频器供电的电机来说，要得到理想的三相正弦电压是不可能的，因此提出得到近似圆形的磁链轨迹，即SVPWM控制。SVPWM控制的原理为得到近似圆形的多边形磁链轨迹=》需要很多个电压空间矢量（见PPT）但两电平逆变器有效电压矢量只有6个，基于磁链增量等效原则，利用基本电压矢量合成期望电压空间矢量。在变频调速时，随着转速降低，磁链轨迹旋转速度在下降，期望电压空间长度减小，在一个开关周期里，有效电压矢量作用时间变短，t1+t2<T0,不足部分填加零矢量，按照电压矢量对磁链轨迹的影响分析，零矢量作用时，磁链矢量基本静止不动。能合成的最大电压空间矢量恰好是六边形电压空间矢量内切圆的半径。利用SVPWM控制，逆变器输出线电压最大幅值为Ud,其恰为直流母线电压。与SPWM控制相比，SVPWM控制之所以能得到这么高的线电压输出，是因为SVPWM的调制波实际是基波和三次谐波合成得到的马鞍形波。注入三次谐波，削弱了调制波幅值，使其和载波有交点，因此调制波基波幅值可以更大。【详细可参考相关文献】SVPWM控制的实现方法：利用基本电压矢量合成期望电压矢量，是基于磁链变化等效原则，但实现时，电压矢量作用顺序会影响逆变器输出电压谐波。其中以零矢量分布方式得到的电压矢量谐波最小。6.转速开环变压变频调速系统工作原理和系统组成（重点）与直流电动机类似，交流电动机也可以利用开环系统进行调速，由交流电源即变频器和电机即可构成开环交流调速系统，系统给定即为定子电源频率，按照第3点分析，电机稳态转速与负载有关，因为稳态转速与同步转速之间相差转速降落，可以结合机械特性曲线说明。因此仅适用于对调速性能要求不高的风机、泵类负载，这类负载在工业中体量非常大，节能效果明显。与直流电动机类似，开环系统没有电流闭环，为了减小突然起动造成的电流冲击，变频器中包含软启动环节，即让定子电源频率缓慢上升，该环节特性是可以设置的。得到定子电源频率给定后，需要根据电压-频率关系曲线确定定子电压值，然后把根据电压和频率给定进行逆变器控制，得到所需的交流电压。7.转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统基本原理（难点）为了消除转速静差，有必要象直流调速系统一样引入转速闭环控制。但是用什么物理量作为转速调节器的输出呢?这个物理量必须能有效控制电磁转矩。再次从机械特性表达式得出异步电动机电磁转矩与气隙磁通、转差频率的关系：即转差频率控制的基本原理。至于如何保持气隙磁通恒定，可以看出还是通过调节电压和频率实现的，只是比简单的恒压频比控制做了更多的电压补偿。但这种补偿是从稳态相量方程出发，仅依据幅值进行，未考虑暂态和相位因素，因此补偿是不彻底的。因此这种基于稳态模型的转差频率控制方法目前使用很少，使用多的是第六章基于动态模型的转差频率控制。转差频率控制原理再次说明异步电动机进行磁通控制的必要性即为了配合实现有效的电磁转矩控制。8.转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统结构和起动过程（难点）与开环系统相比，转速闭环转差频率控制系统中增加了转速调节器，输出即为转差频率给定，与电机转子电角频率相加，可得定子电源频率，按照保持气隙磁通恒定的关系曲线6-43由定子电源频率、电流得到定子电压后进行PWM控制，通产是SVPWM控制。启动过程与直流调速系统起动过程类似，气隙磁通恒定时，在临界转差范围内，异步电动机的转差频率相当于直流电动机的电枢电流。根据电机允许起动电流和需要起动转矩确定最大转差频率。电机转差频率最大时，定子电流最大。第七章基于动态模型的异步电动机调速系统1.异步电动机数学模型的性质（重点、难点）结合异步电动机三相数学模型来分析异步电动机数学模型的性质。异步电动机输入三相交流电压，其特征值包括幅值、频率和相位，因此输入是三个变量。异步电动机的输出包括转速和磁链。实际上在电机定子上电之前，电机不转，气隙中也没有磁场，施加交流电之后，电机转动，且气隙中有磁场，因此输出包括转速和磁场两个物理量。且这两个输出相互影响，电机转速变化定转子之间相对位置变化规律就发生了变化互感矩阵变化规律随之改变定、转子磁链变化规律随着改变导致其感应产生的电动势发生变化进而影响定子电流和转子电流电磁转矩是电场和磁场相互作用产生的因此电磁转矩也会发生变化影响电机速度。结合异步电动机工作原理分析异步电动机数学模型性质定子通三相交流电（幅值，频率，相位）在气隙中产生定子旋转磁场转子中感应电动势转子中感应电流）定子通三相交流电（幅值，频率，相位）在气隙中产生定子旋转磁场转子中感应电动势转子中感应电流）转子电流产生旋转磁场场）转子电流产生旋转磁场场）气隙中合成旋转磁场气隙中合成旋转磁场转子受安培转矩转子受安培转矩转子旋转转子旋转图1异步电动机运行原理图2.坐标变换要解决的基本问题（重点、难点）异步电动机控制的核心是转矩控制，从安培力产生来看，电场和磁场相互作用产生安培力，在电机中即为是电机旋转的电磁转矩。因此要控制电磁转矩，必须兼顾电场和磁场的控制；这一点从第六章异步电动机机械特性也能看出。但是从磁链方程看不出有效的磁场控制方式，磁场不仅受电流影响，也受电机转速影响。从转矩方程也看不出有效的转矩控制方式，转矩与电机定转子三相电流和电机转速都有关。因此坐标变换的出发点是简化电机磁链方程、转矩方程，从而找到有效的转矩和磁链控制方式。坐标变换类似于物理中参照系，在物理学中一个物理量的变化规律与所处的参照系密切相关，在一个特定的参照系下看到的物理量变化规律可能很简单，而在另一个坐标系下看到的物理量的变化规律可能很复杂。比如一辆行驶公交车，公交车上一个人围绕一个固定位置做圆周运动，如果以地面为参照系，由于车辆运行速度的不确定，想要准确描述这个人的运动规律是很困难的，但是如果站在公交上看这个人的运动规律，则非常清楚。实际上在异步电动机控制中也是想通过坐标变换达到类似的目的，可以在一个特定的坐标系中找到磁场和转矩的变化规律，从而找到有效的控制规律。3.坐标变换遵循的基本原则-磁动势等效。（难点）在一个特定的坐标系下异步电动机的电磁转矩和原始坐标系下电磁转矩必须是相同的，而要保证这一点，在坐标变换时须遵守磁动势等效原则。即变换前后定转子的磁动势没有变化。这就保证了电动机电磁转矩不变。（电机电磁转矩可以用安培定律解释，也可以用磁铁相互作用原理来解释，如图（1）物理模型。）4.两种基本的坐标变换(重点，难点)在哪一个坐标系下能够更加清楚的看到磁链和转矩的变化规律呢？参考前面物理学举例，既然异步电动机的定子磁场和转子磁场都是同步旋转的，那么在一个和磁场一样做同步旋转的坐标系下来看电机的磁场，有可能找到磁场的变化规律。因此在同步旋转坐标系下来讨论异步电动机的磁链和转矩变化。为了得到最简数学模型，在两相同步旋转坐标系下讨论。因为电机中三相绕组实际独立的绕组只有两个，从磁动势等效的原则来看，这两相绕组也可以产生相同的旋转磁动势。两相同步旋转坐标系下异步电动数学模型与原始异步电动机数学模型的关系原始异步电机数学模型所在的坐标系实际是两个（参考图7-7中a），定子处在三相静止坐标系，转子处在三相旋转坐标系，旋转速度是电机转子对应的电角速度。为了得到同步旋转坐标系下异步电动机的数学模型（参考图7-8b），需要引入两种基本坐标变换，即3/2变换和静止/旋转变换。这样原始异步电动机定子经过3/2变换和静止/旋转变换；转子经过3/2变换和旋转/旋转变换就可以得到两相同步旋转坐标系下的数学模型了。两种坐标变换（3/2变换和静止/旋转坐标变换）坐标变换矩阵是基于磁动势等效原则得到的。5.异步电动机按照转子磁链定向的矢量控制理解转矩磁链控制规律（重点，难点）引入按照转子磁链定性约束条件，可得到式7-81的状态方程和7-84所示的电磁转矩表达式由7-81第二个方程可以看出，转子磁链矢量幅值与定子电流ism为一阶惯性环节，即稳态时定子电流ism幅值决定了转子磁链幅值，动态时转子磁链幅值滞后于定子电流ism，滞后时间常数为电机转子时间常数。异步电动机转子磁链与定子电流间关系与直流电动机气隙磁通与励磁电流间关系完全一致，从这个角度来看，异步电动机定子电流ism相当于励磁电流，定子m轴绕组相当于励磁绕组。从电磁转矩表达式可以看出，当转子磁链幅值恒定时，电磁转矩正比于定子电流ist，在直流电动机中，当气隙磁通恒定时，电磁转矩正比于电枢电流；从这个角度来看，异步电动机定子电流ist相当于电枢电流，定子m轴绕组相当于电枢绕组。以上分析可以看出，在按照转子磁链定向的同步旋转坐标系下，从电流分量与转矩、转子磁链的关系看，相当于得到了等效的直流电动机模型，即图7-14中蓝色虚框部分。在第五章中从稳态模型出发分析在气隙磁通恒定时，在临界转差范围内，电磁转矩正比于转差频率，在动态过程中，这一规律是否成立？从7-83可以看出，转差频率正比于t轴电流分量，7-83代入7-84，可以得到下式，可以看出转子磁链幅值恒定时，电磁转矩正比于转差频率。按照转子磁链定向也不是唯一选择，也可以采用按照气隙磁链定向或者按照定子磁链定向进行矢量控制的。异步电动机基于矢量控制（转子磁链定向）的变频调速系统结构（重点，难点）已知异步电动机转矩、磁链的控制规律，可以参考直流调速系统的系统结构设计异步电动机基于矢量控制的变频调速系统。从图7-14异步电动机的动态结构图可以看出：从虚框里电流分量与转子磁链、转矩关系来看，这是一个直流电动机模型；但是从电压与电流的关系来看，要远比直流电动机电压电流关系复杂，m轴电流分量不仅与m轴电压分量有关，还受到t轴电流有关，因此被称为等效直流电动机模型，并非真正的直流电动机。在控制上与直流电动机控制也有所不同。在直流电动机调速系统中，可以采用转速单闭环控制，可以通过电枢电压有效调节电枢电流；但是在异步电动机中，由于m,t轴电流的交叉耦合影响，为了有效快速控制t轴电流，转速子系统必须采用双闭环系统结构。在他励直流电动机中，不考虑电枢反应影响，气隙磁场由单独励磁绕组产生。励磁绕组通以励磁电压，稳态时得到稳定的励磁电流。但是在异步电动机中，磁场是伴随着转速的建立而建立的，为了在基频以下调速时保持转子磁链幅值恒定，需要对转子磁链进行有效调节。因此在异步电动机调速系统中，实际上包含两个子系统，分别是转速子系统和磁链子系统。所幸的是，在mt坐标系中，转子磁链与m轴电流为一阶惯性环节，因此转子磁链子系统可以采用转子磁链外环、电流内环的双闭环系统结构；也可以采用转子磁链开环、电流内环闭环的单闭环结构即7-28。根据电流闭环控制方式的不同，可以分为电流滞环跟踪控制和采用PI调节器的两种闭环控制方式，对应图7-19和7-20两种系统结构。其中以采用PI型调节器的电流闭环方式为主流方式。转速子系统最终得到t轴给定电压，转子磁链子系统最终得到m轴给定电压经过反旋转变换得到usα*和u如前所述，在异步电动机中，磁场是伴随着转速的建立而建立的，转速和磁链两个子系统相互影响，磁链的波动会影响电磁转矩，从而引起转速波形。在对动态性能要求更高时，为了减少磁链波动对转速子系统的影响，往往在转速子系统中引入转矩闭环或者除法环节，即书中7.6.4中的两种系统结构。在这两种系统中，都可以在磁链发生波动而转速未波动时及时调节转矩电流分量，减小转矩波动。转子磁链的计算（难点）要按照转子磁链定向，必须要知道转子磁链的具体相位信息，为此常通过数学模型估算转子磁链。因此矢量控制的变频器在运行之前需要手动输入电机参数或者通过参数辨识的到电机参数。转子磁链电流模型和电压模型，mt坐标系下的电流为直流电流，对离散步长不敏感，因此电流模型以mt坐标系下的模型常用；而电压模型在两相静