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交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成及功能詳解

發(fā)布時(shí)間:2013-02-05 責(zé)任編輯:abbywang

【導(dǎo)讀】針對(duì)交流電機(jī)的不同類型,目前已經(jīng)典型應(yīng)用的控制系統(tǒng)有以下幾種:同步電機(jī)控制系統(tǒng),異步電機(jī)控制系統(tǒng),開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)等。雖然不同的控制方式控制原理不同,但是系統(tǒng)的構(gòu)成和各部分的功能基本一致。

1) 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)是指將輸入系統(tǒng)的動(dòng)力電源轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的直流或交流電源,根據(jù)實(shí)際控制方式的不同,一般可以分為“交直交”電壓源型逆變電路,“交直交”電流源型逆變電路,“交交”型變頻電路以及泵電源電路等。圖1是“交直交”電壓源型電源系統(tǒng)的典型電路,如果將并聯(lián)的濾波電容去掉,在直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)大濾波電感則為“交直交”電流源型電路。

圖1

2) 微處理器板

微處理器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)各種數(shù)字控制算法的硬件平臺(tái)。主要組成如下:

a) CPU,通常根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度選擇通用單片機(jī)或?qū)S玫腄SP芯片
b) RAM,ROM,EPROM,CPU外圍驅(qū)動(dòng)芯片組
c) 實(shí)時(shí)鐘,通訊接口
d) 總線系統(tǒng),用來(lái)連接主機(jī)板和各種外圍系統(tǒng)支持板,接口板等。主要有STD總線,工業(yè)PC總線,VME總線等
e) 在實(shí)時(shí)內(nèi)核上運(yùn)行的各種控制算法(U/F控制,矢量控制,直接轉(zhuǎn)矩控制,無(wú)速度傳感器控制等)

3) 功率開(kāi)關(guān)器件

功率開(kāi)關(guān)器件通過(guò)根據(jù)來(lái)自微處理器板的控制信號(hào)控制大功率輸出器件的關(guān)斷和導(dǎo)通,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的輸出電流和電壓的控制。根據(jù)控制方式的不同,其輸出方式由方波輸出逐漸發(fā)展到PWM輸出或SPWM輸出。開(kāi)關(guān)器件也由原來(lái)的GTR,MOSFET,發(fā)展到IGBT,IPM等。參見(jiàn)下面的典型IGBT逆變輸出電路。

圖2

4) 接口和外圍設(shè)備

接口和外圍設(shè)備主要用來(lái)連接外部的輸入裝置和數(shù)字控制系統(tǒng)的各種數(shù)字量,模擬量等被控量的反饋信號(hào)。

a) 數(shù)字輸入輸出接口,主要分為并行輸入輸出接口擴(kuò)展和串行輸入輸出接口擴(kuò)展,主要用來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)外部存儲(chǔ)器和數(shù)字量的輸入輸出。
b) 模擬量輸入輸出接口,主要分為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。來(lái)自微處理器的數(shù)字量控制信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)輸出到外圍控制部件,同樣系統(tǒng)外部的各種傳感器信號(hào)(電壓,電流,溫度等)也經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)經(jīng)過(guò)總線系統(tǒng)傳送到CPU中進(jìn)行相應(yīng)的控制。
c) 通信接口,主要分為并行通信和同步或異步串行通信。使用通信接口可以將多個(gè)處理器系統(tǒng)連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)故障診斷,軟件監(jiān)控,多臺(tái)交流電機(jī)聯(lián)動(dòng)控制等功能。
d) 鍵盤與顯示接口,用來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

5) 信號(hào)檢測(cè)及處理

采用閉環(huán)控制的數(shù)字控制系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)檢測(cè)被控對(duì)象的各個(gè)參變量,然后反饋給主CPU。交流電機(jī)的主要檢測(cè)物理量為,電機(jī)電樞溫度,定子電流,電子電壓,電機(jī)轉(zhuǎn)速,電機(jī)位置等。

a) 電流檢測(cè)主要采用采樣電阻法,電流互感器法和霍爾元件檢測(cè)法。
b) 電壓檢測(cè)主要采用電阻分壓法,電壓互感器法和霍爾傳感器法
c) 溫度檢測(cè)主要采用熱電阻和熱開(kāi)關(guān)繼電器等元件
d) 電機(jī)位置和速度檢測(cè)主要采用測(cè)速電機(jī)和位置編碼器等反饋形式。其中位置編碼器可以根據(jù)實(shí)際使用的要求分別選用旋轉(zhuǎn)編碼器,光電編碼器等多種類型。

一般數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)成框圖請(qǐng)參見(jiàn)圖3:

圖3
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2. 異步電機(jī)調(diào)速通用控制方法:標(biāo)量控制,矢量控制,無(wú)傳感器控制,直接轉(zhuǎn)矩控制的原理介紹及功能特點(diǎn)分析。

標(biāo)量控制是指對(duì)只對(duì)交流異步電機(jī)的輸入電壓和輸入頻率進(jìn)行幅值的控制,不考慮電機(jī)中各物理量之間的相互耦合效應(yīng)。這里以標(biāo)量控制中典型的U/F方式為例介紹其工作原理。



在交流電機(jī)的控制過(guò)程中,為了充分利用鐵芯,電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)設(shè)計(jì)磁通處于接近飽和的工作點(diǎn),所以必須控制電機(jī)的每極磁通在電機(jī)工作過(guò)程中保持基本不變。由上面兩式可知只要同時(shí)協(xié)調(diào)控制控制Es和Fs就可以達(dá)到上述控制要求。



圖5

2) 電機(jī)工作在額定頻率以上

當(dāng)電機(jī)在額定頻率以上調(diào)速時(shí),逆變器的輸出頻率可以繼續(xù)升高,但是輸出端電壓只能維持在額定輸入值,此時(shí)定子磁通和調(diào)速頻率成反比下降,異步電機(jī)的工作狀態(tài)等同于直流電機(jī)的弱磁升速,電機(jī)的輸出扭矩隨磁通變化,輸出扭矩隨速度增加逐漸變小為恒功率工作模式。

標(biāo)量控制模式除了上面介紹的U/f模式外還有帶轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)的速度控制模式,帶轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的速度控制模式等,這些控制模式控制特性有所改善,但本質(zhì)還是標(biāo)量控制。標(biāo)量控制在技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn),也不需要高速高性能的DSP處理器等的昂貴硬件,但是標(biāo)量控制由于只是對(duì)電壓和頻率等變量的幅值進(jìn)行控制,沒(méi)有考慮異步電機(jī)是一個(gè)多變量耦合關(guān)聯(lián)的非線性系統(tǒng),異步電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)矩和磁鏈?zhǔn)请妷汉皖l率的函數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行高動(dòng)態(tài)控制時(shí)(快速控制電機(jī)的輸出扭矩)由于電機(jī)磁鏈的響應(yīng)比較緩慢,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率增加時(shí),磁鏈趨于減少,輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o法快速增加,導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性比較差。另外當(dāng)電機(jī)工作在偏離額定轉(zhuǎn)速的低頻狀態(tài)時(shí),由于無(wú)法準(zhǔn)確保持磁鏈穩(wěn)定,導(dǎo)致電機(jī)或者輸出扭矩下降,或者由于磁鏈飽和而導(dǎo)致銅損鐵損增加。

矢量控制是指根據(jù)電機(jī)運(yùn)行狀況同時(shí)控制輸出量的幅值和相位。其基本的工作原理是通過(guò)電機(jī)內(nèi)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的參考d-q參考坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)方法,解藕出控制電機(jī)勵(lì)磁方向的電流分量Id和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩方向的分量Iq,從而可以將異步電機(jī)的控制方法等效為傳統(tǒng)直流電機(jī)的控制。

直流電機(jī)忽略電樞效應(yīng)和磁場(chǎng)飽和時(shí),其扭矩表達(dá)式如下:



異步電機(jī)矢量控制的方法克服標(biāo)量控制的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性差,低速扭矩特性差,電機(jī)損耗大的許多缺點(diǎn),使交流異步電機(jī)的控制特性和直流電機(jī)的特性相當(dāng)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜需要高速的DSP處理器來(lái)完成復(fù)雜的控制運(yùn)算,提高了系統(tǒng)的硬件成本和開(kāi)發(fā)成本。

無(wú)速度傳感器控制模式其核心還是前面所述的矢量控制技術(shù)。基于磁場(chǎng)定向的矢量控制技術(shù)必須依靠準(zhǔn)確的電機(jī)速度反饋值,在實(shí)際的工業(yè)使用過(guò)程中由于安裝速度傳感器會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)硬件成本增加,系統(tǒng)可靠性降低,安裝維護(hù)工作量增加等不利因素。因此在實(shí)際的工業(yè)控制中開(kāi)發(fā)了基于電機(jī)運(yùn)行參數(shù)轉(zhuǎn)速自動(dòng)識(shí)別電機(jī)轉(zhuǎn)速的無(wú)傳感器矢量控制方法。

目前使用的轉(zhuǎn)速估算方法有一下幾種:

1) 轉(zhuǎn)差頻率計(jì)算法
2) 基于狀態(tài)方程的直接綜合法
3) 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)(MRAS)
4) 速度自適應(yīng)磁鏈觀測(cè)器
5) 擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)
6) 轉(zhuǎn)子齒諧波法
7) 凸極高頻信號(hào)注入法

各種不同的速度辨識(shí)的方法各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn),無(wú)速度傳感器控制方法的主要問(wèn)題在于系統(tǒng)魯棒性較差,速度的辨識(shí)精度比較依賴于電機(jī)的參數(shù),當(dāng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行或工作在堵轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)速度計(jì)算值偏差較大。在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用過(guò)程中往往會(huì)在控制系統(tǒng)中使用一種或兩種以上的控制方法來(lái)達(dá)到比較滿意的控制效果。

直接轉(zhuǎn)矩控制方法是用空間矢量的分析方法直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算和控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,省去了矢量控制算法中解藕和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化等復(fù)雜的運(yùn)算過(guò)程,通過(guò)雙位模擬調(diào)節(jié)器產(chǎn)生PWM信號(hào),直接控制逆變器的功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)達(dá)到電機(jī)輸出扭矩的高速動(dòng)態(tài)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制的基本工作原理就是根據(jù)當(dāng)前電機(jī)的扭矩計(jì)算值,通過(guò)電壓空間矢量來(lái)控制定子磁通的旋轉(zhuǎn)速度,從而改變轉(zhuǎn)子磁通的夾角,使電機(jī)的輸出扭矩得到高速的動(dòng)態(tài)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制沒(méi)有使用復(fù)雜的矢量變化算法,計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)潔,控制方式直接,電機(jī)扭矩的動(dòng)態(tài)特性好,其控制特性和矢量控制方法接近,缺點(diǎn)是電機(jī)控制存在磁鏈和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
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