关键词： 交流
矢量控制系统（精选十篇）
矢量控制系统 篇1
交流电动机是多变量、非线性、强耦合的被控对象,20世纪70年代德国学者Blaschke等人提出了矢量控制理论,使得交流异步电机定子电流励磁分量和转矩分量之间实现解耦,从而使交流异步电动机的磁通和转矩分别进行独立控制,这样交流异步电动机变频调速系统就具有了直流调速系统的全部优点。近年来电机控制中采用了SVPWM技术,也就是把电动机与逆变器看为一体,着眼于如何使电动机获得幅值恒定的圆形磁场为目标,它以三相对称正弦电压供电时交流电动机中的理想磁链为基准,用逆变器不同的开关模式所产生的磁链有效矢量来逼近基准圆,理论分析和实验表明,SVPWM调制具有脉动转矩小、噪音低,直流电压利用率高(比普通的SPWM调制约高15%)[1,2]等优点。
本研究在分析交流异步电机数学模型的基础上,借助于Matlab/Simulink强大的仿真建模能力,建立交流异步电机SVPWM控制系统仿真模型,并验证异步电机启动和不同负载情况下的性能。
1 矢量控制系统仿真模型
在Matlab/Simulink环境下,建立了交流异步电机控制系统的仿真模型,整体设计框图如图1所示。主要包括:交流异步电机模块、矢量控制模块、坐标变换模块、SVPWM控制模块、PI调节模块[1,2,3,4]。
1.1 交流异步电机模块
异步电机三相原始动态模型相当复杂,在实际应用中必须简化,其基本方法就是坐标变换。由于两相坐标轴互相垂直,两相绕组之间没有磁的耦合,因而异步电机的数学建模方法一般是将三相静止坐标系变换为两相静止坐标系,两相坐标系中电机的数学模型状态方程为:
式中 usα,usβ,isα,isβ—异步电机在α-β轴上的定子电压分量与电流分量;Lm—定转子间互感;Ls,Lr—定转子自感;Rs,Rr—定转子电阻;np—极对数;TL—负载转矩;Ts=Ls/Rs;Tr=Lr/Rr;σ=1-L
在Matlab/Simulink中建模,模块中输入量为三相交流电压和负载转矩,输出三相定子电流、转子角速度ω和电磁转矩Te。电机仿真的模块如图2所示。
1.2 坐标变换模块
由图1系统仿真模型可知,主要坐标变换模块有:三相静止坐标变换为两相垂直的静止坐标3s/2s变换;从两相静止坐标系到两相旋转坐标系的2s/2r变换。其坐标变换的矩阵如下:
1.3 转子磁链定向矢量控制模块
在三相坐标系下的定子输入电流通过坐标变换从三相静止坐标系到两相M-T轴旋转坐标系,并且使得M轴沿转子总磁链矢量的方向,最终等效成同步旋转坐标系下的直流电流iM、iT,其中iM用以控制转子磁链,iT用以调节电磁转矩。矢量控制的最终结果实现定子电流的分解,对转子磁链和电磁转矩进行解耦控制,则:
式中 ωe,ω,ωs—同步角速度,转子速度与转差角速度;θ—转子磁链的位置。
根据方程组(3),转子磁链观测模块如图3所示。
1.4 SVPWM控制模型
SVPWM模块是该系统仿真的关键部分,以电压矢量在两相静止坐标系中的分量usα,usβ,开关周期Ts以及直流端电压Udc为输入,首先判断电压空间矢量区间(N),接着计算其作用时间(T1,T2),再由区间信号和其相应的作用时间确定电压空间矢量的作用次序以及逆变器产生的PWM波形[5,6]。仿真模块如图4所示。
2 仿真结果与分析
为了验证所建模型的正确性,本研究采用如下电机参数进行仿真分析:额定功率为PN=3 kW,额定电压为380 V,频率为50 Hz,Rs=1.898 Ω,Rs=1.45 Ω,Ls=0.196 H,Lr=0.196 H,Lm=0.187 H,np=2,额定转速为n=1 430 r/min,转动惯量J=0.006 7 kg/m2,直流侧电压为540 V,开关频率为5 kHz。由以上给定参数可得电机的同步转速为nN=60f/np=1 500 r/min,转子的额定角速度为ωN=2πn/60=149.75 rad/s,额定转矩TN=PN/ωN=20 N·m,额定电流为:IN=6.8 A。
2.1 空载情况分析
转子磁通的给定值为0.96 Wb,负载为0,转速初值为130 rad/s,0.5 s后变为80 rad/s,仿真结果如图5所示。在图5(a)中空载启动瞬间电机电流峰值达到了32.75 A,其有效值为23.16 A,启动电流是额定电流(6.8 A)的3.4倍,一般情况下启动电流不超过额定电流的6～7倍,因此该电机的启动电流在可接受的范围内。稳定时,在130 rad/s与80 rad/s下电机的空载电流分别是4.13 A与4.24 A,电流有效值分别是2.92 A与3.0 A,分别是额定电流的0.43与0.44倍,一般电机的空载电流是额定电流的0.3～0.6倍,因而空载电流也在可接受范围内。
从图5(b)中可以看到启动最大转矩为33.8 N·m,启动转矩是额定转矩的1.69倍,一般电机的最大转矩不超过电机额定转矩的2倍,说明该电机的启动转矩在可接受范围内。空载稳定时转矩的波动幅值为0.53 N·m,为额定转矩的0.016倍,说明空载转矩小。
从图5(c)中可以看出电机转速从0到130 rad/s的调整时间为0.075 s,从130 rad/s～80 rad/s的调整时间0.05 s,其上升曲面平滑,说明矢量控制电机速度特性达到实验要求。
2.2 负载情况分析
如图6所示,转速设定为120 rad/s,在0～0.5 s输入负载为斜坡信号,其最大值为15 N·m,此时电流值随着斜坡信号变化逐渐上升,其稳定时电流峰值为8.65 A,其有效值为6.11 A,均在额定电流值之内。在1 s时,负载突然转变为0,此时电流下降,转速波形超调量1.67%。在1.5 s时,输入负载为15 N·m的阶跃信号,此时电流上升,转速略有下降,电流稳定时峰值为8.66 A,其有效值6.12 A,在额定电流之内;而转速曲线此时的超调量为1.5%。
当负载为正弦输入时,其仿真结果如图7所示,在0.5 s时输入一个10 N·m的阶跃信号,定子电流增加,转速瞬间略降,其超调量为1.25%;在1 s～2 s的时间段里输入正弦负载信号的幅值为5 N·m,频率为50 Hz,其输出电流幅值为9.24 A,有效值为6.53 A,在额定电流之内;电磁转矩输出与输入正弦信号对应,输出的转速波形的波动量为0.25%。
3 结束语
在Matlab/Simulink环境下对采用SVPWM方式调制的矢量控制系统进行了仿真,可以看出在空载调速时其启动电流,转矩和调速性能都符合要求。在负载转矩为15 N·m的阶跃信号时,转矩的波动量为100%,转速此时的超调量为1.5%;当负载转矩为斜率30的斜坡信号时,转速跟踪稳定,波动小;当负载转矩在10 N·m的基础上,周期性波动量为50%时,输出的转速波动量为0.25%。以上仿真的结果表明了所建仿真模型的动态仿真过程符合实际调速系统运动过程,为下一步采用DSP实现电机数字化控制奠定了良好的基础。
参考文献
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[5]王晓明,王玲.电动机的DSP控制:TI公司DSP应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
射流推力矢量控制技术研究 篇2
射流推力矢量控制技术研究
射流推力矢量控制技术是一种全新概念推力矢量技术,其具有机械式推力矢量喷管无法比拟的优点.文中概要介绍了射流推力矢量控制技术喷管的工作原理、基本概念和发展情况.着重介绍了几种典型控制方法和其优缺点,以及国内外试验情况,并提出国内在射流推力矢量控制技术方面应发展的方向.
作 者：连永久 LIAN Yong-jiu 作者单位：沈阳飞机设计研究所,辽宁,沈阳,110035 刊 名：飞机设计 英文刊名：AIRCRAFT DESIGN 年，卷(期)： 28(2) 分类号：V233.7+57 关键词：二次流 射流推力矢量 喷管 激波 反向流
矢量控制系统 篇3
【关键词】城市基础；地理信息系统；数据更新
0.引言
基础地理信息数据关系到国家安全和社会经济发展的重要信息资源，因此，保证数据的准确性和及时性能够为数据库提供强大的生命力。在我国的城市内已经建立起基础地理信息数据库，为我国城市的发展提供了有效的管理数据。在对城市数据经过加工整理后对地理空间数据库进行及时更新。在对数据库进行更新时如果数据量较大，在遇到意外情况时造成工作中断，很容易产生数据的丢失，因此就要采用相应的保护措施，保证数据库的更新效率，为行政主管部门提供重要的参考依据。
1.数据库的结构和更新方式
1.1数据库的结构
在进行数据库的选择时，通常采用工作库、现状库和历史库的分类方式，保证数据的可维护性、准确性和安全性。其中，工作库主要负责临时数据的存储，现状库根据数据的更新周期进行最新成果数据的更新。同时，在数据库中的原有的数据就会就会自动归档至历史数据库中。
在进行数据更新时，其操作具有明显的不可逆性，其数据一旦更新就不能够进行撤销。因此在操作过程中就要尽量减少对于现状库的直接操作。在进行数据更新的过程中，数据的修改要在工作库中进行实现，将需要更新的有关图层进行提取，其后在工作库中进行操作，用新的数据代替旧的数据。在操作完成后需要在工作库中对更新结果进行检验，保证其准确性。之后的数据就可以利用到现状库中，同时将原始数据保存至历史库中，形成与之相对应的历史数据。历史库的主要目的在于提供先现势数据的对于数据。
1.2数据库的更新方式
在对基础地理信息数据库进行更新时，要综合参考城市基础测绘中的外业修测进行开展。其主要方法有：测区级更新、图幅级更新和要素级更新。其中的测区级更新主要使用在由于综合地貌产生的变化较大，需要进行整体的更新，解决数据中存在的问题，在数据更新完成后方可进行数据进行更换。图幅级的更新属于常规性的，主要依据竣工测量所得的数据对固定图符进行数据的更换。在进行要素级更新时要根据其中的单个要素产生的变化，对数据库中的特定要素进行更新。在进行要素级更新时，其主要特点为产生的数量较少，更新的频率较快。
2.基础地理信息矢量数据更新的原则
在城市的发展中，进行地理数据更新对于城市的整体规划有着重要的作用。因此，在进行数据更新的过程中要遵循一定的原则。
（1）现势性的原则。在进行城市基础地理信息的更新时，要保证更新的准确性和及时性，使得数据的更新能够满足现下的最新需要。
（2）精度匹配的原则。在进行城市基础地理信息更新后，要保证数据的精度，只有这样才能够保证和固有的数据信息进行叠加时的准确性。在进行更新的过程中要注意更新部分和未更新部分的精度一致。
（3）空间和属性信息同步更新的原则。在进行数据的更新过程中，不仅包括图形数据内容，还包括属性数据的更新，保证二者的同步更新是数据更新的重要内容体现。
（4）一致性的原则。在地理信息系统中，图种的数量较多，在进行更新的过程中就需要保证图中之间的一致性，确保更新数据的准确。在进行更新时要结合在同一图种内的坐标系统要保证一致，并根据数据进行数据的分析和决策。
3.基础地理信息矢量数据更新的内容
在进行城市基础地理信息系统的更新时，内容为地理空间的变化、相关信息的变化和拓扑关系的建设。
（1）空间实体更新。城市基础地理信息更新，空间实体产生的变化为信息系统内的点、线、面的特征进行更新。在空间实体中的点、线的内容相对简单，因此要将信息面作为重点进行更新。
（2）属性信息的更新。在进行属性信息的更新时，主要会产生两种变化，一是空间的实体没有产生变化，但空间实体的有关属性却产生了变化。二是空间信息和属性信息同时产生了变化，与之相关的属性信息也会产生变化。在属性信息产生变化的过程中，要保证空间信息的同步进行，减少在更新的过程中产生的错误。
（3）拓扑关系的重建。在城市基础地理信息矢量数据中，要进行范围的确定就需要建立相应的拓扑关系。拓扑关系和空间实体有着一定的联系，因此空间实体的变化会在一定程度上影响拓扑关系。在产生变化的过程中不是由人工进行实现的，而是程序间产生的自动变化。在一些空间和面积较大的街区、道路中都需要进行拓扑关系的建设，为之提供相应的数据。在进行拓扑关系的重建时，应充分考虑与空间内的实体信息更新同步进行。
4.基础地理信息矢量数据的更新方法
在进行城市基础地理信息的采集时，具有多种不同的方法，因此在进行更新的过程中采用的模式也不相同，在进行数据更新时要充分结合更新后的数据检验，保证更新的效率。在进行更新时主要采用丈量法、数字化或扫描矢量法、野外数字测图法、掌上电脑更新法等。
（1）丈量法。在城市中对于基础地理信息的变化量较大和地形较简单的地点可以进行简单的丈量，在进行数据的获得后进行地理信息的更新。其主要是对已知点和基线间的距离确定待定点的坐标位置。其具体操作内容有：1）进行距离的丈量，并进行及时的记录。2）进行计算坐标的确定，整理空间内的信息和属性信息。3）在进行数据的更新后要将数据存放在数据库中，对数据库进行整体的更新。
（2）数字化、扫描矢量化法。在原有的白纸测图的基础上进行数字化和扫描矢量化，其后根据城市基础地理信息的要求进行线型和符号的赋值，并保证其一致性，最后要在此基础上进行信息数据更新。
（3）野外数字测图法。采用野外数字测图法能够满足基础对于基础数据的收集和整理，实现数据的更新，在一些地理特征变化较大的区域中通常采用此种方法。
（4）掌上电脑更新法。利用掌上电脑进行数据的更新能够为野外数据的更新提供更加便利的操作条件。在进行数据更新后，通过无线传输的方式进行数据库的更新。
5.结语
从当前城市发展情况来看，城市基础地理数据库建成后，必须对其采取相应更新，以有效地确保数据的现势性。针对当前我国情况看，对基础地理数据的更新还存在许多问题，难以保证数据的现势性。文章结合笔者实践及其理解，提出了适合基础地理数据库矢量数据的更新方法，为同行提供参考借鉴。
【参考文献】
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[2]吕北岳，吴江.技术在我国交通规划中的应用研究[J].测绘科学，2008（04）：30-31.
[3]宋小冬，叶嘉安.地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用[M].北京科学出版社，2012.
矢量控制系统 篇4
随着电机制造与控制技术的飞速发展,特别是永磁材料、大规模集成电路、半导体功率器件和微处理器技术的进步以及矢量控制等理论的提出,使得伺服控制系统得到了极大的发展。而永磁同步电机以其结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高,转子无发热问题,有大的过载能力,小的转动惯量和小的转矩脉动等特点,使得交流永磁伺服控制系统在各个领域得到了广泛的应用。矢量控制的基本思想是将交流永磁同步电机解耦,等效为直流电机来分别控制电流中的转矩分量和励磁分量。在本文中不仅包含矢量控制系统的仿真,同时在模型当中加入死区和离散化,目的是为了尽可能接近实际伺服系统的功能。在观测不同条件下的系统输出响应时,可以得到比较接近实际伺服系统的波形,但同时也可以观测出由于Matlab引起的系统输出波形的恶化结果[1,2,3,4]。
2 仿真系统模型的建立
本文中仿真系统所用的电机为Omron公司W系列R88M-W75030H型电机,其参数为:额定功率750W,额定转矩2.39N·m,额定转速3000r/min,最高转速5000r/min,额定电流4.4A,转矩系数0.59N·m/A,转动惯量6.72×10-5kg·m2,线电阻0.45Ω,线电感3.9mH,机械时间常数0.26ms,电磁时间常数8.7ms,感应电压系数20.6mV/r·min-1,感应磁通量0.067Wb。
根据图1所示的矢量控制系统结构,在Matlab / Simulink环境下对每个模块进行搭建,最终得到如图2所示的矢量控制系统仿真模型。其中的永磁同步电机和逆变器模型均是Simulink自带的模型[5,6,7,8]。
经过坐标变换后,Id代表的是定子电流中的励磁分量,并不产生转矩。而定子电流矢量的幅值表达式为
3 Simulink中坐标变换模块的分析
各个模型的建立均是按照矢量控制原理。但是对于坐标变换并没有用Simulink自带的模型。如三相静止坐标系到两相旋转坐标系(Clark+Park变换)模型。理论上的Clark变换公式和Park变换公式如下[11,12,13]:
将式(2)和式(1)相乘,就得到三相静止坐标系到两相旋转坐标系(Clark+Park变换)的变换公式。即按照传统的坐标变换公式得到的,
而Simulink自带的三相静止坐标系到两相旋转坐标系变换模型的公式如下:
可以看出式(3)与式(4)有很大不同。经过分析发现两点差别:1)坐标变换的系数不同;2)坐标变换的角度不同。
首先,矩阵系数不同是由于坐标变换选取原则不同导致的。因为一般的坐标变换原则按照功率不变原则来确定系数,但是也有按照幅值恒定的原则确定,Simulink自带的坐标变换模型就是按照幅值恒定的变换公式作的。实际系统中的变换原则往往按照功率不变原则确定增益,所以,在本文仿真模型中没有采用Simulink的坐标变换模块。
其次,式(3)和式(4)中参考角度不同,是因为解耦目标的不同。PMSM电机的启动阶段需要将转子磁通定向,就是通过施加初始的Iqrinit=Inominal和Idrinit=0将转子磁通方向从未知的位置转移到和Iqrinit相同的位置,也就是确定转子初始位置,如图3所示。有了转子的初始位置仍不能让PMSM旋转起来,因为从图3中可以看出,此时定子电流的转矩分量与转子磁通方向重合,这样并不能产生转矩使PMSM转动起来。因此需要在确定转子位置后将θ旋转90°,以使定子转矩电流与转子磁通相互垂直来产生转矩。在本文的系统模型中是将PMSM给出的转子角度信号减去90°(根据正方向)然后进行坐标变换以使电机启动。而Simulink自带的坐标变换模型是将(-90°)直接加在了坐标变换公式中,即将式(3)中的θ替换为(θ-90°)就得到式(4)的形式。因此,可以得出Simulink电机模型的输出角度θ代表转子磁通即d轴电流方向。
4 离散化所引起的问题
目前伺服领域一般都是用DSP等高速微处理器进行控制,应用这些器件的基本要求是对伺服系统离散化,数字化。因此,本文中采用S-function函数代替连续的PI调节器,以实现系统的数字化控制。
理论上离散化会降低系统的稳定裕度,使系统趋于发散。为了对比离散化对系统的影响,如图4所示分别为连续控制和离散控制以及改进后离散控制的Iq给定与反馈波形,其仿真条件是:速度环周期1ms,电流环周期100μs;启动速度给定3000r/min,空载;0.07s突加2.39N·m负载;0.13s速度给定变为-3000 r/min,电机空载;0.22s突加2.39N·m负载。目的是验证电机的正反转阶跃响应及突加负载性能。
在离散控制系统的输出波形(图4b)中可以看出,在0.3s以后出现一次震荡后又趋于稳定。但仿真中负载条件在0.22s以后并没有任何变化,而且在连续仿真中没有出现此现象,因此引起
这次震荡的原因是Simulink的仿真系统自身设置的步长选择不当而使系统有发散的趋势。连续控制系统仿真时没有出现这一现象,这是因为连续控制系统中每一个仿真时刻都会对电机进行调节,因此对于步长的变化没有离散控制系统那么敏感。为了解决离散后的发散问题,将原仿真最大步长(1e-6s)减小一般为(5e-7s),其仿真波形如图4c所示,与之前的波形对比,可以看出仿真步长对于系统输出的影响(如圆圈所示)。但仿真步长不宜过小,因为过小的仿真步长会导致存储数据量急剧增加,可能超过Matlab管理的内存容量而使仿真报错。仿真过程中,为了尽可能逼近实际系统,应根据仿真条件,选择较小的仿真步长。
5 仿真结果及分析
在此给出加入死区效果并采用离散控制器的系统模型的输出波形。
图5所示为启动速度阶跃给定3000r/min,空载;0.1s突加2.39N·m负载转矩。从仿真波形中可以看出,电机以3倍额定转矩快速启动后可以稳定地闭环给定3000r/min转速,在突加额定负载后有一定的速度跌落但仍能很快速度闭环,额定负载运行时的稳态三相电流有效值为4.4A,完全符合铭牌数据。离散控制器的采样频率是电流内环为10kHz,速度外环为1kHz。图6为离散控制器输出波形,从波形中可以清楚地看出控制器输出的离散化。图7为速度1000r/min,2.39N·m额定负载运行时加入死区的A相电流稳态波形。由于死区的加入会使电机的三相电流中叠加5,7次谐波,电流发生畸变使转矩发生波动并最终影响速度环的响应。
图8给出了本文中研究的实际伺服系统的机械特性曲线。图9是验证机械特性的仿真波形,其给定条件是:启动速度给定为5000r/min,空载; 0.1s时突加1.4N·m的负载转矩。可以看出,当速度大约为3650r/min时,转矩给定值保持3倍过载不变,而电机的实际输出转矩已不能跟踪给定,按照机械特性曲线开始减小;当转速稳定在5000r/min突加负载时,转矩已经不可能跟随其给定,而只能输出机械特性所允许的转矩,相应转矩电流值约为3.75A,即输出转矩约为1.5N·m,符合机械特性的要求,实现在额定转速下恒转矩运行,在额定转速上恒功率运行。仿真结果表明,本文所建立伺服控制系统的仿真模型较为准确,能够很好地体现实际系统的真实输出。
6 结论
本文以PMSM 矢量控制原理为基础,在Matlab/Simulink环境下对伺服系统进行仿真研究,并给出了仿真模型及试验波形。在对PMSM矢量控制的仿真研究基础上,发现了Matlab/Simulink自带坐标变换模块的问题,并对此进行了详细的分析。同时对于离散化后仿真出现的问题进行分析并给出了解决办法。最终的仿真试验波形表明无论是电机模型还是控制系统模型的建立都是准确的,仿真结果十分接近实际系统的真实输出。
摘要：根据矢量控制原理,用Id=0的控制方式,在Matlab/Simulink环境下建立永磁同步伺服系统的仿真模型。为了精确的模拟实际系统,在仿真模型中加入了死区效应并且实现了离散控制。仿真中的电机模型参数全部按照实际电机手册的参数,控制器根据工程设计法分别计算出了电流环和速度环PI调节器的参数。但在模型的建立和对仿真结果的分析中,发现了2个仿真系统的问题:1)Simulink自带的坐标变换模块与理论公式的不同,包括选取系数和参考角度的不同;2)由于仿真步长的问题,离散控制系统的输出响应出现了一定的震荡。对以上问题都进行了详细的分析研究,最终得到了十分接近实际系统的仿真波形。
矢量控制系统 篇5
电气工程及自动化
基于矢量控制的变频调速系统设计与仿真
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义
随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。
电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速。70年代后期，以功率晶体管(GTR)，门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power
MOSFET)为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中小功率范围最为流行的器件。与IGBT相对应，MOS控制晶体管(MCT)则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。80年代以后出现的功率集成电路(Power
IC-PIC)，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前己用于交流调速的智能功率模块(Intelligent
Power
Module-IPM)采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积、减轻了重量、又提高了可靠性，使用维护都更加方便，是功率器件的发展方向。
随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。现代的电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM控制技术有：基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；基于电流环跟踪的CHPWM控制；电压空间矢量控制SVPWM控制。在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单为目标的，因此目前应用最广。
在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。上世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题。矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制，亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。这个理论是1968年首先由Darmstader工科大学的Hasse博士发表。1971年西门子公司的Blaschke又将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制的名称发表。前者是在学会的论文杂志上发表；而后者是公司研究成果，故以专利的形式发表。
矢量控制方式有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。
近十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量，进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息。除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。
本设计是基于矢量控制的变频调速系统设计与仿真，主要研究交流异步电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对交流异步电机矢量控制系统进行建模与仿真，结合应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成交流异步电机的双闭环控制与性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型，进行仿真研究与性能测试。同时，本设计结合当今国内外实例对该原理进行实际论证。
二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：
矢量控制是一种新型的高性能的交流传动控制技术，该控制方法思想新颖，控制结构简单，具有良好的动、静态性能，在船舶电力推进系统中有着广阔的应用前景。综合掌握电气工程学科领域前沿的电力电子技术，及电力传动控制方面的基础理论和相关技术。
主要研究交流异步电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对交流异步电机矢量控制系统进行建模与仿真，应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成交流异步电机的双闭环控制与性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型，进行仿真研究与性能测试。
三、研究步骤、方法及措施：
1.总体方案的选择、确立；
2.进行理论分析计算；
3.硬件制作调试和软件编程；
4.拟出论文初稿；
5.作品的完善。
通过查阅已有的相关文档及技术资料，先确立总体方案，根据选择的方案进行针对性的设计研究。
四、参考文献
[1].阮毅，陈伯时．电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]，第4版．北京：机械工业出版社，2009.8．
[2].陈伯时．交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1999．
[3].胡崇岳．现代交流调速技术[M]，北京：机械工业出版社，1998.9．
[4].周绍英，储方杰．交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1996.11．
[5].吴安顺．最新实用交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1998.8．
[6].王兆安，黄俊．电力电子技术[M]，第4版．北京：机械工业出版社，2000．
[7].丁斗章．变频调速技术与系统应用[M]，北京：机械工业出版社，2005.10．
矢量控制系统 篇6
关键词：地房籍系统；矢量数据；数据质量；GIS技术
中图分类号：TP391
地房籍合一管理信息系统是运用GIS、Web等平台建立的图属合一数据库，通过空间数据和地籍、房籍属性合一构建针对图形和属性能够相互查询，关联管理，地籍和房籍信息无缝结合，并具有图形属性输出功能的管理业务系统。能实现宗地登记、产权登记、交易、拆迁、物业管理、房产开发等高效、互联互动式房地产业务管理。运用先进的信息系统技术优势杜绝传统管理模式上的各种漏洞。
目前，重庆市正在推进“以图管地、以图管房、房地合一”数据管理系统的运行。地房籍信息系统的构建是一项复杂的系统工程，是土地房屋管理部门的工作重点，数据是信息系统的基础，源数据质量的优劣，决定了信息系统实际运用价值的大小。源数据包括矢量数据和属性数据。本文从矢量数据收集手段和汇总流程研究来确保数据质量。
1 土地房屋管理信息收集和存在的问题
地房籍管理对象包括国有土地使用权证、房屋所有权证、他项权利证、商品房预售许可证等权证，及开放商、权利人等实体。涉及到登记机关和处室、业务登记人员、政府部分、金融部门、测绘单位和数据库建设人员。基础数据收集数量大、任务重、且历史材料受存储条件限制，有部分残缺不全。
在调查中以土地权属为核心，以地块为基础，对附着物的权属、位置、数量、质量和利用现状等土地基本信息进行验证。其中，“以地块为基础”中的“地块”是地籍信息的基本载体，是具有固定的位置和明确的边界，并可辨认出属性的最小土地单位。传统的地籍管理在宗地发生变更后，权利人和现状都相应的发生变化，如某单位购买了一块国有存量土地，后转卖给企业，再转卖给开发商，开发商修建了住宅小区，内有高档住宅、小区道路、休闲设施、绿化等，开发商办理房地产权证时反映现状的宗地图与原单位购买国有存量土地时的宗地图相差甚大。单凭图件和权利人查找都无法找到共同点，历史轨迹只能追溯到上一次业务流程办理的情况，恢复某一历史数据过程过于复杂。
历史上房屋和土地分开办理产权证，存在一部分只有房产证，和一部分只有土地证的情况。在数据库中就会出现宗地上的房屋空属性或者已经办理了房产证的房屋无法落地的现象。
2 数据库构建中的矢量数据汇总方法
2.1 常规矢量数据汇总
（1）对于历史上无坐标的纸质或者电子版宗地图，利用图上权属界址点位置和相关地物点距离来判断权属线，制作地块。这样做的优点是界址点位置与原始图件一致，不会产生权属纠纷。缺点是以前测量的面积有可能与矢量化以后的地块面积不一致，造成图块面积与权证面积不匹配的情况；界址点现状如果发生变更就无法准确定位界址点。
（2）按照地房籍管理的宗地号和房籍号的顺序来清理档案，优点是避免漏掉和重复清理原地房档案信息。缺点是未能建立地籍档案的地块无法被清理到。
2.2 利用GIS系统的数据汇总
GIS系统是在计算机硬、软件系统支持下，对空间数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。主要从三个方面来帮助我们进行数据判断汇总：
（1）结合第二次全国土地调查城镇地籍调查数据库。城镇地籍调查是以测量城镇地籍图，建立地籍数据库为目的的调查活动。其成果作为管理土地权属的重要依据。
利用第二次全国土地调查中的城镇调查现状成果，结合土地档案，增加判断位置的正确率。二调中城镇地籍调查成果是按“街道、街坊、宗地号”这样的结构来进行的数据收集，主要体现在城区，具体表现为以“街道办事处—居委会”来体现行政区划关系。与地房籍系统的数据汇总规程一致，可以有效利用。使用二调城镇地籍图的主要目的，是为了各宗地能在控制范围内位置相互接边，以分级控制的形式来确保权属坐标位置的准确性。但二调时间为2009年，会产生调查结果的延时性，部分已经变更的宗地需要单独对待，且城镇地籍调查成果主要集中在规划城区范围以内，对乡镇的地籍调查缺少基础坐标资料。这部分宗地和房屋信息需要测量人员实地外业测绘补充。
（2）结合遥感影像图库。遥感影像图库是具有统一坐标系统的现状影像图件。
影像图经常能帮助我们更直观的感受到房屋周围的情况，比地形图更高的可视化辨识率，让结合遥感影像图的判断几乎没有出现“找不到地方”、“房屋样子看起来差不多，不知道是哪一栋”的情况。使用遥感影像图库的主要目的，是为了给人为的主观判断增加佐证，保证调查质量。调查地籍档案的过程中，因为测量技术的影响，会出现早期的宗地图没有坐标，没有明显的标志性建筑物，且相邻单位权利人早已发生多次变化，无法准确定位的地块。为了节省外业调查的人力和物力，更快的判断地块位置，可以采用遥感影像辅助定位。因其统一坐标系的优势，可以做到影像图和矢量图的结合，大大缩短档案调查时间。
（3）相邻宗地间的拓扑错误修正。拓扑错误是指矢量数据的点，线，面在拓扑上存在肉眼发现不了的坐标点重复，碎线、碎面等错误。如相邻的两宗地存在拓扑错误，会导致面积计算错误，系统判断权属界线交叉的情况。
一般在相邻宗地接合的情况下需要进行拓扑检查，可以采用Arcgis、Mapgis、K9等软件来进行检查。地籍矢量要素在系统中体现为“区”，检查中可能出现“区”的相交情况。
以Mapgis为例，拓扑错误的处理方法一般为平差，
1）在矢量化时，难免会出现一些失误，在该断开的地方线没有断开，这给造区过程带来麻烦，可以使用Mapgis平台中的自动减断线来处理线相交的问题。但该功能是以节点为剪断端点，如果线头刚好超出节点一小段，就会被剪断成微短线。
2）微短线会对拓扑处理和空间分析造成影响，所以这类线是需要清除的，Mapgis平台同样有清除微短线的功能，但是需要自己设置最小线长，以便系统按照用户自己的需要对微短线进行处理。除了微短线，重叠坐标点也属于拓扑错误，这类问题很好处理，删除重叠点就可以了。排除了对区拓扑处理有影响的线和点以后，自然不可避免就会出现线不能闭合的情况。
3）不能形成封闭区域的线被称作悬挂弧段，需要进行节点平差，可以有线节点平差和弧段节点平差两种，平差以后可能造成面积与拓扑处理以前有微小的差异。所以这里需要人为的判断。
只有建立正确的拓扑关系才能构建准确的区文件，保证数据库质量。
3 结束语
总之，矢量数据汇总是数据库建立的基础，它既受地籍测量的技术影响，也受数据调查规程的影响，是地房籍系统构成过程中的重点和难点。地房籍系统作为方便民生，控制管理，交互查询等各方面都信息化的日常管理平台，其基础矢量数据质量不仅会影响今后权属和地块变更的质量，更为权属纠纷、司法调查提供有效的法律依据。一个不起眼的错误可能会造成权利人巨大的经济损失和严重的社会影响。快速准确的完成系统基础数据汇总是今后日常登记变更业务顺利进行的有力保证。
参考文献：
[1]詹长根.地籍测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2001.
[2]林增杰，严星，谭俊.地籍管理[M].北京：中国人民大学出版社，2001.
[3]杜海平，詹长根，李兴林.现代地籍理论与实践[M].深圳：海天出版社，1999.
[4]刘家彬，张金亭，胡石元.土地信息系统理论与方法[M].北京：测绘出版社，2002.
作者简介：林芝（1985-），女，重庆万州人，2007年毕业于淮海工学院测绘工程专业，助理工程师，现主要从事地籍测量和地房籍系统运用。研究方向：计算机数据汇总。
电机矢量控制方法研究 篇7
矢量控制技术按照获得磁链的不同方式大致可分为两种:直接和间接方式。直接方式的实现依赖于直接测量或对转子, 定子, 气隙磁链矢量的幅值和位置的估算。传统的直接矢量控制策略使用检测线圈, 具有抽头的定子绕组或霍尔效应传感器对磁通进行检测, 但由于电机结构或散热的需要就会产生一定的限制, 但随着目前高速DSP的不断面世, 在一个PWM周期内, 实现负载的控制及磁链估算应成为可能, 所以近年来基于磁链观测器的直接方式由重新得到了人们的重视。而间接方式则使用电动机模型, 例如对于转子磁通定向控制, 它利用了固有的转差关系。与直接的方法相比, 间接方式对电机参数有较高的依赖性。多数场合使用间接策略, 因为这会使硬件电路相对简单并且在低频下也具有较好的总体性能, 但是由于包含了会随着温度, 饱和度和频率变化而变化的电机参数, 所以需要研究不同的参数自适应方法。
2 交流电机矢量控制方法
2.1 转差频率矢量控制方法[1]
此种控制方法的出发点是, 异步电机的转矩主要取决于电机的转差频率。在运行状态突变的动态过程中, 电机的转矩之所以出现偏差, 是因为电机中出现了暂态电流, 它阻碍着运行状态的突变, 影响了动作的快速性, 如果在控制过程中, 只要能使电机定子、转子或气隙磁场中有一个始终保持不变, 电机的转矩就和稳态时工作一样, 主要由转差率决定, 按照这个想法, 在转子磁通定向矢量方程中, 如果仅考虑转子磁通的稳态方程式, 就可以从转子磁通直接得到定子电流m轴分量的给定值, 再通过对定子电流的有效控制, 就形成了转差频率矢量控制, 避免了磁通的闭环控制, 这种控制方法也称为问接磁场定向矢量控制, 不需要实际计算转子磁链的幅值和相位, 用转差频率和量测的转速相加后积分来估计磁通相对于定子的位置, 结构相对比较简单, 所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统的水平, 得到了较多的推广应用。
2.2 气隙磁场定向矢量控制方法[2,3]
气隙磁场的定向控制就是将旋转坐标系的d轴定向于气隙磁场的方向, 此时气隙磁场的q轴分量为零。如果保持气隙磁通的d轴分量恒定, 转矩直接和q轴电流成正比。因此通过控制q轴电流, 可以实现转矩的瞬时控制, 从而达到控制电机的目的。
2.3 定子磁场定向矢量控制方法
定子磁场定向的矢量控制方法, 是将旋转坐标的d轴放在定子磁场方向上, 此时, 定子磁通的q轴分量为零。如果保持定子磁通恒定, 转矩直接和q轴电流成正比, 从而控制电机。定子磁场定向控制使定子方程大大简化, 从而有利于定子磁通观测器的实现。然而此方案在进行磁通控制时, 不论采用直接磁通闭坏控制, 还是采用间接磁通闭环控制, 均须消除耦合项的影响。因此, 需要设计一个解耦器, 对电流进行解耦。
2.4 转子磁场定向矢量控制方法
转子磁场定向的矢量控制方法是在磁场定向矢量控制方法中, 将d, q坐标系放在同步旋转磁场上, 将电机转子磁通作为旋转坐标系的d坐标轴。若忽略由反电动势引起的交叉藕合, 只需检测出定子电流的d轴分量, 就可以观测转子磁通幅值。当转子磁通恒定时, 电磁转矩与定子电流的q轴分量成正比, 通过控制定子电流的q轴分量就可以控制电磁转矩。因此称定子电流的d轴分量为励磁分量, 定子电流的q轴分量为转矩分量。可由电压方程d轴分量控制转子磁通, q轴分量控制转矩, 从而实现磁通和转矩的解耦控制。
3 矢量控制方法比较
上述的控制方法是目前应用较多且比较成熟的控制方法。由于各自基于不同的思路, 有着各自的优缺点。
3.1 转差频率矢量控制方法
如果使电机的定子、转子、或气隙磁场中一个保持不变, 电机的转矩就由转差要决定。因此, 此方法主要考虑转子磁通的稳态方程式, 从转子磁通直接得到电流d轴分量, 通过对定子电流的有效控制, 形成了转差矢量控制, 避免了磁闭环控制, 不需要实际计算转子磁链的幅值和相位, 用转差率和量测的转速相积分来计算磁通相对于定子的位置。此方案结构简单, 所能获得的动态性能基可以达到直流双闭环控制系统的水平。但是间接磁场定向控制中对转子时间常较敏感, 当控制器中出现某个参数不正确时, 计算得出的转差率也不正确, 得磁通旋转角度将出现偏差即是定向不准的问题。磁通和转矩瞬时误差表现为一阶暂态过程, 其衰减时间常数为τr, 振荡衰减会比较慢, 而且不正确的稳态转差也将导致稳态的转矩误差, 严重影响了系统性能, 同时还会引起电机的额外发热和效率降低。这种控制方法不适合于高性能的电机控制系统。
3.2 气隙磁场定向矢量控制方法
此方法中磁通和转差存在耦合关系, 需要增加解耦器, 这使得比转子磁通的控制方式要复杂, 但是具有一些状态能直接测量的优点如气隙磁通, 保持气隙磁通的, 从而使转矩与q轴电流成正比, 直接对q轴电流控制, 达到控制电机的目的。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致, 故基于气隙磁通的控制方法更适合处理饱和效应。
3.3 定子磁场定向矢量控制方法
此方法是通过保持定子磁通不变, 控制与转矩成正比的q轴电流, 从而控制电机。在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器, 易于实现且不包括度变化非常敏感的转子参数, 可达到相当好的动静态性能, 同时控制系统结构简单。但是, 此方法和气隙磁场定向的矢量控制一样, 需要对电流进行解释。
以定子电压作为测量量, 容易受到电机转速的影响。在低速时由于定子电阻压降占端电压大部分, 使反电动势测量误差较大, 导致定子磁通观测不准, 影响系统性能。定子磁场定向的矢量控制系统适用于大范围弱磁运行的情况。
3.4 转子磁场定向的矢量控制方法
交流电机的转矩与定转子旋转磁场及其夹角有关, 要控制好转矩, 必须精确检测和控制磁通, 在此方法中, 检测出定子电流的d轴分量, 就可以观测出转子磁链的幅值, 当转子磁链恒定时, 电磁转矩和电流的q轴分量成正比, 忽略反电动势引起的交叉耦合, 可以由电压方程d轴分量控制转子磁通, q轴分量控制转矩。转子磁场定向的矢量控制方法的缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大, 降低了系统性能。但它达到了完全的解耦控制, 无需增加解耦器, 并且不存在静态稳定性限制的条件, 控制方式简单, 具有较好动态性能和控制精度, 故应用最为广泛。
4 结论
比较四种矢量控制方法可以看出, 转子磁场定向的矢量控制方法是三相异步电动机矢量控制中基本的最常用的控制方法, 可以实现励磁电流分量、转矩电流分量二者完全解耦, 但是, 转子磁场定向受转子参数变化的影响较大, 一定程度上影响了系统的性能。气隙磁场定向、定子磁场定向, 很少受参数时变的影响, 在应用中, 当需要处理饱和效应时, 采用气隙磁场定向比较合适;当需要恒功率调速时, 采用定子磁场定向方法更为适宜。另外在性能要求不高的电机控制系统, 采用转差频率矢量控制方法, 无论是成本还是操作, 都是非常合适的。
摘要：介绍了四种异步电机矢量控制方法, 分析了各种方法的优缺点, 指出各种方法的适用场合。
关键词：异步电机,矢量控制,方法
参考文献
[1]彭伟发, 徐晓玲, 邹娟.转差频率矢量控制仿真研究[J].华东交通大学学报, 2009, 26 (1) .
[2]王成元, 夏加宽, 杨俊友等.电机现代控制技术[M].北京:机械工业出版社, 2006.
矢量控制系统 篇8
异步电机运行时极易受温度、磁饱和以及运行的频率的影响,定、转子电阻受温度变化而变化使得磁链计算与实际存在偏差。同时,导致了转矩和磁链的稳态误差和瞬态振荡[2]。由于滑模控制器设计时与参数及扰动无关,这就使得滑模控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏[3]。因此,提出一种基于转子磁链滑模控制器的异步电机矢量控制方案,通过这个摆脱磁链调节对电机参数的依赖,提高异步电机的转矩和转速动静态性能。
1 异步电机数学模型
异步电机在系统中实现MT同步坐标,转子磁场定向是将M轴与转子磁场方向重合[4,5],在转子磁场定向矢量控制下,,可得按转子磁场定向的电压基本方程式为:
M-T同步坐标系的磁链方程为:
利用上式对定子电压解耦得
可知通过usT、us M分别控制is T、is M,必须加上电压补偿量us Tc、us Mc。
上述公式字母含义:p积分因子,Ls定子电感,Lm互感,Lr转子电感,Rs定子电阻,Rr转子电阻,ωs定子角速度,ωr转子角速度,ωsl转差角速度,Tr= LrRr转子时间常数,Ts= LsRs定子时间常数,漏感系数。
2 滑模控制器的设计
2.1 滑模控制原理
滑模控制(Sliding Mode Control,SMC)是一种变结构的控制策略。这种控制策略与常规控制的根本区别在于控制的不连续,即一种使系统“结构”随时间变化的开关特性。该控制特性可以迫使系统在一定特性下沿规定的状态轨迹做小幅度、高频率的上下运动,即所谓的滑动模态或“滑模”运动。这种滑动模态是可以设计,且与系统的参数及扰动无关。这样,处于滑模运动的系统就具有很好的鲁棒性[6]。
2.2 滑模控制器的设计
由式(3)可知磁通调节器传递函数为
ψr M用è代替可简化为
设计滑模函数为
c满足Hurwitzt条件,及c >0 。跟踪误差:
è*为指定磁链信号, è 为转子磁链信号。
定理1.在磁通调节器(7)下,系统(8)稳定。
证明:构造如下lyapunov函数:
为了使该系统具有很好的鲁棒性采用指数趋近律设计,则有
根据lyapunov稳定性理论知, 为了保证,设计滑模控制率为
3 控制系统及仿真结果
图1 所示为异步电机矢量控制系统框图,控制系统主要包括:转矩调节器、转速调节器、磁链调节器、矢量逆变器、电压补偿和磁链、转矩和空间角度计算模块。
为了验证滑模控制器对异步电机性能的改善,建立了MATLAB/Simulink仿真模型,仿真参数见表1。
通过突变负载模拟外界干扰分别对SMC控制系统与PI控制系统性能的影响:给定转速是90rad/s,初始转矩是0 N.m,在0.4s时突加300N.m, 在0.65s减为负100N.m,在0.8s时增加150N.m,仿真结果见图3。由图3 可知,转矩在0.02就趋近稳定,矢量控制具有较好动、静态性能。在0.8s时,PI控制系统的转矩有明显的波动;而SMC控制系统转矩几乎保持恒定,说明具有良好的鲁棒性。故仿真结果验证SMC控制系统对外部干扰表现出较好的鲁棒性和抗干扰能力,能提高异步电机的转矩动静态性能。
通过改变电机参数值模拟内部参数变化分别对SMC控制系统与PI控制系统性能的影响:增加转动惯性和定子电阻到原值200%,转子电阻到原值120%,他条件不变,仿真结果如图4 和图5。由图4 知,SMC控制系统角速度波形更接近给定角速度、超调量小。由图5 可知:PI控制系统明显发生震荡,而SMC比较稳定。故仿真结果验证SMC控制系统对电机内部参数变化表现出较好的鲁棒性和抗干扰能力,能提高异步电机的转矩和转速动静态性能。
4 结论
矢量控制系统 篇9
抽油机用永磁同步电机在转矩控制、弱磁控制和无位置传感器技术方面都存在实现上的复杂性,因此需要寻找一种新的基于矢量控制策略来解决所面临的困难。永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的系统,其输出转矩与定子电流不成正比,而是复杂的函数关系,因此要得到好的控制性能,必需进行磁场解耦,这种特点恰好适于应用矢量变换控制技术。
结合实际系统,介绍了以TMS320F2812 DSP为控制核心的全数字化永磁同步电机(PMSM)伺服控制系统的硬件和软件设计,对控制系统硬件和软件各部分的结构和功能作了阐述。
一、系统原理分析与总体设计
控制算法是电动机控制实时性的主要因素之一,也是控制精度的决定因素,因此,应用先进合理的算法可以提高系统的控制性能。由德国学者F.Blashke提出的定向矢量控制,是一种影响广泛的交流电动机变频调速控制策略。矢量控制使交流电动机的调速性能可以与直流电动机的调速性能相媲美,实现瞬时值的控制且相应速度快。
1. 矢量控制的原理
电动机的控制系统特性归根到底是转矩特性,而转矩电流和磁通能否独立控制和调节,决定转矩产生是否线性和可控。矢量控制是通过测量和控制电动机定子电流矢量,根据磁场定向原理分别对电动机励磁电流和转矩电流进行控制,从而达到对电动机转矩进行控制的目的。具体是将电动机定子电流矢量,分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的分量(转矩电流)分别加以控制,并同时控制两分量的幅值和相位,即控制定子电流矢量,所以将这种方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又分为基于转差频率的控制方式、无速度传感器控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。
2. 永磁同步电机的控制策略
永磁交流伺服系统几十年来的发展表现最突出的是不断进步的控制策略,其中有代表性的是:恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制、非线性控制、自适应控制、滑模变结构控制、智能化控制等。
矢量控制原理是以转子磁场定向,在同步旋转坐标系中,把定子电流矢量分解为两个分量:一个分量与转子磁链矢量重合,产生磁通,称为励磁电流分量MI;另一个分量与转子磁链矢量垂直,产生转矩,称为转矩电流分量TI。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系的位置及大小,即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小,实现交流电动机像直流电动机那样对磁场和转矩控制的完全解耦。因此,矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。该控制方法首先应用在感应电动机上,很快就被移植到了同步电机上。
二、伺服系统硬件系统设计
我们的主要工作是设计一个适合抽油机的伺服控制系统。为此设计了伺服系统硬件结构框图(如图1所示),根据强弱电的区别,系统由3块电路板组成,分别是功率板、控制板、键盘显示板。功率板集成了系统中所有的强电部分,包括整流逆变主电路,辅助电源,I P M驱动隔离电路,母线电压保护电路,电流采样电路等。控制板用DSP芯片TMS320F2812为控制核心,包括D S P外围电路、位置信号检测电路、位置脉冲输入电路、电流信号调理电路、过压过流保护电路、掉电存储电路、串行通讯电路等。键盘显示板以键盘显示控制专用芯片ZLG7289为核心,由6个数码管和4个按键组成。
1. 主电路设计
本伺服系统的主电路即功率部分(如图2所示)采用典型的电压源型交—直—交变频电路,输入电压为单相220V或者三相线电压220V,注意三相接入时,要用变压器将市电线电压380V变换为220V。输入端线间接入压敏电阻R6~R8,以限制浪涌电压对主电路造成损坏。整流部分采用三相不控整流桥SKBPC3510,其正常工作允许电流可达35A,管子可承受反相峰值电压为1000V,最大浪涌电流400A。
当单相或三相220V输入时,整流滤波后直流侧电压Udmax=2×220V=311V。
2. 驱动及保护电路
I P M模块内部集成了各I G B T的驱动电路,因此只需将DSP输出的PWM波经过缓冲变换之后送IPM模块,由于功率部分为强电信号,需要经过光耦隔离(如图3所示),本系统中采用高CMR的快速光耦HCPL-4504隔离驱动。另外,IPM模块内部带有短路、过流等保护功能。
3. 电流采样电路
本系统中通过在逆变器输出的U,V两相中串接精密电阻进行电流采样(如图2所示),采样电阻R4,R5规格为0.01Ω/2W。采样得到的电压信号经过内含运算放大器的线性光耦HCPL-7840进行隔离放大。
下面以U相为例,其电流采样电路(如图4所示),图中引脚I U+与I U-分别接于图2中主电路的采样电阻R4两端,假设电流瞬时值大小为I U,则经过HCPL-7840隔离放大后引脚IUC+与IUC-间输出电压为UU=0.01IU×8=0.08IU。图中78L05用于提供线性光耦输入侧的供电电源,它与输出侧的供电电源独立。
由于R4采样的电流为交流信号,U U则为双极性电压,而T M S320F2812的A/D引脚上的输入电压必须为0~3V的单极性信号,因此还必须通过一个电压变换电路将图4中输出的采样电压变换到0~3V之间(如图5所示),使用虚短虚断原理可以求出T L E2022A的1号引脚输出电压U1=10/5.6UU,TLE2022B的7号引脚输出电压U7=0.5U1+0.5UREF,基准电压UREF=3V,仍由一片精密可调基准电源T L431提供。电路中的参数设计以可能出现的相电流最大值定标,使此时采样的电压信号最终变换到3V,则可以充分利用A/D转换的精度。由以上分析可知,最终送到DSP的A/D引脚上电压U7=1/14IU+1.5,当校准到0~3V之间时,采样电流范围为:-21A≤I U≤21A,因此本系统中电流峰值可达到21A。
三、系统软件设计
本系统的软件全部采用C语言开发,软件的主要功能有:实现位置环、速度环、电流环的控制计算;实现电机位置检测、转速计算;实现两相电流的A/D采样;实现SVPWM控制信号的产生;实现功率驱动保护。其中,位置环,速度环,电流环的控制计算是核心部分。软件从结构上分为主程序,A D C中断处理程序,CAP3中断处理程序,PDPA中断处理程序4部分。
1. 主程序
主程序首先要完成系统和所需各功能模块的初始化,然后开启中断,进入键显循环子程序,等待中断的发生。一旦中断发生,D S P自动执行中断服务子程序,处理完成后继续循环扫描键盘及显示,等待下一次中断的发生。其流程图如图6所示。
2. ADC中断处理子程序
电流A/D转换完成后产生A D C中断。每次进入A/D中断都将进行一次电流环的控制计算,并产生空间电压矢量(SVPWM)控制信号输出。通过在子程序中设置计数器可以保证每隔固定次数的A/D中断进行一次位置环和速度环的计算,以使得外环的采样频率比内环(电流环)小。
3. CAP3中断处理程序
DSP的CAP3引脚接光电编码器的Z信号输出,因此电机每运行一周(机械角度),将产生一个Z信号,系统将产生一次捕获中断,在其中断处理子程序中对电机零位位置角更新。
4. PDPA中断处理程序
当系统出现过压、过流等故障时,DSP的PDPINTA引脚电压由高电平变为低电平,系统产生PDPA中断,在其中断子程序中将切断DSP的PWM输出,设置输出引脚为高阻状态。
四、结束语
油田抽油机现场不带速度位置传感器;对永磁同步电机实现速度闭环矢量控制;能判断当前是否处于正常运行状态,如能够判断当前是否停机,变频器是否报出故障等。如果是意外停机,如雷击或电网大干扰造成的停机要能够自行控制变频器重新启动,可根据实际情况加一些智能型的判断。
分析了数字化电流控制的实现方法,比较了常用的电流控制和P W M技术,详细介绍了空间电压矢量算法的实现,并推导出伺服控制系统位置、速度、电流3个控制环的数学模型。
完成了以TMS320F2812 DSP为控制核心的全数字化PMSM伺服系统的硬件和软件设计,对系统硬软件各部分的结构和功能分别做了阐述。
摘要：本文介绍了以TMS320F2812 DSP为控制核心的全数字化永磁同步电机伺服控制系统的硬件和软件设计,对控制系统硬件和软件各部分的结构和功能作了详细的阐述。
关键词：伺服系统,永磁同步电机,矢量控制,空间电压矢量PWM,DSP
参考文献
[1]金钰,胡佑德,李向春.伺服系统设计指导[M].北京:北京理工大学出版社,2000
[2]肖英奎,尚涛,陈殿生.伺服系统实用技术[M].北京:化学工业出版社,2004
[3]郭庆鼎,王成元.交流伺服系统[M].北京:机械工业出版社,1994
[4]李志民,张遇杰.同步电机调速系统[M].北京:机械工业出版社,1996
[5]李钟明,刘卫国,刘景林,等.稀土永磁电机[M].北京:国防工业出版社,1999
矢量控制的发展与研究现状 篇10
关键词：异步电机,矢量控制,综述
引言
矢量控制理论是由德国的F.Blaschke在1971年首先提出的, 它是从电机统一理论、机电能量转换和矢量变换理论的基础上发展起来的, 基本思想是把异步电动机模拟成直流电机来控制。通过矢量变换将异步电动机的定子电流在按转子磁场定向的同步旋转的坐标系上进行分解, 得到励磁电流分量和转矩电流分量, 对它们分别进行控制即可得到与直流电机相同的控制特性。矢量控制系统的成功实施, 消除了以往标量控制的缺陷, 同时又大大提高了控制系统的实时控制性能, 使得交流异步电机的变频调速无论是机械特性, 还是动静态特性, 都达到了与直流电机相媲美的境地, 从而将交流电机的变频调速推向了更为广泛的应用领域。本章主要介绍交流异步电机矢量控制的发展与研究现状。
1 20世纪70年代矢量控制技术的诞生
矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制, 也就是把磁场的方向作为坐标轴的基准方向, 电动机电流矢量的大小、方向均由瞬时值来表示。这个理论是1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出的。在1971年德国西门子公司F.Blaschke博士等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。矢量控制实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制, 使交流传动系统的动态特性有了显著的改善, 开创了交流传动的新纪元。矢量控制包括坐标变换和旋转以及其他一些包含非线性的复杂运算, 其运算处理的规模比直流调速大若干倍, 以当时的控制系统无法进行实时控制。而由普通晶闸管构成的逆变器必须有复杂的换流电路才能工作, 一方面降低了系统的可靠性, 另一方面, 由于逆变器的开关频率很低, 不能适应矢量控制中电压电流的快速变化。因此20世纪70年代矢量控制并未走入实用, 但德、美、英、法、意、加拿大等发达国家以当时的及日本都十分重视矢量控制技术的研究, 做了大量的研究工作。
2 20世纪80年代矢量控制技术的发展
欧洲是矢量控制技术的诞生地, 其研究水平一直走在世界的前列。在从20世纪80年代中期到20世纪90年代初期, 欧洲电力电子会议 (EPE) 论文集中涉及到矢量控制的论文占有很大比例。在这当中, 德国SIEMENS公司、Aachen技术大学电力电子和电气传动研究院和德国Braunchweig技术大学W.Leonhard、R.Gabriel、G.Heinemann等教授更是为矢量控制的应用做出了突出贡献, 在应用微处理器的矢量控制研究中取得了许多重大进展, 促进了矢量控制的实用化。由于需要直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制, 在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器, 这显然给许多应用场合带来不便。尽管如此, 矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中。而无速度传感器矢量控制 (省去了轴角编码器) 和其他驱动算法也随后出现, 并且, 这些改进仍在不断加速中。
3 20世纪90年代矢量控制应用
交流电气传动的迅速发展, 一方面离不开电力电子器件不断的发展和进步。交流调速技术的重大变革是以电力电子器件的发展为先导的。从20世纪50年代后期的可控硅 (SCR) , 发展到20世纪60年代的门极可关断晶闸管 (GTO) 、大功率双极型晶体管 (GTR) , 以及80年代以后出现的金属氧化半导体场效应晶体管 (MOSFET) 、绝缘栅双极型晶体管 (IGBT) 、智能功率模块 (IPM) 、集成门极换向晶闸管 (IGCT) 等等。尤其是IGBT的出现, 迅速促使成熟可靠的交流调速产品进入各个工业领域。可以说, 这些新型电力电子器件的发展给高性能交流调速技术的发展奠定了坚实的物质基础。另一方面, 交流调速控制技术, 尤其是复杂的矢量控制算法的实现, 离不开微处理器技术和数字化控制技术取得的巨大进步。Danfoss Drives公司产品经理Tom Momberger的观点是:“将微处理器技术应用于变频驱动器是今天交流驱动器性能提高的主要原因。”1992年开始, 德国西门子开发了6SE70通用型系列, 通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制, 1994年将该系列扩展至315k W以上。
矢量控制核心理论的提出与以DSP为代表的高性能处理器的通用化, 再加上电力电子器件取得的进步, 并辅以现代控制理论, 这四大因素的结合给电气传动领域带来4了深刻的变革。数字信号处理器 (DSP) 的高速运算能力使矢量控制尤其是1983年R.K.Joenen提出的无速度矢量控制 (Sensorless Vector Control, SVC) 系统的软硬件结构得到简化, 这就为性能更优的SVC方案的实施提供了物质保证。而IGBT的进一步发展也为SVC的应用提供了更好的舞台, IGBT除了提高功率器件的开关速度, IGBT还允许迅速地调整电机的工作电压。这使带宽相当高的无速度矢量控制成为可行, 并能快速、高精度地控制转速 (velocityprofiling) 与定位。SVC的实现吸引了产业界人士的广泛关注, Toshiba GE、Yaskawa等公司于1987年分别发表了研究成果, 95年后, Siemens、Yaskawa、Toshiba GE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品, 控制特性也在不断提高, 无速度传感器矢量控制向高性能通用变频器迈出了一大步。
4 21世纪无速度传感器矢量控制技术快速成长
进入21世纪以来, 矢量控制的研究仍在如火如荼地进行, 德国、日本和美国依然走在世界的前列, 但这三个国家各有千秋。日本在研究无速度传感器方面较为先进, 主要应用于通用变频器上;美国的研究人员在电机参数识别方面研究比较深入, 并且将神经网络控制、模糊控制等一些最新的控制技术应用到这方面, 在IEEE的会议和期刊上发表了许多文章。而德国在将矢量控制技术应用于大功率系统方面的实力很强, SIEMENS公司已开始将矢量控制技术应用于交流传动电力机车等兆瓦级功率场合。SVC可以获得接近闭环控制的性能, 同时省去了速度传感器, 通过转子电动势计算转速、比较定子电流转矩分量用PI控制闭环构造转速, 有的研究人员提出使用电机转子槽谐波独立辨识转速。有关参数自适应这方面的研究仍在深入, 如何提高SVC系统的适应性、鲁棒性无疑是一个重要的研究课题。
如今, 有无采用无速度传感器技术已经成为高性能通用变频器和一般变频器的分水岭。Mitsubishi公司的高级磁通矢量控制代表了最新的无速度传感器控制技术, 西门子公司的SE6300、Mitsubishi公司的A740、FUJI公司的VG7S、安川公司的G7、艾默生公司EV6000、科比公司COMBIVERTF5等均为无速度传感器矢量控制变频的典范。国内森兰、汇川、英威腾、普传等公司也相继推出了高性能矢量变频器, 上海艾帕电力电子公司更是率先开发出无速度传感器控制的高性能级联式高压变频器。
5 结论
对矢量控制技术的发展和国际国内的研究现状进行介绍, 从中可以看出无速度传感器矢量控制是未来重点研究方向。随着现代控制理论、数字信号处理器 (DSP) 和电力电子半导体开关器件技术的迅速发展, 实现强鲁棒性、宽调速范围的高性能无速度传感器矢量控制的异步电动机调速的前景令人乐观。
参考资料
参考文献
[1]冯垛生, 曾岳南.无速度传感器矢量控制原理与实践[M].北京:机械工业出版出版社, 2006.[1]冯垛生, 曾岳南.无速度传感器矢量控制原理与实践[M].北京:机械工业出版出版社, 2006.
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