C650立式機(jī)床電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)【全套設(shè)計(jì)含CAD圖紙】
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高性能異步電機(jī)控制通過(guò)反饋線性化
提出了一種Abstract一This反饋線性化方法對(duì)高性能的感應(yīng)電機(jī)控制。這個(gè)討論了方法的基本原理,而大部分在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)流行磁場(chǎng)定向控制技術(shù)。用一些波形圖說(shuō)明PWM波形換向感應(yīng)電機(jī)的屬性和控制通過(guò)給出反饋線性化。
介紹：
異步電機(jī)由于其眾所周知的優(yōu)點(diǎn)，制造簡(jiǎn)單、可靠性高、外校簡(jiǎn)單和成本較低，具有非常廣泛的工業(yè)應(yīng)用。此外,在對(duì)比直流電機(jī)換向器,也可以用在惡劣的或不穩(wěn)定的環(huán)境,因?yàn)闆](méi)有火花和腐蝕的問(wèn)題。雖然有這些優(yōu)勢(shì),但是，當(dāng)使用感應(yīng)電機(jī)速度調(diào)節(jié)工業(yè)驅(qū)動(dòng)器時(shí)存在控制問(wèn)題。這主要是有三個(gè)原因:(a)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的高階非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的耦合,(b)一些狀態(tài)變量,轉(zhuǎn)子電流和通量,不能直接測(cè)量(c)轉(zhuǎn)子電阻(由于加熱)和磁化電感(由于飽和度)差別很大與顯著的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的影響。最受歡迎的高性能異步電機(jī)控制方法稱為磁場(chǎng)定向控制法(FOC)或向量控制法由Hasse[4]和Blaschke[1]提出。 在這個(gè)方法的電機(jī)方程(被改寫)轉(zhuǎn)換在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的調(diào)和系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶俊＿@些新的坐標(biāo)被稱作場(chǎng)效應(yīng)坐標(biāo)。 在字段坐標(biāo)—不斷轉(zhuǎn)子磁鏈幅值——有一個(gè)關(guān)聯(lián)控制變量之間的線性和速度。此外,在他勵(lì)直流電機(jī)中, 為了限制定子電壓的在很高的電壓在磁場(chǎng)減弱的地區(qū)通量幅度可以被減少。坐標(biāo)具有良好的物理基礎(chǔ), 因?yàn)樗仙a(chǎn)的解耦扭矩他勵(lì)直流電機(jī)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，,從理論的角度其他類型的坐標(biāo)可以選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)解耦和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的方程線性化。Krzeniinski[7]提出了一種非線性控制器的基礎(chǔ)上多標(biāo)量電機(jī)模型。 在這種方法中,像同樣的磁場(chǎng)定向控制器,它假定了轉(zhuǎn)子磁鏈。
IEEE目錄編號(hào):95 TH8081
振幅規(guī)定是一定值。因此,汽車速度只有從轉(zhuǎn)子磁鏈漸近解耦，基于投入產(chǎn)出線性化Bodson et al.[2]已經(jīng)開發(fā)了一種非線性控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈能準(zhǔn)確解耦的。這個(gè)系統(tǒng)也能使用在場(chǎng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換上。馬里諾et al.[8、9]提出了一種非線性變換電機(jī)的狀態(tài)變量,以便在新的坐標(biāo),速度和轉(zhuǎn)子磁鏈幅值的解耦反饋。類似的轉(zhuǎn)變Sabanovic et al.[E]就已經(jīng)用于解耦轉(zhuǎn)子磁鏈和速度滑動(dòng)模式控制器。感應(yīng)電機(jī)反饋線性控制在本文中被提出，與之形成鮮明對(duì)比的是，[2，3]大量圖表和場(chǎng)定向控制關(guān)系被討論。同時(shí),數(shù)字說(shuō)明了控件的屬性，在系統(tǒng)電機(jī)PWM逆變器中被顯示出來(lái)。
感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)描述是基于復(fù)雜的空間向量,它定義在一個(gè)調(diào)和系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)角速度剛剛好。在每單位和實(shí)時(shí)表示下面的矢量方程，描述電機(jī)的動(dòng)作[6]:
電磁轉(zhuǎn)矩米可以表達(dá)為：
在鼠籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子矢量電壓從Eq.2消失的案例中,有零值。 如果一個(gè)電流控制PWM逆變器被使用,定子電壓Eq.1可以忽略不計(jì),因?yàn)樗粫?huì)影響控制動(dòng)態(tài)變化的進(jìn)行。
磁場(chǎng)定向控制（FOC）
在磁場(chǎng)定向控制的情況下,它和選擇角速度坐標(biāo)調(diào)和系統(tǒng)一樣非常方便。根據(jù)這些假設(shè),代替的轉(zhuǎn)子電流轉(zhuǎn)子電壓矢量的Eq.2 Eq.4已經(jīng)獲得微分方程解的轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?
轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr表示為：
在場(chǎng)效應(yīng)坐標(biāo)x-y有：
Eq. 7可以表示如下：
圖1的異步電機(jī)在x-y字段坐標(biāo)。
Eq.10描述對(duì)定子電流通量的影響，根據(jù)Eq.6,可以表述為:
方程中Eq.10、Eq.12和Eq.5來(lái)自形式框圖感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向調(diào)和x-y(圖1)?？刂葡到y(tǒng)的圖表應(yīng)用于異步電機(jī)(直接定向)在圖2中。在許多情況下在流量、速度、Isx,Isy控制器,簡(jiǎn)單的PIT調(diào)節(jié)器中使用。
反饋線性化控制方法（FLC）
使用p.u.時(shí)間我們可以把感應(yīng)電機(jī)方程寫成以下形式[6、11]:
當(dāng)
且
注意，不依賴于控制信號(hào)，在本例中,它是很容易選擇兩個(gè)變量?jī)H依賴于x。 例如,我們可以定義[5、10]：
圖2 感應(yīng)電機(jī)定向控制
讓作為輸出變量，以獲得：
1．連續(xù)變化振幅,；
2. 0參考角的速度。
部分新狀態(tài)變量,我們可以選擇根據(jù)Eq.18,Eq.19。 因此完整的定義新坐標(biāo)是[8,9]:
注意,第五個(gè)變量無(wú)法完全線性化，線性化只能部分。表示:
然后給出了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo):
在接下的這一部分中,我們將考慮系統(tǒng)包含第一個(gè)部分中第四方程。注意,第五個(gè)方程如下：
我們可以重寫保持系統(tǒng)Eq.22如以下：
D由：
得出。
簡(jiǎn)單的計(jì)算后可以獲得:
圖3. 異步電動(dòng)機(jī)的框圖
新的控制信號(hào)v1、v2(反饋線性化) ：
和
容易得出如果，在這種情況下我們可以定義為反饋：
在D-I我們可以使用下列公式計(jì)算：
結(jié)果的系統(tǒng)描述方程:
異步電動(dòng)機(jī)的框圖和新的控制信號(hào)呈現(xiàn)在圖3。
控制信號(hào)v1、v2可以計(jì)算使用線性反饋:
在系數(shù)k11,,k12,k21 k22,選擇確定閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。
控制算法分為兩個(gè)步驟:
1、計(jì)算v1、v2根據(jù)Eq.32、Eq.33,
2、根據(jù)Eq.29計(jì)算Usα,usβ。
控制系統(tǒng)的圖表應(yīng)用于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(反饋線性化)呈現(xiàn)在圖4。
圖4. 感應(yīng)電機(jī)通過(guò)反饋線性化的控制
結(jié) 果
用線性速度和轉(zhuǎn)子磁鏈控制器(電機(jī)、變頻器并給出了控制器的數(shù)據(jù)顯示,在附錄) 獲取FLC和FOC系統(tǒng)模擬波形圖方法在圖5。這些波形圖在電機(jī)是正弦脈寬調(diào)制逆變器電壓給定時(shí)顯示速度逆轉(zhuǎn)不斷變化的幅值和字段削弱范圍。可以看到從圖5 B的磁場(chǎng)定向控制并不能保證完全解耦分析電機(jī)速度和流量。用線性速度控制器FOC實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流限制,如同PLC系統(tǒng)限制轉(zhuǎn)矩(見(jiàn)圖5)。因此，在FOC系統(tǒng)扭矩值減少削弱部分和速度慢于FLC系統(tǒng)。
圖5.
圖5的異步電機(jī)控制通過(guò)反饋線性化和磁場(chǎng)定向控制(速度逆轉(zhuǎn)mcludmg字段削弱范圍)。a).實(shí)際和參考速度(ωmref,,. ωr) b). 轉(zhuǎn)矩m c). 通量成分和振幅(Ψrα, Ψr), d) 電流方向isy, e) 轉(zhuǎn)矩方向isy，, f) 當(dāng)前組成lsβ
保證FOC系統(tǒng)完全解耦系統(tǒng)工作在字段削弱地區(qū)一個(gè)PI速度控制器和非線性部分(控制器輸出信號(hào)應(yīng)該分離)轉(zhuǎn)子磁鏈幅值必須應(yīng)用。這個(gè)除法彌補(bǔ)了內(nèi)部乘法 產(chǎn)生的所需扭矩磁場(chǎng)定向坐標(biāo)（圖1）。這樣一個(gè)非線性速度控制器一個(gè)非常類似FLC行為的方法,可以實(shí)現(xiàn)(參見(jiàn)圖6)。 在圖7。參考變化為了通量振幅的響應(yīng)速度恒定被提出。注意,在對(duì)比FOC系統(tǒng)(控制變量usx usy), 控制變量方法在PLC系統(tǒng)V1,V2是完全脫離。
圖6.
圖6 的異步電機(jī)控制通過(guò)反饋線性化和磁場(chǎng)定向控制(速度逆轉(zhuǎn)mcludmg字段削弱范圍)。a).實(shí)際和參考速度(ωmref,,. ωr) b). 轉(zhuǎn)矩m c). 通量成分和振幅(Ψrα, Ψr), d) 電流方向isy, e) 轉(zhuǎn)矩方向isy，, f) 當(dāng)前組成lsβ
圖7
圖7感應(yīng)電機(jī)的控制通過(guò)反饋線性化和磁場(chǎng)定向控制(響應(yīng)速度變化-常數(shù) 參考范圍) ,a )實(shí)際速度和參考速度 b)引用的控制信號(hào)A - c)引用的控制信號(hào) d)當(dāng)前通量 e)轉(zhuǎn)矩電流Isy。
結(jié) 論
在這個(gè)工作高績(jī)效反饋線性化控制方法(FLC)系統(tǒng)的PWM反向感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)被提出。方框圖和傳統(tǒng)磁場(chǎng)定向控制的關(guān)系(FOC)被討論。控制系統(tǒng)的主要特色與優(yōu)勢(shì)可以歸納如下:
1、與控制變量v1、v2,方法準(zhǔn)確保證解耦的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈控制在兩個(gè)動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)。因此,高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作在這兩個(gè)常數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)削弱范圍可以實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)線性速度和流量控制器。
2、控制變量是is1,is2,FOC系統(tǒng)不能保證完全解耦的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈控制在動(dòng)態(tài)的范圍。因此,高績(jī)效驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作在這兩個(gè)常數(shù)和弱場(chǎng)范圍,需要一個(gè)速度控制器與非線性(除去載流子的幅值)的部分。
3、方法是建立在一個(gè)實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋的和需要更復(fù)雜的信號(hào)處理的詳細(xì)情況(電機(jī)狀態(tài)變量和負(fù)載轉(zhuǎn)矩是必需的)。
4、同時(shí),轉(zhuǎn)換和新的控制變量,V1,V2用于FLC沒(méi)有直接意義如Isx,Isy(磁鏈和轉(zhuǎn)矩分離)在FOC系統(tǒng)中。
5、FOC可以實(shí)現(xiàn)在傳統(tǒng)串級(jí)控制結(jié)構(gòu),因此可以很容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù),使用參考電流限制器的輸出流量和速度控制器分別控制。
6、可以預(yù)計(jì)的是，因?yàn)樵贔LC變量及其衍生物作為新的坐標(biāo)，很適合進(jìn)行滑動(dòng)模式的速度和位置控制器。因此,FLC創(chuàng)建一個(gè)要求異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能很高的系統(tǒng)替代FOC應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
附錄：
電機(jī)參數(shù)
控制器參數(shù)
反饋線性化：
逆變參數(shù)：
定子:
通量PI控制器：
速度PI控制器：
電流控制器：
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