AC motor control (chinese)

8/18/2019 AC motor control (chinese)

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交流电机控制基础

第章交流电机控制系统概述

李珍国[email protected]

-目录 –

交流电机控制系统的构成

交流电机控制系统与直流电机控制系统

的比较

交流电机难以控制的理由

电机控制系统相关术语和定义


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第一章交流电机控制系统概述

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电机控制系统向结构简单操作方便高性能等方向发展

直流（DC）电机

现在的交流（ AC）电机: 方便维护模拟（ Analog）型数字（Digital）型软件（Software）型控制电路:追求高性能和操作方便

有这种转变的三条理由：

1. 已开发出了针对交流电机即感应电机（Induction Motor ，I.M.）和同步电机（Synchronous Motor ，S.M.）的高性能控制理论。

2. 高开关频率大容量开关器件的问世，促进了大容量逆变器（Power Inverter ）控制技术的发展，使得交流电的高精度和高速控制变为可能了。

3. 随着大规模集成电路（Large-scale integration，LSI）、微处理器（Microprocessor ）、数字信号处理器（digital signal processor ，DSP）等的进步，系统的数字化和软件化也变为可能了。


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1.1 交流电机控制系统的构成

交流电机控制系统的般构成

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常用的交流电机：三相笼型感应电机和三相永磁同步电机

三相永磁同步电机由于用功率半导体开关器件代替了直流电机中的电刷和换向器，

所以也常被称无刷直流电机（Brushless DC Motor ，BLDC）。对应于这个名称，有时也把交流电机单指三相笼型感应电机。此外，对于交流电机控制系统中，较常用的功率变换器为三相电压型PWM逆变器。


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整体系统的控制框图

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1.1 交流电机控制系统的构成

根据控制系统的回路是模拟还是数字，分为模拟型和数字型电机控制系统。伴随着数字IC的发展，位置、速度和电流控制都成为数字化。

再由于出现了高性能的微处理器和数字信号处理器，其全数字化变为可能。一旦使用了处理器，由于控制是通过软件来实现的，所以也叫做软件型电机控制系统


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1.2 交流电机控制系统与直流电机控制系统的比较

直流电机

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直流电机是通过气隙磁通与电枢电流的乘积产生电磁转矩的。

（靠机械的方式形成的互相垂直）

要保持气隙磁通基本不变，所以转矩控制只能通过控制电枢电流大小来实现。转矩控制变得简单。

在电力变换和控制技术未成熟的时期，电机控制系统中的电机大都采用直流电机。

但是直流电机由于存在电刷的维护性问题，因此交流电机渐渐…

交流电机控制系统的控制装置比直流电机控制系统复杂得多。

随着电力变换和控制技术的进步、功率开关管器件和处理器等构成控制装置的部件的价格下降，到现在交流电机控制系统已变为主流。


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感应电机

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定子电流中包含着对应于直流电机中励磁电流和电枢电流的两个分量。

感应电机控制系统中，常把这两个分量再分成互成直交的矢量来进行控制，即进行所谓的矢量控制。

至于转矩控制，感应电机的控制虽比同步电机的控制复杂，但由于电机本身具有的坚固性优点，使得在较大容量系统中常常被使用。

此外，与同步电机控制不同的是，即使在无负载情况下，感应电机也需要励磁电流。

运行异常时的制动，一般采用机械制动或依靠事先准备好的直流电源的直流制动方法


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永磁同步电机

永磁同步电机是靠旋转的永久磁铁形成气隙磁通，并与其互成直交的三相电枢

电流的合成矢量一起产生电磁转矩。

由于只要控制好电枢电流，就能达到控制转矩的目的，因此比感应电机控制简单、易实现。

此类电机在较小容量系统中，由于电机的效率高，而常被使用。此外，永久磁铁存在退磁的问题。

当电枢电流过于大时，出现此情况，而不能正确输出所需转矩。

因此，永磁同步电机控制系统中，应注意最大电枢电流问题。

运行异常时的制动，可采用通过电阻短接电枢线圈的方法来实现。显然在这方面，比感应电机好。


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φ φ

发电制动机械制动或直流制动发电制动异常

时的

制动

较复杂复杂简单控制

难度

需要不需要需要退磁

维护

需要不需要不需要

磁极

检测

电枢电流控制

（三相交流）

定子电流控制

（三相交流）

电枢电流控制

（双极性直流）

转矩

控制

控制

回路

功率变换

电路

控

制

系

统

同步电机控制系统感应电机控制系统

交流电机控制系统直流电机控制系统分类


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1.3 交流电机难以控制的理由

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直流电机

F

F

φ

a I

a I

ω ω

F

a I

φ

φ

F

a I

90 β =

90 β =

sin f LiB β =

左手定则，Left-hand rule

可知，通过左手定则很容易定量地计算出所需转矩相对应的电枢电流。

因此直流电机的转矩或速度控制的实现相对容易一些。


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对于交流电机来说，每时每刻磁通的大小和方向、以及电流的方向在发生变化。因此虽然可通过等效电路、输入输出关系和矢量图等方法进行解析并控制，但是所有这些方法的适用条件为系统处于稳定状态。

基于以上理由可知，要得到与直流电机同等效果的控制将会不容易，

而要进行瞬时值的解析或控制就得需要其它的方法。

对于交流电机的控制，为了能够利用直流电机的控制方法，我们可以转换思考方法。当假设我们能够捕捉交流电机每时每刻的磁场方向，且以变化的磁场方向为参照物

建立坐标系，在这个坐标系上分析和考虑交流电机的电磁转矩的产生时，会发现其与直流电机的电磁转矩的产生很相似。

这时，只要通过各种方法控制好与磁场方向成90的电流值，就可得到与直流电机

相同的控制性能效果。这就是交流电机矢量控制的初衷。

这个想法具体到底怎么理解和实现？

交流电机

1.3 交流电机难以控制的理由


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1.4 电机控制系统相关术语和定义

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1 4 1 电机相关术语和定义

1

Ls R+v

T K i eT

LT

1

Js

E K

e

rmω

电机框图

（1）转矩系数〔N.m/A〕T

K

（2）电势系数〔V/rad/s〕 E K

（3）电气时间常数〔s〕 E T 0 (1 ) E

t

T

i i e

−

= −

（4）机械时间常数〔s〕 M T

E

LT R

=

M

T E

J RT

K K

⋅=

⋅ 0(1 ) M

t

T

rm rm eω ω −

= −

（5）固有角频率〔rad/s〕和衰减系数0ω 0α

2

2 2( )

2

n

n n

k G s

s s

ω

ζω ω =

+ +

1n

E M T T

ω = 1

2

M

E

T

T ζ =

2

1,2 0 0 1n ns j jα ω ζω ζ ω = − ± = − ± −

衰减率非衰减固有角频率


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1 4 2 控制相关术语和定义

电机控制系统框图

＋－

1

Ls R+

v

＋

－

T K

i eT

LT

1

Js

E K e

rmω

iK

＋

－

K ω ＋

－

K θ ＋

－

1

s

*i

*

rmω

rmθ

*

rmθ

电流环

速度环

位置环

（1）位置环系数Gθ G K θ θ =

（2）速度环系数 Gω T K K G

J

ω ω =

（3）电流环系数 iG ii

K G

L

=

（4）系统刚性：对应于单位变位角的恢复转矩值K T K K K K G G J θ ω θ ω = =

（5）粘性系数：由速度反馈引起的等效粘性系数 D T D K K G J ω ω = =


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1 4 3 系统性能相关术语和定义

（1）额定加速时间常数〔s〕 N

T

是指当电机以额定输出转矩加速时，达到额定角速度所需时间

rmN N

eN

J T

T

ω =

（2）功率变化速度〔W/s〕 N Q

是指当电机以额定输出转矩加速时，电机输出功率的增加速度

2

N eN N

N

P T Q

T J = =

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