電機控制技術的研究

1、電機控制技術的研究（作者：）（）指導教師：【摘要】介紹了電力電子技術的發(fā)展過程,剖析了運動控制器中應用的各種電子技術。結合電機技術和微控制器技術研究現(xiàn)狀,分析了電機運動控制領域內(nèi)的最新進展和發(fā)展趨勢?！娟P鍵詞】電力電子技術 電機技術 微控制器 電機運動控制Motor Control Technology Research Author: Zhang Xiaowen（Grade10 Class2） Electronic and Information Engineering,Class electronic Information Engineering,Major electronic and

2、 Information Engineering，Ankang University，Ankang 725000，Shaanxi）Directed by LvfangxingAbstract：Introduces the power electronic technology development process,analysis of the motion controller controller in the application of the various electronic technology.A combination of electrical technology a

3、nd micro controller technology research,analysis of the motor motion control in the field of the lastest progress and developing trend.Key words：Power electronic technology , Electric motor technology , Micro controller , Motor control 一 、引言電機是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的設備，它在機械、冶金、石油、煤炭、化學、航空、交通、農(nóng)業(yè)以及其他各種工業(yè)領域中都有著廣泛的應

4、用。隨著現(xiàn)代電力電子技術的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電機控制技術正朝著小型化和智能化的方向發(fā)展。電機的運行及特性的控制都是電機控制技術的研究重點，其中，最主要的是對電動機速度的控制。隨著微電子技術和電力電子技術的快速發(fā)展，以電子控制為電機控制的主要形式，已慢慢發(fā)展成為一門以電機為載體，利用高新技術來改造傳統(tǒng)的電機技術的主要方式。但是相比較國外的控制器，國內(nèi)生產(chǎn)的控制器的配套設備相對缺乏，大大制約了我國電機控制器的發(fā)展。二、電機控制技術的研究 1.面裝式永磁同步電機電流矢量直接控制技術 （1）永磁同步電機數(shù)學模型圖1為永磁同步電機空間矢量圖。忽略電機鐵心飽和，不計渦流和磁滯損耗，假設電機電流為對稱的三相正弦

5、波電流，那么電機數(shù)學模型為式中：Ud和Uq為d-q軸同步旋轉(zhuǎn)坐標系下定子電壓分量；和為定子磁鏈分量；id和iq為d軸和q軸定子電流分量；為轉(zhuǎn)子電角速度；Ld和Lq分別為直軸同步電感和交軸同步電感；R為定子繞組電阻：為與定子繞組交鏈的轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；P為轉(zhuǎn)子極對數(shù)；為轉(zhuǎn)矩角；為負載角。圖1. 磁同步電機空間矢量圖（2）PMSM電流矢量直接控制技術 面裝式永磁同步電機定子電壓矢量方程為 為簡化計算，忽略定子電阻的影響，有可表示為 因此，通過選擇合適的空間電壓矢量，可以像直接轉(zhuǎn)矩控制中改變磁鏈的運動軌跡那樣，改變電流的運動軌跡，在穩(wěn)態(tài)下，將電流矢量矢端的軌跡控制為以蚓為半徑的圓，稱其為“穩(wěn)態(tài)電流圓”

6、。實際上，電機轉(zhuǎn)矩的動態(tài)調(diào)節(jié)過程是在不同穩(wěn)態(tài)電流圓間相互切換的過程。圖2為SPMSM電流矢量直接控制框圖，轉(zhuǎn)矩給定由外部轉(zhuǎn)速環(huán)控制器給定或直接給定，然后除以轉(zhuǎn)矩系數(shù)得到期望的電流幅值圖2 PMSM電流矢量直接控制框圖（3）開關表分析低速時(接近零速)，運動電動勢較小 式中：刀為采樣時刻；r為采樣周期。由此可得低速時在一個采樣周期內(nèi)電流矢量的運動趨勢如圖3(a)所示?？梢姡谝粋€控制周期內(nèi)，電流矢量的運動方向與所加電壓矢量的運動方向相同，電流矢量的運動速度在6個非零電壓矢量作用時也相同，這與直接轉(zhuǎn)矩控制時磁鏈矢量的運動情形類似。 a低速b高速圖3 典型的電流軌跡運動趨勢示意圖（4）仿真結果基于上

7、述控制策略，在MatlabSimulink下建立了面裝式永磁同步電機電流矢量直接控制系統(tǒng)模型，系統(tǒng)仿真結構如圖4所示。電機參數(shù)如下：額定電壓：300 V；額定轉(zhuǎn)速：2 000rrain；額定轉(zhuǎn)矩：8Nm；定子電阻：09585Q；d軸電感：525mH；g軸電感：525 mH；永磁體磁鏈：0182 7 Wb：轉(zhuǎn)動慣量：6329x10-4 kgm2；極對數(shù)：4。仿真中采樣時間取為40s，電流矢量幅值滯環(huán)比較器的寬度取06 A，轉(zhuǎn)矩角滯環(huán)比較器的寬度取10。，設定轉(zhuǎn)子磁鏈初始位置為噸2。圖7為電機轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應特性曲線，粗實線為轉(zhuǎn)矩給定，細實線為實際輸出轉(zhuǎn)矩，在l ms時刻，轉(zhuǎn)矩給定由2 N·

8、m階躍到8 Nm，大約經(jīng)120 us，電機輸出轉(zhuǎn)矩迅速跟蹤給定值，且無超調(diào)。可見，本文所提控制技術具有很高的轉(zhuǎn)矩響應速度。圖8和圖9為永磁同步電機啟動和穩(wěn)態(tài)運行時電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩角、電流圓和磁鏈圓波形。圖4 電機轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應a 電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩角波形圖5 電機啟動和穩(wěn)態(tài)時波形2.電動車輛電機控制技術的應用與研究（1）電動車輛電機系統(tǒng)控制技術 電動汽車驅(qū)動電動機主要有：直流電動機(Dc)，感應電動機(IM)，永磁電動機(BDCM和PMsM)和開關磁阻電動機(SRM)。 當電動汽車減速或制動時，電機處在發(fā)電制動狀態(tài)，給電池充電，實現(xiàn)機械能到電能的轉(zhuǎn)換。在電動汽車上，由功率半導體器件構成

9、的PWM功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電。三相感應電機逆變器的控制方法主要有v，f控制法、轉(zhuǎn)差頻率控制法、直接轉(zhuǎn)矩控制法(DTC)和矢量控制法。其中，后兩種控制方式目前處于主流的地位，這兩種控制方法原理如下所述。 a. 直接轉(zhuǎn)矩控制技術圖6 直接轉(zhuǎn)矩控制原理直接轉(zhuǎn)矩控制的原理框圖如上圖所示。它是以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不采用解耦的方式，從而在算法上不存在旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制如圖所示，為一種直接轉(zhuǎn)

10、矩控制異步電機的框圖。由于它省掉了矢量變換方式的坐標變換與計算和為解耦而簡化異步電動機數(shù)學模型，沒有通常的PwM脈寬調(diào)制信號發(fā)生器，所以它的控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。b. 矢量控制技術矢量控制基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體原理是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱

11、這種控制方式為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。此外，電動車的直流電機控制技術也是保障電動車性能的關鍵技術。電動汽車直流電機控制系統(tǒng)中的直流電機通常采用串勵電機或他勵電機。當電動汽車制動和減速時，一般采用再生制動。再生制動是利用直流電機可以從電動機運行狀態(tài)平滑地轉(zhuǎn)換到發(fā)電機運行狀態(tài)這一特性。此時，電機轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，電機吸收機械能，把機械能轉(zhuǎn)化為電能儲存起來，可節(jié)省能量。直流電機的控制器采用的是斬波控制器(又稱電壓斬波器)，它是直流電源和負載電機之間的一個周期性通斷的開關控制裝置，它的作用是通過改變供給

12、直流電機的電壓，來控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。（2）電動車輛電機控制技術的發(fā)展趨勢 計算機技術的發(fā)展，電子技術的高速進步，高速、高集成度、低成本的微機專用芯片以及DsP等的問世及商品化，使全數(shù)字的控制系統(tǒng)成為可能。用軟件代替硬件，除完成要求的控制功能外，還可以具有保護、故障監(jiān)視、自診斷等其它功能。另外，為提高控制系統(tǒng)的可靠性和實用性，應使得改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型也簡單易行。全數(shù)字化是電動車控制技術的重要發(fā)展方向之一。隨著電動車技術的成熟，相信有關發(fā)動機的控制技術將會取得更大的進步，而這也將對電動車工業(yè)的發(fā)展起到式等。l巨大的推動作用。3.無刷直流電機控制技術 各組成部分發(fā)展狀況 （a）電機

13、本體無刷直流電機在電磁結構上和有刷直流電機基本一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子采用的重量、簡化了結構、提高了性能，使其可靠性得以提高。無刷電機的發(fā)展與永磁材料的發(fā)展是分不的，基本上經(jīng)歷了鋁鎳鈷，鐵氧體磁性材料和釹鐵硼三個發(fā)展階段。 （b）電子換相電路控制電路:無刷直流電機通過控制驅(qū)動電路中的功率開關器件，來控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護電機，包括過流、過壓、過熱等保護?？刂齐娐纷畛醪捎媚M電路，控制比較簡單。目前，控制電路一般有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號處理器等三種組成形式。 驅(qū)動電路:驅(qū)動電路輸出電功率，驅(qū)動電機的電樞繞組并受控于控制電路，它一般由大功率開關器件組成。隨著電力電

14、子技術的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了全控型功率開關器件。目前，全控型開關器件正在逐漸取代普通晶閘管，驅(qū)動電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的開關狀態(tài)，同時電路組成也由功率管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路。（c）轉(zhuǎn)子位置檢測電路永磁無刷電機是一閉環(huán)的機電一體化系統(tǒng)，它是通過轉(zhuǎn)子磁極位置信號作為電子開關線路的換相信號。目前，磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應用于無刷直流電機中，另外還有光電式的位置傳感器。為了適應無刷電機的進一步發(fā)展，無位置傳感器應運而生；近年來，一種新型無位置傳感器的無刷電機正處于研制之中。4. 交流電機控制技術(1)矢量控制技術的現(xiàn)狀與展望目前，在矢量控制方面出現(xiàn)了許多新興的技術，如磁通的快速控制、

15、參數(shù)辨識和調(diào)節(jié)器自整定、非線性自抗擾控制器以及矩陣式變換器技術等。在不久的將來，矢量采用高速電機控制專用DSP、嵌入式實時軟件操作系統(tǒng)，開發(fā)更實用的轉(zhuǎn)子磁場定向方法和精確的磁通觀測器，使變頻器獲得高起動轉(zhuǎn)矩、高過載能力，將是未來矢量控制技術的重要發(fā)展方向。(2)直接轉(zhuǎn)矩控制技術的現(xiàn)狀與展望直接轉(zhuǎn)矩無差拍控制是基于離散化直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)提出來的一種控制方法。無差拍控制可以在一個控制周期內(nèi)，完全消除定子磁鏈模值和電磁轉(zhuǎn)矩的動、靜態(tài)誤差，消除由于使用滯環(huán)比較器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動，使電機可以運行在極低速下，擴大了調(diào)速范圍。轉(zhuǎn)矩跟蹤預測控制方法認為磁鏈模值已經(jīng)被準確控制或只發(fā)生緩慢地變化，沒有考慮磁鏈模值的

16、控制問題。隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制技術必將有所突破。一是交流調(diào)速向高頻化方向發(fā)展，進一步提高控制性能，消除脈動，其中空間矢量脈寬調(diào)制和軟關斷技術又是重點。二是與智能控制相結合，使交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有一個根本的提高。目前，直接轉(zhuǎn)矩控制主要有以下幾種新興技術：（a） 模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制: 模糊控制是根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制規(guī)則決策表，采用人類思維中模糊量、控制量，由模糊推理導出。神經(jīng)網(wǎng)絡控制是人腦神經(jīng)系統(tǒng)的某種簡化抽象和模擬，由大量的簡單的神經(jīng)元互相連接形成的高度復雜的非線性系網(wǎng)絡系統(tǒng)，具有逼近任意非線性函數(shù)的功能、高容錯性、多輸入輸出特性，易用于多變量系統(tǒng)的控制。（b） 魯棒控制和自抗擾控制器: 魯棒控制是針對時間域或頻率域來說的，一般假設過程動態(tài)特性的信息和它的變化范圍。自抗擾控制器利用非線性結構克服經(jīng)典PID 的缺陷，抵消和估計出異步電機高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)中，同步旋轉(zhuǎn)坐標系中定子電壓方程存在的非線性耦合作用，使電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量與勵磁分量的相互影響，主要用于異步電機的非線