電機(jī)控制算法討論.-共40頁(yè)課件

1、 王彬杰 R&D ABB 04-14-2019電機(jī)控制算法探討Woshijiajk;a gl a;l ;主要內(nèi)容一、電機(jī)控制理論背景1.異步電機(jī)模型及矢量控制框圖2.同步電機(jī)模型矢量控制框圖3.統(tǒng)一控制模型4.VF框圖二、具體實(shí)現(xiàn)及一些細(xì)節(jié)問題的討論1.PMSM轉(zhuǎn)子磁極的檢測(cè)2.PMSM啟動(dòng)算法以及每轉(zhuǎn)校正環(huán)節(jié)3.死區(qū)補(bǔ)償算法4.位置環(huán)的設(shè)計(jì)5.電流采樣改進(jìn)，初始零點(diǎn)采樣加冒泡算法6.如何調(diào)試7.PI主要內(nèi)容一、電機(jī)數(shù)學(xué)模型 由于感應(yīng)電機(jī)的基于靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型是非線性、強(qiáng)耦合的，難以進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變換，可以分別得到基于兩相靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型和基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型。變換示意

2、圖如下圖所示。1.異步電機(jī)模型及矢量控制框圖轉(zhuǎn)矩方程為： （1-1）定子電壓方程： （1-2）其中， 。轉(zhuǎn)差的計(jì)算公式： ，其中 ,因此可令 則得轉(zhuǎn)差 （1-3） 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：分析結(jié)論 由（2-1）可以看出，經(jīng)過(guò)矢量變換后，電磁轉(zhuǎn)矩 只與定子q軸電流 和轉(zhuǎn)子d軸磁勢(shì) 有關(guān)，當(dāng)保持 恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 只與定子q軸電流 成正比，即通過(guò)控制定子電流的q軸分量即可控制電磁轉(zhuǎn)矩。但是在實(shí)際系統(tǒng)中對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈 的觀測(cè)是比較困難的，在工程應(yīng)用中往往采用勵(lì)磁電流 來(lái)給定轉(zhuǎn)子磁鏈，考慮到轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)及磁場(chǎng)建立緩慢的影響，可令給定 ，這樣，在計(jì)算轉(zhuǎn)差時(shí)就可以很方便的使用（2-3）式。 理論上，轉(zhuǎn)差的

3、計(jì)算是以反饋電流來(lái)計(jì)算的，但是由于反饋電流的干擾毛刺較多，容易造成計(jì)算誤差。實(shí)際操作中是以給定電流來(lái)計(jì)算的，雖然與實(shí)際計(jì)算值存在一定的差值，但是計(jì)算結(jié)果較為平滑，可以接受。感應(yīng)電機(jī)全速度范圍內(nèi)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩分析為分析全速度范圍內(nèi)的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，我們需要推到出電機(jī)在dq坐標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)方程。采用的是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，即d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合，則此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通的q軸分量為零（ 0），此時(shí)電機(jī)電壓方程可表示為:推導(dǎo)出電機(jī)穩(wěn)態(tài)方程電機(jī)運(yùn)行時(shí)始終受到到兩個(gè)外部條件的限制，一個(gè)是逆變器的母線電壓 ，由于母線電壓一般是將工業(yè)用電經(jīng)整流得到，所以，其大小是相對(duì)固定的，而電機(jī)所能用到的電壓是與PWM調(diào)制策略相關(guān)的，本文使用的

4、是基于空間電壓矢量的PWM調(diào)制，因此可利用的電壓最大為 。另一個(gè)限制條件是電機(jī)和逆變器的額定電流的限制 。由上所述，調(diào)速系統(tǒng)的限制條件可表示為：當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)時(shí)，電機(jī)電壓方程里的旋轉(zhuǎn)反電動(dòng)勢(shì)遠(yuǎn)大于定子電阻壓降，忽略定子電阻壓降，并代入到限制方程，則限制方程可改寫為：根據(jù)上述限制條件可以畫出電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)空間：在各區(qū)間為了獲得最大轉(zhuǎn)矩，分別提出了不同的控制策略：(1).在基速以下區(qū)域，勵(lì)磁電流保持不變，轉(zhuǎn)矩電流限制在1.5倍的最大值，以使電機(jī)能滿足1.5過(guò)載的要求。(2).在基速以上第一區(qū)間，開始應(yīng)用弱磁策略，使勵(lì)磁電流按一定規(guī)律變小，為獲得最大轉(zhuǎn)矩可令: ,充分利用額定電流。(3).在第二

5、弱磁區(qū)，只有c點(diǎn)才是最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，為保證電機(jī)能運(yùn)行在c點(diǎn)，在C點(diǎn)處：必須滿足:感應(yīng)電機(jī)的矢量控制框圖：同步永磁電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同向，則永磁同步電機(jī)的電壓方程：其中：表示永久磁鐵對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鏈，下標(biāo)dq表示各向量在dq軸上的分量。P是微分算子。電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：考慮到一般伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子為圓筒表貼式結(jié)構(gòu)，則電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布均勻，那么電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)成正弦分布，即，則電磁轉(zhuǎn)矩方程可改寫為：轉(zhuǎn)矩與 成正比，即矢量算法的目標(biāo)。 是極對(duì)數(shù)代入磁鏈方程耦合項(xiàng)耦合項(xiàng)永磁同步電機(jī)矢量控制框圖：電流反饋解耦控制：從電機(jī)的定子電壓方程，可以看出，d軸和q軸存在耦合現(xiàn)象，

6、如果不進(jìn)行處理，則d軸和q軸電流環(huán)無(wú)法進(jìn)行線性控制。由于轉(zhuǎn)子是永磁體，定子側(cè)無(wú)需再進(jìn)行勵(lì)磁，則可令 恒等于零，即可得到線性化解耦的效果。如何控制 ？計(jì)算出定子側(cè)d軸方向的定子電流。d軸放在轉(zhuǎn)子磁極方向上找到轉(zhuǎn)子磁極的位置。倒推Park變換計(jì)算得出反饋電流閉環(huán)控制假設(shè)我們已經(jīng)知道轉(zhuǎn)子的磁極位置（磁極位置判斷在后面章節(jié)）：設(shè)A相繞組電樞電流相位 和A相繞組軸線與d軸夾角 之間的關(guān)系： 為當(dāng)A相繞組軸線與d方向一致時(shí)，A相繞組電流的初始相位。假設(shè)理想的三相平衡電流接入到永磁同步電機(jī)的輸入端，數(shù)學(xué)方程如下：3/2變換由轉(zhuǎn)換結(jié)果可以得出，若想d軸電流為零，即令 為180或0，也就是說(shuō)在得知轉(zhuǎn)子的具體位置

7、時(shí)，進(jìn)行PARK變換時(shí)變換角度 疊加 .這樣即可在控制側(cè)達(dá)到近似解耦的效果。統(tǒng)一控制框圖VF控制算法框圖二、具體實(shí)現(xiàn)及一些細(xì)節(jié)問題的討論1.永磁同步電機(jī)的磁極位置檢測(cè)位置傳感器主要是光電編碼器，主要分為增量型和絕對(duì)性編碼器。國(guó)內(nèi)用于位置控制的碼盤主要是采用混合型編碼器，具體參數(shù)如下：Z與U相信號(hào)的關(guān)系及UVW與轉(zhuǎn)子磁極的關(guān)系（1）.由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)該測(cè)試電機(jī)，測(cè)量在某一轉(zhuǎn)向下線反電動(dòng)勢(shì)的相序關(guān)系，并推導(dǎo)出相反電動(dòng)勢(shì)之間的相序關(guān)系。使電機(jī)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，用示波器測(cè)量?jī)删€反電動(dòng)勢(shì)，右圖是示波器顯示的兩相線反電動(dòng)勢(shì)關(guān)系圖。其中黃色為Euv，藍(lán)色為Ewv，從圖中可以看到Euv超前Ewv 60電角度。轉(zhuǎn)子位

8、置測(cè)量方法（以登奇GK6063電機(jī)為例）及電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)方法：電機(jī)廠家在安裝碼盤時(shí)會(huì)按照一定的規(guī)則，使轉(zhuǎn)子磁極對(duì)應(yīng)碼盤上的一個(gè)固定的位置，但是不同的電機(jī)廠家的安裝方式不同，也就導(dǎo)致了不同電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極位置是不一樣的，當(dāng)我們來(lái)驅(qū)動(dòng)一臺(tái)新電機(jī)時(shí)首先是要確定轉(zhuǎn)子磁極在碼盤上所對(duì)應(yīng)的位置。相量關(guān)系由圖2所示，Evw在Ewv相反方向，所以Evw超前Euv 120，則相反電動(dòng)勢(shì)的相序?yàn)镋u滯后Ev 120，Ev滯后Ew 120,為負(fù)序。圖 2線反電勢(shì)相序（2）.順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，確定Z信號(hào)與UV線反電動(dòng)勢(shì)的相位關(guān)系：Z信號(hào)在UV線反電動(dòng)勢(shì)的-30方向上（3）.分析轉(zhuǎn)子的磁極位置：由于UVW是負(fù)序，

9、即Euv滯后Eu 30，則Z信號(hào)出現(xiàn)在Eu 0位置上，由于相反電動(dòng)勢(shì)滯后磁通90電角度，如圖所示，所以Z信號(hào)所在的位置即磁極D軸所在的位置，D軸與U相夾角為0度。即，若使永磁電機(jī)的模型得到線性解耦，在檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置時(shí)，使電流相位的偏移角度 為0即可。2.同步電機(jī)啟動(dòng)算法以及每轉(zhuǎn)校正環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)子磁極與碼盤的關(guān)系確定后，我們就可以在電機(jī)運(yùn)行中通過(guò)碼盤反饋得到轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，用于PARK變換。目前有兩種常用的方法用于轉(zhuǎn)子位置的判斷：a.啟動(dòng)階段轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)101100110010011001101100110010011001TUTVTW對(duì)于增量是編碼器，控制器在上電運(yùn)行時(shí)是無(wú)法獲得轉(zhuǎn)子的位置信息的

10、。轉(zhuǎn)子的初始位置檢測(cè)是通過(guò)碼盤上的UVW信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一個(gè)周期的UVW信號(hào)與轉(zhuǎn)子的一對(duì)極相對(duì)應(yīng)，即一圈UVW信號(hào)是與轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)一致。這種定位方法會(huì)有不超過(guò)正負(fù)30的誤差，粗定位。 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)06060120120180180240240300300360U111000V001110W100011b.運(yùn)行階段轉(zhuǎn)子位置的校正：一種方法是，由于已經(jīng)確定了轉(zhuǎn)子磁極與Z信號(hào)的關(guān)系，在電機(jī)根據(jù)初始定位啟動(dòng)起來(lái)之后，在一圈之內(nèi)總能捕獲到Z信號(hào)，然后會(huì)進(jìn)行精確定位。另一種方法是根據(jù)根據(jù)UVW三相位置信號(hào)與磁極的相對(duì)位置來(lái)進(jìn)行精確定位，該方法可在60電角度內(nèi)找到磁極的具體位置并進(jìn)行定位。該方法的缺點(diǎn)？最好的

11、辦法。舉例說(shuō)明，取相鄰兩扇區(qū)的WVU信號(hào)為，101/0013.死區(qū)補(bǔ)償死區(qū)的成因及作用理想情況下PWM上下橋臂波形如下圖所示：加上死區(qū)處理的PWM上下橋臂波形：補(bǔ)償原理：?jiǎn)为?dú)分析一對(duì)橋臂，約定流向電機(jī)電流iu，該電流方向?yàn)檎?，從電機(jī)流出的電流的方向?yàn)樨?fù)電流。1表示上橋通，下橋關(guān)，2表示上橋關(guān)，下橋通。針對(duì)導(dǎo)通波形分析前后作用矢量的時(shí)間關(guān)系：T1T2死區(qū)死區(qū)分析三相橋臂的死區(qū)補(bǔ)償：并以SVPWM的一個(gè)區(qū)間為例進(jìn)行分析說(shuō)明：BCA001101000111101001000橋臂順序?yàn)锳BC123456IA 0 IB 0 IC 0 IA 0 IC 0 IB 0 IC 0IA 0 IB 0IA 0 IB

12、 0IA 0 IC 0010減011加零矢量不變010不變011減零矢量加010減011不變零矢量加010加011不變零矢量減010不變011加零矢量減010加011減零矢量不變001加101不變零矢量減001減101加零矢量不變001不變101加零矢量減001不變101減零矢量加001加101減零矢量不變001減101不變零矢量加001加011不變零矢量減001不變011減零矢量加001加011減零矢量不變001減011加零矢量不變001不變011加零矢量減001減011不變零矢量加100不變110減零矢量加100加110不變零矢量減100加110減零矢量不變100減110加零矢量不變100

13、減110不變零矢量加100不變110加零矢量減010不變110減零矢量加010減110加零矢量不變010減110不變零矢量加010加110不變零矢量減010加110減零矢量不變010不變110加零矢量減100減101加零矢量不變100加101不變零矢量減100不變101加零矢量減100不變101減零矢量加100減101不變零矢量加100加101減零矢量不變總結(jié)：橋臂順序?yàn)镃BA4.位置環(huán)設(shè)計(jì)作用？偏差計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)方式實(shí)現(xiàn)比例環(huán)節(jié)的電子齒輪功能，對(duì)由數(shù)字濾波器造成的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)偏差計(jì)數(shù)器清零功能。5.電流采樣的處理 由于電流采樣環(huán)節(jié)是系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行中的重要一環(huán)，其采樣精度對(duì)系統(tǒng)的控制精度起著決

14、定性的作用。如何提高采樣進(jìn)度，一方面硬件電路需要有完善的設(shè)計(jì)，另一方面軟件上也要有一些處理措施。 (1)在系統(tǒng)初始化階段，為了避免硬件電流漂移引起的誤差，使AD連續(xù)多次進(jìn)行電流采樣，然后取平均值，作為電流采樣的零點(diǎn)。 (2)在系統(tǒng)運(yùn)行之后，電流在開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)閉時(shí)刻會(huì)引起尖峰，不僅會(huì)影響到系統(tǒng)的性能還會(huì)引起系統(tǒng)的誤報(bào)警，為了解決這個(gè)問題，一種方法是避開開關(guān)時(shí)刻進(jìn)行采樣，但算法較為復(fù)雜?，F(xiàn)在我們?cè)谝粋€(gè)開關(guān)周期內(nèi)不同時(shí)刻采樣四次，分別拋棄最大和最小的兩個(gè)采樣值，剩下的做平均處理，能獲得較好的效果。6.調(diào)試心得從內(nèi)環(huán)到外環(huán)分步調(diào)試：(1)前向通道測(cè)試：前向通道調(diào)試，主要包括逆CLARK變換、SVPW

15、M模塊和SIN表，輔助模塊為旋轉(zhuǎn)角度發(fā)生模塊。通過(guò)給定旋轉(zhuǎn)角速度和電壓VD、VQ，采用軟件仿真環(huán)境可以得到馬鞍型電壓波形，則表示所測(cè)試的模塊是正確的。2.帶電機(jī)開環(huán)測(cè)試：帶電機(jī)開環(huán)測(cè)試，使用調(diào)壓器，母線上通入較小的電壓，電機(jī)能夠以給定的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。測(cè)試模塊為AD采樣模塊、PARK變換和CLARK模塊，框圖如圖所示：其中park變換和逆park變換的角度是給定的，所以park變換的dq電流是由給定的角度所決定的。結(jié)果如圖所示，可以看到id與iq均為直流，均不為零why?-100-50050100150115294357718599113127141155169183197211225239

16、253icidiqId,iq均不為零，因?yàn)椴皇且赞D(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，而是以定子電壓方向定向進(jìn)行變換，這樣可以計(jì)算出電壓與電流的夾角和功率因數(shù)3.電流閉環(huán)測(cè)試：電流閉環(huán)測(cè)試，主要測(cè)試初始相位判斷模塊、碼盤反饋角度計(jì)算模塊、電流PI調(diào)節(jié)器模塊。旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生模塊可以去掉。調(diào)試結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。目的：調(diào)試電流環(huán)，并達(dá)到我們的要求。測(cè)試結(jié)果如圖2-8所示：圖中電流給定為id=100h（約9.4 A），iq=10h，為使速度與電流表現(xiàn)在同一個(gè)圖中，采用標(biāo)幺值，電流采用100H作為基準(zhǔn)值，速度用2000轉(zhuǎn)/分作為基準(zhǔn)值。Iq給定一個(gè)較小的值目的是為了使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電流環(huán)特性主要看id，圖1中可以看到id保持在給定值附近，iq在速度上升到最大轉(zhuǎn)速（即電壓飽和）后，降為更小值，作用是克服摩擦等阻力使電機(jī)保持旋轉(zhuǎn)。id是勵(lì)磁電流不產(chǎn)生扭矩，所以保持恒定。圖2是id響應(yīng)圖，電流響應(yīng)時(shí)間為8個(gè)電流周期，為0.8ms，保持在給定為256（100h）附近。-0.200.20.40.60.811.21.41.6114274053667992105118131144157170183196209222235248iqidspeed圖1圖24.速度環(huán)閉環(huán)測(cè)試：測(cè)試模塊方法為：碼盤接受QEP模塊、速度計(jì)算模塊、速度PI調(diào)節(jié)模塊如圖2-10。圖2-11為速度階躍響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，速度給定為額定值200