C650立式机床电气系统的设计【全套设计含CAD图纸】
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高性能异步电机控制通过反馈线性化
提出了一种Abstract一This反馈线性化方法对高性能的感应电机控制。这个讨论了方法的基本原理,而大部分在交流电机驱动技术流行磁场定向控制技术。用一些波形图说明PWM波形换向感应电机的属性和控制通过给出反馈线性化。
介绍：
异步电机由于其众所周知的优点，制造简单、可靠性高、外校简单和成本较低，具有非常广泛的工业应用。此外,在对比直流电机换向器,也可以用在恶劣的或不稳定的环境,因为没有火花和腐蚀的问题。虽然有这些优势,但是，当使用感应电机速度调节工业驱动器时存在控制问题。这主要是有三个原因:(a)感应电动机的高阶非线性动态系统内部的耦合,(b)一些状态变量,转子电流和通量,不能直接测量(c)转子电阻(由于加热)和磁化电感(由于饱和度)差别很大与显著的系统动力学的影响。最受欢迎的高性能异步电机控制方法称为磁场定向控制法(FOC)或向量控制法由Hasse[4]和Blaschke[1]提出。 在这个方法的电机方程(被改写)转换在一个旋转的调和系统与转子磁链矢量。这些新的坐标被称作场效应坐标。 在字段坐标—不断转子磁链幅值——有一个关联控制变量之间的线性和速度。此外,在他励直流电机中, 为了限制定子电压的在很高的电压在磁场减弱的地区通量幅度可以被减少。坐标具有良好的物理基础, 因为它符合生产的解耦扭矩他励直流电机的理论基础。同时，,从理论的角度其他类型的坐标可以选择来实现解耦和感应电动机的方程线性化。Krzeniinski[7]提出了一种非线性控制器的基础上多标量电机模型。 在这种方法中,像同样的磁场定向控制器,它假定了转子磁链。
IEEE目录编号:95 TH8081
振幅规定是一定值。因此,汽车速度只有从转子磁链渐近解耦，基于投入产出线性化Bodson et al.[2]已经开发了一种非线性控制系统。 该系统对电机转速和转子磁链能准确解耦的。这个系统也能使用在场坐标转换上。马里诺et al.[8、9]提出了一种非线性变换电机的状态变量,以便在新的坐标,速度和转子磁链幅值的解耦反馈。类似的转变Sabanovic et al.[E]就已经用于解耦转子磁链和速度滑动模式控制器。感应电机反馈线性控制在本文中被提出，与之形成鲜明对比的是，[2，3]大量图表和场定向控制关系被讨论。同时,数字说明了控件的属性，在系统电机PWM逆变器中被显示出来。
感应电机数学模型
感应电动机的数学描述是基于复杂的空间向量,它定义在一个调和系统中旋转角速度刚刚好。在每单位和实时表示下面的矢量方程，描述电机的动作[6]:
电磁转矩米可以表达为：
在鼠笼型异步电机转子矢量电压从Eq.2消失的案例中,有零值。 如果一个电流控制PWM逆变器被使用,定子电压Eq.1可以忽略不计,因为它不会影响控制动态变化的进行。
磁场定向控制（FOC）
在磁场定向控制的情况下,它和选择角速度坐标调和系统一样非常方便。根据这些假设,代替的转子电流转子电压矢量的Eq.2 Eq.4已经获得微分方程解的转子磁链矢量:
转子时间常数Tr表示为：
在场效应坐标x-y有：
Eq. 7可以表示如下：
图1的异步电机在x-y字段坐标。
Eq.10描述对定子电流通量的影响，根据Eq.6,可以表述为:
方程中Eq.10、Eq.12和Eq.5来自形式框图感应电机磁场定向调和x-y(图1)。控制系统的图表应用于异步电机(直接定向)在图2中。在许多情况下在流量、速度、Isx,Isy控制器,简单的PIT调节器中使用。
反馈线性化控制方法（FLC）
使用p.u.时间我们可以把感应电机方程写成以下形式[6、11]:
当
且
注意，不依赖于控制信号，在本例中,它是很容易选择两个变量仅依赖于x。 例如,我们可以定义[5、10]：
图2 感应电机定向控制
让作为输出变量，以获得：
1．连续变化振幅,；
2. 0参考角的速度。
部分新状态变量,我们可以选择根据Eq.18,Eq.19。 因此完整的定义新坐标是[8,9]:
注意,第五个变量无法完全线性化，线性化只能部分。表示:
然后给出了系统的动态指标:
在接下的这一部分中,我们将考虑系统包含第一个部分中第四方程。注意,第五个方程如下：
我们可以重写保持系统Eq.22如以下：
D由：
得出。
简单的计算后可以获得:
图3. 异步电动机的框图
新的控制信号v1、v2(反馈线性化) ：
和
容易得出如果，在这种情况下我们可以定义为反馈：
在D-I我们可以使用下列公式计算：
结果的系统描述方程:
异步电动机的框图和新的控制信号呈现在图3。
控制信号v1、v2可以计算使用线性反馈:
在系数k11,,k12,k21 k22,选择确定闭环系统的动态。
控制算法分为两个步骤:
1、计算v1、v2根据Eq.32、Eq.33,
2、根据Eq.29计算Usα,usβ。
控制系统的图表应用于感应电动机(反馈线性化)呈现在图4。
图4. 感应电机通过反馈线性化的控制
结 果
用线性速度和转子磁链控制器(电机、变频器并给出了控制器的数据显示,在附录) 获取FLC和FOC系统模拟波形图方法在图5。这些波形图在电机是正弦脉宽调制逆变器电压给定时显示速度逆转不断变化的幅值和字段削弱范围。可以看到从图5 B的磁场定向控制并不能保证完全解耦分析电机速度和流量。用线性速度控制器FOC实现转矩电流限制,如同PLC系统限制转矩(见图5)。因此，在FOC系统扭矩值减少削弱部分和速度慢于FLC系统。
图5.
图5的异步电机控制通过反馈线性化和磁场定向控制(速度逆转mcludmg字段削弱范围)。a).实际和参考速度(ωmref,,. ωr) b). 转矩m c). 通量成分和振幅(Ψrα, Ψr), d) 电流方向isy, e) 转矩方向isy，, f) 当前组成lsβ
保证FOC系统完全解耦系统工作在字段削弱地区一个PI速度控制器和非线性部分(控制器输出信号应该分离)转子磁链幅值必须应用。这个除法弥补了内部乘法 产生的所需扭矩磁场定向坐标（图1）。这样一个非线性速度控制器一个非常类似FLC行为的方法,可以实现(参见图6)。 在图7。参考变化为了通量振幅的响应速度恒定被提出。注意,在对比FOC系统(控制变量usx usy), 控制变量方法在PLC系统V1,V2是完全脱离。
图6.
图6 的异步电机控制通过反馈线性化和磁场定向控制(速度逆转mcludmg字段削弱范围)。a).实际和参考速度(ωmref,,. ωr) b). 转矩m c). 通量成分和振幅(Ψrα, Ψr), d) 电流方向isy, e) 转矩方向isy，, f) 当前组成lsβ
图7
图7感应电机的控制通过反馈线性化和磁场定向控制(响应速度变化-常数 参考范围) ,a )实际速度和参考速度 b)引用的控制信号A - c)引用的控制信号 d)当前通量 e)转矩电流Isy。
结 论
在这个工作高绩效反馈线性化控制方法(FLC)系统的PWM反向感应电机驱动被提出。方框图和传统磁场定向控制的关系(FOC)被讨论。控制系统的主要特色与优势可以归纳如下:
1、与控制变量v1、v2,方法准确保证解耦的电机转速和转子磁链控制在两个动态和稳态。因此,高性能驱动系统工作在这两个常数和现场削弱范围可以实现使用一个线性速度和流量控制器。
2、控制变量是is1,is2,FOC系统不能保证完全解耦的电机转速和转子磁链控制在动态的范围。因此,高绩效驱动系统工作在这两个常数和弱场范围,需要一个速度控制器与非线性(除去载流子的幅值)的部分。
3、方法是建立在一个实时状态反馈的和需要更复杂的信号处理的详细情况(电机状态变量和负载转矩是必需的)。
4、同时,转换和新的控制变量,V1,V2用于FLC没有直接意义如Isx,Isy(磁链和转矩分离)在FOC系统中。
5、FOC可以实现在传统串级控制结构,因此可以很容易实现过载保护,使用参考电流限制器的输出流量和速度控制器分别控制。
6、可以预计的是，因为在FLC变量及其衍生物作为新的坐标，很适合进行滑动模式的速度和位置控制器。因此,FLC创建一个要求异步电动机调速系统的性能很高的系统替代FOC应用。
参考文献：
附录：
电机参数
控制器参数
反馈线性化：
逆变参数：
定子:
通量PI控制器：
速度PI控制器：
电流控制器：
16
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