异步电机控制文献综述.doc

文 献 综 述

毕业设计题目：基于freescaleDSC
的电机控制设计

基于freescaleDSC的电机控制设计
滕昭跃
(08电子信息科学与技术 (1)班 E08640119)

一、前言
电机行业是一个传统的行业。经过多年的发展，它已经成为现代生产、生活中不可或缺的核心、基础，是国民经济中重要的一环。电动机主要分同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，分别应用于不同的场合，而其中又以三相异步电动机的使用最为广泛。到目前为止，我国的电机制造业已经具有一定规模。在现代电动机控制中，长期以来存在着交流调速和直流调速方案之争，早在19世纪末，电力系统中就有过交流供电和直流供电之争，结果经过半个世纪的争论，由于三相交流电的发明，使电力系统的交流化取得了胜利[1]。由于电力电子器件的不断发展，这对交流电机的控制和调速奠定了物质基础。电力电子器件是实现弱电控制强电的关键所在。以普通晶闸管构成的方波形逆变器被全控型高频率开关器件组成的脉宽调制(PWM)逆变器取代，正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。在现代电机控制理论中，交流变压变频技术是一种转差功率不变高效型调速技术，它是现代交流调速的主要控制方法，自20世纪60年代获得突破性进展以来，一直受到人们的高度重视。交流变压变频技术按其控制方式可简单分为：V/F恒定正弦脉宽调制(SPWM)、电压空间矢量(SVPWM)、矢量控制和直接转矩控制三代控制方式[2]。在20世纪80年代初期出现了数字信号处理器，DSP(Digital Signal Processors)以运算速度快为显著特征而单片机则以数字控制功能强为特点。电动机的数字控制既要求控制器有强大的 I/O 控制功能，又要求控制器有高速的信号处理能力以实现实时控制。因此世界上各大 DSP生产商将DSP的高速运算速度与单片机的高控制能力相结合，开发出电机控制的专用DSC。其中由飞思卡尔公司生产的56f8300系列DSC就是为电机控制所研发。这种 DSC是目前用于电机控制中功能最强大的控制器。它足以满足以上几种控制方式的需求[3] [4]。
二、电机的交流调速
从世界上第一台电动机诞生以来，交流电机变频调速技术的发展一直没有得到大规模的应用。这主要是由于交流电动机本身的控制复杂性以及电力电子技术不成熟，控制方法不完善造成的。但是，从20世纪70年代以后，随着电力电子技术和微电子技术的发展，带动了交流调速系统的兴起和发展，逐渐打破了直流调速系统占据的统治地位。针对交流电机（尤其是笼型感应电机）动态数学模型的非线性多变量强祸合特点，并随着智能控制技术的发展，许多学者提出了各种控制策略和技术方法。包括无速度传感器矢量控制技术、直接转矩控制技术、基于神经网络控制的矢量控制技术、空间电压矢量控制技术等[8]。
现代交流调速技术的发展依赖于微电子学、电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变技术的发展以及交流电动机制造技术的发展，是一门多学科交叉技术。近年来，交流电机的驱动在工业中得到了非常广泛的应用。
2.1直流电机与异步电机调速性能比较
异步电机相对于直流电机，具有坚固耐用，价格便宜，易于维护等显著特点，在各行各业得到广泛应用。但是，异步电机的调速性能远比直流电机差，这限制了异步电机在调速场合的应用。由电机原理可知，电机调速的本质是控制电机的电磁转矩实现加减速，达到调节转速的目的。电动机的电磁转矩是由主磁场和电枢磁场的相互作用产生的。主磁场和电枢磁场产生方法的不同，以及两者之间相互作用形式的不同产生了电机不同的调速性能。
直流电机调速性能优异、可控性好是因为它具备以下几个条件：
（1）主磁场由直流励磁电流产生，用补偿绕组克服电枢反应，一般可认为主磁场是稳定的直流磁场；
（2）当电刷位于几何中性线时，电枢磁场和主磁场在空间上是垂直的，不产生耦合；
（3）励磁电流和电枢电流互相独立，由各自所在回路控制，易于实现；
（4）在工程实现中，直流电机可以视为单输入/单输出的二阶线性系统（SISO），输入为电枢电压，输出为转速。若忽略电枢反应和磁场饱和，直流电机的输出转矩可以表示为
(1)
式中，为电磁转矩，为直流电动机的电动势常数，为电枢电流，为励磁电流。直流电机的构造决定了励磁电流产生的磁链与电枢电流产生的磁链是垂直的，即两个矢量之间是解耦的。通过改变控制转矩时，磁链不受影响，且在为额定值时，可以获得快速的瞬态响应和较高的单位安培转矩；通过改变控制磁链时，不会影响到。这就是调速所希望的独立性、解耦性。应用经典的线性系统控制理论以及相应的工程设计方法可以很方便地分析和设计直流电机的调速系统。
异步电机和直流电机相比，具有以下特点：
（1）三相异步电动机的定子上施加三相对称正弦交流电流，产生一个空间旋转磁场；
（2）转子电流产生的旋转磁场在稳态时与定子电流产生的旋转磁场同步旋
转，但相位不同，在空间上不存在垂直关系，也就不存在解耦特性；
（3）异步电机多为鼠笼型，转子短路，只能调节定子电流；
（4）异步电机的动态数学模型是至少七阶的多输入多输出系统（MIMO）。
显然，异步电机的动态数学模型极复杂，只有通过有效的简化与控制技术实
现解耦才有可能获得像直流电机类似的调速性能[5]。
2.2异步电机的控制
由于异步电机的控制与直流电机的控制不同，没有专门的励磁绕组或者永磁体，因此，异步电机的磁场控制现得尤其困难。因此，人们提供了多种异步电机控制策略，其核心均为对异步电机磁场的有效控制，其控制方法有开环控制，闭环控制，直接控制和间接控制等多种形式。
2.2.1变压变频控制（VVVF）[1]
异步电机的同步转速是由给电机供电的电源频率和电机的极对数决定的，当供电频率改变时，电机的同步转速也随之改变。在负载条件下，电机转子的实际转速低于电机定子的同步转速，其转差的大小与电机的负载有关。异步电机的稳态 T形等效电路如图 1所示。根据电机学基本原理，电机定子每相电动势的有效值为：
( 2 )
式中：为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；为定子频率, 单位为Hz ； 为定子每相绕组串联匝数;为基波绕组系数；每极气隙磁通量，单位为Wb。

图 1异步电机稳态 T形等效电路
在电机控制过程中，使每极磁通；保持恒定值不变是关键一环，其幅值通常保持为额定值。这是因为，如果磁通太弱，就没有充分利用电机的铁心，并影响电机的输出转矩；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和从而导致过大的励磁电流，增加电机的铜耗和铁耗,使电机温升过高, 严重时会因绕组过热而损坏电机。在异步电机中，磁通是由定子和转子磁动势合成产生的，因此由式( 1 )可以看出, 只要将气隙感应电动势和定子电压频率协调控制，就能够将磁通控制为恒定值。其关系式为:
( 3 )
然而，绕组中的感应电动势的检测和控制是比较困难的，当定子频率较高时，感应电动势的值也较大，因此可以忽略定子阻抗所产生的压降，得到定子端电压近似与感应电势相等，即，因此式 ( 2 )可以改写为:
( 4 )
但是在低频时和都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不能忽略。这时需要人为地把电压抬高一些，以便对定子阻抗压降作近似补偿。其中带定子压降补偿的恒压频比控制特性如图2中的曲线II所示，无补偿的控制特性如曲线I所示。这种变频调速方法又称变频变压调速( Variable Voltage Variable Frequency)，简称 VVVF控制。

图2恒压频比控制特性
2.2.2正弦脉宽调制控制（SPWM）[6]
交流电气传动中的脉宽调制技术一般称为正弦脉宽调制（SPWM）。SPWM波的基本实现方法是利用三角波对症先控制信号进行调制，通过调节脉冲宽度来形成包含正弦基波的脉冲调制波。它具有输出波形好、谐波分量少和调速范围宽等特点。SPWM控制脉冲可以用模拟电子电路产生，但它存在使用元件多、控制线路复杂、控制精度难以保证等缺点。经常采用微机与专用芯片混合控制SPWM变频调速系统或单片机生成SPWM控制脉冲的交流电动机变频调速系统，但从微机控制角度看，希望少用硬件，尽可能多地用软件来完成各种功能，以降低成本，提高装置的可靠性和灵活性。对于交流异步电机，其转速
( 5 )
其中
：为电动机磁极对数
：为电源频率
：为转差率
由式( 5 )可知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数，转差率和电源频率。其中，改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓的变频调速。在电动机调速时，总是希望保持每极磁通为额定值不变，磁通太弱没有充分利用电动机的铁芯，是一种浪费。若要增大磁通，则会使铁芯饱和，导致电动机过热而损坏。由式( 1 )可知，在基频(额定频率)以下变频时，定子电压也要随之变化，这样才能保持磁通恒定。在基频以上调节时， 增高，电压不能增加得比额定电压还要高，这样磁通将会与频率成反比降低，相当于直流电动机的弱磁升速。如何才能实现变频的同时变压，这就需要用到正弦波脉宽调制（SPWM）。
原始的SPWM是由模拟控制来完成的，现在已经很少应用，数字控制是 SPWM目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的SPWM数据表格，控制时根据指令调出；或者通过软件实时生成SPWM波形；也可以采用大规模集成电路专用芯片产生 SPWM信号。对于数字SPWM控，根据产生信号原理的不同，可以将SPWM的采样方法分为等效面积算法、自然采样方法和规律采样方法。
(1) 等效面积算法正弦脉宽调制的基本原理就是按面积相等的原则构成与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。根据已知数据和正弦数值可以依次算出每个脉冲的宽度，用于查表或实时控制。这是一种最简单的算法。
(2) 自然采样法移植模拟控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇时间，生成 SPWM波形。
(3) 规则采样法自然采样法的主要问题是，SPWM波形每一个脉冲的起始和终了时间对三角波的中心线不对称，因而求解困难。工程上实用的方法要求算法简单，只要误差不太大，许作一些近似处理，这样就提出了规则采样法。
2.2.3空间矢量脉宽控制（SVPWM）[5]
空间矢量的基本思想就是把异步电动机经过坐标变换等效成直流电动，然后仿照直流机的控制方法，求得直流电动机的控制，再经过相应的反变换，就可以控制交流电动机了。其矢量控制的原理如公式下公式：
( 6 )
( 7 )
由式( 6 )、式( 7 )可以看到，在矢量控制中，定子电流被分解为互相垂直的两个分量和，其中用于控制转子磁链，称为磁链分量，用于调节电机转矩，称为转矩分量。因此,矢量控制实现了定子电流分解，分别进行转子磁链和电磁转矩的解耦控制。从而模拟出类似直流电动机的工作状况。矢量控制交流变频调速系统的稳态、动态性能能够与直流调速系统相媲美。SVPWM具有电流谐波少、转矩脉动小、噪音低等优点，而且相对于常规的SPWM直流电压利用率能提高约巧15%。
2.2.4 直接转矩控制（DTC）[2]
矢量控制方案是一种很有效的交流电机控制方案，但是由于该方案需要进行矢量旋转变换，且需要非常复杂的坐标变换，此外，由于电机的机械常数慢于电磁常数，矢量控制中转矩响应的较为缓慢。因此，德国学者DePen-brock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案一直接转矩控制(DTC)方案。直接转矩不再使用矢量控制中解祸的控制思想以及电流反馈环节，而是采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。直接转矩控制最早应用于感应电机，1997年LZhong等人将直接转矩控制算法改造后应用于永磁同步电机控制，目前已经有相关的仿真和实验研究。
2.3国内外研究现状
当前交流调速技术研究和讨论的热点是变频器矢量控制和直接转矩控制技术，二者都是在交流异步电动机高性能变频调速装置中得到广泛应用的两种控制方案，并且都已经普遍应用到实际的变频器产品中，实际中共同存在两方面的讨论研究。针对这些交流调速系统需要进行复杂的控制任务，世界上各大公司推出了针对电机控制数字信号处理（DSP）芯片。例如，由TI公司推出的TMS320LC240xA系列，飞思卡尔公司推出的MC56f8300系列。这使得电机调速系统以完全实现数字化[2]。
三、总结
随着电力电子技术的发展，电动机的数字控制是电动机控制的发展趋势，为电机控制而专门设计的DSP已逐渐地成为实现电机全数字实时控制的有力工具。现在许多公司将DSP的数值计算能力与MCU的控制能力相结合推出了更适合电机控制的DSC。目前，由于这些专用的芯片的推出使得交流调速逐步打破了直流调速占据了统治地位。对于异步电机的控制主要又SPWM控制和SVPWM控制，相对于矢量控制需要进行坐标转换等一系列的复杂运算，SPWM的控制较为简单，且容易实现，并且异步电机的交流调速中越来越成熟，并在高频变频领域占主导地位。

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