俺是搞工科应用的,深入的矢量控制理论,俺没有去研究,也没有去查阅老外的原版资料。推荐一本书《电力拖动自动控制系统》第二版,上海工业大学陈伯时主编,机械工业出版社。陈伯时91年做前言。这就是我们上学时的专业教材。
抄书简介一下,233页第七章第七节,异步电动机的多变量数学模型和坐标变换
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转速开环、恒压频比控制和转速闭环、转差频率控制两类变频调速系统,解决了异步电机平滑调速的问题,特别是转差频率控制系统已经基本上起到了直流电机双闭环调速系统的作用,能够满足许多工业应用中的要求。然而,当生产机械对调速系统的静、动态性能要求较高时,上述的交流变频调速系统还是赶不上直流调速系统;在系统设计时,为了得到一个近似的动态结构图,还不得不作出较强的假定,使得设计结果与实际有一定距离,不能令人满意。为了进一步提高交流变频调速系统的性能,改善设计方法,就必须首先从本质上彻底弄清交流电机的动态数学模型。
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一、直流电动机的磁通由励磁绕组产生,可以在事先建立起来而不参与系统的动态过程(弱磁调速除外),因此它的动态数学模型只有一个输入变量--电枢电压、一个输出变量--转速,在控制对象中含有机电时间常数Tm和电枢回路电磁时间常数Ti,如果把晶闸管可控整流装置也算进去,则还有晶闸管的滞后时间常数Ts。在工程上能够允许的一些假定条件下,可以描述成单变量(单输入单输出)的三阶线性系统,完全可以应用经典的线性控制理论和由它发展出来的工程设计方法进行分析与设计。
但是,同样的理论和方法用来分析、设计交流调速系统时,就不那么方便了,必须在作出很强的假定后,得到挖的动态结构图,才能沿用,因为交流电动机的数学模型和直流电机模型相比有着本质上的区别。
(1)。。。。。。由于这些原因,异步电动机是一个多变量(多输入多输出)系统,而电压(电流)、频率、磁通、转速之间又互相都有影响,所以是强耦合的多变量系统。。。。。。。
(2)在异步电动机中,磁通乘电流产生转矩,转速乘磁通得到旋转感应电动势,由于它们都是同时变化的,在数学模型中就含有两个变量的乘积项,这样一来,即使不考虑磁饱和等因素,数学模型也是非线性的。
(3)三相异步电动机定子有三个绕组,转子也可等效为三个绕组,每个绕组产生磁通时都有自己的电磁惯性,再加上运动系统的机电惯性,即使不考虑变频装置中的滞后因素,至少也是一个七阶系统。
总起来说,异步电动机的数学模型是一个非线性、强耦合的多变量系统。。。。。。。
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二、三相异步电动机的多变量数学模型
(一)电压方程。。。。。。。。
(二)磁链方程。。。。。。。
(三)运动方程。。。。。。。。
(四)转矩方程。。。。。。。。
三、坐标变换和变换阵
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255页第七章第八节,矢量控制的变频调速系统
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上一节中表明,异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,通过坐标变换,可以使之降阶并化简,但并没有改变其非线性、多变量的本质。7-5和7-6两节所述变频调速的动态性能不够 理想,调节器参数很难准确设计,关键就在于只是沿用了单变量控制系统的概念而没有考虑非线性、多变量的本质。许多专家学者对此进行过潜心研究,终于在1971年不谋而合地提出了两项研究成果:联邦德国西门子公司的F.Blasc-hke等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P.C.Custman和A A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”。以后在实践中经过不断地改进,形成了现已得到普遍应用的矢量控制变频调速系统。
一、异步电机的坐标变换结构图和等效直流电机模型
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二、矢量控制系统的构想
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三、矢量控制的基本方程式
。。。。。。。。。
七、矢量控制系统中调节器的设计问题
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时间精力有限,我手里也没有电子版。看到老刘头儿刘志斌对于“矢量变频是骗局”的执着笃定,不想看到这种概念被初学变频的工控同仁所接受,因此暂帖一些基本概念及书籍上来,供大家参考。书中公式较多,排版多有不便,希望有意者自己去找寻相关书籍。
较深入的理论研究是给那些不为浮华所累的学者高人的,俺们普通百姓,恐怕一般看两页矩阵的公式推导就没有耐心了。
真心希望讨论到矢量控制的高人,尤其批判指摘的高人,踏下心来去学习然后拿出有说服务力的证据来。李小龙年轻30岁都能说出“清空你的杯子,再行注满”,我们活了更多年的老师,难道做不到?
“恐怕一般看两页矩阵的公式推导就没有耐心了。”
1、“异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统,通过坐标变换,可以使之降阶并化简,但并没有改变其非线性、多变量的本质。”
2、物理学研究的基本方法就是抓主要矛盾,去次要矛盾,建立了一系列理想模型,得出了一系列定律、定理等物理学的普遍规律,使得纷杂、无序、多变的自然界有规可循,有章可从;
3、在异步电机变频调速控制理论上,这些企图建立一个精确控制的“高阶、非线性、强耦合的多变量系统数学模型”,本身就是把研究引入歧途、离开科学方法的死胡同!
4、有很多变频器在控制调速上,有新表现,有新性能,实际上是解决了一个、或两个主要矛盾的结果,而不是用哪个“高阶、非线性、强耦合的多变量系统,通过坐标变换”的结果;
5、变频器仅仅能作到的是,通过它输出的电压U 、频率f去改变、控制异步电机的主磁场、转差、同步转速,进而控制转矩、控制转速!
6、变频器的控制电路,不可能接受“高阶、非线性、强耦合的多变量系统数学模型”的控制,所有关于“高阶、非线性、强耦合的多变量系统数学模型”的控制方式都是忽悠之词!
7、变频器的控制系统,只能单一的接受频率f的给定,频率f再去以给定模式控制输出电压U ,你还能干什么???
8、把别人不懂的“矩阵的公式推导”作为炫耀高科技的骗术,就好象看魔术一样,你只能赞叹它多么“奇妙”,“神奇”,而不能为之一样;
9、楼主懂矢量控制吗?不懂,不懂但相信,而且拿这些自己也看不懂的人为建立的模型,去告戒别人矢量控制的存在性和不可知性!?
太搞笑了!自己不懂得东西就能否认它的真实性?你每天都在用的电脑你知道它的每一个运算细节吗?你知道双核系统怎么工作的?单核系统处理的是二进制数据,多核系统也是处理二进制数据;奔腾系统和赛扬系统也都是处理二进制数据,你为什么不喊双核系统是骗局?你为什么不喊奔腾处理器是骗局?
有些人(就是刘老头)自以为有一点电工知识就已经了不得了,要翻天了!认为自己站在了世界科技的前沿,自己所掌握的才是真正的科学、是真理!世间那些愚蠢小民被愚弄还不自省,需要你来放声疾呼、奋笔疾书以唤醒这些愚昧者!
刘某人才是无知,简直就是夜郎自大是在盲人摸象!他自以为他这两年来在工控网上先后提出几个骗局都无人能驳倒他,更加的意满志得!来这个网上的大多是实际的工程应用人员,大多对理论没有过多的深究;研发人员一般都是长期处于潜水状态轻易不会发言,并且一看刘老头的发言便知他的真实水平更加不会和他浪费时间。如此一来刘老头变更加的自信!
下面引用一篇介绍矢量控制发展史的文章让自信、自大的刘老头看看矢量控制是怎样来的。
《中国变频器产业十年关键词之四——矢量控制》
矢矢量控制(Vector Control,简称VC)又称磁场定向控制(Field Oriented Control),是将交流电机空间磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向,通过坐标变换将电机定子电流正交分解为与磁场方向一致的励磁电流分量和与磁场方向垂直的转矩电流分量,然后就可以像直流电机一样对励磁电流分量和转矩电流分量分别进行控制。矢量控制理论的提出为交流调速系统开辟了广阔的空间。
70年代矢量控制方法的萌芽
1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出了磁场定向控制理论,之后在1971年德国西门子公司 F.Blaschke博士等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国P.C.Custman与A.A.Clark申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。矢量控制实现了交流电机磁通和转矩的解耦控制,使交流传动系统的动态特性有了显著的改善,开创了交流传动的新纪元。矢量控制大大改善了异步电机的动态控制性能,使之能与直流机的控制效果相媲美。
矢量控制包括坐标变换和旋转以及其他一些包含非线性的复杂运算,其运算处理的规模比直流调速大若干倍,以当时的控制系统无法进行实时控制。而由普通晶闸管构成的逆变器必须有复杂的换流电路才能工作,一方面降低了系统的可靠性,另一方面,由于逆变器的开关频率很低,不能适应矢量控制中电压电流的快速变化。因此70年代矢量控制并未走入实用,但德、美、英、法、意、加拿大等发达国家以当时的及日本都十分重视矢量控制技术的研究,做了大量的研究工作。
80年代矢量控制技术发展
欧洲是矢量控制技术的诞生地,其研究水平一直走在世界的前列。在从80年代中期到90年代初期的欧洲电力电子会议(EPE)论文集中,涉及到矢量控制的论文占有很大比例,在这当中,德国SIEMENS公司、Aachen技术大学电力电子和电气传动研究院和德国Braunchweig技术大学W.Leonhard、R.Gabriel、G.Heinemann等教授更是为矢量控制的应用做出了突出贡献,在应用微处理器的矢量控制研究中取得了许多重大进展,促进了矢量控制的实用化。由于需要直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制,在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器,这显然给许多应用场合带来不便。仅管如此,矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中。而无速度传感器矢量控制(省去了轴角编码器)和其他驱动算法也随后出现。而且,这些改进仍在不断加速中。
90年代矢量控制应用成熟
再完美的控制理论,都需要基于合适的硬件载体来实现。交流电气传动的蓬勃发展,一方面离不开电力电子器件不断的发展和进步。交流调速技术的重大变革是以电力电子器件的发展为先导的。从20世纪50年代后期的可控硅(SCR),发展到60年代的门极可关断晶闸管(GTO)、大功率双极型晶体管(GTR),以及80年代以后出现的金属氧化半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、智能功率模块(IPM)、集成门极换向晶闸管(IGCT)等等。尤其是IGBT的出现,迅速促使成熟可靠的交流调速产品进入各个工业领域。可以说,这些新型电力电子器件的发展给高性能交流调速技术的发展奠定了坚实的物质基础。另一方面,交流调速控制技术,尤其是复杂的矢量控制算法的实现,离不开微处理器技术和数字化控制技术取得的巨大进步。Danfoss Drives 公司产品经理Tom Momberger的观点是:“将微处理器技术应用于变频驱动器是今天交流驱动器性能提高的主要原因。”1992年开始,德国西门子开发了6SE70通用型系列,通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制,1994年将该系列扩展至315kW以上。
矢量控制核心理论的提出与以DSP为代表的高性能处理器的通用化,再加上电力电子器件取得的进步,并辅以现代控制理论,这四大因素的结合给电气传动领域带来了深刻的变革。数字信号处理器(DSP)的高速运算能力使矢量控制尤其是1983年R.K.Joenen提出的无速度矢量控制(Sensorless Vector Control,SVC)系统的软硬件结构得到简化,这就为性能更优的SVC方案的实施提供了物质保证。而IGBT的进一步发展也为SVC的应用提供了更好的舞台,IGBT除了提高功率器件的开关速度,IGBT还允许迅速地调整电机的工作电压。这使带宽相当高的无速度矢量控制成为可行,并能快速、高精度地控制转速(velocity profiling)与定位。SVC的实现吸引了产业界人士的广泛关注,Toshiba GE、Yaskawa等公司于1987年分别发表了研究成果,95年后,Siemens、Yaskawa、Toshiba GE、Rockwell、Mistubishi、Fuji等知名公司纷纷推出自己的SVC控制产品,控制特性也在不断提高,无速度传感器矢量控制向高性能通用变频器迈出了一大步。
21世纪无速度矢量控制技术快速成长
进入21世纪以来,矢量控制的研究仍在如火如荼地进行,德国、日本和美国依然走在世界的前列,但这三个国家各有千秋。日本在研究无速度传感器方面较为先进,主要应用于通用变频器上;美国的研究人员在电机参数识别方面研究比较深入,并且将神经网络控制、模糊控制等一些最新的控制技术应用到这方面,在IEEE的会议和期刊上发表了许多文章。而德国在将矢量控制技术应用于大功率系统方面的实力很强,SIEMENS公司已开始将矢量控制技术应用于交流传动电力机车等兆瓦级功率场合。
SVC可以获得接近闭环控制的性能,同时省去了速度传感器,通过转子电动势计算转速、比较定子电流转矩分量用PI控制闭环构造转速,有的研究人员提出使用电机转子槽谐波独立辨识转速。有关参数自适应这方面的研究仍在深入,如何提高SVC系统的适应性、鲁棒性无疑是一个重要的研究课题。
时下,有无采用无速度传感器技术已经成为高性能通用变频器和一般变频器的分水岭。Mitsubishi公司的高级磁通矢量控制代表了最新的无速度传感器控制技术,西门子公司的SE6300、Mitsubishi公司的A740、FUJI公司的VG7S、安川公司的G7、艾默生公司EV6000、 科比公司COMBIVERTF5等均为无速度传感器矢量控制变频的典范。国内森兰、汇川、英威腾、普传等公司也相继推出了高性能矢量变频器,上海艾帕电力电子公司更是率先开发出无速度传感器控制的高性能级联式高压变频器。
Schneider公司的驱动市场经理Susan Bowler认为,无速度控制技术的吸引人之处在于利用最小的附加费用获得大大增强的性能,包括低速特性、转矩响应及定位能力等。Siemens交流驱动产品经理Kirkpatrick的观点是,目前大多数的AC驱动产品默认都是SVC控制。闭环磁通矢量控制(FVC)只是在一些需要更严格速度控制及零速转矩控制的场合应用。
参考文献
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3、U/f =定值模式控制,在低频端电机转矩不足:
1)低频时,电压U低,E>IR ,所以不能忽略IR,U/f =定值模式下低频端E小,励磁电流小,主磁场弱;
2)再变频降低频率f时,励磁电流要恒定;
3)认为电机空载电流就是励磁电流,并把工频50Hz380 v的空载电流做为励磁电流,认为电机磁密最佳状态;
4)这样以电压U为控制参数,在频率f下降时适当增大电压U ,即增大U/f 比值,保证励磁电流恒定不减弱,U/f 是f的函数:U/f =U/f (f)
4、这样利用U/f =U/f (f)励磁电流定值模式,解决了低频、低压时转矩弱的矛盾!
在进行电机调速时,常须考虑的一个重要因素是:希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱,没有充分利用电机的铁心,是一种浪费;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,严重时会因绕组过热而损坏电机。
对于直流电机,励磁系统是独立的,只要对电枢反应有恰当的补偿, m 保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中,磁通 m 由定子和转子磁势合成产生,要保持磁通恒定就需要费一些周折了。
变频调速控制按控制角度来分,可分为标量控制和矢量控制两个基本类型。
标量控制
标量控制法是只控制变量的大小,而不考虑变量的相位,即给定指令和反馈信号是与变量相关的直流量。采用经典线性控制理论和工程设计方法来分析和设计电路时不得不对一些信号做较大的近似。这种控制方法适用于对动态和静态性能要求不太高的场合。要提高系统的性能指标有一定的困难,因为:
1、 分析调速系统的控制规律时,是从异步电机静态等值电路和静态转矩公式出发的,所得到的“保持磁通φm恒定”的结论在稳态的情况下才成立。动态过程中φm如何变化并未做研究。
2、 系统中的电流调节器只是控制了定子电流的幅值,并没控制电流的相位。而在动态过程中的电流相位后移,必然影响动态转矩的响应。
矢量控制
既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机,那么,模仿直流电机的控制策略,得到直流电机的控制量,经过相应的坐标反变换,就能够控制异步电机了。
由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量,所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统(Vector Control System)。矢量控制控制即可控制变量的大小,又可控制其相位。系统的原理结构如下图所示。