同步电机调速论文

同步电机调速论文（共8篇）

同步电机调速论文 篇1

据悉，国内目前广泛使用的高压电机用电量占全国发电量的30%，高压电动机变频调速装置开发成功后，可节能30%，其经济价值无法估量，产品市场前景诱人。

为了达到电气节能和工艺优化的目的，高压变频器在工程设计中应注意：

一、高压电机的特性试验和技术规范的再修订

当一台普通电动机由变频提供电源时，其变频器输出端的电压和电流谐波分量会使电机的损耗增加、效率降低、温度升高。高次谐波引起损耗的增加主要表现在定子和转子的铜耗、铁损及附加损耗的增加。其中，转子铜耗最为显著，因为异步电机总是在转差接近1的状态下旋转，所以转子铜耗非常大。在普通异步电机中，为改善电机启动性能，转子的集肤效应使实际阻抗增加，从而使铜耗增大。

另一方面，由于高压电机的线圈之间存在分布电容，当高次谐波电压输入时，各线圈之间的电压是不均匀的，这种长期反复作用使定子线圈某一部分的绝缘造成损伤，从而产生线圈老化，这在普通异步电动机的绝缘结构方面是难以接受的。另外电机的电磁回路不可能做到绝对对称，所以变频器输出电源中所含有的各次谐波分量将与电磁回路中固有的空间谐波分量相互作用形成各种电磁脉动。

同时，电机因处在频率不断调节的工作状态下，很容易与电机机械部分产生机械共振，造成电机机械部位的损坏。

因此，在变频调速改造工程中，为了避免变频调速系统在运行时出现上述问题，技术设计时必须考虑和高压电动机制造厂家进行技术合作，对电动机的相关特性进行调速实验，重新修订原电动机的技术规范。

二、电力电缆选型要点和敷设要求

由于变频器输出端与电机之间的联系采用电缆附设方式，且线路各相均存在对地电容，所以运行时线路上的电容电流是不相等的，

如果电缆附设距离较长，且线路中又存在高次谐波电流，那么一旦发生单相接地时，故障电容电流所点燃的电弧熄灭时间过长，会使这端电缆发热，造成非故障绝缘。

所以，在变频调速改造工程中，针对输出电源电缆，考虑电缆结构上的三相对称和屏蔽，将电缆截面适当增加，敷设长度不超过100m限定值，如果原输出电源电缆为非屏蔽或截面的栽流量裕度小于2，应更换符合要求的电力电缆。现场敷设施工时要将电源电缆与控制电缆和信号电缆分开敷设，避免由电源电缆中高次谐波产生的磁场干扰其他信号。

三、变频器工作环境的基本要求

由于高压变频器的逆变部分采用高压IGBT等功率器件，其开、关频率大于100HZ，易形成高次谐波电流，使得变频装置在工作时将产生一定的热量。一般在变频器柜的顶部均配有排风扇，它将柜内的热量排放到室内，这使得室内的环境温度不断升高，最终还会影响柜内各器件的可靠运行。

所以，在水厂工程设计中一般变频调速装置单独设置在变频调速室内，室内必须安装备用空调设施，控制室内环境温度在变频器所要求的范围内，同时设有通风门窗，必要时采用专门风道进行强制通风和冷却。

四、高压供电系统出口断路器控制的技术完善

变频调速装置所用变压器的高压侧要与高压系统中的开关柜直接相连，但开关柜的保护范围只是供电线路与变压器低压侧的短路，而变频器的故障应靠变频器自身的检测保护系统完成。当变频器发生故障发出跳闸信号时，断路器应可靠动作跳闸。

然而，普通断路器高压开关柜内部出现跳闸回路断线或直流控制电源消失的情况，变频器恰好出现故障(要求断路器跳闸)时，跳闸线圈已失电，断路器拒绝动作，因而造成变频器内部的功率器件损坏。

所以在设计中选择了带有欠压脱扣线圈的断路器，一旦出现跳闸回路断线或控制电源消失的情况，断路器首先自动跳闸，以保护变频器的设备安全。

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同步电机调速论文 篇2

永磁同步电机 ( Permanent Magnet Synchronous Motor) 是利用永磁体代替了电励磁,使电机结构更加简单,且体积更小、重量更轻,无励磁损耗,效率更高,运行更可靠。因此,永磁同步电机在航空航天、 数控机床等高性能、高精度伺服驱动领域得到了广泛的应用[1]。

永磁同步电机调速系统通常采用传统PI控制, 但是控制对象PMSM是一个典型的非线性、强耦合、多变量的系统,因此常规PI控制对PMSM调速系统适应性不强,当速度有较大波动时,整个系统容易产生超调和振荡。为了解决这个问题,研究人员做了大量的改进研究,文献[2]采用了滑模变结构控制、文献[3 - 5]采用模糊控制、神经网络控制、自适应控制等智能控制算法,与传统PID控制相比,控制性能得到一定的提高。但是这些方法结构复杂, 工程实现较为困难,无法在实际工程中取得应用。 因此,也有研究者在传统PID控制上进行优化、改进,提出了很多结构简单,实现方便,便于工程实际应用的变结构PID控制器[6,7,8]。

针对传统PI控制器参数整定计算复杂的缺点, 利用系统开环传递函数频率特性设计PI控制器参数。采用变速积分PID控制[9]算法对PMSM调速系统进行控制并提出改进方法,仿真试验结果表明, 调速系统性能得到有效提高,并且具有较好的工程实际应用价值。

1永磁同步电机的数学模型

在设计过程中,要求控制对象的数学模型能够准确反应被控系统动、静态特性,因而控制系统动、静态性能好坏的关键就在于所设计的数学模型的准确程度。在电机的控制中,通常假设磁场正旋分布,三相绕组对称,电机的电磁转矩与q轴电流成正比。为了简化分析,在建立永磁同步电机的数学模型时,只考虑电流的基波分量,做如下假设[10]:

1忽略铁心饱和效应。

2气隙磁场呈正旋分布。

3不计涡流和磁滞损耗。

4转子上无阻尼绕组,永磁体不存在阻尼作用。

基于上述假设,可以得出两相旋转坐标d - q轴下永磁同步电机的电压方程为:

式中,Ud,Uq,id,iq,Lq,Ld为d,q轴线圈的电压、电流和自感; Ra为相绕组的电阻; ωr为d,q轴系随同转子转动的电角速度; φf为转子磁链; P为微分算子,即P =d/ dt。

电磁转矩方程为:

式中,Te为电磁转矩; pn为电机极对数。

对于表贴式永磁同步电机,Ld= Lq= La。另外,为解决永磁同步电机本身部分变量耦合的问题, 在实际控制策略中,一般采用id= 0的电流控制方法。因此,表贴式永磁同步电机的电磁转矩方程可以简化为:

永磁同步电机动力学方程为:

式中,J为系统的转动惯量; ωrm为电机输出轴的机械角速度; TL为负载转矩。

进一步可以得到永磁同步电机解耦控制后的简化模型,简化模型的结构框图如图1所示。

2PMSM调速控制系统设计

2.1PMSM调速系统结构

在永磁同步电机调速系统中,需要控制电机的转矩,使其能够快速响应。由上节分析可以得到在id= 0控制的基础上,只需调节交轴电流分量iq就可以有效调节永磁同步电机电磁转矩Te,这样电流的反馈控制就必不可少。系统采用电流、速度双闭环控制,如图2所示。

电流控制环作为永磁同步电机速度控制系统的内环,可以通过把电流环的响应设计的足够高,这样电流控制系统对速度控制系统响应的影响就可以忽略不计,从而提高速度环的快速性和稳定性。

传统PI控制器的设计方法是将速度控制系统的交叉角频率 ωSC和电机角速度 ωrm的阶跃响应的超调量作为两项给定的设计指标,通过计算得到PI控制器的比例增益和积分增益的值,但是这个计算的过程是非常麻烦的。因此这里通过一种简单、快速的设计方法,利用速度控制系统开环传递函数GoSC( S) 的频率特性整定速度控制系统的PI控制器参数。速度控制系统开环传递函数GoSC( S) 的直线近似频率特性如图3所示。同时,GoSC( S) 所包含的两个显性的传递函数以及近似忽略的电流闭环控制系统的频率特性均在图中用虚线标记出来。

工程设计过程中满足公式( 5) ,只需经过简单的调整就可以得到满足工程要求的PI控制器参数, 避免了大量复杂的计算。

2.2变速积分PID控制器设计

在永磁同步电机速度环典型PI控制算法中, 积分环节的引入主要是为了抑制超调、消除系统静差,提高系统稳定性和控制精度。根据调速系统的控制要求,通常希望在启动、停止或大幅度增减设定速度使系统产生较大偏差时,积分作用应当适量减弱甚至为零; 而在速度接近给定值系统偏差较小时,积分作用需要加强,消除系统静差。 在实际应用中,普通速度环PID控制的积分增益Ksi是一个常数,当系统短时 间输入有 很大偏差时,积分环节产生的积分积累致使控制量饱和,引起系统较大的超调,而这在高精度永磁同步电机调速系统中是绝对不允许的[11]。因此,对PMSM调速系统速度控制器积分环节进行改善,设计变速积分PID控制器。

变速积分PID控制的基本思想是: 按照系统对积分项的要求,改变积分项的累加速度,使其与偏差大小相对应。如果PMSM的实际转速 ω 与设定转速 ω*偏差较大时,减弱积分作用,避免积分积累产生较大超调使系统稳定性降低; 当实际转速 ω 接近设定转速 ω*时,通过加强积分作用消除系统静差, 提高控制精度。具体实现步骤如下:

根据实际情况,建立与偏差大小e( k) 相对应的函数f(e( k)) ,以改变积分项的累加速度。设计如下关系式[12]:

通过选择合适的A、B两个参数值,积分项累加计入的是部分当前值,其值在0 ~|e( k)|之间随|e( k) |的大小呈线 性连续变 化。 将偏差大 小|e( k)| 与相对应的函数f (e( k)) 线性关系做出改进,设计成非线性函数关系,如式( 7) 所示。

根据式( 11) 知道,通过选择合适的C、D两个参数值,积分项累加计入的是部分当前值,其值在0 ~ |e( k)| 之间随|e( k)| 的大小缓慢连续的变化。两种设计中偏差大小f(e( k)) 与对应函数关系式如图 ( 4) 所示。

该算法可以描述为:

式中,T为采样时间。

3系统仿真与分析

利用MATLAB /Simulink仿真平台搭建永磁同步电机调速系统仿真模型,如图5所示,采用空间电压矢量脉宽调制方式( SVPWM) ,id = 0的矢量控制方法,变速积分PID控制算法通过S函数实现。选用的永磁同步电机参数如表1所示。

仿真时间为0. 1s,在t = 0s时刻,仿真速度给定为1000r/min,根据给定转速,将传统变速积分PID控制两个参数值分别选定为200和800,改进变速积分PID控制中C、D两个参数分别设计为100和800。电机给定转矩1N · m启动,到达稳态后; 在t = 0. 05s时刻,突加5 N·m的负载转矩,通过仿真试验观察永磁同步电机调速系统动、静态性能。 PMSM调速系统采用传统PID、变速积分PID与改进变速积分PID控制进行仿真对比,速度响应及抗负载扰动性能如图6所示。

从系统速度仿真波形可以看出,传统PID控制能够有效抑制超调,但是系统响应时间较长; 传统变速PID控制能够有效地避免系统超调,同时系统响应时间得到有效改善; 提出的改进变速积分PID控制使系统响应速度进一步得到提升,从局部放大图7中可以看出,在15ms左右系统就达到给定转速, 虽然有微弱超调,但超调量不到给定转速的1% ,可以近似忽略。负载转矩在0. 05s突变为5N·m,从局部放大图中可以看出,改进变速积分PID控制在0. 005s就恢复到给定转速,能有效抑制外界扰动, 具有更强的抗干扰能力,响应速度更快。

4结束语

为满足工程实际应用,进一步提高永磁同步电机调速系统的性能,根据积分环节作用的要求,对传统PID控制算法中的积分项进行改进,搭建了PMSM调速系统模型,速度环采用变速积分PID控制算法,并进行仿真试验。仿真结果表明,与传统PID控制方式相比,改进变速积分PID控制能有效改善调速系统动、静态性能,使整个调速系统具有更好的控制性能, 且控制方式简单,具有较好的工程实用价值。

摘要：永磁同步电机调速控制系统中,传统PID控制已无法满足高速、高精度应用领域系统快速响应和无超调的控制要求。针对积分环节的作用特点,要求系统在较大偏差时能够减小积分作用,在较小偏差时能够增强积分作用,提出一种改进的变速积分PID控制算法,将其应用到永磁同步电机控制系统速度环。通过仿真试验结果表明,改进变速积分PID控制能够有效降低超调量,同时进一步提高调速系统响应速度,具有更强的抗干扰能力。

同步电机调速论文 篇3

(上海海事大学物流工程学院，上海 201306)

0 引言

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)以其结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等特点，广泛应用于国防、工农业生产和日常生活等各个方面，目前正向大功率、高功能和微型化的方向发展.PMSM大多采用直接转矩控制方法调速，仅根据已知矢量表进行控制，一般不对系统未来采样时间内可能产生的负载电流进行预测.［1-6]此外，直接转矩控制中的滞环控制器导致开关频率变化，当测量值与参考值的误差大于限定阈值时进行一次控制以减小误差，但在后续控制中误差可能再次超出阈值.长时间的控制计算会导致转矩和磁通超出滞环限制.［7]

采用预测电流控制方法对PMSM进行调速可解决上述问题.电机调速系统中三相脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)逆变器对电流的控制有一个周期延迟，预测电流控制的思想是在一个PWM周期内实现实际电流趋近并最终等于参考电流，具体方法是在每个周期内选取与参考电流误差最小的电流控制电压矢量，预测性地控制电流矢量.［8-12]预测电流控制实时优化开关配置，每次选择配置可以控制电流矢量轨迹相对于参考电流矢量轨迹保持最小的空间误差，并在未来的每个采样计算周期内重新选择配置状态，实时减小电流矢量误差.［13]预测电流控制能在尽可能短的时间内高精度地控制定子电流，这使得PMSM调速系统的动态性能更佳、谐波影响更低.

1 PMSM建模

1.1 PMSM数学模型

PMSM的三相绕组分布在定子上，永磁体安装在转子上.PMSM运行时定子与转子始终处于相对运动状态，永磁体与绕组以及绕组之间的相互影响使得电磁关系十分复杂，再加上磁路饱和等非线性因素，很难建立 PMSM精确的数学模型.为简化PMSM数学模型，假设:(1)忽略电机的磁路饱和，认为磁路是线性的;(2)不考虑涡流和磁滞损耗;(3)当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦分布的磁势，忽略气隙中的高次谐波;(4)开关管和续流二极管为理想元件;(5)忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响.［14]

PMSM的数学模型主要由电压方程、磁链方程和转矩方程组成，为简化运算、便于建模，采用两相旋转d-q坐标系下的数学模型，并通过坐标变换得到三相静止a-b-c坐标系下的方程.

PMSM在d-q坐标系下的电压方程为

式中:Rs为定子电阻;ud和uq分别为d和q轴的相电压;id和iq分别为d和q轴的相电流;Ld和Lq分别为d和q轴的电感;Ψd和Ψq分别为d和q轴的磁通;ω为电角速度.

由于d-q轴不是由真实物理量组成的坐标轴，在仿真试验中通过坐标变换得到a-b-c坐标系下的电压方程

式中:ua，ub，uc分别为 a，b，c轴的相电压;θ为 d-q坐标系与a-b-c坐标系之间的电角度.

永磁同步电机的磁链方程为

式中:Ψf为永磁转子产生的磁链.

永磁同步电机的转矩方程为

式中:p为电机的极对数.

把式(3)代入式(4)可得

式中等号右侧:第1项是定子电流和永磁体产生的转矩，称为永磁转矩;第2项是转子凸极效应引起的转矩，称为磁阻转矩.若Ld=Lq，则不存在磁阻转矩且永磁体磁链为常数，此时电机转矩只与iq有关，转矩方程简化为

1.2 PMSM模型离散化

离散化PMSM模型是为降低连续系统的时间复杂度，实现离散时间内的信号采样，为电流预测控制作理论准备.

根据式(1)可得PMSM在d-q坐标系下的状态方程

设Ld=Lq=Ls，可以推出

式中:Rs，Ls和Ψf为与时间无关的常数.

利用泰勒公式的一阶展开，得到PMSM模型的离散化方程［15]

为便于实现离散模型，需排除d，q轴电流的耦合效应.在仿真过程中选取满足香农采样定理的足够小的采样时间T，从而可以忽略采样时间内电机的旋转角度.因此，可以忽略矩阵F和H中T与ω相乘的项.

1.3 逆变器及其电压矢量

PMSM的驱动电流为三相相差120°的正弦电流，目前常用MOSFET或IGBT等电力电子器件构成的三相逆变电路对其进行矢量控制.三相电压型逆变器的拓扑结构见图1.

图1 三相电压型逆变器拓扑结构

图1 中，三相半桥电路控制三相电压(ua，ub，uc)的高低相位输出.每相半桥内两个开关通断相反(如ua和1－ua)，即仅有一个开关可以闭合，以避免半桥内部短路.同时，每相半桥电路可以输出高低两种电平，当上端开关闭合时输出高电平，反之为低电平.因此，单相半桥可能产生2种开关配置，三相半桥则有8(23)种开关配置.每种开关配置对应一组输出电压，见表1.

表1 逆变器开关配置与相间电压

当三组开关配置相同(即每相同时闭合上端或下端开关)时，逆变器无法形成电流回路，此时相间没有电压.这两组开关状态产生的矢量称为零矢量(U0与U7等价)，在后文中U0将不被应用于仿真模型.逆变器6组电压矢量和2组等价零矢量的分区和合成见图2.

图2 逆变器电压空间矢量的分区和合成

2 PMSM预测电流控制

PMSM预测电流控制的结构见图3，该闭环系统的主要控制变量为d，q轴电流.实时采集转速信号ω和三相定子电流ia，ib，ic，并通过坐标变换得到id，iq，与给定的参考电流 id0，iq0一起作为预测电流控制模块的输入.

图3 PMSM预测电流控制结构

PMSM预测电流控制遵循滚动优化思想，其原理是利用控制器内的动态模型，实时预测控制过程的未来趋势和变化.具体实施步骤如下.

步骤1 在采样时刻k，测量得到id(k)，iq(k)，ω(k)，并由7组电压矢量Ui(i=1，…，7)经坐标变换得到Ud(k)和Uq(k).

步骤2 利用 id(k)，iq(k)，Ud(k)，Uq(k)，ω(k)，根据式(9)得到7组预测电流 Id(k+1)，Iq(k+1).

步骤3 分别计算7组预测电流与参考电流id0，iq0的误差

步骤4 根据预测代价函数［15]

从7组预测电流矢量Ii(k+1)(i=1，…，7)中选取最逼近(即误差ei(i=1，…，7)最小)参考电流矢量I0的一组，作为采样时刻k+1的预测电流矢量.预测代价函数在线计算流程见图4.

图4 预测代价函数计算流程

步骤5 选择最优预测电流矢量Is(k+1)所对应的电压配置Ui(i=1，…，7)，决定图3中逆变器模块的开关状态，实现PMSM调速的预测电流控制.

步骤6 实时测出采样时刻k+1的电流id(k+1)和iq(k+1)，从k+1时刻开始重复使用上述步骤滚动优化.

3 PMSM调速系统仿真

3.1 PMSM调速仿真系统

采用MATLAB/Simulink仿真软件建立PMSM调速仿真系统，其主体结构见图5.

图5 PMSM调速仿真系统

参考电流id0，iq0和反馈电流id，iq被送入离散系统(Discrete System)模块，根据预测电流控制方法计算7组预测电流Ii(k+1)(i=1，…，7)，求出它们与参考电流的误差ei(i=1，…，7).将7组误差送入S函数编写的逻辑运算模块(Logic)中，求出最小误差后输出该组对应的电压矢量，通过直流电压模块(Udc)得到电机实际的三相电压，输入PMSM模型，其主要参数见表2.

表2 PMSM模型主要参数

3.2 预测电流控制仿真结果

在PMSM调速Simulink仿真系统中验证预测电流控制方法的性能.设定电机运行的初始转速为100π rad/s，在10 ms时引入10 000π rad/s2的加速度.为防止转速无限增加给系统带来危害，在40 ms时电机达到限制的最高转速400π rad/s，并持续30 ms.在70 ms时电机以－10 000π rad/s2的加速度开始减速，至90 ms时转速减至设定的200π rad/s后维持恒定.为更有效地观察PMSM调速系统的动态性能，除改变转速设定外还在仿真过程中加入负载变化.0～50 ms时电机空载运行，在50 ms时引入2.16 N·m的负载转矩.

仿真得到PMSM的电磁转矩曲线，见图6.10～40 ms时电机的加速转矩为1.8 N·m;50 ms时由于外部引入负载转矩，为维持转速恒定，电机的电磁转矩也升至2.16 N·m;70 ms时电机减速，电磁转矩相应减为0.36 N·m，以提供－1.8 N·m的减速转矩;90 ms时电机完成减速过程，电磁转矩恢复到2.16 N·m，以匹配外部负载，维持转速恒定.

图6 PMSM电磁转矩曲线

PMSM静止a-b-c坐标系三相定子电流曲线见图7.由图可知三相电流为相位相差120°的正弦纹波曲线.电流频率快速响应电机转速变化:随转速增大而变大、减小而变小.电流幅值快速响应电磁转矩变化:随转矩增大而变大、减小而变小.电流频率和幅值的快速响应均符合PMSM三相电流的控制规律.

图7 静止a-b-c坐标系三相定子电流曲线

PMSM旋转d-q坐标系两相电流曲线见图8.由图可知，d，q轴电流是以参考电流id0，iq0为基准的纹波曲线，随转速变化无较大波动，证明预测电流控制方法对电流控制的有效性.d轴电流一直在0附近振荡，在突加负载转矩时的瞬时振荡略增大.q轴电流与电机电磁转矩的变化趋势一致:在10～40 ms时保持在10 A;50～70 ms时保持在12 A;70～90 ms时保持在2 A;此后回升至12 A.

PMSM的转速曲线见图9.由图可见，预测电流控制方法可以使电机转速很好地跟随设定值，并且在增加负载转矩时仍能维持设定转速不变，证明该法对PMSM具有良好的调速特性.

图8 旋转d-q坐标系两相电流曲线

图9 PMSM转速曲线

4 结论

在分析和建立 PMSM模型的基础上，利用MATLAB/Simulink实现PMSM的预测电流控制.仿真结果表明:波形符合理论要求，系统可以平稳运行，具有较好的动态性能.采用预测电流控制方法不仅可省去整定参数的复杂过程，而且可实时预测电流，具有一定优越性.通过仿真可有效地分析PMSM的特性，也可为实际电机控制提供可行策略和思路.

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同步电机调速论文 篇4

一、变频调速系统主要特点

1. 明显改善结构受力状态。由于变频器具有软启动、软停止的功能，所以起重机启动、制动相对平稳，对起重机的传动机构、钢结构的冲击明显减小。经检测证实，变频调速控制系统的应用可大大改善起重机结构的受力状态。

2.调速范围宽，性能好。起重机专用的变频器一般具有很强的环境适应性，由于变频器内部进行了模块化设计，集成度高，可靠性强。系统实现闭环控制，具有很强的限速、防失速和力矩控制能力，并具有优良的伺服响应特性，对急速的负载波动有很强的适应性。操作者可根据作业要求，随时修改各挡速度值，也可选择操作电位器实现无级调速。

3.结构简单、可靠性高、易维护。变频调速控制系统采用独立的控制柜，系统设计合理，外观结构简单，检修方便。尤其是起升系统用一套装置即可实现原两套起升控制装置的功能，既减轻了小车的自重，改善了钢结构的受力状况，又增加了小车的维修空间，便于日常保养和维护。系统还具有过流保护、过压保护、欠压保护、短路保护、接地保护等功能，确保了控制、保护动作的准确性和可靠性。变频调速控制系统还具有自诊断功能，通过同PLC的通信来实现故障实时显示及处理对策，便于查找故障和维修。

4.提高工作效率和减小机械磨损。起重机起升系统可根据负荷大小自动切换实现空钩、副钩、主钩等多挡不同的工作速度，减少了速度切换交替的辅助时间，降低了司机劳动强度，可大大提高起重机的作业效率。同时由于变频器采用软启动和软制动，不仅减小了对钢结构的冲击，还减轻了制动轮与刹车片间的磨损。

5.提高了安全性。起升机构实现了闭环矢量控制，具备了零速转矩的功能，即在起升机构制动器出现机械故障而失灵的情况下，变频器可自动输出足够大的转矩(大于150%) 不使负载下滑，从而提高系统的安全性。

6. 超载报警。(1)90%额定载重量时，发出断续的报警声，显示重物质量值但正常工作。(2)105%额定载重量时，发出连续的报警声，2s后自动切断变频器输出，显示重物质量值并停止工作。(3)120%额定载重量时，发出连续的报警声，立即自动切断变频器输出，显示重物质量值同时停止工作。

7. 节能效果显著。一般变频器具有自动节能操作模式，同时能较大地提高系统功率因数和工作效率，因此节电率可达20%左右。

二、控制方式及起升电机的选取

1. 起升系统采用矢量控制，一台变频器控制一台起升变频电机，其速度的自动切换由变频专用质量测控仪和可编程控制器来完成，大、小车系统控制采用V/F控制，各由一台变频器控制多台电机。所有限位保护触点均作为PLC的 输入点，经程序处理再进行保护，

2. 起升电机的选取应考虑具备较宽的调速范围，采用变频电机代替普通的线绕式电机。变频电机在闭环控制条件下，50Hz以下为恒转矩调速，50～100Hz为恒功率调速， 其绝缘结构具有对于变频器输出高载波频率电压的适应能力，能够承受200%额定转矩的过载，满足125%额定起重量的静载试验。

3. 选用可靠性高、编程简单、使用方便、功能完善的 PLC代替原继电器、接触器控制方式，与变频器相结合，实现“机电一体化”。由于变频器的干扰因素较多，对PLC的参数采集要考虑干扰，因此在配线和接线等操作时要注意抗干扰的措施，输出线要采用钢管作屏蔽处理，所有的控制线都采用屏蔽线，而且要注意接地问题。同时在编制程序时，要采取软件抗干扰措施。

三、变频调速对起重机整体的影响

1. 变频调速对起重机特性的影响。起重机实际载荷具有多变性，不仅在不同的循环中可能有不同的载荷，即使吊同样的物件载荷也是随机变化的。载荷的变化与离地时的情况、加减速度、制动时间、风阻力等因素有关。(1)变频调速改变了载荷的离地速度，做到零速起升，降低起升机构的动应力系数;加减速为无级调速;增添电制动形式，降低机械制动冲击力;降低制动器制动力矩及起重机自重。(2)变频器的应用可节省控制柜空间，发挥PLC总

线控制或遥控器操作的优势，同时一套变频器可供不同时工作的多机使用，可节省大量输电线及一次性投资。(3)高功率因数，低启动电流。变频调速在满载运行时电机具有高达0.9以上的功率因数、下降过程不从电网提取能量或向电网反馈能量的特点，降低了对前级变压器的配置要求，节约能源及一次性投资。(4) 变频调速的应用优化了起重机的工作性能提高了起重机整机寿命和机构的定位精度，改善了劳动强度及人机关系。

2.变频调速对结构件的影响。变频调速降低了载荷离地时的速度及载荷离地瞬间产生的附加加速度;减少了载荷离地瞬间对起重机的动态冲击值及附加加速度引起的附加动应力载荷。变频调速能降低起升动载荷系数值，从而可降低起重机动载载荷及起重机的自重。

3.降低电机启动力矩。欧洲机械搬运协会标准(FEM)对不同类型电机的启动转矩M有相应的规定：直接启动的鼠笼电机Mmin/M Nmax≥1.6(Mmin为电机最小启动转矩，MNmax为电机最大额定启动转矩);滑环电机Mmin/MNmax≥1.9;调压和变频类电机 Mmin/M Nmax≥1.4。变频调速对启动转矩的降低，可进一步降低动载荷对机械结构及传动部件的强度要求。

4.回转和行走机构。变频调速的S特性可消除速度切换过程中的力矩冲击，力矩可变及电制动特性的应用，可消除反向切换过程中的齿间间隙造成的冲击力矩，降低机械制动时的运行速度，从而降低对制动力矩的要求，减少制动冲击，提高运行或回转机构部件的使用寿命。变频起重机行走机构的减速器、传动轴等传动部件的力矩选择可按传统机构的1/1.5选用。

四 结论

调速器注意事项 篇5

一． 调速器正常开、停机： 1.调速器正常开机：（1）手动开机： 条件：主油阀打开

油压达到额定工作值

油泵控制箱能正常控制油泵打油 各电磁阀都能正常工作 调速器在手动状态

条件具备后，手动切除折向器，使折向器处于切除状态，然后手动操作电磁阀开机手柄使机组启动。（2）正常自动开机： 条件：主油阀打开

油压达到额定工作值

油泵控制箱能正常控制油泵打油 各电磁阀都能正常工作 调速器在自动状态

条件具备后，中控室发送开机令，机组接收到开机信号后自动开机使机组快速达到额定转速。

2.调速器正常停机：（1）手动停机： 条件：主油阀打开

油压达到额定工作值

油泵控制箱能正常控制油泵打油 各电磁阀都能正常工作 调速器在手动状态

条件具备后，手动投入折向器，使折向器处于投入状态，然后手动操作电磁阀关机手柄使机组停止。（2）正常自动关机： 条件：主油阀打开

油压达到额定工作值

油泵控制箱能正常控制油泵打油 各电磁阀都能正常工作 调速器在自动状态

条件具备后，中控室发送关机令，机组接收到关机信号后自动关机使机组快速停止。二． 调速器紧急停机：

当自动保护装置发紧急停机信号给调速器，且调速器接收到信号，调速器自动紧急关闭喷针，使机组迅速停机。

当调速器没有接收到紧急停机信号从而不能自动紧急停机时，则先迅速投入折向器，然后在触摸屏上切换为手动，手动把机组停下来。

若调速器自动无问题，也可拿短接线短接端子排上的4号和41号，使机组停下来（慎用）。三． 常见问题分析及处理方法： 1.不能手动开、关机

分析：不具备手动开机、关机条件

处理方法：按照手动开、关机条件逐步排除处理 2．不能自动开、关机

分析：不具备自动开、关机条件

未接收到自动开、关机信号；调速器不在自动状态；开、关机继电器损坏；驱动板损坏；电磁阀线包损坏；电磁阀损坏；PLC损坏；接线松动等

调速在雷达管制中的应用 篇6

【关键词】航空；调速；雷达管制

中图分类号：v35文献标识码a文章编号1006-0278（2015）10-138-01

航空器速度：是飞行过程中表示其运动特征的重要指标，也是关系飞行安全和效率的关键要素之一。速度是矢量，即它有大小和方向。航空器的速度按方向分为水平速度垂直速度。

一、水平速度

水平速度表达了航空器运动时间和距离的关系，反映了航空器在水平方向上的运动规律和特征，是体现航空器飞行动态的重要指标。

（一）管制中常用的水平速度及其应用

指示空速ias：又称表速，是管制员对于中低空飞行航空器速度进行调整的对象。

真空速tas：是航空器相对于空气运动经过修正后得到的速度。它不是管制员的调整对象。

地速gs：是航空器相对于地区表面的飞行速度，是判断航空器间间隔变化的重要依据。

马赫数：航空器在空气中的运动速度与该高度前方未受扰动空气中音速的比值，管制员常以马赫数作为对高空航空器调速的对象。

（二）各种速度之间的关系

1.真空速、指示空速与地速

标准大气条件下航空器在海平面运动时的指示空速与真空速相等；恒定的指示空速上升时，真空速会越来越大；指示空速和地速都是管制员最为关注的速度。

2.真空速、指示空速与马赫数

同高度马赫数相同，其真空速也相同；航空器以恒定马赫数下降，真空速会增大。

3.调整速度的目的

调速的目的主要是调整间隔和落地顺序等，还包括满足前方的流量控制、避免过多的雷达引导、减少管制员的工作负荷、保持高速顺畅的空中交通流量等。

4.调速的规则与原则

（1）调速幅度与频度

调整速度时应避免要求驾驶员做大幅度调速；还应避免对单一航空器多次调速。

（2）调速限制

一般情况不对离场或飞越航空器调速；应避免对同一航空器进行交替的增速和减速；高空飞机一般使用马赫数调整技术。

（3）性能原则

调速要在航空器性能范围之内，并且调速指令应该得到驾驶员的认可；如果不能执行调速指令，飞行员应及时通报管制员。

（4）通报要求

调速时应简要通报飞行员速度调整的原因；管制员和飞行员都应将调速的实施情况及时通报对方，并且管制员在不需要调速时应及时告知驾驶员恢复正常速度。

（5）调速标准

6.调速的方法与技巧

（1）调速的方式

调速的方式根据航空器的不同飞行阶段和管制意图，总的来说可以分为进场调速、高空调速和保持调速。

1）进场调速.对于进场的航空器，通常可以指挥驾驶员调到最大速度/最小光洁速度/最小速度，或直接指定具体的某指示空速

2）高空调速

在高空飞行时，考虑到最大速度限制等原因，对于在8900m（不含）以上的高度飞行的航空器，一般调整马赫数，且马赫数以0.01的倍数调整。

3）保持速度

可以指示航空器保持速度，目的是为了保证安全间隔和合理排序；也可以指示航空器保持最大速度或最小速度。

（2）调速的对象

地速是雷达上直接显示出来的速度，是调速的“落脚点”；指示空速是调速的“出发点”，因此要求管制员在发指令前要把预期调整的地速转换为指示空速，再指示驾驶员调速。

（3）早调与晚调

不要过早将进场航空器的速度减小得过多，在条件允许的情况下，应尽量使航空器保持大表速进近，可以起到加速流量的作用；“前机晚调速，后机早调速”方法可以避免进场飞机的追赶。

（4）粗调与细调

离本场较远时可以要求上一管制区先整体粗调速度，进入终端区后再精细调整，这样可以放缓整体节奏，建立最佳间隔，保证航空器运行的流畅

（5）速度与经济性

航空器在光洁状态飞行可以减少航油的消耗，因此，在条件允许的情况下，管制员应该尽可能的使飞机保持光洁构型自主飞行，调整速度时尽量避免“最小速度”等字眼。

（6）高度与速度

根据规律，相同指示空速的航空器在同时下降中，前机处于低高度层，真空速将小于后机，为了避免追赶，可以调整两机指示空速形成速度差，建成“前快后慢”的运行态势。

（7）调速与引导

调速与雷达引导需要结合使用方能达到最佳效果；另外飞行员调速过程需要一定的时间，管制员应有心里准备，做好提前量。

二、垂直速度

垂直速度反映了航空器在垂直方向上的运动规律和特征，管制员只能通过二次监视雷达标牌上的高度和上升/下降率的信息来感知。

（一）航空器的垂直速度

航空器的垂直速度具体体现为上升率和下降率两个方面。上升率是航空器上升时，在单位时间内增加的高度；下降率又称下降速度，是航空器正常下降时，在单位时间内减少的高度。

（二）调整垂直速度的目的

调整垂直速度是为了让航空器加速到达目标高度，避免飞行冲突，或用于紧急情况处置时。

（三）调整垂直速度的方式

调整垂直速度可用的指令有：加速上升/下降至某高度；以指定的上升率/下降率上升/下降至某高度；上升/下降率不小于某个值到底某高度；在指定位置点或点之前到达指定高度。

（四）注意事项

1.速度与高度的操作冲突

应先指示航空器下降高度，改平后在发送减速指令并给出原因；避免先减速再要求航空器大下降率的错误做法；利用雷达引导技术引导航空器使其延长飞行距离，以抵消航空器加速下降、再减速所增加的额外飞行时间。

2.机型

不同机型的速度范围，尤其是上升/下降率相差很大，了解不同机型上升率和下降率的大致范围，避免发出超出航空器能力限度的指令。

3.舒适性

同步电机调速论文 篇7

针对三相异步电机节能研究的构想,对三相异步电机的拖动系统进行改进,利用电机变频启动,永磁同步电动机拖动,并通过对其实验、调试、运行最终实现电机拖动系统节能,提高电机的负载率。通过对整个系统结构的分析,对系统的功能需求和性能要求进行分析后提出设计方案,将整个系统的各功能模块化并逐一提出设计方案,最后通过现场测试证明永磁同步电机变频启动实现电机节能的优越性及可靠性。

目前,许多大型企业对电机节能的重视程度不够。厂区设备电机普遍存在老化现象,未及时更换,除J系列电机明确淘汰以外,我国规定Y系列三相异步电机为淘汰产品。Y系列电机时常处于空载或轻载下运行,造成“大马拉小车”现象。还有就是电机不能满负荷运行,功率因数低,无功功率大,电机效率低,噪声大,电机使用年限长,造成严重的电能损耗。异步电机直接启动,电流大,铜损严重,严重影响使用寿命[1,2,3]。

高效永磁同步电机与Y系列三相异步电机相比具有明显的优势,永磁同步电机具有效率高、功率因数高、起动转矩大、噪声低、力能指标好、温升低、定子电流小、定子铜损小等特点。通过提高电机的起动转矩,提高了电网的品质因数和运行效率,较好的解决了用电设备中“大马拉小车”的现象,起到了高效节能的作用,其综合节电率约为20% ~ 30% 左右[4,5,6]。所以根据永磁电机的这些突出的优点,在节能系统中,用永磁同步电机替代普通的Y系列三相异步电机,作为节能改造的一个点。

1 Y系列三相异步电机运行现状

文中以该厂动力车间型号为Y225S - 4 三相异步电机为例。该电机额定功率为37k W,额定电流为70. 4A。该异步电机使用年限过长,运行振动噪音大,实际工频运行时不能达到额定的功率,导致管网供水量不足,而且异步电机由于自身的原因,其容量一般需要与所拖动的负载相匹配才能达到稳定运行,而由于水泵站的实际情况,不同时间段的供水量经常发生变化,异步电机随负载率的变化其功率因数和效率变化很大。长期运行下去会消耗很大一部分电能,造成一定的经济损失。

用福禄克电能质量分析仪对该电机电网进行检测,检测数据如表1 所示。 由表1 可知,Y225S - 4 三相异步电机工作电压为425V左右,工作电流为61A左右。视在功率与无功功率较大,造成了不必要的电能浪费。因此,应降低无功功率,使无功功率接近于0,使视在功率尽量接近于有功功率值,以达到最佳的节能状态。我国Y系列普通三相异步电机功率因数最低标准为0. 86,而该电机仅为0. 76,明显低于我国普通三相异步电机功率因数最低标准。无功损耗较大,视在功率加大,增大了供电变压器的负担,电机功率因数低就会产生“大马拉小车”的现象,使电机运行效率低,消耗不必要的电能,从而提高生产成本。因此,提高电机功率因数势在必行。

2永磁同步电机变频控制系统设计

2.1永磁同步电机

永磁同步电机转速恒定,为同步转速,转速较普通电机稍高,上述Y225S - 4 三相异步电机4 极转速为1480r/min,永磁同步电机转速为1500r / min。永磁同步电机功率因数高,效率高,特别是运行效率高,而且具有较宽的经济运行范围,普通电机的经济运行范围一般为额定负载的60% ~ 100% ,低于60% 的负载时,电机的效率和功率因数曲线下降很快,运行效率和功率因数很低。而永磁电机的经济运行范围远比普通电机宽,不仅在额定负载时效率很高,而且在25% ~ 120%额定负载的范围内都有较高的效率,效率曲线比较平滑,变化不大。因此采用永磁同步电机对37k W三相异步电机进行替换,可以节约电能,效果明显,而且这种永磁同步电机,使用中可以同尺寸代替原来的Y、Y2、Y3 等电机,减少了更换过程的麻烦。

文中选用了通力达科技有限公司的永磁同步电机,型号是TYCX225S - 4,其额定电流为62. 9A比同型号的37k W三相异步电动机额定电流70. 4A小很多,无功功率消耗明显减少,而且此同步电机的安装尺寸与同型号的37k W Y系列三相异步电机相同,可以完美替换。额定功率因数为0. 95,比二水站运行的37k W异步电机0. 86 的功率因数高很多。

2. 2 变频调速

变频调速是一种典型的交流电动机调速方法,它不仅适用于异步电动机,同时也适用于同步电动机。变频调速方法具有频率连续可调,可实现无级调速,调速范围大、机械特性硬、转速稳定性好、效率高。变频调速是在远程启动时通过整流将转子中加入直流电压,由逆变器将直流电压转换成频率可调的交流电,利用变频电源使频率从零缓慢升高,驱动旋转磁场牵引转子缓慢同步加速,直至达到额定转速,因此在节能改造系统中,对电动机进行变频恒压调速[7]。

根据永磁同步电机的参数,选取37k W ABB510变频器。变频调速控制结构如图1 所示。

变频器要实现的功能和效果如下:

1) 选用永磁同步电机专用的变频器,变频器输出的电源频率要与电机匹配;

2) 根据电机所需要拖动的负载,选用合适功率的变频器;

3) 变频器要按照电动机标准的参数进行设定,要变频器的容量与电动机的容量相一致,使变频器能搜索到最佳工作点。

3 效益分析

Y225S - 4 工频有功功率与无功功率曲线如图2 所示。由图2 可知,Y225S - 4 工频运行时有功功率平均为35k W,无功功率平均为30k W。

用永磁同步电机TYCX225S - 4 变频替代后检测曲线如图3 所示。该有功功率平均为22k W,无功功率平均为3k W。经两图对比可知,TYCX225S- 4 变频降低有功功率和无功功率,从而有效地降低该电机的耗电量。

用福禄克电能质量测试仪记录Y225S - 4 工频运行3h耗电量和TYCX225S - 4 变频运行3h耗电量,监测曲线如图4 和图5 所示。

由图可以清晰看出,2 台电机在相同时间内消耗的电量明显不同,其中TYCX225S - 4 变频运行消耗电量明显小于Y225S - 4 工频运行时消耗电量。

通过对Y225S - 4 电机工频运行与TYCX225S- 4 电机变频运行监测,记录数据如表2 所示。

通常节能效果如何主要考虑如下2个方面:

1)电机满负荷运行时电流是否降低;

2) 电机满负荷运行时功率因数是否提高。

由表2 可知,TYCX225S - 4 变频运行时电流仅为34. 8A,比Y225S - 4 电机工频运行时电流降低26. 3A。除此以外,TYCX225S - 4 电机变频运行时功率因数达到0. 99,Y225S - 4 电机工频运行时功率因数仅为0. 76,完全满足工厂电机节能的要求。通过数据的对比可明显看出TYCX225S - 4电机变频节能效果。Y225S - 4 电机工频与TYCX225S - 4 电机变频效益分析如下。

节电率= ( 改造前耗电量- 改造后耗电量) /改造前耗电量= ( 35. 3 -21. 8k Wh) /35. 3k Wh =38. 2%。

年节电费= ( 改造前耗电量- 改造后耗电量) × 年工作天数 × 日工作小时数 × 电价格=( 35. 3 - 21. 8) × 24 × 300 × 0. 7 = 68040 元/a。

回收周期计算分析如下。改造包括老式37k W电机升级更新为新型37k W永磁同步电机,新制作安装变频系统控制柜,整体改造总投资费用为74000 元,由上式知道37k W永磁同步电机变频运行时一年可节约年费用68040 元。因此该厂永磁电机变频替换三相异步电机支出费用的回收周期为1. 08a。

4 结语

根据Y系列三相异步电机耗能问题提出永磁同步电机变频调速控制方案。经过前后数据的采集对比,可直观地看出该方案提出的合理性与实用性。该方案的设计不仅产生很高的经济效益,而且实现了设备的更新,延长了设备的使用寿命。因此,永磁同步电机通过变频控制具有一定的利益价值。

该公司有近百台大功率的风机、水泵类电机,多数是Y系列的高耗能的老式电动机,如果采用永磁同步电机进行更新替换,会很大程度地提高电机运行效率,降低有功功率消耗,减少无功损耗,如果同时实施变频节能改造,会有较大的节电空间,极大的降低电能消耗,产生可观的经济效益。

摘要：通过对某车辆厂电机耗能情况调研发现该厂大多数正在使用的电机设备使用年限较长、设备陈旧,并且长期处于低效益运行,浪费大量的电能。针对该厂动力车间Y系列三相异步电机进行改造,设计永磁同步电机变频调速控制系统替代Y系列三相异步电机。从节能的角度分析永磁同步电机变频调速控制系统带来的经济效益,最终得出替换Y系列三相异步电机的必要性及合理性。

关键词：永磁同步电机,节能,经济效益,异步电机

参考文献

[1]耿仁宝.异步电机节节能技术的研究[D].南京:南京理工大学,2010.

[2]Sujitjorn S,Areerak KL.Numerical approach to loss minimization in an induction moter[J].Applied Energy,2004,79:87-96.

[3]陈不璋,周明宝,俞鑫昌.电动机节能技术[M].北京:科学出版社,1989.

[4]唐任远,安忠良,赫荣富.高效永磁电动机的现状与发同发展[J].电气技术,2008,(9):1-6.

[5]孙连柱.永磁电机功率因数与能耗关系分析[J].内蒙古石油化工,2013,(24):80-82.

[6]唐任远.现代永磁电机理论与设计[J].北京:机械工业出版社,1997.

基于DSP电机调速系统 篇8

关键词 DSP 调速系统 电路 仿真

中图分类号：TM3 文献标识码：A

1电机调速系统简介

1.1电机生产中的分类

机械生产中广泛使用了两种技术：第一种是不改变同步转速的方法，其中又分为了转子串电阻调速、斩波调速、串级调速、应用电磁砖差离合器（又如液力偶合器、油膜离合器）等调速方式。第二种是改变同步转速的方法，改变定子极对数的多速电动机，其中又分为改变定子电压、频率的变频调速。

1.2电机方式的分类

从调速的方式来看电机调速分为调压调速、变极调速、变频调速、电磁调速。

（1）调压调速顾名思义，就是变动电动机的定子电压实现调速的目的。调压调速时对于单相电动机来说电压是在0-220V之间的电压值；對于三相电动机来说电压是在0-380V之间变化的。调压调速方式的优点在于调速过程中产生的转差能量再次循环利用使得这种方式效率高，缺点在于功率因素较低，并且有谐波干扰、运行时没有制动转矩一般用于单象限运行的负载。

（2）变极调速的定义是改变电动机定子绕组的接线方式来变动电动机磁极的对数，进而逐步有级的变化同步转速来实现电动机转速有级地调速。变极调速的电动机产品比较定型，例如单绕组多速电动机。变速调速电动机的优点在于没有附加的差基损耗、效率高，并且控制电路很简单、便于维修、制作成本低，还可以与定子调压或者电磁转差离合器组合使得效率提高。

（3）变频调速，就是用改变异步电动机定子端输入电源的频率使之连续可调来改变它的同步转速，实现电动机调速的方法。变频电机是最节能高效的电机，其优点在于无附加转差损耗，效率高，调速范围广。在低负载运行的时间较长，或者起停运行较频繁的场合可以有节电保护电机的作用。缺点是技术相对复杂，成本较高。

（4）电磁调速就是通过电磁转差离合器来实现调速的目的。电磁调速异步电动机俗称滑差电动机，是一种比较简单可靠的交流无极调速设备。这种电动机采用组合式结构，由拖动电动机、电磁转差离合器和测速发电机等组成，测速发电机是作为转速反馈信号源供控作用。这种电动机的无极调速是通过电磁转差离合器来实现的。其优点在于结构较简单，控制装置容量小，成本便宜，并且运行可靠维修简单，没有谐波干扰。缺点在于速度损失较大，效率比较低。

2三相交流电机

2.1 三相同步电机

直流电机中，用换向器绕组代替转子绕组，可以使定子磁场与转子磁场相对静止，产生恒定的电磁转矩，从中我们想到，将电机定子绕组改造成三相对称绕组A-X、B-Y、C-Z，在这个系统中三相对称绕组中通入三相对称正弦电流，就会产生幅值恒定的旋转磁场，其转速等于相电流的角频率。将转子绕组嵌入转子槽中，做成分布绕组，将此分布绕组作为励磁绕组，通入励磁电流，这时在气隙中就会产生正弦分布且幅值恒定的励磁磁场，之后它随着转子一起旋转。

定子磁场和转子磁场相互作用，之后形成电磁转矩。定子旋转磁场速度ws和转子速度wr的大小决定了这两个磁场轴线间的电角度，当ws=wr，时，这个电角度为常数，两个磁场的相对位置不变，产生恒定的电磁转矩。三相同步电机稳态工作时，定子旋转磁场幅值恒定，在励磁绕组中不会产生电动势。但转子磁场在定子绕组中却会产生电动势。

同步电机中转子线圈与定子线圈的等效励磁电感相等，用Lm来表示，再用Is表示定子电流，用If表示分布绕组中的励磁电流，用 表示定子旋转磁场在d-q坐标系中的空间相位，则电磁转矩te可由下面公式计算得到：

te= - IsIfLmsin （1）

式（1）中的负号表示电磁转矩的方向应使 减小。用 f表示励磁绕组磁链，其大小为：

f=LmIf （2）于是，式子（1）又可以改为：

te= fIssin （3）

2.2 三相异步电机

2.2.1 三相异步电机的历史

在说三相异步电动机之前，我们先说电动机的历史。直流电机和交流电机相继诞生于19世纪，拿直流电动机和交流电动机想对比的话，直流电机的转矩更加容易控制，并且直流调速系统具有起、制动性能较好，调速范围广，静差小及稳定性能好等优点，因此作为调速系统的首选机型。随着工业的发展，由于直流电动机内部采用的是机械式换向器，所以大功率高速度的直流电动机设计起来极其复杂，而复杂的设计又造成了价格方面的昂贵以及维护方面的麻烦，在特大功率，超高速度的场合中直流电动机甚至根本无法设计使用使得人们技术突破造成了瓶颈。

随着现代控制理论的发展，电力电子技术的突破以及微机控制的出现，交流电机的速度控制在理论上得到验证，在实际应用中得到了技术上的支持，控制技术越来越成熟，调速性能已经能和直流电机相媲美，应用范围甚至超过了直流电机，并且伴随着交流电动机的先天优势：结构比较简单、制造成本比较低、维护起来也较为经济，交流调速系统的客观发展趋势已经说明总有一天直流电机会完全被交流电机取代。

三相异步电机是当今应用最广泛的交流电机之一，因此对它的控制策略与如何节约能源相结合的研究对基础工业自动化而言具有举足轻重的意义。

2.2.2 三相异步电机的试验内容

这次主要的研究课题就是基于TMS320LF2407A电机数字控制DSP芯片的空间矢量模糊调速系统的研究。本次研究我们运用了磁场定向技术、矢量控制理论、SVPWM算法以及模糊控制理论，并由Simulink的仿真来证实该系统动、静态性能好，稳定性高、鲁棒性强、抗干扰能力强等等特点。

（1）矢量控制技术简介

为了使非线性，强耦合的三相异步电机获得较高的动态调速性能，研究人员于上世纪70年代提出了基于转子磁场定向技术的矢量变换方法，即利用坐标变换的方法把三相静止坐标系下的定子电流、电压和主磁链，变换到以转子磁场定向的两相旋转坐标系下，这样，定子电流就被分解成了励磁电流和转矩电流两个分量，矢量控制的基本思想就是通过对这两个电流分量的相位和幅值分别进行控制来实现对电机转矩的控制。实质上而言，矢量控制技术所包含的主要内容是电机等效电路，磁链方程，转矩方程以及坐标变换。

（2）SVPWM算法

空间矢量脉宽调 （Space Vector Pulse Width Modulation）简称为SVPWM，它是基于如何使三相异步电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场为思路而产生的电机控制算法。SVPWM的总体构想是在一个控制系统中把逆变器和电机当做一个整体来考虑，因此对按照这种设想来建立的数学模型进行分析比较简单，实时控制起来也比较方便，实际系统中输出电压和电流中产生的谐波少，并且从节能方面来考虑，相比起传统的SPWM算法而言，SVPWM算法的电压利用率也要高出15%。

（3）模糊控制理论

模糊控制理论最早是在1965年就由美国学者L.A.zadeh首先提出，经过多年研究之后在1973年他又给出了模糊逻辑的定义和相关定理。到了1974年，英国学者E.H.Mamdani首先尝试利用模糊控制语句构造模糊控制器，并将它用在锅炉和蒸汽机的控制上，这一次尝试不仅取得了成功，而且这一历史性的创举标志着模糊控制理论的诞生以及运用。模糊自动控制是以模糊集合论，模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机或者微机数字控制，在实质上它是一种非线性控制，从属于智能控制理论的范畴，并且具有系统化的理论基础，同时还具有大量的实际应用。模糊控制理论发展至今已经40多年了，不管是在理论上还是在技术上都有了飞速发展，因此它成为了自动控制领域最有成果的分支之一。

2.2.3 三相异步电机的DSP结构

用霍尔器件测量逆变器输出的定子电流iA、iB经过DSP的A/D转换器变化为数字量的，并且利用式子ic=-（iA+iB）来算ic，再通过Clarke和Park变换把电流由iA、iB、ic变换成旋转坐标系中的各个直流分量作为电流环的负反馈量。由于异步电动机的转子机械转速与转子磁链转速不同步，所以用电流一磁链位置转换模块求出转子磁链位置，用于参与Park变换和逆变换的计算。给定转速n`与转速反馈量n的偏差经过速度PI调节器，其输出作为用于转矩控制的电流T轴参考分量iT`。iT*和iM* （等于零）与电流反馈量iT、iM的偏差经过电流PI调节器，分别输出M、T旋转坐标系的相电压分量V M*和V T*。V M*和V T*再通过Park逆变换转换成 、 直角坐标系的定子相电压矢量的分量V *和V *。当定子相电压矢量的分量V *、V *和其所在的扇区数已知时，就可以利用电压空问矢量SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。以上操作完全可以全部采用软件来完成，从而实现三相异步电动机全数字实时控制。

2.2.4 三相异步电动机的软件设计

我们用TM320LF240DSP实现转子磁场定向的矢量控制算法来设计，这个系统是包括系统主程序和中断服务子程序构成的。主程序主要完成DSP芯片的控制系统初始化部分，可以用C语言进行编程来提高程序的可读性；中断服务程序时完成矢量控制算法的主要部分，其采用了DSP的汇编语言编程来满足系统对实时性的要求。

2.2.5 系统的仿真

转速阶跃给定为1500r/min，直接启动电机，在2s、4s、6s、8s负载为：20N·m、15N·m、25N·m、20N·m。仿真表明，系统的动态响应快、超调量小及抗干扰能力强。

综上所述，以上结果可以看到该电机速度控制系统中电机的转速响应快，转矩的波动小，超调量小，动态性能和静态性稳定。该仿真是对该调速系统设计思路的验证，结果证明设计思路是可行的，在实際系统设计中可以以该仿真为依据，进行硬件电路的搭建和控制程序的流程设计。

参考文献

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[2] 宫鑫，宋稳力.基于TMS320F28335的三相PWM整流器设计与实现[J].机械与电子，2008.（03）：75-77.

[3] 雷军. 基于DSP+MCU的电机微机保护装置的研制[D].长沙：中南大学，2007.

[4] 王晓明，王玲. 电动机的DSP控制-TI公司DSP应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.