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  • 交流电机数字控制系统,运用数字控制方法,对交流电机进行控制解析
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    因交流传动在现代工业中应用广泛,针对电机驱动电源的性能测试备受重视。基于此,浙江大学电气工程学院、浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室(浙江大学)、浙江理工大学信息学院的研究人员杨庆文、何绍民、杨欢、顾小卫、赵荣祥,在2020年第6期《电工技术学报》上撰文,提出一种利用背靠背变换器代替交流电机及其机械负载的虚拟电机系统设计方案。仿真和实验表明,该虚拟电机系统可以准确模拟异步电机在正常状态以及定子绕组匝间故障状态下的端口特性,即可作为交流电子负载用于电机驱动电源的开发与测试。

    交流电机作为一种常见的电力传动设备,在工业生产、国防科技以及航空航天等领域中应用广泛。其中异步电机由于拥有结构简单可靠、制造维护方便和工作性能良好等优势一直受到研究者的亲睐,同时电机本体以及电机驱动电源的开发一直是学界和工业界非常关注的学科领域。

    在开发电机驱动电源时需要对其进行大量测试,传统的测试平台是利用电动机和同轴发电机形成的对拖平台。在实际工程应用中,部分特殊类型电机本体设计开发周期长,严重影响了电机驱动电源的测试开发进度。同时,传统测试平台成本高、电能浪费严重、电机参数无法灵活调节。在开发电机容错算法或者设计电机故障保护措施时,还需要对电机进行破坏性试验,操作不便。

    由于对电机驱动电源的开发和测试主要关注的是电机端口电压电流特性,如果可以使用交流电子负载模拟电机端口特性,将会为电机驱动电源的研发和测试带来便利。

    利用交流电子负载代替实际电机的“虚拟电机”技术一直受到研究者的重视。

    • 有学者最早提出了“虚拟电机”的概念,并介绍了基本框架结构以及实现“虚拟电机”的基本思路。
    • 有学者采用了基于遗传算法的PID控制器提高电流控制的精度,但是对电机模型的数值计算问题未详细讨论。
    • 有学者采用滞环电流控制策略对整流器进行控制,逆变器则使用幅相控制,并利用Matlab/Simulink对异步电动机及其负载特性模拟进行仿真分析,但未进行实验验证。
    • 有学者讨论了异步电机数学模型的数值计算方法,使用比例积分控制器、比例谐振控制器以及无差拍控制器对电机模拟变换器进行控制,并进行仿真和实验验证,但未考虑到端口电压变化和电机故障等复杂工况。
    • 有学者使用了双星斩波单元变换器搭建虚拟电机系统,提高了虚拟电机模拟电机端口特性的能力,但依然未考虑电机故障状态。
    • 有学者的研究内容涉及到了电机故障状态,但是模型比较复杂,且未详细讨论具体的数值求解方法。

    基于现有研究成果,浙江大学电气工程学院、浙江省电机系统智能控制与变流技术重点实验室、浙江理工大学信息学院的研究人员,首先介绍了“虚拟电机”系统的基本原理,然后在对异步电机进行数学建模时,考虑到定子绕组匝间短路故障这一复杂工况,讨论了数学模型在常用数字信号处理器(Digital Singnal Processor, DSP)中的实时数值计算问题。

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    图1 基于虚拟电机的电机系统测试平台示意图

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    图2 电机模拟变换器控制系统框图

    电机模拟变换器选择了基于内模原理的准比例谐振控制器(Quasi Proportional Resonant, QPR)控制策略,并且在考虑数字控制延时的前提下,以提高控制器带宽和动态响应能力为目标进行参数优化设计,从而实现对不平衡以及动态电流指令的快速跟踪。

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    图3 回馈变换器控制系统框图

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    图4 虚拟电机实验平台

    研究人员指出:

    • 1)在轴下建立的考虑定子匝间短路故障的异步电机数学模型可以通过故障系数对正常模型和故障模型做统一化处理,以绕组磁链作为状态变量后求得的状态方程可以为实时数值计算带来便利。
    • 2)四阶龙格库塔法可以在相同的计算步长下达到更高精度,相较于传统两步阿达姆斯法更适合应用于交流电机实时仿真器。
    • 3)对于电机模拟控制器,QPR优势明显,数字控制延时会降低系统稳定性,针对性的参数优化设计方法可以有效提高系统动态响应能力并且提供足够的带宽。

    仿真和实验表明,所设计的交流电子负载系统可以对异步电机起动、负载切换过程以及发生定子匝间短路故障时的端口特性进行模拟,可以用于电机驱动电源的开发测试。

    以上研究成果发表在2020年第6期《电工技术学报》,论文标题为“考虑故障特性模拟的虚拟电机系统及其控制”,作者为杨庆文、何绍民、杨欢、顾小卫、赵荣祥。

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  • 但部署 PFC也有好的一面,比如改善整体系统效率、导体额定值和分配 电压质量;这些优点对于工业环境下的其他负载(如直接在线感应电机和变压器)可能是很重要的。PFC可以使用有源电路拓扑来实现,比如单相[1]或三相升压...

    ​简介

    功率因数校正(PFC)对于工业电机驱动来说越来越重要。这主要是因为公用事业公司一端加强谐波含量监管所导致的。

    但部署 PFC也有好的一面,比如改善整体系统效率、导体额定值和分配 电压质量;这些优点对于工业环境下的其他负载(如直接在线感应电机和变压器)可能是很重要的。

    PFC可以使用有源电路拓扑来实现,比如单相[1]或三相升压型整流器[2],或者通过无源方 式实现;后者需正确使用低频电感和电容,以便形成交流线路电流包络。两种形式的PFC均试图重现正弦或近似正弦的线路电流,并与线路电压同相,从而最大程度减少来自公用事业公司、产生损耗的谐波电流和无功功率流。

    有源和无源PFC之间的权衡取舍与成本、无源元件权重和数量,以及PFC相关损耗有关。

    在单相电机驱动中,有源PFC使用广泛。对于三相系统而言, 无源谐波校正使用更广,且三相线路上通常含有50 Hz或60 Hz大电 感,或者在整流器的直流侧含有单个电感。然而,在较高功率 下使用有源PFC能获得某些优势。有源PFC解决方案(直流或交流侧)可提供最优电感尺寸、更低的功率损耗、重量和最佳功 率因数。

    在单相应用中(比如低功耗电机驱动),默认使用如图1所示的整流 器输入升压转换器。

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    图1. 单相升压PFC电路

    这些器件通常在50 kHz至100 kHz频率范围内进行开关,因而相 比无源解决方案需要使用较小的直流侧电感。对于三相系统而 言,单开关拓扑可以包含交流或直流侧高频电感。

    实现PFC控制的一个障碍是使用PFC电路和PFC控制器导致成本 上升。系统内处理器处于隔离栅安全超低电压(SELV)侧的情况 尤为如此。这种情况下,从主电机控制处理器内部实现PFC控 制会增加复杂程度与成本,因为需将交流侧测量结果和控制信 号与处理器I/O和ADC相隔离。此外,若要采用通常针对10 kHz至 20 kHz PWM频率的电机控制应用服务优化的处理器来实现50 kHz 至100 kHz PWM控制就有点难度了。

    这种情况下,一种选择是使用一个廉价的模拟PFC控制器(比如 UC3854[3]),并使其完全独立于主系统控制器工作。但是,使用 一个数字PFC控制器(比如ADP1047[4])并搭配电机控制处理器和数 字隔离器,便可实现增值。然后,处理器可将部分时序、监控 和保护功能交由PFC控制器负责,增强整体系统功能,同时降低 成本。

    这种配置的好处如下:

    * 启动和关断时序

    * 系统级状态信息

    * 用户界面显示信息

    * 异常条件监控

    * 最大程度降低传感器要求

    * 备份测量/冗余

    * 用作整体系统故障保护的一部分 X 控制器优化(通过效率)

    图2显示了典型数字PFC控制器的系统监控、保护和时序能力。 将诸如ADP1047器件集成功能置于主处理器的控制与监控之 下,这样做的优势从系统设计角度而言是非常明显的。可以降 低总系统成本、复杂度并减少传感器数量,哪怕PFC控制器自 身的成本可能要高于其模拟器件。

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    图2. 电机控制系统中的数字PFC控制器功能范围

    硬件平台

    ADI提供实验平台,用来在真实电机控制系统中验证信号链元件和软件 工具。 该平台的电路架构如图3所示,平台硬件如图4所示。

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    图3. 通用交流输入电机控制平台

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    图4. 电机控制平台硬件

    该系统表示一个功能完整的PMSM市电输入电机驱动,具有功率 因数校正、完全控制、通信信号隔离和光学编码器反馈功能。 该系统的核心是ARM®Cortex®-M4混合信号控制处理器,即ADI的 ADSP-CM408。由ADP1047来执行PFC前端控制,该器件集成精密 输入功率计量功能和浪涌电流控制。ADP1047设计用于单相PFC 应用,ADP1048则特别针对交错式和无电桥PFC应用而设计。数 字PFC功能基于传统的升压PFC与输出电压反馈的乘法运算,并 结合输入电流和电压来为AC/DC系统提供最佳的谐波校正和功 率因数。所有信号都转换到数字域以提供最大的灵活性,并 且关键参数都可以通过PMBus接口提供报告和调整。

    ADP1047/ ADP1048允许用户优化系统性能,最大程度地提高负载范围内 的效率,并缩短设计上市时间。灵活的数控PFC引擎与精确的输 入功率计量功能的完美结合有利于智能电源管理系统的采用, 从而利用其智能决策能力提高终端用户的系统效率。在轻负载 时,该器件支持以编程方式降低频率,并能降低输出电压,从而进一步提高效率。ADP1047/ADP1048提供增强的集成特性和功 能;浪涌电流和软启动控制功能的集成使元件数量显著减少, 并使优化设计更轻松。该器件针对高可靠性、冗余电源应用而 设计,具有广泛、鲁棒的保护电路。它们还具备独立过压保护 (OVP)和过流保护(OCP)、接地连续性监控和交流检测。同时提供 内部过温保护(OTP),外部温度则可以通过外部检测器件记录。

    系统工作原理

    通过I2C/PMBus接口实现处理器与PFC控制器的通信,I2C数字隔 离器提供域之间的接口,如图5所示。处理器位于SELV电气域 内,PFC控制器参考高压域内的直流总线通用电轨。三相逆变器 的栅极驱动器开关信号通过双通道隔离器,从处理器PWM模块路 由输出。I2C接口的数据和时钟信号以及通用数字信号同样通过数 字隔离器路由。

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    图5. 数字信号隔离

    PFC控制器管理升压PFC电路的控制和监控。这些任务从主电机控 制软件的流程中分流至低优先级的程序中,如图6所示。PFC控制 器参数在启动期间配置。如果已有该功能,则通常可以通过将 配置参数写入控制器IC的EEPROM存储器而跳过该步骤。如图6所 示,在典型电机控制系统中,速度和电流测量以及PWM控制器更 新将作为高优先级中断处理,而电流测量与PWM信号同步。可设 置PFC控制器以便处理输入侧测量,比如输入交流线路电压和电 流、直流总线电压、输入功率、PFC电路温度。这些测量对于电 机控制算法而言不算关键,不过直流总线电压测量对于无传感器 算法可能比较重要。但这些测量对于整体系统级监控和控制器优 化而言比较重要。它们可以进而由低优先级I2C数据处理任务或中 断例程请求和处理,并且计划速率匹配系统监控时间常数。

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    图6. 主电机控制程序结构

    图7所示为平台的Micrium ProbeTM用户界面,其中直流总线基准 电压设为250 V。可以清楚看到交流和直流侧的监控变量以及电 机控制。

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    图7. 用户界面

    结论

    由此节省的额外传感器、数字I/O和处理器上的模拟引脚,以 及调节和解释测量变量的软件开销可能意味着处理器成本的下 降,只要选择性能较低的变体,或者释放处理器硬件和软件空 间供其他优先级更高或系统增强型功能使用就可以实现。

    本例中,相对于交流线路电压的系统启动序列,直流总线欠压、 过压和交流侧过流保护均通过PFC控制器实现。然而,必须谨慎 地进行整体系统设计,因为主控制处理器应始终由PFC控制器负 责控制或保护,以便在受到副边影响时不会独立执行操作。这种 情况的一个例子便是PFC控制器由于直流总线瞬变过压(比如因为 电机制动事件)而经历了一次全局PWM信号禁用。如果控制器未 能检测到该事件,则它将试图调节PWM输出(不会成功)以保持工 作点。如果PFC控制器在过压瞬变消失后重新使能PWM,则系统 可能会由于PWM占空比的突然大幅增加而出现副边故障。因此, 管理PFC控制器与电机控制处理器之间的保护通信和时序时必须 非常仔细。

    总之,若在较低成本的模拟PFC控制器与更为昂贵的数字控制器 之间选择,那么潜在的权衡取舍就应当不仅根据PFC电路自身进 行评估,还应考虑数字控制器更强大的功能所带来的潜在系统级 功能、增强性和成本的下降。本文旨在强调部分关键系统级增强 特性,使用了ADP1047以及单相电机驱动系统作为示例。

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    一、前 言

    三级式无刷交流同步发电机由副励磁机、励磁机和主发电机组成。主发电机为旋转磁极式同步发电机;交流励磁机是旋转电枢式同步发电机;副励磁机为旋转磁极式的永磁同步发电机。交流励磁机转子上装有整流器(旋转整流器),发电机运转时,励磁机电枢产生的交流电经旋转整流器直接整流给主发电机励磁绕组供电;而副励磁机专门为调压器和控制保护电路供电。这种发电机避免了电刷滑环,具有可靠性高,无需经常维护等优点。无刷交流发电机电压调节器通过控制励磁机的励磁电流间接的调节主发电机的励磁电流,达到调节输出电压的目的[1,2]。其原理如图1所示。

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    图1 三级无刷交流同步发电机结构原理图

    研究交流发电机调压系统的稳定性就是利用自动控制理论分析系统受到干扰后的动态品质和稳定性,以及构成系统环节及其参数对系统性能、品质的影响程度,从而能指导系统的设计和改进。本文基于物理建模的方法建立了发电机调压系统的数学模型,然后分别利用频域法和时域法分析了系统的动态品质及其稳定性。

    二、发电机调压系统的建模

    调压器的基本组成如图2所示,有检测、比较、放大、与执行(操纵、控制)四个环节

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    图2 三级无刷交流发电机调压系统原理框图

    1、三级发电机建模

    对于恒速恒频电源系统,在忽略发电机阻尼绕组作用以及电枢绕组变压器电势情况下,电磁式同步发电机可以等效成一阶惯性环节[1-3],即同步发电机的线性化传递函数可以写成

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    (1)

    其中k为发电机的电压增益,r为发电机时间常数,与负载大小有关:

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    在三级发电机系统中,永磁副励磁机可看成一放大的比例环节

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    (3)

    在某确定负载下,桥式整流的换相重叠角r为一固定值,因而整流桥亦为一比例环节

    e9775cb5037d0d93726f8a629812ed48.gif

    (4)

    因此,三级无刷交流发电机的线性化传递函数为

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    (5)

    2、调压器建模[3]

    检比模块

    根据文献[3],平均电压检测的检比回路可以等效为一阶惯性环节

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    (6)

    调制模块

    调制模块的比较器输出基本上没有延时,其线性化传递函数为:

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    (7)

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    为锯齿波(三角波)幅值

    根据三级发电机调压系统的结构原理,建立了平均电压检测的Matlab仿真模型,如图3所示。

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    图3 三级发电机调压系统仿真模型

    在利用软件对调压进行器建模时,检比模块可以等效为一比例环节,硬件概念上可认为是减小滤波电容冲放电时间常数,加快系统响应时间。调制模块由三角波与放大补偿输出信号交割,输出PWM信号。这些措施体现了软硬件的结合的一致性,认为是可行的。

    3、系统特性分析

    某无校正环节的发电机调压系统在满载情况下开环传递函数为

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    (8)

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    图4 无校正环节的发电机调压系统幅相特性

    从图4的系统开环幅频特性曲线可以看出:不加任何校正环节的发电机调压系统,满载情况下系统稳定相角裕度小,低频增益低。为使系统有更高的低频开环增益和更大的相角裕度,可在系统中增设串联校正环节来改善系统的性能[4]。传统的PID串联校正可以满足系统性能的要求,但是该系统的高频衰减特性差,容易受到高频信号的干扰,在扰动突变时就显示出微分的缺陷。在PID算法中加入一个低通滤波器

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    ,可改善系统的性能[5]。具有改进PID校正环节的传递函数为:

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    图5 有改进PID校正环节的发电机调压系统幅相特性

    从图5的开环系统幅频特性曲线可以看出,带低通滤波器的PID串联校正环节的发电机调压系统,有更大的相角裕度和更高的低频开环增益,同时提高了系统的截止频率,加快了系统的动态响应速度。

    三、数字时域仿真分析

    发电机调压系统的时域仿真模型如图3所示,仿真条件:转速12000rpm,主发电机:额定功率

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    ,频率

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    ,励磁绕组时间常数

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    ;励磁机:额定功率

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    ,频率

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    ,励磁绕组时间常数:

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    ;负载:20%额定载突加到200%额定载,再突减到20%额定载。采用上述带低通滤波器的PID串联校正环节。从图6所示的主发电机输出可以看出,此发电机调压系统具有良好的动态性能和稳态精度,励磁电流脉动小,输出电压平稳无脉动。在负载突变的情况下,主发电机输出电压在30ms内回复正常值,符合规范要求。

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    图6系统主发电机励磁电流和输出电压波形

    四、结论

    通过分析三级发电机调压系统的幅频特性,采取一种带有低通滤波器的PID控制策略,从而增大了系统的开环增益和相角裕度,提高了系统的截止频率,加快系统的响应速度。

    参考文献

    [1] 严仰光. 航空航天器供电系统. 航空工业出版社. 1995年8月

    [2] 蒋志扬,李颂伦. 飞机供电系统.国防工业出版社. 1990年4月

    [3] 谢少军. 飞机交直交变速恒频电源系统的数字仿真. 南京航空航天大学博士研究生学位论文. 1995年10月

    [4] 胡寿松. 自动控制原理.科学出版社2001年2月

    [5] 刘金锟. 先进PID控制Matlab仿真. 电子工业出版社. 2004年9月

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