电流矢量型变频器分析论文

【摘要】本文首先分析了电流型PWM逆变器的电流环的实现方法，然后分析了电压型PWM逆变器与电流型PWM逆变器在电流环实现上的异同。基于异步电机在M-T坐标系下的ω-ψr-is状态方程设计了一种异步电机矢量控制下的电流环，并且对电机的ω-ψr-is状态方程进行MATLAB建模。今天小编为大家精心挑选了关于《电流矢量型变频器分析论文(精选3篇)》，希望对大家有所帮助。

电流矢量型变频器分析论文 篇1：

变频矢量控制在数控机床主轴驱动中的应用

摘要：本文主要介绍数控机床主轴驱动变频控制系统的结构与运行模式,阐述无速度传感器矢量控制变频器的基本应用。

数控机床电气控制系统由CNC、主轴驱动系统、进给伺服系统、检测反馈系统、强电控制系统、编程装置几部分组成。其中主轴运动是数控机床的重要内容,主要完成切削任务,其动力约占机床动力的70%～80%。正反转和准停以及自动换档无级调速是主轴的基本功能。

目前数控机床主轴驱动多采用交流主轴驱动。数控机床对主轴驱动性能有如下要求：(1)调速范围宽并实现无级调速;(2)恒线速切削;(3)高精度,传动平稳;(4)良好的抗振性和稳定性。

1数控机床主轴变频系统结构与运行模式

1.1 主轴电机变频调速原理

由主轴电机转速n=60f1(1-s)/p可知,当极对数p一定时,转速n正比于电源频率f1。连续改变电源频率,即可对电机连续调速。变频器频率调节范围宽,因此主轴电机转速可在较宽范围内调节。

当然,转速提高后,还应考虑对其轴承及绕组的影响,防止电机过分磨损及过热,一般可通过设定最高频率进行限定。

变频调速目前广泛采用交-直-交电压型变频器,其工作原理是将50Hz工频交流电整流成直流电,通过滤波、逆变,把直流电逆变成频率连续可调、输出电压可变的矩形波三相交流电。通过脉宽调制,改变输出脉冲占空比来改变输出电压。

1.2 主轴变频系统构成

如图1所示,对应于被加工件的AB段,主轴速度维持在1000r/min;对应于BC段,电机拖动主轴成恒线速,转速连续变化,实现高精度切削。

在本系统中,速度信号的传递通过数控装置到变频器的模拟给定通道,通过输入信号与设定频率的输入输出特性的设置,满足数控机床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。

2无速度传感器矢量控制变频器

2.1 主轴变频器选型

目前较为简单的变频器是V/F标量控制,它是一种电压发生装置,对调频过程中的电压进行给定变化模式调节。常见的有线性V/F和平方V/F控制。

但标量控制低频转矩不够,稳定性差,在机床主轴变频控制中逐步被矢量控制取代。

矢量控制基本原理是通过测量和控制异步电机定子电流矢量,根据磁场定向分别对励磁电流和转矩电流进行控制,实现控制转矩。具体是将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量和产生转矩的电流分量分别加以控制,并同时控制两分量间的幅值和相位。

矢量控制实质是将交流电机等效成直流电机,分别对速度、磁场两个量独立控制。通过控制转子磁链,以转子磁通定向分解定子电流获得转矩和磁场分量,经坐标转换,实现解耦控制。

矢量控制力矩大,适用于重负荷及低频要保证力矩的场合,但国内厂家无法将此功能做好,不能根据负载自动调整适用。

V/F控制目前使用更普遍,一般场合可采用厂家出厂默认参数,有些厂家有列出不同负荷对应的参数设置方法,大部分变频器可自定义参数适用不同场合。

与标量控制相比,矢量控制的优点：(1)控制特性优良,足以和直流调速相媲美;(2)能实现高速响应;(3)调速范围大;(4)可进行转矩控制。

但转子磁链难以准确观测,以及矢量变换的复杂性,实际控制效果很难以达到理论分析结果。此外,必须得到转子磁链在空间上的位置才能实现解耦,需配置转子位置或速度传感器,这给应用带来不便。

矢量控制分无速度传感器和有速度传感器,后者速度控制精度更高。在数控机床中无速度传感器矢量控制已能满足要求,故这里推荐并作介绍。

2.2 无速度传感器矢量变频器

无速度传感器控制始于常规带速度传感器的传动控制,是利用检测的定子电压、电流进行速度估计以取代速度传感器。它能准确获取转速信息,保持较高精度,满足实时要求。无速度传感器控制无需检测硬件,提高了可靠性,降低了成本;使系统体积小、重量轻,应用广泛。

无速度传感器矢量变频器主要厂家有西门子、东芝、日立、LG等。总结各自产品,它们都具有的特点：(1)参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强;(3)低频高输出转矩;(4)各种保护齐全。

无速度传感器矢量控制改善了转矩控制特性以及负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。

2.3 电机参数辨识

电机除了常规参数如极数、额定功率、额定电流外,还有定子电阻、定子漏感抗、转子电阻、转子漏感抗、互感抗和空载电流。

参数辨识分静止辨识和旋转辨识。静止辨识中,变频器自动测算定子和转子电阻及漏感抗;旋转辨识中,变频器自动测算互感抗和空载电流。

参数辨识中,必须注意：(1)若旋转辨识中出现过流或过压,可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)辨识前必须正确输入铭牌参数。

3结语

由上述分析可知,使用主轴变频器功能设置分以下几方面：(1)矢量控制方式和参数设定;(2)开关量输入和输出;(3)模拟量输入特性曲线;(4)SR速度闭环参数设定。

对于数控机床的主轴电机,使用无速度传感器矢量控制后,维护费用大幅降低,实现了高效率切割和高精度加工,实现了高低速情况下强力矩输出。

参考文献

[1] 杜金城.电气变频调速设计技术[M].中国电力出版社,2001.

[2] 王侃夫.数控机床控制技术与系统[M].机械工业出版社,2002.

作者：李静

电流矢量型变频器分析论文 篇2：

矢量控制中电流环的实现方式

【摘 要】本文首先分析了电流型PWM逆变器的电流环的实现方法，然后分析了电压型PWM逆变器与电流型PWM逆变器在电流环实现上的异同。基于异步电机在M-T坐标系下的ω-ψ r-is状态方程设计了一种异步电机矢量控制下的电流环，并且对电机的ω-

ψ r-is 状态方程进行MATLAB建模。

【关键词】矢量控制；状态方程；电流环；MATLAB建模

在高性能变频器的设计中，性能指标的高低基本决定了变频器的应用范围，因此，如何提高变频器的性能指标，成为变频器研发的重中之重。变频器的性能指标有多种表现形式，其中最重要的就是电机的转矩响应时间，电机的速度精度水平，而电机的转矩响应时间的最直接的表现就是电流环。本文基于异步电机在M-T坐标系下的ω-ψ r-is状态方程设计了一种电流环实现。

一、M-T坐标系下的ω-ψ r-is异步电机状态方程

基于转子磁场定向的矢量控制系统的电机是等效为直流机来进行控制的，因此应该首先求出交流电机的等效直流机模型，即首先求的在M-T坐标系下的交流电机模型，求变换出其等效的直流机控制方程。电机的数学模型有两种形式，其一是电压方程，磁链方程，转矩方程，拖动方程的形式；其二是ω-

ψ r-is或ω-ψ s-is形式的状态方程。第一种电机模型用于推导电机中各个变量的关系，方便电机各个变量的转换；第二种电机模型用于建立电机的控制模型，本文以电压为输入矩阵，Te，ψ r为输出矩阵建立电机的控制模型，从而方便实现对电机的控制。M-T坐标系下的ω-ψ r-is状态方程如下：取X=[ω ψ r ism ist ]为状态变量；[Usm Ust]为输入矩阵；[Te ψr]为输出矩阵。

■ （1）

由上述状态方程可见，这种形式的状态方程是非线性的：

■=■+■■ （2）

输出方程为：■=■（3）。这里，ω-角速度；ψ■-转子全磁链矢量；i■-定子电流矢量；i■-定子电流矢量在M轴上的分量；i■-定子电流矢量在T轴上的分量；U■-定子电压矢量在M轴上的分量；U■-定子电压矢量在T轴上的分量；T■-电磁转矩；L■-三相转子互感转换成一相的互感；L■

-转子电感；np-电机极对数；Tr-转子电路时间常数；Ls-定子电感；Rs-定子电阻；Rr-转子电阻。从方程式（1）（2）（3）可知，在同步旋转坐标系下上，如果按照异步电动机转子磁链定向，则异步电动机的电磁转矩模型就与直流电动机的电磁转矩模型完全一样了；转子磁链唯一ψ■由定子电流矢量的励磁分量ism产生，与定子电流矢量的转矩分量ist无关，这充分说明了异步电动机矢量控制系统按转子全磁通定向可以实现磁通和转矩电流的完全解耦；还表明了ψ■和ism之间的传递函数是一个一阶惯性环节，当ism阶跃变化时，ψ■的变化要受到励磁惯性的阻扰，ψ■按时间常数Tr呈指数规律变化，这和直流电机的励磁绕组的惯性是一致的惯性是一致的；并且，当ψ■恒定时，无论是稳态还是动态过程，转差角频率都与异步电机的转矩分量ist成正比。

二、矢量控制中电流环的实现方式

根据等效直流机模型可知，通过控制定子电流的励磁分量和转矩分量，可以控制电机的转矩，因此，电流环的目标是控制定子电流的励磁分量和转矩分量。

1.以ism，ist为控制对象的输入量的电流环实现方式。下图的矢量控制中，电流环的转矩给定和励磁给定由转速环给出，电流环的转矩反馈和转子磁链反馈由定子电流的励磁分量和转矩分量求的，其给定值与反馈值相减，经过转矩调节器和磁链调节器后变换为电机的定子电流的励磁分量和转矩分量给定值，定子电流的励磁分量和转矩分量给定值经过2/3变换再通过电流型PWM变频器即可实现矢量控制的电流环。

图1 电流型PWM逆变器电流环的实现方法

在这种矢量控制电流环的实现方式中，因为电机的输出转矩T■和ψ■与定子电流的转矩分量ist和励磁分量ism是解耦的，因此转矩调节器和磁链调节器可以根据控制对象模型（4）（5）式单独设计。其输入为电磁转矩和转子磁链，输出为电机的定子电流的励磁分量和转矩分量；其控制对象为（即由ist，ism如何控制电机的Te）。Te=■i■ψ■（4），ψ■=■i■（5）。在这种电流环的实现中，转矩调节器和磁链调节器根据上述框图由反馈控制理论设计。

2.以Um，UT为控制对象的输入量的电流环实现方式。当前大部分的逆变器都是采用的电压型逆变器，根据对M，T坐标系下电机的状态方程分析可知，电压型逆变器的控制量为Um，UT，控制目标为Te和ψ■。本文通过对电机的状态方程深入分析，设计了一种电流环的实现方式如下图所示：

图2 电压型PWM逆变器电流环的实现方法

如上图所示，速度环输出的定子电流的励磁分量和转矩分量为给定值，电动机的反馈定子电流的励磁分量和转矩分量为反馈值，定子电流的转矩分量调节器和励磁分量调节器采用PI调节器，其输出为Um，UT。在M，T坐标系下受控对象的数学模型为：■（6），按转子磁链定向的ω-ψ■-is状态方程（1式），电压输入矩阵■ ，输出矩阵■。

三、基于异步电机ω-ψ■-is状态方程的矢量控制电流环MATLAB建模仿真

基于异步电机ω-ψ■-is状态方程的矢量控制电流环MATLAB建模如图3：

图3 基于异步电机状态方程的控制系统模型

上图中系统仿真模型中转矩调节器和励磁调节器采用PI调节器实现，异步电机状态方程建模如图4所示：

图4 异步电机状态方程模型

上图中的状态方程的仿真模型具有通用性，可以用于不同的电流环和磁通环控制算法仿真系统中。在受控对象解析模型不太明确的系统中，转矩调节器和励磁调节器可以采用PI调节器，对于异步电机调速系统来说，我们可以建立异步电机的粗略模型，推导可得MT坐标系中电流分量ism，ist与电压分量Usm，Ust之间的函数关系：■（7）。根据（7）式，电流环的实现可以采用模型参考自适应的方式来实现，但是这种实现方式需要大量的运算，对于实时性要求很高的矢量控制系统的硬件平台要求很高。

参 考 文 献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，1992

[2]黄忠霖，黄京.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京：国防工业出版社，2009

[3]郭阳宽，王正林.过程控制系统及仿真[M].北京：电子工业出版社，2009

[4]Macbahi H，Ba-razzouk A，Xu J，et al.A unified method for modeling and simulation of three phase induction motor drives[C].Proceedings on Electrical and Computer Engineering，2000（1）：345～349

作者：罗志刚

电流矢量型变频器分析论文 篇3：

驱控智造未来台达重磅发布多款工业自动化新品

呼应智能制造发展需求，8月22日，“驱控智造未来——2019台达工业自动化新品发布会”在北京举行。台达推出了应用CODESYS开发平台，兼顾高性能和可靠性的PC-Based运动控制器AX864E系列;体型精巧、控制简单，具备强大变负载能力的伺服驱动系统ASDA-B3系列;兼具小型化、高功能、高信赖度、安装简便等优势的精巧迷你型矢量控制变频器ME300系列;具有强大过载能力的高功能通用型矢量控制变频器C2000 Plus系列;适用于流体机械行业高速需求的高速变频器C2000-HS系列;以及能效可达到IE5的同步磁阻电机等多款工业自动化新品。

“近年来，台达已将智能制造的理念和实践充分落实到各行业领域的用户当中，并结合深厚产业know-how知识，开发多款具有显著功能特点的工业自动化新品，以帮助客户实现设备和制造相关的智能升级。”台达-中达电通机电事业部总经理陈敏仁表示，“台达深耕自动化20余年，在产业中经验丰富，加上台达强大的研发能力和产线制程，持续累积行业所需的技术能力，为客户提供广度和深度兼具的通用工业自动化新产品，满足产业用户智能化升级的高阶需求。”

台达机电事业群运动控制事业部总经理蔡清雄表示：“从工业3.0到工业4.0，制造产业诞生了很多发展机会，运动控制产品未来的趋势必然要与智能化方向契合，既要符合高速高精的生产需求，也要与网络化、可视化的管理理念紧密贴合。台达在运动控制产品和方案的发展方向上秉承分散控制的理念，希望产品能够融合更多性能优异的先进技术，兼具更人性化的操作方式，在提高生产效率的同时，同步优化智能制造的整体控制网络。此次台达推出的PC-Based运动控制器AX864E系列和高性能伺服驱动系统ASDA-B3系列，都是台达发展智能化的见证，充分考虑了高精密加工的未来发展需求，是机械设备、智能化升级的理想选择。”

台达-中达电通机电事业部变频器产品总监史文祥表示：“台达变频器经过20多年的深耕与发展，凭借优秀的品质，贴近本土的设计以及准确的市场定位，赢得客户的高度认可，为各行各业的工业客户服务。台达变频器的发展注重变频器最初的节能这一本源来进行不断深化，并以系统的视角来提供完整的方案。同时，近年来，随着智能制造时代的到来，台达因应行业趋势，推出的新一代变频器产品如M300系列、C2000 Plus系列，既完美承接过往产品系列的成功经验与可靠品质，又积极响应智能制造时代下不断发展的应用需求变化。”

作为台达发展智能制造的重要支撑，本次台达推出的工业自动化新品主要包括：

①PC-Based运动控制器AX864E系列：台达应对高精密加工的智能化需求开发的新一代PC-Based运动控制器产品，应用当前机械设备制造商广泛采用CODESYS运动控制软件平台，可大幅减少机械设备制造商建置设备时所花费的时间和成本。AX864E系列完美整合时序控制、运动控制、人机显示和信息处理功能于一体，采用Intel x86高效能多核心CPU，无风扇散热设计，机身设计精巧，兼顾高性能和可靠性，适应智能化生产设备紧凑需求。AX864E系列同时也支持PLCopen Part 1～4共65项运动控制功能，包括直线、圆弧补间、电子齿轮、电子凸轮同步运动等，实用、多样化的周边配件，满足机械手臂、木工、印刷、包装、电子电工等行业的应用需求。

②高性能伺服驱动系统ASDA-B3系列：面对标准伺服性能及功能性要求日益增高的市场需求，台达应时而谋，以正相合推出了运动控制功能强大、使用寿命长、运行平稳的高性能伺服驱动系统。相比台达经典的伺服驱动系统ASDA-A2/ASDA-B2系列，ASDA-B3系列具备强大控制变负载能力，采用3.1kHz频宽+24 bit分辨率，驱动器高响应整定时间相较前代机种缩短40%，适用高中低惯量各种伺服电机。ASDA-B3系列内建PID控制器，算法高效，控制简单，高性能点对点运动功能可降低上位控制器功能要求;产品具备进阶自动增益调试与系统分析接口、摆振抑制与系统建模功能、回生能源再利用功能等;具备一键快速调机，5kHz抑振，鲁棒性稳定快整定;提供多功能高速通讯总线模式，包括Modbus/CANopen/DMCNET/EtherCAT等，可助力机床、电子、半导体、机器人、印刷、包装、纺织、木工等产业设备更加高效、便利，同步也可优化设备的生产效率，满足产业机械设备创新升级需求。

③精巧迷你型矢量控制变频器ME300系列：继精巧标准型变频器MS300系列、精巧高效型变频器MH300系列之后，此次发布的精巧迷你型变频器ME300系列同样兼具了M300系列体积精巧、高功能、高信赖度、安装简便等优势，集成能力强，能够显著提升机器效率，广泛适用于各种支持异步电机或同步电机的复杂应用。ME300系列采取小型化紧凑设计，功能完备且过载能力强，可靠稳定且在不同应用环境下运行平稳、安装简单、操作友善、维护成本低、可显著提升设备生产质量与效率，并节约人力和时间成本。

④高功能通用型矢量控制变频器C2000 Plus系列：是继台达变频器C2000系列之后推出的新一代产品，460V机型最大功率段可达560kW，大幅提高过载能力从120%到150%，为传动系统提供良好的速度控制、转矩控制、位置控制与系统稳定性，适用于感应电机与永磁同步电機驱控。C2000 Plus系列还支持多种通讯协议，并内置可编程控制功能（10k steps），为机械设备、食品、化工、金属、橡塑胶、市政、基础建设等各行业提供高效益的驱动方案。

⑤高速变频器C2000-HS系列：台达完全自主研发，针对高速电机驱动的变频器产品，额定输出频率高达1500Hz，产品高效提升变频器输出电流，变频器体积缩小60%，满足高速电机的需求。C2000-HS系列采用融合台达集成技术的新一代IGBT，开关损耗更少，切换频率更高，同时采用台达最新的矢量控制算法，软件控制更精准，输出频率更高，可驱动电机转速为16500～55000转/分，大幅提升流体行业的设备效率，省却增速齿轮箱和油路维护系统，适用于高速流体机械，如高速风机、高速离心空压机、磁浮冰水主机等，为流体行业电控系统更新换代的配套驱动产品。

⑥同步磁阻电机：一个全新的划时代节能高效电机，能效达到IE5，综合节能达到5%～10%，产品功率范围为0.75～75kW，额定转速有1500rpm和3000rpm两种规格。与台达搭配专用控制功能的M300系列、C2000 Plus系列等变频器结合，驱动系统的能效提升效果更为显著。广泛适用于有能效需求的场合如空压机、水泵、风机等、挤出机等，更多的应用领域还在拓展中。