电机控制SPWM原理简析

         SPWM 用输出的正弦信号作为调制波, 用高频三角波作为载波, 控制逆变器的一个桥臂的上、下两个开关管导通与关断。如果在半个正弦周期内, 只有上( 下) 桥臂的开关管反复通断, 下( 上) 桥臂开关管动作, 则称为单极式SPWM。如果在整个周期内, 上、下桥臂的开关管交替导通与关断, 即上通下断和上断下通的状态反复切换, 则称为双极式SPWM。下图给出了双极式SPWM的原理示意图。当载波与调制波相交时, 由该交点确定逆变器一个桥臂开关器件的开关动作时刻及开关通断状态, 获得一系列宽度不等的正负矩形脉冲电压波形。该脉冲序列的特点是等幅不等宽, 其宽度按正弦规律变化;在正弦波半个周期内, 正负脉冲的面积总和与正弦波的面积相等。SPWM 调制的理论基础是面积等效原则, 图中横轴代表时间, 因此SPWM 的理论依据实际是时间平均等效原理 。当脉冲数足够多时, 可以认为逆变器输出电压的基波幅值和调制波幅值是相等的, 即SPWM逆变器输出的脉冲波的基波幅值就是调制时要求的等效正弦波

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1、扭矩控制，就是电机电流的控制，电机电流的大小决定负载力矩，是电机拖动负载时电机自己控制的;
2、当速度越快扭力越小的负载，随着速度的增大负载力矩减小，电机电流会自动减小;
3、速度的控制，就是电机电源频率、电压的控制，通过变频器人为可以控制;
4、当速度越快扭力越大的负载，例如水泵、风机负载，随着速度的提高力矩增大电流自动增大;
5、这里特别要注意一点，负载力矩小，电机的电流就减小，减小电机转矩，拖动负载运动，这个过程是电机的本能，不是别人控制的，谁也控制不了!
6、这里特别要注意一点，负载力矩大，电机的电流就增大，增大电机转矩，拖动负载运动，这个过程是电机的本能，不是别人控制的，谁也控制不了!
7、电机的电流闭环控制时，负载力矩小，电流不能低于给定值，电机的频率、电压会自动上升，增大负载速度增大负载力矩;
8、电机的电流闭环控制时，负载力矩大，电流不能超过给定值，电机的频率、电压会自动下降速度下降，降低负载力矩;
9、如果碰到减速力矩增大的负载，电流闭环控制的结果肯定是到停车;
10、如果碰到增速力矩减小的负载，电流闭环控制的结果肯定是到电机同步最高或发电运行。

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变频器的V/F控制与矢量控制
　U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。
　　矢量控制（VC）方式
　　矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。
　　V/F控制与矢量都是恒转矩控制。U/F相对转矩可能变化大一些。而矢量是根据需要的转矩来调节的，相对不好控制一些。对普通用途。两者一样。
　　1、矢量控制方式
　　矢量控制，最简单的说，就是将交流电机调速通过一系列等效变换，等效成直流电机的调速特性，就这么简单，至于深入了解，那就得深入了解变频器的数学模型，电机学等学科。
　　矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理，根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制。
　　在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。具体做法是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。
　　2、V/F控制方式
　　V/F控制，就是变频器输出频率与输出电压的比值为恒定值或成比例。例如，50HZ时输出电压为380V的话，则25HZ时输出电压为190V。
　　变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，V/f控制是为了得到理想的转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的，通用型变频器基本上都采用这种控制方式。V/f控制变频器结构非常简单，但是这种变频器采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且，在低频时，必须进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
　　3、V/F这种控制方式多用于风机、泵类节能型变频器。V与f的比例关系是考虑了电机特性而预先决定的。
　　4、矢量控制的应用场合一般是要求比较高的传动场合。比如要求的恒转矩调速范围指标高，恒功率调速的范围比较宽。而且，矢量控制不同于V/F控制，它在低速时可以输出100%的力矩，而V/F控制在低速时因力矩不够而无法工作。
5、V/F控制特点——以控制速度为目的，控制特点控制精度不高，低速时，力矩明显小，常用于变频器一拖多场合下。
　　矢量控制——它有速度闭环，即从负载端测出实际的速度，并与给定值进行比较，能够得到更高精度的速度控制，并且在低速时，也有最高的力矩输出。
　　二、矢量控制系统原理
　　思路：矢量调速的目标——直流调速；努力实现励磁电流与电枢电流的独立控制；励磁电流与电枢电流互差90度角。
　　原理：矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。
　　比较：基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U/f＝恒定控制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。
　　三、矢量控制的实现
　　矢量控制基本理念旋转地只留绕组磁场无论是在绕组的结构上，还是在控制的方式上，都和直流电动机最相似。设想，有两个相互垂直的支流绕组同处于一个旋转体中，通入的是直流电流，它们都由变频器给定信号分解而来的。经过直交变换将两个直流信号变为两相交流信号；在经二相、三相变换得到三相交流控制信号；结论只要控制直流信号中的任意一个，就可以控制三相交流控制信号，也就控制了交流变频器的交流输出。通过上述变换，将交流电机控制近似为直流电机控制。
　　矢量控制的给定：1、在矢量控制的功能中，选择“用”或“不用”。
　　2、在选择矢量控制后，还需要输入电动机的容量、极数、额定电流、额定电压、额定功率等。
　　矢量控制是一电动机的基本运行数据为依据，因此，电动机的运行数据就显得很重要，如果使用的电动机符合变频器的要求，且变频器容量和电动机容量相吻合，变频器就自动搜寻电动机的参数，否则就需要重新测定。很多类型的变频器为了方便测量电动机的参数都设计安排了电动机参数的自动测定功能。通过该功能可准确测定电动机的参数，且提供给变频器的记忆单元，以便在矢量控制中使用。
矢量控制的要求：
　　1、一台变频器只能带一台电动机；
　　2、电动机的极数要按说明书的要求，一般以4极为佳；
　　3、电动机容量与变频器的容量相当，最多差一个等级；
　　4、变频器与电动机件的连线不能过长，一般应在30m以内，如果超过30m，则需要在连接好电缆后，进行离线自动调整，以重新测定电动机的相关参数。
　　矢量控制的优点：
　　1、动态的高速响应；
　　2、低频转矩增大；
　　3、控制灵活；
　　矢量控制系统的应用范围：
　　1、要求高速运转的工作机械；
　　2、适应恶劣的工作环境；
　　3、高精度的电力拖动；
　　4、四象限运转；
　　上面各位讲的都是矢量控制的原理和优点，我想对于初学的也许不能理解较深，简单一点讲，矢量控制就是，电机运行于一定速度时，如负载增减，变频器可以很快调整电机的输出力矩而保持速度的恒定，即动态的高速响应，高精度的电力拖动，而V/F控制时如负载增减时速度会有较大变化后才能运行于原设定速度，对于启动过程为快速响应设定频率输出，会有较高的启动转矩。
　　目前国内使用变频器的主要目的就是节能和调速，所以针对不同的使用要求，也就出现了控制功能不同的变频器：常规V/F控制变频器和矢量控制变频器。
　　常规V/F控制，电机的电压降会随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足而使电机不能获得足够的转矩（特别是在低频率时）。也就是说常规V/F控制变频器在低频率时无法满足电机额定转矩的输出。另外，在V/F控制中，用户根据负载情况预先设定一种u/f曲线，变频器在工作时就根据输出频率的变化，按照曲线特性调整其输出电压，也就是说V/F控制是使变频器按照事先安排好的补偿程度工作，不能随负载的变化而改变。但是在以节能为目的和对速度控制精度要求不高的场合V/F控制变频器以其优越的性价比而得到广泛的应用。
矢量控制变频器的基本原理是，通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。由于矢量控制可以使得变频器根据频率和负载情况实时的改变输出频率和电压，因此其动态性能相对完善。可以对转矩进行精确控制；系统响应快；调速范围广；加减速性能好等特点。在对转矩控制要求高的场合，以其优越的控制性能受到用户的赞赏。
　　现在许多新型的通用型变频器也具备了矢量控制功能，只是在参数设定时要求输入完整的电机参数。因为矢量控制是以电机的参数为依据，因此完整的电机参数就显得尤其重要，以便变频器能有效的识别电机，很好的对电机进行控制矢量控制就是矢量控制，V/F控制就是V/F控制，二者有本质的区别，控制性能差异很大”。
　　1、矢量控制、V/F控制，二者都是电机变频调速时，对电机磁场的控制；
　　2、V/F控制：
　　1）是一种粗略的简单的控制方式，即V/F=定值控制模式；
　　2）它忽略了定子绕组电阻压降IoR对磁场的影响，V/F=定值控制模式，虽然阻止了频率下降、磁场增大的主要问题，但是磁场不是恒定的，而是随着频率在下降，造成低频时磁场弱、电机转矩不足；
　　3、矢量控制：
　　1）矢量控制，不忽略定子绕组电阻压降IoR对磁场的影响，采用（V-IoR）/F=定值控制模式，或者是励磁电流Io=定值控制模式；
　　2）它不忽略定子绕组电阻压降IoR对磁场的影响，（V-IoR）/F=控制模式，或者是励磁电流Io=定值控制模式，磁场是恒定的，而不是随着频率在下降，低频时不存在磁场弱、电机转矩不足的问题；
　　3）如果磁场能控制在电机设计参数上，变频调速时的运行参数与工频运行参数的关系明确，可精确计算转子转速，实现无速度传感器的速度闭环控制；
　　4、矢量控制、V/F控制，由于都是磁场控制，这两种控制方式在接近工频运行时，磁场趋于一致，性能趋于一致，所以这两种控制的差别主要在低频端；
　　“‘当负载增大时，转子转速下降时，转差增大，转子感应电势、电流增大，转矩增大，’补充一下，电流完全是开环失控状态，接下来的后果就是IGBT－－咚－－的一声巨响，整台变频器灯灭灰飞(极端说法）。”
1、‘当负载增大时，转子转速下降时，转差增大，转子感应电势、电流增大，转矩增大’是异步电机的工作转矩原理，有了这一条，异步电机才有可能在工频运行了几个世纪！
　　2、如果负载严重过载，异步电机可能进入堵转区，如不及时停电停车，就会烧电机；
　　3、变频人都懂这个道理，所以变频调速控制电路，设有电流失速保护电路；
　　4、谁也没有把‘当负载增大时，转子转速下降时，转差增大，转子感应电势、电流增大，转矩增大’与失速保护看成矛盾的，而看成是相辅相成的！
　　常规V/F控制，电机的电压降会随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足而使电机不能获得足够的转矩（特别是在低频率时）。也就是说常规V/F控制变频器在低频率时无法满足电机额定转矩的输出。另外，在V/F控制中，用户根据负载情况预先设定一种u/f曲线，变频器在工作时就根据输出频率的变化，按照曲线特性调整其输出电压，也就是说V/F控制是使变频器按照事先安排好的补偿程度工作，不能随负载的变化而改变。但是在以节能为目的和对速度控制精度要求不高的场合V/F控制变频器以其优越的性价比而得到广泛的应用。
　　矢量控制变频器的基本原理是，通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。由于矢量控制可以使得变频器根据频率和负载情况实时的改变输出频率和电压，因此其动态性能相对完善。可以对转矩进行精确控制；系统响应快；调速范围广；加减速性能好等特点。在对转矩控制要求高的场合，以其优越的控制性能受到用户的赞赏。
　　现在许多新型的通用型变频器也具备了矢量控制功能，只是在参数设定时要求输入完整的电机参数。因为矢量控制是以电机的参数为依据，因此完整的电机参数就显得尤其重要，以便变频器能有效的识别电机，很好的对电机进行控制变频器节能主要是因为工艺上存在节能空间，在不存在节能空间的电机上使用变频器，反而会增加电耗，因为变频器也要消耗部分电能。
　　从本质上说只要它做功，就要消耗电能，转化成其他的能量，因此肯定要遵守能量守恒定律，而变频器本身有整流中间直流电路逆变等，这就要消耗电能，从这方面讲它只是增加了能耗，而并非节能。至于变频器的节能关键还是看你怎样利用。
　　变频器在工频下运行，具有节电功能，是事实。但是他的前提条件是：第一,大功率并且为风机/泵类负载;第二，装置本身具有节电功能（软件支持）;第三，长期连续运行。这是体现节电效果的三个条件。除此之外，无所谓节不节电，没有什么意义。一般交流电动机的机械特性曲线是一定的，理论和实际都已证明，当负载功率小于电动机的额定功率时，其效率随着负载转矩的减少而降低，也就是说，电动机轻载时会相对费电。而变频器会根据负载的大小自动调整V/f值（其中V为电动机定子绕组的电压，f为定子绕组的电压变化频率），改变电动机的机械特性曲线，使其与负载相适应，从而使效率得到提高，达到节能之目的

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伺服技术转让 发表于 2016-6-23 22:29
变频器的V/F控制与矢量控制
　U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性 ...

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