1、電傳動自動控制系統(tǒng)的運動控制系統(tǒng)，第6章，基于動態(tài)模型的異步電機調速系統(tǒng)，作業(yè)：練習6-4，附加問題4，繪制鼠籠電機轉子磁鏈定向矢量控制變頻調速系統(tǒng)的結構圖，該系統(tǒng)基于期望電流的電流模型，要求速度和電流閉環(huán)。寫出當前模型的計算公式和C2r/3s轉換矩陣。描述速度調節(jié)器輸出的物理概念。5.根據實際電流的電流模型，繪制鼠籠式電機轉子磁鏈定向矢量控制變頻調速系統(tǒng)的結構圖，要求速度和電流閉環(huán)。寫出當前模型的計算公式和C2r/3s轉換矩陣?；趧討B(tài)模型的異步電機調速矢量控制系統(tǒng)：通過矢量變換和轉子磁鏈定向，得到等效的DC電機模型，然后對DC電機控制進行仿真。直接轉矩控制系統(tǒng)：利用轉矩偏差和定子磁鏈幅值偏

2、差的正負符號，根據定子磁鏈矢量的當前位置，直接選擇合適的定子電壓矢量來控制電磁轉矩和定子磁鏈。異步電動機動態(tài)數學模型的本質異步電動機動態(tài)數學模型在正交坐標系中的坐標變換，轉子磁鏈定向的異步電動機矢量控制系統(tǒng)，直接轉矩控制系統(tǒng)與定子磁鏈定向的異步電動機矢量控制系統(tǒng)的比較，6.1異步電動機動態(tài)數學模型的本質，DC電動機的數學模型是一個三階線性系統(tǒng)，具有單輸入-電樞電壓輸入和單輸出-速度輸出，可以用線性控制理論進行分析和修正。異步電動機的動態(tài)數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)(多輸入多輸出)。(1)當異步電動機由可變電壓和頻率驅動時，需要協(xié)調和控制電壓(或電流)和頻率。有兩個獨立的輸入變

3、量：電壓(或電流)和頻率。在輸出變量中，除了轉速，磁通量也是一個輸出變量。(2)異步電機不能單獨控制磁通量。電流乘以磁通量產生扭矩，速度乘以磁通量產生感應電動勢。數學模型包含兩個變量的乘積項。(3)三相異步電動機的三相繞組是交叉耦合的，每個繞組都有自己的電磁慣性?？紤]到運動系統(tǒng)的機電慣性、轉速與轉角之間的積分關系，動力學模型是一個高階系統(tǒng)。6.2異步電動機的三相數學模型，1。假設：(1)忽略空間諧波，三相繞組對稱，產生的磁動勢按正弦規(guī)律沿氣隙分布。(2)忽略磁路的飽和，各繞組的自感和互感是恒定的。(3)忽略核心損耗。(4)不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。無論異步電動機的轉子是繞線式還

4、是籠型，都可以等效為一個三相繞線轉子，它轉換到定子側，轉換后定子和轉子繞組的匝數相等。(6)異步電動機的三相繞組可以是Y型連接或Y型連接。如果連接了三相繞組，可以先使用y變換，這相當于y連接。然后，根據Y型連接進行分析和設計。2.三相異步電動機的物理模型，圖6-1三相異步電動機的物理模型，定子三相繞組軸A、B和C在空間上是固定的。轉子繞組軸a、b和c隨轉子旋轉。是a軸與a軸之間的夾角，電機的角速度，6.2.1三相動態(tài)模型的數學表達式，而異步電機的動態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉矩方程和運動方程組成。磁鏈方程和轉矩方程是代數方程，電壓方程和運動方程是微分方程。1.磁鏈方程，異步電動機各繞組的磁鏈

5、是其自身自感磁鏈和其他繞組互感磁鏈的總和。六個繞組的磁鏈可以用下面的公式表示：或寫成：(1)定子每相的自感，(2)轉子每相的自感，(3)三相繞組之間的互感定子繞組的任何一相和轉子繞組的任何一相之間的互感是角位移的函數，因為相對位置是變化的。1)定子和轉子相之間的互感，空間三相繞組軸之間的相位差和互感，以及定子和轉子相之間的互感，2)定子和轉子繞組之間的互感可以表示如下：當定子和轉子兩相繞組軸重合時，它們之間的互感最大、2。電壓方程、三相繞組電壓平衡方程、電壓方程，將磁鏈方程代入電壓方程，展開、電流變化引起的脈沖變化電動勢或變壓器電動勢，定子和轉子相對位置變化引起的與轉速成比例的旋轉電動勢，3。

6、轉矩方程，根據能量轉換原理，在線性電感條件下，磁場的存儲能量Wm和磁公共能量Wm為、電磁轉矩等于機械角位移變化時的磁力。4.運動方程，5。旋轉角度方程、6.3坐標變換以及異步電動機的三相原始動力學模型相當復雜，這使得異步電動機的控制非常困難。簡化的基本方法是坐標變換。6.3.1坐標變換的基本思想是在交流電機的三相對稱靜止繞組A、B、C上施加三相平衡正弦電流，合成的磁動勢為旋轉磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步速度(即電流的角頻率)沿A-B-C相序旋轉。任何具有平衡多相電流的對稱多相繞組都能產生旋轉磁動勢，當然兩相是最簡單的。坐標變換的基本思想是：1)當3/2變換電機沒有零線時，三相變量中只有

7、兩相是獨立變量，因此一相可以也應該完全消除。兩相平衡交流電流的兩相繞組也能產生旋轉磁動勢。當三相繞組和兩相繞組產生的旋轉磁動勢大小和速度相等時，認為兩相繞組等效于三相繞組，這稱為3/2變換。6.3.1坐標變換的基本思想，所謂的獨立性是指兩相繞組之間的無約束條件，所謂的對稱性是指兩相繞組的匝數和電阻相等，所謂的正交性是指兩相繞組之間的空間差異。圖6-3三相坐標系和兩相坐標系的物理模型，兩個匝數相等且相互正交的繞組D和Q分別被DC電流通電，產生合成磁動勢F，其位置相對于繞組是固定的。如果包括兩個繞組的鐵芯被人為地以同步速度旋轉，磁動勢f將自然地隨之旋轉并成為旋轉的磁動勢。2)旋轉變換，如果旋轉磁動

8、勢的大小和速度等于靜止的兩相交流繞組產生的旋轉磁動勢，那么旋轉的DC繞組相當于靜止的兩相交流繞組。繞組d相當于勵磁繞組，q相當于偽靜態(tài)電樞繞組。6.3.1坐標變換的基本思想，圖6-4靜止兩相正交坐標系和旋轉正交坐標系的物理模型，6.3.2三相兩相變換(3/2變換)，三相繞組A、B、C與兩相繞組之間的變換，稱為三相坐標系與兩相正交坐標系之間的變換，簡稱3/2變換。重疊兩個坐標系的原點，使A軸和b軸重合。三相-兩相轉換(3/2轉換)，根據等式圖6-5三相坐標系和兩相正交坐標系中的磁動勢矢量用矩陣形式表示。根據變換前后總功率不變，匝數比為、三相轉兩相變換(3/2變換)，三相坐標系到兩相正交坐標系的變

9、換矩陣，兩相正交坐標系到三相坐標系的變換矩陣(簡稱2/3變換)，6.3.3靜態(tài)兩相旋轉正交變換(2s/2r變換)，靜態(tài)兩相正交坐標系到旋轉正交坐標系D和Q的變換，稱為靜態(tài)兩相旋轉正交變換，其中S代表靜態(tài)旋轉正交變換，圖6-6靜止兩相正交坐標系和旋轉正交坐標系中的磁動勢矢量，靜止兩相到靜止兩相正交坐標系的變換矩陣，旋轉正交坐標系到靜止兩相正交坐標系的變換矩陣，電壓和磁鏈的旋轉變換矩陣與電流旋轉變換矩陣相同，6.3.4靜止三相旋轉正交變換(3s/2r)，旋轉靜止三相正交變換6.4兩相dq旋轉坐標系中異步電機的動態(tài)數學模型，1。電壓方程的變換，1。定子電壓方程的轉換，其中軸D和軸A之間的角度()由上

10、述公式獲得。代入后，公式兩邊的cos和sin系數相等，整理后即可得到dq坐標系下的定子電壓方程。2.轉子電壓方程的變換也可以用同樣的方法得到。經變換后，轉子電壓方程為(變換順序為三相旋轉至兩相旋轉，然后兩相旋轉為1，兩相旋轉與兩相旋轉為1的夾角為S)。3.磁鏈方程的變換，變換后，轉子繞組和定子繞組都以1旋轉，被變換到dq坐標系，兩個繞組相對靜止。因此，Ls和Lr分別是定子和轉子的自感，Lm位于定子和轉子之間。4.扭矩方程的轉換ABC三相坐標系中的轉矩方程是轉子A軸和定子A軸之間的角度。通過坐標變換，將dq坐標系下的定子電流和轉子電流轉換到ABC坐標系下。將上述兩個方程代入轉矩方程，dq坐標系下

11、的轉矩公式可以得到：6.6轉子磁鏈定向的異步電動機矢量控制系統(tǒng)；1.根據轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想，在轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系中，通過坐標變換得到等效DC電機模型。按照DC電機的控制方法，控制電磁轉矩和磁鏈，然后將轉子磁鏈定向坐標系中的控制量進行逆變換，得到三相坐標系中的相應量，從而實現控制。由于變換是矢量的，這種坐標變換也可以稱為矢量變換，相應的控制系統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)或磁通定向控制(FOC)系統(tǒng)。在mt坐標系的數學模型中，d軸變?yōu)閙軸，q軸變?yōu)閠軸，稱為mt坐標系。mt坐標系旋轉1，其數學模型為、它將轉子磁通空間矢量r定向在m軸上。圖6-17:由轉子磁鏈定向的靜態(tài)正交坐標系和同

12、步旋轉正交坐標系、6.6.2矢量圖、r方向可以從rr中獲得，然后m軸固定在r方向上并旋轉1。轉子電流ir滯后r近900，則可以得到ir方向和is方向。從s矢量圖中，可以得出轉子繞組的感應電動勢矢量es，它比s大900，其中esm=-1st est=1sm如果忽略電阻壓降，則us es。us和is之間的角度是功率因數角，d軸是等效兩相轉子繞組的軸，d軸以電機的旋轉角速度旋轉，dq是矩形coo，6.6.3定子電壓的計算，因為它是鼠籠式電機，urm=0，urt=0，rt=0因為r=rm，因為要求R是常數，即rm是常數，那么，通過，得到，得到，得到，替代，得到，得到，得到，6.6 ASR的輸出電壓Te

13、*代表速度控制系統(tǒng)的預期轉矩，其大小代表預期轉矩的大小，其極性代表預期轉矩的極性。ACTR是定子電流轉矩分量調節(jié)器，ACMR是定子電流勵磁分量調節(jié)器，6.6.5每個算術單元的計算公式，4)計算(m軸與a軸之間的夾角也是磁鏈r的空間位置角)。6.6.6磁流變坐標系中的電磁轉矩表達式，根據期望電流計算轉子磁鏈位置角，6.6.7工作原理分析，1)圖中正向電狀態(tài)為正。在電狀態(tài)下，*略大于，如果Te*0、ist*0和ist0設置r*不變，ism*將保持不變。Ust*和usm*是通過調整ist和ism電流環(huán)路獲得的。三相定子電壓的預期值uA*、uB*和uC*通過旋轉C2r/3s獲得。iA、iB、iC被旋轉

14、以獲得ism和ist作為電流回路的反饋信號。ism *是常數，ACMR是PI調節(jié)器，它可以保證ism是常數，也就是說保持不變。SPWM控制后，三相變頻電壓輸出并施加到籠型電機的定子繞組，產生三相定子交流電流ia、iB、iC。由于采用了ist閉環(huán)調節(jié)，ACTR是PI調節(jié)器，可保ist=ist*，Te=KTrist，Te=Te*，即Te能跟上Te*的變化。由于速度閉環(huán)的作用，它可以跟隨*的變化。就功率因數而言，在正向電狀態(tài)下，ue領先s 900，因此is和us之間的相位差小于900。在輕負載下，ism是恒定的，ist很小，這導致我們和is之間的相位差很大，并且功率因數很低。在重負載下，我們和is之

15、間的相位差減小，功率因數更高，因為ism不變，ist更大。關于ua、ub和UC的相序。1=s *=s *(0)，C2r/3s轉換后，uA*、uB*、uC*的相序為正，SPWM調制控制后，變頻器輸出的三相電壓uA、uB、uC的相位發(fā)生變化，2)在前進制動狀態(tài)，*0，0，但*稍小，因此Te*為負，ist*0。根據上述原理，可以繪制出如圖6-103所示的前進制動狀態(tài)矢量圖。因為r=rm是常數，當它從正極性變?yōu)樨摌O性時，Te從正極性變?yōu)樨摌O性。電機在前進制動狀態(tài)下工作，因為電機轉動不變。然而，此時，1，滑移角速度s0，s0，但1=s仍然是正的。C2r/3s旋轉變換后，UA *、UB *和UC *的相序

16、仍為正。從矢量圖中可以看出，us和is之間的相位差大于900，ist為負，表明鼠籠式電機通過逆變器向DC電路供電。6.6.8基于電流模型的矢量控制系統(tǒng)，1)基于轉子磁鏈R的電流模型，根據mt坐標系中的實際電流計算轉子磁鏈R和磁鏈位置角，如圖6-30所示，圖6-30中電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結構圖，可以得到R，可以得到S，從S和轉子角速度可以得到R的空間位置角，2)矢量控制系統(tǒng)的控制結構， 在mt坐標系下根據實際電流計算轉子磁鏈和磁鏈位置角的電流模型矢量控制系統(tǒng)結構如圖6-24所示，定子電流勵磁分量和轉矩分量閉環(huán)控制矢量控制系統(tǒng)結構圖，練習6-4，64籠型異步電動機銘牌數據為：額定功率PN=3 kW，UN=380 V，IN=6.9 A，NN=1400 rpm。 FN=50 Hz，FN=50 Hz，Rs=1.85，Rr=2.568，ls=0.294h，lr=0.2898h，lm=