1、電力拖動自動控制系統 運動控制系統,第6章,基于動態(tài)模型的異步電動機調速系統,基于動態(tài)模型的異步電動機調速,異步電動機具有非線性、強耦合、多變量的性質，要獲得高動態(tài)調速性能，必須從動態(tài)模型出發(fā)，分析異步電動機的轉矩和磁鏈控制規(guī)律，研究高性能異步電動機的調速方案。 矢量控制和直接轉矩控制是已經獲得成熟應用的兩種基于動態(tài)模型的高性能交流電動機調速系統。,基于動態(tài)模型的異步電動機調速,矢量控制系統通過矢量變換和按轉子磁鏈定向，得到等效直流電動機模型，然后模仿直流電動機控制。 直接轉矩控制系統利用轉矩偏差和定子磁鏈幅值偏差的符號，根據當前定子磁鏈矢量所在的位置，直接選取合適的定子電壓矢量，實施電磁轉矩

2、和定子磁鏈的控制。,內 容 提 要,異步電動機動態(tài)數學模型的性質 異步電動機三相數學模型 坐標變換 異步電動機在正交坐標系上的動態(tài)數學模型 異步電動機在正交坐標系上的狀態(tài)方程,內 容 提 要,異步電動機按轉子磁鏈定向的矢量控制系統 異步電動機按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統 直接轉矩控制系統與矢量控制系統的比較,6.1異步電動機動態(tài)數學模型的性質,電磁耦合是機電能量轉換的必要條件，電流與磁通的乘積產生轉矩，轉速與磁通的乘積得到感應電動勢。 無論是直流電動機，還是交流電動機均如此。 交、直流電動機結構和工作原理的不同，其表達式差異很大。,6.1異步電動機動態(tài)數學模型的性質,他勵式直流電動機的勵磁

3、繞組和電樞繞組相互獨立，勵磁電流和電樞電流單獨可控，勵磁和電樞繞組各自產生的磁動勢在空間無交叉耦合。 氣隙磁通由勵磁繞組單獨產生，而電磁轉矩正比于磁通與電樞電流的乘積。 保持勵磁電流恒定，只通過電樞電流來控制電磁轉矩。,6.1異步電動機動態(tài)數學模型的性質,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。 （1）異步電動機變壓變頻調速時需要進行電壓（或電流）和頻率的協調控制，有電壓（或電流）和頻率兩種獨立的輸入變量。在輸出變量中，除轉速外，磁通也是一個輸出變量。,6.1異步電動機動態(tài)數學模型的性質,（2）異步電動機無法單獨對磁通進行控制，電流乘磁通產生轉矩，轉速乘磁通產生感應電動

4、勢，在數學模型中含有兩個變量的乘積項。 （3）三相異步電動機三相繞組存在交叉耦合，每個繞組都有各自的電磁慣性，再考慮運動系統的機電慣性，轉速與轉角的積分關系等，動態(tài)模型是一個高階系統。,6.2 異步電動機的三相數學模型,作如下的假設： （1）忽略空間諧波，三相繞組對稱，產生的磁動勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布。 （2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。 （3）忽略鐵心損耗。 （4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。,6.2 異步電動機的三相數學模型,無論異步電動機轉子是繞線型還是籠型的，都可以等效成三相繞線轉子，并折算到定子側，折算后的定子和轉子繞組匝數相等。 異步電動機三相繞組可以

5、是Y連接，也可以是連接。若三相繞組為連接，可先用Y變換，等效為Y連接。然后，按Y連接進行分析和設計。,6.2 異步電動機的三相數學模型,圖6-1 三相異步電動機的物理模型,定子三相繞組軸線A、B、C在空間是固定的。 轉子繞組軸線a、b、c隨轉子旋轉。,6.2.1 異步電動機三相動態(tài)模型的數學表達式,異步電動機的動態(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為代數方程 電壓方程和運動方程為微分方程,磁鏈方程,異步電動機每個繞組的磁鏈是它本身的自感磁鏈和其它繞組對它的互感磁鏈之和,自感,或寫成,定子各相自感,轉子各相自感,互感,繞組之間的互感又分為兩類 定子三相彼此之間

6、和轉子三相彼此之間位置都是固定的，故互感為常值； 定子任一相與轉子任一相之間的相對位置是變化的，互感是角位移的函數。,定子三相間或轉子三相間互感,三相繞組軸線彼此在空間的相位差,互感,定子三相間或轉子三相間互感,定、轉子繞組間的互感,由于相互間位置的變化可分別表示為,當定、轉子兩相繞組軸線重合時，兩者之間的互感值最大,磁鏈方程,磁鏈方程，用分塊矩陣表示,式中,電感矩陣,定子電感矩陣,轉子電感矩陣,電感矩陣,定、轉子互感矩陣,變參數、非線性、時變,電壓方程,三相繞組電壓平衡方程,電壓方程,將電壓方程寫成矩陣形式,電壓方程,把磁鏈方程代入電壓方程，展開,電壓方程,電流變化引起的脈變電動勢，或稱變壓

7、器電動勢,定、轉子相對位置變化產生的與轉速成正比的旋轉電動勢,轉矩方程和運動方程,轉矩方程,運動方程,轉角方程,6.2.2 異步電動機三相原始模型的性質,非線性強耦合性 非線性耦合體現在電壓方程、磁鏈方程與轉矩方程。既存在定子和轉子間的耦合，也存在三相繞組間的交叉耦合。 非線性變參數 旋轉電動勢和電磁轉矩中都包含變量之間的乘積，這是非線性的基本因素。定轉子間的相對運動，導致其夾角不斷變化，使得互感矩陣為非線性變參數矩陣。,異步電動機三相原始模型的非獨立性,異步電動機三相繞組為Y無中線連接，若為連接，可等效為Y連接。 可以證明：異步電動機三相數學模型中存在一定的約束條件,異步電動機三相原始模型的

8、非獨立性,三相變量中只有兩相是獨立的，因此三相原始數學模型并不是物理對象最簡潔的描述。 完全可以而且也有必要用兩相模型代替。,6.3 坐標變換,異步電動機三相原始動態(tài)模型相當復雜，簡化的基本方法就是坐標變換。 異步電動機數學模型之所以復雜，關鍵是因為有一個復雜的電感矩陣和轉矩方程，它們體現了異步電動機的電磁耦合和能量轉換的復雜關系。 要簡化數學模型，須從電磁耦合關系入手。,6.3.1 坐標變換的基本思路,兩極直流電動機的物理模型，F為勵磁繞組，A為電樞繞組，C為補償繞組。F和C都在定子上，A在轉子上。,圖6-2 二極直流電動機的物理模型 F勵磁繞組 A電樞繞組 C補償繞組,6.3.1 坐標變換

9、的基本思路,把F的軸線稱作直軸或d軸，主磁通的方向就是沿著d軸的；A和C的軸線則稱為交軸或q軸。 雖然電樞本身是旋轉的，但由于換向器和電刷的作用，閉合的電樞繞組分成兩條支路。電刷兩側每條支路中導線的電流方向總是相同的。,6.3.1 坐標變換的基本思路,當電刷位于磁極的中性線上時，電樞磁動勢的軸線始終被電刷限定在q軸位置上，其效果好象一個在q軸上靜止的繞組一樣。 但它實際上是旋轉的，會切割d軸的磁通而產生旋轉電動勢，這又和真正靜止的繞組不同。 把這種等效的靜止繞組稱作“偽靜止繞組”。,6.3.1 坐標變換的基本思路,電樞磁動勢的作用可以用補償繞組磁動勢抵消，或者由于其作用方向與d軸垂直而對主磁通

10、影響甚微。 所以直流電動機的主磁通基本上由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電動機的數學模型及其控制系統比較簡單的根本原因。,6.3.1 坐標變換的基本思路,如果能將交流電動機的物理模型等效地變換成類似直流電動機的模式，分析和控制就可以大大簡化。 坐標變換正是按照這條思路進行的。 不同坐標系中電動機模型等效的原則是：在不同坐標下繞組所產生的合成磁動勢相等。,6.3.1 坐標變換的基本思路,在交流電動機三相對稱的靜止繞組A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流，所產生的合成磁動勢是旋轉磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉速（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋轉。 任意對稱的多相繞組，通入平衡的多

11、相電流，都能產生旋轉磁動勢，當然以兩相最為簡單。,6.3.1 坐標變換的基本思路,三相變量中只有兩相為獨立變量，完全可以也應該消去一相。 所以，三相繞組可以用相互獨立的兩相正交對稱繞組等效代替，等效的原則是產生的磁動勢相等。,6.3.1 坐標變換的基本思路,所謂獨立是指兩相繞組間無約束條件 所謂對稱是指兩相繞組的匝數和阻值相等 所謂正交是指兩相繞組在空間互差,6.3.1 坐標變換的基本思路,圖6-3 三相坐標系和兩相坐標系物理模型,6.3.1 坐標變換的基本思路,兩相繞組，通以兩相平衡交流電流，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轉速都相等時，即認為兩相繞組與三相繞

12、組等效，這就是3/2變換。,6.3.1 坐標變換的基本思路,兩個匝數相等相互正交的繞組d、q，分別通以直流電流，產生合成磁動勢F，其位置相對于繞組來說是固定的。 如果人為地讓包含兩個繞組在內的鐵心以同步轉速旋轉，磁動勢F自然也隨之旋轉起來，成為旋轉磁動勢。 如果旋轉磁動勢的大小和轉速與固定的交流繞組產生的旋轉磁動勢相等，那么這套旋轉的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。,6.3.1 坐標變換的基本思路,當觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉時，在他看來，d和q是兩個通入直流而相互垂直的靜止繞組。 如果控制磁通的空間位置在d軸上，就和直流電動機物理模型沒有本質上的區(qū)別了。 繞組d相當于勵磁

13、繞組，q相當于偽靜止的電樞繞組。,6.3.1 坐標變換的基本思路,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和兩相繞組之間的變換，稱作三相坐標系和兩相正交坐標系間的變換，簡稱3/2變換。 ABC和兩個坐標系中的磁動勢矢量，將兩個坐標系原點重合，并使A軸和軸重合。,三相-兩相變換（3/2變換）,按照磁動勢相等的等效原則，三相合成磁動勢與兩相合成磁動勢相等，故兩套繞組磁動勢在軸上的投影應相等。,三相-兩相變換（3/2變換）,圖6-5 三相坐標系和兩相正交坐標系中的磁動勢矢量,三相-兩相變換（3/2變換）,寫成矩陣形式,按照變

14、換前后總功率不變，匝數比為,三相-兩相變換（3/2變換）,三相坐標系變換到兩相正交坐標系的變換矩陣,三相-兩相變換（3/2變換）,兩相正交坐標系變換到三相坐標系（簡稱2/3變換）的變換矩陣,三相-兩相變換（3/2變換）,考慮到,也可以寫作,電壓變換陣和磁鏈變換陣與電流變換陣相同,6.3.3 靜止兩相-旋轉正交變換（2s/2r變換）,從靜止兩相正交坐標系到旋轉正交坐標系dq的變換，稱作靜止兩相-旋轉正交變換，簡稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉，變換的原則同樣是產生的磁動勢相等。,靜止兩相-旋轉正交變換（2s/2r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

15、兩相-旋轉正交變換（2s/2r變換）,旋轉正交變換,靜止兩相正交坐標系到旋轉正交坐標系的變換陣,靜止兩相-旋轉正交變換（2s/2r變換）,旋轉正交坐標系到靜止兩相正交坐標系的變換陣,電壓和磁鏈的旋轉變換陣與電流旋轉變換陣相同,6.4 異步電動機在正交坐標系上的動態(tài)數學模型,首先推導靜止兩相正交坐標系中的數學模型，然后推廣到旋轉正交坐標系。 由于運動方程不隨坐標變換而變化，故僅討論電壓方程、磁鏈方程和轉矩方程。 在以下論述中，下標s表示定子，下標r表示轉子。,6.4.1 靜止兩相正交坐標系中的動態(tài)數學模型,異步電動機定子繞組是靜止的，只要進行3/2變換就行了。 轉子繞組是旋轉的，必須通過3/2變

16、換和旋轉到靜止的變換，才能變換到靜止兩相正交坐標系。,定子繞組和轉子繞組的3/2變換,對靜止的定子三相繞組和旋轉的轉子三相繞組進行相同的3/2變換，變換后的定子兩相正交坐標系靜止，而轉子兩相正交坐標系以角速度逆時針旋轉。,定子繞組和轉子繞組的3/2變換,圖6-7 定子、轉子坐標系到靜止兩相正交坐標系的變換,定子繞組和轉子繞組的3/2變換,電壓方程,定子繞組和轉子繞組的3/2變換,磁鏈方程,轉矩方程,定子繞組和轉子繞組的3/2變換,3/2變換將按三相繞組等效為互相垂直的兩相繞組，消除了定子三相繞組、轉子三相繞組間的相互耦合。 定子繞組與轉子繞組間仍存在相對運動，因而定、轉子繞組互感陣仍是非線性的

17、變參數陣。輸出轉矩仍是定、轉子電流及其定、轉子夾角的函數。,定子繞組和轉子繞組的3/2變換,與三相原始模型相比，3/2變換減少了狀態(tài)變量的維數，簡化了定子和轉子的自感矩陣。,靜止兩相正交坐標系中的方程,對轉子坐標系作旋轉正交坐標系到靜止兩相正交坐標系的變換，使其與定子坐標系重合，且保持靜止。,用靜止的兩相轉子正交繞組等效代替原先轉動的兩相繞組。,靜止兩相正交坐標系中的方程,電壓方程,靜止兩相正交坐標系中的方程,磁鏈方程,轉矩方程,靜止兩相正交坐標系中的方程,旋轉變換改變了定、轉子繞組間的耦合關系，將相對運動的定、轉子繞組用相對靜止的等效繞組來代替，消除了定、轉子繞組間夾角對磁鏈和轉矩的影響。,

18、靜止兩相正交坐標系中的方程,旋轉變換的優(yōu)點在于將非線性變參數的磁鏈方程轉化為線性定常的方程，但卻加劇了電壓方程中的非線性耦合程度，將矛盾從磁鏈方程轉移到電壓方程中來了，并沒有改變對象的非線性耦合性質。,6.4.2 旋轉正交坐標系中的動態(tài)數學模型,對定子坐標系和轉子坐標系同時施行旋轉變換，把它們變換到同一個旋轉正交坐標系dq上，dq相對于定子的旋轉角速度為,6.4.2 旋轉正交坐標系中的動態(tài)數學模型,圖6-8 定子 、轉子 坐標系到旋轉正交坐標系的變換 a）定子 、轉子坐標系 b）旋轉正交坐標系,6.4.2 旋轉正交坐標系中的動態(tài)數學模型,定子旋轉變換陣,轉子旋轉變換陣,旋轉正交坐標系中的動態(tài)數

19、學模型,電壓方程,旋轉正交坐標系中的動態(tài)數學模型,磁鏈方程,轉矩方程,旋轉正交坐標系中的動態(tài)數學模型,旋轉變換是用旋轉的繞組代替原來靜止的定子繞組，并使等效的轉子繞組與等效的定子繞組重合，且保持嚴格同步，等效后定、轉子繞組間不存在相對運動。 旋轉正交坐標系中的磁鏈方程和轉矩方程與靜止兩相正交坐標系中相同，僅下標發(fā)生變化。,旋轉正交坐標系中的動態(tài)數學模型,兩相旋轉正交坐標系的電壓方程中旋轉電勢非線性耦合作用更為嚴重，這是因為不僅對轉子繞組進行了旋轉變換，對定子繞組也施行了相應的旋轉變換。,旋轉正交坐標系中的動態(tài)數學模型,從表面上看來，旋轉正交坐標系中的數學模型還不如靜止兩相正交坐標系的簡單，實際

20、上旋轉正交坐標系的優(yōu)點在于增加了一個輸入量1，提高了系統控制的自由度。 旋轉速度任意的正交坐標系無實際使用意義，常用的是同步旋轉坐標系，將繞組中的交流量變?yōu)橹绷髁?，以便模擬直流電動機進行控制。,6.5 異步電動機在正交坐標系上的狀態(tài)方程,異步電動機動態(tài)數學模型，其中既有微分方程（電壓方程與運動方程），又有代數方程（磁鏈方程和轉矩方程）。 討論用狀態(tài)方程描述的動態(tài)數學模型。,6.5.1狀態(tài)變量的選取,旋轉正交坐標系上的異步電動機具有4階電壓方程和1階運動方程，因此須選取5個狀態(tài)變量。 可選的狀態(tài)變量共有9個，這9個變量分為5組： 轉速；定子電流；轉子電流； 定子磁鏈；轉子磁鏈。,6.5.1狀態(tài)變

21、量的選取,轉速作為輸出變量必須選取。 其余的4組變量可以任意選取兩組，定子電流可以直接檢測，應當選為狀態(tài)變量。 剩下的3組均不可直接檢測或檢測十分困難，考慮到磁鏈對電動機的運行很重要，可以選定子磁鏈或轉子磁鏈。,6.5.2 狀態(tài)方程為狀態(tài)變量,dq坐標系中的狀態(tài)方程 狀態(tài)變量 輸入變量 輸出變量,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,籠型轉子內部是短路的,電壓方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,轉矩方程,運動方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,狀態(tài)方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,輸出方程,轉子電磁時間常數,電動機漏磁系數,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,圖6-9 dq坐標系動態(tài)結構圖,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,dq坐標系蛻化為坐標系，當,狀態(tài)

22、變量 輸入變量 輸出變量,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,轉矩方程,運動方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,狀態(tài)方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,圖6-10 坐標系動態(tài)結構圖,6.5.3 狀態(tài)方程為狀態(tài)變量,dq坐標系中的狀態(tài)方程 狀態(tài)變量 輸入變量 輸出變量,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,狀態(tài)方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,轉矩方程,輸出方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,圖6-11 dq坐標系動態(tài)結構圖,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,dq坐標系蛻化為坐標系，當,狀態(tài)變量 輸入變量 輸出變量 轉矩方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,狀態(tài)方程,為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程,圖6-12 坐標系動態(tài)結構圖,6.5.4異步電動機的仿真,在進行異步電動機仿真時，沒有必

23、要對各種狀態(tài)方程逐一進行，只要以一種為內核，在外圍加上坐標變換和狀態(tài)變換，就可得到在不同的坐標系下、不同狀態(tài)量的仿真結果。 構建異步電動機仿真模型 在坐標系，狀態(tài)變量為,6.5.4異步電動機的仿真,圖6-13異步電動機仿真模型,6.5.4異步電動機的仿真,圖6-14 三相異步電動機仿真模型,6.5.4異步電動機的仿真,圖6-15 異步電動機空載起動和加載過程,6.5.4異步電動機的仿真,圖6-16 異步電動機穩(wěn)態(tài)電流,6.6異步電動機按轉子磁鏈定向的矢量控制系統,按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想 通過坐標變換，在按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中，得到等效的直流電動機模型。 仿照直流電動機的控

24、制方法控制電磁轉矩與磁鏈，然后將轉子磁鏈定向坐標系中的控制量反變換得到三相坐標系的對應量，以實施控制。,6.6異步電動機按轉子磁鏈定向的矢量控制系統,由于變換的是矢量，所以這樣的坐標變換也可稱作矢量變換，相應的控制系統稱為矢量控制（Vector Control 簡稱VC）系統或按轉子磁鏈定向控制（Flux Orientation Control簡稱FOC）系統。,6.6.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程,將靜止正交坐標系中的轉子磁鏈旋轉矢量寫成復數形式 旋轉正交dq坐標系的一個特例是與轉子磁鏈旋轉矢量同步旋轉的坐標系。令d軸與轉子磁鏈矢量重合，稱作按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系

25、，簡稱mt坐標系。,6.6.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程,圖6-17 靜止正交坐標系與按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系,6.6.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程,m軸與轉子磁鏈矢量重合 為了保證m軸與轉子磁鏈矢量始終重合，還必須使,6.6.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程,mt坐標系中的狀態(tài)方程,6.6.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程,由,導出mt坐標系的旋轉角速度,mt坐標系旋轉角速度與轉子轉速之差定義為轉差角頻率,6.6.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程,mt坐標系中的電磁轉矩表達式,定子電流勵磁分量,定子電流轉矩分量,6

26、.6.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程,通過按轉子磁鏈定向，將定子電流分解為勵磁分量和轉矩分量，轉子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產生，電磁轉矩正比于轉子磁鏈和定子電流轉矩分量的乘積，實現了定子電流兩個分量的解耦。 在按轉子磁鏈定向同步旋轉正交坐標系中的異步電動機數學模型與直流電動機動態(tài)模型相當。,6.6.1按轉子磁鏈定向的同步旋轉正交坐標系狀態(tài)方程,圖6-18 按轉子磁鏈定向的異步電動機動態(tài)結構圖,6.6.2按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想,按轉子磁鏈定向僅僅實現了定子電流兩個分量的解耦，電流的微分方程中仍存在非線性和交叉耦合。 采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制這一現象，使實際電流快速跟隨

27、給定值。,6.6.2按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想,圖6-19 異步電動機矢量變換及等效直流電動機模型,6.6.2按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想,在按轉子磁鏈定向坐標系中計算定子電流勵磁分量和轉矩分量給定值，經過反旋轉變換2r/2s和2/3變換得到三相電流。 通過電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電動機所需的三相定子電流。,6.6.2按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想,圖6-20 矢量控制系統原理結構圖,6.6.2按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想,忽略變頻器可能產生的滯后，認為電流跟隨控制的近似傳遞函數為1，且2/3變換與電動機內部的3/2變換環(huán)節(jié)相抵消，反旋轉變換2r/2s與電動機內部的旋轉變換

28、2s/2r相抵消，則圖6-20中虛線框內的部分可以用傳遞函數為1的直線代替。,6.6.2按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想,圖6-21 簡化后的等效直流調速系統,6.6.2按轉子磁鏈定向矢量控制的基本思想,矢量控制系統就相當于直流調速系統。 矢量控制交流變壓變頻調速系統在靜、動態(tài)性能上可以與直流調速系統媲美。,6.6.3按轉子磁鏈定向矢量控制系統的電流閉環(huán)控制方式,圖6-22 電流閉環(huán)控制后的系統結構圖,轉子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉速通道存在積分環(huán)節(jié)，必須加轉速外環(huán)使之穩(wěn)定。,電流閉環(huán)控制,常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法： 將定子電流勵磁分量和轉矩分

29、量給定值施行2/3變換，得到三相電流給定值，采用電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐標系中完成電流閉環(huán)控制。,電流閉環(huán)控制,將檢測到的三相電流施行3/2變換和旋轉變換，得到mt坐標系中的電流反饋值，采用PI調節(jié)軟件構成電流閉環(huán)控制，電流調節(jié)器的輸出為mt坐標系中定子電壓給定值。 反旋轉變換得到靜止兩相坐標系的定子電壓給定值，再經SVPWM控制逆變器輸出三相電壓。,電流閉環(huán)控制,圖6-23 三相電流閉環(huán)控制的矢量控制系統結構圖,電流閉環(huán)控制,圖6-24 定子電流勵磁分量和轉矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統結構圖,6.6.4按轉子磁鏈定向矢量控制系統的轉矩控制方式,當轉子磁鏈發(fā)生波動時，將影響電磁

30、轉矩，進而影響電動機轉速。 轉子磁鏈調節(jié)器力圖使轉子磁鏈恒定，而轉速調節(jié)器則調節(jié)電流的轉矩分量，以抵消轉子磁鏈變化對電磁轉矩的影響，最后達到平衡。,6.6.4按轉子磁鏈定向矢量控制系統的轉矩控制方式,轉速閉環(huán)控制能夠通過調節(jié)電流轉矩分量來抑制轉子磁鏈波動所引起的電磁轉矩變化，但這種調節(jié)只有當轉速發(fā)生變化后才起作用。 為了改善動態(tài)性能，可以采用轉矩控制方式。 常用的轉矩控制方式有兩種：轉矩閉環(huán)控制和在轉速調節(jié)器的輸出增加除法環(huán)節(jié)。,轉矩閉環(huán)控制,圖6-25 轉矩閉環(huán)的矢量控制系統結構圖,轉矩閉環(huán)控制,在轉速調節(jié)器和電流轉矩分量調節(jié)器間增設了轉矩調節(jié)器，當轉子磁鏈發(fā)生波動時，通過轉矩調節(jié)器及時調整

31、電流轉矩分量給定值，以抵消磁鏈變化的影響，盡可能不影響或少影響電動機轉速。 轉子磁鏈擾動的作用點是包含在轉矩環(huán)內的，可以通過轉矩反饋來抑制擾動。若沒有轉矩閉環(huán)，就只能通過轉速外環(huán)來抑制轉子磁鏈擾動，控制作用相對比較滯后。,轉矩閉環(huán)控制,圖6-26 轉矩閉環(huán)的矢量控制系統原理框圖,帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統,圖6-27 帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統結構圖,轉矩閉環(huán)控制,轉速調節(jié)器的輸出為轉矩給定，除以轉子磁鏈，得到電流轉矩分量給定，由于某種原因使轉子磁鏈減小時，通過除法環(huán)節(jié)可使電流轉矩分量給定增大，盡可能保持電磁轉矩不變。 用除法環(huán)節(jié)消去對象中固有的乘法環(huán)節(jié)，實現了轉矩與轉子磁鏈的動態(tài)解耦。,轉矩閉環(huán)

32、控制,圖6-28 帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統原理框圖,6.6.5 轉子磁鏈計算,按轉子磁鏈定向的矢量控制系統的關鍵是準確定向，也就是說需要獲得轉子磁鏈矢量的空間位置。 在構成轉子磁鏈反饋以及轉矩控制時，轉子磁鏈幅值也是不可缺少的信息。,6.6.5 轉子磁鏈計算,轉子磁鏈的直接檢測比較困難，多采用按模型計算的方法。 利用容易測得的電壓、電流或轉速等信號，借助于轉子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與空間位置。 在計算模型中，由于主要實測信號的不同，又分為電流模型和電壓模型兩種。,計算轉子磁鏈的電流模型,根據描述磁鏈與電流關系的磁鏈方程來計算轉子磁鏈，所得出的模型叫做電流模型。 在坐標系上計算轉子磁鏈的電

33、流模型,計算轉子磁鏈的電流模型,圖6-29 在坐標系計算轉子磁鏈的電流模型,計算轉子磁鏈的電流模型,在mt坐標系上計算轉子磁鏈的電流模型,計算轉子磁鏈的電流模型,圖6-30 在mt坐標系計算轉子磁鏈的電流模型,計算轉子磁鏈的電流模型,上述兩種計算轉子磁鏈的電流模型都需要實測的電流和轉速信號，不論轉速高低時都能適用。 受電動機參數變化的影響。電動機溫升和頻率變化都會影響轉子電阻，磁飽和程度將影響電感。 這些影響都將導致磁鏈幅值與位置信號失真，而反饋信號的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統的性能降低，這是電流模型的不足之處。,計算轉子磁鏈的電壓模型,根據電壓方程中感應電動勢等于磁鏈變化率的關系，取電動勢的

34、積分就可以得到磁鏈。 在坐標系上計算轉子磁鏈的電壓模型,計算轉子磁鏈的電壓模型,圖6-31 計算轉子磁鏈的電壓模型,計算轉子磁鏈的電壓模型,電壓模型包含純積分項，積分的初始值和累積誤差都影響計算結果，在低速時，定子電阻壓降變化的影響也較大。 電壓模型更適合于中、高速范圍，而電流模型能適應低速。有時為了提高準確度，把兩種模型結合起來。,6.6.6磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統間接定向,矢量控制系統中，轉子磁鏈幅值和位置信號均由磁鏈模型計算獲得，受到電動機參數變化的影響，造成控制的不準確性。 采用磁鏈開環(huán)的控制方式，無需轉子磁鏈幅值，但對于矢量變換而言，仍然需要轉子磁鏈的位置信號，轉子磁鏈的計算仍然不

35、可避免。 利用給定值間接計算轉子磁鏈的位置，可簡化系統結構，這種方法稱為間接定向。,6.6.6磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統間接定向,圖6-32 磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統,6.6.6磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統間接定向,該系統的主要特點如下： （1）用定子電流轉矩分量和轉子磁鏈計算轉差頻率給定信號,將轉差頻率給定信號加上實際轉速，得到坐標系的旋轉角速度，經積分環(huán)節(jié)產生矢量變換角。,6.6.6磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統間接定向,（2）定子電流勵磁分量給定信號和轉子磁鏈給定信號之間的關系是靠式,建立的，比例微分環(huán)節(jié)在動態(tài)中獲得強迫勵磁效應，從而克服實際磁通的滯后。,6.6.6磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統

36、間接定向,磁鏈開環(huán)轉差型矢量控制系統的磁場定向由磁鏈和電流轉矩分量給定信號確定，沒有用磁鏈模型實際計算轉子磁鏈及其相位，所以屬于間接的磁場定向。 矢量控制方程中包含電動機轉子參數，定向精度仍受參數變化的影響，磁鏈和電流轉矩分量給定值與實際值存在差異，將影響系統的性能。,6.6.7矢量控制系統的特點與存在的問題,矢量控制系統的特點 （1）按轉子磁鏈定向，實現了定子電流勵磁分量和轉矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制。 （2）轉子磁鏈系統的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以閉環(huán)控制，也可以開環(huán)控制。 （3）采用連續(xù)的PI控制，轉矩與磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控制可有效地限制起、制動電流。,6.6.7矢量控制系統

37、的特點與存在的問題,矢量控制系統存在的問題 （1） 轉子磁鏈計算精度受易于變化的轉子電阻的影響，轉子磁鏈的角度精度影響定向的準確性。 （2） 需要進行矢量變換，系統結構復雜，運算量大。,6.6.8 矢量控制系統的仿真,SVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替 轉速、轉子磁鏈和兩個電流調節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的PI調節(jié)器 兩相磁鏈由電動機模型直接得到，通過直角坐標到極坐標變換得到轉子磁鏈的幅值和角度。,6.6.8 矢量控制系統的仿真,圖6-33 矢量控制系統仿真模型,仿真結果,圖6-34 空載起動和加載的定子電流勵磁分量（上）和轉矩分量（下）,仿真結果,圖6-35 a 空載起動和加載過程轉速（上）和轉

38、子磁鏈（下）,仿真結果,圖6-35 b 轉速（上）和轉子磁鏈（下）局部放大,6.7異步電動機按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統,直接轉矩控制系統簡稱DTC(Direct Torque Control)系統，是繼矢量控制系統之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調速系統。 在轉速環(huán)內，利用轉矩反饋直接控制電動機的電磁轉矩，因而得名。,6.7異步電動機按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統,直接轉矩控制系統的基本思想是根據定子磁鏈幅值偏差的正負符號和電磁轉矩偏差的正負符號，再依據當前定子磁鏈矢量所在的位置，直接選取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉矩的偏差，實現電磁轉矩與定子磁

39、鏈的控制。,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,以定子電流、定子磁鏈和轉速為狀態(tài)變量的動態(tài)數學模型,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,電磁轉矩,使d軸與定子磁鏈矢量重合,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,異步電動機按定子磁鏈控制的動態(tài)模型,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,電磁轉矩,定子磁鏈矢量的旋轉角速度,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,圖6-36 d軸與定子磁鏈矢量重合,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,考慮到,按定子磁鏈控制的動態(tài)模型,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與

40、電磁轉矩的控制作用,轉差頻率,將旋轉坐標系dq按定子磁鏈定向，把電壓矢量沿dq軸分解。 d軸分量決定了定子磁鏈幅值的增減。 q軸分量決定定子磁鏈矢量的旋轉角速度，從而決定轉差頻率和電磁轉矩。,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,兩電平PWM逆變器可輸出8個空間電壓矢量，6個有效工作矢量，2個零矢量。 將期望的定子磁鏈圓軌跡分為6個扇區(qū)。 6個有效工作電壓空間矢量，將產生不同的磁鏈增量。,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,圖6-37 定子磁鏈圓軌跡扇區(qū)圖,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,圖6-38 電壓矢量分解圖 a）第I扇區(qū) b）第I

41、II扇區(qū),6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,當定子磁鏈矢量位于第I扇區(qū)時，,當定子磁鏈矢量位于第III扇區(qū)時，,的作用是使定子磁鏈幅值和電磁轉矩都增加。,的作用是使定子磁鏈幅值和電磁轉矩都減小。,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,圖6-39 定子磁鏈與電壓空間矢量圖,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,為“+”時，定子磁鏈幅值加大； 為“-”時，定子磁鏈幅值減??； 為“0”時，定子磁鏈幅值維持不變。,d軸分量,6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉矩的控制作用,為“+”時，定子磁鏈

42、矢量正向旋轉，轉差頻率增大，電流轉矩分量和電磁轉矩加大； 為“-”時，定子磁鏈矢量反向旋轉，電流轉矩分量急劇變負，產生制動轉矩； 為“0”時，定子磁鏈矢量停在原地，轉差頻率為負，電流轉矩分量和電磁轉矩減小 。,q軸分量,6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統,圖6-40 直接轉矩控制系統原理結構圖,6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統,圖6-41 帶有滯環(huán)的雙位式控制器,AR和ATR分別為定子磁鏈調節(jié)器和轉矩調節(jié)器，兩者均采用帶有滯環(huán)的雙位式控制器。,6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統,輸出分別為定子磁鏈幅值偏差s的符號函數Sgn（s）和電磁轉矩偏差Te的符號函數Sgn（Te ）。 P/N為給定轉矩極性鑒別器，當期望的電磁轉矩為正時，P/N=1，當期望的電磁轉矩為負時，P/N=0，對于不