變頻器矢量NEW實(shí)用教案

1、 直流電機(jī)的物理(wl)模型 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較簡(jiǎn)單，先分析一下直流電機(jī)的磁鏈關(guān)系。圖1中繪出了二極直流電機(jī)的物理模型，圖中 F為勵(lì)磁繞組，A 為電樞繞組，C 為補(bǔ)償繞組。 F 和 C 都在定子(dngz)上，只有 A 是在轉(zhuǎn)子上。 把 F 的軸線稱作直軸或 d 軸（direct axis），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（quadrature axis）。一、 坐標(biāo)(zubio)變換的基本思路第1頁(yè)/共98頁(yè)第一頁(yè)，共99頁(yè)。圖1 二極直流電機(jī)的物理模型dqFACifiaic勵(lì)磁繞組電樞繞組補(bǔ)償繞組第2頁(yè)/共98頁(yè)第二頁(yè)，共99頁(yè)。 主極磁場(chǎng)在空間固定不動(dòng)

2、；由于換向器作用(zuyng)，電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線始終被電刷限定在 q 軸位置上，其效果好象一個(gè)在 q 軸上靜止的繞組一樣。 但它實(shí)際上是旋轉(zhuǎn)的，會(huì)切割 d 軸的磁通而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，這又和真正靜止的繞組不同，通常把這種等效的靜止繞組稱作“偽靜止繞組”（pseudo - stationary coils）。第3頁(yè)/共98頁(yè)第三頁(yè)，共99頁(yè)。 雖然電樞(din sh)本身是旋轉(zhuǎn)的，但其繞組通過(guò)換向器電刷接到端接板上，電刷將閉合的電樞(din sh)繞組分成兩條支路。當(dāng)一條支路中的導(dǎo)線經(jīng)過(guò)正電刷歸入另一條支路中時(shí)，在負(fù)電刷下又有一根導(dǎo)線補(bǔ)回來(lái)。 第4頁(yè)/共98頁(yè)第四頁(yè)，共99頁(yè)。 分析(fnx)結(jié)果

3、 電樞磁動(dòng)勢(shì)的作用可以用補(bǔ)償繞組磁動(dòng)勢(shì)抵消(dxio)，或者由于其作用方向與 d 軸垂直而對(duì)主磁通影響甚微，所以直流電機(jī)的主磁通基本上唯一地由勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流決定，這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單的根本原因。第5頁(yè)/共98頁(yè)第五頁(yè)，共99頁(yè)。 交流電機(jī)的物理(wl)模型 如果能將交流電機(jī)的物理模型（見(jiàn)下圖）等效地變換成類似直流電機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡(jiǎn)化。坐標(biāo)變換正是按照(nzho)這條思路進(jìn)行的。 在這里，不同電機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)下所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)完全一致。 第6頁(yè)/共98頁(yè)第六頁(yè)，共99頁(yè)。 眾所周知，交流電機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組 A 、B 、C ，通以三相

4、平衡的正弦(zhngxin)電流時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F，它在空間呈正弦(zhngxin)分布，以同步轉(zhuǎn)速 s （即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序旋轉(zhuǎn)。這樣的物理模型繪于下圖2a中。 第7頁(yè)/共98頁(yè)第七頁(yè)，共99頁(yè)。 （1）交流(jioli)電機(jī)繞組的等效物理模型ABCABCiAiBiCFs圖2a 三相交流(jioli)繞組第8頁(yè)/共98頁(yè)第八頁(yè)，共99頁(yè)。 旋轉(zhuǎn)(xunzhun)磁動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 然而，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)并不一定非要三相(sn xin)不可，除單相以外，二相、三相(sn xin)、四相、 等任意對(duì)稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)然以兩相最為簡(jiǎn)

5、單。第9頁(yè)/共98頁(yè)第九頁(yè)，共99頁(yè)。 （2）等效的兩相交流(jioli)電機(jī)繞組Fiis圖2b 兩相交流繞組 第10頁(yè)/共98頁(yè)第十頁(yè)，共99頁(yè)。 圖2b中繪出了兩相靜止繞組 和 ，它們?cè)诳臻g互差90，通以時(shí)間上互差90的兩相平衡交流電流(dinli)，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì) F 。 當(dāng)圖a和b的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為圖2b的兩相繞組與圖2a的三相繞組等效。 第11頁(yè)/共98頁(yè)第十一頁(yè)，共99頁(yè)。（3）旋轉(zhuǎn)(xunzhun)的直流繞組與等效直流電機(jī)模型sFMTiMiTMT圖2c 旋轉(zhuǎn)(xunzhun)的直流繞組 第12頁(yè)/共98頁(yè)第十二頁(yè)，共99頁(yè)。 再看圖2c中的兩個(gè)匝數(shù)相等且

6、互相垂直的繞組 d 和 q，其中分別通以直流電流 id 和iq，產(chǎn)生合成(hchng)磁動(dòng)勢(shì) F ，其位置相對(duì)于繞組來(lái)說(shuō)是固定的。 如果讓包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動(dòng)勢(shì) F 自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來(lái)，成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。第13頁(yè)/共98頁(yè)第十三頁(yè)，共99頁(yè)。 把這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖 a 和圖 b 中的磁動(dòng)勢(shì)一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。當(dāng)觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時(shí)，在他看來(lái)，d 和 q 是兩個(gè)通以直流而相互垂直的靜止繞組。 如果控制磁通的位置在 d 軸上，就和直流電機(jī)物理模型沒(méi)有本質(zhì)(bnzh)上的區(qū)別了。這時(shí)，繞組d相當(dāng)

7、于勵(lì)磁繞組，q 相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。 第14頁(yè)/共98頁(yè)第十四頁(yè)，共99頁(yè)。 等效(dn xio)的概念 由此可見(jiàn)，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，圖2a的三相交流繞組、圖b的兩相交流繞組和圖c中整體(zhngt)旋轉(zhuǎn)的直流繞組彼此等效?；蛘哒f(shuō)，在三相坐標(biāo)系下的 iA、iB 、iC，在兩相坐標(biāo)系下的 i、i 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流 id、iq 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。第15頁(yè)/共98頁(yè)第十五頁(yè)，共99頁(yè)。 有意思的是：就圖2c 的 d、q 兩個(gè)繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面看上去，它們(t men)是與三相交流繞組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果跳到旋轉(zhuǎn)著的鐵心上看，它們(t men)

8、就的的確確是一個(gè)直流電機(jī)模型了。這樣，通過(guò)坐標(biāo)系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機(jī)模型。第16頁(yè)/共98頁(yè)第十六頁(yè)，共99頁(yè)。 現(xiàn)在的問(wèn)題(wnt)是，如何求出iA、iB 、iC 與 i、i 和 id、iq 之間準(zhǔn)確的等效關(guān)系，這就是坐標(biāo)變換的任務(wù)。 第17頁(yè)/共98頁(yè)第十七頁(yè)，共99頁(yè)。2. 三相(sn xin)-兩相變換（3/2變換） 現(xiàn)在先考慮上述的第一種坐標(biāo)變換在三相靜止繞組(roz)A、B、C和兩相靜止繞組(roz)、 之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡(jiǎn)稱 3/2 變換。 第18頁(yè)/共98頁(yè)第十八頁(yè)，共99頁(yè)。 圖3中繪出了 A、B、C 和 、 兩個(gè)

9、坐標(biāo)系，為方便起見(jiàn)，取 A 軸和 軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動(dòng)勢(shì)為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。由于交流磁動(dòng)勢(shì)的大小隨時(shí)間在變化(binhu)著，圖中磁動(dòng)勢(shì)矢量的長(zhǎng)度是隨意的。第19頁(yè)/共98頁(yè)第十九頁(yè)，共99頁(yè)。CAN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oB圖3 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組(roz)磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量 第20頁(yè)/共98頁(yè)第二十頁(yè)，共99頁(yè)。 設(shè)磁動(dòng)勢(shì)波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動(dòng)勢(shì)與二相總磁動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，兩套繞組瞬時(shí)(shn sh)磁動(dòng)勢(shì)在 、 軸上的投影都應(yīng)相等， )2121(60cos60cosCBA

10、3C3B3A32iiiNiNiNiNiN)(2360sin60sinCB3C3B32iiNiNiNiN第21頁(yè)/共98頁(yè)第二十一頁(yè)，共99頁(yè)。寫(xiě)成矩陣( j zhn)形式，得CBA232323021211iiiNNii（1） 第22頁(yè)/共98頁(yè)第二十二頁(yè)，共99頁(yè)。 考慮變換(binhun)前后總功率不變，在此前提下，可以證明匝數(shù)比應(yīng)為3223NN（2） 第23頁(yè)/共98頁(yè)第二十三頁(yè)，共99頁(yè)。代入式（1），得CBA232302121132iiiii（3） 第24頁(yè)/共98頁(yè)第二十四頁(yè)，共99頁(yè)。 令 C3/2 表示從三相(sn xin)坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則 232302121

11、1322/3C（4） （5） 三相兩相坐標(biāo)系的變換(binhun)矩陣2/3102133221322C第25頁(yè)/共98頁(yè)第二十五頁(yè)，共99頁(yè)。 如果(rgu)三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有 iA + iB + iC = 0，或 iC = iA iB 。代入式（4）和（5）并整理后得BA221023iiii（6） 第26頁(yè)/共98頁(yè)第二十六頁(yè)，共99頁(yè)。BA2161032iiii（7） 按照所采用的條件，電流(dinli)變換陣也就是電壓變換陣，同時(shí)還可證明，它們也是磁鏈的變換陣。第27頁(yè)/共98頁(yè)第二十七頁(yè)，共99頁(yè)。3. 兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換(binhun)（2s/2r變換(binhun)）

12、從圖2等效的交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組物理模型的圖 b 和圖 c 中從兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d、q 變換稱作兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換，簡(jiǎn)稱 2s/2r 變換，其中 s 表示(biosh)靜止，r 表示(biosh)旋轉(zhuǎn)。 把兩個(gè)坐標(biāo)系畫(huà)在一起，即得圖4。第28頁(yè)/共98頁(yè)第二十八頁(yè)，共99頁(yè)。iqsiniFssidcosididsiniqcosiiqdq圖4 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)（電流）空間(kngjin)矢量 第29頁(yè)/共98頁(yè)第二十九頁(yè)，共99頁(yè)。 圖4中，兩相交流電流 i、i 和兩個(gè)直流電流 id、iq 產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速(zhun s)s旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì) Fs 。由于各繞組

13、匝數(shù)都相等，可以消去磁動(dòng)勢(shì)中的匝數(shù)，直接用電流表示，例如 Fs 可以直接標(biāo)成 is 。但必須注意，這里的電流都是空間矢量，而不是時(shí)間相量。第30頁(yè)/共98頁(yè)第三十頁(yè)，共99頁(yè)。 d，q 軸和矢量 Fs（ is ）都以轉(zhuǎn)速 s 旋轉(zhuǎn)，分量 id、iq 的長(zhǎng)短不變，相當(dāng)于d，q繞組的直流磁動(dòng)勢(shì)。 但 、 軸是靜止(jngzh)的， 軸與 d 軸的夾角 隨時(shí)間而變化，因此 is 在 、 軸上的分量的長(zhǎng)短也隨時(shí)間變化，相當(dāng)于繞組交流磁動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)值。由圖4可見(jiàn)， i、 i 和 id、iq 之間存在下列關(guān)系 第31頁(yè)/共98頁(yè)第三十一頁(yè)，共99頁(yè)。 dqcossiniiidqsincosiii 2s/2r

14、變換(binhun)公式第32頁(yè)/共98頁(yè)第三十二頁(yè)，共99頁(yè)。寫(xiě)成矩陣(j zhn)形式，得 dd2r/2sqqcossinsincosiiiCiii （8） cossinsincoss2/ r2C（9） 是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換(binhun)到兩相靜止坐標(biāo)系的變換(binhun)陣。 式中 兩相旋轉(zhuǎn)兩相靜止坐標(biāo)系的變換(binhun)矩陣第33頁(yè)/共98頁(yè)第三十三頁(yè)，共99頁(yè)。 對(duì)式（8）兩邊都左乘以變換(binhun)陣的逆矩陣，即得 1dqcossincossinsincossincosiiiiii (10) 第34頁(yè)/共98頁(yè)第三十四頁(yè)，共99頁(yè)。cossinsincosr2/s2C

15、(11) 則兩相靜止(jngzh)坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流(dinli)（磁動(dòng)勢(shì)）旋轉(zhuǎn)變換陣相同。 兩相靜止(jngzh)兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣第35頁(yè)/共98頁(yè)第三十五頁(yè)，共99頁(yè)。is (Fs)ssTiMMT 令矢量 is 和d軸的夾角為 s ，已知 id、iq ，求 is 和 s ，就是直角坐標(biāo)(zh jio zu bio)/極坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)稱K/P變換（圖5）。4. 直角坐標(biāo)(zh jio zu bio)/極坐標(biāo)變換（K/P變換） 圖5 K/P變換空間(kngjin)矢量第36頁(yè)/共98頁(yè)第三十六頁(yè)，共99頁(yè)。顯然(xinrn)，其變換式應(yīng)為

16、 （12）22sdqiiiqsdarctanii（13）第37頁(yè)/共98頁(yè)第三十七頁(yè)，共99頁(yè)。 當(dāng) s 在 0 90之間變化(binhu)時(shí)，tans 的變化(binhu)范圍是 0 ，這個(gè)變化(binhu)幅度太大，很難在實(shí)際變換器中實(shí)現(xiàn)，因此常改用下列方式來(lái)表示 s 值sssqsssssssdsinsin(2cos)sin222tan21 coscoscos(2cos)222iii第38頁(yè)/共98頁(yè)第三十八頁(yè)，共99頁(yè)。 qssd2arctaniii（14） 式（14）可用來(lái)代替式（13），作為(zuwi) s 的變換式。 這樣(zhyng)第39頁(yè)/共98頁(yè)第三十九頁(yè)，共99頁(yè)。三相(

17、sn xin)異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的 數(shù)學(xué)模型 前已指出，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，坐標(biāo)變換的目的就是要簡(jiǎn)化(jinhu)數(shù)學(xué)模型。異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型是建立在三相靜止的ABC坐標(biāo)系上的，如果把它變換到兩相坐標(biāo)系上，由于兩相坐標(biāo)軸互相垂直，兩相繞組之間沒(méi)有磁的耦合，僅此一點(diǎn)，就會(huì)使數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單了許多。 第40頁(yè)/共98頁(yè)第四十頁(yè)，共99頁(yè)。1. 異步電機(jī)在兩相任意(rny)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（dq坐 標(biāo)系）上的數(shù)學(xué)模型 兩相坐標(biāo)系可以是靜止的，也可以是旋轉(zhuǎn)的，其中以任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系為最一般的情況，有了這種情況下的數(shù)學(xué)模型，要求(yoqi)出某一具體兩相坐標(biāo)系上的模型就比較容易了。 第41頁(yè)/共9

18、8頁(yè)第四十一頁(yè)，共99頁(yè)。 變換(binhun)關(guān)系 設(shè)兩相坐標(biāo)(zubio) d 軸與三相坐標(biāo)(zubio) A 軸的夾角為 s ， 而 ps = dqs 為 d q 坐標(biāo)(zubio)系相對(duì)于定子的角轉(zhuǎn)速，dqr 為 dq 坐標(biāo)(zubio)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速。ABCFsdqssdq圖6 任意兩相坐標(biāo)變換空間(kngjin)矢量 第42頁(yè)/共98頁(yè)第四十二頁(yè)，共99頁(yè)。 要把三相靜止(jngzh)坐標(biāo)系上的電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程都變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上來(lái)，可以先利用 3/2 變換將方程式中定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩都變換到兩相靜止(jngzh)坐標(biāo)系 、 上，然后再用旋轉(zhuǎn)變

19、換陣 C2s/2r 將這些變量變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 上。第43頁(yè)/共98頁(yè)第四十三頁(yè)，共99頁(yè)。 變換(binhun)過(guò)程 具體(jt)的變換運(yùn)算比較復(fù)雜，此處從略，需要時(shí)可參看相關(guān)參考文獻(xiàn)。ABC坐標(biāo)系 坐標(biāo)系dq坐標(biāo)系3/2變換(binhun)C2s/2r第44頁(yè)/共98頁(yè)第四十四頁(yè)，共99頁(yè)。p 矢量(shling)控制思想的引入 異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，通過(guò)坐標(biāo)變換，可以使之降階并化簡(jiǎn)，但并沒(méi)有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。需要(xyo)高動(dòng)態(tài)性能的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須在其動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，但要完成這一任務(wù)并非易事。經(jīng)過(guò)多年的潛心

20、研究和實(shí)踐，有幾種控制方案已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用，目前應(yīng)用最廣的就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。第45頁(yè)/共98頁(yè)第四十五頁(yè)，共99頁(yè)。 直流電機(jī) 交流( jioli)電機(jī) 表達(dá)式一 表達(dá)式二afaMIIICTrrmMICTcosrrMICT圖7 異步電機(jī)矢量圖第46頁(yè)/共98頁(yè)第四十六頁(yè)，共99頁(yè)。二、 矢量(shling)控制系統(tǒng)的基本思路 在坐標(biāo)變換章節(jié)中已經(jīng)闡明，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，在三相(sn xin)坐標(biāo)系上的定子交流電流 iA、 iB 、iC ，通過(guò)三相(sn xin)/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流 i、i ，再通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

21、上的直流電流 id 和 iq 。第47頁(yè)/共98頁(yè)第四十七頁(yè)，共99頁(yè)。 如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺(tái)直流電機(jī)，可以(ky)控制使交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通 r 就是等效直流電機(jī)的磁通，如果把d軸定位于 的方向上，稱作M（Magnetization）軸，把q軸稱作T（Torque）軸，則M繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，im 相當(dāng)于勵(lì)磁電流，T 繞組相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組，it 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。 r第48頁(yè)/共98頁(yè)第四十八頁(yè)，共99頁(yè)。 把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式(xngsh)畫(huà)出來(lái)，便得到圖8。從整體上看，輸入為A，B，C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速 ，是一臺(tái)異

22、步電機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過(guò)3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺(tái)由 im 和 it 輸入，由 輸出的直流電機(jī)。第49頁(yè)/共98頁(yè)第四十九頁(yè)，共99頁(yè)。圖8 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖3/2三相/兩相變換; VR同步(tngb)旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸（A軸）的夾角 3/2VR等效直流電機(jī)模型ABC iAiBiCitimii異步電動(dòng)機(jī) 異步電機(jī)的坐標(biāo)(zubio)變換結(jié)構(gòu)圖第50頁(yè)/共98頁(yè)第五十頁(yè)，共99頁(yè)。 既然異步電機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效(dn xio)成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了。 由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動(dòng)勢(shì)）的

23、空間矢量，所以這樣通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System），控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。第51頁(yè)/共98頁(yè)第五十一頁(yè)，共99頁(yè)。 矢量(shling)控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機(jī)模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反饋信號(hào)異步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào) 圖9 矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)原理結(jié)構(gòu)圖第52頁(yè)/共98頁(yè)第五十二頁(yè)，共99頁(yè)。 在設(shè)計(jì)矢量控制系統(tǒng)時(shí)，可以認(rèn)為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵消，2/3變換器與電機(jī)內(nèi)部的

24、3/2變換環(huán)節(jié)抵消，如果(rgu)再忽略變頻器中可能產(chǎn)生的滯后，則圖9中虛線框內(nèi)的部分可以完全刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了。第53頁(yè)/共98頁(yè)第五十三頁(yè)，共99頁(yè)。 設(shè)計(jì)(shj)控制器時(shí)省略后的部分控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機(jī)模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反饋信號(hào)異步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào) 圖10 簡(jiǎn)化(jinhu)控制結(jié)構(gòu)圖第54頁(yè)/共98頁(yè)第五十四頁(yè)，共99頁(yè)。 可以想象，這樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)(xtng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)(xtng)相媲美。 第55頁(yè)/共98頁(yè)第五十五頁(yè)，共99頁(yè)。三、 按

25、轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制(kngzh)方程及其 解耦作用 問(wèn)題的提出 上述只是(zhsh)矢量控制的基本思路，其中的矢量變換包括三相/兩相變換和同步旋轉(zhuǎn)變換。在前述動(dòng)態(tài)模型分析中，進(jìn)行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時(shí)，只規(guī)定了d，q兩軸的相互垂直關(guān)系和與定子頻率同步的旋轉(zhuǎn)速度，并未規(guī)定兩軸與電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)位置，對(duì)此是有選擇余地的。 第56頁(yè)/共98頁(yè)第五十六頁(yè)，共99頁(yè)。n 按轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈定向 現(xiàn)在d軸是沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?shling)的方向，并稱之為 M（Magnetization）軸，而 q 軸再逆時(shí)針轉(zhuǎn)90，即垂直于轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?shling)，稱之為 T（Torque）軸。 這

26、樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為 M，T 坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向（Field Orientation）的坐標(biāo)系。第57頁(yè)/共98頁(yè)第五十七頁(yè)，共99頁(yè)。 當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈定向時(shí)，應(yīng)有rmrr rmm smL iL irt0r rtm stL iL i（15） 第58頁(yè)/共98頁(yè)第五十八頁(yè)，共99頁(yè)。smsssmmsmst1sssmmstrmmmrrslrrmrtslmmslrrrrtssssuRL pLL pLiuLRL pLL piuL pLRL pLiuLL pLRL pi（16） 第59頁(yè)/共98頁(yè)第五十九頁(yè)，共99頁(yè)。n 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向后的系統(tǒng)(xtn

27、g)模型（16）代入M、T軸系的電壓矩陣方程式（15）,即得磁場(chǎng)(cchng)定向的電壓基本方程，由第三、四行可分別得到（17）和（18）分別(fnbi)帶入（16）得： (5-17)rrmrpiR (5-18)slrrtrwiR 1 (5-19)rsmrmT piL (5-20)rstslrmTiwL第60頁(yè)/共98頁(yè)第六十頁(yè)，共99頁(yè)。n 按轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈定向的意義l式（19）表明，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量無(wú)關(guān)，從這個(gè)意義上看，定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。l 式（19）還表明，r 與 ism之間的傳遞函數(shù)是 一階慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)子磁鏈勵(lì)磁時(shí)間常

28、數(shù)，當(dāng)勵(lì)磁電流分量ism突變時(shí)，r 的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓，這和直流電機(jī)勵(lì)磁繞組(roz)的慣性作用是一致的。 第61頁(yè)/共98頁(yè)第六十一頁(yè)，共99頁(yè)。() (5-21)pmst rmsm rtTn Li ii i (5-22)rmmmpstsmpstrrtrrLLTniiniLL() (5-23)mpm smstrLTnL iiL第62頁(yè)/共98頁(yè)第六十二頁(yè)，共99頁(yè)。 由式（20）和式（19）可分別(fnbi)得轉(zhuǎn)差角頻率公式 (5-24)mslstrrLwiT1 (5-25)rslstr smT pwiT i第63頁(yè)/共98頁(yè)第六十三頁(yè)，共99頁(yè)。式（21）是在任意選取(xunq)的

29、MT坐標(biāo)內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，無(wú)論對(duì)動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)都是適用的式（22）是在已沿轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的特定MT坐標(biāo)內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)恒定或者變化時(shí)都適用。式（23）是在沿磁場(chǎng)定向的特定MT坐標(biāo)內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)恒定，即電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 第64頁(yè)/共98頁(yè)第六十四頁(yè)，共99頁(yè)。 式（19）、（24）和（22）構(gòu)成矢量控制基本方程式，按照這些關(guān)系可將異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型(mxng)繪成圖11中的形式，圖中前述的等效直流電機(jī)模型(mxng)（見(jiàn)圖8）被分解成 和 r 兩個(gè)子系統(tǒng)。可以看出，雖然通過(guò)矢量變換，將定子電流解耦成 ism 和 ist 兩個(gè)分量，但是，從 和 r 兩個(gè)子系統(tǒng)來(lái)看，由于T同時(shí)受

30、到 ist 和 r 的影響，兩個(gè)子系統(tǒng)仍舊是耦合著的。 第65頁(yè)/共98頁(yè)第六十五頁(yè)，共99頁(yè)。n電流(dinli)解耦數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)3/2AiVRrmpLLnpnJCiBisisismistirLTTm1rLT p 圖11 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換(binhun)與電流解耦數(shù)學(xué)模型第66頁(yè)/共98頁(yè)第六十六頁(yè)，共99頁(yè)。 按照?qǐng)D9的矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖模仿直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行(jnxng)控制時(shí)，可設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器AR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR分別控制r 和 ，如圖12所示。 為了使兩個(gè)子系統(tǒng)完全解耦，除了坐標(biāo)變換以外，還應(yīng)設(shè)法抵消轉(zhuǎn)子磁鏈r 對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩 Te 的影響。第67頁(yè)/共98頁(yè)第六十七頁(yè)，共99頁(yè)。

31、Ai電流控制變頻器mprLnLCiBismistir異步電機(jī)矢量變換模型s3/ r2CrAiCiBirRAASR圖12 矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)原理結(jié)構(gòu)圖第68頁(yè)/共98頁(yè)第六十八頁(yè)，共99頁(yè)。 比較直觀的辦法是，把ASR的輸出信號(hào)除以r ，當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換(binhun)與電機(jī)中的坐標(biāo)變換(binhun)對(duì)消，且變頻器的滯后作用可以忽略時(shí)，此處的（ r ）便可與電機(jī)模型中的（ r ）對(duì)消，兩個(gè)子系統(tǒng)就完全解耦了。這時(shí)，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個(gè)獨(dú)立的線性子系統(tǒng)，可以采用經(jīng)典控制理論的單變量線性系統(tǒng)綜合方法或相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器AR和ASR。第69頁(yè)/

32、共98頁(yè)第六十九頁(yè)，共99頁(yè)。 應(yīng)該注意，在異步電機(jī)矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈 r 和它的定向相位角 都是實(shí)際存在的，而用于控制器的這兩個(gè)量都難以直接檢測(cè)，只能采用觀測(cè)值或模型計(jì)算值，在圖12中冠以符號(hào)(fho)“”以示區(qū)別。第70頁(yè)/共98頁(yè)第七十頁(yè)，共99頁(yè)。n 解耦條件(tiojin) 因此，兩個(gè)子系統(tǒng)完全解耦只有在下述三個(gè)假定條件下才能成立(chngl)：轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算值 等于其實(shí)際值r ；轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向角的計(jì)算值 等于其實(shí)際值 ；忽略電流控制變頻器的滯后作用。 r第71頁(yè)/共98頁(yè)第七十一頁(yè)，共99頁(yè)。四、 轉(zhuǎn)子(zhun z)磁鏈模型 要實(shí)現(xiàn)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，很關(guān)鍵的因素(

33、yn s)是要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信號(hào)，以供磁鏈反饋和除法環(huán)節(jié)的需要。開(kāi)始提出矢量控制系統(tǒng)時(shí)，曾嘗試直接檢測(cè)磁鏈的方法，一種是在電機(jī)槽內(nèi)埋設(shè)探測(cè)線圈，另一種是利用貼在定子內(nèi)表面的霍爾元件或其它磁敏元件。第72頁(yè)/共98頁(yè)第七十二頁(yè)，共99頁(yè)。 從理論上說(shuō)，直接檢測(cè)應(yīng)該比較準(zhǔn)確，但實(shí)際上這樣做都會(huì)遇到不少工藝和技術(shù)問(wèn)題，而且由于齒槽影響，使檢測(cè)信號(hào)中含有較大的脈動(dòng)分量(fn ling)，越到低速時(shí)影響越嚴(yán)重。因此，現(xiàn)在實(shí)用的系統(tǒng)中，多采用間接計(jì)算的方法，即利用容易測(cè)得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，利用轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與相位。 利用能夠?qū)崪y(cè)的物理量的不同組合，可以獲得多種轉(zhuǎn)子磁鏈模型，具體見(jiàn)書(shū)

34、中P106。 第73頁(yè)/共98頁(yè)第七十三頁(yè)，共99頁(yè)。五、 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 直接矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn) 如前所述，在矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)中，主要依賴于對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測(cè)和觀察，不同的磁鏈觀察模型，需要對(duì)不同基本量（電壓、電流、轉(zhuǎn)速及指令參數(shù)等）的檢測(cè)，因而構(gòu)成了各種矢量控制系統(tǒng)(kn zh x tn)第74頁(yè)/共98頁(yè)第七十四頁(yè)，共99頁(yè)。電流(dinli)控制變頻器電流控制變頻器可以采用如下兩種方式：電流滯環(huán)跟蹤(gnzng)控制的CHBPWM變頻器（圖13a），帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器（圖13b）。 帶轉(zhuǎn)速和

35、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱直接矢量控制系統(tǒng)。 第75頁(yè)/共98頁(yè)第七十五頁(yè)，共99頁(yè)。 （1）電流滯環(huán)跟蹤(gnzng)控制的CHBPWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC圖13a 電流(dinli)控制變頻器第76頁(yè)/共98頁(yè)第七十六頁(yè)，共99頁(yè)。（2）帶電流(dinli)內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C圖13b 電流(dinli)控制變頻器第77頁(yè)/共98頁(yè)第七十七頁(yè)，共99頁(yè)。（3） 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)微機(jī)控制電流滯環(huán)型 PWM變頻(bin pn)調(diào)速系統(tǒng) 另外一種提高轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)解耦性能(

36、xngnng)的辦法是在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)增設(shè)轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，如下圖14所示。 圖中，作為一個(gè)示例，主電路采用了電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器。第78頁(yè)/共98頁(yè)第七十八頁(yè)，共99頁(yè)。VR-12/3LrATRASRAR 電流變換和磁鏈觀測(cè)M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist電流(dinli)滯環(huán)型PWM變頻器微型計(jì)算機(jī)圖14 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量(shling)控制系統(tǒng) 第79頁(yè)/共98頁(yè)第七十九頁(yè)，共99頁(yè)。 工作(gngzu)原理 轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速， 磁鏈給定信號(hào)由函數(shù)發(fā)生程序獲得。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器A

37、SR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，弱磁時(shí)它還受到磁鏈給定信號(hào)的控制。 在轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)中，磁鏈對(duì)控制對(duì)象的影響相當(dāng)于一種擾動(dòng)作用(zuyng)，因而受到轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的抑制，從而改造了轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。 第80頁(yè)/共98頁(yè)第八十頁(yè)，共99頁(yè)。直接(zhji)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 概 述 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)的另一種(y zhn)高動(dòng)態(tài)性能的交流電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。在它的轉(zhuǎn)速環(huán)里面，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。第81頁(yè)/共98頁(yè)第八十一頁(yè)，共99頁(yè)。一、 直接(zhji)轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理

38、和特點(diǎn) 系統(tǒng)(xtng)組成圖6-1 按定子(dngz)磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)第82頁(yè)/共98頁(yè)第八十二頁(yè)，共99頁(yè)。n 結(jié)構(gòu)(jigu)特點(diǎn)p 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：p ASR的輸出作為電磁(dinc)轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；p 設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對(duì)轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似的解耦。p 轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器：p 用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。第83頁(yè)/共98頁(yè)第八十三頁(yè)，共99頁(yè)。n 控制(kngzh)特點(diǎn) 與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(zhun s)和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點(diǎn)是：1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰

39、-砰控制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生電壓的SVPWM 波形，從而避開(kāi)了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡(jiǎn)化(jinhu)了控制器的結(jié)構(gòu)。 第84頁(yè)/共98頁(yè)第八十四頁(yè)，共99頁(yè)。 2）選擇定子磁鏈作為被控量，而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來(lái)，計(jì)算磁鏈的模型(mxng)可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型(mxng)推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對(duì)控制器并沒(méi)有影響。 第85頁(yè)/共98頁(yè)第八十五頁(yè)，共99頁(yè)。 3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或

40、負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過(guò)大的沖擊電流，以免損壞(snhui)功率開(kāi)關(guān)器件，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。第86頁(yè)/共98頁(yè)第八十六頁(yè)，共99頁(yè)。n 性能(xngnng)比較 從總體控制(kngzh)結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(kngzh)(DTC)系統(tǒng)和矢量控制(kngzh)(VC)系統(tǒng)是一致的，都能獲得較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。第87頁(yè)/共98頁(yè)第八十七頁(yè)，共99頁(yè)。二、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的控制規(guī)律和反饋模型 除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問(wèn)題(wnt)就是：轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號(hào)的計(jì)算模型；如何根據(jù)兩個(gè)砰-砰控制器的輸出信號(hào)來(lái)選擇電壓空間矢量和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 第88頁(yè)/共98頁(yè)第八十八頁(yè)，共99頁(yè)。 電壓空間(kngjin)矢量和逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇 在圖62所示的 DTC 系統(tǒng)中，根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號(hào)進(jìn)行砰-砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序(shnx)和持續(xù)時(shí)間。正六邊形的磁鏈軌跡控制： 如果只要求正六邊形的磁鏈軌跡，則逆變器的控制程序簡(jiǎn)單，主電路開(kāi)關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大； 第89頁(yè)/共98頁(yè)第八十九頁(yè)，共99頁(yè)。 圓形磁鏈軌跡控制： 如果要逼近圓形磁