第六章異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

1、第六章異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)學(xué)習(xí)要點(diǎn)：學(xué)習(xí)要點(diǎn)：重點(diǎn)！ 一、三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理一、三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子氣隙轉(zhuǎn)子機(jī)座端蓋轉(zhuǎn)子鐵心軸轉(zhuǎn)子繞組定子鐵心定子繞組鼠籠型繞線型 導(dǎo)體用銅條或鋁條，兩頭用端環(huán)聯(lián)接。結(jié)構(gòu)可靠簡(jiǎn)單，導(dǎo)體用銅條或鋁條，兩頭用端環(huán)聯(lián)接。結(jié)構(gòu)可靠簡(jiǎn)單，但是轉(zhuǎn)子電阻固定。但是轉(zhuǎn)子電阻固定。 接成接成Y型的三相繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷與外電路聯(lián)型的三相繞組通過(guò)滑環(huán)和電刷與外電路聯(lián)接，便于串入電阻改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。接，便于串入電阻改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。ABCCBAit1AZBXCY2 3 45 6e2, i2電流從首端流入、末電流從首端流入、末端流出時(shí)為正端流出時(shí)

2、為正。 1、在三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱的電流會(huì)在、在三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱的電流會(huì)在氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。氣隙中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 2、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（同步速）、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（同步速）: 3、改變通入電流的相序（對(duì)調(diào)任意兩根電源線）、改變通入電流的相序（對(duì)調(diào)任意兩根電源線）就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向。pfn1160 1、三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒小于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，即、三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速恒小于磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，即n n1，故稱異步電機(jī)。故稱異步電機(jī)。 2、轉(zhuǎn)差、轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在相對(duì)即轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

3、穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。運(yùn)動(dòng)，是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。 3、轉(zhuǎn)差率定義為轉(zhuǎn)差與同步速之比、轉(zhuǎn)差率定義為轉(zhuǎn)差與同步速之比其大小反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即其大小反映了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即01nnn11/nnnS11nSn21222211123/2epU rsTrfrxxs其中：p為電機(jī)極對(duì)數(shù)； U1為相電壓有效值 r1為定子每相繞組的內(nèi)阻 x1為每相漏阻抗 r2為折算到定子側(cè)的每相電阻 x2為折算到定子側(cè)的漏電阻機(jī)械特性曲線機(jī)械特性曲線)(nfT 11nSn)(SfT 1nnT0感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械特性mSS011n2NnmmTTSS,QTTSn, 1, 0D理想空載點(diǎn)理想空載點(diǎn)額定運(yùn)行點(diǎn)額定運(yùn)行點(diǎn)mTB最大轉(zhuǎn)

4、矩點(diǎn)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)起起 動(dòng)動(dòng) 點(diǎn)點(diǎn)NTCAQT0, 0,1TSnnNNNTTSSnn, 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速交流調(diào)速方式)1 (60)1 (11SpfnSn耗能型有級(jí)調(diào)速設(shè)備費(fèi)用高異步電動(dòng)機(jī)的變極調(diào)速A1X1X2A2AXAXAXAXA1X1X2A2AX異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速調(diào)速原理fpfn601連續(xù)可調(diào)連續(xù)可調(diào)1n、 連續(xù)可調(diào)連續(xù)可調(diào)n主要設(shè)備變頻器V1V3V5V4V6V22dcU2dcUM可調(diào)可調(diào)fUabc,dcU),(11constfUffN同步點(diǎn)同步點(diǎn)：最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)：起動(dòng)點(diǎn)起動(dòng)點(diǎn)：11fn 2111)(,1fUTfSmm不變不變11211312111)(fffUfU

5、TQ最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降：最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降：ppffnSnmm1601111mn不變不變Nff 1Um弱磁調(diào)速弱磁調(diào)速Q(mào)mTTnT0S11nQTNfmnmn1n1f 1n 1fmT 1nNff 1 mnZT改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速調(diào)壓調(diào)速nT0S1mT1nNUmS1U 1UNUUU1 1ZT2knTZ1n1U21UTmmS不變不變21UTQ不變不變n改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速繞線式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速RmTmS不變不變QT1n不變不變nnT0S1mTmS1nQT2r2 RrQTmSZTZT輕載調(diào)速輕載調(diào)速范圍不大范圍不大調(diào)速前：調(diào)速前：1，S1調(diào)速后：調(diào)速后：2，S2 按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向主要內(nèi)容主

6、要內(nèi)容 PWM控制技術(shù) 異步電機(jī)坐標(biāo)變換 異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng) 三相異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制實(shí)戰(zhàn)PWM控制技術(shù) 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速需要電壓與頻率均可調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由調(diào)的交流電源，常用的交流可調(diào)電源是由電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，電力電子器件構(gòu)成的靜止式功率變換器，一般稱為變頻器。采用的控制技術(shù)有：一般稱為變頻器。采用的控制技術(shù)有：正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)電流跟蹤PWM控制技術(shù)電壓空間矢量PWM控制技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制技術(shù) 以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波以頻率比期望波高得多的等腰三角為調(diào)

7、制波以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它波作為載波，當(dāng)調(diào)制波與載波相交時(shí)，由它們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，們的交點(diǎn)確定逆變器開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，從而獲得高度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的從而獲得高度相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（制（SPWM） 三相三相PWM逆逆變器雙極性變器雙極性SPWM波形波形電流跟蹤PWM控制技術(shù) 電流跟蹤電流跟蹤PWM（CFPWM，Current Follow PWM）的控制方法是：在原來(lái)）的控制方法是：在原來(lái)主回路的基礎(chǔ)上，采用電流閉環(huán)控制，主回路的基礎(chǔ)上

8、，采用電流閉環(huán)控制，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，使實(shí)際電流快速跟隨給定值，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就盡可能使實(shí)際電流接近正弦波形，這就能比電壓控制的能比電壓控制的SPWM獲得更好的性能。獲得更好的性能。電流滯環(huán)跟蹤控制原理圖電流滯環(huán)跟蹤控制原理圖圖圖4-13電流滯環(huán)跟蹤控制的電流滯環(huán)跟蹤控制的A相原理圖相原理圖 如圖，電流如圖，電流滯環(huán)跟蹤控滯環(huán)跟蹤控制時(shí)的三相制時(shí)的三相電流波形與電流波形與相電壓相電壓PWM波形波形電流滯環(huán)跟蹤控制電流滯環(huán)跟蹤控制 電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，電流跟蹤控制的精度與滯環(huán)的寬度有關(guān)，同時(shí)還受到功率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的同時(shí)還受到功

9、率開(kāi)關(guān)器件允許開(kāi)關(guān)頻率的制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，制約。當(dāng)環(huán)寬選得較大時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率低，但電流波形失真較多，諧波分量高；如果但電流波形失真較多，諧波分量高；如果環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開(kāi)關(guān)頻率卻環(huán)寬小，電流跟蹤性能好，但開(kāi)關(guān)頻率卻增大了。實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開(kāi)關(guān)頻率增大了。實(shí)際使用中，應(yīng)在器件開(kāi)關(guān)頻率允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。允許的前提下，盡可能選擇小的環(huán)寬。電壓空間矢量PWM控制技術(shù) 把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形把逆變器和交流電動(dòng)機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為目標(biāo)來(lái)控制逆變器的工作，這種控制方法稱作種控制方法稱作“磁鏈跟蹤控制磁鏈跟

10、蹤控制”，磁鏈，磁鏈軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空軌跡的控制是通過(guò)交替使用不同的電壓空間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱間矢量實(shí)現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制控制”。交交-直直-交交PWM變頻器主回路變頻器主回路交交-直直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖空間矢量的定義空間矢量的定義 電壓空間矢量的定義電壓空間矢量的定義2jCOjBOAOeueuuCOBOAOuuu32三相合成矢量三相合成矢量圖圖 電壓空間矢量電壓空間矢量2jCOjBOAOeueuuCOBOAOsuuuu0AOu0BOu0COu三相平衡正弦電壓合成矢量三相平

11、衡正弦電壓合成矢量 是一個(gè)以電源角頻率是一個(gè)以電源角頻率 為電氣角速度作恒速為電氣角速度作恒速旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是相電壓幅值旋轉(zhuǎn)的空間矢量，它的幅值不變，是相電壓幅值的的3/2倍，倍，當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí)，合成電壓當(dāng)某一相電壓為最大值時(shí)，合成電壓矢量就落在該相的軸線上。矢量就落在該相的軸線上。tjstjmjmjmmeueUetUetUtU1123)34cos()32cos()cos(2111COBOAOsuuuusu1同理，定子電流和磁鏈的空間矢量同理，定子電流和磁鏈的空間矢量 2jCOjBOAOeieiiCOBOAOsiiii2jCOjBOAOeeCOBOAOs電壓與磁鏈空間矢

12、量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相對(duì)稱定子繞組由三相電當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相對(duì)稱定子繞組由三相電壓供電時(shí)，對(duì)每一相都可寫出一個(gè)電壓平衡壓供電時(shí)，對(duì)每一相都可寫出一個(gè)電壓平衡方程式，求三相電壓平衡方程式的矢量和，方程式，求三相電壓平衡方程式的矢量和，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式dtdRssssiu電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時(shí)，定子電阻壓定子電阻壓降所占的成分很小，可忽略不計(jì)，降所占的成分很小，可忽略不計(jì)，則定則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似子合成電壓與合成磁鏈空

13、間矢量的近似關(guān)系為關(guān)系為dtdssu dtssu或或 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)由三相平衡正弦電壓供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量電動(dòng)機(jī)定子磁鏈幅值恒定，其空間矢量以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡以恒速旋轉(zhuǎn)，磁鏈?zhǔn)噶宽敹说倪\(yùn)動(dòng)軌跡呈圓形呈圓形（簡(jiǎn)稱為磁鏈圓，電機(jī)學(xué)里已指（簡(jiǎn)稱為磁鏈圓，電機(jī)學(xué)里已指出）出）。定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量。定子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量)(1tjses電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 上式對(duì)上式對(duì)t求導(dǎo)得求導(dǎo)得 )2(1)(1)(111)(tjstjstjseejedtdsu 磁鏈幅值等于電壓與頻

14、率之比，方向與磁磁鏈幅值等于電壓與頻率之比，方向與磁鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，如圖鏈?zhǔn)噶空?，即磁鏈圓的切線方向，如圖所示。所示。電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 圖圖 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電壓空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡圖圖 電壓矢量圓軌跡電壓矢量圓軌跡PWM逆變器基本輸出電壓矢量逆變器基本輸出電壓矢量 直流電源中點(diǎn)直流電源中點(diǎn)O和交流電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)和交流電動(dòng)機(jī)中點(diǎn)O的電位不等，的電位不等，但合成電壓矢量的表達(dá)式相等。因此，三相合成但合成電壓矢量的表達(dá)式相等。因此，三相合成電壓空間矢量與參考點(diǎn)無(wú)關(guān)。電壓空間矢量與參考點(diǎn)無(wú)關(guān)。22222)1 ()()()(jCjB

15、AjjOOjCjBAjOOCjOOBOOAjCOjBOAOeueuueeueueuueuueuuuueueuuCOBOAOsuuuu為0PWM逆變器基本輸出電壓矢量逆變器基本輸出電壓矢量 PWM逆變器共有逆變器共有8種工作狀態(tài)，當(dāng)種工作狀態(tài)，當(dāng)（ ， ， ）=（1，0，0）時(shí)，）時(shí)，（ ， ， ）=（ ， ， ），代入），代入式得式得2dUASBSCSAuBuCu2dU2dUddjjdjjdUjUeeUeeU)34sin32(sin)34cos32cos1(2)1 (2)1 (2343221uPWM逆變器基本輸出電壓矢量逆變器基本輸出電壓矢量 當(dāng)當(dāng) （ ， ， ）=（1，1，0）時(shí)，）時(shí)，（

16、， ， ）=（ ， ， ），得），得2dUASBSCSAuBuCu2dU2dU334322)31 (2)34sin32(sin)34cos32cos1(2)1 (2)1 (2jdddjjdjjdeUjUjUeeUeeU2uPWM逆變器基本輸出電壓矢量逆變器基本輸出電壓矢量 依此類推，可得依此類推，可得8個(gè)基本空間矢量，個(gè)基本空間矢量，其中其中6個(gè)有效工作矢量個(gè)有效工作矢量 ，幅值，幅值為直流電壓為直流電壓 ，在空間互差，在空間互差 。 另另2個(gè)為零矢量個(gè)為零矢量 和和 。1u6udU30u7uPWM逆變器基本輸出電壓矢量逆變器基本輸出電壓矢量 圖圖 基本電壓空間矢量圖基本電壓空間矢量圖正六邊形

17、空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 6個(gè)有效工作矢量按至的順序分別作用時(shí)間個(gè)有效工作矢量按至的順序分別作用時(shí)間 162tt31n每個(gè)有效工作矢量作用每個(gè)有效工作矢量作用/3/3 弧度，弧度，6個(gè)有效個(gè)有效工作矢量完成一個(gè)周期，輸出基波電壓角頻工作矢量完成一個(gè)周期，輸出基波電壓角頻率率 13t正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 在時(shí)間在時(shí)間tt內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛閮?nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛閗=1,2,3,4,5,6 。3)1()()(kjdssetUtkku 定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽糠较蚺c電壓矢量相同，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽糠较蚺c電壓矢量相同，幅值等于直流側(cè)電壓與作用時(shí)間的乘積。幅值等于直流側(cè)電壓與

18、作用時(shí)間的乘積。 dtssu正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動(dòng)軌跡為軌跡為tkkkkksssss)() 1()() 1()(u) 1( k)(ktkks)()(u圖圖 定子磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量和時(shí)定子磁鏈?zhǔn)噶吭隽颗c電壓矢量和時(shí)間增量間增量的關(guān)系的關(guān)系正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 圖為正六邊形定子磁圖為正六邊形定子磁鏈軌跡鏈軌跡正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 由正六邊形的性質(zhì)可知由正六邊形的性質(zhì)可知 n正六邊形定子磁鏈的大小與直流側(cè)電壓成正正六邊形定子磁鏈的大小與直流側(cè)電壓成正比，而與電源角頻率成反比。在基頻以下調(diào)比，而與電源角

19、頻率成反比。在基頻以下調(diào)速時(shí)，應(yīng)保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒速時(shí)，應(yīng)保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒定定 。 13| )(| )(| )(|ddssUtUtkkku正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使 為常數(shù)，這意味著在變頻的同時(shí)必須調(diào)節(jié)為常數(shù)，這意味著在變頻的同時(shí)必須調(diào)節(jié)直流電壓，造成了控制的復(fù)雜性。直流電壓，造成了控制的復(fù)雜性。 有效的方法是插入零矢量，使有效工作矢有效的方法是插入零矢量，使有效工作矢量的作用時(shí)間僅為量的作用時(shí)間僅為 ，其余的時(shí)間，其余的時(shí)間。 1dUtt1用零矢量來(lái)補(bǔ)。用零矢量來(lái)補(bǔ)。10ttt正六邊

20、形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 在直流電壓不變的條件下，要保持在直流電壓不變的條件下，要保持 恒定，恒定，只要使只要使 為常數(shù)。為常數(shù)。 零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾。旋轉(zhuǎn)速度的矛盾。| )(|ks1t正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 在時(shí)間段在時(shí)間段 內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著有效工作電壓矢量方向運(yùn)行。有效工作電壓矢量方向運(yùn)行。 在時(shí)間段在時(shí)間段 內(nèi)，零矢量起作用，定子磁內(nèi)，零矢量起作用，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留在原地，等待下一個(gè)有效鏈?zhǔn)噶寇壽E停留在原地，等待下一個(gè)有效工作矢量的到來(lái)。工作矢量

21、的到來(lái)。 電源角頻率越低，零矢量作用時(shí)間也越大，電源角頻率越低，零矢量作用時(shí)間也越大，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留的時(shí)間越長(zhǎng)。定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留的時(shí)間越長(zhǎng)。 1t0t期望電壓空間矢量的合成與期望電壓空間矢量的合成與SVPWM控制控制 每個(gè)有效工作矢量在一個(gè)周期內(nèi)只作用一每個(gè)有效工作矢量在一個(gè)周期內(nèi)只作用一次的方式只能生成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，次的方式只能生成正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與在正弦波供電時(shí)所產(chǎn)生的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相差甚遠(yuǎn)，六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶有較大的諧相差甚遠(yuǎn)，六邊形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)帶有較大的諧波分量，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)。波分量，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的脈動(dòng)。SVPWM基本思

22、想基本思想 要獲得更多邊形或接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，要獲得更多邊形或接近圓形的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就必須有更多的空間位置不同的電壓空間就必須有更多的空間位置不同的電壓空間矢量以供選擇，但矢量以供選擇，但PWM逆變器只有逆變器只有8個(gè)基個(gè)基本電壓矢量，能否用這本電壓矢量，能否用這8個(gè)基本矢量合成其個(gè)基本矢量合成其他多個(gè)矢量他多個(gè)矢量? 答案是肯定的，按空間矢量的平行四邊形答案是肯定的，按空間矢量的平行四邊形合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量合合成法則，用相鄰的兩個(gè)有效工作矢量合成期望的輸出矢量，這就是電壓空間矢量成期望的輸出矢量，這就是電壓空間矢量PWM（SVPWM）的基本思想。）的基本思想。SVPWM基本思

23、想基本思想 按按6個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)個(gè)有效工作矢量將電壓矢量空間分為對(duì)稱的六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)稱的六個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)/3/3，當(dāng)期，當(dāng)期望的輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，就望的輸出電壓矢量落在某個(gè)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，就用該扇區(qū)的兩條邊等效合成期望的輸出矢用該扇區(qū)的兩條邊等效合成期望的輸出矢量。量。 所謂等效是指在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，產(chǎn)生的所謂等效是指在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，產(chǎn)生的定子磁鏈的增量近似相等。定子磁鏈的增量近似相等。電壓空間矢量的電壓空間矢量的6個(gè)扇區(qū)個(gè)扇區(qū)圖圖 電壓空間矢量的電壓空間矢量的6個(gè)扇區(qū)個(gè)扇區(qū)期望電壓空間矢量的合成期望電壓空間矢量的合成 以 期 望 輸 出 矢以 期 望

24、 輸 出 矢量落在第量落在第I扇區(qū)扇區(qū)為 例 ， 分 析 電為 例 ， 分 析 電壓 空 間 矢 量壓 空 間 矢 量PWM的基本工的基本工作 原 理 ， 由 于作 原 理 ， 由 于扇區(qū)的對(duì)稱性，扇區(qū)的對(duì)稱性，可 推 廣 到 其 它可 推 廣 到 其 它各個(gè)扇區(qū)。各個(gè)扇區(qū)。圖圖 期望輸出電壓矢期望輸出電壓矢量的合成量的合成期望電壓空間矢量的合成期望電壓空間矢量的合成 在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期 中，中， 的作用時(shí)間為的作用時(shí)間為 ， 的作用時(shí)間為的作用時(shí)間為 ，按矢量合成法則可得，按矢量合成法則可得juuUTtjUTtUTteUTtUTtTtTtssdddjddssincos3sin3co

25、s02020130201202101uuu0T1u1t2u2t電壓空間矢量的作用時(shí)間電壓空間矢量的作用時(shí)間 令實(shí)部與虛部分別相等，解得令實(shí)部與虛部分別相等，解得)sin31(cosu0s1dUTtsin3u23sinsinUu0sd0s2dUTTt輸出電壓矢量最大幅值輸出電壓矢量最大幅值 兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間之和應(yīng)滿足兩個(gè)基本矢量作用時(shí)間之和應(yīng)滿足1)6cos(3u2)sin31(cosuss021ddUUTttn輸出電壓矢量最大幅值為輸出電壓矢量最大幅值為 23usmaxdUtjstjmjmjmmeueUetUetUtU1123)34cos()32cos()cos(2111COBOAOsuu

26、uu輸出電壓矢量幅值與相電壓的關(guān)系輸出電壓矢量幅值與直流側(cè)電壓關(guān)系相電壓與直流側(cè)電壓關(guān)系Ususmax3Um/211; Thita_in_sector=Thita%Degree60; Sin_value1=SinTableThita_in_sector; Int_Tmep_value1=Degree60-Thita_in_sector; Sin_value2=SinTableInt_Tmep_value1; if(MD4096) MD=4096; Tm=(long)MD*(long)Sin_value1 15; Tl=(long)MD*(long)Sin_value2 15; Tm=(long

27、)T12_PR*(long)Tm 12; Tl=(long)T12_PR*(long)Tl 12; switch (Sector) case 0: TA=T12_PR-Tl-Tm 1; TB=TA+Tl; TC=TB+Tm; break; case 1: TB=T12_PR-Tl-Tm 1; TA=TB+Tm; TC=TA+Tl; break; case 2: TB=T12_PR-Tl-Tm 1; TC=TB+Tl; TA=TC+Tm; break;case 3: TC=T12_PR-Tl-Tm 1; TB=TC+Tm; TA=TB+Tl; break; case 4: TC=T12_PR-T

28、l-Tm 1; TA=TC+Tl; TB=TA+Tm; break; case 5: TA=T12_PR-Tl-Tm 1; TC=TA+Tm; TB=TC+Tl; break; if(TAT12_PR) TA=T12_PR; CCU6_CC60SR =TA; CCU6_CC61SR =TB; CCU6_CC62SR =TC; CCU6_vEnableShadowTransfer_CCU6_TIMER_12(); 。由于CPU時(shí)鐘頻率為40MHZ，定時(shí)器時(shí)鐘為20MHZ，且采用連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式，因此實(shí)際寫入T12周期寄存器CCU6_T12PR的值TC為：199911020010202112166

29、sCPUTfTCLsMs0sLMTMTsin(3 )TMTsinTTTT2M=3sdUEUin=380Ed=465 SVPWM的頻率一般多少？ 如何測(cè)出馬鞍波形？ffMfMffTfPRTSdSSSCPUSCPU200000)100(2100402402211內(nèi)部2倍頻TsTs=2*T1PR/fcpu(R0+R1)為10-100K，開(kāi)關(guān)頻率80K，濾波電容為nF數(shù)量級(jí)？本節(jié)提要本節(jié)提要 坐標(biāo)變換的基本思路 三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 矢量控制系統(tǒng)的基本思路異步電機(jī)坐標(biāo)變換 直流電機(jī)的物理模型 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)

30、系。下圖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)變換的基本思路圖 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 主極磁場(chǎng)在空間固定不動(dòng)；由于換向器作用，電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線始終被電刷限定在 q 軸位置上。 雖然電樞本身是旋轉(zhuǎn)的，但其繞組通過(guò)換向器電刷接到端接板上，電刷將閉合的電樞繞組分成兩條支路。當(dāng)一條支路中的導(dǎo)線經(jīng)

31、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)。 分析結(jié)果 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，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。 交流電機(jī)的物理模型 如果能將交流電機(jī)的物理模型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。 眾所周知，交流電機(jī)三相對(duì)稱的靜止繞組 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦電流時(shí)，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢(shì)是旋轉(zhuǎn)磁

32、動(dòng)勢(shì)F，它在空間呈正弦分布，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中。 （1）交流電機(jī)繞組的等效物理模型ABCABCiAiBiCFs圖 三相交流繞組 旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 然而，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、三相、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)單。 （2）等效的兩相交流電機(jī)繞組Fiis圖5-2b 兩相交流繞組 上圖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，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

33、兩相繞組與三相繞組等效。 （3）旋轉(zhuǎn)的直流繞組與等效直流電機(jī)模型sFdqidiqdq圖 旋轉(zhuǎn)的直流繞組 再看圖中的兩個(gè)匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 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)。 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

34、 軸上，就和直流電機(jī)物理模型沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別了。這時(shí)，繞組d相當(dāng)于勵(lì)磁繞組，q 相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。 等效的概念 由此可見(jiàn)，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，三相交流繞組、兩相交流繞組和整體旋轉(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)。 有意思的是：d、q 兩個(gè)繞組而言，當(dāng)觀察者站在地面看上去，它們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。 現(xiàn)在的

35、問(wèn)題是，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)。 2. 三相-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A、B、C和兩相靜止繞組、 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。 圖5-3中繪出了 A、B、C 和 、 兩個(gè)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)間在變化著，圖中磁動(dòng)勢(shì)矢量的長(zhǎng)度是隨意的。CAN2iN3iAN3iCN3

36、iBN2i60o60oB圖5-3 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量 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)磁動(dòng)勢(shì)在 、 軸上的投影都應(yīng)相等， )2121(60cos60cosCBA3C3B3A32iiiNiNiNiNiN)(2360sin60sinCB3C3B32iiNiNiNiN寫成矩陣形式，得CBA232323021211iiiNNii（5-1） 考慮變換前后總功率不變，在此前提下，可以證明（見(jiàn)p96），匝數(shù)比應(yīng)為3223NN（5-2） 代入式（5-1），得CBA232302121132iiiii（5-3） 令 C3/2 表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相

37、坐標(biāo)系的變換矩陣，則 2323021211322/3C（5-4） （5-5） 三相兩相坐標(biāo)系的變換矩陣2/3102133221322C 如果三相繞組是Y形聯(lián)結(jié)不帶零線，則有 iA + iB + iC = 0，或 iC = iA iB 。代入式（5-4）和（5-5）并整理后得BA221023iiii（5-6） BA2161032iiii（5-7） 按照所采用的條件，電流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。3. 兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換） 從等效的交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組物理模型和從兩相靜止坐標(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

38、 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉(zhuǎn)。 把兩個(gè)坐標(biāo)系畫在一起，即得圖5-4。iqsiniFssidcosididsiniqcosiiqdq圖5-4 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動(dòng)勢(shì)（電流）空間矢量 圖5-4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s旋轉(zhuǎn)的合成磁動(dòng)勢(shì) Fs 。由于各繞組匝數(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。 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 、 軸是靜止的， 軸與

39、 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5-4可見(jiàn)， i、 i 和 id、iq 之間存在下列關(guān)系 dqcossiniiidqsincosiii 2s/2r變換公式寫成矩陣形式，得 dd2r/2sqqcossinsincosiiiCiii （5-8） cossinsincoss2/ r2C（5-9） 是兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換陣。 式中 兩相旋轉(zhuǎn)兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣 對(duì)式（5-8）兩邊都左乘以變換陣的逆矩陣，即得 1dqcossincossinsincossincosiiiiii (5-10) coss

40、insincosr2/ s2C (5-11) 則兩相靜止坐標(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（磁動(dòng)勢(shì)）旋轉(zhuǎn)變換陣相同。 兩相靜止兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣is (Fs)ssidiqdq 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)/極坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)稱K/P變換（圖5-5）。4. 直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換（K/P變換） 圖5-5 K/P變換空間矢量顯然，其變換式應(yīng)為 （5-12）22sdqiiiqsdarctanii（5-13） 當(dāng) s 在 0 90之間變化時(shí)，tans 的變化范圍是 0 ，這個(gè)變化幅度太大，很難在實(shí)際變換器中實(shí)

41、現(xiàn)，因此常改用下列方式來(lái)表示 s 值sssqsssssssdsinsin(2cos)sin222tan21 coscoscos(2cos)222iii qssd2arctaniii（5-14） 式（5-14）可用來(lái)代替式（5-13），作為 s 的變換式。 這樣二、三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的二、三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的 數(shù)學(xué)模型數(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。 1. 異步電

42、機(jī)在兩相任意旋轉(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，要求出某一具體兩相坐標(biāo)系上的模型就比較容易了。 變換關(guān)系 設(shè)兩相坐標(biāo) d 軸與三相坐標(biāo) A 軸的夾角為 s ， 而 ps = dqs 為 d q 坐標(biāo)系相對(duì)于定子的角轉(zhuǎn)速，dqr 為 dq 坐標(biāo)系相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速。ABCFsdqssdq圖5-6 任意兩相坐標(biāo)變換空間矢量 要把三相靜止坐標(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坐標(biāo)

43、系 、 上，然后再用旋轉(zhuǎn)變換陣 C2s/2r 將這些變量變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 上。 變換過(guò)程ABC坐標(biāo)系 坐標(biāo)系dq坐標(biāo)系3/2變換C2s/2rp 矢量控制思想的引入 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)。 直流電機(jī) 交流電機(jī)表達(dá)式一表達(dá)式二afaMIIICTrrmMICTcosrrMICT

44、圖5-7 異步電機(jī)矢量圖三、三、 矢量控制系統(tǒng)的基本思路矢量控制系統(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，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流 iA、 iB 、iC ，通過(guò)三相/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)系上的直流電流 id 和 iq 。 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

45、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 把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來(lái)，便得到圖5-8。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)。圖5-8 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同步旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸（A軸）的夾角 3/2VR等效直流等效直流電機(jī)模型電機(jī)模型ABC iAiBiCitimii異步電動(dòng)機(jī)異步電動(dòng)機(jī) 異步電機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 既然異步電機(jī)經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制策

46、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。 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 控制器控制器VR-12/3電流控制電流控制變頻器變頻器3/2VR等效直流等效直流電機(jī)模型電機(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5-9 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 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)V

47、R抵消，2/3變換器與電機(jī)內(nèi)部的3/2變換環(huán)節(jié)抵消，如果再忽略變頻器中可能產(chǎn)生的滯后，則圖5-9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。 設(shè)計(jì)控制器時(shí)省略后的部分控制器控制器VR-12/3電流控制電流控制變頻器變頻器3/2VR等效直流等效直流電機(jī)模型電機(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5-10 簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)圖 可以想象，這樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 異步電機(jī)坐標(biāo)變換結(jié)束，返回 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用 轉(zhuǎn)子磁鏈模型 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控

48、制系統(tǒng)直接矢量控制系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng) 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用靜止兩相坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型靜止兩相坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型 異步電動(dòng)機(jī)定子繞組是靜止的，只要進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)定子繞組是靜止的，只要進(jìn)行3/2變換就行了，而轉(zhuǎn)子繞組是旋轉(zhuǎn)的，必變換就行了，而轉(zhuǎn)子繞組是旋轉(zhuǎn)的，必須通過(guò)須通過(guò)3/2變換和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜變換和兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換，才能變換到靜止兩止坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換，才能變換到靜止兩相坐標(biāo)系。相坐標(biāo)系。3/2變換變換 對(duì)靜止的定子三相對(duì)靜止的定子三相繞組和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子三相繞組進(jìn)行相同三相繞組進(jìn)行相同的的3/2變換，變換變換，變換后的

49、定子后的定子坐標(biāo)系坐標(biāo)系靜止，而轉(zhuǎn)子靜止，而轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系則以坐標(biāo)系則以 的角的角速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。iiuuiiuu圖圖 定子定子及轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換 對(duì)圖所示的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系對(duì)圖所示的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系作旋轉(zhuǎn)變換，作旋轉(zhuǎn)變換，將將坐標(biāo)系順時(shí)針旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 角，使其與定角，使其與定子子坐標(biāo)系重合，且保持靜止。坐標(biāo)系重合，且保持靜止。 將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系將旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變換為靜止坐標(biāo)變換為靜止坐標(biāo)系系，意味著用靜止的兩相繞組等效代，意味著用靜止的兩相繞組等效代替原先轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子兩相繞組。替原先轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子兩相繞組。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換陣轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換陣co

50、ssinsincos)(2/2srC變換后的電壓方程變換后的電壓方程rrrrrrssrrssrrssrrss00dtdiiiiR0000R0000R0000Ruuuu變換后的磁鏈方程變換后的磁鏈方程rrssrmrmmsmsrrssiiiiLLLLLLL00000000L變換后的轉(zhuǎn)矩方程變換后的轉(zhuǎn)矩方程)(rsrsmpeiiiiLnT 旋轉(zhuǎn)變換改變了定、轉(zhuǎn)子繞組間的耦合關(guān)旋轉(zhuǎn)變換改變了定、轉(zhuǎn)子繞組間的耦合關(guān)系，將相對(duì)運(yùn)動(dòng)的定、轉(zhuǎn)子繞組用相對(duì)靜系，將相對(duì)運(yùn)動(dòng)的定、轉(zhuǎn)子繞組用相對(duì)靜止的等效繞組來(lái)代替，從而消除了定、轉(zhuǎn)止的等效繞組來(lái)代替，從而消除了定、轉(zhuǎn)子繞組間夾角子繞組間夾角 對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響。對(duì)

51、磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變換的優(yōu)點(diǎn)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變換的優(yōu)點(diǎn) 旋轉(zhuǎn)變換的優(yōu)點(diǎn)在于將非線性變參數(shù)的旋轉(zhuǎn)變換的優(yōu)點(diǎn)在于將非線性變參數(shù)的磁鏈方程轉(zhuǎn)化為線性定常的方程，磁鏈方程轉(zhuǎn)化為線性定常的方程，但卻但卻加劇了電壓方程中的非線性耦合程度。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(zhuǎn)移到電壓方程中來(lái)將矛盾從磁鏈方程轉(zhuǎn)移到電壓方程中來(lái)了，并沒(méi)有改變對(duì)象的非線性耦合性質(zhì)了，并沒(méi)有改變對(duì)象的非線性耦合性質(zhì)。任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型 更廣義的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換是對(duì)定子坐標(biāo)系更廣義的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換是對(duì)定子坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系同時(shí)施行旋同時(shí)施行旋轉(zhuǎn)變換，把它們變換到同一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系

52、轉(zhuǎn)變換，把它們變換到同一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq上。上。iiuuiiuuqd1圖圖 定子坐標(biāo)系定子坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq旋轉(zhuǎn)變換陣旋轉(zhuǎn)變換陣 定子旋轉(zhuǎn)變換陣為定子旋轉(zhuǎn)變換陣為 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變換陣為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變換陣為cossinsincos)(2/2rsC)cos()sin()sin()cos()(2/2rrC任意旋轉(zhuǎn)變換任意旋轉(zhuǎn)變換 任意旋轉(zhuǎn)變換是用旋轉(zhuǎn)的繞組代替原來(lái)靜任意旋轉(zhuǎn)變換是用旋轉(zhuǎn)的繞組代替原來(lái)靜止的定子繞組，并使等效的轉(zhuǎn)子繞組與等止的定子繞組，并使等效的轉(zhuǎn)子繞組與等效的定子繞組重合，且保持嚴(yán)格同步，等效的定子繞組重合，且保持嚴(yán)格同步，等效后定、轉(zhuǎn)子繞組間

53、不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。效后定、轉(zhuǎn)子繞組間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。變換后的電壓方程變換后的電壓方程rdrqsdsqrqrdsqsdrqrdsqsdrrssrqrdsqsddtdiiiiRRRRuuuu)()(0000000000001111變換后的磁鏈方程變換后的磁鏈方程rqrdsqsdrmrmmsmsrqrdsqsdiiiiLLLLLLLL00000000變換后的轉(zhuǎn)矩方程變換后的轉(zhuǎn)矩方程)iii(iLnTrqsdrdsqmpe任意旋轉(zhuǎn)變換任意旋轉(zhuǎn)變換 任意旋轉(zhuǎn)變換保持定、轉(zhuǎn)子等效繞組的相任意旋轉(zhuǎn)變換保持定、轉(zhuǎn)子等效繞組的相對(duì)靜止，電壓方程中旋轉(zhuǎn)電勢(shì)的非線性耦對(duì)靜止，電壓方程中旋轉(zhuǎn)電勢(shì)的非線性耦合作用更為嚴(yán)重

54、，這是因?yàn)椴粌H對(duì)轉(zhuǎn)子繞合作用更為嚴(yán)重，這是因?yàn)椴粌H對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)變換，對(duì)定子繞組也施行了組進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)變換，對(duì)定子繞組也施行了相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變換。相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變換。任意旋轉(zhuǎn)變換任意旋轉(zhuǎn)變換 從表面上看來(lái)，任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系從表面上看來(lái)，任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)中的中的數(shù)學(xué)模型還不如靜止兩相坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型還不如靜止兩相坐標(biāo)系()中的中的簡(jiǎn)單，實(shí)際上任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)單，實(shí)際上任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)在于增加了一個(gè)輸入量，提高了系統(tǒng)控制的自增加了一個(gè)輸入量，提高了系統(tǒng)控制的自由度，磁場(chǎng)定向控制就是通過(guò)選擇而實(shí)現(xiàn)由度，磁場(chǎng)定向控制就是通過(guò)選擇而實(shí)現(xiàn)的。的。 完全任意的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系無(wú)實(shí)際使用意義，完全任意的

55、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系無(wú)實(shí)際使用意義，常用的是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將繞組中的交常用的是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將繞組中的交流量變?yōu)橹绷髁?，以便模擬直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)流量變?yōu)橹绷髁?，以便模擬直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。行控制。異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的狀異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程態(tài)方程 以上討論了用矩陣方程表示的異步電動(dòng)機(jī)以上討論了用矩陣方程表示的異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其中既有微分方程（電壓動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，其中既有微分方程（電壓方程與運(yùn)動(dòng)方程），又有代數(shù)方程（磁鏈方程與運(yùn)動(dòng)方程），又有代數(shù)方程（磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程），本節(jié)討論用方程和轉(zhuǎn)矩方程），本節(jié)討論用狀態(tài)方程狀態(tài)方程描述的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。描述的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。狀態(tài)變量的選取狀

56、態(tài)變量的選取 可選的狀態(tài)變量變量分為可選的狀態(tài)變量變量分為5組：組：轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速；定子電流；定子電流；轉(zhuǎn)子電流；轉(zhuǎn)子電流；定子磁鏈；定子磁鏈；轉(zhuǎn)子磁鏈。轉(zhuǎn)子磁鏈。 轉(zhuǎn)速作為輸出必須選取，其余的轉(zhuǎn)速作為輸出必須選取，其余的4組變量組變量可以任意選取兩組，定子電流可以直接檢可以任意選取兩組，定子電流可以直接檢測(cè)，應(yīng)當(dāng)選為狀態(tài)變量，剩下的測(cè)，應(yīng)當(dāng)選為狀態(tài)變量，剩下的3組均不組均不可直接檢測(cè)或檢測(cè)十分困難，考慮到磁鏈可直接檢測(cè)或檢測(cè)十分困難，考慮到磁鏈對(duì)電機(jī)的運(yùn)行很重要，可以在定子磁鏈和對(duì)電機(jī)的運(yùn)行很重要，可以在定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈中任選轉(zhuǎn)子磁鏈中任選1組。組。 為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程

57、dq坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)矩公式坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)矩公式 rsi)()(rqsdrdsqrmpsqsdmrqsdsqsdmrdsqrmpeiiLLniiLiiiLiLLnT 為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 dq坐標(biāo)系上狀態(tài)方程坐標(biāo)系上狀態(tài)方程rsissqsdsqrsmrrsrdrsmrqrrsmsqssdsqsdrsmrrsrqrsmrdrrsmsdsqrmrdrqrrqsdrmrqrdrrdLprqsdrdsqrmpLuiiLLLRLRLLLTLLLdtdiLuiiLLLRLRLLLTLLLdtdiiTLTdtdiTLTdtdTJniiJLLndtd12221222112)(1)(1)( 為狀態(tài)變

58、量的狀態(tài)方程為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 dq坐標(biāo)系上狀態(tài)變量坐標(biāo)系上狀態(tài)變量 rsi dq坐標(biāo)系上輸入變量坐標(biāo)系上輸入變量TLsqsdTuu1UTsqsdrqrdiiX 為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 ，任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)退化為靜止兩相坐標(biāo)，任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)退化為靜止兩相坐標(biāo)系系 ，靜止兩相坐標(biāo)系，靜止兩相坐標(biāo)系中狀態(tài)方程中狀態(tài)方程 rsisssrsmrrsrrsmrrrsmssssrsmrrsrrsmrrrsmssrmrrrrsrmrrrrLprsrsrmpLuiLLLRLRLLLTLLLdtdiLuiLLLRLRLLLTLLLdtdiiTLTdtdiTLTdtdTJniiJLLndtd22222

59、2211)(01 為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 坐標(biāo)系上狀態(tài)變量坐標(biāo)系上狀態(tài)變量 rsi 坐標(biāo)系上輸入變量坐標(biāo)系上輸入變量TssrriiXTLssTuuU 為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 dq坐標(biāo)系上狀態(tài)方程坐標(biāo)系上狀態(tài)方程ssissqsdsqrssrrssdssqrssqssdsqsdrssrrssqssdrssdsqsdsqssqsdsqsdssdLpsqsdsdsqpLuiiLLLRLRLTLdtdiLuiiLLLRLRLTLdtdiuiRdtduiRdtdTJniiJndtd)(11)(11)(11112磁鏈變了 為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 dq坐標(biāo)

60、系上狀態(tài)變量坐標(biāo)系上狀態(tài)變量 dq坐標(biāo)系上輸入變量坐標(biāo)系上輸入變量TLsqsdTuu1UTsqsdsqsdiiXssi 為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 ，任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)退化為靜止兩相坐標(biāo)系，任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)退化為靜止兩相坐標(biāo)系 ，靜止兩相坐標(biāo)系靜止兩相坐標(biāo)系中狀態(tài)方程中狀態(tài)方程 01ssissssrssrrssssrssssssrssrrssssrssssssssssLpsssspLuiiLLLRLRLTLdtdiLuiiLLLRLRLTLdtdiuiRdtduiRdtdTJniiJndtd1111)(2異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)量控制系統(tǒng) 通過(guò)坐標(biāo)