電力拖動自動控制系統(tǒng)(陳伯時)ppt,按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)

1、3/2VR等效直流電機模型ABC iAiBiCit1im1ii異步電動機異步電動機的坐標變換結(jié)構(gòu)圖6.7按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)1 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反饋信號異步電動機給定信號 2 設(shè)計控制器時省略后的部分控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電機模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反饋信號異步電動機給定信號 這樣的矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速

2、系統(tǒng)相媲美。 3 6.7.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向（Field Orientation）4 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向后的系統(tǒng)模型 代入轉(zhuǎn)矩方程式和狀態(tài)方程式，并用m，t替代d，q，即得5 矢量控制方程 方程可寫成勵磁公式： 方程蛻化為代數(shù)方程，得轉(zhuǎn)差公式： 這使狀態(tài)方程又降低了一階?；? 矢量控制方程(續(xù)) 再考慮轉(zhuǎn)矩公式：組成一組矢量控制方程，構(gòu)成異步電動機矢量變換的數(shù)學模型。7 異步電動機矢量變換數(shù)學模型結(jié)構(gòu)圖3/2VR 矢量變換把異步電動機分解成 和 r 兩個子系統(tǒng)，從定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量來看，是解耦的，但由于Te同時受到 ist 和 r 的影響，兩個子系統(tǒng)仍舊是耦合著的。 8 帶除法環(huán)節(jié)的解耦矢

3、量控制系統(tǒng) （采用電流控制變頻器） 電流控制變頻器異步電機矢量變換模型 帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個獨立的線性子系統(tǒng)9解耦條件忽略電流控制變頻器的滯后作用轉(zhuǎn)子磁鏈的計算值 等于其實際值r 轉(zhuǎn)子磁場定向角的計算值 等于其實際值 106.7.3 轉(zhuǎn)子磁鏈模型 由實測的三相定子電流通過3/2變換很容易得到兩相靜止坐標系上的電流 is 和 is ，再利用式（6-109）第3，4行計算轉(zhuǎn)子磁鏈在 ， 軸上的分量為 1. 在兩相靜止坐標系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型 11（6-138） （6-139） 又由式（6-108）的 坐標系電壓矩陣方程第3，4行，并令 ur = ur = 0 得12或 13整理后得

4、轉(zhuǎn)子磁鏈模型 （6-140） （6-141） 按式（6-140）、式（6-141）構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈分量的運算框圖如下圖所示。有了r 和 r ，要計算r 的幅值和相位就很容易了。 轉(zhuǎn)子磁鏈模型14 在兩相靜止坐標系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型 LmTrLmTr p+11+-isisrrTr p+11圖6-56 在兩相靜止坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型15 上圖的轉(zhuǎn)子磁鏈模型適合于模擬控制，用運算放大器和乘法器就可以實現(xiàn)。采用微機數(shù)字控制時，由于 r 與 r 之間有交叉反饋關(guān)系，離散計算時可能不收斂，不如采用下面第二種模型。 162. 按磁場定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型 下圖是另一種轉(zhuǎn)子磁鏈模型的運算框圖。

5、三相定子電流 iA 、 iB 、iC 經(jīng)3/2變換變成兩相靜止坐標系電流 is 、 is ，再經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)變換并按轉(zhuǎn)子磁鏈 定向，得到M、T坐標系上的電流 ism、ist，利用矢量控制方程式（6-136）和式（6-135）可以獲得 r和 s 信號，由s 與實測轉(zhuǎn)速 相加得到定子頻率信號1，再經(jīng)積分即為轉(zhuǎn)子磁鏈的相位角 ，它也就是同步旋轉(zhuǎn)變換的旋轉(zhuǎn)相位角。17 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型 3/2VRTr p+1LmSinCosiCiBiAisisistisms1+r TrLm1p圖6-57 在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型18 和第一種模型相比，這種模型更適

6、合于微機實時計算，容易收斂，也比較準確。 上述兩種轉(zhuǎn)子磁鏈模型的應用都比較普遍，但也都受電機參數(shù)變化的影響，例如電機溫升和頻率變化都會影響轉(zhuǎn)子電阻 Rr，從而改變時間常數(shù) Tr ，磁飽和程度將影響電感Lm 和 Lr，從而 Tr 也改變。這些影響都將導致磁鏈幅值與相位信號失真，而反饋信號的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能降低。 196.7.4 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 直接矢量控制系統(tǒng) 圖6-55用除法環(huán)節(jié)使r 與 解耦的系統(tǒng)是一種典型的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)，r 模型在圖中略去未畫。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出帶“r ”的除法環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)可以在第6.7.2節(jié)最后指出的三個假定條件下簡化成完

7、全解耦的r 與 兩個子系統(tǒng)，兩個調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法和直流調(diào)速系統(tǒng)相似。調(diào)節(jié)器和坐標變換都包含在微機數(shù)字控制器中。20電流控制變頻器 電流控制變頻器可以采用如下兩種方式：電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器 帶轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱直接矢量控制系統(tǒng)。 21 （1）電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC圖6-59a 電流控制變頻器22（2）帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C圖6-59b 電流控制變頻器23（3） 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)微機控制

8、電流滯環(huán)型 PWM變頻調(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)，如下圖所示。24VR-12/3LrATRASRAR 電流變換和磁鏈觀測M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist電流滯環(huán)型PWM變頻器微型計算機 系統(tǒng)組成圖6-60 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng) 25 工作原理轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速，磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號，弱磁時它還受到磁鏈給定信號的控制。26 轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的解耦作用27轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的解耦作用 在轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)中，

9、磁鏈對控制對象的影響相當于擾動作用，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，促成轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)和磁鏈子系統(tǒng)的近似解耦。 286.7.5 磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng) 間接矢量控制系統(tǒng) 在磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號是由磁鏈模型獲得的，其幅值和相位都受到電機參數(shù) Tr 和 Lm 變化的影響，造成控制的不準確性。 有鑒于此，很多人認為，與其采用磁鏈閉環(huán)控制而反饋不準，不如采用磁鏈開環(huán)控制，系統(tǒng)反而會簡單一些。在這種情況下，常利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式（6-135），構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)，又稱間接矢量控制系統(tǒng)。29 它繼承了第6.5.2節(jié)基于穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)

10、差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點，同時用基于動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律克服了它的大部分不足之處。圖6-60繪出了轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的原理圖，其中主電路采用了交-直-交電流源型變頻器，適用于數(shù)千kW的大容量裝置，在中、小容量裝置中多采用帶電流控制的電壓源型PWM變壓變頻器。 30 轉(zhuǎn)差型矢量控制的交直交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)圖6-61 磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)原理圖p1K/PACRURCSIMTG+TA+Ld3 +sTrLmLmTr p+1ASR矢量控制器1*s *si*sisi*sti*sm*r*TG31 系統(tǒng)的主要特點（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出正比于轉(zhuǎn)矩給定信號，實際上是由矢量控制方程式可求出定子電流轉(zhuǎn)矩分

11、量給定信號 i*st 和轉(zhuǎn)差頻率給定信號*s，其關(guān)系為 32 二式中都應除以轉(zhuǎn)子磁鏈 r ，因此兩個通道中各設(shè)置一個除法環(huán)節(jié)。 33 （2）定子電流勵磁分量給定信號 i*sm 和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號*r 之間的關(guān)系是靠式 （6-137）建立的，其中的比例微分環(huán)節(jié) Tr p + 1使 ism 在動態(tài)中獲得強迫勵磁效應，從而克服實際磁通的滯后。 34 （3） i*sm和i*st 經(jīng)直角坐標/極坐標變換器K/P合成后，產(chǎn)生定子電流幅值給定信號 i*s 和相角給定信號 *s 。前者經(jīng)電流調(diào)節(jié)器ACR控制定子電流的大小，后者則控制逆變器換相的時刻，從而決定定子電流的相位。定子電流相位能否得到及時的控制對于動

12、態(tài)轉(zhuǎn)矩的發(fā)生極為重要。極端來看，如果電流幅值很大，但相位落后90，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍只能是零。35 （4）轉(zhuǎn)差頻率給定信號 *s 按矢量控制方程式（6-135）算出，實現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制功能。 由以上特點可以看出，磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的磁場定向由磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定信號確定，靠矢量控制方程保證，并沒有實際計算轉(zhuǎn)子磁鏈及其相位，所以屬于間接矢量控制。 36矢量控制系統(tǒng)的優(yōu)點與問題優(yōu)點：有優(yōu)越的靜、動態(tài)性能，調(diào)速范圍廣； 可仿照直流調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)器設(shè)計。 問題：定向精度受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。37 問題的解決辦法1.帶自適應控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 研究論文很多，實際應用很少。2.帶智能控制的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 單神經(jīng)元

13、或?qū)＜蚁到y(tǒng)控制比較 簡單，有應用前景。387.8按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng) 39 控制結(jié)構(gòu)特點（一） (1)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)控制ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號；設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實現(xiàn)了近似的解耦。在這點上，直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制相同。40 控制結(jié)構(gòu)特點（二） （2）按定子磁鏈控制 不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，可提高魯棒性。 （3）轉(zhuǎn)矩和磁鏈雙位式砰-砰控制器 不按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，不能實現(xiàn)電流分量解耦，只好不用線性調(diào)節(jié)器，改用砰-砰控制器，引起轉(zhuǎn)矩脈動；但也省去了旋轉(zhuǎn)

14、坐標變換。41 控制結(jié)構(gòu)特點（三） (4) 快速轉(zhuǎn)矩響應 采用直接轉(zhuǎn)矩控制，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件。 (5)空間矢量PWM控制 根據(jù)砰-砰控制器的輸出信號直接選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)。42 反饋模型 (電壓模型) 1. 定子磁鏈反饋計算模型43 2. 轉(zhuǎn)矩反饋計算模型 44直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的優(yōu)點和問題優(yōu)點：有優(yōu)越的動態(tài)性能，轉(zhuǎn)矩響應快； 根據(jù)砰-砰控制器輸出直接產(chǎn)生PWM信號。問題：采用砰-砰控制，實際轉(zhuǎn)矩在上下限內(nèi)脈動； PWM開關(guān)頻率不確定。 45 問題的解決辦法 1.在砰-砰控制器基礎(chǔ)上改進，以減少轉(zhuǎn)矩脈動。 如細化磁鏈偏差和轉(zhuǎn)矩偏差，對電壓空間矢 量的無差拍調(diào)制，對開關(guān)狀態(tài)的預測控制、 智能控制等等。 2.將砰-砰控制器改為連續(xù)的調(diào)節(jié)器，設(shè)計連 續(xù)控制算法。46 1.矢量控制(VC)與直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)均屬于同一代的高性能交流調(diào)速技術(shù)，都能獲得良好的動、靜態(tài)性能，滿足一般應用的要求，但又各有特色。 2.VC與DTC基于同樣的交流電機兩相等效數(shù)學模型，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩與磁鏈的分別控制。VC是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標下的線性控制，而DTC則是基于靜止坐標系下的非線性“砰-砰”控制；對于異步電機調(diào)速，VC通常采用