第3篇3異步電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)速控制方法

第3篇交流傳動(dòng)控制原理矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制第3章異步電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)速控制3.1.1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

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。

把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，便得到圖3-1。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3-1

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等效直流電機(jī)模型ABC

iAiBiCitimi

i

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)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(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)（VectorControlSystem），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*CiAiBiCi

iβimit~反饋信號(hào)異步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào)

圖3-2

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)VR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3-2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*CiAiBiCi

iβimit~反饋信號(hào)異步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào)

圖3-3

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。3.1.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其

解耦作用問題的提出

上述只是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。

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向

現(xiàn)在d軸是沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，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?，稱之為T（Torque）軸。這樣的兩相同步旋轉(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（FieldOrientation）的坐標(biāo)系。

當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)，應(yīng)有（3-15）

（3-16）

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向后的系統(tǒng)模型（3-16）代入M、T軸系的電壓矩陣方程式（3-15）,即得磁場(chǎng)定向的電壓基本方程，由第三、四行可分別得到（3-17）和（3-18）分別帶入（3-16）得：

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的意義式（3-19）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。式（3-19）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)磁繞組的慣性作用是一致的。

由式（3-20）和式（3-19）可分別得轉(zhuǎn)差角頻率公式式（3-21）是在任意選取的MT坐標(biāo)內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式，無論對(duì)動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)都是適用的式（3-22）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（3-23）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

式（3-19）、（3-24）和（3-22）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)模型繪成圖3-11中的形式，圖中前述的等效直流電機(jī)模型（見圖3-8）被分解成

和

r

兩個(gè)子系統(tǒng)?？梢钥闯觯m然通過矢量變換，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)來看，由于T同時(shí)受到ist

和

r

的影響，兩個(gè)子系統(tǒng)仍舊是耦合著的。電流解耦數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)3/2VR×

圖3-11

異步電動(dòng)機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型

按照?qǐng)D3-9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)行控制時(shí)，可設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器A

R和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR分別控制

r

和

，如圖3-12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。電流控制變頻器÷異步電機(jī)矢量變換模型圖3-12

矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

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)反變換與電機(jī)中的坐標(biāo)變換對(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)方法來設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器A

R和ASR。

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3-12中冠以符號(hào)“^”以示區(qū)別。

解耦條件

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：①轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算值等于其實(shí)際值

r

；②轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向角的計(jì)算值等于其實(shí)際值

；③忽略電流控制變頻器的滯后作用。

3.1.3轉(zhuǎn)子磁鏈模型

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。

從理論上說，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，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，具體見書中P106。

3.1.4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)

如前所述，在矢量控制系統(tǒng)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)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（圖3-13a），帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器（圖3-13b）。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)。

（1）電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器

i*Ai*Bi*CiAiCiBABC圖3-13a

電流控制變頻器（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3-13b

電流控制變頻器（3）轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)微機(jī)控制電流滯環(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3-14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。VR-12/3LrATRASRA

R電流變換和磁鏈觀測(cè)M3~TA+++cos

sin

is

npLm

is

*T*eTe

*r

r

ri*sti*smi*s

i*s

i*sAi*sBi*sCist電流滯環(huán)型PWM變頻器微型計(jì)算機(jī)圖3-14

帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)

工作原理轉(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ASR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，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。

3.2基于動(dòng)態(tài)模型按定子磁鏈控制的

直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)概述直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DTC(DirectTorqueControl)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動(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。3.2.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)系統(tǒng)組成圖6-1按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號(hào)；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。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器：用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。

控制特點(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-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)化了控制器的結(jié)構(gòu)。

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，計(jì)算磁鏈的模型可以不受轉(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)控制器并沒有影響。

3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，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，因此實(shí)際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。

性能比較

從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)和矢量控制(VC)系統(tǒng)是一致的，都能獲得較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。3.2.2直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)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)的核心問題就是：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)來選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)。

電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)的選擇

在圖3-62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，主電路開關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大；圓形磁鏈軌跡控制：如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，主電路開關(guān)頻率高，定子磁鏈接近恒定。該系統(tǒng)也可用于弱磁升速，這時(shí)要設(shè)計(jì)好Ψ*s=f(

*)函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時(shí)的磁鏈給定值。

DTC系統(tǒng)存在的問題1）由于采用砰-砰控制，實(shí)際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動(dòng)，而不是完全恒定的。2）由于磁鏈計(jì)算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會(huì)影響磁鏈計(jì)算的準(zhǔn)確度。

這兩個(gè)問題的影響在低速時(shí)都比較顯著，因而使DTC系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。為了解決這些問題，許多學(xué)者做過不少的研究工作，使它們得到一定程度的改善，但并不能完全消除。3.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與