電機(jī)與拖動(dòng)技術(shù)第十章現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)

1、第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 第三節(jié)第三節(jié) 繞線式異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速及串級(jí)調(diào)速繞線式異步電動(dòng)機(jī)雙饋調(diào)速及串級(jí)調(diào)速 第十章第十章 現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)現(xiàn)代交流電機(jī)調(diào)速技術(shù) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 一坐標(biāo)變換一坐標(biāo)變換 對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)論是繞線式還是鼠籠式，其轉(zhuǎn)對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)，無(wú)論是繞線式還是鼠籠式，其轉(zhuǎn) 子都可以等效成三相繞線轉(zhuǎn)子子都可以等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的并折算到定子側(cè)，折算后的 定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等。這樣，三相異步電動(dòng)機(jī)就等效為定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等。這樣，三相異步電動(dòng)機(jī)就等效為 圖圖10.

2、1所示的的物理模型。所示的的物理模型。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型由電壓方程、磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩 方程和運(yùn)動(dòng)方程組成，方程和運(yùn)動(dòng)方程組成，這些方程都是非線性的。所以，三相這些方程都是非線性的。所以，三相 異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為高階、多變量、強(qiáng)耦合的非線高階、多變量、強(qiáng)耦合的非線 性方程性方程，要對(duì)其進(jìn)行分析和求解，十分困難。必須設(shè)法進(jìn)行，要對(duì)其進(jìn)行分析和求解，十分困難。必須設(shè)法進(jìn)行 簡(jiǎn)化，方法就是進(jìn)行坐標(biāo)變換。簡(jiǎn)化，方法就是進(jìn)

3、行坐標(biāo)變換。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 1坐標(biāo)變換的思路坐標(biāo)變換的思路 圖圖10.2 直流電動(dòng)機(jī)的物理模型直流電動(dòng)機(jī)的物理模型 F勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組 A電樞繞組電樞繞組 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 勵(lì)磁繞組勵(lì)磁繞組電樞繞組電樞繞組 “偽靜止繞組偽靜止繞組 ” (a) 三相交流繞組三相交流繞組 (b) 兩相交流繞組兩相交流繞組 圖圖10.3 等效的交流電動(dòng)機(jī)繞組和直流電動(dòng)機(jī)繞組物理模型等效的交流電動(dòng)機(jī)繞組和直流電動(dòng)機(jī)繞組物理模型 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 不同電動(dòng)機(jī)模型相互等效的前提是，在不同坐標(biāo)下所產(chǎn)不同電動(dòng)機(jī)模型相互等效的前提是，在不同坐標(biāo)下所產(chǎn) 生的磁

4、動(dòng)勢(shì)完全相等。生的磁動(dòng)勢(shì)完全相等。 (c) 旋轉(zhuǎn)的直流繞組旋轉(zhuǎn)的直流繞組 圖圖10.3 等效的交流電動(dòng)機(jī)繞組和直流電動(dòng)機(jī)繞組物理模型等效的交流電動(dòng)機(jī)繞組和直流電動(dòng)機(jī)繞組物理模型 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 當(dāng)觀察者在地面上看，當(dāng)觀察者在地面上看，d 、q 兩個(gè)繞組是與三相交流繞兩個(gè)繞組是與三相交流繞 組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果在旋轉(zhuǎn)著的鐵心上看，它們確組等效的旋轉(zhuǎn)直流繞組；如果在旋轉(zhuǎn)著的鐵心上看，它們確 實(shí)是一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的物理模型。這樣，通過(guò)坐標(biāo)變換，就實(shí)是一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的物理模型。這樣，通過(guò)坐標(biāo)變換，就 可以找到與三相交流電機(jī)等效的直流電動(dòng)機(jī)模型。可以找到與三相交流電機(jī)等效的直

5、流電動(dòng)機(jī)模型。 而三相對(duì)稱交流電而三相對(duì)稱交流電 、 、 與兩相對(duì)稱交流電與兩相對(duì)稱交流電 和和 及及 直流電直流電 和和 之間的等效轉(zhuǎn)換關(guān)系，就是坐標(biāo)變換要解決的之間的等效轉(zhuǎn)換關(guān)系，就是坐標(biāo)變換要解決的 問(wèn)題。問(wèn)題。 C iii d i q i A i B i A i B i 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 2三相三相兩相變換兩相變換 在三相靜止繞組在三相靜止繞組 A、B 、 C 和兩相靜止繞組和兩相靜止繞組、之間之間 的變換，或三相靜止坐標(biāo)系和的變換，或三相靜止坐標(biāo)系和 兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡(jiǎn)兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡(jiǎn) 稱稱3/2變換。變換。 圖圖10.4 三相和兩相坐標(biāo)系三相

6、和兩相坐標(biāo)系 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 11 1 222 333 0 22 A B C i i i i i 3/2 11 1 222 333 0 22 C 三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的電流變換矩陣為三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的電流變換矩陣為 根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)相等的原則，可以得到三相坐標(biāo)系變換到兩根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)相等的原則，可以得到三相坐標(biāo)系變換到兩 相坐標(biāo)系的電流關(guān)系為相坐標(biāo)系的電流關(guān)系為 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 兩相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系的電流變換矩陣為兩相坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系的電流變換矩陣為 2/3 10 213 322 13 22 C 可以證明，電壓變換矩陣和磁鏈變換

7、矩陣均等于電流可以證明，電壓變換矩陣和磁鏈變換矩陣均等于電流 變換矩陣。變換矩陣。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 3兩相靜止兩相靜止兩相旋轉(zhuǎn)變換兩相旋轉(zhuǎn)變換 圖圖10.3b和圖和圖10.3c中，從中，從 兩相靜止坐標(biāo)系兩相靜止坐標(biāo)系、到兩相到兩相 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d 、q 的變換稱的變換稱 為兩相靜止為兩相靜止兩相旋轉(zhuǎn)變換兩相旋轉(zhuǎn)變換 。把兩個(gè)坐標(biāo)系畫(huà)在一起如。把兩個(gè)坐標(biāo)系畫(huà)在一起如 圖圖10.5所示。所示。 圖圖10.5 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)相等的原則，兩個(gè)坐標(biāo)系下電流的變換關(guān)系為根據(jù)磁動(dòng)勢(shì)相等的原則，兩

8、個(gè)坐標(biāo)系下電流的變換關(guān)系為 cossin sincos d q ii ii 2/2 cossin sincos C 兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換矩陣 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系也與電流變換關(guān)系相同。電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換關(guān)系也與電流變換關(guān)系相同。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 在圖在圖10.5中，設(shè)矢量中，設(shè)矢量 和和 d 軸的夾角為軸的夾角為 。已知。已知 、 ， 求解求解 ， ，就是直角坐標(biāo)，就是直角坐標(biāo)極坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)稱極坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)稱 K/P 變換。其變換。其 變換式為變換式為 4直角坐標(biāo)直角坐標(biāo)極坐標(biāo)變換極坐標(biāo)變換 22 1

9、dq iii 1 arctan q d i i 1 i 1 d i q i 1 i 1 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 11 11 sin tan 21 cos q d i ii 1 1 2arctan q d i ii 當(dāng)當(dāng) 在在 之間變化時(shí)，之間變化時(shí)，tan( )的變化范圍是的變化范圍是0， 這個(gè)變化幅度太大，在數(shù)字變換器中很容易溢出，因此常改這個(gè)變化幅度太大，在數(shù)字變換器中很容易溢出，因此常改 用下列方式來(lái)表示值用下列方式來(lái)表示值 上式可用來(lái)作為上式可用來(lái)作為 的變換式。的變換式。 1 1 1 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 0 90 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制

10、技術(shù) 圖圖10.6 異步電動(dòng)機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系異步電動(dòng)機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq上的物理模型上的物理模型 垂直的兩相繞組之間垂直的兩相繞組之間 沒(méi)有磁路上的耦合沒(méi)有磁路上的耦合 二二 三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 11 12 11 12 212 2 212 2 ddmd qqmq dmdd qmqq LiL i LiL i L iL i L iL i (10.1) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 1異步電動(dòng)機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)在兩相旋轉(zhuǎn)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。不失一兩相坐標(biāo)系可以是靜止的

11、，也可以是旋轉(zhuǎn)的。不失一 般性，考慮任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系般性，考慮任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系(d-q坐標(biāo)系坐標(biāo)系)。 (1) 磁鏈方程磁鏈方程 矩陣形式為：矩陣形式為： 111 111 222 222 00 00 00 00 ddm qqm ddm qqm iLL iLL iLL iLL 式中，式中， 為為 d-q 坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同一軸線繞組間的互感；坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同一軸線繞組間的互感； 為為 d-q 坐標(biāo)系定子繞組的自感；坐標(biāo)系定子繞組的自感； 為為 d-q 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子繞組的自感。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子繞組的自感。 (10.2) m L 1 L 2 L 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 11 111

12、1 11 1111 22 2222 22 2222 ddddqq qqqdqd ddddqq qqqdqd uRip uRip uR ip uR ip (10.3) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) (2)電壓方程電壓方程 d-q 坐標(biāo)系上的電壓平衡方程式如下坐標(biāo)系上的電壓平衡方程式如下 1111111 1111111 2222222 2222222 ddqmdqmd qdqdqmmq dmdqmdqd qdqmmdqq uRL pLL pLi uLRL pLL pi uL pLRL pLi uLL pLRL pi (10.4) 將上式展開(kāi)，可得將上式展開(kāi)，可得 111 11 1 111

13、 11 1 22 2222 22 2222 00000000 00000000 00000000 00000000 ddd dqm qqq dqm dqm ddd dqm qqq uii L pL pR uii L pL pR L pL pRuii L pL pRuii 1 1 2 2 d q d q (10.5) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) (3)轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)矩方程 式中，式中， 為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。 (4)運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程 運(yùn)動(dòng)方程與坐標(biāo)變換無(wú)關(guān)。運(yùn)動(dòng)方程與坐標(biāo)變換無(wú)關(guān)。 L n J d TT pdt 其中其中, 為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。為電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度。 1212 ()

14、nmqddq Tp Li ii i n p 12dqdq (10.7) (10.6) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 2異步電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)在兩相靜止坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 當(dāng)當(dāng) d-q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速等于零時(shí)，就得到了在靜止坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速等于零時(shí)，就得到了在靜止坐標(biāo) 系上的數(shù)學(xué)模型。當(dāng)系上的數(shù)學(xué)模型。當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，即轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)子角轉(zhuǎn)速 的負(fù)值。將式的負(fù)值。將式(10.4)的下標(biāo)的下標(biāo) d 、q 改為改為 、 ，則電壓矩陣方，則電壓矩陣方 程為程為 11 11 11 11 22222 22222 00 00 m m mm mm ui RL pL p

15、ui RL pL p L pLRL pLui LL pLRL pui (10.8) 1 0 dq 2dq 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 將式將式(10.2)的下標(biāo)的下標(biāo) d 、q 改為改為 、 ，則磁鏈方程為，則磁鏈方程為 1 11 1 11 22 2 22 2 00 00 00 00 m m m m i LL i LL LLi LLi 利用兩相旋轉(zhuǎn)變換陣可得利用兩相旋轉(zhuǎn)變換陣可得 111 111 222 222 cossin sincos cossin sincos d q d q iii iii iii iii (10.9) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 代入式代入式(

16、10.6)即得到坐標(biāo)上的電磁轉(zhuǎn)矩即得到坐標(biāo)上的電磁轉(zhuǎn)矩 1212 () nm Tp Li ii i 式式(10.7) (10.10)就構(gòu)成了坐標(biāo)系上的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。就構(gòu)成了坐標(biāo)系上的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型。 (10.10) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 3異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型異步電動(dòng)機(jī)在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型 坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)速度坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)速度 等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步角轉(zhuǎn)速等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步角轉(zhuǎn)速 ，d-q 軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速為軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子的角轉(zhuǎn)速為 即轉(zhuǎn)差。即轉(zhuǎn)差。 代入式代入式(10.4)，即得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的電壓方程，即得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的

17、電壓方程 1dq 1 212dqs 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 11 11111 11 11111 22222 22222 dd mm qq mm msmsdd smmsqq ui RL pLL pL ui LRL pLL p L pLRL pLui LL pLRL pui (10.11) 磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程均不變。磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程均不變。 對(duì)于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，有對(duì)于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，有 ， 。 由于鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組是短路的，則由于鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組是短路的，則 。 則電壓方程為則電壓方程為 11 1111 11 1111 2 2212 2 2212 0() 0()

18、dddq qqqd ddq qqd uRip uRip R ip R ip (10.12) 11dq 21dqs 22 0 dq uu 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 三三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程三三相異步電動(dòng)機(jī)在兩相坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程 由式由式(10.1)可得可得 代入轉(zhuǎn)矩公式代入轉(zhuǎn)矩公式(10.6)，得，得 221 2 1 () ddmd iL i L 221 2 1 () qqmq iL i L 1212 2 () nm qddq p L Tii L (10.13) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 將式將式(10.1)(10.1)代入式代入式(10.12)(1

19、0.12)，消去，消去 、 、 、 ， 再將式再將式(10.13)(10.13)代入運(yùn)動(dòng)方程式，整理后可得狀態(tài)方程代入運(yùn)動(dòng)方程式，整理后可得狀態(tài)方程 2d i 2q i 1d 1q (10.14) 2 1212 2 () nmn qddqL p Lpd iiT dtJLJ 2 2121 22 1 () dm dqd dL i dtTT (10.15) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 2 2121 22 1 () q m qdq d L i dtTT 22 11221 2211 1 2 12212121 dmmmd dqdq diLLR LR Lu ii dtL L TL LL LL 2

20、2 11 122 2211 1 2 12212121 qq mmm qdqd diu LLR LR L ii dtL L TL LL LL (10.16) (10.17) (10.18) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)，為轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)， 。 式中，式中， 為漏磁系數(shù)，為漏磁系數(shù)， ； 2 T 2 2 2 L T R 2 12 1 m L L L 在式在式(10.14) (10.18)的狀態(tài)方程中，狀態(tài)變量為的狀態(tài)方程中，狀態(tài)變量為 2211 T dqdq iiX 輸入變量為輸入變量為 111 T dqL uuTU 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 1矢量控

21、制系統(tǒng)的基本思路矢量控制系統(tǒng)的基本思路 四基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)四基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng) 由前面的分析可知，在產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的前提下，由前面的分析可知，在產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的前提下， 三相靜止坐標(biāo)系下的三相對(duì)稱交流電三相靜止坐標(biāo)系下的三相對(duì)稱交流電 、 、 通過(guò)三相通過(guò)三相-兩相兩相 變換可以等效為兩相靜止坐標(biāo)系下的兩相對(duì)稱交流電變換可以等效為兩相靜止坐標(biāo)系下的兩相對(duì)稱交流電 和和 再通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流再通過(guò)同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流 電流電流 和和 。 C i A i B i ii d i q i 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制

22、技術(shù)矢量控制技術(shù) 如果觀察者站在鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到如果觀察者站在鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到 的便是直流電動(dòng)機(jī)。通過(guò)控制，可使交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁的便是直流電動(dòng)機(jī)。通過(guò)控制，可使交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁 鏈鏈 就是等效直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁鏈。如果把就是等效直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁鏈。如果把 d 軸選在軸選在 的方向，稱為的方向，稱為 M 軸，把軸，把 q 軸稱為軸稱為 T 軸，則軸，則 M 軸上的繞組軸上的繞組 相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，其勵(lì)磁電流為相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，其勵(lì)磁電流為 ；T 軸上軸上 的繞組相當(dāng)于電樞繞組，電樞電流為的繞組相當(dāng)于電樞繞組，電樞電流為 ，電磁轉(zhuǎn)矩與，電磁

23、轉(zhuǎn)矩與 成成 正比。正比。 2 t i m i 2 t i 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.7 異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖異步電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 3/2三相三相-兩相變換兩相變換 VR同步旋轉(zhuǎn)變換同步旋轉(zhuǎn)變換 M 軸與軸與 軸的夾角軸的夾角 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 既然異步電動(dòng)機(jī)可以等效為直流電動(dòng)機(jī)，那么，采用直既然異步電動(dòng)機(jī)可以等效為直流電動(dòng)機(jī)，那么，采用直 流電動(dòng)機(jī)的控制方法，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng)流電動(dòng)機(jī)的控制方法，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過(guò)相應(yīng) 的坐標(biāo)反變換，變換為異步電動(dòng)機(jī)的控制量，就可以控制異的坐標(biāo)反變換，變換為異步電動(dòng)機(jī)的控制量，

24、就可以控制異 步電動(dòng)機(jī)。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流空間矢量，所以這種步電動(dòng)機(jī)。由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流空間矢量，所以這種 通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)稱為通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)稱為矢量控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)(Vector Control System)，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱VC系統(tǒng)系統(tǒng)。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.8 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.9 等效的直流調(diào)速系統(tǒng)等效的直流調(diào)速系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 2. 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用 在

25、進(jìn)行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時(shí)，取在進(jìn)行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時(shí)，取 d 軸沿著轉(zhuǎn)子總磁軸沿著轉(zhuǎn)子總磁 鏈?zhǔn)噶挎準(zhǔn)噶?的方向，稱為的方向，稱為 M 軸；軸；q 軸為逆時(shí)針轉(zhuǎn)軸為逆時(shí)針轉(zhuǎn)90，即垂，即垂 直于矢量直于矢量 的方向，稱為的方向，稱為 T 軸。這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸。這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo) 系稱為系稱為 M-T 坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的旋轉(zhuǎn)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)，有當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)，有 2 2 222dm 22 0 qt 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 代入轉(zhuǎn)矩方程代入轉(zhuǎn)矩方程(10.13)和狀態(tài)

26、方程和狀態(tài)方程(10.14) (10.18)中，并用中，并用 m，t 替代替代 d 、q ，可得，可得 12 2 nm t p L Ti L 2 12 2 nmn tL p Lpd iT dtJLJ 2 21 22 1 m m Ld i dtTT 121 2 0() m t L i T (10.19) (10.20) (10.21) (10.22) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 22 11221 211 1 2 122121 mmmm mt diLR LR Lu ii dtL L TL LL 22 11221 211 1 2 12121 tmmt tm diLR LR Lu ii d

27、tL LL LL 由于由于 ，式，式(10.22)蛻化為代數(shù)方程，將它整理后蛻化為代數(shù)方程，將它整理后 可得轉(zhuǎn)差公式可得轉(zhuǎn)差公式 1 1 22 mt s L i T (10.23) (10.24) (10.25) 2t d 0 dt 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 這使?fàn)顟B(tài)方程又降低了一階。由式這使?fàn)顟B(tài)方程又降低了一階。由式(10.21)可得可得 2221mm T pL i 21 2 1 m m L i T p 2 12 1 m m T p i L 則則 或或 (10.26) (10.27) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.10 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型異

28、步電動(dòng)機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型 式式(10.26)或式或式(10.27)、式、式(10. 7)、式、式(10.25)和式和式(10.19)構(gòu)構(gòu) 成矢量控制基本方程式，按照這組基本方程式可將異步電動(dòng)成矢量控制基本方程式，按照這組基本方程式可將異步電動(dòng) 機(jī)的數(shù)學(xué)模型畫(huà)成圖機(jī)的數(shù)學(xué)模型畫(huà)成圖10.10的形式。的形式。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 兩個(gè)子系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng) 并未解耦并未解耦 圖圖10.11 帶除法環(huán)節(jié)的解耦矢量控制系統(tǒng)帶除法環(huán)節(jié)的解耦矢量控制系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 按照?qǐng)D按照?qǐng)D10.8的矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖，設(shè)置磁鏈調(diào)節(jié)器的矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖，設(shè)

29、置磁鏈調(diào)節(jié)器 和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 分別控制分別控制 和和 ，如圖，如圖10.11所示。所示。A RASR 2 圖圖10.12 兩個(gè)等效的線性子系統(tǒng)兩個(gè)等效的線性子系統(tǒng) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 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)，如圖子系統(tǒng)，如圖10.12中的磁鏈模型。中的磁鏈模型。 3. 轉(zhuǎn)子磁鏈模型轉(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)，關(guān)鍵是要要實(shí)現(xiàn)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，關(guān)鍵是要 獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信號(hào)，以供磁鏈反饋及除法環(huán)節(jié)的需要。獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信號(hào)，以供磁鏈反饋及除法環(huán)節(jié)的需要。 但直

30、接準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈非常困難，常采用間接計(jì)算但直接準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁鏈非常困難，常采用間接計(jì)算 的方法，即利用易于檢測(cè)的一些物理量，如電壓、電流的方法，即利用易于檢測(cè)的一些物理量，如電壓、電流 或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)對(duì)磁鏈進(jìn)行計(jì)或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)對(duì)磁鏈進(jìn)行計(jì) 算。由于主要實(shí)測(cè)信號(hào)的不同，分為算。由于主要實(shí)測(cè)信號(hào)的不同，分為電流模型電流模型和和電壓模電壓模 型型兩種。兩種。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) （1）轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型）轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 根據(jù)磁鏈方程來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈，所得出的模型稱為電根據(jù)磁鏈方程來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈，所得出的模型稱為電 流模型。電流模

31、型可以在不同的坐標(biāo)系上獲得，下面推導(dǎo)流模型。電流模型可以在不同的坐標(biāo)系上獲得，下面推導(dǎo) 在兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。在兩相靜止坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型。 由實(shí)測(cè)的三相定子電流通過(guò)由實(shí)測(cè)的三相定子電流通過(guò)3/2變換得到兩相靜止坐標(biāo)變換得到兩相靜止坐標(biāo) 系下的電流系下的電流 和和 ，再根據(jù)式，再根據(jù)式(10.9)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在 軸上的分量為軸上的分量為 1 i 1 i 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 212 2m L iL i 212 2m L iL i 221 2 1 () m iL i L 221 2 1 () m iL i L 則則 (10.31) (10.

32、30) (10.29) (10.28) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 在式在式(10.8)的第的第3、4行中令行中令 ，得，得 22 0uu 12212 22 2 ()0 mm L piL piL iL iR i 12212 22 2 ()0 mm L piL piL iL iR i 將式將式(10.30)式式(10.31)代入上式，得代入上式，得 2122 2 1 () 1 m L iT T p 2122 2 1 () 1 m L iT T p (10.32) (10.33) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 按式按式(10.32)和式和式(10.33)構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈分量的計(jì)算

33、框圖如構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈分量的計(jì)算框圖如 圖圖10.13所示。有了所示。有了 和和 ，要計(jì)算的幅值和相位就很容，要計(jì)算的幅值和相位就很容 易了。易了。 圖圖10.13兩相靜止坐標(biāo)系上轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型兩相靜止坐標(biāo)系上轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 2 2 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.13所示的模型適合于模擬控制，用運(yùn)算放大器和所示的模型適合于模擬控制，用運(yùn)算放大器和 乘法器就可以實(shí)現(xiàn)。采用微機(jī)數(shù)字控制時(shí)，由于乘法器就可以實(shí)現(xiàn)。采用微機(jī)數(shù)字控制時(shí)，由于 與與 之間有交叉反饋關(guān)系，離散計(jì)算時(shí)有可能不收斂。不如采之間有交叉反饋關(guān)系，離散計(jì)算時(shí)有可能不收斂。不如采 用下述第二種模型。用下述第二種模

34、型。 下面是在下面是在按磁場(chǎng)定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上轉(zhuǎn)子磁鏈的電流按磁場(chǎng)定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上轉(zhuǎn)子磁鏈的電流 模型模型。 2 2 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.14 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系磁鏈的電流模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系磁鏈的電流模型 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 和第一種模型相比，這種模型更適合于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)和第一種模型相比，這種模型更適合于計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì) 算，比較準(zhǔn)確，易收斂。算，比較準(zhǔn)確，易收斂。 上述兩種計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型都需要實(shí)測(cè)的電流上述兩種計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型都需要實(shí)測(cè)的電流 和轉(zhuǎn)速信號(hào)，不論轉(zhuǎn)速高低都能適用，但都易受電動(dòng)機(jī)參和轉(zhuǎn)速信號(hào)

35、，不論轉(zhuǎn)速高低都能適用，但都易受電動(dòng)機(jī)參 數(shù)變化的影響。數(shù)變化的影響。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) （2）轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型）轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁鏈變化率的關(guān)系，取根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁鏈變化率的關(guān)系，取 電動(dòng)勢(shì)的積分就可以得到磁鏈，這樣的模型稱為電壓模型。電動(dòng)勢(shì)的積分就可以得到磁鏈，這樣的模型稱為電壓模型。 在靜止兩相坐標(biāo)，由式在靜止兩相坐標(biāo)，由式(10.8)可得可得 12 11 11m didi uRiLL dtdt 12 11 11m didi uRiLL dtdt 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 再用式再用式(10.30)和式和

36、式(10.31)把和代入，整理后得把和代入，整理后得 2 21 11 11 22 () mm L dLdi uRiL LdtLdt 2 21 11 11 22 () mm ddi LL uRiL LdtLdt 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 2 211 11 1 () m L uRidtLi L 2 211 11 1 () m L uRidtLi L (10.35) (10.34) 將漏磁系數(shù)將漏磁系數(shù) 代入式中，并對(duì)等式兩邊積分，代入式中，并對(duì)等式兩邊積分， 即得轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型即得轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 2 12 1 m L L L 按式按式(10.34)、式、式(10.35)構(gòu)成轉(zhuǎn)

37、子磁鏈的電壓模型如圖構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型如圖10.15所示。所示。 圖圖10.15轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 與電流模型相比，電壓模型受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響與電流模型相比，電壓模型受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響 較小，而且算法簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。但是，由于電壓模型包較小，而且算法簡(jiǎn)單，便于應(yīng)用。但是，由于電壓模型包 含積分項(xiàng)，積分的初始值和累積誤差都影響計(jì)算結(jié)果，在含積分項(xiàng)，積分的初始值和累積誤差都影響計(jì)算結(jié)果，在 低速時(shí)，定子電阻壓降變化的影響也較大。低速時(shí)，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，而電流模型則適應(yīng)電壓模型更適合于

38、中、高速范圍，而電流模型則適應(yīng) 低速。有時(shí)為了提高準(zhǔn)確度，把兩種模型結(jié)合起來(lái)，在低低速。有時(shí)為了提高準(zhǔn)確度，把兩種模型結(jié)合起來(lái)，在低 速時(shí)采用電流模型，在中、高速時(shí)采用電壓模型。速時(shí)采用電流模型，在中、高速時(shí)采用電壓模型。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 4轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng) 圖圖10.11中中的的電流控制變頻器可以采用電流滯環(huán)跟蹤控電流控制變頻器可以采用電流滯環(huán)跟蹤控 制制 PWM 變頻器，如圖變頻器，如圖10.16所示；也可采用帶電流內(nèi)環(huán)控所示；也可采用帶電流內(nèi)環(huán)控 制的電壓源型制的電壓源型 PWM 變頻器，如圖變頻器，如圖10.17所

39、示。轉(zhuǎn)速和磁鏈所示。轉(zhuǎn)速和磁鏈 閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱直接矢量控制系統(tǒng)直接矢量控制系統(tǒng)。 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.16 電流滯環(huán)跟蹤控制電流滯環(huán)跟蹤控制PWM變頻器變頻器 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 圖圖10.17 帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型 PWM 變頻器變頻器 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 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)，如圖法是在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)增設(shè)轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，如

40、圖10.18所示。轉(zhuǎn)矩所示。轉(zhuǎn)矩 內(nèi)環(huán)之所以有助于解耦，是因?yàn)榇沛湆?duì)控制對(duì)象的影響相內(nèi)環(huán)之所以有助于解耦，是因?yàn)榇沛湆?duì)控制對(duì)象的影響相 當(dāng)于一種擾動(dòng)作用，轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)可以抑制這個(gè)擾動(dòng)，從而改當(dāng)于一種擾動(dòng)作用，轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)可以抑制這個(gè)擾動(dòng)，從而改 進(jìn)了轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。進(jìn)了轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)，使它少受磁鏈變化的影響。 圖圖10.18 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng) ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 AR磁鏈調(diào)節(jié)器磁鏈調(diào)節(jié)器 ATR轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 FBS測(cè)速反饋環(huán)節(jié)測(cè)速反饋環(huán)節(jié) 第一節(jié)第一節(jié) 矢量控制技術(shù)矢量控制技術(shù) 一電機(jī)數(shù)學(xué)模型一電機(jī)數(shù)學(xué)模型 第

41、二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 圖圖10.19為正弦波電機(jī)的等效電路為正弦波電機(jī)的等效電路 圖圖10.19 等效電路等效電路 1 u 1 i 2 u f I 為定子電壓；為定子電壓； 為定子電流；為定子電流； 為轉(zhuǎn)子等效電壓；為轉(zhuǎn)子等效電壓； 為轉(zhuǎn)子等效電流。為轉(zhuǎn)子等效電流。 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 參考坐標(biāo)系位于定子繞組，且正交，即參考坐標(biāo)系位于定子繞組，且正交，即 坐標(biāo)系，坐標(biāo)系， 電機(jī)的電壓方程為電機(jī)的電壓方程為 11 111 11 () ff uRij L ij L iI 21 () ff uj L iI (10.36) (10.37) 轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈 磁鏈方程

42、：磁鏈方程： 1111 () fff LL iL I 21 () ff L iI 其中，其中， 定子磁鏈定子磁鏈 1 2 (10.38) (10.39) 電壓方程和磁鏈方程也可寫(xiě)成矩陣形式：電壓方程和磁鏈方程也可寫(xiě)成矩陣形式： 1111 1 2 () ff fff RjLLj Liu j Lj LIu 111 1 2 ff fff LLLi LLI 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為： 1111 ()Tpii (10.40) (10.41) (10.42) 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 由（由（10.38）式：）式： 11 11 11 11 11 1111 11 1 () 1 () 1

43、ff f fff f ffff ff iL I LL jLIjI LL j L IL I LLLL iji 可得：可得： 11 11 1 ff f iL I LL (10.43) 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 代入（代入（10.42）式）式 1111 1111 11 11 1 11 11 ()() () () ffff ff f ff f f f f TpL IL I LLLL L pII LL L p I LL (10.45) 11 11 1 ff f iL I LL (10.44) 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 也可寫(xiě)成如下形式：也可寫(xiě)成如下形式： (10.46) 1

44、11 sin f f f L p TI LL 由上式可知，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變化取決于定子磁鏈、轉(zhuǎn)由上式可知，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變化取決于定子磁鏈、轉(zhuǎn) 子等效勵(lì)磁電流及它們之間的夾角子等效勵(lì)磁電流及它們之間的夾角 ，由于電機(jī)為永磁式，由于電機(jī)為永磁式， 故等效勵(lì)磁電流恒定，為充分利用電機(jī)，應(yīng)保持定子磁鏈幅故等效勵(lì)磁電流恒定，為充分利用電機(jī)，應(yīng)保持定子磁鏈幅 值為額定值，因此對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制可通過(guò)調(diào)節(jié)值為額定值，因此對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制可通過(guò)調(diào)節(jié) 來(lái)實(shí)來(lái)實(shí) 現(xiàn)?，F(xiàn)。 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 二空間電壓矢量法二空間電壓矢量法 三相正弦波無(wú)刷電機(jī)采用三相正弦波無(wú)刷電機(jī)采用 DC/AC 三

45、相橋式逆變器驅(qū)三相橋式逆變器驅(qū) 動(dòng)時(shí)，其功率電路拓?fù)淙鐖D動(dòng)時(shí)，其功率電路拓?fù)淙鐖D10.20所示。所示。 圖圖10.20 三相橋式逆變器三相橋式逆變器 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 設(shè)每一橋臂工作模式代表一位二進(jìn)制數(shù)，且上管導(dǎo)通設(shè)每一橋臂工作模式代表一位二進(jìn)制數(shù)，且上管導(dǎo)通 記作記作“1”，下管導(dǎo)通記作，下管導(dǎo)通記作“0”，則三相橋式逆變器工作模，則三相橋式逆變器工作模 式可用三位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，其八種工作模態(tài)分別是：式可用三位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，其八種工作模態(tài)分別是： 000001010011100101110111。 000和和111分別是三個(gè)橋臂下管全通和三個(gè)橋臂上管全分別是三個(gè)橋臂

46、下管全通和三個(gè)橋臂上管全 通，這兩種模態(tài)均使電機(jī)三相繞組短接于一點(diǎn)，相當(dāng)于繞通，這兩種模態(tài)均使電機(jī)三相繞組短接于一點(diǎn)，相當(dāng)于繞 組上電壓為組上電壓為 0，故稱零電壓模態(tài)。其余六個(gè)模態(tài)，都會(huì)使，故稱零電壓模態(tài)。其余六個(gè)模態(tài)，都會(huì)使 電機(jī)繞組上得到電壓，為有效工作模態(tài)。電機(jī)繞組上得到電壓，為有效工作模態(tài)。 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 圖圖10.21 001和和010兩模態(tài)工作圖兩模態(tài)工作圖 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 0“ ” 2 3 d U 、 、 導(dǎo)通導(dǎo)通 4 T 6 T 5 T 、 、 導(dǎo)通導(dǎo)通 4 T 3 T 2 T 1 3 d U 0“ ” 1 3 d U 2 3

47、 d U 圖圖10.22 001和和010兩模態(tài)合成電壓矢量圖兩模態(tài)合成電壓矢量圖 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 依此類推，就可得到其余模態(tài)電壓矢量，畫(huà)在一起就得三依此類推，就可得到其余模態(tài)電壓矢量，畫(huà)在一起就得三 相橋式逆變器全部六個(gè)有效電壓矢量，如圖相橋式逆變器全部六個(gè)有效電壓矢量，如圖10.23（a）所示。）所示。 圖圖10.23 有效電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶繄D有效電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶繄D 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 圖圖10.23（a）中，電壓矢量的空間位置分別與三相定）中，電壓矢量的空間位置分別與三相定 子繞組的軸線重合，各矢量模相等，即子繞組的軸線重合，各矢量模相等，即

48、 ，同一軸，同一軸 上的兩個(gè)矢量方向相反，這六個(gè)空間電壓矢量常稱為六步上的兩個(gè)矢量方向相反，這六個(gè)空間電壓矢量常稱為六步 運(yùn)行方式。設(shè)一個(gè)周期為運(yùn)行方式。設(shè)一個(gè)周期為 T ，則在輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)，則在輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)， 每個(gè)電壓矢量作用時(shí)間為每個(gè)電壓矢量作用時(shí)間為 T/6。 根據(jù)以上六個(gè)基本矢量形成的導(dǎo)通關(guān)系，可以得到電根據(jù)以上六個(gè)基本矢量形成的導(dǎo)通關(guān)系，可以得到電 機(jī)三相繞組相電壓波形和線電壓波形如圖機(jī)三相繞組相電壓波形和線電壓波形如圖10.24所示。所示。 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 d UU 圖圖10.24 六步運(yùn)行時(shí)逆變器輸出到電機(jī)上相電壓與線電壓波形圖六步運(yùn)行時(shí)逆變器

49、輸出到電機(jī)上相電壓與線電壓波形圖 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 三相對(duì)三相對(duì) 稱方波稱方波 三相對(duì)稱三相對(duì)稱 階梯波階梯波 從圖從圖10.23(a)可知，三相橋式逆變器只能獲得六個(gè)有效可知，三相橋式逆變器只能獲得六個(gè)有效 電壓矢量，其磁鏈軌跡為正六邊形，與圓形磁鏈軌跡相去電壓矢量，其磁鏈軌跡為正六邊形，與圓形磁鏈軌跡相去 甚遠(yuǎn)。甚遠(yuǎn)。 同時(shí)從圖同時(shí)從圖10.24也知，電機(jī)供電的相電壓波形為六級(jí)階也知，電機(jī)供電的相電壓波形為六級(jí)階 梯波，也與正弦波相差較大，其中含有大量諧波。梯波，也與正弦波相差較大，其中含有大量諧波。 因此必須對(duì)三相橋式逆變器控制方法進(jìn)行改造，方可因此必須對(duì)三相橋式逆

50、變器控制方法進(jìn)行改造，方可 得到優(yōu)良的調(diào)速性能。得到優(yōu)良的調(diào)速性能。 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 由式（由式（10.36）及（）及（10.38） 經(jīng)變換可得：經(jīng)變換可得： 11 1111 1 11 () fff uRijLL iL I Ri 1111 ( )( )( )tu ti t R dt （10.47） （10.48） 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 忽略定子電阻壓降，那么：忽略定子電阻壓降，那么： 11 ( )( )tu t dt 在在 時(shí)間內(nèi)，時(shí)間內(nèi)，U 為恒矢量，則為恒矢量，則 ， 可見(jiàn)，磁鏈也是一組空間矢量，其方向與所作用的電壓可見(jiàn)，磁鏈也是一組空間矢量，其方

51、向與所作用的電壓 空間矢量相同，模為空間矢量相同，模為 。 6tT Ut d Ut （10.49） 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 由此可知：由此可知： v 第一，定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向平行于電壓空間第一，定子磁鏈空間矢量頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向平行于電壓空間 矢量的方向（前提是定子電阻壓降相對(duì)于定子電壓可以忽矢量的方向（前提是定子電阻壓降相對(duì)于定子電壓可以忽 略）；略）； v 第二，六個(gè)電壓空間矢量順序出現(xiàn)，定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡第二，六個(gè)電壓空間矢量順序出現(xiàn)，定子磁鏈的運(yùn)動(dòng)軌跡 也將依次沿著六邊形的邊運(yùn)動(dòng)，形成正六邊形磁鏈；也將依次沿著六邊形的邊運(yùn)動(dòng)，形成正六邊形磁鏈； v 第三，正六邊

52、形的六條邊代表著磁鏈空間矢量第三，正六邊形的六條邊代表著磁鏈空間矢量 一個(gè)一個(gè) 周期的運(yùn)行軌跡。周期的運(yùn)行軌跡。 1( ) t 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 一個(gè)周期內(nèi)六個(gè)基本磁鏈構(gòu)成正六邊形，如圖一個(gè)周期內(nèi)六個(gè)基本磁鏈構(gòu)成正六邊形，如圖 10.23（b）所示。這就是三相橋式逆變器作六步運(yùn)行時(shí)所示。這就是三相橋式逆變器作六步運(yùn)行時(shí) 的磁鏈軌跡。的磁鏈軌跡。 直接利用逆變器的六種工作開(kāi)關(guān)狀態(tài)，得到六邊形直接利用逆變器的六種工作開(kāi)關(guān)狀態(tài)，得到六邊形 的磁鏈軌跡以控制電動(dòng)機(jī)，是直接轉(zhuǎn)矩法控制電機(jī)的基的磁鏈軌跡以控制電動(dòng)機(jī)，是直接轉(zhuǎn)矩法控制電機(jī)的基 本思想本思想 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直

53、接轉(zhuǎn)矩控制 返回返回 圖圖10.23 有效電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶繄D有效電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶繄D 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。 在直接轉(zhuǎn)矩控制中，基本控制方法就是通過(guò)電壓空間矢在直接轉(zhuǎn)矩控制中，基本控制方法就是通過(guò)電壓空間矢 量量 來(lái)調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，使定子磁鏈走走停停，來(lái)調(diào)節(jié)定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，使定子磁鏈走走停停， 以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變磁通角以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度，從而改變磁通角 的大的大 小，以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。小，以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。 由式（由式（10.46） 可知，可通過(guò)改可知，可通過(guò)改 變磁通角變磁通角 （定子磁

54、鏈與轉(zhuǎn)子等效勵(lì)磁電流之間的夾角）來(lái)（定子磁鏈與轉(zhuǎn)子等效勵(lì)磁電流之間的夾角）來(lái) 三電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)三電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié) 1( ) u t 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 1 11 sin f f f L p TI LL 若若 時(shí)段，定子電壓空間矢量為時(shí)段，定子電壓空間矢量為 （110），則定），則定 子磁鏈空間矢量子磁鏈空間矢量 的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖10.25所示。所示。 12 tt 圖圖10.25 定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡定子磁鏈空間矢量的運(yùn)動(dòng)軌跡 1( ) u t 1 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 定子磁鏈定子磁鏈 空間矢量空間矢量 轉(zhuǎn)子磁鏈空間轉(zhuǎn)子磁鏈空間 矢量位

55、置矢量位置 1轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器采用施密特觸發(fā)器，其容差轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器采用施密特觸發(fā)器，其容差 可調(diào)，可調(diào)， 結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖10.26所示。其中所示。其中 和和 分別為轉(zhuǎn)矩給定值和反分別為轉(zhuǎn)矩給定值和反 饋值，饋值，KT 為調(diào)節(jié)器輸出的兩狀態(tài)轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)信號(hào)。為調(diào)節(jié)器輸出的兩狀態(tài)轉(zhuǎn)矩開(kāi)關(guān)信號(hào)。 T G T F T 圖圖10.26 兩點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器兩點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 圖圖10.27 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)過(guò)程轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)過(guò)程 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 2逆變器頻率逆變器頻率 根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式和磁鏈變化容差，可得轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式和磁鏈變化容差

56、，可得轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)頻率 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，脈動(dòng)頻率達(dá)到最大值：時(shí)，脈動(dòng)頻率達(dá)到最大值： )( 2 1 1 2 T n f 1 1 8 nm T f （10.50） 1 2 1 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 該脈動(dòng)頻率決定了逆變器開(kāi)關(guān)頻率。該脈動(dòng)頻率決定了逆變器開(kāi)關(guān)頻率。 3正正/反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié) 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的快速性，采用正為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的快速性，采用正/反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器以控反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器以控 制定子磁鏈的正制定子磁鏈的正/反向旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器相同。反向旋轉(zhuǎn)。其結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器相同。 完整的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器是由兩點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和正完整的轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器是由兩點(diǎn)式轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器和正/反轉(zhuǎn)調(diào)反轉(zhuǎn)調(diào) 節(jié)器構(gòu)成，

57、如圖節(jié)器構(gòu)成，如圖10.28所示。需要加速調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)，正所示。需要加速調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)，正/反反 轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器才參加調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器才參加調(diào)節(jié)。 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 圖圖10.28 轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 磁鏈自控制的目的是，在電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，識(shí)別磁磁鏈自控制的目的是，在電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，識(shí)別磁 鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的區(qū)段，給出正確的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)鏈運(yùn)動(dòng)軌跡的區(qū)段，給出正確的磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng) 的電壓空間矢量，控制磁鏈按六邊形運(yùn)動(dòng)軌跡旋轉(zhuǎn)。的電壓空間矢量，控制磁鏈按六邊形運(yùn)動(dòng)軌跡旋轉(zhuǎn)。 四磁鏈自控制四磁鏈自控制 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)

58、矩控制 分析定子旋轉(zhuǎn)磁鏈空間矢量在分析定子旋轉(zhuǎn)磁鏈空間矢量在 三相坐標(biāo)系三相坐標(biāo)系 、 、 （如圖（如圖10.29所示）軸上投影，可得到三個(gè)相差所示）軸上投影，可得到三個(gè)相差120相位相位 的梯形波，如圖的梯形波，如圖10.30（a）所示。）所示。 a b c 圖圖10.29 三相坐標(biāo)系三相坐標(biāo)系 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 圖圖10.30磁鏈及控制開(kāi)關(guān)信號(hào)磁鏈及控制開(kāi)關(guān)信號(hào) 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 采用三個(gè)施密特觸發(fā)器，其容差為采用三個(gè)施密特觸發(fā)器，其容差為 ， 為六邊為六邊 形中心到六條邊的垂直距離所代表的磁鏈值，也稱為給形中心到六條邊的垂直距離所代表的磁鏈值，

59、也稱為給 定值。將給定值定值。將給定值 分別與磁鏈分量分別與磁鏈分量 、 、 進(jìn)行進(jìn)行 比較，得到磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)比較，得到磁鏈開(kāi)關(guān)信號(hào) 、 和和 ，由前述磁，由前述磁 鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)可得到電壓開(kāi)關(guān)信號(hào)鏈開(kāi)關(guān)信號(hào)可得到電壓開(kāi)關(guān)信號(hào) 、 和和 ，其，其 相互關(guān)系為：相互關(guān)系為： G G G a b c a K b K c K a KU b KU c KU 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 由定子磁鏈在由定子磁鏈在 三相坐標(biāo)系投影得到三相坐標(biāo)系投影得到 分量，通過(guò)分量，通過(guò) 磁鏈給定比較器比較，得到電壓狀態(tài)信號(hào)，以控制逆變器磁鏈給定比較器比較，得到電壓狀態(tài)信號(hào)，以控制逆變器 輸出電壓，得到所需要的六

60、邊形磁鏈。稱為輸出電壓，得到所需要的六邊形磁鏈。稱為磁鏈自控制磁鏈自控制過(guò)過(guò) 程。程。 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 bc ab ca KUK KUK KUK 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本方法就是通過(guò)空間電壓矢量直接轉(zhuǎn)矩控制的基本方法就是通過(guò)空間電壓矢量 對(duì)定子磁鏈進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。因此，需要對(duì)磁對(duì)定子磁鏈進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制。因此，需要對(duì)磁 鏈進(jìn)行觀測(cè)。鏈進(jìn)行觀測(cè)。 根據(jù)式（根據(jù)式（10.48） 五磁鏈觀測(cè)模型五磁鏈觀測(cè)模型 1( ) u t 1111 ( )( )( )tu ti t R dt 第二節(jié)第二節(jié) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制 可以得到最簡(jiǎn)單的定子磁鏈模型，結(jié)構(gòu)圖如下：可