基于動(dòng)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)PPT課件

1、基于動(dòng)態(tài)模型的異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速l 矢量控制系統(tǒng)通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動(dòng)機(jī)模型，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)控制。l 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)矩偏差和定子磁鏈幅值偏差的符號(hào)，根據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢?，直接選取合適的定子電壓矢量，實(shí)施電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的控制。第1頁/共188頁內(nèi) 容 提 要 異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì) 異步電動(dòng)機(jī)三相數(shù)學(xué)模型 坐標(biāo)變換 異步電動(dòng)機(jī)在正交坐標(biāo)系上的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 異步電動(dòng)機(jī)在正交坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程第2頁/共188頁內(nèi) 容 提 要 異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng) 異步電動(dòng)機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)與矢量控制系統(tǒng)的比較第3

2、頁/共188頁6.1異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)l 電磁耦合是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的必要條件，電流與磁通的乘積產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速與磁通的乘積得到感應(yīng)電動(dòng)勢。l 無論是直流電動(dòng)機(jī)，還是交流電動(dòng)機(jī)均如此。l 交、直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的不同，其表達(dá)式差異很大。第4頁/共188頁6.1異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)l 他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組相互獨(dú)立，勵(lì)磁電流和電樞電流單獨(dú)可控，勵(lì)磁和電樞繞組各自產(chǎn)生的磁動(dòng)勢在空間無交叉耦合。l 氣隙磁通由勵(lì)磁繞組單獨(dú)產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩正比于磁通與電樞電流的乘積。l 保持勵(lì)磁電流恒定，只通過電樞電流來控制電磁轉(zhuǎn)矩。第5頁/共188頁6.1異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)l

3、 異步電動(dòng)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)。（1）異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)需要進(jìn)行電壓（或電流）和頻率的協(xié)調(diào)控制，有電壓（或電流）和頻率兩種獨(dú)立的輸入變量。在輸出變量中，除轉(zhuǎn)速外，磁通也是一個(gè)輸出變量。第6頁/共188頁6.1異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的性質(zhì)（2）異步電動(dòng)機(jī)無法單獨(dú)對磁通進(jìn)行控制，電流乘磁通產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速乘磁通產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，在數(shù)學(xué)模型中含有兩個(gè)變量的乘積項(xiàng)。（3）三相異步電動(dòng)機(jī)三相繞組存在交叉耦合，每個(gè)繞組都有各自的電磁慣性，再考慮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系等，動(dòng)態(tài)模型是一個(gè)高階系統(tǒng)。第7頁/共188頁6.2 異步電動(dòng)機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型l 作如下

4、的假設(shè)：（1）忽略空間諧波，三相繞組對稱，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢沿氣隙按正弦規(guī)律分布。（2）忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。（3）忽略鐵心損耗。（4）不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。第8頁/共188頁6.2 異步電動(dòng)機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型l 無論異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是繞線型還是籠型的，都可以等效成三相繞線轉(zhuǎn)子，并折算到定子側(cè)，折算后的定子和轉(zhuǎn)子繞組匝數(shù)相等。l 異步電動(dòng)機(jī)三相繞組可以是Y連接，也可以是連接。若三相繞組為連接，可先用Y變換，等效為Y連接。然后，按Y連接進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。第9頁/共188頁6.2 異步電動(dòng)機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型圖6-1 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型l定子三相繞組軸線A、B、C在

5、空間是固定的。l轉(zhuǎn)子繞組軸線a、b、c隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 第10頁/共188頁6.2.1 異步電動(dòng)機(jī)三相動(dòng)態(tài)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式l 異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型由磁鏈方程、電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程組成。l 磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程為代數(shù)方程l 電壓方程和運(yùn)動(dòng)方程為微分方程第11頁/共188頁磁鏈方程 l 異步電動(dòng)機(jī)每個(gè)繞組的磁鏈?zhǔn)撬旧淼淖愿写沛満推渌@組對它的互感磁鏈之和AAAABACAaAbAcABBABBBCBaBbBcBCCACBCCCaCbCcCaaAaBaCaaabacabbAbBbCbabbbcbccAcBcCcacbcccLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLLLLLiLLL

6、LLLi第12頁/共188頁自感l(wèi) 或?qū)懗蒐i l定子各相自感AABBCCmslsLLLLLl轉(zhuǎn)子各相自感aabbccmslrLLLLL第13頁/共188頁互感l(wèi) 繞組之間的互感又分為兩類定子三相彼此之間和轉(zhuǎn)子三相彼此之間位置都是固定的，故互感為常值；定子任一相與轉(zhuǎn)子任一相之間的相對位置是變化的，互感是角位移的函數(shù)。第14頁/共188頁定子三相間或轉(zhuǎn)子三相間互感l(wèi) 三相繞組軸線彼此在空間的相位差l互感 23221coscos()332msmsmsLLL 1212ABBCCABACBACmsabbccabacbacmsLLLLLLLLLLLLLL l定子三相間或轉(zhuǎn)子三相間互感第15頁/共188頁

7、定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感 l 由于相互間位置的變化可分別表示為l當(dāng)定、轉(zhuǎn)子兩相繞組軸線重合時(shí)，兩者之間的互感值最大 cos2cos()32cos()3AaaABbbBCccCmsAbbABccBCaaCmsAccABaaBCbbCmsLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLmsL第16頁/共188頁磁鏈方程l 磁鏈方程，用分塊矩陣表示 sssrssrsrrrr LLiLLiTCBAsTcbarTCBAsiiiiTcbariiii式中第17頁/共188頁電感矩陣l 定子電感矩陣lsmsmsmsmslsmsmsmsmslsmsssLLLLLLLLLLLL212121212121L1122112211

8、22mslrmsmsrrmsmslrmsmsmsmslrLLLLLLLLLLLLLl轉(zhuǎn)子電感矩陣第18頁/共188頁電感矩陣l 定、轉(zhuǎn)子互感矩陣l變參數(shù)、非線性、時(shí)變 22coscos()cos()3322cos()coscos()3322cos()cos()cos33TrssrmsLLL第19頁/共188頁電壓方程l 三相繞組電壓平衡方程 AAAsBBBsCCCsdui Rdtdui Rdtdui Rdtaaarbbbrcccrdui Rdtdui Rdtdui Rdt第20頁/共188頁電壓方程l 將電壓方程寫成矩陣形式 duRidtcbaCBAcbaCBArrrssscbaCBAdtdi

9、iiiiiRRRRRRuuuuuu000000000000000000000000000000第21頁/共188頁電壓方程l 把磁鏈方程代入電壓方程，展開 iLiLRiiLiLRiLiRiudddtddtddtddtd)(第22頁/共188頁電壓方程l 電流變化引起的脈變電動(dòng)勢，或稱變壓器電動(dòng)勢l定、轉(zhuǎn)子相對位置變化產(chǎn)生的與轉(zhuǎn)速成正比的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢 dtdiLiLdd第23頁/共188頁轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程 l 轉(zhuǎn)矩方程l運(yùn)動(dòng)方程 )120sin()()120sin()(sin)(bCaBcAaCcBbAcCbBaAmspeiiiiiiiiiiiiiiiiiiLnTLepTTdtdnJdtdl轉(zhuǎn)角

10、方程 第24頁/共188頁6.2.2 異步電動(dòng)機(jī)三相原始模型的性質(zhì)l 非線性強(qiáng)耦合性非線性耦合體現(xiàn)在電壓方程、磁鏈方程與轉(zhuǎn)矩方程。既存在定子和轉(zhuǎn)子間的耦合，也存在三相繞組間的交叉耦合。l 非線性變參數(shù)旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩中都包含變量之間的乘積，這是非線性的基本因素。定轉(zhuǎn)子間的相對運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其夾角 不斷變化，使得互感矩陣為非線性變參數(shù)矩陣。第25頁/共188頁異步電動(dòng)機(jī)三相原始模型的非獨(dú)立性l 異步電動(dòng)機(jī)三相繞組為Y無中線連接，若為連接，可等效為Y連接。l 可以證明：異步電動(dòng)機(jī)三相數(shù)學(xué)模型中存在一定的約束條件000ABCABCABCiiiuuu000abcabcabciiiuuu第26頁/共18

11、8頁異步電動(dòng)機(jī)三相原始模型的非獨(dú)立性l三相變量中只有兩相是獨(dú)立的，因此三相原始數(shù)學(xué)模型并不是物理對象最簡潔的描述。l完全可以而且也有必要用兩相模型代替。第27頁/共188頁6.3 坐標(biāo)變換l 異步電動(dòng)機(jī)三相原始動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)復(fù)雜，簡化的基本方法就是坐標(biāo)變換。l 異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型之所以復(fù)雜，關(guān)鍵是因?yàn)橛幸粋€(gè)復(fù)雜的電感矩陣和轉(zhuǎn)矩方程，它們體現(xiàn)了異步電動(dòng)機(jī)的電磁耦合和能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜關(guān)系。l 要簡化數(shù)學(xué)模型，須從電磁耦合關(guān)系入手。第28頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 兩極直流電動(dòng)機(jī)的物理模型，F(xiàn)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，A在轉(zhuǎn)子上。圖6-2 二極直流電動(dòng)

12、機(jī)的物理模型F勵(lì)磁繞組 A電樞繞組 C補(bǔ)償繞組第29頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 把F的軸線稱作直軸或d軸，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。l 雖然電樞本身是旋轉(zhuǎn)的，但由于換向器和電刷的作用，閉合的電樞繞組分成兩條支路。電刷兩側(cè)每條支路中導(dǎo)線的電流方向總是相同的。第30頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 當(dāng)電刷位于磁極的中性線上時(shí)，電樞磁動(dòng)勢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。l 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，這又和真正靜止的繞組不同。l 把這種等效的靜止繞組稱作“偽靜止繞組”。

13、第31頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 電樞磁動(dòng)勢的作用可以用補(bǔ)償繞組磁動(dòng)勢抵消，或者由于其作用方向與d軸垂直而對主磁通影響甚微。l 所以直流電動(dòng)機(jī)的主磁通基本上由勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流決定，這是直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。第32頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 如果能將交流電動(dòng)機(jī)的物理模型等效地變換成類似直流電動(dòng)機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡化。l 坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。l 不同坐標(biāo)系中電動(dòng)機(jī)模型等效的原則是：在不同坐標(biāo)下繞組所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢相等。第33頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 在交流電動(dòng)機(jī)三相對稱的靜止繞組

14、A、B、C中，通以三相平衡的正弦電流，所產(chǎn)生的合成磁動(dòng)勢是旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速（即電流的角頻率）順著A-B-C的相序旋轉(zhuǎn)。l 任意對稱的多相繞組，通入平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢，當(dāng)然以兩相最為簡單。第34頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 三相變量中只有兩相為獨(dú)立變量，完全可以也應(yīng)該消去一相。l 所以，三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對稱繞組等效代替，等效的原則是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢相等。第35頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 所謂獨(dú)立是指兩相繞組間無約束條件l 所謂對稱是指兩相繞組的匝數(shù)和阻值相等 l 所謂正交是指兩相繞組在空間互差 第36頁

15、/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路圖6-3 三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系物理模型 第37頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 兩相繞組，通以兩相平衡交流電流，也能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。l 當(dāng)三相繞組和兩相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時(shí)，即認(rèn)為兩相繞組與三相繞組等效，這就是3/2變換。第38頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 兩個(gè)匝數(shù)相等相互正交的繞組d、q，分別通以直流電流，產(chǎn)生合成磁動(dòng)勢F，其位置相對于繞組來說是固定的。l 如果人為地讓包含兩個(gè)繞組在內(nèi)的鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，磁動(dòng)勢F自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。l 如果旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢的大小和轉(zhuǎn)速與固定的交流繞組產(chǎn)生

16、的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢相等，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。第39頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路l 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，d和q是兩個(gè)通入直流而相互垂直的靜止繞組。l 如果控制磁通的空間位置在d軸上，就和直流電動(dòng)機(jī)物理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了。l 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。第40頁/共188頁6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路圖6-4 靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的物理模型第41頁/共188頁6.3.2 三相-兩相變換（3/2變換）l 三相繞組A、B、C和兩相繞組之間的變換，稱作三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系間的變換，

17、簡稱3/2變換。l ABC和兩個(gè)坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢矢量，將兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)重合，并使A軸和軸重合。第42頁/共188頁三相-兩相變換（3/2變換）l 按照磁動(dòng)勢相等的等效原則，三相合成磁動(dòng)勢與兩相合成磁動(dòng)勢相等，故兩套繞組磁動(dòng)勢在軸上的投影應(yīng)相等。 23333233311coscos()33223sinsin()332ABCABCBCBCN iN iN iN iN iiiN iN iN iN ii第43頁/共188頁三相-兩相變換（3/2變換）圖6-5 三相坐標(biāo)系和兩相正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢矢量233332333coscos3311()22sinsin333()2ABCABCBCBCN iN iN

18、iN iNiiiN iN iN iNii第44頁/共188頁三相-兩相變換（3/2變換）l 寫成矩陣形式 CBAiiiNNii232302121123l按照變換前后總功率不變，匝數(shù)比為 3223NN第45頁/共188頁三相-兩相變換（3/2變換）l 三相坐標(biāo)系變換到兩相正交坐標(biāo)系的變換矩陣 3/2111222333022C第46頁/共188頁三相-兩相變換（3/2變換）l 兩相正交坐標(biāo)系變換到三相坐標(biāo)系（簡稱2/3變換）的變換矩陣 2321232101323/2C第47頁/共188頁三相-兩相變換（3/2變換）l 考慮到 0CBAiiil也可以寫作 BAiiii221023iiiiBA2161

19、032l電壓變換陣和磁鏈變換陣與電流變換陣相同 第48頁/共188頁6.3.3 靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換） l從靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系dq的變換，稱作靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換，簡稱2s/2r變換，其中s表示靜止，r表示旋轉(zhuǎn)，變換的原則同樣是產(chǎn)生的磁動(dòng)勢相等。第49頁/共188頁靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換） 圖6-6 靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁動(dòng)勢矢量第50頁/共188頁靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換） l 旋轉(zhuǎn)正交變換iiCiiiirsqd2/2cossinsincosl靜止兩相正交坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換陣 2 /2cossins

20、incossrC第51頁/共188頁靜止兩相-旋轉(zhuǎn)正交變換（2s/2r變換） l 旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換陣 l電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣與電流旋轉(zhuǎn)變換陣相同 2 /2cossinsincosrsC第52頁/共188頁6.4 異步電動(dòng)機(jī)在正交坐標(biāo)系上的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l 首先推導(dǎo)靜止兩相正交坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，然后推廣到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系。l 由于運(yùn)動(dòng)方程不隨坐標(biāo)變換而變化，故僅討論電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程。l 在以下論述中，下標(biāo)s表示定子，下標(biāo)r表示轉(zhuǎn)子。第53頁/共188頁6.4.1 靜止兩相正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l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。l轉(zhuǎn)子繞

21、組是旋轉(zhuǎn)的，必須通過3/2變換和旋轉(zhuǎn)到靜止的變換，才能變換到靜止兩相正交坐標(biāo)系。第54頁/共188頁定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的3/2變換 l對靜止的定子三相繞組和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子三相繞組進(jìn)行相同的3/2變換，變換后的定子兩相正交坐標(biāo)系靜止，而轉(zhuǎn)子兩相正交坐標(biāo)系以角速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 第55頁/共188頁定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的3/2變換 圖6-7 定子、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換第56頁/共188頁定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的3/2變換 l 電壓方程rrssrrssrrssrrssdtdiiiiR0000R0000R0000Ruuuu第57頁/共188頁定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的3/2變換 l 磁鏈方程rrssrm

22、mrmmmmsmmsrrssiiiiLLLLLLLLLLLL0cossin0sincoscossin0sincos0l轉(zhuǎn)矩方程cos)(sin)(LnTmpersrsrsrsiiiiiiii第58頁/共188頁定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的3/2變換 l 3/2變換將按三相繞組等效為互相垂直的兩相繞組，消除了定子三相繞組、轉(zhuǎn)子三相繞組間的相互耦合。l 定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組間仍存在相對運(yùn)動(dòng)，因而定、轉(zhuǎn)子繞組互感陣仍是非線性的變參數(shù)陣。輸出轉(zhuǎn)矩仍是定、轉(zhuǎn)子電流及其定、轉(zhuǎn)子夾角的函數(shù)。第59頁/共188頁定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的3/2變換 l與三相原始模型相比，3/2變換減少了狀態(tài)變量的維數(shù)，簡化了定子和轉(zhuǎn)子的自感

23、矩陣。第60頁/共188頁靜止兩相正交坐標(biāo)系中的方程 l 對轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系作旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系到靜止兩相正交坐標(biāo)系的變換，使其與定子坐標(biāo)系重合，且保持靜止。l用靜止的兩相轉(zhuǎn)子正交繞組等效代替原先轉(zhuǎn)動(dòng)的兩相繞組。2 /2cossin( )sincosrsC第61頁/共188頁靜止兩相正交坐標(biāo)系中的方程l 電壓方程ssssssssrrrrrrrrrrrrui0R000ui00R00dui00R0dtui000R第62頁/共188頁靜止兩相正交坐標(biāo)系中的方程l 磁鏈方程l轉(zhuǎn)矩方程L00000000sssmsssmrrmrrrmriLiLLiLLiLL()epmsrsrTn Li ii i第63頁/共188頁

24、靜止兩相正交坐標(biāo)系中的方程l旋轉(zhuǎn)變換改變了定、轉(zhuǎn)子繞組間的耦合關(guān)系，將相對運(yùn)動(dòng)的定、轉(zhuǎn)子繞組用相對靜止的等效繞組來代替，消除了定、轉(zhuǎn)子繞組間夾角對磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響。第64頁/共188頁靜止兩相正交坐標(biāo)系中的方程l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，但卻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)移到電壓方程中來了，并沒有改變對象的非線性耦合性質(zhì)。第65頁/共188頁6.4.2 旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l 對定子坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系同時(shí)施行旋轉(zhuǎn)變換，把它們變換到同一個(gè)旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系dq上，dq相對于定子的旋轉(zhuǎn)角速度為1第66頁/共188頁6.4.2 旋轉(zhuǎn)正

25、交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖6-8 定子 、轉(zhuǎn)子 坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換a）定子 、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系 b）旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系第67頁/共188頁6.4.2 旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l 定子旋轉(zhuǎn)變換陣 l轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)變換陣 2 /2cossin( )sincossrC)cos()sin()sin()cos()(2/2rrC第68頁/共188頁旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l 電壓方程rdrqsdsqrqrdsqsdrqrdsqsdrrssrqrdsqsddtdiiiiRRRRuuuu)()(0000000000001111第69頁/共188頁旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l 磁鏈方程l轉(zhuǎn)矩方程rqr

26、dsqsdrmrmmsmsrqrdsqsdiiiiLLLLLLLL00000000(-)epmsq rdsd rqTn Li ii i第70頁/共188頁旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l 旋轉(zhuǎn)變換是用旋轉(zhuǎn)的繞組代替原來靜止的定子繞組，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，等效后定、轉(zhuǎn)子繞組間不存在相對運(yùn)動(dòng)。l 旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程與靜止兩相正交坐標(biāo)系中相同，僅下標(biāo)發(fā)生變化。第71頁/共188頁旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l 兩相旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的電壓方程中旋轉(zhuǎn)電勢非線性耦合作用更為嚴(yán)重，這是因?yàn)椴粌H對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)變換，對定子繞組也施行了相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變換。第

27、72頁/共188頁旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型l 從表面上看來，旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型還不如靜止兩相正交坐標(biāo)系的簡單，實(shí)際上旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn)在于增加了一個(gè)輸入量1 1，提高了系統(tǒng)控制的自由度。l 旋轉(zhuǎn)速度任意的正交坐標(biāo)系無實(shí)際使用意義，常用的是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，將繞組中的交流量變?yōu)橹绷髁浚员隳M直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。 第73頁/共188頁6.5 異步電動(dòng)機(jī)在正交坐標(biāo)系上的狀態(tài)方程l 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）。l 討論用狀態(tài)方程描述的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。第74頁/共188頁6.5.1狀態(tài)變量的選取l 旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的異

28、步電動(dòng)機(jī)具有4階電壓方程和1階運(yùn)動(dòng)方程，因此須選取5個(gè)狀態(tài)變量。l 可選的狀態(tài)變量共有9個(gè)，這9個(gè)變量分為5組：轉(zhuǎn)速；定子電流；轉(zhuǎn)子電流；定子磁鏈；轉(zhuǎn)子磁鏈。第75頁/共188頁6.5.1狀態(tài)變量的選取l 轉(zhuǎn)速作為輸出變量必須選取。l 其余的4組變量可以任意選取兩組，定子電流可以直接檢測，應(yīng)當(dāng)選為狀態(tài)變量。l 剩下的3組均不可直接檢測或檢測十分困難，考慮到磁鏈對電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行很重要，可以選定子磁鏈或轉(zhuǎn)子磁鏈。第76頁/共188頁6.5.2 狀態(tài)方程為狀態(tài)變量l dq坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程狀態(tài)變量輸入變量輸出變量sriTrdrqsdsqiiX1TsdsqLuuTUTr Y第77頁/共188頁為狀態(tài)變量

29、的狀態(tài)方程 l 籠型轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路的 sri0rqrduurdrqrrqrqrdrrdsqsdsqssqsdsqsdssdiRdtdiRdtduiRdtduiRdtd)()(1111l電壓方程第78頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l 轉(zhuǎn)矩方程 sril運(yùn)動(dòng)方程)()(rqsdrdsqrmpsqsdmrqsdsqsdmrdsqrmpeiiLLniiLiiiLiLLnTLepTTdtdnJ第79頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l 狀態(tài)方程 srissqsdsqrsmrrsrdrsmrqrrsmsqssdsqsdrsmrrsrqrsmrdrrsmsdsqrmrdrqrrqsdrmrqrdrr

30、dLprqsdrdsqrmpLuiiLLLRLRLLLTLLLdtdiLuiiLLLRLRLLLTLLLdtdiiTLTdtdiTLTdtdTJniiJLLndtd12221222112)(1)(1)(第80頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l 輸出方程 sri22TrdrqYl轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù) l電動(dòng)機(jī)漏磁系數(shù) rrrRLT rsmLLL21第81頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 sri圖6-9 dq坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第82頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l dq坐標(biāo)系蛻化為坐標(biāo)系，當(dāng)sri10狀態(tài)變量輸入變量輸出變量TrrssiiXTssLuuTU22TrrY第83頁/共188頁為狀

31、態(tài)變量的狀態(tài)方程 l 轉(zhuǎn)矩方程 sril運(yùn)動(dòng)方程LepTTdtdnJ()pmesrsrrn LTiiL第84頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l 狀態(tài)方程 sri2222222()11pmpsrsrLrrmrrsrrrmrrsrrsmmsrrmsrrssrrsrsrssmmsrrmrrssrrsrsrn LndiiTdtJLJdLidtTTdLidtTTdiLLR LR LuidtL L TL LL LLdiLLR LR LidtL L TL LL L ssuL第85頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 sri圖6-10 坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第86頁/共188頁6.5.3 狀態(tài)方程為狀態(tài)變量l d

32、q坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程狀態(tài)變量輸入變量輸出變量1TsdsqLuuTUssiTsdsqsdsqiiXTs Y第87頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l 狀態(tài)方程 ssissqsdsqrssrrssdssqrssqssdsqsdrssrrssqssdrssdsqsdsqssqsdsqsdssdLpsqsdsdsqpLuiiLLLRLRLTLdtdiLuiiLLLRLRLTLdtdiuiRdtduiRdtdTJniiJndtd)(11)(11)(11112第88頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l 轉(zhuǎn)矩方程 l輸出方程()()epsqsds sd sqsdsqs sq sdpsqsdsdsqTn

33、iL i iiL i in iissi22TsdsqY第89頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 圖6-11 dq坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssi第90頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l dq坐標(biāo)系蛻化為坐標(biāo)系，當(dāng)ssi10狀態(tài)變量輸入變量輸出變量轉(zhuǎn)矩方程TssLuuTUssTssiiX22TssY()epssssTn ii第91頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 l 狀態(tài)方程 ssissssrssrrssssrssssssrssrrssssrssssssssssLpsssspLuiiLLLRLRLTLdtdiLuiiLLLRLRLTLdtdiuiRdtduiRdtdTJniiJndtd1111)(2

34、第92頁/共188頁為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程 圖6-12 坐標(biāo)系動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssi第93頁/共188頁6.5.4異步電動(dòng)機(jī)的仿真l 在進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)仿真時(shí)，沒有必要對各種狀態(tài)方程逐一進(jìn)行，只要以一種為內(nèi)核，在外圍加上坐標(biāo)變換和狀態(tài)變換，就可得到在不同的坐標(biāo)系下、不同狀態(tài)量的仿真結(jié)果。l 構(gòu)建異步電動(dòng)機(jī)仿真模型在坐標(biāo)系，狀態(tài)變量為sri第94頁/共188頁6.5.4異步電動(dòng)機(jī)的仿真圖6-13異步電動(dòng)機(jī)仿真模型第95頁/共188頁6.5.4異步電動(dòng)機(jī)的仿真圖6-14 三相異步電動(dòng)機(jī)仿真模型第96頁/共188頁6.5.4異步電動(dòng)機(jī)的仿真圖6-15 異步電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)和加載過程第97頁/共188頁6.5.4

35、異步電動(dòng)機(jī)的仿真圖6-16 異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)電流第98頁/共188頁6.6異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)l 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想 通過坐標(biāo)變換，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中，得到等效的直流電動(dòng)機(jī)模型。 仿照直流電動(dòng)機(jī)的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量反變換得到三相坐標(biāo)系的對應(yīng)量，以實(shí)施控制。第99頁/共188頁6.6異步電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)l由于變換的是矢量，所以這樣的坐標(biāo)變換也可稱作矢量變換，相應(yīng)的控制系統(tǒng)稱為矢量控制（Vector Control 簡稱VC）系統(tǒng)或按轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制（Flux Orientation Co

36、ntrol簡稱FOC）系統(tǒng)。第100頁/共188頁6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程l 將靜止正交坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量寫成復(fù)數(shù)形式l 旋轉(zhuǎn)正交dq坐標(biāo)系的一個(gè)特例是與轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。令d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希Q作按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系，簡稱mt坐標(biāo)系。rrjarctgjrrrrrjee第101頁/共188頁6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程圖6-17 靜止正交坐標(biāo)系與按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系第102頁/共188頁6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程l m軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾蟣 為了保證m軸與轉(zhuǎn)子磁

37、鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，還必須使 0rmrdrrtrq0rqrtdddtdt第103頁/共188頁6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程l mt坐標(biāo)系中的狀態(tài)方程 2221222121pmpstrLrmrrsmrrsmmsrrmsmrsmstsrrsrsstmsrrmstrstsmsrsrsn LndiTdtJLJLdidtTTdiLR LR LuiidtL L TL LLdiLR LR LuiidtL LL LL 第104頁/共188頁6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程l 由 1()0rtmrstrdLidtT l導(dǎo)出mt坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度1mstrrLiTlmt坐標(biāo)

38、系旋轉(zhuǎn)角速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差定義為轉(zhuǎn)差角頻率 1msstrrLiT第105頁/共188頁6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程l mt坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 l定子電流勵(lì)磁分量 pmestrrn LTiLl定子電流轉(zhuǎn)矩分量 smisti第106頁/共188頁6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程l 通過按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分解為勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦。l 在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型與直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型相當(dāng)。 第107頁/共1

39、88頁6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程圖6-18 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第108頁/共188頁6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想l 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向僅僅實(shí)現(xiàn)了定子電流兩個(gè)分量的解耦，電流的微分方程中仍存在非線性和交叉耦合。l 采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制這一現(xiàn)象，使實(shí)際電流快速跟隨給定值。第109頁/共188頁6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想圖6-19 異步電動(dòng)機(jī)矢量變換及等效直流電動(dòng)機(jī)模型第110頁/共188頁6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想l 在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中計(jì)算定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量給定值，經(jīng)過反旋轉(zhuǎn)變換2r/2s和

40、2/3變換得到三相電流。l 通過電流閉環(huán)的跟隨控制，輸出異步電動(dòng)機(jī)所需的三相定子電流。第111頁/共188頁6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想圖6-20 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖第112頁/共188頁6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想l 忽略變頻器可能產(chǎn)生的滯后，認(rèn)為電流跟隨控制的近似傳遞函數(shù)為1，且2/3變換與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的3/2變換環(huán)節(jié)相抵消，反旋轉(zhuǎn)變換2r/2s與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換2s/2r相抵消，則圖6-20中虛線框內(nèi)的部分可以用傳遞函數(shù)為1的直線代替。第113頁/共188頁6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想圖6-21 簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)第114頁/共188

41、頁6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想l矢量控制系統(tǒng)就相當(dāng)于直流調(diào)速系統(tǒng)。l矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動(dòng)態(tài)性能上可以與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。第115頁/共188頁6.6.3按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式 圖6-22 電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖l轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn)定。第116頁/共188頁電流閉環(huán)控制l常用的電流閉環(huán)控制有兩種方法：將定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量給定值施行2/3變換，得到三相電流給定值，采用電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，在三相定子坐標(biāo)系中完成電流閉環(huán)控制。第117

42、頁/共188頁電流閉環(huán)控制將檢測到的三相電流施行3/2變換和旋轉(zhuǎn)變換，得到mt坐標(biāo)系中的電流反饋值，采用PI調(diào)節(jié)軟件構(gòu)成電流閉環(huán)控制，電流調(diào)節(jié)器的輸出為mt坐標(biāo)系中定子電壓給定值。反旋轉(zhuǎn)變換得到靜止兩相坐標(biāo)系的定子電壓給定值，再經(jīng)SVPWM控制逆變器輸出三相電壓。第118頁/共188頁電流閉環(huán)控制圖6-23 三相電流閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第119頁/共188頁電流閉環(huán)控制圖6-24 定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第120頁/共188頁6.6.4按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方式l當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí)，將影響電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。l轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器力圖使

43、轉(zhuǎn)子磁鏈恒定，而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器則調(diào)節(jié)電流的轉(zhuǎn)矩分量，以抵消轉(zhuǎn)子磁鏈變化對電磁轉(zhuǎn)矩的影響，最后達(dá)到平衡。第121頁/共188頁6.6.4按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制方式l轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制能夠通過調(diào)節(jié)電流轉(zhuǎn)矩分量來抑制轉(zhuǎn)子磁鏈波動(dòng)所引起的電磁轉(zhuǎn)矩變化，但這種調(diào)節(jié)只有當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后才起作用。l為了改善動(dòng)態(tài)性能，可以采用轉(zhuǎn)矩控制方式。l常用的轉(zhuǎn)矩控制方式有兩種：轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制和在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出增加除法環(huán)節(jié)。第122頁/共188頁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制圖6-25 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第123頁/共188頁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制l在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器間增設(shè)了轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鏈發(fā)生波動(dòng)時(shí)，通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)

44、器及時(shí)調(diào)整電流轉(zhuǎn)矩分量給定值，以抵消磁鏈變化的影響，盡可能不影響或少影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。l 轉(zhuǎn)子磁鏈擾動(dòng)的作用點(diǎn)是包含在轉(zhuǎn)矩環(huán)內(nèi)的，可以通過轉(zhuǎn)矩反饋來抑制擾動(dòng)。若沒有轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，就只能通過轉(zhuǎn)速外環(huán)來抑制轉(zhuǎn)子磁鏈擾動(dòng)，控制作用相對比較滯后。 第124頁/共188頁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制圖6-26 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的矢量控制系統(tǒng)原理框圖第125頁/共188頁帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng) 圖6-27 帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第126頁/共188頁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制l轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為轉(zhuǎn)矩給定，除以轉(zhuǎn)子磁鏈，得到電流轉(zhuǎn)矩分量給定，由于某種原因使轉(zhuǎn)子磁鏈減小時(shí)，通過除法環(huán)節(jié)可使電流轉(zhuǎn)矩分量給定增大，盡可能保持電磁轉(zhuǎn)矩不變。l用除法

45、環(huán)節(jié)消去對象中固有的乘法環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁鏈的動(dòng)態(tài)解耦。第127頁/共188頁轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制圖6-28 帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)原理框圖第128頁/共188頁6.6.5 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算l按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確定向，也就是說需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置。l在構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈反饋以及轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值也是不可缺少的信息。第129頁/共188頁6.6.5 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算l轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測比較困難，多采用按模型計(jì)算的方法。l利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實(shí)時(shí)計(jì)算磁鏈的幅值與空間位置。l在計(jì)算模型中，由于主要實(shí)測信號(hào)的不同，又分為電流模型和電壓模型兩種

46、。第130頁/共188頁計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 l根據(jù)描述磁鏈與電流關(guān)系的磁鏈方程來計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈，所得出的模型叫做電流模型。l在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 11rmrrsrrrmrrsrrdLidtTTdLidtTT 第131頁/共188頁計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型圖6-29 在坐標(biāo)系計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型第132頁/共188頁計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 l在mt坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 11mrrsmrrmstrrLdidtTTLiT 第133頁/共188頁計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型圖6-30 在mt坐標(biāo)系計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型第134頁/共188頁計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 l上述兩種計(jì)算轉(zhuǎn)子磁

47、鏈的電流模型都需要實(shí)測的電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)，不論轉(zhuǎn)速高低時(shí)都能適用。l受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響。電動(dòng)機(jī)溫升和頻率變化都會(huì)影響轉(zhuǎn)子電阻，磁飽和程度將影響電感。l這些影響都將導(dǎo)致磁鏈幅值與位置信號(hào)失真，而反饋信號(hào)的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能降低，這是電流模型的不足之處。第135頁/共188頁計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 l根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動(dòng)勢等于磁鏈變化率的關(guān)系，取電動(dòng)勢的積分就可以得到磁鏈。l在坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 () ()rrss ss smrrss ss smLuR idtL iLLuR idtL iL第136頁/共188頁計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型圖6-31 計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型第

48、137頁/共188頁計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 l電壓模型包含純積分項(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。l電壓模型更適合于中、高速范圍，而電流模型能適應(yīng)低速。有時(shí)為了提高準(zhǔn)確度，把兩種模型結(jié)合起來。第138頁/共188頁6.6.6磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)間接定向l矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈幅值和位置信號(hào)均由磁鏈模型計(jì)算獲得，受到電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化的影響，造成控制的不準(zhǔn)確性。l采用磁鏈開環(huán)的控制方式，無需轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，但對于矢量變換而言，仍然需要轉(zhuǎn)子磁鏈的位置信號(hào)，轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算仍然不可避免。l利用給定值間接計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種方法稱為間

49、接定向。第139頁/共188頁6.6.6磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)間接定向圖6-32 磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)第140頁/共188頁6.6.6磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)間接定向l該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：（1）用定子電流轉(zhuǎn)矩分量和轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)*msstrrLiT將轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)加上實(shí)際轉(zhuǎn)速，得到坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角速度，經(jīng)積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生矢量變換角。第141頁/共188頁6.6.6磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)間接定向（2）定子電流勵(lì)磁分量給定信號(hào)和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號(hào)之間的關(guān)系是靠式建立的，比例微分環(huán)節(jié)在動(dòng)態(tài)中獲得強(qiáng)迫勵(lì)磁效應(yīng)，從而克服實(shí)際磁通的滯后。1rsmrmT siL第142頁/共188

50、頁6.6.6磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)間接定向l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電流轉(zhuǎn)矩分量給定信號(hào)確定，沒有用磁鏈模型實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈及其相位，所以屬于間接的磁場定向。l矢量控制方程中包含電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)，定向精度仍受參數(shù)變化的影響，磁鏈和電流轉(zhuǎn)矩分量給定值與實(shí)際值存在差異，將影響系統(tǒng)的性能。第143頁/共188頁6.6.7矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與存在的問題l矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，需要電流閉環(huán)控制。（2）轉(zhuǎn)子磁鏈系統(tǒng)的控制對象是穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以閉環(huán)控制，也可以開環(huán)控制。（3）采用連續(xù)的PI控制，轉(zhuǎn)矩與磁鏈變化平穩(wěn)，電流閉環(huán)控

51、制可有效地限制起、制動(dòng)電流。第144頁/共188頁6.6.7矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與存在的問題l矢量控制系統(tǒng)存在的問題（1） 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算精度受易于變化的轉(zhuǎn)子電阻的影響，轉(zhuǎn)子磁鏈的角度精度影響定向的準(zhǔn)確性。（2） 需要進(jìn)行矢量變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)算量大。第145頁/共188頁6.6.8 矢量控制系統(tǒng)的仿真lSVPWM用慣性環(huán)節(jié)等效代替l轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子磁鏈和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器均采用帶有積分和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器l兩相磁鏈由電動(dòng)機(jī)模型直接得到，通過直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)變換得到轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和角度。第146頁/共188頁6.6.8 矢量控制系統(tǒng)的仿真圖6-33 矢量控制系統(tǒng)仿真模型第147頁/共188頁仿真結(jié)果圖

52、6-34 空載起動(dòng)和加載的定子電流勵(lì)磁分量（上）和轉(zhuǎn)矩分量（下）第148頁/共188頁仿真結(jié)果圖6-35 a 空載起動(dòng)和加載過程轉(zhuǎn)速（上）和轉(zhuǎn)子磁鏈（下）第149頁/共188頁仿真結(jié)果圖6-35 b 轉(zhuǎn)速（上）和轉(zhuǎn)子磁鏈（下）局部放大 第150頁/共188頁6.7異步電動(dòng)機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)l直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱DTC(Direct Torque Control)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)。l在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。第151頁/共188頁6.7異步電動(dòng)機(jī)按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)l直接

53、轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的基本思想是根據(jù)定子磁鏈幅值偏差的正負(fù)符號(hào)和電磁轉(zhuǎn)矩偏差的正負(fù)符號(hào)，再依據(jù)當(dāng)前定子磁鏈?zhǔn)噶克诘奈恢茫苯舆x取合適的電壓空間矢量，減小定子磁鏈幅值的偏差和電磁轉(zhuǎn)矩的偏差，實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈的控制。第152頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用l以定子電流、定子磁鏈和轉(zhuǎn)速為狀態(tài)變量的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 21111()11()11()ppsqsdsdsqLsds sdsqsdsqs sqsdsqsdsrrssdsdsqsdsqsrssrssqsqsrrssqsdsqsdsrssrsnndiiTdtJJdR iudtdR iudtdiR LR LuiidtLTL

54、L LLdiuR LR LiidtLTLL LL 第153頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用l電磁轉(zhuǎn)矩 (-)epsqsdsdsqTn iil使d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?0sdssq第154頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用l異步電動(dòng)機(jī)按定子磁鏈控制的動(dòng)態(tài)模型2111()1()ppsqsLss sdsdsdsrrssdsdssqsrsrssqsqsrrssqssdsrssnndiTdtJJdR iudtdiL RL RuiidtL LLTLdiuL RL RiidtL LLL 第155頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與

55、電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用l電磁轉(zhuǎn)矩 l定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)角速度 ssqpeinTs1ddtsqs sqsuR i第156頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-36 d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶恐睾系?57頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用l考慮到 l按定子磁鏈控制的動(dòng)態(tài)模型1sqss squR i 21111()1111()()()ppsqsLss sdsdsdsrrssdsrrssdsdssqsdss sqsrsrssrsrssqsqss sdsqsss sdrsrsnndiTdtJJdR iudtdiL RL RuL RL Ruiiiidt

56、L LLTLL LLTLdiiL iiL idtTLTL 第158頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用l轉(zhuǎn)差頻率 l將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq按定子磁鏈定向，把電壓矢量沿dq軸分解。l d軸分量決定了定子磁鏈幅值的增減。l q軸分量決定定子磁鏈?zhǔn)噶康男D(zhuǎn)角速度，從而決定轉(zhuǎn)差頻率和電磁轉(zhuǎn)矩。1s第159頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用l兩電平PWM逆變器可輸出8個(gè)空間電壓矢量，6個(gè)有效工作矢量，2個(gè)零矢量。l將期望的定子磁鏈圓軌跡分為6個(gè)扇區(qū)。l6個(gè)有效工作電壓空間矢量，將產(chǎn)生不同的磁鏈增量。 第160頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定

57、子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-37 定子磁鏈圓軌跡扇區(qū)圖 第161頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-38 電壓矢量分解圖a）第I扇區(qū) b）第III扇區(qū) 第162頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用l當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶课挥诘贗扇區(qū)時(shí)，2ul當(dāng)定子磁鏈?zhǔn)噶课挥诘贗II扇區(qū)時(shí)，的作用是使定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩都增加。 2u的作用是使定子磁鏈幅值和電磁轉(zhuǎn)矩都減小。 第163頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用圖6-39 定子磁鏈與電壓空間矢量圖第164頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用第165頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用為“+”時(shí)，定子磁鏈幅值加大； 為“-”時(shí)，定子磁鏈幅值減??；為“0”時(shí)，定子磁鏈幅值維持不變。l d軸分量sdu第166頁/共188頁6.7.1定子電壓矢量對定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩的控制作用為“+”時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶空蛐D(zhuǎn)，轉(zhuǎn)差頻率增大，電流轉(zhuǎn)矩分量和電磁轉(zhuǎn)矩加大；為“-”時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶糠聪蛐D(zhuǎn)，電流轉(zhuǎn)矩分量急劇變負(fù)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；為“0”時(shí)，定子磁鏈?zhǔn)噶客Ｔ谠兀D(zhuǎn)差頻率為負(fù)，電流轉(zhuǎn)矩分量和電磁轉(zhuǎn)矩減小 。l q軸分量squ第167頁/共188頁6.7.2基于定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)圖6-40 直接