dq坐標變換數(shù)學(xué)原理探素課件

1、現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)第 3 章高動態(tài)性能變頻調(diào)速系統(tǒng)第1頁，共90頁。3.2 坐標變換和動態(tài)數(shù)學(xué)模型的簡化 上節(jié)中雖已推導(dǎo)出異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，但是，要分析和求解這組非線性方程顯然是十分困難的。在實際應(yīng)用中必須設(shè)法予以簡化，簡化的基本方法是坐標變換。 第2頁，共90頁。一、 坐標變換的基本思路 直流電機的數(shù)學(xué)模型比較簡單： 雖然電樞本身是旋轉(zhuǎn)的，但其繞組通過換向器電刷接到端接板上，因此，電樞磁動勢的軸線始終被電刷限定在 q 軸位置上，其效果好象一個在 q 軸上靜止的繞組一樣。 主磁通的方向沿著與之垂直的 d 軸；直流電機的主磁通基本上唯一地由勵磁繞組的勵磁電流決定，這是直流電機的數(shù)學(xué)模型及其控

2、制系統(tǒng)比較簡單的根本原因。第3頁，共90頁。 交流電機的物理模型 如果能將交流電機的物理模型等效地變換成類似直流電機的模式，分析和控制就可以大大簡化。坐標變換正是按照這條思路進行的。 眾所周知，交流電機三相對稱的靜止繞組 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦電流時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速 1 （即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序旋轉(zhuǎn)。第4頁，共90頁。 （1）交流電機繞組的等效物理模型ABCABCiAiBiCF1圖a 三相交流繞組第5頁，共90頁。 旋轉(zhuǎn)磁動勢的產(chǎn)生 然而，旋轉(zhuǎn)磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、三相、四相等任意對稱的多

3、相繞組，通以平衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，當(dāng)然以兩相最為簡單。 在這里，不同電機模型彼此等效的原則是：在不同坐標下所產(chǎn)生的磁動勢完全一致。 第6頁，共90頁。 （2）等效的兩相交流電機繞組Fii1圖B 兩相交流繞組 兩相靜止繞組 和 ，它們在空間互差90，通以時間上互差90的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢 F 。 當(dāng)兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時，即認為圖b的兩相繞組與圖a的三相繞組等效。 第7頁，共90頁。（3）旋轉(zhuǎn)的直流繞組與等效直流電機模型1FdqimitMT圖c 旋轉(zhuǎn)的直流繞組 第8頁，共90頁。 再看圖c中的兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組 d 和 q，其中分別通以直流電流

4、id 和iq，產(chǎn)生合成磁動勢 F ，其位置相對于繞組來說是固定的。 如果讓包含兩個繞組在內(nèi)的整個鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動勢 F 自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。第9頁，共90頁。 把這個旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖 a 和圖 b 中的磁動勢一樣，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，在他看來，d 和 q 是兩個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 軸上，就和直流電機物理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了。這時，繞組d相當(dāng)于勵磁繞組，q 相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組。 第10頁，共90頁。 有意思的是：就圖c 的 M、T

5、兩個繞組而言，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直流電機模型了。這樣，通過坐標系的變換，可以找到與交流三相繞組等效的直流電機模型。 現(xiàn)在的問題是，如何求出iA、iB 、iC 與 i、i 和 im、it 之間準確的等效關(guān)系，這就是坐標變換的任務(wù)。 第11頁，共90頁。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，或稱三相靜止坐標系和兩相靜止坐標系間的變換，簡稱 3/2 變換。 第12頁，共90頁。 三相和兩相坐標系與繞組磁動勢的空間矢量 AN2iN

6、3iAN3iCN3iBN2i60o60oCB 為方便起見，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，各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標軸上。由于交流磁動勢的大小隨時間在變化著，圖中磁動勢矢量的長度是隨意的。第13頁，共90頁。 設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與二相總磁動勢相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在 、 軸上的投影都應(yīng)相等， 第14頁，共90頁。寫成矩陣形式，得考慮變換前后總功率不變，在此前提下，可以證明，匝數(shù)比應(yīng)為第15頁，共90頁。得（3-37） 第16頁，共90頁。 令 C3/2 表示從三相坐標系變換到兩相坐標系

7、的變換矩陣，則 （3-38） 三相兩相坐標系的變換矩陣第17頁，共90頁。 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（3-37）得 按照所采用的條件，電流變換陣也就是電壓變換陣，同時還可證明，它們也是磁鏈的變換陣。第18頁，共90頁。3. 兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換） 從兩相靜止坐標系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系 d、q 變換稱作兩相兩相旋轉(zhuǎn)變換，簡稱 2s/2r 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉(zhuǎn)。 第19頁，共90頁。 圖中，兩相交流電流 i、i 和兩個直流電流 id、iq 產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速1旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢 Fs 。由于

8、各繞組匝數(shù)都相等，可以消去磁動勢中的匝數(shù)，直接用電流表示，例如 Fs 可以直接標成 is 。 d，q軸和矢量 Fs（ is ）都以轉(zhuǎn)速 1 旋轉(zhuǎn)，分量 id、iq的長短不變，相當(dāng)于d，q繞組的直流磁動勢。第20頁，共90頁。 但 、 軸是靜止的， 軸與 M 軸的夾角隨時間而變化，因此 is 在 、 軸上的分量的長短也隨時間變化，相當(dāng)于繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖可見， i、 i 和 id、iq 之間存在下列關(guān)系 第21頁，共90頁。寫成矩陣形式，得 （3-40） 是兩相靜止坐標系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換陣。 式中 兩相旋轉(zhuǎn)兩相靜止坐標系的變換矩陣第22頁，共90頁。 對式（3-40）兩邊都左

9、乘以變換陣的逆矩陣，即得 (3-41) 則兩相旋轉(zhuǎn)坐標系變換到兩相靜止坐標系的變換陣是 電壓和磁鏈的旋轉(zhuǎn)變換陣也與電流（磁動勢）旋轉(zhuǎn)變換陣相同。 第23頁，共90頁。它是指由d、q軸電流求定子電流和與d軸的夾角1。顯然，其變換式應(yīng)為 4.直角坐標/極坐標變換（K/P變換） 此方法也同樣適用于電壓和磁鏈的變換。 第24頁，共90頁。 變換過程 ABC坐標系 坐標系dq坐標系3/2變換C2s/2r第25頁，共90頁。三、異步電動機在、靜止坐標系上的 數(shù)學(xué)模型 把異步電機在三相靜止ABC坐標系上的數(shù)學(xué)模型變換到兩相坐標系上，由于兩相坐標軸互相垂直，兩相繞組之間沒有磁的耦合，僅此一點，就會使數(shù)學(xué)模型簡

10、單了許多。 圖3-9 用兩相靜止坐標系表示的異步機等效電路RsLmLmLsLsRsLmLrLmLrRrRr第26頁，共90頁。1. 電壓方程式中，下標s和r分別表示定子和轉(zhuǎn)子變量；下標和分別表示軸和軸變量. 坐標系定子等效兩相繞組的互感；第27頁，共90頁。2.磁鏈方程ABC三相坐標系的磁鏈方程經(jīng)坐標變換簡化為以下坐標系磁鏈方程： 在兩相坐標系中，定子和轉(zhuǎn)子的等效繞組落在互相垂直的兩根軸上，它們之間沒有耦合關(guān)系，互感磁鏈只在同軸繞組之間存在，所以式中的每個磁鏈分量只剩下兩項。 第28頁，共90頁。3. 電磁轉(zhuǎn)矩方程 以上電壓方程、磁鏈方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程再加上式（3-1）運動方程和式（3-2）轉(zhuǎn)

11、角微分方程構(gòu)成了靜止坐標系上的異步電動機數(shù)學(xué)模型。這種在兩相靜止坐標系上的數(shù)學(xué)模型又稱作Kron異步電機方程式或雙軸原型電機（Two Axis Primitive Machine）基本方程式。第29頁，共90頁。4. 異步電機在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系（dq坐 標系）上的數(shù)學(xué)模型 兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系的旋轉(zhuǎn)速度等于定子電源的同步角速度1。用dq坐標系表示的異步電動機等效電路如圖3-10所示。圖3-10 異步電動機在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標系的等效電路idridsudsuqsiqsiqr1LmLmLmLsLsLrLrRsRsrdquqr=0udr=0LmRrRr第30頁，共90頁。1.電壓方程dq坐標系相對

12、于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為1s，即轉(zhuǎn)差角速度。式（3-46）的電壓方程右邊系數(shù)矩陣的每一項都是非零的，這說明異步機在二相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型仍是強耦合的。（3-46）第31頁，共90頁。2.磁鏈方程3.電磁轉(zhuǎn)矩方程 由于dq坐標系與電動機氣隙磁場同步旋轉(zhuǎn)，彼此之間無相對運動，當(dāng)A、B、C坐標系中的變量為正弦函數(shù)時，dq坐標系中的變量將是直流量，已經(jīng)非常接近直流電動機了。但是，直流電動機的電樞回路和勵磁回路是解耦的，而異步機在二相同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的數(shù)學(xué)模型仍是強耦合的。第32頁，共90頁。 3.3 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng) 上一節(jié)中表明，異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，

13、通過坐標變換，可以使之降階并化簡，但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。 需要高動態(tài)性能的異步電機調(diào)速系統(tǒng)必須在其動態(tài)模型的基礎(chǔ)上進行分析和設(shè)計。經(jīng)過多年的潛心研究和實踐，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)。第33頁，共90頁。3.3 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)本節(jié)提要矢量控制的基本思路按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的MT同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學(xué)模型矢量控制基本方程轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的直接矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型磁鏈開環(huán)轉(zhuǎn)的間接矢量控制系統(tǒng)第34頁，共90頁。3.3.1 矢量控制的基本思路 上節(jié)已經(jīng)闡明，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，在三相坐標系上的定子交流電流 iA

14、、 iB 、iC ，通過三相/兩相變換可以等效成兩相靜止坐標系上的交流電流 i、i ，再通過同步旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流 id 和 iq 。第35頁，共90頁。 如果觀察者站到鐵心上與坐標系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺直流電機，可以控制使交流電機的轉(zhuǎn)子總磁通 r 就是等效直流電機的磁通，則M繞組相當(dāng)于直流電機的勵磁繞組，im 相當(dāng)于勵磁電流，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。 第36頁，共90頁。 既然異步電機經(jīng)過坐標變換可以等效成直流電機，那么，模仿直流電機的控制策略，得到直流電機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標反變換，就能夠控制異步電機了。

15、由于進行坐標變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System）。第37頁，共90頁。3.3.2 異步電動機在按轉(zhuǎn)子磁場定向的MT同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的數(shù)學(xué)模型上述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。在進行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標變換時，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)定兩軸與電機旋轉(zhuǎn)磁場的相對位置。 第38頁，共90頁。 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向 選擇d軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈矢量的方向，并稱之為 M（Magnetization）軸，而 q 軸再逆時針轉(zhuǎn)90，即垂直于轉(zhuǎn)子

16、總磁鏈矢量，稱之為 T（Torque）軸。 這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系就具體規(guī)定為 M，T 坐標系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向（Field Orientation）的坐標系。第39頁，共90頁。異步電動機的坐標變換結(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 等效直流電動機模型ABC iAiBiCiMiTii異步電動機把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，便得到下圖。從整體上看，輸入為A，B，C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速 ，是一臺異步電機。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺由 iM 和 iT 輸入，由 輸出的直流電機。第40頁，共90頁。1. 磁鏈方程 由于M

17、軸方向與轉(zhuǎn)子磁鏈 一致，顯然下式成立：則 ，（3-49） 則第41頁，共90頁。2.電壓方程 由轉(zhuǎn)子磁鏈方程可得 將上式帶入式（3-46），并改變坐標軸符號可得 式中，在第三、四行出現(xiàn)的零元素，說明多變量之間的耦合關(guān)系減少了，模型得到了簡化。 （3-51） 第42頁，共90頁。3.電磁轉(zhuǎn)矩方程 把dq坐標系下的電磁轉(zhuǎn)矩方程中的下標ds、qs分別替換成M、T，下標dr、qr分別替換成m、t就得到MT坐標系下的電磁轉(zhuǎn)矩方程：第43頁，共90頁。3.3.3 矢量控制基本方程 在沿轉(zhuǎn)子磁場定向的M、T同步旋轉(zhuǎn)坐標系中，對于籠型轉(zhuǎn)子異步電動機，由于轉(zhuǎn)子短路，有um = ut = 0，則電壓方程可簡化為

18、將電壓方程矩陣的第三行單獨寫出來，得 第44頁，共90頁。由磁鏈方程（3-49）可得 （3-55） 由以上兩式，得 即 式中， 為轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù)。 第45頁，共90頁。3.3.3 矢量控制基本方程iM被稱為定子的勵磁電流分量。由式（3-51）可得： 上式說明，M軸按轉(zhuǎn)子磁場方向定向后，與之正交的T軸上定子電流分量的變化會立即引起相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流分量的變化，不存在滯后。 第46頁，共90頁。3.3.3 矢量控制基本方程將上式及式（3-50）代入電磁轉(zhuǎn)矩方程，可得： 這個轉(zhuǎn)矩關(guān)系式很簡單，同直流電動機的轉(zhuǎn)矩公式一樣。此式表明， 。iT被稱為轉(zhuǎn)矩電流分量。 第47頁，共90頁。3.3.3 矢量控制基本

19、方程轉(zhuǎn)差角頻率 以上轉(zhuǎn)差角頻率方程式、電磁轉(zhuǎn)矩方程和轉(zhuǎn)子磁鏈方程就構(gòu)成了按轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)的基本方程式。在實際控制中，如果能夠?qū)崿F(xiàn)電流iM和iT的完全解耦，異步電動機便可獲得類似于直流電動機的特性。 第48頁，共90頁。 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的意義式（3-57）或式（3-58）表明，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量無關(guān)，從這個意義上看，定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。 式（3-57）還表明，r 與 iM之間的傳遞函數(shù)是 一階慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為轉(zhuǎn)子磁鏈勵磁時間常數(shù)，當(dāng)勵磁電流分量iM突變時，r 的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電機勵磁繞組的慣性作用是一致的。 第49頁

20、，共90頁。磁鏈調(diào)節(jié)磁鏈觀測 VR-12/3M3測速ASR*+_*+_+PI-TeTe*iT*iMVSI3.3.4 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)第50頁，共90頁。 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。變頻調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)關(guān)鍵在于對電磁轉(zhuǎn)矩的準確控制，系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定，實現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。定子電流轉(zhuǎn)矩分量的參考信號由轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器的輸出給定，相當(dāng)于雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電樞電流給定； 第51頁，共90頁。特 點電機本質(zhì)上是“自控” 的。系統(tǒng)的頻率不象在標量控制系統(tǒng)中被直接控制，而是借助磁場定向角 (或單位矢量)實現(xiàn)了對相位和頻率的控制。

21、不必擔(dān)心像標量控制那樣在超過轉(zhuǎn)矩Tem工作點時系統(tǒng)出現(xiàn)的不穩(wěn)定問題。矢量控制通過限制電流Is( )在安全電流范圍內(nèi)，從而可自動將工作點限制在穩(wěn)定區(qū)域。該系統(tǒng)帶有轉(zhuǎn)子磁鏈反饋，優(yōu)點是實現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的完全解耦控制，精度高，可用于要求高性能調(diào)速的場合，但系統(tǒng)構(gòu)成和運算較復(fù)雜。 第52頁，共90頁。3.3.5 轉(zhuǎn)子磁鏈觀測模型 電壓模型磁鏈觀測器 利用定子電壓和電流信號重構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鏈信號 通過檢測電動機的定子電流和轉(zhuǎn)速信號來重構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鏈信號 電流模型磁鏈觀測器第53頁，共90頁。3.3.6 磁鏈開環(huán)的間接矢量控制系統(tǒng) 在磁鏈閉環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號是由磁鏈模型獲得的，受電機參數(shù) Tr

22、 和 Lm 變化的影響，造成控制的不準確性。 為避免復(fù)雜的磁鏈觀測算法及運算偏差對閉環(huán)控制的影響，磁鏈開環(huán)的間接矢量控制在工業(yè)應(yīng)用中比較流行。常利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式（3-61），構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)。第54頁，共90頁。K/PASRACRCSIURTAM3TG矢量控制器轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)成第55頁，共90頁。 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)矩分量給定信號 i*T 和轉(zhuǎn)差頻率給定信號*s，其關(guān)系為 第56頁，共90頁。3.3.6 磁鏈開環(huán)的間接矢量控制系統(tǒng)（2）定子電流勵磁分量給定信號 i*M 和轉(zhuǎn)子磁鏈給

23、定信號*r 之間的關(guān)系是靠式（3-57）建立的。第57頁，共90頁。 （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態(tài)轉(zhuǎn)矩的發(fā)生極為重要。第58頁，共90頁。 在動態(tài)過程中，實際參數(shù)與矢量控制方程中所用的參數(shù)可能不一致，例如由于溫度變化和頻率不同而影響轉(zhuǎn)子電阻Rr，進而影響轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr；由于飽和程度的不同而影響電感等等。那么，利用給定的參數(shù)求得的和就會偏離實際的數(shù)值，在控制中造成磁場定

24、向的不準確。為了解決這個問題，可以采用參數(shù)辨識和自適應(yīng)控制的方法進行改進。 第59頁，共90頁。UDCM3信號調(diào)理及濾波驅(qū)動單元數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換A/D顯 示DSP TMS320LF2407A鍵 盤PWM發(fā)生逆變器光電編碼器轉(zhuǎn)速給定+-矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路3.3.7 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn) 第60頁，共90頁。 為實現(xiàn)實時全數(shù)字化矢量控制變頻調(diào)速，系統(tǒng)采用了TI公司的TMS320LF2407A DSP為控制核心。系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)為電流調(diào)節(jié)環(huán)，采樣周期為100s;外環(huán)為速度調(diào)節(jié)環(huán)，采樣周期為1ms。在通用定時器1下溢中斷處理程序中調(diào)用電流環(huán)調(diào)節(jié)子程序或速度環(huán)調(diào)節(jié)子程序，并且電流環(huán)中斷優(yōu)先級比

25、速度環(huán)中斷優(yōu)先級高。 第61頁，共90頁。第62頁，共90頁。目前矢量控制的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已走向?qū)嵱没?，成功地?yīng)用于軋機主傳動、電力機車牽引系統(tǒng)、數(shù)控機床和電動汽車中。 例如，大功率軋鋼機主傳動要求有很快的動態(tài)響應(yīng)和相當(dāng)高的過載能力，一直用直流電機，由于直流電動機的換向器和電刷在大功率方面問題較多，而且維護工作量大，在1980年以后逐步用交流異步電動機或同步電動機變頻調(diào)速代替直流電動機調(diào)速。應(yīng)用第63頁，共90頁。冷軋機的調(diào)速指標如下：電動機容量 30006000kW電動機轉(zhuǎn)速 1500r/min調(diào)速響應(yīng) 60rad/s調(diào)速精度 0.0004%力矩控制精度 2%第64頁，共90頁。20世紀8

26、0年代，由于電力電子高壓大功率全控型器件GTO的問世，使變頻器進一步小型化、輕量化、大功率化。這種新型的變頻器在大功率內(nèi)燃機車和電氣機車上的成功應(yīng)用，促進了交流傳動機車更迅速發(fā)展。我國廣州地鐵一號線和北京地鐵三期工程交流傳動車輛是分別從日本和德國引進的，均采用GTO逆變器。第65頁，共90頁。3.4 直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)概 述 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態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，1985年由德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授提出。由于利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。

27、第66頁，共90頁。3.4.1 基本思路 直接轉(zhuǎn)矩控制是基于在定子坐標系下建立的交流電動機數(shù)學(xué)模型，直接控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并用定子磁鏈定向代替轉(zhuǎn)子磁鏈定向。它不需要模仿直流電動機的控制，所需要的信號處理工作比較簡單。 直接轉(zhuǎn)矩控制強調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因此它并不強調(diào)獲得理想的正弦波波形，而是采用電壓空間矢量和近似圓形磁鏈軌跡的概念。第67頁，共90頁。3.4.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理圖3-19 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖逆變器異步電動機第68頁，共90頁。 結(jié)構(gòu)特點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)，它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)

28、了近似的解耦。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器 用滯環(huán)控制器或bang-bang控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。第69頁，共90頁。 控制特點 與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動機的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點是：（1）直接轉(zhuǎn)矩控制基于在定子坐標系下建立的交流電動機數(shù)學(xué)模型，它不需要模仿直流電動機的控制，省掉了矢量旋轉(zhuǎn)變換等復(fù)雜的變換與運算，因此，它所需要的信號處理工作比較簡單。 第70頁，共90頁。 2）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式bang-bang控制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個控制信號產(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

29、旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。 第71頁，共90頁。 3）選擇定子磁鏈作為被控量，計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。 4）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負載變化的動態(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，因此實際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。第72頁，共90頁。電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)的選擇 在圖3-19所示的 DTC 系統(tǒng)中，根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號進行砰-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單，主電

30、路開關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大。 第73頁，共90頁。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，這時要設(shè)計好*s = f (*) 函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時的磁鏈給定值。 第74頁，共90頁。DTC系統(tǒng)存在的問題1）由于采用bang-bang控制，實際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動，而不是完全恒定的。2）由于磁鏈計算采用了帶積分環(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影響磁鏈計算的準確度。 這兩個問題的影響在低速時都比較顯著，因而使DTC系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。第75頁，共90頁。世界上的工業(yè)發(fā)達國家，如

31、德國、日本、美國等，都競相發(fā)展此項新技術(shù)。如ABB公司ACS600系列變頻器、IGCT三電平高壓變頻器ACS1000。 目前，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。第76頁，共90頁。3.4.5 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制 DTC系統(tǒng)和VC系統(tǒng)都是已獲實際應(yīng)用的高性能交流調(diào)速系統(tǒng)。兩者都采用轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速）和磁鏈分別控制，這是符合異步電動機動態(tài)數(shù)學(xué)模型的需要的。但兩者在控制性能上卻各有千秋。 第77頁，共90頁。 矢量控制系統(tǒng)特點 VC系統(tǒng)強調(diào) Te 與r的解耦，有利于分別設(shè)計轉(zhuǎn)速與磁鏈調(diào)節(jié)器；實行連續(xù)控制，可獲得較寬的調(diào)速范圍；但按r 定向受電動機轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，降低了系

32、統(tǒng)的魯棒性。 第78頁，共90頁。 DTC系統(tǒng)特點 DTC系統(tǒng)則實行 Te 與s bang-bang控制，避開了旋轉(zhuǎn)坐標變換，簡化了控制結(jié)構(gòu)；控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；但不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，低速性能較差，調(diào)速范圍受到限制。 表3-1列出了兩種系統(tǒng)的特點與性能的比較。 第79頁，共90頁。表3-1 直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制的特點與性能比較性能與特點直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)磁鏈控制定子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)矩控制bang-bang控制，脈動連續(xù)控制，比較平滑坐標變換靜止坐標變換，較簡單旋轉(zhuǎn)坐標變換，較復(fù)雜轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響無有調(diào)速范圍不夠?qū)挶容^寬第80頁，共90頁。 由于它們各自的特色，在應(yīng)用領(lǐng)域上各有側(cè)重。矢量控制系統(tǒng)更適用于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)，而直接轉(zhuǎn)矩控制則更適