電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第六章

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第六章第1頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)本節(jié)提要□矢量控制系統(tǒng)的基本思路□按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用□轉(zhuǎn)子磁鏈模型□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)□磁鏈開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)——間接矢量控制系統(tǒng)第2頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

概述

上一節(jié)中表明，異步電機(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)，通過(guò)坐標(biāo)變換，可以使之降階并化簡(jiǎn)，但并沒(méi)有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。當(dāng)需要高動(dòng)態(tài)性能的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，必須在其動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，但要完成這一任務(wù)并非易事。經(jīng)過(guò)多年的潛心研究和實(shí)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)?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第3頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、

矢量控制系統(tǒng)的基本思路

在第6.6.3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(guò)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(guò)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im

和

it

?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第4頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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，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。

§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第5頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫(huà)出來(lái)，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(tái)異步電機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過(guò)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)。第6頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一圖6-52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

iAiBiCit1im1ii異步電動(dòng)機(jī)

異步電機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第7頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

既然異步電機(jī)經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第8頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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*m1i*t1

1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1iβ1im1it1~反饋信號(hào)異步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào)

圖6-53矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第9頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

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6-53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。第10頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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*m1i*t1

1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1iβ1im1it1~反饋信號(hào)異步電動(dòng)機(jī)給定信號(hào)

§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第11頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

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。第12頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用問(wèn)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?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第13頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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(chēng)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)噶浚Q(chēng)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?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第14頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

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（6-128）

第15頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向后的系統(tǒng)模型

代入轉(zhuǎn)矩方程式（6-113）和狀態(tài)方程

中并用m，t替代d，q，即得（6-129）

（6-130）

§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第16頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)（6-131）

（6-132）（6-133）（6-134）第17頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

由于，狀態(tài)方程中的式（6-132）蛻化為代數(shù)方程，整理后得轉(zhuǎn)差公式（6-135）

這使?fàn)顟B(tài)方程降低了一階。第18頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)由式（6-131）可得（6-136）

（6-137）

第19頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的意義式（6-136）或式（6-137）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(wú)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（6-136）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?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第20頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

式（6-136）或（6-137）、（6-135）和（6-129）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6-54中的形式，圖中前述的等效直流電機(jī)模型（見(jiàn)圖6-52）被分解成

和

r

兩個(gè)子系統(tǒng)?？梢钥闯?，雖然通過(guò)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(lái)看，由于Te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。第21頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電流解耦數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)3/2VR×圖6-54異步電動(dòng)機(jī)矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第22頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

按照?qǐng)D6-53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AR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR分別控制r

和

，如圖6-55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。第23頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖圖6-55電流控制變頻器÷異步電機(jī)矢量變換模型§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第24頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

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(lái)設(shè)計(jì)兩個(gè)調(diào)節(jié)器AR和ASR。第25頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

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6-55中冠以符號(hào)“^”以示區(qū)別。第26頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第27頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、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(kāi)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。§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第28頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

從理論上說(shuō)，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(wèn)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，現(xiàn)在給出兩個(gè)典型的實(shí)例。第29頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.在兩相靜止坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型

由實(shí)測(cè)的三相定子電流通過(guò)3/2變換很容易得到兩相靜止坐標(biāo)系上的電流is

和

is

，再利用式（6-109）第3，4行計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在

，

軸上的分量為§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第30頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)（6-138）

（6-139）

又由式（6-108）的

坐標(biāo)系電壓矩陣方程第3，4行，并令

ur

=

ur

=

0

得第31頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一或

§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第32頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一整理后得轉(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(yùn)算框圖如下圖所示。有了r

和

r

，要計(jì)算r

的幅值和相位就很容易了。

轉(zhuǎn)子磁鏈模型§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第33頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

在兩相靜止坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型LmTrLmTr

p+11+++-isisβrrTr

p+11圖6-56在兩相靜止坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第34頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

上圖的轉(zhuǎn)子磁鏈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r

與r

之間有交叉反饋關(guān)系，離散計(jì)算時(shí)可能不收斂，不如采用下面第二種模型?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第35頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.按磁場(chǎng)定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(yùn)算框圖。三相定子電流

iA

、iB

、iC

經(jīng)3/2變換變成兩相靜止坐標(biāo)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(biāo)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(hào)，由s

與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速

相加得到定子頻率信號(hào)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?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第36頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

按轉(zhuǎn)子磁鏈定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的轉(zhuǎn)子磁鏈模型3/2VRTrp+1LmSinCosiCiBiAisisistisms1++r

TrLm1p圖6-57在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第37頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

和第一種模型相比，這種模型更適合于微機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算，容易收斂，也比較準(zhǔn)確。上述兩種轉(zhuǎn)子磁鏈模型的應(yīng)用都比較普遍，但也都受電機(jī)參數(shù)變化的影響，例如電機(jī)溫升和頻率變化都會(huì)影響轉(zhuǎn)子電阻Rr，從而改變時(shí)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(dǎo)致磁鏈幅值與相位信號(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?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第38頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型靜止兩相坐標(biāo)代入式中§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第39頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型第40頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、

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(huà)。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(gè)假定條件下簡(jiǎn)化成完全解耦的r與

兩個(gè)子系統(tǒng)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)方法和直流調(diào)速系統(tǒng)相似。調(diào)節(jié)器和坐標(biāo)變換都包含在微機(jī)數(shù)字控制器中?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第41頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一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6-58a），帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器（圖6-58b）。

帶轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱(chēng)直接矢量控制系統(tǒng)。§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第42頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（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§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第43頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器圖6-59b電流控制變頻器§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第44頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（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。§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第45頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一電流滯環(huán)型PWM變頻器微型計(jì)算機(jī)

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)

§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第46頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

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?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第47頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五、磁鏈開(kāi)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(hào)是由磁鏈模型獲得的，其幅值和相位都受到電機(jī)參數(shù)Tr

和

Lm

變化的影響，造成控制的不準(zhǔn)確性。有鑒于此，很多人認(rèn)為，與其采用磁鏈閉環(huán)控制而反饋不準(zhǔn)，不如采用磁鏈開(kāi)環(huán)控制，系統(tǒng)反而會(huì)簡(jiǎn)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(chēng)間接矢量控制系統(tǒng)?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第48頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

它繼承了第6.5.2節(jié)基于穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)用基于動(dòng)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6-61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。第49頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

轉(zhuǎn)差型矢量控制的交－直－交電壓源變頻調(diào)速系統(tǒng)p1K/PACRURCSIMTG+TA+++++Ld3~+sTrLmLmTrp+1ASR矢量控制器1*s*si*sisi*sti*sm*r*圖6-61磁鏈開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)原理圖TG§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第50頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

系統(tǒng)的主要特點(diǎn)（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出正比于轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)，實(shí)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(hào)i*st

和轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)*s，其關(guān)系為§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第51頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

二式中都應(yīng)除以轉(zhuǎn)子磁鏈r

，因此兩個(gè)通道中各設(shè)置一個(gè)除法環(huán)節(jié)。第52頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（2）定子電流勵(lì)磁分量給定信號(hào)i*sm

和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號(hào)*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)

Trp+1使

ism

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。§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第53頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)

（3）

i*sm和i*st

經(jīng)直角坐標(biāo)/極坐標(biāo)變換器K/P合成后，產(chǎn)生定子電流幅值給定信號(hào)i*s

和相角給定信號(hào)*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(shí)刻，從而決定定子電流的相位。定子電流相位能否得到及時(shí)的控制對(duì)于動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的發(fā)生極為重要。極端來(lái)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。第54頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（4）轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)*s

按矢量控制方程式（6-135）算出，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制功能。

由以上特點(diǎn)可以看出，磁鏈開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)差型矢量控制系統(tǒng)的磁場(chǎng)定向由磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)確定，靠矢量控制方程保證，并沒(méi)有實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈及其相位，所以屬于間接矢量控制?！?-7

基于動(dòng)態(tài)模型按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的

矢量控制系統(tǒng)第55頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-8

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(chēng)DTC(DirectTorqueControl)系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來(lái)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。第56頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一一、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理和特點(diǎn)直接轉(zhuǎn)矩控制的原理1、定子磁鏈和電壓空間矢量的關(guān)系結(jié)論：非零電壓矢量能產(chǎn)生定子磁鏈并使它運(yùn)動(dòng)，這樣控制電壓矢量的順序和作用時(shí)間就可以迫使磁鏈按所需的軌跡運(yùn)動(dòng)。2、電壓矢量對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的影響電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小不僅與定、轉(zhuǎn)子的磁鏈幅值§6-8

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)第57頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-8

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)有關(guān)還與它們的夾角有關(guān)當(dāng)幅值不變時(shí)，夾角從0變到90度是電磁轉(zhuǎn)矩從0變到最大，所以對(duì)它們的夾角進(jìn)行控制也能控制轉(zhuǎn)矩，這就是直接轉(zhuǎn)矩控制的思想。電壓矢量對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響體現(xiàn)在定、轉(zhuǎn)子磁鏈夾角的控制作用運(yùn)行中定子磁鏈幅值恒定為額定值，轉(zhuǎn)子磁鏈由負(fù)載決定，要改變轉(zhuǎn)矩只有改變它們第58頁(yè)，共66頁(yè)，2023年，2月20日，星期一§6-8

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)的夾角，由改變電壓矢量完成。工作電壓矢量使定子磁鏈走零矢量使定子磁鏈停，控制定子磁鏈的走停，就控制了磁通角的大小。也控制轉(zhuǎn)矩。圖100所示已知t1時(shí)刻定子、轉(zhuǎn)子和磁通角如圖所示，t2時(shí)刻給出電壓矢量

下面