运动控制系统总结ppt课件

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1、运动控制系统总结第第1章章 绪论绪论1什么是运动控制系统什么是运动控制系统运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。2运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成3直流调速系统直流调速系统 直流电动机的数学模型简单，转矩易直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。于控制。 换向器与电刷的位置保证了电枢电流与换向器与电刷的位置保证了电枢电流与励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正励磁电流的解耦，使转矩与电枢电流成正比。比。4交流调速系统交流调速系统 交流电动机（尤其是笼型感应电动机）交流电动机（

2、尤其是笼型感应电动机）结构简单结构简单 交流电动机动态数学模型具有非线性多交流电动机动态数学模型具有非线性多变量强耦合的性质，比直流电动机复杂得变量强耦合的性质，比直流电动机复杂得多。多。5运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律l忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式控制系统的简化运动方程式6转矩控制是运动控制的根本问题转矩控制是运动控制的根本问题磁链控制同样重要磁链控制同样重要7生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩生产机械的负载转矩TL是一个必然存是一个必然存在的不可控扰动输入。在的不可控扰动输入。8恒

3、转矩负载恒转矩负载a）位能性恒转矩负载）位能性恒转矩负载 b) 反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载9恒功率负载恒功率负载10直流调速系统直流调速系统电枢回路11调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通； （3）改变电枢回路电阻。12nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线13nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线14nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线15第第2章章转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统 16晶闸管整流器-电动机系统 17电流连续时V-M系统的机械特

4、性 18晶闸管触发电路与整流装置的传递函数输入输出关系为19直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统20电压和电流波形 不可逆不可逆PWM变换器变换器-直流电动机系统直流电动机系统21一般电动状态的电压、电流波形 有制动电流通路的不可逆有制动电流通路的不可逆PWM变换器变换器-直流电动机系统直流电动机系统22图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统的正脉冲比负脉冲窄 ， 始终为负。 制动状态的电压、电流波形 23 (d) 轻载电动状态的电流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四个管子轮流导通。 24直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性25转速控制的要求和稳态调

5、速性能指标转速控制的要求和稳态调速性能指标调速范围调速范围静差率静差率s26图2-14 不同转速下的静差率特性a和b的硬度相同，特性a和b额定速降相同，特性a和b的静差率不相同。 静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准27调速范围、静差率和额定速降之间的关系28转速反馈控制直流调速系统 2930转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图 31图2-21 额定励磁下直流电动机的动态结构框图(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c)直流电动机的动态结构框图32反馈控制规律332.4 直流调速系统的数字控制34数字测速方法的精度指标当被测转速由n1变为n2时，引起记数值增量为1，

6、则该测速方法的分辨率是转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率35M法测速记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率法测速。 (2-77)36M法测速分辨率为 （2-78）M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。M法的测速误差率的最大值为 （2-79）max与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈大。 37T法测速T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速。准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的，即 ，电动机转速为 （2-80）38T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成(M2-1)时转速

7、的变化量， （2-81）综合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82)T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。39M/T法测速在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数值减小，测速装置的分辨能力越来越差。综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法，它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力和检测精度。40在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。在低速段，M11，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。412.5.2

8、带电流截止负反馈环节的 直流调速系统图2-38电流截止负反馈环节（a）利用独立直流电源作比较电压（b）利用稳压管产生比较电压42图2-40 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图43图2-41带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性CA段 : 电流负反馈被截止 AB段 : 电流负反馈起作用44第第3章章 转速、电流反馈控制转速、电流反馈控制的直流调速系统的直流调速系统 45起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。 图3-1 时间最优的理想过渡过程46图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系

9、数47AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm, n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm, nn0。图3-4 双闭环直流调速系统的静特性48根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 (3-6)电流反馈系数 (3-7)两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。493.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析3.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图50图3-6 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以

10、后又下降并经调节后到达稳态值IdL。51双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点： （1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制 523.3 转速、电流反馈控制直流调速系统的设计3.3.1 控制系统的动态性能指标在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。53图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标上升时间 峰值时间 调节时间 超调量 54图3-9 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标动态降落 恢复时间 55调节器的工程设计方法 常把型和型系统作为系统设计的目标。56K值越大，截止频率c

11、 也越大，系统响应越快，相角稳定裕度 越小，快速性与稳定性之间存在矛盾。在选择参数 K 时，须在快速性与稳定性之间取折衷。57参数关系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超调量 上升时间 tr峰值时间 tp 相角稳定裕度 截止频率c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T表3-1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系58

12、 定义中频宽：(3-23)中频宽表示了斜率为20dB/sec的中频的宽度，是一个与性能指标紧密相关的参数。59采用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，可以找到和两个参数之间的一种最佳配合。(3-25)(3-26)在确定了h之后，可求得 (3-29) (3-30)“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则：对于一定的h值，只有一个确定的c(或K)，可得到最小的闭环幅频特性峰值Mrmin60 h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 11.65 237.6% 2.85 9.55 2 33.2% 3.0 10.4

13、5 129.8% 3.1 11.30 127.2% 3.2 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1表3-4 典型型系统阶跃输入跟随性能指标(按Mrmin准则确定参数关系)以h=5的动态跟随性能比较适中。 61（控制结构和扰动作用点如图3-15所示，参数关系符合 准则） h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6%

14、3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85表3-5 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系Cb = 2FK2T62控制对象的工程近似处理方法高频段小惯性环节的近似处理高阶系统的降阶近似处理低频段大惯性环节的近似处理633.3.3按工程设计方法设计转速、电流反馈控制直流调速系统的调节器用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。先从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正典型I型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一

15、个环节，再用同样的方法设计转速环为典型II型系统。64（3）内、外环开环对数幅频特性的比较外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。 图3-26 双闭环调速系统内环和外环的开环对数幅频特性I电流内环 n转速外环65第第5章章基于稳态模型的异步电动基于稳态模型的异步电动机调速系统机调速系统 66异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路图图5-1 异步电动机异步电动机T型等效电路型等效电路假定条件：假定条件：忽略空间和时间谐波，忽略空间和时间谐波，忽略磁饱和，忽略磁饱和，忽略铁损忽略铁损67异步电动机稳态等效电路异步电动机稳态等效电路l简化等效电路的相电流幅值简化等效电

16、路的相电流幅值68异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机传递的电磁功率异步电动机传递的电磁功率 l机械同步角速度机械同步角速度 69异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性l异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）70异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 l临界转差率：对应最大转矩的转差率临界转差率：对应最大转矩的转差率71异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性对对s求导，并令求导，并令 l最大转矩，又称临界转矩最大转矩，又称临界转矩 72不同控制方式下的机械特性不同控制方式下的机械特性 a）恒压频比控制）恒压频

17、比控制b）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制c）恒气隙磁通控制）恒气隙磁通控制d）恒转子磁通控制）恒转子磁通控制73 5.4 电力电子变压变频器电力电子变压变频器74脉冲宽度调制技术脉冲宽度调制技术l现现代代变变频频器器中中用用得得最最多多的的控控制制技技术术是是脉脉冲冲宽宽度度调调制制（Pulse Width Modulation），简简称称PWM。l基基本本思思想想是是控控制制逆逆变变器器中中电电力力电电子子器器件件的的开开通通或或关关断断，输输出出电电压压为为幅幅值值相相等等、宽宽度度按按一一定定规规律律变变化化的的脉脉冲冲序序列列，用用这这样样的的高高频频脉脉冲序列代替期望的输出电压。冲序

18、列代替期望的输出电压。755.4.2正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术l以以频频率率与与期期望望的的输输出出电电压压波波相相同同的的正正弦弦波波作作为为调调制制波波，以以频频率率比比期期望望波波高高得得多的等腰三角波作为载波。多的等腰三角波作为载波。l由由它它们们的的交交点点确确定定逆逆变变器器开开关关器器件件的的通通断断时时刻刻，从从而而获获得得幅幅值值相相等等、宽宽度度按按正正弦弦规规律律变变化化的的脉脉冲冲序序列列，这这种种调调制制方方法法称称作作正正弦弦波波脉脉宽宽调调制制（Sinusoidal pulse Width Modulation， 简简 称称SPWM）。）。765.4.2

19、 正弦波脉宽调制技术正弦波脉宽调制技术图图5-17 三相三相PWM逆变器双极逆变器双极性性SPWM波形波形a) 三相正弦调制波与三相正弦调制波与双极性三角载波双极性三角载波b）、）、c）、）、d）三相）三相电压电压e）输出线电压）输出线电压f）电动机相电压）电动机相电压775.4.4 电流跟踪电流跟踪PWM控制技术控制技术图图5-19 电电流流滞滞环环跟跟踪踪控制的控制的A相原理图相原理图785.4.5 电压空间矢量电压空间矢量PWM（SVPWM）控制技术）控制技术l把把逆逆变变器器和和交交流流电电动动机机视视为为一一体体，以以圆圆形形旋旋转转磁磁场场为为目目标标来来控控制制逆逆变变器器的的工

20、工作作，这这种种控控制制方方法法称称作作“磁磁链链跟跟踪踪控控制制”，磁磁链链轨轨迹迹的的控控制制是是通通过过交交替替使使用用不不同同的的电电压压空空间间矢矢量量实实 现现 的的 ， 所所 以以 又又 称称 “电电 压压 空空 间间 矢矢 量量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控控制制”。79空间矢量的定义空间矢量的定义l交交流流电电动动机机绕绕组组的的电电压压、电电流流、磁磁链链等等物物理理量量都都是是随随时时间间变变化化的的，如如果果考考虑虑到到它它们们所所在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。在绕组的空间位置，可以定义为空间矢量。l 定义三相定子电压空间矢量定义三相定

21、子电压空间矢量 k为待定系数为待定系数 80空间矢量的合成空间矢量的合成l三相合成矢量三相合成矢量图图5-21 电压空间矢量电压空间矢量的合成矢量的合成矢量 81电压与磁链空间矢量的关系电压与磁链空间矢量的关系 图图5-22 旋转磁场与电压空旋转磁场与电压空间矢量的运动轨迹间矢量的运动轨迹图图5-23 电压矢量圆轨迹电压矢量圆轨迹82 838个基本空间矢量个基本空间矢量l2个零矢量个零矢量l6个有效工作矢量个有效工作矢量幅值为幅值为 空间互差空间互差 84基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图图图5-24 基本电压空间矢量图基本电压空间矢量图85正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l6个有

22、效工作矢量完成一个周期，输出基波个有效工作矢量完成一个周期，输出基波电压角频率电压角频率 l6个有效工作矢量个有效工作矢量每个有效工作矢量作用每个有效工作矢量作用 顺序分别作用顺序分别作用t时间，并使时间，并使 86正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 图图5-26 正六边形定子磁链轨迹正六边形定子磁链轨迹l在一个周期内，在一个周期内，6个有效工作矢量个有效工作矢量顺序作用一次，顺序作用一次，定子磁链矢量是定子磁链矢量是一个封闭的正六一个封闭的正六边形。边形。87正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l正六边形定子磁链的大小与直流侧电压正六边形定子磁链的大小与直流侧电压成正比，而与电源

23、角频率成反比。成正比，而与电源角频率成反比。 88正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在基频以下调速时，应保持正六边形定在基频以下调速时，应保持正六边形定子磁链的最大值恒定。子磁链的最大值恒定。l若直流侧电压恒定，则若直流侧电压恒定，则1越小时，越小时， t越越大，势必导致大，势必导致 增大。增大。89正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l要保持正六边形定子磁链不变，必须使要保持正六边形定子磁链不变，必须使 l在变频的同时必须调节直流电压，造成了控在变频的同时必须调节直流电压，造成了控制的复杂性。制的复杂性。90正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效的方法是插入零矢量有

24、效的方法是插入零矢量l当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量当零矢量作用时，定子磁链矢量的增量表明定子磁链矢量停留不动。表明定子磁链矢量停留不动。 91正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l有效工作矢量作用时间有效工作矢量作用时间当 l零矢量作用时间零矢量作用时间l定子磁链矢量的增量为定子磁链矢量的增量为92正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在时间在时间t1段内，定子磁链矢量轨迹沿着有段内，定子磁链矢量轨迹沿着有效工作电压矢量方向运行。效工作电压矢量方向运行。l在时间在时间t0段内，零矢量起作用，定子磁链段内，零矢量起作用，定子磁链矢量轨迹停留在原地，等待下一个有效工作矢量轨迹停留

25、在原地，等待下一个有效工作矢量的到来。矢量的到来。l正六边形定子磁链的最大值正六边形定子磁链的最大值93正六边形空间旋转磁场正六边形空间旋转磁场 l在直流电压不变的条件下，要保持在直流电压不变的条件下，要保持l输出频率越低，输出频率越低，t越大，零矢量作用时间越大，零矢量作用时间t0也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越也越大，定子磁链矢量轨迹停留的时间越长。长。l由此可知，由此可知，零矢量的插入有效地解决了定子零矢量的插入有效地解决了定子磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾磁链矢量幅值与旋转速度的矛盾。恒定，只要使恒定，只要使t1为常数即可。为常数即可。94期望电压空间矢量的合成期望电压空间矢量的合成

26、 l在一个开关周期在一个开关周期 T0图5-28 期望输出电压矢量的合成的作用时间的作用时间 的作用时间的作用时间 l合成电压矢量合成电压矢量95SVPWM的实现的实现 l通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，通常以开关损耗和谐波分量都较小为原则，来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般来安排基本矢量和零矢量的作用顺序，一般在减少开关次数的同时，尽量使在减少开关次数的同时，尽量使PWM输出输出波型对称，以减少谐波分量。波型对称，以减少谐波分量。 96零矢量集中的实现方法零矢量集中的实现方法 l按照对称原则，将两个基本电压矢量的作按照对称原则，将两个基本电压矢量的作用时间平分为二后，安放在开关周期

27、的首端用时间平分为二后，安放在开关周期的首端和末端。和末端。l零矢量的作用时间放在开关周期的中间，零矢量的作用时间放在开关周期的中间，并按开关次数最少的原则选择零矢量。并按开关次数最少的原则选择零矢量。l在一个开关周期内，有一相的状态保持不在一个开关周期内，有一相的状态保持不变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有变，从一个矢量切换到另一个矢量时，只有一相状态发生变化，因而一相状态发生变化，因而开关次数少，开关开关次数少，开关损耗小损耗小。 97零矢量集中的实现方法零矢量集中的实现方法 图图5-29 零矢量集中的零矢量集中的SVPWM实现实现98零矢量分散的实现方法零矢量分散的实现方法 图图5-

28、30 零矢量分布的零矢量分布的SVPWM实现实现997步完成步完成的定子磁链的定子磁链 图图5-32定子磁链矢量的运动定子磁链矢量的运动的的7步轨迹步轨迹100SVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 图图5-34 定子旋转磁链矢量轨迹定子旋转磁链矢量轨迹l定子磁链矢量轨迹定子磁链矢量轨迹 101SVPWM控制的定子磁链控制的定子磁链 l实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链实际的定子磁链矢量轨迹在期望的磁链圆周围波动。圆周围波动。N越大，磁链轨迹越接近于越大，磁链轨迹越接近于圆，但开关频率随之增大。圆，但开关频率随之增大。l由于由于N是有限的，所以磁链轨迹只能接是有限的，所以磁链轨迹只能接近于圆，

29、而不可能等于圆。近于圆，而不可能等于圆。102第第6章章基于动态模型的异步电基于动态模型的异步电动机调速系统动机调速系统 1036.2 异步电动机的三相数学模型异步电动机的三相数学模型图图6-1 三相异步电动机的物理模型三相异步电动机的物理模型l定子三相绕定子三相绕组轴线组轴线A、B、C在空间是固在空间是固定的。定的。l转子绕组轴转子绕组轴线线a、b、c随随转子旋转。转子旋转。 104异步电动机三相原始模型的异步电动机三相原始模型的非独立性非独立性l异异步步电电动动机机三三相相绕绕组组为为Y无无中中线线连连接接，若若为为连接，可等效为连接，可等效为Y连接。连接。l可可以以证证明明：异异步步电电

30、动动机机三三相相数数学学模模型型中中存存在一定的约束条件在一定的约束条件105异步电动机三相原始模型的异步电动机三相原始模型的非独立性非独立性l三三相相变变量量中中只只有有两两相相是是独独立立的的，因因此此三三相相原原始始数数学学模模型型并并不不是是物物理理对对象象最最简洁的描述简洁的描述。l完完全全可可以以而而且且也也有有必必要要用用两两相相模模型型代代替。替。1066.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两两极极直直流流电电动动机机的的物物理理模模型型，F为为励励磁磁绕绕组组，A为为电电枢枢绕绕组组，C为为补补偿偿绕绕组组。F和和C都都在在定定子子上，上，A在转子上。在转子上。图

31、6-2 二极直流电动机的物理模型F励磁绕组 A电枢绕组 C补偿绕组1076.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l三三相相变变量量中中只只有有两两相相为为独独立立变变量量，完完全全可可以以也应该消去一相。也应该消去一相。l所所以以，三三相相绕绕组组可可以以用用相相互互独独立立的的两两相相正正交交对对称称绕绕组组等等效效代代替替，等等效效的的原原则则是是产产生生的的磁磁动势相等动势相等。1086.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路图6-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型 1096.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路图图6-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的静止两

32、相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型物理模型1106.4.2 旋转正交坐标系中的动态旋转正交坐标系中的动态数学模型数学模型图图6-8 定子定子 、转子、转子 坐标系到旋转正交坐标系的变换坐标系到旋转正交坐标系的变换a）定子）定子 、转子坐标系、转子坐标系 b）旋转正交坐标系）旋转正交坐标系1116.6.1按转子磁链定向的同步旋按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程转正交坐标系状态方程图图6-17 静止正交坐标系与按转子磁链定向的同步静止正交坐标系与按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系旋转正交坐标系旋转正交旋转正交dq坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量同

33、步旋转的坐标系。令同步旋转的坐标系。令d轴与转子磁链矢量重合，称作轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称mt坐标系。坐标系。1126.6.1按转子磁链定向的同步旋按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程转正交坐标系状态方程lm轴与转子磁链矢量重合轴与转子磁链矢量重合l为了保证为了保证m轴与转子磁链矢量始终重合，还轴与转子磁链矢量始终重合，还必须使必须使 1136.6.1按转子磁链定向的同步旋按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程转正交坐标系状态方程lmt坐标系中的电磁转矩表达式坐标系中的电磁转矩表达式 l定子电流励磁分量

34、定子电流励磁分量 l定子电流转矩分量定子电流转矩分量 1146.6.2按转子磁链定向矢量控制按转子磁链定向矢量控制的基本思想的基本思想l按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分按转子磁链定向仅仅实现了定子电流两个分量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性量的解耦，电流的微分方程中仍存在非线性和交叉耦合。和交叉耦合。l采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，采用电流闭环控制，可有效抑制这一现象，使实际电流快速跟随给定值。使实际电流快速跟随给定值。1156.6.2按转子磁链定向矢量控制按转子磁链定向矢量控制的基本思想的基本思想图图6-19 异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型异步电动机矢量变换及等效直

35、流电动机模型1166.6.2按转子磁链定向矢量控制按转子磁链定向矢量控制的基本思想的基本思想图图6-20 矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图1176.6.2按转子磁链定向矢量控制按转子磁链定向矢量控制的基本思想的基本思想图图6-21 简化后的等效直流调速系统简化后的等效直流调速系统1186.6.2按转子磁链定向矢量控制按转子磁链定向矢量控制的基本思想的基本思想l矢量控制系统就相当于直流调速系统。矢量控制系统就相当于直流调速系统。l矢矢量量控控制制交交流流变变压压变变频频调调速速系系统统在在静静、动态性能上可以与直流调速系统媲美。动态性能上可以与直流调速系统媲美。1196.6.3按转子

36、磁链定向矢量控制按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控制方式系统的电流闭环控制方式 图图6-22 电流闭环控制后的系统结构图电流闭环控制后的系统结构图l转子磁链环节为稳定的惯性环节，可以采用闭转子磁链环节为稳定的惯性环节，可以采用闭环控制，也可以采用开环控制方式；而转速通环控制，也可以采用开环控制方式；而转速通道存在积分环节，必须加转速外环使之稳定。道存在积分环节，必须加转速外环使之稳定。120电流闭环控制电流闭环控制图图6-23 三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图121电流闭环控制电流闭环控制图图6-24 定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控定子电

37、流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图制系统结构图1226.6.5 转子磁链计算转子磁链计算l转转子子磁磁链链的的直直接接检检测测比比较较困困难难，多多采采用用按按模型计算的方法。模型计算的方法。l利利用用容容易易测测得得的的电电压压、电电流流或或转转速速等等信信号号，借借助助于于转转子子磁磁链链模模型型，实实时时计计算算磁磁链链的的幅幅值值与空间位置与空间位置。l在在计计算算模模型型中中，由由于于主主要要实实测测信信号号的的不不同同，又分为电流模型和电压模型两种。又分为电流模型和电压模型两种。123计算转子磁链的电流模型计算转子磁链的电流模型 l根根据据描描述述磁磁链链与与电电流流

38、关关系系的的磁磁链链方方程程来来计计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型。算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型。l在在坐标系上计算转子磁链的电流模型坐标系上计算转子磁链的电流模型 124计算转子磁链的电流模型计算转子磁链的电流模型图图6-29 在在坐标系计算转子磁链的电流模型坐标系计算转子磁链的电流模型125计算转子磁链的电流模型计算转子磁链的电流模型 l在在mt坐标系上计算转子磁链的电流模型坐标系上计算转子磁链的电流模型 126计算转子磁链的电流模型计算转子磁链的电流模型图图6-30 在在mt坐标系计算转子磁链的电流模型坐标系计算转子磁链的电流模型127计算转子磁链的电流模型计算转子磁链的电

39、流模型 l上上述述两两种种计计算算转转子子磁磁链链的的电电流流模模型型都都需需要要实实测测的的电电流流和和转转速速信信号号，不不论论转转速速高高低低时时都都能能适适用。用。l受受电电动动机机参参数数变变化化的的影影响响。电电动动机机温温升升和和频频率率变变化化都都会会影影响响转转子子电电阻阻，磁磁饱饱和和程程度度将将影影响响电感。电感。l这这些些影影响响都都将将导导致致磁磁链链幅幅值值与与位位置置信信号号失失真真，而而反反馈馈信信号号的的失失真真必必然然使使磁磁链链闭闭环环控控制制系系统统的的性能降低，这是电流模型的不足之处。性能降低，这是电流模型的不足之处。128计算转子磁链的电压模型计算转

40、子磁链的电压模型 l根根据据电电压压方方程程中中感感应应电电动动势势等等于于磁磁链链变变化化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链。率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链。l在在坐标系上计算转子磁链的电压模型坐标系上计算转子磁链的电压模型 129计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型图图6-31 计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型130计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型 l电电压压模模型型包包含含纯纯积积分分项项，积积分分的的初初始始值值和和累累积积误误差差都都影影响响计计算算结结果果，在在低低速速时时，定定子子电阻压降变化的影响也较大。电阻压降变化的影响也较大。l电

41、电压压模模型型更更适适合合于于中中、高高速速范范围围，而而电电流流模模型型能能适适应应低低速速。有有时时为为了了提提高高准准确确度度，把把两种模型结合起来。两种模型结合起来。1316.7异步电动机按定子磁链控制异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统的直接转矩控制系统l直直接接转转矩矩控控制制系系统统的的基基本本思思想想是是根根据据定定子子磁磁链链幅幅值值偏偏差差的的正正负负符符号号和和电电磁磁转转矩矩偏偏差差的的正正负负符符号号，再再依依据据当当前前定定子子磁磁链链矢矢量量所所在在的的位位置置，直直接接选选取取合合适适的的电电压压空空间间矢矢量量，减减小小定定子子磁磁链链幅幅值值的的偏偏差

42、差和和电电磁磁转转矩矩的的偏偏差差，实实现电磁转矩与定子磁链的控制。现电磁转矩与定子磁链的控制。1326.7.1定子电压矢量对定子磁链定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用与电磁转矩的控制作用l转差频率转差频率 l将旋转坐标系将旋转坐标系dq按定子磁链定向，把电压按定子磁链定向，把电压矢量沿矢量沿dq轴分解。轴分解。l d轴分量决定了定子磁链幅值的增减。轴分量决定了定子磁链幅值的增减。l 1336.7.1定子电压矢量对定子磁链定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用与电磁转矩的控制作用lq轴分量决定定子磁链矢量的旋转角速度，轴分量决定定子磁链矢量的旋转角速度，从而决定转差频率和电磁转矩。

43、从而决定转差频率和电磁转矩。1346.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用为为“+”时，定子磁链幅值加大；时，定子磁链幅值加大； 为为“-”时，定子磁链幅值减小；时，定子磁链幅值减小；为为“0”时，定子磁链幅值维持不变。时，定子磁链幅值维持不变。l d轴分量轴分量usd1356.7.1定子电压矢量对定子磁链与定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用电磁转矩的控制作用为为“+”时时，定定子子磁磁链链矢矢量量正正向向旋旋转转，转转差差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大；频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大；为为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，电流时，定子磁链矢量反向旋转，电流转矩分量急剧变负，产生制动转矩；转矩分量急剧变负，产生制动转矩；为为“0”时，定子磁链矢量停在原地，转差时，定子磁链矢量停在原地，转差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小 。l q轴分量轴分量1366.7.2基于定子磁链控制的直接转基于定子磁链控制的直接转矩控制系统矩控制系统图图6-40 直接转矩控制系统原理结构图直接转矩控制系统原理结构图1376.7.2基于定子磁链控制的直接转基于定子磁链控制的直接转矩控制系统矩控制系统138