《第章基于动态模型的异步电动机调速系统电力拖动自动控制系统第版阮毅陈伯时》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第章基于动态模型的异步电动机调速系统电力拖动自动控制系统第版阮毅陈伯时（189页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统第第6章章基于动态模型的异基于动态模型的异步电动机调速系统步电动机调速系统 基于动态模型的异步电动机调速基于动态模型的异步电动机调速l异异步步电电动动机机具具有有非非线线性性、强强耦耦合合、多多变变量量的的性性质质，要要获获得得高高动动态态调调速速性性能能，必必须须从从动动态态模模型型出出发发，分分析析异异步步电电动动机机的的转转矩矩和和磁磁链链控控制制规规律律，研究高性能异步电动机的调速方案。研究高性能异步电动机的调速方案。l矢矢量量控控制制和和直直接接转转矩矩控控制制是是已已经经获获得得成成熟熟应应用用的的两两种种基基于于动
2、动态态模模型型的的高性能交流电动机调速系统。高性能交流电动机调速系统。基于动态模型的异步电动机调速基于动态模型的异步电动机调速l矢矢量量控控制制系系统统通通过过矢矢量量变变换换和和按按转转子子磁磁链链定定向向，得得到到等等效效直直流流电电动动机机模型，然后模仿直流电动机控制。模型，然后模仿直流电动机控制。l直直接接转转矩矩控控制制系系统统利利用用转转矩矩偏偏差差和和定定子子磁磁链链幅幅值值偏偏差差的的符符号号，根根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定定子子电电压压矢矢量量，实实施施电电磁转矩和定子磁链的控制。磁转矩和定子磁链的控制。内内 容容
3、 提提 要要n异步电动机动态数学模型的性质异步电动机动态数学模型的性质n异步电动机三相数学模型异步电动机三相数学模型n坐标变换坐标变换n异异步步电电动动机机在在正正交交坐坐标标系系上上的的动动态态数数学学模型模型n异步电动机在正交坐标系上的状态方程异步电动机在正交坐标系上的状态方程内内 容容 提提 要要n异异步步电电动动机机按按转转子子磁磁链链定定向向的的矢矢量量控控制制系统系统n异异步步电电动动机机按按定定子子磁磁链链控控制制的的直直接接转转矩矩控制系统控制系统n直直接接转转矩矩控控制制系系统统与与矢矢量量控控制制系系统统的的比比较较6.1异步电动机动态数学模型异步电动机动态数学模型的性质的
4、性质l电电磁磁耦耦合合是是机机电电能能量量转转换换的的必必要要条条件件，电电流流与与磁磁通通的的乘乘积积产产生生转转矩矩，转转速速与与磁磁通通的的乘积得到感应电动势。乘积得到感应电动势。l无无论论是是直直流流电电动动机机，还还是是交交流流电电动动机机均均如如此。此。l交交、直直流流电电动动机机结结构构和和工工作作原原理理的的不不同同，其表达式差异很大。其表达式差异很大。6.1异步电动机动态数学模型异步电动机动态数学模型的性质的性质l他他励励式式直直流流电电动动机机的的励励磁磁绕绕组组和和电电枢枢绕绕组组相相互互独独立立，励励磁磁电电流流和和电电枢枢电电流流单单独独可可控控，励励磁磁和和电电枢枢
5、绕绕组组各各自自产产生生的的磁磁动动势势在在空空间间无交叉耦合。无交叉耦合。l气气隙隙磁磁通通由由励励磁磁绕绕组组单单独独产产生生，而而电电磁磁转转矩正比于磁通与电枢电流的乘积。矩正比于磁通与电枢电流的乘积。l保保持持励励磁磁电电流流恒恒定定，只只通通过过电电枢枢电电流流来来控控制电磁转矩。制电磁转矩。6.1异步电动机动态数学模型异步电动机动态数学模型的性质的性质l异步电动机的动态数学模型是一个高阶、异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。非线性、强耦合的多变量系统。（1）异步电动机变压变频调速时需要进行）异步电动机变压变频调速时需要进行电压（或电流）和频率的协调控制，
6、有电电压（或电流）和频率的协调控制，有电压（或电流）和频率两种独立的输入变量。压（或电流）和频率两种独立的输入变量。在输出变量中，除转速外，磁通也是一个在输出变量中，除转速外，磁通也是一个输出变量。输出变量。6.1异步电动机动态数学模型异步电动机动态数学模型的性质的性质（2）异步电动机无法单独对磁通进行控制，）异步电动机无法单独对磁通进行控制，电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通产生感电流乘磁通产生转矩，转速乘磁通产生感应电动势，在数学模型中含有两个变量的应电动势，在数学模型中含有两个变量的乘积项。乘积项。（3）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦）三相异步电动机三相绕组存在交叉耦合，每个绕组都有各自的
7、电磁惯性，再考合，每个绕组都有各自的电磁惯性，再考虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积虑运动系统的机电惯性，转速与转角的积分关系等，动态模型是一个高阶系统。分关系等，动态模型是一个高阶系统。6.2 异步电动机的三相数学异步电动机的三相数学模型模型l作如下的假设：作如下的假设：（1）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生）忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。的磁动势沿气隙按正弦规律分布。（2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。都是恒定的。（3）忽略铁心损耗。）忽略铁心损耗。（4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电）不考虑频率变化和温度
8、变化对绕组电阻的影响。阻的影响。6.2 异步电动机的三相数学异步电动机的三相数学模型模型l无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相等。l异步电动机三相绕组可以是异步电动机三相绕组可以是Y连接，也可连接，也可以是以是连接。若三相绕组为连接。若三相绕组为连接，可先连接，可先用用Y变换，等效为变换，等效为Y连接。然后，按连接。然后，按Y连接进行分析和设计。连接进行分析和设计。6.2 异步电动机的三相数学异步电动机的三相数学
9、模型模型图图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。 6.2.1 异步电动机三相动态异步电动机三相动态模型的数学表达式模型的数学表达式l异步电动机的动态模型由磁链方程、电压异步电动机的动态模型由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成。方程、转矩方程和运动方程组成。l磁链方程和转矩方程为代数方程磁链方程和转矩方程为代数方程l电压方程和运动方程为微分方程电压方程和运动方程为微分方程磁链方程磁链方程 l异异步步电电动动机机每每个个绕绕组组的的磁磁
10、链链是是它它本本身身的的自自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和自感自感l或写成或写成l定子各相自感定子各相自感l转子各相自感转子各相自感互感互感l绕组之间的互感又分为两类绕组之间的互感又分为两类定定子子三三相相彼彼此此之之间间和和转转子子三三相相彼彼此此之之间间位位置都是固定的，故互感为常值；置都是固定的，故互感为常值；定定子子任任一一相相与与转转子子任任一一相相之之间间的的相相对对位位置置是变化的，互感是角位移的函数。是变化的，互感是角位移的函数。定子三相间或转子三相间互感定子三相间或转子三相间互感l三相绕组轴线彼此在空间的相位差三相绕组轴线彼此在空间的相位
11、差l互感互感 l定子三相间或转子三相间互感定子三相间或转子三相间互感定、转子绕组间的互感定、转子绕组间的互感 l由于相互间位置的变化可分别表示为由于相互间位置的变化可分别表示为l当当定定、转转子子两两相相绕绕组组轴轴线线重重合合时时，两两者者之之间的互感值最大间的互感值最大 磁链方程磁链方程l磁链方程，用分块矩阵表示磁链方程，用分块矩阵表示 式中式中电感矩阵电感矩阵l定子电感矩阵定子电感矩阵l转子电感矩阵转子电感矩阵电感矩阵电感矩阵l定、转子互感矩阵定、转子互感矩阵l变参数、非线性、时变变参数、非线性、时变 电压方程电压方程l三相绕组电压平衡方程三相绕组电压平衡方程 电压方程电压方程l将电压方
12、程写成矩阵形式将电压方程写成矩阵形式 电压方程电压方程l把磁链方程代入电压方程，展开把磁链方程代入电压方程，展开 电压方程电压方程l电电流流变变化化引引起起的的脉脉变变电电动动势势，或或称称变变压压器器电动势电动势l定定、转转子子相相对对位位置置变变化化产产生生的的与与转转速速成成正正比的旋转电动势比的旋转电动势 转矩方程和运动方程转矩方程和运动方程 l转矩方程转矩方程l运动方程运动方程 l转角方程转角方程 6.2.2 异步电动机三相原始异步电动机三相原始模型的性质模型的性质l非线性强耦合性非线性强耦合性非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与非线性耦合体现在电压方程、磁链方程与转矩方程。既存在定
13、子和转子间的耦合，转矩方程。既存在定子和转子间的耦合，也存在三相绕组间的交叉耦合。也存在三相绕组间的交叉耦合。l非线性变参数非线性变参数旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间旋转电动势和电磁转矩中都包含变量之间的乘积，这是非线性的基本因素。定转子的乘积，这是非线性的基本因素。定转子间的相对运动，导致其夹角间的相对运动，导致其夹角 不断变化，不断变化，使得互感矩阵为非线性变参数矩阵。使得互感矩阵为非线性变参数矩阵。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
14、以以证证明明：异异步步电电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。6.3 坐标变换坐标变换l异异步步电电动动机机三三相相原原始始动动态态模模型型相相当当复复杂杂，简化的基本方法就是坐标变换。简化的基本方法就是坐标变换。l异异步步电电动动机机数数学学模模型型之之所所以以复复杂杂，关
15、关键键是是因因为为有有一一个个复复杂杂的的电电感感矩矩阵阵和和转转矩矩方方程程，它它们们体体现现了了异异步步电电动动机机的的电电磁磁耦耦合合和和能能量量转换的复杂关系。转换的复杂关系。l要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手。要简化数学模型，须从电磁耦合关系入手。6.3.1 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在在转转子上。子上。图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6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思
16、路l把把F的轴线称作直轴或的轴线称作直轴或d轴，主磁通的方向就轴，主磁通的方向就是沿着是沿着d轴的；轴的；A和和C的轴线则称为交轴或的轴线则称为交轴或q轴。轴。l虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路。刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路。电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相同的。同的。6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其效轴位置上，其
17、效果好象一个在果好象一个在q轴上静止的绕组一样。轴上静止的绕组一样。l但它实际上是旋转的，会切割但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而轴的磁通而产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不同。同。l把这种等效的静止绕组称作把这种等效的静止绕组称作“伪静止绕组伪静止绕组”。6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与消，或者由于其作用方向与d轴垂直而对主轴垂直而对主磁通影响甚微。磁通影响甚微。l所以直流电动机的主磁通基本上由励磁绕组所以直流电动机的主磁通基本上
18、由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电动机的数学模的励磁电流决定，这是直流电动机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。型及其控制系统比较简单的根本原因。6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l如如果果能能将将交交流流电电动动机机的的物物理理模模型型等等效效地地变变换换成成类类似似直直流流电电动动机机的的模模式式，分分析析和和控控制制就就可可以大大简化。以大大简化。l坐标变换正是按照这条思路进行的。坐标变换正是按照这条思路进行的。l不不同同坐坐标标系系中中电电动动机机模模型型等等效效的的原原则则是是：在在不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等。不同坐标下绕组所产生的合成磁动势相等。6.
19、3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l在在交交流流电电动动机机三三相相对对称称的的静静止止绕绕组组A、B、C中中，通通以以三三相相平平衡衡的的正正弦弦电电流流，所所产产生生的的合合成成磁磁动动势势是是旋旋转转磁磁动动势势F，它它在在空空间间呈呈正正弦弦分分布布，以以同同步步转转速速（即即电电流流的的角角频频率率）顺顺着着A-B-C的相序旋转。的相序旋转。l任任意意对对称称的的多多相相绕绕组组，通通入入平平衡衡的的多多相相电电流流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。6.3.1 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
20、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。6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l所谓独立是指两相绕组间无约束条件所谓独立是指两相绕组间无约束条件l所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等所谓对称是指两相绕组的匝数和阻值相等 l所谓正交是指两相绕组在空间互差所谓正交是指两相绕组在空间互差 6.3.1 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 6.3.1
21、 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两两相相绕绕组组，通通以以两两相相平平衡衡交交流流电电流流，也也能产生旋转磁动势。能产生旋转磁动势。l当当三三相相绕绕组组和和两两相相绕绕组组产产生生的的旋旋转转磁磁动动势势大大小小和和转转速速都都相相等等时时，即即认认为为两两相相绕绕组与三相绕组等效，这就是组与三相绕组等效，这就是3/2变换。变换。6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l两两个个匝匝数数相相等等相相互互正正交交的的绕绕组组d、q，分分别别通通以以直直流流电电流流，产产生生合合成成磁磁动动势势F，其其位置相对于绕组来说是固定的。位置相对于绕组来说是固定的。l如如果果人人为为地地
22、让让包包含含两两个个绕绕组组在在内内的的铁铁心心以以同同步步转转速速旋旋转转，磁磁动动势势F自自然然也也随随之之旋旋转起来，成为旋转磁动势。转起来，成为旋转磁动势。l如如果果旋旋转转磁磁动动势势的的大大小小和和转转速速与与固固定定的的交交流流绕绕组组产产生生的的旋旋转转磁磁动动势势相相等等，那那么么这这套套旋旋转转的的直直流流绕绕组组也也就就和和前前面面两两套套固固定的交流绕组都等效了。定的交流绕组都等效了。6.3.1 坐标变换的基本思路坐标变换的基本思路l当当观观察察者者也也站站到到铁铁心心上上和和绕绕组组一一起起旋旋转转时时，在在他他看看来来，d和和q是是两两个个通通入入直直流流而而相互垂
23、直的静止绕组。相互垂直的静止绕组。l如如果果控控制制磁磁通通的的空空间间位位置置在在d轴轴上上，就就和和直直流流电电动动机机物物理理模模型型没没有有本本质质上上的的区区别别了。了。l绕绕组组d相相当当于于励励磁磁绕绕组组，q相相当当于于伪伪静静止止的电枢绕组。的电枢绕组。6.3.1 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静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系的物理模型的物理模型6.3.2 三相三相-两相变换两相变换（3/2变换）变换）l三相绕组三相绕组A、B、C和两相绕组之间的和两相绕组之间的变换，称作三相坐标系和两相正交坐变换，称作三相坐标系和两相正交
24、坐标系间的变换，简称标系间的变换，简称3/2变换。变换。lABC和两个坐标系中的磁动势矢量，和两个坐标系中的磁动势矢量，将两个坐标系原点重合，并使将两个坐标系原点重合，并使A轴和轴和轴重合。轴重合。三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁按照磁动势相等的等效原则，三相合成磁动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组动势与两相合成磁动势相等，故两套绕组磁动势在磁动势在轴上的投影应相等。轴上的投影应相等。 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）图6-5 三相坐标系和两相正交坐标系中的磁动势矢量三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l写成矩
25、阵形式写成矩阵形式 l按照变换前后总功率不变，匝数比为按照变换前后总功率不变，匝数比为 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换矩阵矩阵 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称两相正交坐标系变换到三相坐标系（简称2/3变换）的变换矩阵变换）的变换矩阵 三相三相-两相变换（两相变换（3/2变换）变换）l考虑到考虑到 l也可以写作也可以写作 l电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同电压变换阵和磁链变换阵与电流变换阵相同 6.3.3 静止两相静止两相-旋转正交变换旋转正交
26、变换（2s/2r变换）变换） l从静止两相正交坐标系从静止两相正交坐标系到旋转正到旋转正交坐标系交坐标系dq的变换，称作静止两相的变换，称作静止两相-旋转正交变换，简称旋转正交变换，简称2s/2r变换，变换，其中其中s表示静止，表示静止，r表示旋转，变换表示旋转，变换的原则同样是产生的磁动势相等。的原则同样是产生的磁动势相等。静止两相静止两相-旋转正交变换旋转正交变换（2s/2r变换）变换） 图图6-6 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系中的磁动势矢量的磁动势矢量静止两相静止两相-旋转正交变换旋转正交变换（2s/2r变换）变换） l旋转正交变换旋转正交变换l
27、静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的静止两相正交坐标系到旋转正交坐标系的变换阵变换阵 静止两相静止两相-旋转正交变换旋转正交变换（2s/2r变换）变换） l旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的旋转正交坐标系到静止两相正交坐标系的变换阵变换阵 l电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换电压和磁链的旋转变换阵与电流旋转变换阵相同阵相同 6.4 异步电动机在正交坐标系上异步电动机在正交坐标系上的动态数学模型的动态数学模型l首先推导静止两相正交坐标系中的数学首先推导静止两相正交坐标系中的数学模型，然后推广到旋转正交坐标系。模型，然后推广到旋转正交坐标系。l由于运动方程不随坐标变换而变化，故由于运动方程不随
28、坐标变换而变化，故仅讨论电压方程、磁链方程和转矩方程。仅讨论电压方程、磁链方程和转矩方程。l在以下论述中，下标在以下论述中，下标s表示定子，下标表示定子，下标r表示转子。表示转子。6.4.1 静止两相正交坐标系中的静止两相正交坐标系中的动态数学模型动态数学模型l异异步步电电动动机机定定子子绕绕组组是是静静止止的的，只只要要进行进行3/2变换就行了。变换就行了。l转转子子绕绕组组是是旋旋转转的的，必必须须通通过过3/2变变换换和和旋旋转转到到静静止止的的变变换换，才才能能变变换换到到静止两相正交坐标系。静止两相正交坐标系。定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 l对对静静止止的的
29、定定子子三三相相绕绕组组和和旋旋转转的的转转子子三三相相绕绕组组进进行行相相同同的的3/2变变换换，变变换换后后的的定定子子两两相相正正交交坐坐标标系系静静止止，而而转转子子两两相相正正交交坐坐标标系系以以角角速速度度逆逆时针旋转。时针旋转。 定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 图图6-7 定子、转子坐标系到静止两相正交坐标系的变换定子、转子坐标系到静止两相正交坐标系的变换定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 l电压方程电压方程定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 l磁链方程磁链方程l转矩方程转矩方程定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组
30、的3/2变换变换 l3/2变变换换将将按按三三相相绕绕组组等等效效为为互互相相垂垂直直的的两两相相绕绕组组，消消除除了了定定子子三三相相绕绕组组、转转子三相绕组间的相互耦合。子三相绕组间的相互耦合。l定定子子绕绕组组与与转转子子绕绕组组间间仍仍存存在在相相对对运运动动，因因而而定定、转转子子绕绕组组互互感感阵阵仍仍是是非非线线性性的的变变参参数数阵阵。输输出出转转矩矩仍仍是是定定、转转子子电电流流及其定、转子夹角的函数。及其定、转子夹角的函数。定子绕组和转子绕组的定子绕组和转子绕组的3/2变换变换 l与与三三相相原原始始模模型型相相比比，3/2变变换换减减少少了了状状态态变变量量的的维维数数，
31、简简化化了了定定子子和转子的自感矩阵。和转子的自感矩阵。静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中的方程 l对对转转子子坐坐标标系系作作旋旋转转正正交交坐坐标标系系到到静静止止两两相相正正交交坐坐标标系系的的变变换换，使使其其与与定定子子坐坐标系重合，且保持静止。标系重合，且保持静止。l用用静静止止的的两两相相转转子子正正交交绕绕组组等等效效代代替替原原先转动的两相绕组。先转动的两相绕组。静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中的方程l电压方程电压方程静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中的方程l磁链方程磁链方程l转矩方程转矩方程静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中
32、的方程l旋旋转转变变换换改改变变了了定定、转转子子绕绕组组间间的的耦耦合合关关系系，将将相相对对运运动动的的定定、转转子子绕绕组组用用相相对对静静止止的的等等效效绕绕组组来来代代替替，消消除除了了定定、转转子子绕绕组组间间夹夹角角对对磁磁链链和转矩的影响。和转矩的影响。静止两相正交坐标系中的方程静止两相正交坐标系中的方程l旋旋转转变变换换的的优优点点在在于于将将非非线线性性变变参参数数的的磁磁链链方方程程转转化化为为线线性性定定常常的的方方程程，但但却却加加剧剧了了电电压压方方程程中中的的非非线线性性耦耦合合程程度度，将将矛矛盾盾从从磁磁链链方方程程转转移移到到电电压压方方程程中中来来了了，并
33、并没没有有改改变变对象的非线性耦合性质。对象的非线性耦合性质。6.4.2 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l对定子坐标系和转子坐标系同时施行旋对定子坐标系和转子坐标系同时施行旋转变换，把它们变换到同一个旋转正交转变换，把它们变换到同一个旋转正交坐标系坐标系dq上，上，dq相对于定子的旋转角相对于定子的旋转角速度为速度为6.4.2 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6.4.2
34、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l定子旋转变换阵定子旋转变换阵 l转子旋转变换阵转子旋转变换阵 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l电压方程电压方程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l磁链方程磁链方程l转矩方程转矩方程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l旋旋转转变变换换是是用用旋旋转转的的绕绕组组代代替替原原来来静静止止的的定定子子绕绕组组，并并使使等等效效的的转转子子绕绕组组与与等等效效的的定定子子绕绕组组重重合合，且且保保持持严严格格同同步步，等效后定、转子绕组间不存在相对运动。等效后
35、定、转子绕组间不存在相对运动。l旋旋转转正正交交坐坐标标系系中中的的磁磁链链方方程程和和转转矩矩方方程程与与静静止止两两相相正正交交坐坐标标系系中中相相同同，仅仅下下标发生变化。标发生变化。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l两两相相旋旋转转正正交交坐坐标标系系的的电电压压方方程程中中旋旋转转电电势势非非线线性性耦耦合合作作用用更更为为严严重重，这这是是因因为为不不仅仅对对转转子子绕绕组组进进行行了了旋旋转转变变换换，对对定子绕组也施行了相应的旋转变换。定子绕组也施行了相应的旋转变换。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l从从表表面面上上看看来
36、来，旋旋转转正正交交坐坐标标系系中中的的数数学学模模型型还还不不如如静静止止两两相相正正交交坐坐标标系系的的简简单单，实实际际上上旋旋转转正正交交坐坐标标系系的的优优点点在在于于增增加加了了一一个个输输入入量量1 1，提提高高了了系系统统控控制的自由度。制的自由度。l旋旋转转速速度度任任意意的的正正交交坐坐标标系系无无实实际际使使用用意意义义，常常用用的的是是同同步步旋旋转转坐坐标标系系，将将绕绕组组中中的的交交流流量量变变为为直直流流量量，以以便便模模拟拟直直流电动机进行控制。流电动机进行控制。 6.5 异步电动机在正交坐标系异步电动机在正交坐标系上的状态方程上的状态方程l异异步步电电动动机
37、机动动态态数数学学模模型型，其其中中既既有有微微分分方方程程（电电压压方方程程与与运运动动方方程程），又又有有代代数数方程（磁链方程和转矩方程）。方程（磁链方程和转矩方程）。l讨论用状态方程描述的动态数学模型。讨论用状态方程描述的动态数学模型。6.5.1状态变量的选取状态变量的选取l旋旋转转正正交交坐坐标标系系上上的的异异步步电电动动机机具具有有4阶阶电电压压方方程程和和1阶阶运运动动方方程程，因因此此须须选选取取5个状态变量。个状态变量。l可可选选的的状状态态变变量量共共有有9个个，这这9个个变变量量分分为为5组：组：转速；转速；定子电流；定子电流；转子电流；转子电流；定子磁链；定子磁链；转
38、子磁链。转子磁链。6.5.1状态变量的选取状态变量的选取l转速作为输出变量必须选取。转速作为输出变量必须选取。l其其余余的的4组组变变量量可可以以任任意意选选取取两两组组，定定子子电流可以直接检测，应当选为状态变量。电流可以直接检测，应当选为状态变量。l剩剩下下的的3组组均均不不可可直直接接检检测测或或检检测测十十分分困困难难，考考虑虑到到磁磁链链对对电电动动机机的的运运行行很很重重要要，可以选定子磁链或转子磁链。可以选定子磁链或转子磁链。6.5.2 状态方程状态方程为状态变量为状态变量ldq坐标系中的状态方程坐标系中的状态方程状态变量状态变量输入变量输入变量输出变量输出变量为状态变量的状态方
39、程为状态变量的状态方程 l笼型转子内部是短路的笼型转子内部是短路的 l电压方程电压方程为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 l转矩方程转矩方程 l运动方程运动方程为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 l状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 l输出方程输出方程 l转子电磁时间常数转子电磁时间常数 l电动机漏磁系数电动机漏磁系数 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 图图6-9 dq坐标系动态结构图坐标系动态结构图为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 ldq坐标系蜕化为坐标系蜕化为坐标系，当坐标系，当状态变量状态变量输入变量输入变量输出变量输出变量为状态变量的
40、状态方程为状态变量的状态方程 l转矩方程转矩方程 l运动方程运动方程为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 l状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 图图6-10 坐标系动态结构图坐标系动态结构图6.5.3 状态方程状态方程为状态变量为状态变量ldq坐标系中的状态方程坐标系中的状态方程状态变量状态变量输入变量输入变量输出变量输出变量为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 l状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 l转矩方程转矩方程 l输出方程输出方程为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 图图6-11 dq坐标系动态结构图坐标系动态结构图为状态变量
41、的状态方程为状态变量的状态方程 ldq坐标系蜕化为坐标系蜕化为坐标系，当坐标系，当状态变量状态变量输入变量输入变量输出变量输出变量转矩方程转矩方程为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 l状态方程状态方程 为状态变量的状态方程为状态变量的状态方程 图图6-12 坐标系动态结构图坐标系动态结构图6.5.4异步电动机的仿真异步电动机的仿真l在在进进行行异异步步电电动动机机仿仿真真时时，没没有有必必要要对对各各种种状状态态方方程程逐逐一一进进行行，只只要要以以一一种种为为内内核核，在在外外围围加加上上坐坐标标变变换换和和状状态态变变换换，就就可可得得到到在在不不同同的的坐坐标标系系下下、不不同同状
42、状态态量量的的仿仿真真结果。结果。l构建异步电动机仿真模型构建异步电动机仿真模型在在坐标系，状态变量为坐标系，状态变量为6.5.4异步电动机的仿真异步电动机的仿真图图6-13异步电动机仿真模型异步电动机仿真模型6.5.4异步电动机的仿真异步电动机的仿真图图6-14 三相异步电动机仿真模型三相异步电动机仿真模型6.5.4异步电动机的仿真异步电动机的仿真图图6-15 异步电动机空载起动和加载过程异步电动机空载起动和加载过程6.5.4异步电动机的仿真异步电动机的仿真图图6-16 异步电动机稳态电流异步电动机稳态电流6.6异步电动机按转子磁链定异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统向的矢量控制系统l按
43、转子磁链定向矢量控制的基本思想按转子磁链定向矢量控制的基本思想 通通过过坐坐标标变变换换，在在按按转转子子磁磁链链定定向向同同步步旋旋转转正正交交坐坐标标系系中中，得得到到等等效效的的直直流流电电动动机模型。机模型。 仿仿照照直直流流电电动动机机的的控控制制方方法法控控制制电电磁磁转转矩矩与与磁磁链链，然然后后将将转转子子磁磁链链定定向向坐坐标标系系中中的的控控制制量量反反变变换换得得到到三三相相坐坐标标系系的的对对应应量量，以实施控制。以实施控制。6.6异步电动机按转子磁链定异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统向的矢量控制系统l由由于于变变换换的的是是矢矢量量，所所以以这这样样的的坐坐标标
44、变变换换也也可可称称作作矢矢量量变变换换，相相应应的的控控制制系系统统称称为为矢矢量量控控制制（Vector Control 简简称称VC）系系统统或或按按转转子子磁磁链链定定向向控控制制（Flux Orientation Control简简称称FOC）系统。）系统。6.6.1按转子磁链定向的同步按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程旋转正交坐标系状态方程l将将静静止止正正交交坐坐标标系系中中的的转转子子磁磁链链旋旋转转矢矢量量写写成复数形式成复数形式l旋转正交旋转正交dq坐标系的一个特例是与转子磁坐标系的一个特例是与转子磁链旋转矢量同步旋转的坐标系。令链旋转矢量同步旋转的坐标系。令d轴与
45、转轴与转子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同子磁链矢量重合，称作按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系，简称步旋转正交坐标系，简称mt坐标系。坐标系。6.6.1按转子磁链定向的同步按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程旋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步旋转正交坐标系6.6.1按转子磁链定向的同步按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程旋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 6.6.1按转子
46、磁链定向的同步按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程旋转正交坐标系状态方程lmt坐标系中的状态方程坐标系中的状态方程 6.6.1按转子磁链定向的同步按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程旋转正交坐标系状态方程l由由 l导出导出mt坐标系的旋转角速度坐标系的旋转角速度lmt坐坐标标系系旋旋转转角角速速度度与与转转子子转转速速之之差差定定义义为转差角频率为转差角频率 6.6.1按转子磁链定向的同步按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程旋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 6.
47、6.1按转子磁链定向的同步按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程旋转正交坐标系状态方程l通过按通过按转子磁链定向转子磁链定向，将定子电流分解为励，将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，转子磁链仅由定子电流磁分量和转矩分量，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，电磁转矩正比于转子磁链和励磁分量产生，电磁转矩正比于转子磁链和定子电流转矩分量的乘积，定子电流转矩分量的乘积，实现了定子电流实现了定子电流两个分量的解耦两个分量的解耦。l在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中的在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中的异步电动机数学模型与直流电动机动态模型异步电动机数学模型与直流电动机动态模型相当。相当。 6.6
48、.1按转子磁链定向的同步按转子磁链定向的同步旋转正交坐标系状态方程旋转正交坐标系状态方程图图6-18 按转子磁链定向的异步电动机动态结构图按转子磁链定向的异步电动机动态结构图6.6.2按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制的基本思想制的基本思想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。6.6.2按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向
49、矢量控制的基本思想制的基本思想图图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流电动机模型6.6.2按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制的基本思想制的基本思想l在按转子磁链定向坐标系中计算定子电流励在按转子磁链定向坐标系中计算定子电流励磁分量和转矩分量给定值，经过反旋转变换磁分量和转矩分量给定值，经过反旋转变换2r/2s和和2/3变换得到三相电流。变换得到三相电流。l通过电流闭环的跟随控制，输出异步电动机通过电流闭环的跟随控制，输出异步电动机所需的三相定子电流。所需的三相定子电流。6.6.2按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制的基本思想制的基本思想图图
50、6-20 矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图6.6.2按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制的基本思想制的基本思想l忽忽略略变变频频器器可可能能产产生生的的滞滞后后，认认为为电电流流跟跟随随控控制制的的近近似似传传递递函函数数为为1，且且2/3变变换换与与电电动动机机内内部部的的3/2变变换换环环节节相相抵抵消消，反反旋旋转转变变换换2r/2s与与电电动动机机内内部部的的旋旋转转变变换换2s/2r相相抵抵消消，则则图图6-20中中虚虚线线框框内内的的部分可以用传递函数为部分可以用传递函数为1的直线代替。的直线代替。6.6.2按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制的基本思想制的
51、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6.6.2按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制的基本思想制的基本思想l矢矢量量控控制制系系统统就就相相当当于于直直流流调调速速系系统。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、动动态态性性能能上上可可以以与与直直流流调调速速系系统媲美。统媲美。6.6.3按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控制方式制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
52、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。电流闭环控制电流闭环控制l常用的电流闭环控制有两种方法：常用的电流闭环控制有两种方法：将定子电流励磁分量和转矩分量给定值施行将定子电流励磁分量和转矩分量给定值施行2/3变换，得到三相电流给定值，采用电流滞变换，得到三相电流给定值，采用电流滞环控制型环控制型PWM变频器，在三相定子坐标系中变频器，在三相定子坐标系中完成电流闭环控制。完成电流闭环控制。电流闭环控制电流闭环控制将检测到的三相电流施行将检测到的三相电流施行3/2变换和旋转变变换和
53、旋转变换，得到换，得到mt坐标系中的电流反馈值，采用坐标系中的电流反馈值，采用PI调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为输出为mt坐标系中定子电压给定值。坐标系中定子电压给定值。反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值，再经给定值，再经SVPWM控制逆变器输出三相控制逆变器输出三相电压。电压。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定子电流励磁分量和转矩分量闭环控
54、制的矢量控制系统结构图控制系统结构图6.6.4按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式制系统的转矩控制方式l当当转转子子磁磁链链发发生生波波动动时时，将将影影响响电电磁磁转转矩矩，进而影响电动机转速。进而影响电动机转速。l转转子子磁磁链链调调节节器器力力图图使使转转子子磁磁链链恒恒定定，而而转转速速调调节节器器则则调调节节电电流流的的转转矩矩分分量量，以以抵抵消消转转子子磁磁链链变变化化对对电电磁磁转转矩矩的的影影响响，最最后后达达到到平衡。平衡。6.6.4按转子磁链定向矢量控按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式制系统的转矩控制方式l转转速速闭闭环环控控制制能能够够通通
55、过过调调节节电电流流转转矩矩分分量量来来抑抑制制转转子子磁磁链链波波动动所所引引起起的的电电磁磁转转矩矩变变化化，但这种调节只有当转速发生变化后才起作用。但这种调节只有当转速发生变化后才起作用。l为为了了改改善善动动态态性性能能，可可以以采采用用转转矩矩控控制制方方式。式。l常常用用的的转转矩矩控控制制方方式式有有两两种种：转转矩矩闭闭环环控控制和在转速调节器的输出增加除法环节。制和在转速调节器的输出增加除法环节。转矩转矩闭环闭环控制控制图图6-25 转矩闭环的矢量控制系统结构图转矩闭环的矢量控制系统结构图转矩转矩闭环闭环控制控制l在转速调节器和电流转矩分量调节器间增设在转速调节器和电流转矩分
56、量调节器间增设了转矩调节器，当转子磁链发生波动时，通过了转矩调节器，当转子磁链发生波动时，通过转矩调节器及时调整电流转矩分量给定值，以转矩调节器及时调整电流转矩分量给定值，以抵消磁链变化的影响，尽可能不影响或少影响抵消磁链变化的影响，尽可能不影响或少影响电动机转速。电动机转速。l 转子磁链扰动的作用点是包含在转矩环内的，转子磁链扰动的作用点是包含在转矩环内的，可以通过转矩反馈来抑制扰动。若没有转矩闭可以通过转矩反馈来抑制扰动。若没有转矩闭环，就只能通过转速外环来抑制转子磁链扰动，环，就只能通过转速外环来抑制转子磁链扰动，控制作用相对比较滞后。控制作用相对比较滞后。 转矩转矩闭环闭环控制控制图图
57、6-26 转矩闭环的矢量控制系统原理框图转矩闭环的矢量控制系统原理框图带除法环节的矢量控制系统带除法环节的矢量控制系统 图图6-27 带除法环节的矢量控制系统结构图带除法环节的矢量控制系统结构图转矩转矩闭环闭环控制控制l转转速速调调节节器器的的输输出出为为转转矩矩给给定定，除除以以转转子子磁磁链链，得得到到电电流流转转矩矩分分量量给给定定，由由于于某某种种原原因因使使转转子子磁磁链链减减小小时时，通通过过除除法法环环节节可可使使电电流流转转矩矩分量给定增大，尽可能保持电磁转矩不变。分量给定增大，尽可能保持电磁转矩不变。l用用除除法法环环节节消消去去对对象象中中固固有有的的乘乘法法环环节节，实实
58、现了转矩与转子磁链的动态解耦。现了转矩与转子磁链的动态解耦。转矩转矩闭环闭环控制控制图图6-28 带除法环节的矢量控制系统原理框图带除法环节的矢量控制系统原理框图6.6.5 转子磁链计算转子磁链计算l按按转转子子磁磁链链定定向向的的矢矢量量控控制制系系统统的的关关键键是是准准确确定定向向，也也就就是是说说需需要要获获得得转转子子磁磁链链矢矢量量的空间位置。的空间位置。l在在构构成成转转子子磁磁链链反反馈馈以以及及转转矩矩控控制制时时，转转子磁链幅值也是不可缺少的信息。子磁链幅值也是不可缺少的信息。6.6.5 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
59、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。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
60、的电流模型 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 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计算转子磁链的电流模型计算转子磁链的电流模型 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
61、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。计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型 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
62、的电压模型坐标系上计算转子磁链的电压模型 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。6.6.6磁链开环转差型矢量控磁链开
63、环转差型矢量控制系统制系统间接定向间接定向l矢矢量量控控制制系系统统中中，转转子子磁磁链链幅幅值值和和位位置置信信号号均均由由磁磁链链模模型型计计算算获获得得，受受到到电电动动机机参参数数变化的影响，造成控制的不准确性。变化的影响，造成控制的不准确性。l采采用用磁磁链链开开环环的的控控制制方方式式，无无需需转转子子磁磁链链幅幅值值，但但对对于于矢矢量量变变换换而而言言，仍仍然然需需要要转转子子磁磁链链的的位位置置信信号号，转转子子磁磁链链的的计计算算仍仍然然不不可可避免。避免。l利利用用给给定定值值间间接接计计算算转转子子磁磁链链的的位位置置，可可简化系统结构，这种方法称为间接定向。简化系统结
64、构，这种方法称为间接定向。6.6.6磁链开环转差型矢量控磁链开环转差型矢量控制系统制系统间接定向间接定向图图6-32 磁链开环转差型矢量控制系统磁链开环转差型矢量控制系统6.6.6磁链开环转差型矢量控磁链开环转差型矢量控制系统制系统间接定向间接定向l该系统的主要特点如下：该系统的主要特点如下：（1）用定子电流转矩分量和转子磁链计算转）用定子电流转矩分量和转子磁链计算转差频率给定信号差频率给定信号将转差频率给定信号加上实际转速，得到坐将转差频率给定信号加上实际转速，得到坐标系的旋转角速度，经积分环节产生矢量变标系的旋转角速度，经积分环节产生矢量变换角。换角。6.6.6磁链开环转差型矢量控磁链开环
65、转差型矢量控制系统制系统间接定向间接定向（2）定定子子电电流流励励磁磁分分量量给给定定信信号号和和转转子子磁磁链链给定信号之间的关系是靠式给定信号之间的关系是靠式建立的，比例微分环节在动态中获得强迫励建立的，比例微分环节在动态中获得强迫励磁效应，从而克服实际磁通的滞后。磁效应，从而克服实际磁通的滞后。6.6.6磁链开环转差型矢量控磁链开环转差型矢量控制系统制系统间接定向间接定向l磁磁链链开开环环转转差差型型矢矢量量控控制制系系统统的的磁磁场场定定向向由由磁磁链链和和电电流流转转矩矩分分量量给给定定信信号号确确定定，没没有有用用磁磁链链模模型型实实际际计计算算转转子子磁磁链链及及其其相相位位，所
66、所以属于间接的磁场定向。以属于间接的磁场定向。l矢矢量量控控制制方方程程中中包包含含电电动动机机转转子子参参数数，定定向向精精度度仍仍受受参参数数变变化化的的影影响响，磁磁链链和和电电流流转转矩矩分分量量给给定定值值与与实实际际值值存存在在差差异异，将将影影响响系系统的性能。统的性能。6.6.7矢量控制系统的特点与矢量控制系统的特点与存在的问题存在的问题l矢量控制系统的特点矢量控制系统的特点（1）按转子磁链定向，实现了定子电流励磁）按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。分量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。（2）转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性）转子磁链
67、系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以闭环控制，也可以开环控制。环节，可以闭环控制，也可以开环控制。（3）采用连续的）采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平控制，转矩与磁链变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电流。流。6.6.7矢量控制系统的特点与矢量控制系统的特点与存在的问题存在的问题l矢量控制系统存在的问题矢量控制系统存在的问题（1） 转子磁链计算精度受易于变化的转子转子磁链计算精度受易于变化的转子电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向电阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性。的准确性。（2） 需要进行矢量变换，系统结构复杂，需要进行矢量变换，
68、系统结构复杂，运算量大。运算量大。6.6.8 矢量控制系统的仿真矢量控制系统的仿真lSVPWM用惯性环节等效代替用惯性环节等效代替l转转速速、转转子子磁磁链链和和两两个个电电流流调调节节器器均均采采用用带有积分和输出限幅的带有积分和输出限幅的PI调节器调节器l两两相相磁磁链链由由电电动动机机模模型型直直接接得得到到，通通过过直直角角坐坐标标到到极极坐坐标标变变换换得得到到转转子子磁磁链链的的幅幅值值和和角度。角度。6.6.8 矢量控制系统的仿真矢量控制系统的仿真图图6-33 矢量控制系统仿真模型矢量控制系统仿真模型仿真仿真结果结果图图6-34 空载起动和加载的定子电流励磁分空载起动和加载的定子
69、电流励磁分量（上）和转矩分量（下）量（上）和转矩分量（下）仿真仿真结果结果图图6-35 a 空载起动和加载过程转速（上）和转子磁链（下）空载起动和加载过程转速（上）和转子磁链（下）仿真仿真结果结果图图6-35 b 转速（上）和转子磁链（下）局部放大转速（上）和转子磁链（下）局部放大 6.7异步电动机按定子磁链控异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统制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简简称称DTC(Direct Torque Control)系系统统，是是继继矢矢量量控控制制系系统统之之后后发发展展起起来来的的另另一一种种高高动动态态性性能能的的交交流流电电动动机机变变压
70、压变频调速系统。变频调速系统。l在在转转速速环环内内，利利用用转转矩矩反反馈馈直直接接控控制制电电动动机的电磁转矩，因而得名。机的电磁转矩，因而得名。6.7异步电动机按定子磁链控异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统制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差和和电电磁磁转转矩矩的的偏偏
71、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。6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用l以以定定子子电电流流、定定子子磁磁链链和和转转速速为为状状态态变变量量的动态数学模型的动态数学模型 6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用l电磁转矩电磁转矩 l使使d轴与定子磁链矢量重合轴与定子磁链矢量重合 6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用l异步电动机按定子磁链控制的动态模型异步电动机按定子磁链控制的动态模型6.7.1
72、定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用l电磁转矩电磁转矩 l定子磁链矢量的旋转角速度定子磁链矢量的旋转角速度 6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用图图6-36 d轴与定子磁链矢量重合轴与定子磁链矢量重合6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用l考虑到考虑到 l按定子磁链控制的动态模型按定子磁链控制的动态模型6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链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
73、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 q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。从而决定转差频率和电磁转矩。6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用l两两电电平平PWM逆逆变变器器可可输输出出8个个空空间间电电压压矢矢量，量，6个有效工作矢量，个有效工作矢量，2个零矢量。个零矢量。l将期望的定子磁链圆轨迹分为将期望的定子磁链圆轨迹分为6个扇区。个扇区。l6个个有
74、有效效工工作作电电压压空空间间矢矢量量，将将产产生生不不同同的的磁链增量。磁链增量。 6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用图图6-37 定子磁链圆轨迹扇区图定子磁链圆轨迹扇区图 6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用图图6-38 电压矢量分解图电压矢量分解图a）第）第I扇区扇区 b）第）第III扇区扇区 6.7.1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当定子磁链矢量位于第当定子磁链矢量位于第I扇区时，扇区时，l当定子磁链矢量位于第当定
75、子磁链矢量位于第III扇区时，扇区时，的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都增加。的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都增加。 的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都的作用是使定子磁链幅值和电磁转矩都减小。减小。 6.7.1定子电压矢量对定子磁定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用链与电磁转矩的控制作用图图6-39 定子磁链与电压空间矢量图定子磁链与电压空间矢量图6.7.1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6.7.1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为为“+”时，定子磁链幅值加大；时，定子磁链幅值加大；
76、 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6.7.1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，转转差差频频率率增增大大，电电流流转转矩矩分分量量和和电电磁磁转转矩加大；矩加大；为为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，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；电流转矩分量急剧变负，产生制动转矩；为为“0”时，定子磁链矢量停在原地，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
77、转差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小矩减小 。l q轴分量轴分量6.7.2基于定子磁链控制的直接基于定子磁链控制的直接转矩控制系统转矩控制系统图图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6.7.2基于定子磁链控制的直接基于定子磁链控制的直接转矩控制系统转矩控制系统图图6-41 带有滞环的双位式控制器带有滞环的双位式控制器lAR和和ATR分别为定子磁分别为定子磁链调节器和转链调节器和转矩调节器，两矩调节器，两者均采用带有者均采用带有滞环的双位式滞环的双位式控制器。控制器。6.7.2基于定子磁链控制的直接基于定子磁链控制的直接转矩控制系统转矩控制系统l输出分别为定子磁链幅
78、值偏差输出分别为定子磁链幅值偏差s的符号函的符号函数数Sgn（s）和电磁转矩偏差）和电磁转矩偏差Te的符号函的符号函数数Sgn（Te ）。）。lP/N为给定转矩极性鉴别器，当期望的电磁为给定转矩极性鉴别器，当期望的电磁转矩为正时，转矩为正时，P/N=1，当期望的电磁转矩为，当期望的电磁转矩为负时，负时，P/N=0，对于不同的电磁转矩期望值，对于不同的电磁转矩期望值，同样符号函数的控制效果是不同的。同样符号函数的控制效果是不同的。6.7.2基于定子磁链控制的直接基于定子磁链控制的直接转矩控制系统转矩控制系统l当期望的电磁转矩为正，即当期望的电磁转矩为正，即P/N=1时，时，若电磁转矩偏差若电磁转
79、矩偏差Te0，其符号函数，其符号函数Sgn（Te）=1，应使定子磁场正向旋转，使，应使定子磁场正向旋转，使实际转矩加大。实际转矩加大。若电磁转矩偏差若电磁转矩偏差Te0，其符号函数，其符号函数Sgn（Te）=0，一般采用定子磁场停止转动，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小。使电磁转矩减小。 6.7.2基于定子磁链控制的直接基于定子磁链控制的直接转矩控制系统转矩控制系统l当期望的电磁转矩为负，即当期望的电磁转矩为负，即P/N=0时，时，若电磁转矩偏差若电磁转矩偏差Te0，其符号函数，其符号函数Sgn（Te）=1，一般采用定子磁场停止转动，一般采用定子磁场停止转动，使电磁转矩减小。使电磁转矩
80、减小。 6.7.2基于定子磁链控制的直接基于定子磁链控制的直接转矩控制系统转矩控制系统6.7.3定子磁链和转矩计算模型定子磁链和转矩计算模型l定子磁链计算模型定子磁链计算模型 两相静止坐标系上定子电压方程两相静止坐标系上定子电压方程移项并积分后得移项并积分后得6.7.3定子磁链和转矩计算模型定子磁链和转矩计算模型图图6-42 定子磁链计算模型定子磁链计算模型6.7.3定子磁链和转矩计算模型定子磁链和转矩计算模型l转矩计算模型转矩计算模型 图6-43 电磁转矩计算模型两相静止坐标两相静止坐标系中电磁转矩系中电磁转矩6.7.4直接转矩控制系统的特点直接转矩控制系统的特点与存在的问题与存在的问题l直
81、接转矩控制系统的特点：直接转矩控制系统的特点：（1）转矩和磁链的控制采用双位式控制器，）转矩和磁链的控制采用双位式控制器，并在并在PWM逆变器中直接用这两个控制信号产逆变器中直接用这两个控制信号产生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，生输出电压，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。简化了控制器的结构。（2）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的）选择定子磁链作为被控量，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，提高了模型可以不受转子参数变化的影响，提高了控制系统的鲁棒性。控制系统的鲁棒性。6.7.4直接转矩控制系统的特点直接转矩控制系统的特点与存在的问题与存在的问题（3）由于采用了直接转
82、矩控制，在加减速或）由于采用了直接转矩控制，在加减速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应也是有限的。应也是有限的。6.7.4直接转矩控制系统的特点直接转矩控制系统的特点与存在的问题与存在的问题l直接转矩控制系统存在的问题：直接转矩控制系统存在的问题：（1）由于采用双位式控制，实际转矩必然在）由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下限内脉动；上下限内脉动；（2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压）由于磁链
83、计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。化都会影响磁链计算的准确度。6.7.5直接转矩控制系统的仿真直接转矩控制系统的仿真l电动机仍采用基于电动机仍采用基于坐标系的数学模型坐标系的数学模型l转转速速采采用用带带有有积积分分和和输输出出限限幅幅的的PI调调节节器器，定定子子磁磁链链和和转转矩矩调调节节器器采采用用带带有有滞滞环环的的双双位位式控制器。式控制器。l电电压压矢矢量量选选择择环环节节可可用用SimuLink中中的的s函函数数编写。编写。6.7.5直接转矩控制系统的仿真直接转矩控制系统的仿真l由由电
84、电动动机机模模型型直直接接得得到到转转子子两两相相磁磁链链，经经过换算得到定子两相磁链过换算得到定子两相磁链再经过直角坐标到极坐标变换（再经过直角坐标到极坐标变换（K/P变换）变换）得到定子磁链的幅值和角度得到定子磁链的幅值和角度 6.7.5直接转矩控制系统的仿真直接转矩控制系统的仿真图图6-44 直接转矩控制系统仿真模型直接转矩控制系统仿真模型仿真结果仿真结果图图6-45a）空载起动和加载过程转速（上）、电磁转矩（中）和）空载起动和加载过程转速（上）、电磁转矩（中）和定子磁链（下）定子磁链（下）仿真结果仿真结果图图6-45b）转速（上）、电磁转矩（中）和定子磁链（下）局部）转速（上）、电磁转
85、矩（中）和定子磁链（下）局部放大图放大图6.8直接转矩控制系统与矢量控直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较制系统的比较6.8直接转矩控制系统与矢量控直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较制系统的比较l矢矢量量控控制制系系统统通通过过电电流流闭闭环环控控制制，实实现现定定子子电电流流的的两两个个分分量量的的解解耦耦，进进一一步步实实现现电电磁磁转转矩矩与与转转子子磁磁链链的的解解耦耦，有有利利于于分分别别设设计计转转速速与与磁磁链链调调节节器器；实实行行连连续续控控制制，可可获获得得较较宽的调速范围。宽的调速范围。l按按转转子子磁磁链链定定向向受受电电动动机机转转子子参参数数变变化化的的影响，降低了系统的鲁棒性。影响，降低了系统的鲁棒性。6.8直接转矩控制系统与矢量控直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较制系统的比较l直直接接转转矩矩控控制制系系统统采采用用双双位位式式控控制制，根根据据定定子子磁磁链链幅幅值值偏偏差差、电电磁磁转转矩矩偏偏差差的的符符号号以以及及期期望望电电磁磁转转矩矩的的极极性性，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，直直接接产产生生PWM驱驱动动信信号号，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构。避开了旋转坐标变换，简化了控制结构。l不不可可避避免免地地产产生生转转矩矩脉脉动动，影影响响低低速速性性能能，调速范围受到限制。调速范围受到限制。
