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电力拖动自动控制系统第六章第1页，本讲稿共66页 6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统本节提要本节提要矢量控制系统的基本思路矢量控制系统的基本思路按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用转子磁链模型转子磁链模型转速、磁链闭环控制的矢量控制系统转速、磁链闭环控制的矢量控制系统直接矢量控直接矢量控制系统制系统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间接矢量控制系间接矢量控制系统统第2页，本讲稿共66页p 概概 述述 上一节中表明，异步电机的动态数学模型是一个高阶、上一节中表明，异步电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，通过坐标变换，可以使非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。当需要高动态性能的异步电机调速系统时，必须在其动当需要高动态性能的异步电机调速系统时，必须在其动态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并态模型的基础上进行分析和设计，但要完成这一任务并非易事。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案非易事。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。链定向的矢量控制系统。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第3页，本讲稿共66页一、一、矢量控制系统的基本思路矢量控制系统的基本思路 在第在第6.6.36.6.3节中已经阐明，以产生同样的节中已经阐明，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流交流电流 iA、iB、iC，通过三相通过三相/两相变换两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流可以等效成两相静止坐标系上的交流电流 i、i，再通过同步旋转变换，可以等效成同再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流步旋转坐标系上的直流电流 im 和和 it。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第4页，本讲稿共66页 如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，可以转，他所看到的便是一台直流电机，可以控制使交流电机的转子总磁通控制使交流电机的转子总磁通 r 就是等就是等效直流电机的磁通，则效直流电机的磁通，则M绕组相当于直流绕组相当于直流电机的励磁绕组，电机的励磁绕组，im 相当于励磁电流，相当于励磁电流，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组，绕组相当于伪静止的电枢绕组，it 相当于相当于与转矩成正比的电枢电流。与转矩成正比的电枢电流。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第5页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 把上述等效关系用结构图的形式画出来，把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到下图。从整体上看，输入为便得到下图。从整体上看，输入为A，B，C三相电压，输出为转速三相电压，输出为转速 ，是一台异步是一台异步电机。从内部看，经过电机。从内部看，经过3/23/2变换和同步旋转变换和同步旋转变换，变成一台由变换，变成一台由 im 和和 it 输入，由输入，由 输出输出的直流电机。的直流电机。第6页，本讲稿共66页图6-52 异步电动机的坐标变换结构图3/2三相/两相变换;VR同步旋转变换;M轴与轴（A轴）的夹角 3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型ABC iAiBiCit1im1ii异步电动机异步电动机 异步电机的坐标变换结构图异步电机的坐标变换结构图6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第7页，本讲稿共66页 既然异步电机经过坐标变换可以等效成直既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。变换，就能够控制异步电机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System），控制系统的原理结构如下），控制系统的原理结构如下图所示。图所示。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第8页，本讲稿共66页 矢量控制系统原理结构图矢量控制系统原理结构图 控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号 图6-53 矢量控制系统原理结构图6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第9页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 在设计矢量控制系统时，可以认为，在在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电与电机内部的旋转变换环节机内部的旋转变换环节VR抵消，抵消，2/32/3变换变换器与电机内部的器与电机内部的3/23/2变换环节抵消，如果再变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图忽略变频器中可能产生的滞后，则图6-536-53中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了。就是直流调速系统了。第10页，本讲稿共66页 设计控制器时省略后的部分设计控制器时省略后的部分控制器控制器VR-12/3电流控制电流控制变频器变频器3/2VR等效直流等效直流电机模型电机模型+i*m1i*t1 1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCi1i1im1it1反馈信号异步电动机给定信号 6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第11页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 可以想象，这样的矢量控制交流变压可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。够与直流调速系统相媲美。第12页，本讲稿共66页二、二、按转子磁链定向的矢量控制方程及按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用其解耦作用问题的提出问题的提出 上述只是矢量控制的基本思路，其中的矢量上述只是矢量控制的基本思路，其中的矢量变换包括三相变换包括三相/两相变换和同步旋转变换。两相变换和同步旋转变换。在进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了在进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d d，q q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置，对此是有选择余地的。的相对位置，对此是有选择余地的。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第13页，本讲稿共66页n 按转子磁链定向按转子磁链定向 现在现在d轴是沿着转子总磁链矢量的方向，轴是沿着转子总磁链矢量的方向，并称之为并称之为 M（Magnetization）轴，而轴，而 q 轴轴再逆时针转再逆时针转90，即垂直于转子总磁链矢量，即垂直于转子总磁链矢量，称之为称之为 T（Torque）轴。轴。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。）的坐标系。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第14页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，应有时，应有（6-128）第15页，本讲稿共66页n 按转子磁链定向后的系统模型按转子磁链定向后的系统模型 代入转矩方程式（代入转矩方程式（6-1136-113）和状态方程）和状态方程 中并用中并用m，t替代替代d，q，即得即得（6-129）（6-130）6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第16页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统（6-131）（6-132）（6-133）（6-134）第17页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 由于，状态方程中的式（由于，状态方程中的式（6-1326-132）蜕化为）蜕化为代数方程，整理后得转差公式代数方程，整理后得转差公式 （6-135）这使状态方程降低了一阶。这使状态方程降低了一阶。第18页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统由式（由式（6-1316-131）可得）可得 （6-136）（6-137）第19页，本讲稿共66页n 按转子磁链定向的意义按转子磁链定向的意义式（式（6-1366-136）或式（）或式（6-1376-137）表明，转子磁链仅由定子）表明，转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。式（式（6-1366-136）还表明，）还表明，r 与与 ism之间的传递函数是之间的传递函数是 一一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量当励磁电流分量ism突变时，突变时，r 的变化要受到励磁惯的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。致的。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第20页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 式（式（6-1366-136）或（）或（6-1376-137）、（）、（6-1356-135）和（）和（6-1296-129）构成矢量控制基本方程式，按照这些关系可将异步电构成矢量控制基本方程式，按照这些关系可将异步电机的数学模型绘成图机的数学模型绘成图6-546-54中的形式，图中前述的等效直中的形式，图中前述的等效直流电机模型（见图流电机模型（见图6-526-52）被分解成）被分解成 和和 r 两个子系统。两个子系统。可以看出，虽然通过矢量变换，将定子电流解耦成可以看出，虽然通过矢量变换，将定子电流解耦成 ism 和和 ist 两个分量，但是，从两个分量，但是，从 和和 r 两个子系统来看，两个子系统来看，由于由于Te同时受到同时受到 ist 和和 r 的影响，两个子系统仍旧是的影响，两个子系统仍旧是耦合着的。耦合着的。第21页，本讲稿共66页n电流解耦数学模型的结构电流解耦数学模型的结构3/2VR图6-54 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第22页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 按照图按照图6-536-53的矢量控制系统原理结构图模的矢量控制系统原理结构图模仿直流调速系统进行控制时，可设置磁链仿直流调速系统进行控制时，可设置磁链调节器调节器AR和转速调节器和转速调节器ASR分别控制分别控制r 和和 ，如图如图6-556-55所示。所示。为了使两个子系统完全解耦，除了坐标为了使两个子系统完全解耦，除了坐标变换以外，还应设法抵消转子磁链变换以外，还应设法抵消转子磁链r 对电对电磁转矩磁转矩 Te 的影响。的影响。第23页，本讲稿共66页n 矢量控制系统原理结构图图矢量控制系统原理结构图图6-556-55电流控制变频器异步电机矢量变换模型6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第24页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 比较直观的办法是，把比较直观的办法是，把ASR的输出信号除以的输出信号除以r，当控，当控制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消，且变频制器的坐标反变换与电机中的坐标变换对消，且变频器的滞后作用可以忽略时，此处的（器的滞后作用可以忽略时，此处的（r）便可与电）便可与电机模型中的（机模型中的（r）对消，两个子系统就完全解耦了。）对消，两个子系统就完全解耦了。这时，带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独这时，带除法环节的矢量控制系统可以看成是两个独立的线性子系统，可以采用经典控制理论的单变量线立的线性子系统，可以采用经典控制理论的单变量线性系统综合方法或相应的工程设计方法来设计两个调性系统综合方法或相应的工程设计方法来设计两个调节器节器AR和和ASR。第25页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 应该注意，在异步电机矢量变换模型中应该注意，在异步电机矢量变换模型中的转子磁链的转子磁链 r 和它的定向相位角和它的定向相位角 都是实都是实际存在的，而用于控制器的这两个量都难际存在的，而用于控制器的这两个量都难以直接检测，只能采用观测值或模型计算以直接检测，只能采用观测值或模型计算值，在图值，在图6-556-55中冠以符号中冠以符号“”以示区别。以示区别。第26页，本讲稿共66页n 解耦条件解耦条件 因此，两个子系统完全解耦只有在下述因此，两个子系统完全解耦只有在下述三个假定条件下才能成立：三个假定条件下才能成立：转子磁链的计算值转子磁链的计算值 等于其实际值等于其实际值r；转子磁场定向角的计算值转子磁场定向角的计算值 等于其实际等于其实际值值；忽略电流控制变频器的滞后作用。忽略电流控制变频器的滞后作用。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第27页，本讲稿共66页三、转子磁链模型三、转子磁链模型 要要实实现现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，很很关关键键的的因因素素是是要要获获得得转转子子磁磁链链信信号号，以以供供磁磁链链反反馈馈和和除除法法环环节节的的需需要要。开开始始提提出出矢矢量量控控制制系系统统时时，曾曾尝尝试试直直接接检检测测磁磁链链的的方方法法，一一种种是是在在电电机机槽槽内内埋埋设设探探测测线线圈圈，另另一一种种是是利利用用贴贴在在定定子子内内表面的霍尔元件或其它磁敏元件。表面的霍尔元件或其它磁敏元件。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第28页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 从从理理论论上上说说，直直接接检检测测应应该该比比较较准准确确，但但实实际际上上这这样样做做都都会会遇遇到到不不少少工工艺艺和和技技术术问问题题，而而且且由由于于齿齿槽槽影影响响，使使检检测测信信号号中中含含有有较较大大的的脉脉动动分分量量，越越到到低低速速时时影影响响越越严严重重。因因此此，现现在在实实用用的的系系统统中中，多多采采用用间间接接计计算算的的方方法法，即即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，利利用用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与相相位。位。利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型，现在给出两个典型的实例。种转子磁链模型，现在给出两个典型的实例。第29页，本讲稿共66页1.1.在两相静止坐标系上的转子磁链模型在两相静止坐标系上的转子磁链模型 由实测的三相定子电流通过由实测的三相定子电流通过3/23/2变换很容变换很容易得到两相静止坐标系上的电流易得到两相静止坐标系上的电流 is 和和 is，再利用式（，再利用式（6-1096-109）第）第3 3，4 4行计算转子磁链行计算转子磁链在在 ，轴上的分量为轴上的分量为 6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第30页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统（6-138）（6-139）又由式（又由式（6-1086-108）的）的 坐标系电压矩坐标系电压矩阵方程第阵方程第3 3，4 4行，并令行，并令 ur=ur=0 得得第31页，本讲稿共66页或或 6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第32页，本讲稿共66页整理后得转子磁链模型整理后得转子磁链模型 （6-140）（6-141）按式（按式（6-1406-140）、式（）、式（6-1416-141）构成转子磁链分）构成转子磁链分量的运算框图如下图所示。有了量的运算框图如下图所示。有了r 和和 r，要计算要计算r 的幅值和相位就很容易了。的幅值和相位就很容易了。转子磁链模型转子磁链模型6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第33页，本讲稿共66页 在两相静止坐标系上的转子磁链模型在两相静止坐标系上的转子磁链模型 LmTrLmTr p+11+-isisrrTr p+11图6-56 在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第34页，本讲稿共66页 上图的转子磁链模型适合于模拟控制，上图的转子磁链模型适合于模拟控制，用运算放大器和乘法器就可以实现。采用用运算放大器和乘法器就可以实现。采用微机数字控制时，由于微机数字控制时，由于 r 与与 r 之间有之间有交叉反馈关系，离散计算时可能不收敛，交叉反馈关系，离散计算时可能不收敛，不如采用下面第二种模型。不如采用下面第二种模型。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第35页，本讲稿共66页2.2.按磁场定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型按磁场定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型 下图是另一种转子磁链模型的运算框图。三相定子下图是另一种转子磁链模型的运算框图。三相定子电流电流 iA、iB、iC 经经3/23/2变换变成两相静止坐标系电流变换变成两相静止坐标系电流 is、is，再经同步旋转变换并按转子磁链再经同步旋转变换并按转子磁链 定向，得到定向，得到M，T坐标系上的电流坐标系上的电流 ism、ist，利用矢量控制方程式（，利用矢量控制方程式（6-1366-136）和式（）和式（6-1356-135）可以获得）可以获得 r和和 s 信号，由信号，由s 与实测转与实测转速速 相加得到定子频率信号相加得到定子频率信号1，再经积分即为转子磁链的，再经积分即为转子磁链的相位角相位角，它也就是同步旋转变换的旋转相位角。它也就是同步旋转变换的旋转相位角。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第36页，本讲稿共66页 按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型 3/2VRTr p+1LmSinCosiCiBiAisisistisms1+r Tr Lm1 p图6-57 在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第37页，本讲稿共66页 和第一种模型相比，这种模型更适合于微和第一种模型相比，这种模型更适合于微机实时计算，容易收敛，也比较准确。机实时计算，容易收敛，也比较准确。上述两种转子磁链模型的应用都比较普遍，上述两种转子磁链模型的应用都比较普遍，但也都受电机参数变化的影响，例如电机温但也都受电机参数变化的影响，例如电机温升和频率变化都会影响转子电阻升和频率变化都会影响转子电阻 Rr，从而改，从而改变时间常数变时间常数 Tr，磁饱和程度将影响电感，磁饱和程度将影响电感Lm 和和 Lr，从而，从而 Tr 也改变。这些影响都将导致磁链也改变。这些影响都将导致磁链幅值与相位信号失真，而反馈信号的失真必幅值与相位信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低。然使磁链闭环控制系统的性能降低。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第38页，本讲稿共66页转子磁链的电压模型转子磁链的电压模型 静止两相坐标静止两相坐标代入式中代入式中6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第39页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型第40页，本讲稿共66页四、四、转速、磁链闭环控制的矢量控制系统转速、磁链闭环控制的矢量控制系统 直接矢量控制系统直接矢量控制系统 图图6-556-55用除法环节使用除法环节使r 与与 解耦的系统是一种典型的转解耦的系统是一种典型的转速、磁链闭环控制的矢量控制系统，速、磁链闭环控制的矢量控制系统，r 模型在图中略去模型在图中略去未画。转速调节器输出带未画。转速调节器输出带“r”的除法环节，使系统可的除法环节，使系统可以在第以在第6.7.26.7.2节最后指出的三个假定条件下简化成完全节最后指出的三个假定条件下简化成完全解耦的解耦的r 与与 两个子系统，两个调节器的设计方法和直两个子系统，两个调节器的设计方法和直流调速系统相似。调节器和坐标变换都包含在微机数流调速系统相似。调节器和坐标变换都包含在微机数字控制器中。字控制器中。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第41页，本讲稿共66页电流控制变频器电流控制变频器电流控制变频器可以采用如下两种方式：电流控制变频器可以采用如下两种方式：电流滞环跟踪控制的电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器（图变频器（图6-58a6-58a），），带电流内环控制的电压源型带电流内环控制的电压源型PWM变频器变频器（图（图6-58b6-58b）。）。带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称称直接矢量控制系统直接矢量控制系统。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第42页，本讲稿共66页（1 1）电流滞环跟踪控制的）电流滞环跟踪控制的CHBPWMCHBPWM变频器变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC图6-59a 电流控制变频器6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第43页，本讲稿共66页（2 2）带电流内环控制的电压源型）带电流内环控制的电压源型PWMPWM变频器变频器图6-59b 电流控制变频器6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第44页，本讲稿共66页（3 3）转速磁链闭环微机控制电流滞环型转速磁链闭环微机控制电流滞环型 PWMPWM变频调速系统变频调速系统 另外一种提高转速和磁链闭环控制系统另外一种提高转速和磁链闭环控制系统解耦性能的办法是在转速环内增设转矩控解耦性能的办法是在转速环内增设转矩控制内环，如下图所示。制内环，如下图所示。图中，作为一个示例，主电路采用了电图中，作为一个示例，主电路采用了电流滞环跟踪控制的流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器。变频器。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第45页，本讲稿共66页电流滞环型电流滞环型PWM变频器变频器微型计算机微型计算机 系统组成系统组成图6-60 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统 6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第46页，本讲稿共66页 工作原理工作原理转速正、反向和弱磁升速，转速正、反向和弱磁升速，磁链给定信号由函数发生程序获得。磁链给定信号由函数发生程序获得。转速调节器转速调节器ASR的输出作为转矩给定信号，的输出作为转矩给定信号，弱磁时它还受到磁链给定信号的控制。弱磁时它还受到磁链给定信号的控制。在转矩内环中，磁链对控制对象的影响相当在转矩内环中，磁链对控制对象的影响相当于一种扰动作用，因而受到转矩内环的抑制于一种扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而改造了转速子系统，使它少受磁链变，从而改造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响。化的影响。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第47页，本讲稿共66页五、磁链开环转差型矢量控制系统五、磁链开环转差型矢量控制系统间间接矢量控制系统接矢量控制系统 在磁链闭环控制的矢量控制系统中，转子磁链反在磁链闭环控制的矢量控制系统中，转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，其幅值和相位都受到电馈信号是由磁链模型获得的，其幅值和相位都受到电机参数机参数 Tr 和和 Lm 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。有鉴于此，很多人认为，与其采用磁链闭环控制而反有鉴于此，很多人认为，与其采用磁链闭环控制而反馈不准，不如采用磁链开环控制，系统反而会简单一些。馈不准，不如采用磁链开环控制，系统反而会简单一些。在这种情况下，常利用矢量控制方程中的转差公式（在这种情况下，常利用矢量控制方程中的转差公式（6-6-135135），构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控），构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控制系统。制系统。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第48页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 它继承了第它继承了第6.5.26.5.2节基于稳态模型转差频节基于稳态模型转差频率控制系统的优点，同时用基于动态模型率控制系统的优点，同时用基于动态模型的矢量控制规律克服了它的大部分不足之的矢量控制规律克服了它的大部分不足之处。图处。图6-616-61绘出了转差型矢量控制系统的绘出了转差型矢量控制系统的原理图，其中主电路采用了交原理图，其中主电路采用了交-直直-交电流源交电流源型变频器，适用于数千型变频器，适用于数千kWkW的大容量装置，的大容量装置，在中、小容量装置中多采用带电流控制的在中、小容量装置中多采用带电流控制的电压源型电压源型PWMPWM变压变频器。变压变频器。第49页，本讲稿共66页 转差型矢量控制的交直交转差型矢量控制的交直交电压源变频调速系统电压源变频调速系统p1K/PACRURCSIMTG+TA+Ld3+sTrLmLmTr p+1ASR矢量控制器1*s*si*sisi*sti*sm*r*图6-61 磁链开环转差型矢量控制系统原理图TG6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第50页，本讲稿共66页 系统的主要特点系统的主要特点（1 1）转速调节器）转速调节器ASRASR的输出正比于转矩给定的输出正比于转矩给定信号，实际上是信号，实际上是由矢量控制方程式可求出定子电流转矩分量由矢量控制方程式可求出定子电流转矩分量给定信号给定信号 i*st 和转差频率给定信号和转差频率给定信号*s，其关，其关系为系为 6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第51页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 二式中都应除以转子磁链二式中都应除以转子磁链 r，因此两个，因此两个通道中各设置一个除法环节。通道中各设置一个除法环节。第52页，本讲稿共66页 （2 2）定子电流励磁分量给定信号）定子电流励磁分量给定信号 i*sm 和和转子磁链给定信号转子磁链给定信号*r 之间的关系是靠式之间的关系是靠式 （6-1376-137）建立的，其中的比例微分环节）建立的，其中的比例微分环节 Tr p+1使使 ism 在动态中获得强迫励磁效应，从而克在动态中获得强迫励磁效应，从而克服实际磁通的滞后。服实际磁通的滞后。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第53页，本讲稿共66页6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统 （3 3）i*sm和和i*st 经直角坐标经直角坐标/极坐标变换器极坐标变换器K/P合成后，产生定子电流幅值给定信号合成后，产生定子电流幅值给定信号 i*s 和相角给定信号和相角给定信号*s。前者经电流调节器。前者经电流调节器ACR控制定子电流的大小，后者则控制逆变控制定子电流的大小，后者则控制逆变器换相的时刻，从而决定定子电流的相位。器换相的时刻，从而决定定子电流的相位。定子电流相位能否得到及时的控制对于动态定子电流相位能否得到及时的控制对于动态转矩的发生极为重要。极端来看，如果电流转矩的发生极为重要。极端来看，如果电流幅值很大，但相位落后幅值很大，但相位落后90，所产生的转矩，所产生的转矩仍只能是零。仍只能是零。第54页，本讲稿共66页（4 4）转差频率给定信号）转差频率给定信号 *s 按矢量控制方程按矢量控制方程式（式（6-1356-135）算出，实现转差频率控制功能。）算出，实现转差频率控制功能。由以上特点可以看出，磁链开环转差型矢由以上特点可以看出，磁链开环转差型矢量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信量控制系统的磁场定向由磁链和转矩给定信号确定，靠矢量控制方程保证，并没有实际号确定，靠矢量控制方程保证，并没有实际计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量控制。控制。6-7 基于动态模型按转子磁链定向的 矢量控制系统第55页，本讲稿共66页6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统概概 述述 直接转矩控制系统简称直接转矩控制系统简称 DTC(Direct Torque Control)系统，是继矢量控制系统系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。在它的转速环电动机变压变频调速系统。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。转矩，因而得名。第56页，本讲稿共66页一、直接转矩控制系统的原理和特点一、直接转矩控制系统的原理和特点直接转矩控制的原理直接转矩控制的原理1 1、定子磁链和电压空间矢量的关系、定子磁链和电压空间矢量的关系结论：非零电压矢量能产生定子磁链并使它结论：非零电压矢量能产生定子磁链并使它运动，这样控制电压矢量的顺序和作用时间运动，这样控制电压矢量的顺序和作用时间就可以迫使磁链按所需的轨迹运动。就可以迫使磁链按所需的轨迹运动。2 2、电压矢量对电机转矩的影响、电压矢量对电机转矩的影响电机的转矩大小不仅与定、转子的磁链幅值电机的转矩大小不仅与定、转子的磁链幅值 6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统第57页，本讲稿共66页6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统有关还与它们的夹角有关当幅值不变时，夹有关还与它们的夹角有关当幅值不变时，夹角从角从0变到变到90度是电磁转矩从度是电磁转矩从0变到最大，变到最大，所以对它们的夹角进行控制也能控制转矩，所以对它们的夹角进行控制也能控制转矩，这就是直接转矩控制的思想。电压矢量对转这就是直接转矩控制的思想。电压矢量对转矩的影响体现在定、转子磁链夹角的控制作矩的影响体现在定、转子磁链夹角的控制作用运行中定子磁链幅值恒定为额定值，转子用运行中定子磁链幅值恒定为额定值，转子磁链由负载决定，要改变转矩只有改变它们磁链由负载决定，要改变转矩只有改变它们第58页，本讲稿共66页6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统的夹角，由改变电压矢量完成。工作电压矢的夹角，由改变电压矢量完成。工作电压矢量使定子磁链走零矢量使定子磁链停，控制量使定子磁链走零矢量使定子磁链停，控制定子磁链的走停，就控制了磁通角的大小。定子磁链的走停，就控制了磁通角的大小。也控制转矩。也控制转矩。图图100100所示已知所示已知t1时刻定子、转子和磁通时刻定子、转子和磁通角如图所示，角如图所示，t2时刻给出电压矢量时刻给出电压矢量 下面下面分析一下分析一下t1和和t2时刻间定、转子间的磁通角时刻间定、转子间的磁通角第59页，本讲稿共66页6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统的变化大小的变化大小000111110s1s2s3s4s1s6011101010001100期间如果定子的磁链期间如果定子的磁链的速度大于转子磁链的速度大于转子磁链的速度既的速度既 增大相应增大相应的转矩增大，如果的转矩增大，如果t2图100时刻给出零电压矢量，时刻给出零电压矢量，第60页，本讲稿共66页6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统定子磁链不动，由于惯性转子磁链继续运动定子磁链不动，由于惯性转子磁链继续运动磁通角减小，转矩减小。磁通角减小，转矩减小。如要加大电磁转矩按上述规律加载电压如要加大电磁转矩按上述规律加载电压矢量，只要电压幅值够大，定子磁链的速度矢量，只要电压幅值够大，定子磁链的速度会大于转子磁链的速度，使电磁转矩增大。会大于转子磁链的速度，使电磁转矩增大。加零电压矢量，可以减小转矩，这就是直接加零电压矢量，可以减小转矩，这就是直接转矩控制的基本原理转矩控制的基本原理第61页，本讲稿共66页二、二、DTC DTC系统的控制特点及与系统的控制特点及与VCVC系统性能比较系统性能比较 与与VCVC系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，系统一样，它也是分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，但在具体控制方法上，DTCDTC系统与系统与VCVC系统不同的特点是：系统不同的特点是：1 1）转矩和磁链的控制采用双位式砰转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制器砰控制器，并在，并在 PWM PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM SVPWM 波形，波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。变换和电流控制，简化了控制器的结构。6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统第62页，本讲稿共66页6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统 2 2）选择）选择定子磁链作为被控量定子磁链作为被控量，而不象，而不象VCVC系统中那样选择转子磁链，这样一来，计系统中那样选择转子磁链，这样一来，计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影算磁链的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。如果从数响，提高了控制系统的鲁棒性。如果从数学模型推导按定子磁链控制的规律，显然学模型推导按定子磁链控制的规律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰采用了砰-砰控制，这种复杂性对控制器并砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响。没有影响。第63页，本讲稿共66页6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统 3 3）由于采用了直接转矩控制，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转矩响应，但必须注意限制过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件，因此实际的流，以免损坏功率开关器件，因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。转矩响应的快速性也是有限的。4 4）定子坐标系下分析电机的数学模型直）定子坐标系下分析电机的数学模型直接控制磁链和转矩，不需要和直流机比较、接控制磁链和转矩，不需要和直流机比较、等效、转化，省去复杂的计算。等效、转化，省去复杂的计算。第64页，本讲稿共66页6-8 基于动态模型按定子磁链控制的 直接转矩控制系统 从总体控制结构上看，直接转矩控制从总体控制结构上看，直接转矩控制(DTC)(DTC)系统和矢量控制系统和矢量控制(VC)(VC)系统是一致系统是一致的，都能获得较高的静、动态性能。的，都能获得较高的静、动态性能。第65页，本讲稿共66页谢谢第66页，本讲稿共66页