1、tnGDTTedd3752L 3S/2S ABC1ABC3S/2S 2S/3S iCiiCiCi图图6-2 矢量变换控制过程框图矢量变换控制过程框图2323021211323S/2SC2321232101322S/3SCBA221023iiii2161032iiiiBA转子三相转子三相/两相的相互变换与定子变换相同。两相的相互变换与定子变换相同。TMsssscossinsincosiiiissssTMcossinsincosiiii电压和磁链旋转变换与电流变换同电压和磁链旋转变换与电流变换同（四）直角坐标（四）直角坐标-极坐标变换极坐标变换 在在下下图中， 令图中， 令 is和和 M 轴的夹角
2、为轴的夹角为 s， 已知， 已知 iM、iT求求 is、 s就是直角坐标就是直角坐标-极坐标变换， 简称极坐标变换， 简称 K/P变换。直角坐标与极坐标的关系是变换。直角坐标与极坐标的关系是 MT1s2T2Ms; iitgiii 当当 s在在 090取不同值时，取不同值时，stg的变化范围的变化范围是是 0? ，幅度太大，幅度太大。常改用下列公式表示常改用下列公式表示 s。 sTssiniiMsTssscos1sin2iiitg或或MsT1s2iiitg则则cbaCBAcbaCBArrrssscbaCBA000000000000000000000000000000piiiiiiRRRRRRuu
3、uuuursrrrssrssrscbaCBAiiLLLLTcbarTCBAsTcbarTCBAs ; ; iiiiiiii2、磁链方程、磁链方程式中式中l1m1m1m1m1l1m1m1m1m1l1m1ss212121212121LLLLLLLLLLLLLl2m1m1m1m1l2m1m1m1m1l2m1rr212121212121LLLLLLLLLLLLLcos)120cos()120cos()120cos(cos)120cos()120cos()120cos(cos000000mTsrrsLLL而而； （一一）定定子子磁磁链链定定向向时时电电机机的的数数学学模模型型和和特特点点 该该法法将将q
4、-d同同步步旋旋转转坐坐标标系系的的d轴轴放放在在定定子子磁磁场场方方向向。 1 1、数数学学模模型型： q1d1mq1srrd1srd1rd1sd1rrq1srd1s1qsq1d1d1sd1)1 ()1 (0)()1 (ipTiLTiLpTpTiLTLpTiRupiRu 式式中中rrr/ RLT 为为转转子子时时间间常常数数。 2 2、特特点点：1 1）定定子子方方程程大大大大简简化化，有有利利于于定定子子磁磁通通观观测测器器的的实实现现；2 2）转转子子方方程程没没有有简简化化；3 3）需需要要设设计计一一个个解解耦耦器器使使d1i与与q1i解解耦耦。 以转子磁链表达的电机数学模型：以转子
5、磁链表达的电机数学模型： T2M2T11MrrrrmrrrrrmrrmrmsssssrmsrmssssT1M10000iiLRpLLRLRpLLRLLpLLpLRLLLLLpLpLRuu考虑到考虑到M2rT20和，则有：，则有： 1、数学模型、数学模型 mM1ssM1ss T1rrmT1ssT1ss M1srrrmrM1rrrrmT1rrr00Lu( RL p)iLipLLu( RL p)iL iLR LRi( p)LLR LiL 异步电动机的动态结构框图异步电动机的动态结构框图 第四节第四节 异步电动机转子磁链观测器异步电动机转子磁链观测器一、转子磁链的直接检测一、转子磁链的直接检测 直接检
6、测磁通的方法有二种：一种是在电动机槽内埋直接检测磁通的方法有二种：一种是在电动机槽内埋设探测线圈；另一种是利用贴在定子内表面的霍尔片或其设探测线圈；另一种是利用贴在定子内表面的霍尔片或其它电磁元件来检测磁通。它电磁元件来检测磁通。r1sr1s2121rsin ;cos ; 图图6-13 异步电动机的电压模型异步电动机的电压模型 4、组合模型法、组合模型法 高速时用低通滤波器将电流模型滤掉，电压模型起作用；高速时用低通滤波器将电流模型滤掉，电压模型起作用；在低速时用高通滤波器将电压模型滤掉，电流模型起作用。在低速时用高通滤波器将电压模型滤掉，电流模型起作用。 组合式模型为：组合式模型为： 电流模
7、型）2(电压模型）2(2电流模2(电压模型）2(2111111TsTsTsTsTsTs型）（二）闭环磁链观测模型（二）闭环磁链观测模型 常用有三种：常用有三种： （1）基于误差反馈的转子磁链观测；）基于误差反馈的转子磁链观测； （2）基于龙贝格状态观测理论的异步电机全阶状态观测器；）基于龙贝格状态观测理论的异步电机全阶状态观测器； （3）基于模型参考自适应理论的转子磁链观测器。）基于模型参考自适应理论的转子磁链观测器。综上所述，直接检测因工艺和技术问题难以实现，工程上较综上所述，直接检测因工艺和技术问题难以实现，工程上较多采用间接检测法；闭环检测性能较好，但结构复杂；而开多采用间接检测法；闭环
8、检测性能较好，但结构复杂；而开环检测结构简单，适当改进有较高的实用性。受变周期、谐环检测结构简单，适当改进有较高的实用性。受变周期、谐波及离散滞后的影响，按模拟系统电压模型法计算，则误差波及离散滞后的影响，按模拟系统电压模型法计算，则误差大，影响系统工作。新电压模型可以解决这个问题。大，影响系统工作。新电压模型可以解决这个问题。 （三）新电压模型（三）新电压模型 按转子磁链定向且稳态后的定子电压方程为：按转子磁链定向且稳态后的定子电压方程为： T1M1ssT1sT1M1T1ssM1sM1eiLiRueiLiRuT2rmrrms1T2rmsrrm1MLLpLLeLLLLpeT 由此构作的新电压模
9、型为由此构作的新电压模型为 1 T1r1M1ss2srd ; ; dK eKetKt图图6-15 异步电动机的新电压模型异步电动机的新电压模型（四）混合式磁链模型（四）混合式磁链模型由新电压模型和电流模型组成，一套滤波器切换电路即可进由新电压模型和电流模型组成，一套滤波器切换电路即可进行两模型的切换。模型如图行两模型的切换。模型如图6-17所示。所示。 图图6-17 混合式磁链模型混合式磁链模型 工作方式是：工作方式是： 当低速时（小于当低速时（小于10%额定转速），由电流模型计算转子磁额定转速），由电流模型计算转子磁链，通过低通滤波器输出；当转速较高时（大于链，通过低通滤波器输出；当转速较高
10、时（大于10%额定转额定转速），用新电压模型计算，通过高通滤波器输出。然后再把速），用新电压模型计算，通过高通滤波器输出。然后再把它们相加起来。它们相加起来。 第五节第五节 异步电动机的无速度传感器技术异步电动机的无速度传感器技术 常用的速度检测法有：测速发电机测速、光电测速等常用的速度检测法有：测速发电机测速、光电测速等。对笼形对笼形感应电机而言，速度传感器的安装将破坏电机本身坚固、简单感应电机而言，速度传感器的安装将破坏电机本身坚固、简单、低成本的优点。、低成本的优点。 一、速度估计方法一、速度估计方法 较为典型的方法有：较为典型的方法有： 1、根据电机的电压、电流、等效电路参数估算电机的
11、转速、根据电机的电压、电流、等效电路参数估算电机的转速或转差。或转差。 2、采用模型参考自适应方法（、采用模型参考自适应方法（MRAS）估算电机的转速。）估算电机的转速。 3、基于、基于PI控制器法。控制器法。 4、采用扩展的卡尔曼滤波器（、采用扩展的卡尔曼滤波器（EKF）估算电机转速。）估算电机转速。 5、基于人工神经网络的转速估算。、基于人工神经网络的转速估算。二、基于转矩电流误差推算速度的方法二、基于转矩电流误差推算速度的方法转子磁场定向时异步转子磁场定向时异步电机的电磁转矩为：电机的电磁转矩为：1T*rrmmiLLpTe2t1dLmd1375dCGDnIIt由由：得得：dtiiGDCn
12、dLT12m375由此可构造电机速度推算机构为由此可构造电机速度推算机构为： *mT1T12375nCiidtGD 推算速度的物理概念是推算速度的物理概念是：估计速度与实际速度间的误差，一估计速度与实际速度间的误差，一定会引起指令转矩与实际转矩定会引起指令转矩与实际转矩(或转矩电流分量或转矩电流分量)间的误差，间的误差，用其误差去估计速度，实现转矩的无差控制。用其误差去估计速度，实现转矩的无差控制。 第六节第六节 矢量控制的变频调速系统矢量控制的变频调速系统 如图如图6-18双线框内的结构图。双线框内的结构图。A、B、C三相输入，转速三相输入，转速r输出，输出，是一台异步电动机。从内部看，经过
13、三相是一台异步电动机。从内部看，经过三相/二相变换和同步二相变换和同步旋转变换，异步电机变成一台由旋转变换，异步电机变成一台由iM1 -iT1输入，输入， r 输出的直输出的直流电机。流电机。 矢量控制的构想：矢量控制的构想：异步机经坐标变换等效成直流电机，模仿异步机经坐标变换等效成直流电机，模仿直流机的控制方法，求得直流控制量，再经相应的坐标反变直流机的控制方法，求得直流控制量，再经相应的坐标反变换，就能够控制异步机。换，就能够控制异步机。 控制器后引入的反旋转变换与电机内部的旋转变换环节控制器后引入的反旋转变换与电机内部的旋转变换环节VR抵抵消，消，2S/3S与电机内部的与电机内部的3S/
14、2S抵消，若再忽略变频器中可能产生抵消，若再忽略变频器中可能产生的滞后，则图的滞后，则图6-18中虚线框内的部分可以删去，剩下的部分和中虚线框内的部分可以删去，剩下的部分和直流调速系统非常相似。可想像，矢量控制交流变频调速系统直流调速系统非常相似。可想像，矢量控制交流变频调速系统的静、动态性能应完全能够与直流调速系统相媲美。的静、动态性能应完全能够与直流调速系统相媲美。 图图6-18 矢量变换控制系统的构想矢量变换控制系统的构想一、直接磁场定向矢量控制变频调速系统一、直接磁场定向矢量控制变频调速系统 下图中带下图中带“*”号的是给定信号，不带号的是给定信号，不带“*”号的是实测信号。号的是实测
15、信号。主电路采用电流跟踪型主电路采用电流跟踪型PWM变换器。控制部分有转速、转变换器。控制部分有转速、转矩和磁链三个闭环。磁通给定信号由函数发生环节获得，矩和磁链三个闭环。磁通给定信号由函数发生环节获得，转转矩给定信号受磁通信号的控制。矩给定信号受磁通信号的控制。图图6-19 直接磁场定向矢量控制变频调速系统直接磁场定向矢量控制变频调速系统ATR转矩调节器转矩调节器 AR磁链调节器磁链调节器 BRT转速传感器转速传感器二、间接磁场定向矢量控制变频调速系统二、间接磁场定向矢量控制变频调速系统 下图中未实际检测转子磁链，磁链开环，由给定信号及矢下图中未实际检测转子磁链，磁链开环，由给定信号及矢量变
16、换方程确保磁场定向，属间接磁场定向，结构相对简量变换方程确保磁场定向，属间接磁场定向，结构相对简单。但在动态时，实际的定子电流幅值及相位与给定值之单。但在动态时，实际的定子电流幅值及相位与给定值之间会存在偏差，影响系统的动态性能。可采用参数辨识、间会存在偏差，影响系统的动态性能。可采用参数辨识、自适应等智能控制方法解决。自适应等智能控制方法解决。图图6-20 暂态转差补偿矢量控制变频调速系统暂态转差补偿矢量控制变频调速系统三、无速度传感器的矢量控制变频调速系统三、无速度传感器的矢量控制变频调速系统 无速度传感器调速系统就是：在电机定子侧装设电压传感器无速度传感器调速系统就是：在电机定子侧装设电
17、压传感器和电流传感器，检测出三相电压、三相电流，通过间接计算法和电流传感器，检测出三相电压、三相电流，通过间接计算法求出电机运行的实际转速值作为转速反馈信号。求出电机运行的实际转速值作为转速反馈信号。 目前主要方案有基于目前主要方案有基于:（1）转子磁通定向的无速度传感器矢量控制调速系统。）转子磁通定向的无速度传感器矢量控制调速系统。（2）定子磁通定向的无速度传感器矢量控制调速系统。）定子磁通定向的无速度传感器矢量控制调速系统。（3）定子电压矢量定向的无速度传感器矢量控制调速系）定子电压矢量定向的无速度传感器矢量控制调速系统。统。（4）直接转矩控制的无速度传感器变频调速系统。）直接转矩控制的无
18、速度传感器变频调速系统。（5）采用模型参考自适应控制）采用模型参考自适应控制(MRAS)的无速度传感器调的无速度传感器调速系统。速系统。（6）利用扩展的卡尔曼滤波器进行速度辨识的无速度传）利用扩展的卡尔曼滤波器进行速度辨识的无速度传感器调速系统。感器调速系统。一种基本的转速推算器原理一种基本的转速推算器原理tiRutiRud)(d)(1s111s11磁链的幅值及相位角为磁链的幅值及相位角为： s11 -ss1ss1s2121stgsin , cos同步角频率：同步角频率： 2s11111s1111 -s)()()tg(ddddiRuiRuttss定子两相静止轴系中磁链为定子两相静止轴系中磁链为
19、：转差角频率为：转差角频率为：rT1rrriTL由此可得转速推算器的基本结构，如图由此可得转速推算器的基本结构，如图6-21所示：所示：图图6-21 转速推算器结构图转速推算器结构图 无速度传感器转差型矢量控制变频调速系统如图无速度传感器转差型矢量控制变频调速系统如图6-22所示：所示：图图6-22 无速度传感器转差型矢量控制系统无速度传感器转差型矢量控制系统第七节第七节 大功率异步电动机的交大功率异步电动机的交-交变频调速技术交变频调速技术一、异步电动机的定子电流控制一、异步电动机的定子电流控制 异步电机控制策略的实现最终是通过变频器落实到对电机定异步电机控制策略的实现最终是通过变频器落实到
20、对电机定子电流的控制上。原因是：经磁场定向解耦后的电磁转矩和子电流的控制上。原因是：经磁场定向解耦后的电磁转矩和磁链直接受控于定子电流的转矩分量和励磁分量，通过控制磁链直接受控于定子电流的转矩分量和励磁分量，通过控制定子电流就能有效地控制转矩和磁链。在交定子电流就能有效地控制转矩和磁链。在交-交变频矢量控制交变频矢量控制系统中，交直流电流调节分离的系统中，交直流电流调节分离的“控制法控制法”是常用的定子电是常用的定子电流流控制方法。该线路有下列特点：控制方法。该线路有下列特点： 1、采用了电压前馈补偿环节、采用了电压前馈补偿环节 交交-交变频器输出电流随时间正弦变化，输出总比给定滞后交变频器输
21、出电流随时间正弦变化，输出总比给定滞后一段时间。为此，在电流环中加入电压前馈补偿环节，使电一段时间。为此，在电流环中加入电压前馈补偿环节，使电流调节器不再担任产生输出电压的任务，仅起校正误差作用流调节器不再担任产生输出电压的任务，仅起校正误差作用。 图图6-23 三相电流调节线路结构图三相电流调节线路结构图1-3AAR交流电流调节器交流电流调节器 1-2ADR直流电流调节器直流电流调节器 1-3AUR电压调节器电压调节器 1-3AT触发装置触发装置 3、采用交流电流调节环节、采用交流电流调节环节 三个三个P调节器调节器13AAR称为称为“交流电流调节器交流电流调节器”。其给定信号。其给定信号是
22、是从转矩分量及励磁分量经坐标变换获得的。总的电流调节还从转矩分量及励磁分量经坐标变换获得的。总的电流调节还是是PI调节，比例部分主要针对动态，积分部分针对静态。调节，比例部分主要针对动态，积分部分针对静态。图图6-24 典型三相交典型三相交-交变频电流控制系统交变频电流控制系统 生产实用的三相交生产实用的三相交-交变频电流控制系统交变频电流控制系统二、异步电动机交二、异步电动机交-交变频调速系统的基本结构交变频调速系统的基本结构图图6-25 异步电动机矢量控制系统框图异步电动机矢量控制系统框图 以定子电流控制环为内环，以转子磁链及转速环（并行关以定子电流控制环为内环，以转子磁链及转速环（并行关
23、系）为外环的双闭环控制系统，定子电流采用系）为外环的双闭环控制系统，定子电流采用“电流电流PIPI控制控制法法”、磁链和转速采用磁通观测器和无速度传感器技术、磁链和转速采用磁通观测器和无速度传感器技术。（二）转子磁链控制系统（二）转子磁链控制系统 采用了采用了“PI控制法控制法”的定子电流（变频器电流）控制系统，的定子电流（变频器电流）控制系统，它它由交流电流调节、直流电流调节、定子电压给定、计算电路由交流电流调节、直流电流调节、定子电压给定、计算电路、矢量控制所需的坐标变换等环节组成。其原理结构框图如、矢量控制所需的坐标变换等环节组成。其原理结构框图如图图6-25虚线框所示。虚线框所示。（一
24、）定子电流控制系统（一）定子电流控制系统 1 1、磁链给定环节、磁链给定环节2、磁链调节环节、磁链调节环节 如图如图6-26所示所示: 图图6-26 磁链调节环节磁链调节环节（三）速度闭环控制系统（三）速度闭环控制系统三、基于三、基于“工程设计方法工程设计方法”的调节器设计的调节器设计图图6-27 异步电动机交异步电动机交-交变频调速系统结构图交变频调速系统结构图带电流、磁链及转速闭环的异步电机矢量控制调速系统结构带电流、磁链及转速闭环的异步电机矢量控制调速系统结构交流电机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，当采用交流电机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，当采用矢量控制后，整个调速系
25、统被解耦成电流、磁链和转速三个独矢量控制后，整个调速系统被解耦成电流、磁链和转速三个独立的单变量线性系统，因此也可用单变量线性系统常用的立的单变量线性系统，因此也可用单变量线性系统常用的“工工程程设计方法设计方法”来设计。来设计。 （一）电流环的设计（一）电流环的设计1、交流电流调节器设计、交流电流调节器设计 其调节对象为电压前馈环节、交其调节对象为电压前馈环节、交-交变频器及异步电动交变频器及异步电动机，电压前馈是系数为机，电压前馈是系数为1的加法器，如图的加法器，如图6-28所示。所示。 图图6-28 电流控制系统结构关系图电流控制系统结构关系图图图6-29 交流电流调节环框图交流电流调节
26、环框图 按典按典I 设计，可选设计，可选P调节器，其比例系数为：调节器，其比例系数为： ssdi2TKTK 交流电流环等效传递函数为：交流电流环等效传递函数为： eq i1s1TmsTT62seq.ixxix*xsx)(211iiKuisTi 2、直流电流调节器设计：、直流电流调节器设计： 由上式得，在不同坐标系下：由上式得，在不同坐标系下： iiAAM1M1ssiiBBT1T1ssiCCsABC M-T11 212111 21211 21/ K/ KiuiuT sT s/ K/ KiuiuT sT s/ KiuT s图图6-30 直流电直流电流调节环框图流调节环框图 设计成典设计成典I系统，
27、采用积分调节器，积分时间常数为：系统，采用积分调节器，积分时间常数为： d2ssi8TTK闭环传递函数为：闭环传递函数为： 11141) 12(111) 12(11)()(eq.Dissiisii*yysTsTsTKssTKssisimsTTT1242seq.ieq.Di其中：其中： 定子电流环（交流调节环加直流调节环）可近似地用两个定子电流环（交流调节环加直流调节环）可近似地用两个独立的、无耦合的惯性环节来等效：独立的、无耦合的惯性环节来等效： *T1eq.DiT1*M1eq.DiM11111isTiisTi（二）磁链环的设计（二）磁链环的设计图图6-31 异步电动机磁链调节环框图异步电动机磁链调节环框图（三）速度环的设计（三）速度环的设计 结构框图如图结构框图如图6-32所示。所示。 图图6-32 6-32 异步电动机速度调节环框图异步电动机速度调节环框图图图6-33 解耦后的速度环动态结构图解耦后的速度环动态结构图
