第3篇3異步電機動態(tài)調(diào)速控制方法

1、第3篇 交流傳動控制原理n矢量控制矢量控制n直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制第第3章章 異步電機動態(tài)調(diào)速控制異步電機動態(tài)調(diào)速控制3.1.1 矢量控制系統(tǒng)的基本思路矢量控制系統(tǒng)的基本思路 在坐標(biāo)變換章節(jié)中已經(jīng)闡明，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流 iA、 iB 、iC ，通過三相/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 id 和 iq 。 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直流電機，可以控制使交流電機的轉(zhuǎn)子總磁通 r 就是等效直流電機的磁通，如果把d軸定位于 的方向上，稱作M（Mag

2、netization）軸，把q軸稱作T（Torque）軸，則M繞組相當(dāng)于直流電機的勵磁繞組，im 相當(dāng)于勵磁電流，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。 r 把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，便得到圖3-1。從整體上看，輸入為A，B，C三相電壓，輸出為轉(zhuǎn)速 ，是一臺異步電機。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺由 im 和 it 輸入，由 輸出的直流電機。圖3-1 異步電動機的坐標(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等效直流等效直流電機模型電機模型ABC iAiBiCitimii異步電動機異步電動機

3、 異步電機的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 既然異步電機經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電機，那么，模仿直流電機的控制策略，得到直流電機的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機了。 由于進行坐標(biāo)變換的是電流（代表磁動勢）的空間矢量，所以這樣通過坐標(biāo)變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System），控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如下圖所示。 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 控制器控制器VR-12/3電流控制電流控制變頻器變頻器3/2VR等效直流等效直流電機模型電機模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反饋信號異步電動機給定信號 圖3-2 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

4、 在設(shè)計矢量控制系統(tǒng)時，可以認(rèn)為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1與電機內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵消，2/3變換器與電機內(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3-2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。 設(shè)計控制器時省略后的部分控制器控制器VR-12/3電流控制電流控制變頻器變頻器3/2VR等效直流等效直流電機模型電機模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反饋信號異步電動機給定信號 圖3-3 簡化控制結(jié)構(gòu)圖 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、動態(tài)性能上完全能夠與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 3.1.2 按

5、轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制方程及其 解耦作用解耦作用n問題的提出 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。在前述動態(tài)模型分析中，進行兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時，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)定兩軸與電機旋轉(zhuǎn)磁場的相對位置，對此是有選擇余地的。 n 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?，并稱之為 M（Magnetization）軸，而 q 軸再逆時針轉(zhuǎn)90，即垂直于轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶?，稱之為 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（Fi

6、eld Orientation）的坐標(biāo)系。 當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時，應(yīng)有rmrr rmm smL iL irt0r rtm stL iL i（3-15） smsssmmsmst1sssmmstrmmmrrslrrmrtslmmslrrrrtssssuRL pLL pLiuLRL pLL piuL pLRL pLiuLL pLRL pi （3-16） n 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向后的系統(tǒng)模型（3-16）代入M、T軸系的電壓矩陣方程式（3-15）,即得磁場定向的電壓基本方程，由第三、四行可分別得到（3-17）和（3-18）分別帶入（3-16）得： (5-17)rrmrpiR (5-18)slr

7、rtrwiR 1 (5-19)rsmrmT piL (5-20)rstslrmTiwLn 按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的意義l式（3-19）表明，轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量無關(guān)，從這個意義上看，定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。l 式（3-19）還表明，r 與 ism之間的傳遞函數(shù)是 一階慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為轉(zhuǎn)子磁鏈勵磁時間常數(shù)，當(dāng)勵磁電流分量ism突變時，r 的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電機勵磁繞組的慣性作用是一致的。 () (5-21)pmst rmsm rtTn Li ii i (5-22)rmmmpstsmpstrrtrrLLTniiniLL() (5-23)mpm s

8、mstrLTnL iiL 由式（3-20）和式（3-19）可分別得轉(zhuǎn)差角頻率公式 (5-24)mslstrrLwiT1 (5-25)rslstr smT pwiT i式（3-21）是在任意選取的MT坐標(biāo)內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩的表達式，無論對動態(tài)還是穩(wěn)態(tài)都是適用的式（3-22）是在已沿轉(zhuǎn)子磁場定向的特定MT坐標(biāo)內(nèi)電磁轉(zhuǎn)矩表達式，在轉(zhuǎn)子磁場恒定或者變化時都適用。式（3-23）是在沿磁場定向的特定MT坐標(biāo)內(nèi)轉(zhuǎn)子磁場恒定，即電機穩(wěn)態(tài)運行時的電磁轉(zhuǎn)矩表達式 式（3-19）、（3-24）和（3-22）構(gòu)成矢量控制基本方程式，按照這些關(guān)系可將異步電機的數(shù)學(xué)模型繪成圖3-11中的形式，圖中前述的等效直流電機模型（見圖3-

9、8）被分解成 和 r 兩個子系統(tǒng)?？梢钥闯?，雖然通過矢量變換，將定子電流解耦成 ism 和 ist 兩個分量，但是，從 和 r 兩個子系統(tǒng)來看，由于T同時受到 ist 和 r 的影響，兩個子系統(tǒng)仍舊是耦合著的。 n電流解耦數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)3/2AiVRrmpLLnpnJCiBisisismistirLTTm1rLT p 圖3-11 異步電動機矢量變換與電流解耦數(shù)學(xué)模型 按照圖3-9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)進行控制時，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3-12所示。 為了使兩個子系統(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 對電磁轉(zhuǎn)矩 Te 的影

10、響。Ai電流控制變頻器mprLnLCiBismistir異步電機矢量變換模型s3/ r2CrAiCiBirRAASR圖3-12 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖 比較直觀的辦法是，把ASR的輸出信號除以r ，當(dāng)控制器的坐標(biāo)反變換與電機中的坐標(biāo)變換對消，且變頻器的滯后作用可以忽略時，此處的（ r ）便可與電機模型中的（ r ）對消，兩個子系統(tǒng)就完全解耦了。這時，帶除法環(huán)節(jié)的矢量控制系統(tǒng)可以看成是兩個獨立的線性子系統(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)計方法來設(shè)計兩個調(diào)節(jié)器AR和ASR。 應(yīng)該注意，在異步電機矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈 r 和它的定向相位角 都是實際存在的，而用于控制器

11、的這兩個量都難以直接檢測，只能采用觀測值或模型計算值，在圖3-12中冠以符號“”以示區(qū)別。n 解耦條件 因此，兩個子系統(tǒng)完全解耦只有在下述三個假定條件下才能成立：轉(zhuǎn)子磁鏈的計算值 等于其實際值r ；轉(zhuǎn)子磁場定向角的計算值 等于其實際值 ；忽略電流控制變頻器的滯后作用。 r3.1.3 轉(zhuǎn)子磁鏈模型轉(zhuǎn)子磁鏈模型 要實現(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，以供磁鏈反饋和除法環(huán)節(jié)的需要。開始提出矢量控制系統(tǒng)時，曾嘗試直接檢測磁鏈的方法，一種是在電機槽內(nèi)埋設(shè)探測線圈，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。 從理論上說，直接檢測應(yīng)該比較準(zhǔn)確，但實際上這樣做都會遇到

12、不少工藝和技術(shù)問題，而且由于齒槽影響，使檢測信號中含有較大的脈動分量，越到低速時影響越嚴(yán)重。因此，現(xiàn)在實用的系統(tǒng)中，多采用間接計算的方法，即利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，利用轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與相位。 利用能夠?qū)崪y的物理量的不同組合，可以獲得多種轉(zhuǎn)子磁鏈模型，具體見書中P106。 3.1.4 轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)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)直接矢量控制系統(tǒng) 如前所述，在矢量控制系統(tǒng)中，主要依賴于對轉(zhuǎn)子磁鏈的檢測和觀察，不同的磁鏈觀察模型，需要對不同基本量（電壓、電流、轉(zhuǎn)速及指令參數(shù)等）的檢測，因而構(gòu)成了各種矢量控制系統(tǒng)電流控制變頻器電流控

13、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3-13a），帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器（圖3-13b）。 帶轉(zhuǎn)速和磁鏈閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)又稱直接矢量控制系統(tǒng)直接矢量控制系統(tǒng)。 （1）電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC圖3-13a 電流控制變頻器（2）帶電流內(nèi)環(huán)控制的電壓源型PWM變頻器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C圖3-13b 電流控制變頻器（3） 轉(zhuǎn)速磁鏈閉環(huán)微機控制電流滯環(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)

14、矩控制內(nèi)環(huán)，如下圖3-14所示。 圖中，作為一個示例，主電路采用了電流滯環(huán)跟蹤控制的CHBPWM變頻器。VR-12/3LrATRASRAR 電流變換和磁鏈觀測M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist電流滯環(huán)型電流滯環(huán)型PWM變頻器變頻器微型計算機微型計算機圖3-14 帶轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)的轉(zhuǎn)速、磁鏈閉環(huán)矢量控制系統(tǒng) 工作原理n轉(zhuǎn)速正、反向和弱磁升速，n磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得。n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為轉(zhuǎn)矩給定信號，弱磁時它還受到磁鏈給定信號的控制。n在轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)中，磁鏈對控制對象的影響相當(dāng)于一種擾動作用，因而受到轉(zhuǎn)矩

15、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。 3.2 基于動態(tài)模型按定子磁鏈控制的基于動態(tài)模型按定子磁鏈控制的 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)n概 述 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)簡稱 DTC ( Direct Torque Control) 系統(tǒng)，是繼矢量控制系統(tǒng)之后發(fā)展起來的另一種高動態(tài)性能的交流電動機變壓變頻調(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的電磁轉(zhuǎn)矩，因而得名。3.2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理和特點直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理和特點n系統(tǒng)組成圖6-1 按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)n 結(jié)構(gòu)特點p轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)：lASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號；l設(shè)置轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它

16、可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實現(xiàn)了近似的解耦。p轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制器： 用滯環(huán)控制器取代通常的PI調(diào)節(jié)器。n 控制特點 與VC系統(tǒng)一樣，它也是分別控制異步電動機的轉(zhuǎn)速和磁鏈，但在具體控制方法上，DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)不同的特點是：1）轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰轉(zhuǎn)矩和磁鏈的控制采用雙位式砰-砰控砰控制器制器，并在 PWM 逆變器中直接用這兩個控制信號產(chǎn)生電壓的SVPWM 波形，從而避開了將定子電流分解成轉(zhuǎn)矩和磁鏈分量，省去了旋轉(zhuǎn)變換和電流控制，簡化了控制器的結(jié)構(gòu)。 2）選擇定子磁鏈作為被控量定子磁鏈作為被控量，而不象VC系統(tǒng)中那樣選擇轉(zhuǎn)子磁鏈，這樣一來，計算磁鏈的模型

17、可以不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。如果從數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)按定子磁鏈控制的規(guī)律，顯然要比按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時復(fù)雜，但是，由于采用了砰-砰控制，這種復(fù)雜性對控制器并沒有影響。 3）由于采用了直接轉(zhuǎn)矩控制，在加減速或負(fù)載變化的動態(tài)過程中，可以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，但必須注意限制過大的沖擊電流，以免損壞功率開關(guān)器件，因此實際的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的快速性也是有限的。n 性能比較 從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制從總體控制結(jié)構(gòu)上看，直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)系統(tǒng)和矢量控制系統(tǒng)和矢量控制(VC)系統(tǒng)是一致的，系統(tǒng)是一致的，都能獲得較高的靜、動態(tài)性能都能獲得較高的靜、動態(tài)性能。3.2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制規(guī)律

18、和反饋直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制規(guī)律和反饋 模型模型 除轉(zhuǎn)矩和磁鏈砰-砰控制外，DTC系統(tǒng)的核心問題就是：轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈反饋信號的計算模型；如何根據(jù)兩個砰-砰控制器的輸出信號來選擇電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)。 電壓空間矢量和逆變器的開關(guān)狀態(tài)的選擇 在圖3-62所示的 DTC 系統(tǒng)中，根據(jù)定子磁鏈給定和反饋信號進行砰-砰控制，按控制程序選取電壓空間矢量的作用順序和持續(xù)時間。n正六邊形的磁鏈軌跡控制： 如果只要求正六邊形的磁鏈軌跡，則逆變器的控制程序簡單，主電路開關(guān)頻率低，但定子磁鏈偏差較大； n圓形磁鏈軌跡控制： 如果要逼近圓形磁鏈軌跡，則控制程序較復(fù)雜，主電路開關(guān)頻率高，定子磁鏈接近恒定。該系統(tǒng)也可用于弱磁升速，這時要設(shè)計好*s = f (*) 函數(shù)發(fā)生程序，以確定不同轉(zhuǎn)速時的磁鏈給定值。 DTC系統(tǒng)存在的問題1）由于采用砰-砰控制，實際轉(zhuǎn)矩必然在上下限內(nèi)脈動，而不是完全恒定的。2）由于磁鏈計算采用了帶積分環(huán)節(jié)的電壓模型，積分初值、累積誤差和定子電阻的變化都會影響磁鏈計算的準(zhǔn)確度。 這兩個問題的影響在低速時都比較顯著，因而使DTC系統(tǒng)的調(diào)速范圍受到限制。 為了解決這些問題，許多學(xué)者做過不少的研究工作，使它們得到一定