运动控制系统(七)-四版

1、按转子磁链定向矢量控制的基本思想n通过通过坐标变换坐标变换和和按转子磁链定向按转子磁链定向，可以得到等，可以得到等效的效的直流电动机模型直流电动机模型，在按转子磁链定向坐标，在按转子磁链定向坐标系中，用直流机的方法控制系中，用直流机的方法控制电磁转矩电磁转矩与与磁链磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经逆变然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经逆变换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。换得到三相坐标系的对应量，以实施控制。 矢量变换及等效直流电动机模型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制的按转子磁链定向矢量控制的基本思想基本思想图图6-20 矢量控制系统原理结构图矢

2、量控制系统原理结构图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转子磁链计算转子磁链计算n转子磁链的直接检测相对困难，现在实用的系转子磁链的直接检测相对困难，现在实用的系统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的得的定子电压、电流或转速定子电压、电流或转速等信号，借助于转等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。n在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分电流模型和电压模型两种。分电流模型和

3、电压模型两种。在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁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链的电流模型电流模型的不足之处电流模型的不足之处n上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测的的定子电流定子电流和和转速信号转速信号，不论转速高低时都能，不论转速高低时都能适用，但都受电动机参数变化的影响。例如电适用，但都受电动机参数变化的影响。例如电机温升和频率变化都会影响转子电阻，磁饱和机温升和频率变化都会影响转子电阻，磁饱和程度将影响电感。这些影响都将导致磁链幅值

4、程度将影响电感。这些影响都将导致磁链幅值与位置信号失真，而反馈信号的失真必然使磁与位置信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型的链闭环控制系统的性能降低，这是电流模型的不足之处。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n根据根据电压方程电压方程中感应电动势等于磁链的变化率，中感应电动势等于磁链的变化率，利用反电动势的积分求得转子磁链。利用反电动势的积分求得转子磁链。n利用利用两相静止坐标系下两相静止坐标系下的的定子定子电压方程求得。电压方程求得。计算转子磁链的电压模型计算转子磁链的电压模型 n根据实测的电压和电流信号计算转子磁链根据实测的电压和电流

5、信号计算转子磁链 )()(sssssmrrsssssmrriLdtiRuLLiLdtiRuLL（6-92） 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电压模型的特点电压模型的特点n优点：优点：n算法相对比较简单，易于微机实时计算。算法相对比较简单，易于微机实时计算。n与转子电阻无关，因此受电动机参数变化的影与转子电阻无关，因此受电动机参数变化的影响较小。响较小。n不需要转速信息，这对无速度传感器的系统来不需要转速信息，这对无速度传感器的系统来说很有价值。说很有价值。n缺点：缺点：电压模型包含纯积分项，积分的初始值电压模型包含纯积分项，

6、积分的初始值和累积误差都影响计算结果，在低速时，定子和累积误差都影响计算结果，在低速时，定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。n电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。可将两种模型组合使用，在低速时采用电流模型，中高速采用电压模型。6.6.6磁链开环转差型矢量控制系磁链开环转差型矢量控制系统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n采用采用磁链开环磁链开环的控制方式，无需转子磁链幅值，的控制方式，无需转子磁链幅值，但对于矢量变换而言，仍然需要转子磁链的位但对于矢量变换而言，仍然需要转子磁链的位置信号。由此可知，转子磁链的

7、计算仍然不可置信号。由此可知，转子磁链的计算仍然不可避免，如果利避免，如果利用给转子磁链定值间接计算转子用给转子磁链定值间接计算转子磁链的位置，磁链的位置，可简化系统结构，这种方法称为可简化系统结构，这种方法称为间接定向间接定向。间接定向的特点间接定向的特点n用定子电流转矩分量给定值和转子磁链给定用定子电流转矩分量给定值和转子磁链给定值计算转差频率给定信号，值计算转差频率给定信号，*strrmsiTLn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，实现转差频率控制功能。换角，实现转差

8、频率控制功能。（6-93） （2）定子电流励磁分量给定信号和转子磁）定子电流励磁分量给定信号和转子磁链给定信号之间的关系是靠式链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。1rsmrmT siL（6-94） 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n间接定向的矢量控制系统借助于矢量控制方程间接定向的矢量控制系统借助于矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统。中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统。n它继承了基于稳态模型转差频率控制系统的优它继承了基于稳态

9、模型转差频率控制系统的优点，又利用基于动态模型的矢量控制规律克服点，又利用基于动态模型的矢量控制规律克服了它大部分的不足之处。了它大部分的不足之处。矢量控制系统的特点矢量控制系统的特点n按转子磁链定向，实现了定子电流励磁分按转子磁链定向，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。量和转矩分量的解耦，需要电流闭环控制。n转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环转子磁链系统的控制对象是稳定的惯性环节，可以采用磁链闭环控制，也可以是开节，可以采用磁链闭环控制，也可以是开环控制。环控制。矢量控制系统的特点矢量控制系统的特点n采用连续的采用连续的PI控制，转矩与磁链变化平稳，控制，转矩与磁链

10、变化平稳，电流闭环控制可有效地限制起、制动电流。电流闭环控制可有效地限制起、制动电流。矢量控制系统存在的问题矢量控制系统存在的问题n 转子磁链计算精度受易于变化的转子电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阻的影响，转子磁链的角度精度影响定向的准确性。向的准确性。n 需要矢量变换，系统结构复杂，运算量需要矢量变换，系统结构复杂，运算量大。大。6.7 异步电动机按定子磁链异步电动机按定子磁链控制的直接转矩控制系统控制的直接转矩控制系统n在在80年代中期，德国学者年代中期，德国学者depenbrock教授于教授于1985年提出直接转矩控制，其思路是把电机年提出直接转矩

11、控制，其思路是把电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型过跟踪型pwm逆变器的开关状态直接控制转逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单量变换的复杂计算，控制结构简单。直接转矩控制系统系统组成原理图直接转矩控制系统系统组成原理图逆变器异步电动机n基本思想：基本思想：根据定子磁链幅值偏差的符号根据定子磁链幅值偏差的符号和电磁转矩偏差的符号，再依据当前定子和电磁转矩偏差的符

12、号，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电磁链矢量所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。链的控制。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2 结构特点结构特点p转速、转矩双闭环转速、转矩双闭环lASR的输出作为电磁转矩的给定信号；的输出作为电磁转矩的给定信号；l设置转矩控制内环，可以抑制磁链变化对设置转矩控制内环，可以抑制磁链变化对转速子系统的影响

13、，从而使转速和磁链子转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了系统实现了近似的解耦近似的解耦。p转矩和磁链的控制器转矩和磁链的控制器 用滞环控制器取代通常的用滞环控制器取代通常的PI调节器。调节器。3 控制特点控制特点n与与VC系统一样，分别控制异步电动机的转速系统一样，分别控制异步电动机的转速和磁链，但在具体控制方法上，和磁链，但在具体控制方法上，DTC系统与系统与VC系统不同的特点是：系统不同的特点是：n1）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 逆变器中直接用这两个控制信号逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的产生电压的SVPW

14、M 波形，从而避开了将定子波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换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。和电流控制，简化了控制器的结构。 2）选择选择定子磁链定子磁链作为被控量作为被控量，计算磁链计算磁链的模型可以不受转子参数变化的影响，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。提高了控制系统的鲁棒性。 从数学模型推导按定子磁链控制的规从数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，律，显然要比按转子磁链定向时复杂，但是，由于采用了砰但是，由于采用了砰-砰控制，这种复杂砰控制，这种复杂性对控制器并没有影响

15、。性对控制器并没有影响。 3）由于采用了直接转矩控制，在加减）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，可以获得速或负载变化的动态过程中，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制快速的转矩响应，但必须注意限制过大过大的冲击电流的冲击电流，以免损坏功率开关器件，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因此实际的转矩响应的快速性也是有限的。的。n1985年由德国学者M.Depenbrock首次提出了基于六边形磁链的直接转矩控制论（DSC），并于1987年推广到弱磁调速范围。n1986年日本学者I.Takahashi提出了定子磁链为圆形的异步电机直接转矩控制方案。n199

16、4年瑞士ABB公司将直接转矩控制技术成功应用于异步电机通用变频器上。从1994年到2011年的十多年中，相继推出了ACS600、ACS800系列直接转矩控制变频器，ACS800系列变频器主要应用于工业领域，其功率可达2.8MW，额定转矩的响应速度小于5ms，稳态时转速偏差为0.01%的额定转速。n在德国，直接转矩控制技术已经成功应用于兆瓦级电力机车牵引上。直接转矩控制系统系统组成原理图直接转矩控制系统系统组成原理图逆变器异步电动机DTC系统的核心问题：系统的核心问题：除转矩和磁链砰除转矩和磁链砰-砰控制外，砰控制外，q如何根据两个砰如何根据两个砰-砰控制器的输出信号来砰控制器的输出信号来选择电

17、压空间矢量和逆变器的开关状态选择电压空间矢量和逆变器的开关状态q转矩和定子磁链反馈信号的计算模型转矩和定子磁链反馈信号的计算模型 6.7.1定子电压矢量对定子磁链与电定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用磁转矩的控制作用n为了分析电压矢量的控制作用，理解直接转矩为了分析电压矢量的控制作用，理解直接转矩控制系统的基本原理，首先导出按控制系统的基本原理，首先导出按定子磁链定定子磁链定向向的的同步旋转坐标系下同步旋转坐标系下异步电动机动态数学模异步电动机动态数学模型，然后分析电压空间矢量对定子磁链与电磁型，然后分析电压空间矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用。转矩的控制作用。n说明：说明：直接转矩

18、控制系统不需要按照定子磁链直接转矩控制系统不需要按照定子磁链定向定向按按定子磁链定子磁链定向的动态数学模型定向的动态数学模型n以定子电流、定子磁链和转速为以定子电流、定子磁链和转速为状态变量状态变量的的同同步旋转坐标系下步旋转坐标系下动态数学模型动态数学模型 ssqsdsqrssrrssdssqrssqssdsqsdrssrrssqssdrssdsqsdsqssqsdsqsdssdLpsqsdsdsqpLuiiLLLRLRLTLdtdiLuiiLLLRLRLTLdtdiuiRdtduiRdtdTJniiJndtd)(11)(11)(11112按定子磁链定向按定子磁链定向n采用按定子磁链定向（仍

19、用采用按定子磁链定向（仍用dq表示），使表示），使d轴与定子磁链矢量重合，则轴与定子磁链矢量重合，则n为了保证为了保证d轴始终与定子磁链矢量重合，还应轴始终与定子磁链矢量重合，还应使使 sds0sq0dtdsq异步电机按定子磁链定向的动态异步电机按定子磁链定向的动态模型模型 21()1()ppsqsLsdsrrssdsdsdsqsrsrssqsqsrrssqsdsdsrssss sdsdnndiTdtJJdiL RL RuiidtL LLTLddR iiuL RL RiidtL LLudLt （6-95） 电磁转矩、旋转角速度电磁转矩、旋转角速度n电磁转矩表达式电磁转矩表达式n定子磁链矢量的旋

20、转角速度定子磁链矢量的旋转角速度 ssqpeinT（6-96） （6-97） ssqssqdiRudtds6.7.1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异步电机按定子磁链定向的动态异步电机按定子磁链定向的动态模型模型)(11)(111)(12sdsssssqrsdssdssqrsqssdsqssrssdrssrrsssdsqdsrssdrssrrssdsdsdssLpssqpiLLiTiLLiTdtdiLuiTLiLLRLRLLuiTLiLLRLRLdtdiuiRdtdTJniJndtd（6

21、-98） 6.7.1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 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。1s6.7.1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l两电平两电平PWM逆变器可输出逆变器可输出8个空间电压矢个空间电压

22、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个有效工作电压空间矢量，将产生不同的个有效工作电压空间矢量，将产生不同的磁链增量。磁链增量。 6.7.1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

23、链与电定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用磁转矩的控制作用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，2ul当定子磁链矢量位于第当定子磁链矢量位于第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。 2u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与电定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用磁转矩

24、的控制作用6.7.1定子电压矢量对定子磁链与电定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用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sdu6.7.1定子电压矢量对定子磁链与电定子电压矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用磁转矩的控制作用为为“+”时，定子磁链矢量正向旋转，转时，定子磁链矢量正向旋转，转差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大；加大；为为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，电时，定子磁链矢量反向旋

25、转，电流转矩分量急剧变负，产生制动转矩；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，转时，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差频率为负，电流转矩分量和电磁转矩减小减小 。l q轴分量轴分量squ6.7.2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6.7.2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6-41 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

26、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转基于定子磁链控制的直接转矩控制系统矩控制系统l输出分别为定子磁链幅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

27、不同的。6.7.2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。 定子电压矢量的控制作用分析定子电压矢量的控制作用分析n忽略定子电阻压降，当所施加的忽略定子电阻压降，当所施加的 为为“+”时，

28、时，定子磁链幅值加大，为定子磁链幅值加大，为“0”时，定子磁链幅值时，定子磁链幅值维持不变，为维持不变，为“-”时，定子磁链幅值减小。时，定子磁链幅值减小。n当当 为为“+”时，定子磁链矢量正向旋转，转时，定子磁链矢量正向旋转，转差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大，差频率增大，电流转矩分量和电磁转矩加大，为为“0”时，定子磁链矢量停在原地，转差频率时，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，当为为负，电流转矩分量和电磁转矩减小，当为“-”时，定子磁链矢量反向旋转，电流转矩分时，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。量急剧变负，产生制动转矩。sdu

29、squ6.7.3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ss ssss ssdR iudtdR iudt 移项并积分后得移项并积分后得()()sss ssss suR idtuR idt6.7.3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 )i(inTsspss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与直接

30、转矩控制系统的特点与存在的问题存在的问题l直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，产生输出电压，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）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。了控制系统的鲁棒性。6.7.4直接转矩控制系统的特点与直接转矩控制系统的特点

31、与存在的问题存在的问题（3）由于采用了直接转矩控制，在加减速）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，可以获得快速的或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，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与直接转矩控制系统的特点与存在的问题存在的问题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）由于采用双位式控制，实际转矩必然在上下限内脉动；在上下限内脉动；（2）

32、由于磁链计算采用了带积分环节的电）由于磁链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压模型，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。变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）、电磁转矩（中）和定子磁链（下）局部放

33、大图放大图a)转速、转矩、定子磁链波形 b）定子磁链圆 c）定子磁链分量波形图2-6 基本DTC系统在空载时转速由300rpm突变至3000rpm的仿真波形6.8直接转矩控制系统与矢量控制直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较系统的比较6.8直接转矩控制系统与矢量控制直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较系统的比较l矢量控制系统通过电流闭环控制，实现定矢量控制系统通过电流闭环控制，实现定子电流的两个分量的解耦，进一步实现电磁子电流的两个分量的解耦，进一步实现电磁转矩与转子磁链的解耦，有利于分别设计转转矩与转子磁链的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较速与磁链调节器；实行连续

34、控制，可获得较宽的调速范围。宽的调速范围。l按转子磁链定向受电动机转子参数变化的按转子磁链定向受电动机转子参数变化的影响，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制直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较系统的比较l直接转矩控制系统采用双位式控制，根据直接转矩控制系统采用双位式控制，根据定子磁链幅值偏差、电磁转矩偏差的符号以定子磁链幅值偏差、电磁转矩偏差的符号以及期望电磁转矩的极性，再依据当前定子磁及期望电磁转矩的极性，再依据当前定子磁链矢量所在的位置，直接产生链矢量所在的位置，直接产生PWM驱动信驱动信号，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构。号，避开了旋转坐标

35、变换，简化了控制结构。l不可避免地产生转矩脉动，影响低速性能，不可避免地产生转矩脉动，影响低速性能，调速范围受到限制。调速范围受到限制。运动控制系统运动控制系统第第7章章绕线转子异步电动机双绕线转子异步电动机双馈调速系统馈调速系统 绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统 l转差功率是人们在研究异步电动机调转差功率是人们在研究异步电动机调速方法时所关心的问题，因为节约电速方法时所关心的问题，因为节约电能也是异步电动机调速的主要目的之能也是异步电动机调速的主要目的之一。作为异步电动机，必然有转差功一。作为异步电动机，必然有转差功率，而如何处理转差功率又在很大程率，而如何处理转

36、差功率又在很大程度上影响着调速系统的效率。度上影响着调速系统的效率。l要提高调速系统的效率，除了尽量减要提高调速系统的效率，除了尽量减小转差功率外，还可以考虑如何去利小转差功率外，还可以考虑如何去利用它。用它。l对于绕线型异步电动机，定、转子电对于绕线型异步电动机，定、转子电路可以同时与外电路相连，转差功率路可以同时与外电路相连，转差功率可以从转子输出，也可以向转子馈入，可以从转子输出，也可以向转子馈入，故称作双馈调速系统。故称作双馈调速系统。绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统l“双馈双馈”的一个特点是转差功率可以回的一个特点是转差功率可以回馈到电网，也可以由电网馈入

37、。至于馈到电网，也可以由电网馈入。至于电功率是馈入定子绕组和电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，或转子绕组，还是由定子绕组和还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，或转子绕组馈出，则要视电动机的工况而定。则要视电动机的工况而定。l绕线转子异步电动机双馈调速方法早绕线转子异步电动机双馈调速方法早在在20世纪世纪30年代就已被提出，到了年代就已被提出，到了6070年代，当可控电力电子器件出现年代，当可控电力电子器件出现以后，才得到更好的应用。以后，才得到更好的应用。绕线转子异步电动机双馈调速系统绕线转子异步电动机双馈调速系统l绕线型异步电动机双馈调速工作原理绕线型异步电动机双馈调速工作原理l绕线型异步电

38、动机串级调速系统绕线型异步电动机串级调速系统l串级调速的机械特性串级调速的机械特性l串级调速系统的技术经济指标串级调速系统的技术经济指标l双闭环控制的串级调速系统双闭环控制的串级调速系统l串级调速系统的起动方式串级调速系统的起动方式l绕线转子异步风力发电机组绕线转子异步风力发电机组 内内 容容 提提 要要7.1 绕线型异步电动机双馈调绕线型异步电动机双馈调速工作原理速工作原理l异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行。率给负载，以拖动负

39、载运行。l在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交在双馈调速工作时，绕线型异步电动机定子侧与交流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势流电网直接连接，转子侧与交流电源或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势回路中附加一个交流电动势，通过控制附加电动势的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。的幅值，实现绕线型异步电动机的调速。7.1.1 绕线型异步电动机转子附绕线型异步电动机转子附加电动势的作用加电动势的作用图图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图绕线型异步电动机转子附加电动势的

40、原理图转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用l异步电动机运行时其转子相电动势为异步电动机运行时其转子相电动势为(7-1)式中式中 异步电动机的转差率异步电动机的转差率；0rrsEE s0rE 绕线型异步电动机转子开路绕线型异步电动机转子开路相电动势，也就是转子开路额定相电压值。相电动势，也就是转子开路额定相电压值。转子相电流在转子短路情况下，转子相电流的表达式为（7-2）式中转子绕组每相电阻；时的转子绕组每相漏抗。2020)(rrrrsXRsEIrR0rX1s串电阻调速串电阻调速l在绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，在绕线转子异步电动机转子串电阻调速时，转子电流转子电流 会在外接电阻上产生

41、一个交流电会在外接电阻上产生一个交流电压压 ，这一交流电压与转子电流有着相同的，这一交流电压与转子电流有着相同的频率和相位，调速时产生的转差功率被消耗频率和相位，调速时产生的转差功率被消耗在外接电阻上。在外接电阻上。rIRU转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用l 如果在转子绕组回路中引入一个可控的交流如果在转子绕组回路中引入一个可控的交流附加电动势附加电动势 来代替外接电阻，附加电动势来代替外接电阻，附加电动势的的幅值幅值和和频率频率与交流电压与交流电压 相同，相同，相位相位与转子与转子电动势电动势 相反（如图相反（如图7-1所示），则它对转子电所示），则它对转子电流的作用与外接电阻是相同

42、的，附加电动势将流的作用与外接电阻是相同的，附加电动势将会吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率。会吸收原先消耗在外接电阻上的转差功率。RUaddErE转子附加电动势的原理图转子附加电动势的原理图图图7-1 绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图绕线型异步电动机转子附加电动势的原理图转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用l引入附加电动势后电动机转子回路的合电动引入附加电动势后电动机转子回路的合电动势减小了，转子电流和电磁转矩也相应减小，势减小了，转子电流和电磁转矩也相应减小，由于负载转矩未变，电动机必然减速，因而由于负载转矩未变，电动机必然减速，因而 增大，转子电动势增大，转子电动势 随之增大，

43、转子随之增大，转子电 流电 流 也 逐 渐 增 大 ， 直 至 转 差 率 增 大 到也 逐 渐 增 大 ， 直 至 转 差 率 增 大 到 时，转子电流又恢复到负载所需的时，转子电流又恢复到负载所需的值，电动机便进入新的值，电动机便进入新的较低转速的稳定状态较低转速的稳定状态。0rrEsEs21()ssrI转子附加电动势的作用转子附加电动势的作用此时，未串入附加电动势和串入附加电动势后此时，未串入附加电动势和串入附加电动势后的转子电流相等的转子电流相等 : 而减小而减小 则可使电动机的转速升高。所以则可使电动机的转速升高。所以在绕线型异步电动机转子侧引入一个在绕线型异步电动机转子侧引入一个可

44、控的可控的附加电动势，就可调节电动机的转速附加电动势，就可调节电动机的转速。addE102022221020()()rraddrrrrrs Es EEIRs XRs X21()ss运动控制系统运动控制系统第第8章章同步电动机变压变频同步电动机变压变频调速系统调速系统 同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统l同步电动机直接投入电网运行时，存同步电动机直接投入电网运行时，存在失步与起动困难两大问题，曾制约在失步与起动困难两大问题，曾制约着同步电动机的应用。着同步电动机的应用。l同步电动机的转速恒等于同步转速，同步电动机的转速恒等于同步转速，所以同步电动机的调速只能是变频调所以同步电动

45、机的调速只能是变频调速。速。同步电动机变压变频调速系统同步电动机变压变频调速系统l变频技术的发展与成熟不仅实现了同步变频技术的发展与成熟不仅实现了同步电动机的调速，同时也解决了失步与起电动机的调速，同时也解决了失步与起动问题，使之不再是限制同步电动机运动问题，使之不再是限制同步电动机运行的障碍。随着变频技术的发展，同步行的障碍。随着变频技术的发展，同步电动机调速系统的应用日益广泛。电动机调速系统的应用日益广泛。l同步电动机调速可分为自控式和他控式同步电动机调速可分为自控式和他控式两种，适用于不同的应用场合。两种，适用于不同的应用场合。内内 容容 提提 要要n同步电动机的稳态模型与调速方法同步电

46、动机的稳态模型与调速方法n他控变频同步电动机调速系统他控变频同步电动机调速系统n自控变频同步电动机调速系统自控变频同步电动机调速系统n同步电动机矢量控制系统同步电动机矢量控制系统n同步电动机直接转矩控制系统同步电动机直接转矩控制系统8.1同步电动机的稳态模型与调同步电动机的稳态模型与调速方法速方法l同步电动机的基本特征与调速方法，讨论同同步电动机的基本特征与调速方法，讨论同步电动机的矩角特性和稳定运行，分析同步步电动机的矩角特性和稳定运行，分析同步电动机的失步与起动问题。电动机的失步与起动问题。l讨论同步电动机变频调速的机械特性。讨论同步电动机变频调速的机械特性。8.1.1 同步电动机的特点同

47、步电动机的特点l同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，或同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，或者靠永久磁钢励磁。还可能有自身短路的阻者靠永久磁钢励磁。还可能有自身短路的阻尼绕组。尼绕组。l同步电动机的稳态转速恒等于同步转速，机同步电动机的稳态转速恒等于同步转速，机械特性硬械特性硬11160602ppfnnn8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l同步电动机有隐极与凸极之分。隐极式电机同步电动机有隐极与凸极之分。隐极式电机气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴磁阻气隙均匀；凸极式则不均匀，磁极直轴磁阻小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，小，极间交轴磁阻大，两轴的电感系数不等，使数学模型更复杂

48、一些。使数学模型更复杂一些。l同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，同步电动机的调速范围比频率下也能运行，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。异步电动机更宽。8.1.1 同步电动机的特点同步电动机的特点l异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，动态响应快。承受能力，动态响应快。8.1.1 同步电动机的分类同步电动机的分类 l同步电动机按励磁方式

49、分为可控励磁同步电同步电动机按励磁方式分为可控励磁同步电动机和永磁同步电动机两种。动机和永磁同步电动机两种。l可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流可控励磁同步电动机在转子侧有独立的直流励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，励磁，可以通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。l永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无永磁同步电动机的转子用永磁材料制成，无需直流励磁。需直流励磁。永磁同步电动机的优点永磁同步电动机的优点l采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、采用了永磁材料磁极，磁能积高，体积小、重量轻；重量轻；l转子没有铜损和铁损，

50、没有滑环和电刷的摩转子没有铜损和铁损，没有滑环和电刷的摩擦损耗，运行效率高；擦损耗，运行效率高；l转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高转动惯量小，允许脉冲转矩大，可获得较高的加速度，动态性能好；的加速度，动态性能好；l结构紧凑，运行可靠。结构紧凑，运行可靠。气隙磁场分布气隙磁场分布l正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机磁极采用永磁材磁极采用永磁材料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场为正料，输入三相正弦波电流时，气隙磁场为正弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简弦分布，称作正弦波永磁同步电动机，或简称永磁同步电动机缩写为称永磁同步电动机缩写为PMSM。l 梯形波永磁同步电动机梯形波永磁同步电

51、动机气隙磁场呈梯形气隙磁场呈梯形波分布，性能更接近于直流电动机。梯形波波分布，性能更接近于直流电动机。梯形波永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机永磁同步电动机构成的自控变频同步电动机又称作无刷直流电动机，缩写为又称作无刷直流电动机，缩写为BLDM。8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l在忽略定子电阻时，同步电动机从定子侧输在忽略定子电阻时，同步电动机从定子侧输入的电磁功率入的电磁功率13cos3cos()3cos cos3sin sinMssssssssPPU IU IU IU I8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性图图8-1 凸极同步电动机稳定运行相量图凸极

52、同步电动机稳定运行相量图sincoscossinssqqsssddssqssdUIxUEIxIIII8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l电磁功率电磁功率223cos cos3sin sin3cos3sinsin(cos )3cos3sin113sin3()cos sin3()3sinsin22MssssssqssdsssssqdsssdqdsdqssddqPU IU IU IU IUEUUUxxEUUxxxUxxU Exx x8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l电磁转矩电磁转矩2sin2)(3sin32qdmqdsdmssexxxxUxEUTl第第1部分由转

53、子磁动势产生，是同步电动机的部分由转子磁动势产生，是同步电动机的主转矩；主转矩；l第第2部分由于磁路不对称产生，称作磁阻反应部分由于磁路不对称产生，称作磁阻反应转矩。转矩。8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性图图8-2 凸极同步电动机的矩角特性凸极同步电动机的矩角特性8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性l隐极同步电动机隐极同步电动机l电磁功率电磁功率l电磁转矩电磁转矩 dqxx3sinssMdU EPx3sinssemdU ETx8.1.3 同步电动机的矩角特性同步电动机的矩角特性图图8-3 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性2电磁转矩最大电磁转矩

54、最大 max3ssemdU ETx8.1.4 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行图图8-4 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性02能够稳定运行能够稳定运行8.1.4 同步电动机的稳定运行同步电动机的稳定运行图图8-5 隐极同步电动机的矩角特性隐极同步电动机的矩角特性不能稳定运行，不能稳定运行，产生失步现象产生失步现象。28.1.5 同步电动机的起动同步电动机的起动l当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁当同步电动机在工频电源下起动时，定子磁动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大动势以同步转速旋转，电动机转速具有较大的滞后，不能快速跟上同步转速；的滞后，不能快速跟上同步转速；

55、l在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，在一个周期内，电磁转矩的平均值等于零，故同步电动机不能起动。故同步电动机不能起动。l同步电动机中转子有起动绕组，使电动机按同步电动机中转子有起动绕组，使电动机按异步电动机的方式起动，当转速接近同步转异步电动机的方式起动，当转速接近同步转速时再通入励磁电流牵入同步。速时再通入励磁电流牵入同步。8.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速l同步电动机的转速等于同步转速同步电动机的转速等于同步转速l同步电动机有确定的极对数同步电动机有确定的极对数l同步电动机的调速只能是改变电源频率的变同步电动机的调速只能是改变电源频率的变频调速。频调速。pnfnn11608.

56、1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速l忽略定子漏阻抗压降，则定子电压忽略定子漏阻抗压降，则定子电压l同步电动机变频调速的电压频率特性与异步同步电动机变频调速的电压频率特性与异步电动机变频调速相同。电动机变频调速相同。l基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控基频以下采用带定子压降补偿的恒压频比控制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。制方式，基频以上采用电压恒定的控制方式。mNssSkNfU44. 418.1.6 同步电动机的调速同步电动机的调速图图8-6 同步电动机变频调速机械特性同步电动机变频调速机械特性基频以下基频以下 max3ssedmE UTx常数基频以上基频以上 max1311sNsemdmUETxn8.2他控变频同步电动机调速系统他控变频同步电动机调速系统l他控变频调速的特点是电源频率与同步电动他控变频调速的特点是电源频率与同步电动机的实际转速无直接的必然联系。机的实际转速无直接的必然联系。l控制系统结构简单，可以同时实现多台同步控制系统结构简单，可以同时实现多台同步电动机调速。电动机调速。l没有从根本上消除失步问题。没有从根本上消除失步问题。8.2.1转速开环恒压频比控制的转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速系统同步电动机群调速系统l多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共的多台永磁或磁阻同步电动机