电力拖动自动控制系统课件

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动机的坐标变换结构图异步电动机的坐标变换结构图按转子磁链定向的矢量控制系统按转子磁链定向的矢量控制系统http:/ 笔趣阁2024/7/111 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 2024/7/112 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 这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。直流调速系统相媲美。2024/7/113 6.7.2按转子磁链定向（Field Orientation）2024/7/114 按转子磁链定向后的系统模型 代入转矩方程式和状态方程式，并代入转矩方程式和状态方程式，并用用m，t替代替代d，q，即得，即得2024/7/115 矢量控制方程 方程可写成方程可写成励磁公式励磁公式：方程蜕化为代数方程，得方程蜕化为代数方程，得转差公式转差公式：这使状态方程又降低了一阶。这使状态方程又降低了一阶。或或2024/7/116 矢量控制方程(续)再考虑再考虑转矩公式转矩公式：组成一组矢量控制方程，构成组成一组矢量控制方程，构成异步电异步电动机动机矢量变换的数学模型矢量变换的数学模型。2024/7/117 异步电动机矢量变换数学模型结构图3/2VR 矢量变换把异步电动机分解成矢量变换把异步电动机分解成 和和 r r 两个子系统，从两个子系统，从定子电流的定子电流的励磁分量与转矩励磁分量与转矩分量分量来看，来看，是解耦的是解耦的，但，但由于由于T Te e同时受到同时受到 i ist st 和和 r r 的影响，的影响，两个子系统仍旧是耦合着的两个子系统仍旧是耦合着的。2024/7/118 带除法环节的解耦矢量控制系统 （采用电流控制变频器）电流电流控制控制变频器变频器异步电机异步电机矢量矢量变换模型变换模型 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2024/7/119解耦条件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 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 2024/7/11106.7.3 转子磁链模型 由实测的三相定子电流通过3/2变换很容易得到两相静止坐标系上的电流 is 和 is，再利用式（6-109）第3，4行计算转子磁链在 ，轴上的分量为 1.在两相静止坐标系上的转子磁链模型 2024/7/1111（6-138）（6-139）又由式（6-108）的 坐标系电压矩阵方程第3，4行，并令 ur=ur=0 得2024/7/1112或 2024/7/1113整理后得转子磁链模型（6-140）（6-141）按式（6-140）、式（6-141）构成转子磁链分量的运算框图如下图所示。有了r 和 r，要计算r 的幅值和相位就很容易了。转子磁链模型2024/7/1114 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2024/7/1115 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。采用微机数字控制时，由于 r 与 r 之间有交叉反馈关系，离散计算时可能不收敛，不如采用下面第二种模型。2024/7/11162.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。三相定子电流 iA、iB、iC 经3/2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 定向，得到M、T坐标系上的电流 ism、ist，利用矢量控制方程式（6-136）和式（6-135）可以获得 r和 s 信号，由s 与实测转速 相加得到定子频率信号1，再经积分即为转子磁链的相位角，它也就是同步旋转变换的旋转相位角。2024/7/1117 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 TrLm1p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2024/7/1118 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。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，例如电机温升和频率变化都会影响转子电阻 Rr，从而改变时间常数 Tr，磁饱和程度将影响电感Lm 和 Lr，从而 Tr 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然使磁链闭环控制系统的性能降低。2024/7/11196.7.4 转速、磁链闭环控制的矢量控制系统 直接矢量控制系统 图6-55用除法环节使r 与 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，r 模型在图中略去未画。转速调节器输出带“r”的除法环节，使系统可以在第6.7.2节最后指出的三个假定条件下简化成完全解耦的r 与 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字控制器中。2024/7/1120电流控制变频器 电流控制变频器可以采用如下两种方式：电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器 带电流内环控制的电压源型PWM变频器 带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统直接矢量控制系统。2024/7/1121（1）电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC图6-59a 电流控制变频器2024/7/1122（2）带电流内环控制的电压源型PWM变频器i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C图6-59b 电流控制变频器2024/7/1123（3）转速磁链闭环微机控制电流滞环型 PWM变频调速系统 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制内环，如下图所示。2024/7/1124VR-12/3LrATRASRAR 电流变换和磁链观测M3TA+cos sin isnpLmis*T*eTe*rrri*sti*smi*si*si*sAi*sBi*sCist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 系统组成图6-60 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统 2024/7/1125 工作原理n转速正、反向和弱磁升速，n磁链给定信号由函数发生程序获得。n转速调节器ASR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。2024/7/1126 转矩内环的解耦作用2024/7/1127转矩内环的解耦作用 在转矩内环中，磁链对控制对象的影响在转矩内环中，磁链对控制对象的影响相当于扰动作用，因而受到转矩内环的相当于扰动作用，因而受到转矩内环的抑制，从而改造了转速子系统，使它少抑制，从而改造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响，促成转速子系统和受磁链变化的影响，促成转速子系统和磁链子系统的近似解耦。磁链子系统的近似解耦。2024/7/11286.7.5 磁链开环转差型矢量控制系统 间接矢量控制系统 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 Tr 和 Lm 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（6-135），构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控制系统。2024/7/1129 它继承了第6.5.2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的矢量控制规律克服了它的大部分不足之处。图6-60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-直-交电流源型变频器，适用于数千kW的大容量装置，在中、小容量装置中多采用带电流控制的电压源型PWM变压变频器。2024/7/1130 转差型矢量控制的交直交电压源变频调速系统图6-61 磁链开环转差型矢量控制系统原理图p1K/PACRURCSIMTG+TA+Ld3+sTrLmLmTr p+1ASR矢量控制器1*s*si*sisi*sti*sm*r*TG2024/7/1131 系统的主要特点（1）转速调节器ASR的输出正比于转矩给定信号，实际上是由矢量控制方程式可求出定子电流转矩分量给定信号 i*st 和转差频率给定信号*s，其关系为 2024/7/1132 二式中都应除以转子磁链 r，因此两个通道中各设置一个除法环节。2024/7/1133 （2）定子电流励磁分量给定信号 i*sm 和转子磁链给定信号*r 之间的关系是靠式 （6-137）建立的，其中的比例微分环节 Tr p+1使 ism 在动态中获得强迫励磁效应，从而克服实际磁通的滞后。2024/7/1134 （3）i*sm和i*st 经直角坐标/极坐标变换器K/P合成后，产生定子电流幅值给定信号 i*s 和相角给定信号*s。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90，所产生的转矩仍只能是零。2024/7/1135（4）转差频率给定信号*s 按矢量控制方程式（6-135）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，并没有实际计算转子磁链及其相位，所以属于间接矢量控制。2024/7/1136矢量控制系统的优点与问题优点：有优越的静、动态性能，调速范围广；优点：有优越的静、动态性能，调速范围广；可仿照直流调速系统进行调节器设计。可仿照直流调速系统进行调节器设计。问题：定向精度受转子参数变化的影响。问题：定向精度受转子参数变化的影响。2024/7/1137 问题的解决办法1.1.带自适应控制的转速调节器带自适应控制的转速调节器 研究论文很多，实际应用很少。研究论文很多，实际应用很少。2.2.带智能控制的转速调节器带智能控制的转速调节器 单神经元或专家系统控制比较单神经元或专家系统控制比较 简单，有应用前景。简单，有应用前景。2024/7/11387.8按定子磁链控制的直接转矩控制系统简称 DTC(Direct Torque Control)系统 2024/7/1139 控制结构特点（一）(1)转速、转矩双闭环控制转速、转矩双闭环控制 ASR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；设置转矩控制内环，可以抑制磁链变化对转速设置转矩控制内环，可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似的解耦。了近似的解耦。在这点上，直接转矩控制与矢量控制相同。在这点上，直接转矩控制与矢量控制相同。2024/7/1140 控制结构特点（二）（2）按定子磁链控制按定子磁链控制 不受转子参数变化的影响，可提高鲁棒性。不受转子参数变化的影响，可提高鲁棒性。（3）转矩和磁链双位式砰转矩和磁链双位式砰-砰控制器砰控制器 不按转子磁链定向，不能实现电流分量解耦，不按转子磁链定向，不能实现电流分量解耦，只好不用线性调节器，改用砰只好不用线性调节器，改用砰-砰控制器，引起转矩砰控制器，引起转矩脉动；但也省去了旋转坐标变换。脉动；但也省去了旋转坐标变换。2024/7/1141 控制结构特点（三）(4)快速转矩响应快速转矩响应 采用直接转矩控制，可以获得快速的转矩响应，但必须注意限制采用直接转矩控制，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，以免损坏功率开关器件。过大的冲击电流，以免损坏功率开关器件。(5)空间矢量空间矢量PWM控制控制 根据砰根据砰-砰控制器的输出信号直接选择电压空间矢量和逆变器的开砰控制器的输出信号直接选择电压空间矢量和逆变器的开关状态。关状态。2024/7/1142 反馈模型(电压模型)1.1.定子磁链反馈计算模型定子磁链反馈计算模型2024/7/1143 2.转矩反馈计算模型 2024/7/1144直接转矩控制系统的优点和问题优点：优点：有优越的动态性能，转矩响应快；有优越的动态性能，转矩响应快；根据砰根据砰-砰控制器输出直接产生砰控制器输出直接产生PWM信号。信号。问题：问题：采用砰采用砰-砰控制，实际转矩在上下限内脉动；砰控制，实际转矩在上下限内脉动；PWM开关频率不确定。开关频率不确定。2024/7/1145 问题的解决办法 1.1.在砰在砰-砰控制器基础上改进，以减少转矩脉动。砰控制器基础上改进，以减少转矩脉动。如如细细化化磁磁链链偏偏差差和和转转矩矩偏偏差差，对对电电压压空空间间矢矢 量量的的无无差差拍拍调调制制，对对开开关状态的预测控制、关状态的预测控制、智能控制等等。智能控制等等。2.2.将砰将砰-砰控制器改为连续的调节器，设计连砰控制器改为连续的调节器，设计连 续控制算法。续控制算法。2024/7/1146 1.矢矢量量控控制制(VC)与与直直接接转转矩矩控控制制(DTC)均均属属于于同同一一代代的的高高性性能能交交流流调调速速技技术术，都都能能获获得得良良好好的的动动、静静态态性能，满足一般应用的要求，但又各有特色。性能，满足一般应用的要求，但又各有特色。2.VC与与DTC基基于于同同样样的的交交流流电电机机两两相相等等效效数数学学模模型型，实实现现对对转转矩矩与与磁磁链链的的分分别别控控制制。VC是是基基于于同同步步旋旋转转坐坐标标下下的的线线性性控控制制，而而DTC则则是是基基于于静静止止坐坐标标系系下下的的非非线线性性“砰砰-砰砰”控控制制；对对于于异异步步电电机机调调速速，VC通通常常采采用用转转子子磁磁链链定定向向控控制制，而而DTC采采用用定定子子磁磁链链“砰砰-砰砰”控制。控制。矢量控制系统与直接转矩控制系统的比较 2024/7/1147 3.由由于于DTC采采用用“砰砰-砰砰”控控制制，可可以以获获得得较较VC更更快的转矩响应，但其稳态性能较快的转矩响应，但其稳态性能较VC略低。略低。4.人人们们普普遍遍关关注注的的低低速速性性能能及及无无速速度度传传感感器器控控制是制是DTC与与VC系统都需要进一步解决的问题。系统都需要进一步解决的问题。5.目目前前，DTC与与VC技技术术都都在在克克服服其其不不足足的的问问题题上上取取得得了了不不小小的的进进步步，而而且且正正在在相相互互融融合合，以以提提高高转转矩矩响响应应的的快快速速性性和和调调速速系系统统的的低低速速性性能能，并并解解决决参参数鲁棒性以及数鲁棒性以及“砰砰-砰砰”控制的开关不确定性等问题。控制的开关不确定性等问题。2024/7/1148