直接转矩控制与矢量控制实用教案

会计学1直接直接(zhji)转矩控制与矢量控制转矩控制与矢量控制第一页，共98页。一、 坐标(zubio)变换的基本思路第1页/共98页第二页，共98页。图5-1 二极直流电机的物理模型dqFACifiaic励磁绕组电枢绕组补偿绕组第2页/共98页第三页，共98页。第3页/共98页第四页，共98页。第4页/共98页第五页，共98页。第5页/共98页第六页，共98页。第6页/共98页第七页，共98页。第7页/共98页第八页，共98页。ABCABCiAiBiCFs图5-2a 三相(sn xin)交流绕组第8页/共98页第九页，共98页。第9页/共98页第十页，共98页。Fiis图5-2b 两相交流绕组 第10页/共98页第十一页，共98页。第11页/共98页第十二页，共98页。sFdqidiqdq图5-2c 旋转(xunzhun)的直流绕组 第12页/共98页第十三页，共98页。成为旋转(xunzhun)磁动势。第13页/共98页第十四页，共98页。第14页/共98页第十五页，共98页。 由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图5-2a的三相交流(jioli)绕组、图b的两相交流(jioli)绕组和图c中整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的 iA、iB 、iC，在两相坐标系下的 i、i 和在旋转两相坐标系下的直流 id、iq 是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。第15页/共98页第十六页，共98页。模型(mxng)。第16页/共98页第十七页，共98页。第17页/共98页第十八页，共98页。 现在先考虑上述的第一种坐标(zubio)变换在三相静止绕组A、B、C和两相静止绕组、 之间的变换，或称三相静止坐标(zubio)系和两相静止坐标(zubio)系间的变换，简称 3/2 变换。 第18页/共98页第十九页，共98页。化着，图中磁动势矢量的长度是随意的。第19页/共98页第二十页，共98页。CAN2iN3iAN3iCN3iBN2i60o60oB图5-3 三相(sn xin)和两相坐标系与绕组磁动势的空间矢量 第20页/共98页第二十一页，共98页。 设磁动势波形是正弦分布的，当三相总磁动势与二相总磁动势相等时，两套绕组瞬时(shn sh)磁动势在 、 轴上的投影都应相等， )2121(60cos60cosCBA3C3B3A32iiiNiNiNiNiN)(2360sin60sinCB3C3B32iiNiNiNiN第21页/共98页第二十二页，共98页。CBA232323021211iiiNNii（5-1） 第22页/共98页第二十三页，共98页。 考虑变换前后(qinhu)总功率不变，在此前提下，可以证明（见p96），匝数比应为3223NN（5-2） 第23页/共98页第二十四页，共98页。CBA232302121132iiiii（5-3） 第24页/共98页第二十五页，共98页。 令 C3/2 表示从三相坐标系变换(binhun)到两相坐标系的变换(binhun)矩阵，则 2323021211322/3C（5-4） （5-5） 三相(sn xin)两相坐标系的变换矩阵2/3102133221322C第25页/共98页第二十六页，共98页。BA221023iiii（5-6） 第26页/共98页第二十七页，共98页。BA2161032iiii（5-7） 按照所采用的条件，电流变换(binhun)阵也就是电压变换(binhun)阵，同时还可证明，它们也是磁链的变换(binhun)阵。第27页/共98页第二十八页，共98页。 从图5-2等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理(wl)模型的图 b 和图 c 中从两相静止坐标系到两相旋转坐标系 d、q 变换称作两相两相旋转变换，简称 2s/2r 变换，其中 s 表示静止，r 表示旋转。 把两个坐标系画在一起，即得图5-4。第28页/共98页第二十九页，共98页。iqsiniFssidcosididsiniqcosiiqdq图5-4 两相静止和旋转坐标系与磁动势（电流(dinli)）空间矢量 第29页/共98页第三十页，共98页。都是空间矢量，而不是时间相量。第30页/共98页第三十一页，共98页。的瞬时值。由图5-4可见， i、i和 id、iq 之间存在下列关系第31页/共98页第三十二页，共98页。 dqcossiniiidqsincosiii 2s/2r变换(binhun)公式第32页/共98页第三十三页，共98页。写成矩阵(j zhn)形式，得 dd2r/2sqqcossinsincosiiiCiii （5-8） cossinsincoss2/ r2C（5-9） 是两相旋转(xunzhun)坐标系变换到两相静止坐标系的变换阵。 式中 两相旋转两相静止坐标系的变换(binhun)矩阵第33页/共98页第三十四页，共98页。 对式（5-8）两边(lingbin)都左乘以变换阵的逆矩阵，即得 1dqcossincossinsincossincosiiiiii (5-10) 第34页/共98页第三十五页，共98页。cossinsincosr2/s2C (5-11) 则两相静止(jngzh)坐标系变换到两相旋转坐标系的变换阵是 电压(diny)和磁链的旋转变换阵也与电流（磁动势）旋转变换阵相同。 两相静止(jngzh)两相旋转坐标系的变换矩阵第35页/共98页第三十六页，共98页。is (Fs)ssidiqdq 令矢量 is 和d轴的夹角为 s ，已知 id、iq ，求 is 和 s ，就是直角坐标/极坐标变换(binhun)，简称K/P变换(binhun)（图5-5）。图5-5 K/P变换(binhun)空间矢量第36页/共98页第三十七页，共98页。显然(xinrn)，其变换式应为 （5-12）22sdqiiiqsdarctanii（5-13）第37页/共98页第三十八页，共98页。sssqsssssssdsinsin(2cos)sin222tan21 coscoscos(2cos)222iii第38页/共98页第三十九页，共98页。 qssd2arctaniii（5-14） 式（5-14）可用来代替式（5-13），作为(zuwi) s 的变换式。 这样(zhyng)第39页/共98页第四十页，共98页。一点(y din)，就会使数学模型简单了许多。第40页/共98页第四十一页，共98页。第41页/共98页第四十二页，共98页。(zhun s)，dqr 为 dq 坐标系相对于转子的角转速(zhun s)。ABCFsdqssdq图5-6 任意两相坐标变换(binhun)空间矢量 第42页/共98页第四十三页，共98页。 要把三相静止坐标系上的电压方程(fngchng)、磁链方程(fngchng)和转矩方程(fngchng)(p94) 都变换到两相旋转坐标系上来，可以先利用 3/2 变换将方程(fngchng)式中定子和转子的电压、电流、磁链和转矩都变换到两相静止坐标系 、 上，然后再用旋转变换阵 C2s/2r 将这些变量变换到两相旋转坐标系 dq 上。第43页/共98页第四十四页，共98页。ABC坐标系 坐标系dq坐标系3/2变换(binhun)C2s/2r第44页/共98页第四十五页，共98页。第45页/共98页第四十六页，共98页。afaMIIICTrrmMICTcosrrMICT图5-7 异步电机矢量图第46页/共98页第四十七页，共98页。 在坐标(zubio)变换章节中已经阐明，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标(zubio)系上的定子交流电流 iA、 iB 、iC ，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标(zubio)系上的交流电流 i、i ，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标(zubio)系上的直流电流 id 和 iq 。第47页/共98页第四十八页，共98页。 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(ky)控制使交流电机的转子总磁通 r 就是等效直流电机的磁通，如果把d轴定位于 的方向上，称作M（Magnetization）轴，把q轴称作T（Torque）轴，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im 相当于励磁电流，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组，it 相当于与转矩成正比的电枢电流。 r第48页/共98页第四十九页，共98页。输出的直流电机。第49页/共98页第五十页，共98页。图5-8 异步电动机的坐标变换(binhun)结构图3/2三相/两相变换(binhun); VR同步旋转变换(binhun); M轴与轴（A轴）的夹角 3/2VR等效直等效直流流电机模电机模型型ABC iAiBiCitimii异步电动机异步电动机 异步电机的坐标(zubio)变换结构图第50页/共98页第五十一页，共98页。 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，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。 由于进行(jnxng)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图所示。第51页/共98页第五十二页，共98页。 矢量(shling)控制系统原理结构图 控制器控制器VR-12/3电流控制变频器电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型等效直流电机模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反馈信号异步电动机给定信号 图5-9 矢量控制系统(kn zh x tn)原理结构图第52页/共98页第五十三页，共98页。第53页/共98页第五十四页，共98页。控制器控制器VR-12/3电流控制变频器电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型等效直流电机模型+i*mi*t si*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiimit反馈信号异步电动机给定信号 图5-10 简化(jinhu)控制结构图第54页/共98页第五十五页，共98页。第55页/共98页第五十六页，共98页。此是有选择余地的。第56页/共98页第五十七页，共98页。第57页/共98页第五十八页，共98页。rmrr rmm smL iL irt0r rtm stL iL i（5-15） 第58页/共98页第五十九页，共98页。smsssmmsmst1sssmmstrmmmrrslrrmrtslmmslrrrrtssssuRL pLL pLiuLRL pLL piuL pLRL pLiuLL pLRL pi（5-16） 第59页/共98页第六十页，共98页。（5-17）和（5-18）分别(fnbi)带入（5-16）得： (5-17)rrmrpiR (5-18)slrrtrwiR 1 (5-19)rsmrmT piL (5-20)rstslrmTiwL第60页/共98页第六十一页，共98页。第61页/共98页第六十二页，共98页。() (5-21)pmst rmsm rtTn Li ii i (5-22)rmmmpstsmpstrrtrrLLTniiniLL() (5-23)mpm smstrLTnL iiL第62页/共98页第六十三页，共98页。 (5-24)mslstrrLwiT1 (5-25)rslstr smT pwiT i第63页/共98页第六十四页，共98页。第64页/共98页第六十五页，共98页。第65页/共98页第六十六页，共98页。3/2AiVRrmpLLnpnJCiBisisismistirLTTm1rLT p 图5-11 异步电动机矢量(shling)变换与电流解耦数学模型第66页/共98页第六十七页，共98页。第67页/共98页第六十八页，共98页。Ai电流控制变频器mprLnLCiBismistir异步电机矢量变换模型s3/ r2CrAiCiBirRAASR图5-12 矢量控制系统(kn zh x tn)原理结构图第68页/共98页第六十九页，共98页。第69页/共98页第七十页，共98页。第70页/共98页第七十一页，共98页。用。r第71页/共98页第七十二页，共98页。第72页/共98页第七十三页，共98页。第73页/共98页第七十四页，共98页。第74页/共98页第七十五页，共98页。第75页/共98页第七十六页，共98页。i*Ai*Bi*CiAiCiBABC图5-13a 电流(dinli)控制变频器第76页/共98页第七十七页，共98页。i*Ai*Bi*CiAiCiBABC1ACR2ACR3ACRPWMu*Au*Bu*C图5-13b 电流(dinli)控制变频器第77页/共98页第七十八页，共98页。第78页/共98页第七十九页，共98页。VR-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电流电流(dinli)滞环型滞环型PWM变频器变频器微型计算机微型计算机图5-14 带转矩内环的转速(zhun s)、磁链闭环矢量控制系统 第79页/共98页第八十页，共98页。子系统，使它少受磁链变化的影响。第80页/共98页第八十一页，共98页。第81页/共98页第八十二页，共98页。图6-1 按定子磁链控制的直接(zhji)转矩控制系统第82页/共98页第八十三页，共98页。调节器。第83页/共98页第八十四页，共98页。1）转矩和磁链的控制采用(ciyng)双位式砰-砰控制器，并在 PWM 逆变器中直接用这两个控制信号产生电压的SVPWM 波形，从而避开了将定子电流分解成转矩和磁链分量，省去了旋转变换和电流控制，简化了控制器的结构。 第84页/共98页第八十五页，共98页。有影响。第85页/共98页第八十六页，共98页。第86页/共98页第八十七页，共98页。第87页/共98页第八十八页，共98页。第88页/共98页第八十九页，共98页。偏差较大；第89页/共98页第九十页，共98页。第90页/共98页第九十一页，共98页。第91页/共98页第九十二页，共98页。第92页/共98页第九十三页，共98页。第93页/共98页第九十四页，共98页。第94页/共98页第九十五页，共98页。下表列出了两种系统的特点与性能的比较。第95页/共98页第九十六页，共98页。性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无注有调速范围不够宽比较宽第96页/共98页第九十七页，共98页。越的控制性能，这是一个很有意义的研究方向。第97页/共98页第九十八页，共98页。