新交流调速系统 第2版 教学课件 宋书中 常晓玲 主编 第五章 变频调速系统的控制算法.pptVIP

电机与电气控制 淮安信息职业技术学院 *第五章 变频调速系统的 控制算法 第一节 矢量变换控制的基本概念 第二节 异步电动机的数学模型 第三节 坐标变换 第四节 交流电动机的矢量变换 变频调速系统 第五节 其它控制算法 到目前为止，虽然电压源型和电流源型逆变器传动系统的控制技术比较容易实现，但是异步电动机的内在的耦合（即转矩和磁链均为电压或电流和频率的函数）导致系统响应缓慢，并且系统是高阶（八阶）的，该控制方式容易使系统容易不稳定。如通过转差频率控制可以增加转矩，但是将使磁链趋于减小，虽然磁链变化总是缓慢的，可以通过响应慢的磁链控制环输出附加电压补偿磁链下降，但是这种暂时的磁链减小降低了转矩对转差率的灵敏度，延长了系统的响应时间。众所周知，直流电动机双闭环调速系统具有优良的动、静态调速特性，其根本原因在于作为控制对象的他励直流电动机电磁转矩能够容易地进行控制。那么，作为变频调速的控制对象——交流电动机是否可以模仿直流电动机转矩控制规律而加以实现呢？ 20世纪70年代初德国学者Blaschkle等人首先提出矢量控制变换实现了这种控制思想。矢量控制成功解决了交流电动机电磁转矩的有效控制，使异步电动机可以像他励直流电动机那样控制，可以实现交流电机高性能控制，故矢量控制又称解耦控制或矢量变换控制。它可以应用于异步电机和同步电机传动系统，有趋势表明，矢量控制将淘汰标量控制，成为交流电机传动系统的工业标准控制技术。 一、与直流传动类比 直流电机的数学模型比较简单，先分析一下直流电机的磁链关系。图5-1(a)中绘出了二极直流电机的物理模型，图中 F为励磁绕组，A 为电枢绕组，C 为补偿绕组。 F 和 C 都在定子上，只有 A 是在转子上。把 F 的轴线称作直轴或 d 轴（direct axis），主磁通?的方向就是沿着 d 轴的； A 和 C 的轴线则称为交轴或 q 轴（quadrature axis）。虽然电枢本身是旋转的，但其绕组通过换向器电刷接到端接板上，电刷将闭合的电枢绕组分成两条支路。当一条支路中的导线经过正电刷归入另一条支路中时，在负电刷下又有一根导线补回来。这样，电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相同的，因此，电枢磁动势的轴线始终被电刷限定在 q 轴位置上，其效果好象一个在 q 轴上静止的绕组一样。但它实际上是旋转的，会切割 d 轴的磁通而产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不同，通常把这种等效的静止绕组称作“伪静止绕组”（pseudo - stationary coils）。电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与 d 轴垂直而对主磁通影响甚微，所以直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。 图5-1 他励直流电动机物理模型和矢量控制步进电动机图（a）他励直流电动机物理模型 (b) 他励直流电动机 (c)矢量控制步进电动机 在理想情况下，矢量控制的异步电动机传动类似于他励直流电动机的传动。如图5-1(b)所示，在直流电机中，若忽略电枢效应和磁场饱和，则输出转矩可被表示为 ，式中， 为电枢电流， 为励磁电流。直流电机的构造决定了由电流 产生的磁链 与由电枢电流 产生的磁链 是垂直的。这些在空间上静止的空间矢量彼此之间是自然垂直的或被解耦的。这意味着当通过控制电流 来控制转矩时，磁链 不受其影响且在 为额定值时可以获得快速的瞬态响应和较高的转矩/安培比。由于是彼此解耦的，因此控制励磁电流 时，只会影响磁链 ，不会影响 。由于内在的耦合问题，异步电动机一般不会有这么快的响应。 图5-2 等效的交流电动机绕组和直流电动机物理模型 （a）三相交流绕组 (b)静止的两相交流绕组 (c)旋转的直流绕组 二、异步电动机动态数学模型的性质 图5-13 在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型 图5-13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 与 之间有交叉反馈关系，离散计算时可能不收敛，最好采用第二种模型。 2．按磁场定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型 图5-14 在磁场定向二相旋转坐标系上的转子磁通运算 如图5-14所示，这种模型是三相定子电流iA、iB、iC经3/2变换变成两相静止坐标系电流 ，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（5-101）和式（5-102）可以获得 和 信号，由