电力拖动与运动控制第七章731按转子磁链定向矢量控制系统
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天津大学 运动控制系统(二) 第七章PPT课件
电力拖动调速系统 —转差功率不变型调速系统
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2
引言
➢ 异步电动机的变压变频调速系统一般简称为 变频调速系统。
➢ 由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速 范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高， 在采取一定的技术措施后能实现高动态性能， 可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，
系统 7.8 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩
控制系统
5
在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：
希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种 浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而 导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏 电机。
对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反
✓基频(额定频率f1N)以上
8
第7章 笼型异步电动机变压变频调速系统
7.1 变压变频调速的基本 原理
Q1 基频以下调速
7.2 异步机电压－频率协 调控制时的机械特性
7.3 *电力电子变压变频器 的主要类型
Q2 基频以上调速
7.4 变压变频调速系统中 的PWM技术
7.5 基于异步电动机稳态 模型的变压变频调速
f 1N
f1
升。
图6-1 恒压频比控制特性
U sR 1j1L ls IsE g
14
第7章 笼型异步电动机变压变频调速系统
7.1 变压变频调速的基本 原理
Q1 基频以下调速
7.2 异步机电压－频率协 调控制时的机械特性
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引言
➢ 异步电动机的变压变频调速系统一般简称为 变频调速系统。
➢ 由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速 范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高， 在采取一定的技术措施后能实现高动态性能， 可与直流调速系统媲美。因此现在应用面很广，
系统 7.8 基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩
控制系统
5
在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：
希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。
如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种 浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而 导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏 电机。
对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反
✓基频(额定频率f1N)以上
8
第7章 笼型异步电动机变压变频调速系统
7.1 变压变频调速的基本 原理
Q1 基频以下调速
7.2 异步机电压－频率协 调控制时的机械特性
7.3 *电力电子变压变频器 的主要类型
Q2 基频以上调速
7.4 变压变频调速系统中 的PWM技术
7.5 基于异步电动机稳态 模型的变压变频调速
f 1N
f1
升。
图6-1 恒压频比控制特性
U sR 1j1L ls IsE g
14
第7章 笼型异步电动机变压变频调速系统
7.1 变压变频调速的基本 原理
Q1 基频以下调速
7.2 异步机电压－频率协 调控制时的机械特性
19 按转子磁链定向的矢量控制1
18
方法一：
图6-23 三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图
19
电流滞环矢量控制的仿真
20
矢量控制异步电机传动系统内部结构 电源采取直-交-直结构
21
转速控制器：计算给定磁链和转矩
22
2
矢量控制系统内部结构 磁链观测、励磁电流计算、电枢电流 计算、矢量变换、CFPWM
23
电流跟踪PWM模块
(6-81)
7
等效电枢电流和励磁电流
由
d rt Lm (1 ) r ist 0 dt Tr
Lm 1 ist Tr r
(6-60)
导出mt坐标系的旋转角速度
mt 坐标系旋转角速度与转子转速之差定义 为转差角频率
Lm s 1 ist Tr r
由于变换的是矢量，所以这样的坐标变
换也可称作矢量变换，相应的控制系统 称为矢量控制（ Vector Control 简 称 VC ） 系 统 或 按 转 子 磁 链 定 向 控 制 （ Flux Orientation Control 简称 FOC）系统。
3
6.6.1按转子磁链定向的同步 旋转正交坐标系状态方程
24
仿真结果：转矩、转速动态响应快
25
方法二：
②将检测到的三相电流施行3/2变换和旋转变 换，得到mt坐标系中的电流反馈值，采用PI 调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的 输出为mt坐标系中定子电压给定值。 反旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压 给定值，再经SVPWM控制逆变器输出三相 电压。
将静止正交坐标系中的转子磁链旋转矢量写 成复数形式
ψ r r j r r e
交流拖动自动控制系统3.10感应电动机按转子磁链定向的矢量控制系统
u 6.7 感应电动机按定子磁
s
链控制的直接转矩控制系
u 统
sβ
6.8 直接转矩控制系统与
2 1
3
0
1 2 3
2
1 2 3 2
uA uB uC
矢量控制系统的比较
i
issβα
2 1
3
0
1 2 3
2
1 2 3 2
iA iB iC
计算转子磁链的电压模型
6.1 感应电动机动态数学 模型的性质
整理后得转子磁链模型：
rα
1 Tr p 1
Lmisα
Tr rβ
rβ
1 Tr p 1
Lmisβ
Tr rα
计算转子磁链的电流模型
6.1 感应电动机动态数学 模型的性质
6.2 感应电动机三相数学 模型
6.3 坐标变换
6.4 感应电动机在正交坐 标系上的动态数学模型
注意:该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
对应章节全部思考题和习题。
6.2 感应电动机三相数学 模型
6.3 坐标变换
6.4 感应电动机在正交坐 标系上的动态数学模型
根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到 磁链。
在αβ坐标系上计算转子磁链的电压模型
6.5 感应电动机在正交坐 标系上的状态方程
6.6 感应电动机按转子磁
链定向的矢量控制系统
6.5 感应电动机在正交坐 标系上的状态方程
6.6 感应电动机按转子磁 链定向的矢量控制系统
6.7 感应电动机按定子磁 链控制的直接转矩控制系 统
6.8 直接转矩控制系统与 矢量控制系统的比较
图6-30 在mt坐标系计算转子磁链的电流模型
运动控制系统：第七章
晶闸管调压装置 转速反馈装置
系统结构图与静特性图如下：
异步电动机等
图 7-8 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统原理图
图 7-9 转速负反馈闭环控制的交流调压调速系统静特性图
7.2： 异步电动机调压调速系统
7.2.4 速度闭环控制下调压调速系统的组成和工作原理
异步电动机调压调速系统和直流电动机调压调速系统 最大的不同：
通过坐标变换，把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量分别控制， 解决了交流电动机转矩和磁通的控制问题，获得和直流电动机相仿的高动态性能
7.1： 交流调速系统的基本分类
交流调速系统的分类：
交
流
异步电动机调
电
速系统
动
机
调
速
系
同步电动机调
统
速系统
转差功率消耗型 转差功率回馈型 转差功率不变型
降压调速 转差离合器调速
图 7-3
7.2： 异步电动机调压调速系统
7.2.2 晶闸管相控三相交流调压主电路结构
~
若异步电动机需要可逆运行和制动电路，则可采用如图7-4 所示晶闸管反并联异步电动机可逆和制动电路
1、 正转运行时，由晶闸管1~6控制
9
7
5
3
1
10
8
2
6
4
2、 反转或反接制动时，由晶闸管1、4和7~10提供逆相序电源控制
7.2.1 异步电动机调压调速的工作原理
异步电动机传递电磁功率
其中同步机械角转速
（7-1） （7-2）
7.2： 异步电动机调压调速系统
7.2.2 晶闸管相控三相交流调压主电路结构
具有体积小
晶闸管组成调压器成为交流调压器
基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统PPT文档100页
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
基于动态模型按转子磁链定向的矢量 控制系统
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
ห้องสมุดไป่ตู้ 41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
基于动态模型按转子磁链定向的矢量 控制系统
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
ห้องสมุดไป่ตู้ 41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统设计指导
? 按转子磁链定向
现在d轴是沿着转子总磁链矢量的方向， 并称之为 M（Magnetization）轴，而 q 轴 再逆时针转90°，即垂直于转子总磁链矢 量，称之为 T（Torque）轴。
这样的两相同步旋转坐标系就具体规定 为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向 （Field Orientation）的坐标系。
? 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。
? 按转子磁链定向两相旋转坐标系上的转子磁链模型
Sin Cos
iA
is?
ist
?s ?1
?
++
1 p
?
iB iC
3/2
VR
is?
ism
Lm
Tr Lm
ist?
r
?
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TL
（6-129） （6-130）
d? r
dt
?
? 1?
Tr
r
?
Lm Tr
ism
（6-131）
0?
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r
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ist
（6-132）
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Rs
L2r ? Rr L2m
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usm
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（6-133）
dist dt
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r
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Rs L2r ? Rr L2m
? Ls L2r
按转子磁链定向的矢量控制系统仿真研究
斟
科技 论坛 ｊ
郭 璃 壬庆 贤
按转子磁链 定 向的矢量控制系统仿真研究
（ 兰州交通 大学 自动化与电气工程 学院， 甘肃 兰州 ７ ｏ ７ ） ３ ｏｏ
摘 要： 详细分析矢量 控幸 系统对异步电机 电磁转矩 实时控幸的原理， Ｉ ｌ 构建蒂转矩 内环磁链闭环按 熙转子磁 链定向 矢量控制结构 ， 系统的各 对 部分进行 了详细的阐述。科 用仿真工具建立 了 仿真模 型。 结果表明谈方法实现 电磁转矩控幸 ， Ｉ达捌 良 的调速性侥。 好
、
一
角。
ｔｓ
图 ５ 转 速 波 形 矩 指 令 Ｒ
图 ｌ 带 转矩 内环磁 链 闭环 的 矢量 控 制 结 构 图 转子磁链反馈信号包含 了转子磁链的大小
和位置 ， 转子磁链的观测模型主要有二种目： （） １在两相静止坐标 系的模型。 定子电压和 电流由传感 器测得后 ， 经过 ３／ｓ变换 ， ｓ ２ 根据 异
得 到的 、 以及零轴 电流 ｉ＝ ｏ变换到定子三 相坐标系上 ， 得到定子电流给定信号 、 。 、 Ｃ ｒ ｎ ｅ ａ０ 模块利用 自定义封装 ， ｕｒ ｔＲ １ ｅ ｒ 实 现滞环调节 ， 内部结构如 图 ４ 使用 时只需 指 其 ， 定滞环环宽 ，滞 环宽度 的大小影响开关 器件 的 开关频率 ， 环宽越小 ， 开关频率 越高 ， 电流控 且 制精度越高 ， 反之亦然 。 、 ４仿真结果 与分析 仿真采用固定步长的 ｏｅ 仿 真算法 ， ｄ３ 为保 证精度 ， 限制最 大步长取 ｌ －。 ｅ ５ ． 电机 空载启 动，启动过程充 分利用 电机 的 过载能力 ，以最大加速度加速 ， 启动时 间只需 ０ ｓ快速性好 ， 图 ５ 其 中虚线为转 速给定 ， ．， １ 如 ， 实线为实际转速 。 启动进入稳态后 ， １ ｓ 在 ． 时刻 加 ７ ％额定 ５ ５ 图 ３ 调 节 器 的 内部 结 构 负载 ， 转速稍微有 降落 ， 但是能跟随 给定值 ， 系 Ｔ ａ ｓｏ ｍａ ｉ ｎ ｑ ｔ ａｃ模 块 将 上 一级 统呈现良好 的抗扰性。在 ２ 时刻进行减速 ｒ ｎ ｆ ｒ ｔｏ ｄ ０ ｏ ｂ ＿ ｓ
科技 论坛 ｊ
郭 璃 壬庆 贤
按转子磁链 定 向的矢量控制系统仿真研究
（ 兰州交通 大学 自动化与电气工程 学院， 甘肃 兰州 ７ ｏ ７ ） ３ ｏｏ
摘 要： 详细分析矢量 控幸 系统对异步电机 电磁转矩 实时控幸的原理， Ｉ ｌ 构建蒂转矩 内环磁链闭环按 熙转子磁 链定向 矢量控制结构 ， 系统的各 对 部分进行 了详细的阐述。科 用仿真工具建立 了 仿真模 型。 结果表明谈方法实现 电磁转矩控幸 ， Ｉ达捌 良 的调速性侥。 好
、
一
角。
ｔｓ
图 ５ 转 速 波 形 矩 指 令 Ｒ
图 ｌ 带 转矩 内环磁 链 闭环 的 矢量 控 制 结 构 图 转子磁链反馈信号包含 了转子磁链的大小
和位置 ， 转子磁链的观测模型主要有二种目： （） １在两相静止坐标 系的模型。 定子电压和 电流由传感 器测得后 ， 经过 ３／ｓ变换 ， ｓ ２ 根据 异
得 到的 、 以及零轴 电流 ｉ＝ ｏ变换到定子三 相坐标系上 ， 得到定子电流给定信号 、 。 、 Ｃ ｒ ｎ ｅ ａ０ 模块利用 自定义封装 ， ｕｒ ｔＲ １ ｅ ｒ 实 现滞环调节 ， 内部结构如 图 ４ 使用 时只需 指 其 ， 定滞环环宽 ，滞 环宽度 的大小影响开关 器件 的 开关频率 ， 环宽越小 ， 开关频率 越高 ， 电流控 且 制精度越高 ， 反之亦然 。 、 ４仿真结果 与分析 仿真采用固定步长的 ｏｅ 仿 真算法 ， ｄ３ 为保 证精度 ， 限制最 大步长取 ｌ －。 ｅ ５ ． 电机 空载启 动，启动过程充 分利用 电机 的 过载能力 ，以最大加速度加速 ， 启动时 间只需 ０ ｓ快速性好 ， 图 ５ 其 中虚线为转 速给定 ， ．， １ 如 ， 实线为实际转速 。 启动进入稳态后 ， １ ｓ 在 ． 时刻 加 ７ ％额定 ５ ５ 图 ３ 调 节 器 的 内部 结 构 负载 ， 转速稍微有 降落 ， 但是能跟随 给定值 ， 系 Ｔ ａ ｓｏ ｍａ ｉ ｎ ｑ ｔ ａｃ模 块 将 上 一级 统呈现良好 的抗扰性。在 ２ 时刻进行减速 ｒ ｎ ｆ ｒ ｔｏ ｄ ０ ｏ ｂ ＿ ｓ
交流拖动自动控制系统3.9感应电动机按转子磁链定向的矢量控制系统
6.2 感应电动机三相数学
模型 6.3 坐标变换 6.4 感应电动机在正交坐
jarctg
r
ψr r j r r e
e r
j
r
标系上的动态数学模型
6.5 感应电动机在正交坐 标系上的状态方程
1
t
r m
6.6 感应电动机按转子磁 链定向的矢量控制系统
6.7 感应电动机按定子磁 链控制的直接转矩控制系 统
转矩分量的乘积，实现了定子电流两个分量的解耦。
6.5 感应电动机在正交坐
标系上的状态方程 在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中的感应电动机数学模型与直流电动
6.6 感应电动机按转子磁 机动态模型相当
链定向的矢量控制系统
6.7 感应电动机按定子磁 链控制的直接转矩控制系 统
6.8 直接转矩控制系统与 矢量控制系统的比较
矢量控制的基本思想： 把感应电动机经过坐标变换等效成直流电动机，然后仿照直流电动机的控制 方法进行控制器设计，再经过相应的反变换，就可以控制交流电动机了。
6.8 直接转矩控制系统与 矢量控制系统的比较
下面就是如何求取θ，构成矢量控制系统结构了。
6.1 感应电动机动态数学 模型的性质 6.2 感应电动机三相数学 模型 6.3 坐标变换 6.4 感应电动机在正交坐 标系上的动态数学模型
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③ 6.1 感应电动机动态数学 由
模型的性质 6.2 感应电动机三相数学
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模型
6.3 坐标变换
导出mt坐标系的旋转角速度
6.4 感应电动机在正交坐
1
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电力拖动自动控制系统——运动控制系统 复习指导必考
电力拖动自动控制系统——运动控制系统1、电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，电力拖动自动控制系统——运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量。
P12、运动控制系统由电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器等构成。
P13、运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直线电动机来说是控制速度和位移。
要控制转速和转角，唯一的途径是控制电动机的电磁转矩T e，转矩控制是运动控制的根本问题。
P54、有三种调节电机转速的方法：1）调节电枢供电电压U；2）减弱励磁磁通Φ；3）改变电枢回路电阻R。
P76、在动态过程中，晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。
P147、一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足系统所需的静差率的转速可调范围。
P238、调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的办法是减少负载所引起的转速降落Δn N。
P259、反馈控制规律：1）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统。
2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。
3）系统的精度依赖于给定的反馈检测精度。
P3110、反馈控制系统对它们都有抑制作用，但是有一种扰动除外，如果在反馈通道上的测速反馈系数α受到某种影响而发生变化，它非但不会能够得到反馈控制系统的抑制，反而会造成被调量的误差。
P3111、信号的离散化是微机数字控制系统的第一个特点。
信号的数字化是微机数字系统的第二个特点。
P4112、M法和T法测速特点与适用范围。
M法测速是在一定时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数来计算转速；M法测速适用与高速段。
T法测试是测出旋转编码器两个编码器输出脉冲之间的间隔时间来计算转速；T法测速适用与低速段。
M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。
P43-4513、从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外边，称作外环。
电力拖动与运动控制 第七章 7.4 直接转矩控制DTC
Direct Torque Control
直接转矩控制（DTC）
直接转矩控制 (DTC)
原理分析 实现方法
其他控制方法
小结
矢量控制
矢量控制技术 （1972年,德国, F. Blashke ）
通过旋转坐标变换和转子磁场定向实现转矩 控制的解耦。 优点：
动、静态性能与直流调速系统相当
n p (i , s , s i , s , s )
实现方法
仿真结果
其他控制方法
其他控制方法
基于定子磁链定向的解耦控制
基于滑模控制的直接转矩控制
采用空间矢量调制的感应电机变结构转矩直 接控制 ……
小结
DTC小结
VC的控制目标是一致的
转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制 选择定子磁链作为被控量 对磁链和转矩是非解耦控制，结构简单，容 易实现
V3
V2
S4
V4
V1
S1
V5
V6
S5
S6
实现方法
实现方法举例
S3 S2
|Ψs| ↓Te↓ ↑
V3
V2
S4
V4
V1
S1
V5
V6
S5
S6
实现方法
实现方法举例
1
V1(FI,TD)
U1
V3(FI,TI) V4(FD,TI)
Sector 2
V6(FD,TD)
实现方法
电压开关矢量表
sector
dψ dT 1 V2 V7 V6 V3 V0 V5 2 V3 V0 V1 V4 V7 V6 3 V4 V7 V2 V5 V0 V1 4 V5 V0 V3 V6 V7 V2 5 V6 V7 V4 V1 V0 V3 6 V1 V0 V5 V2 V7 V4
直接转矩控制（DTC）
直接转矩控制 (DTC)
原理分析 实现方法
其他控制方法
小结
矢量控制
矢量控制技术 （1972年,德国, F. Blashke ）
通过旋转坐标变换和转子磁场定向实现转矩 控制的解耦。 优点：
动、静态性能与直流调速系统相当
n p (i , s , s i , s , s )
实现方法
仿真结果
其他控制方法
其他控制方法
基于定子磁链定向的解耦控制
基于滑模控制的直接转矩控制
采用空间矢量调制的感应电机变结构转矩直 接控制 ……
小结
DTC小结
VC的控制目标是一致的
转矩和磁链的控制采用双位式砰-砰控制 选择定子磁链作为被控量 对磁链和转矩是非解耦控制，结构简单，容 易实现
V3
V2
S4
V4
V1
S1
V5
V6
S5
S6
实现方法
实现方法举例
S3 S2
|Ψs| ↓Te↓ ↑
V3
V2
S4
V4
V1
S1
V5
V6
S5
S6
实现方法
实现方法举例
1
V1(FI,TD)
U1
V3(FI,TI) V4(FD,TI)
Sector 2
V6(FD,TD)
实现方法
电压开关矢量表
sector
dψ dT 1 V2 V7 V6 V3 V0 V5 2 V3 V0 V1 V4 V7 V6 3 V4 V7 V2 V5 V0 V1 4 V5 V0 V3 V6 V7 V2 5 V6 V7 V4 V1 V0 V3 6 V1 V0 V5 V2 V7 V4