運(yùn)動控制系統(tǒng)總結(jié)

1、運(yùn)動控制系統(tǒng)總結(jié)第第1章章 緒論緒論什么是運(yùn)動控制系統(tǒng)什么是運(yùn)動控制系統(tǒng) 運(yùn)動控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動的驅(qū)動設(shè)備電動機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。運(yùn)動控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動控制系統(tǒng)及其組成直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單，轉(zhuǎn)矩易直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡單，轉(zhuǎn)矩易于控制。于控制。 換向器與電刷的位置保證了電樞電流換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成與勵磁電流的解耦，使轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。正比。交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng) 交流電動機(jī)（尤其是籠型感應(yīng)電動機(jī)）交流電動機(jī)（尤其是

2、籠型感應(yīng)電動機(jī)）結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單 交流電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性交流電動機(jī)動態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性多變量強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直流電動機(jī)復(fù)雜多變量強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直流電動機(jī)復(fù)雜得多。得多。運(yùn)動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律l忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，運(yùn)動控制系統(tǒng)的簡化運(yùn)動方程式控制系統(tǒng)的簡化運(yùn)動方程式mmemdtdLTTdtdJ 轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動控制的根本問題轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動控制的根本問題 磁鏈控制同樣重要磁鏈控制同樣重要LemTTdtdJaTeIKT生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL是一個必然存是一

3、個必然存在的不可控擾動輸入。在的不可控擾動輸入。LemTTdtdJ恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載a）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 b) 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載mmLLPT常數(shù)直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 電樞回路dtdiLRiEuddd0調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的方法 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2）減弱勵磁磁通； （3）改變電樞回路電阻。eKIRUnnn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線第第2章章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流

4、調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 晶閘管整流器-電動機(jī)系統(tǒng) csdUKU電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 )RIU(C1nd0de晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù) 輸入輸出關(guān)系為)( 10scsdTtUKUsTscdsseKsUsUsW)()()(0sT1K)s(Wsss直流直流PWM變換器變換器-電動機(jī)系統(tǒng)電動機(jī)系統(tǒng)電壓和電流波形 ssondUUTtU不可逆不可逆PWM變換器變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)直流電動機(jī)系統(tǒng)一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形 EUd有制動電流通路的不可逆有制動電流通路的不可逆PWM變換器變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)直流電動機(jī)系統(tǒng)圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電

5、動機(jī)系統(tǒng)1gU的正脈沖比負(fù)脈沖窄 ， dUE di始終為負(fù)。 制動狀態(tài)的電壓、電流波形 (d) 輕載電動狀態(tài)的電流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四個管子輪流導(dǎo)通。 nCRIERIUedds直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)調(diào)速范圍調(diào)速范圍靜差率靜差率sminmaxnnD %1000nnsN圖2-14 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率 特性a和b的硬度相同， 特性a和b額定速降相同， 特性a和b的靜差率不相同。 靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系)1 (snsnDNN轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)

6、*(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖2-21 額定勵磁下直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 (b)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖 (c)直流電動機(jī)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖反饋控制規(guī)律2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制數(shù)字測速方法的精度指標(biāo) 當(dāng)被測轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時，引起記數(shù)值增量為1，則該測速方法的分辨率是 轉(zhuǎn)速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測速誤差率12nnQ100%nnM法測速 記取一個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)來算出轉(zhuǎn)速的方法稱為M法測速，又稱頻率法測速。 (2-77)r/

7、min 601cZTMn M法測速分辨率為 （2-78） M法測速的分辨率與實際轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。 M法的測速誤差率的最大值為 （2-79） max與M1成反比。轉(zhuǎn)速愈低，M1愈小，誤差率愈大。 cccZTZTMZTMQ6060) 1(6011%100M1%100ZTM60 ZT)1M(60 ZTM601c1c1c1maxT法測速 T法測速是測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間來計算轉(zhuǎn)速，又被稱為周期法測速。 準(zhǔn)確的測速時間是用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2計算出來的，即 ， 電動機(jī)轉(zhuǎn)速為 （2-80）02/ fMTt026060tfnZTZM T法測速的分辨率定義為時鐘脈沖個數(shù)由M2變成(M2

8、-1)時轉(zhuǎn)速的變化量， （2-81） 綜合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82) T法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強(qiáng)。) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQZnfZnQ0260M/T法測速 在M法測速中，隨著電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的降低，計數(shù)值減少，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大。 T法測速正好相反，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，計數(shù)值減小，測速裝置的分辨能力越來越差。 綜合這兩種測速方法的特點，產(chǎn)生了M/T測速法，它無論在高速還是在低速時都具有較高的分辨能力和檢測精度。 在高速段，與M法測速的分辨率完全相同。 在低速段，M11，M2隨轉(zhuǎn)

9、速變化，分辨率與T法測速完全相同。 M/T法測速無論是在高速還是在低速都有較強(qiáng)的分辨能力。2.5.2帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的 直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-38電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)（a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓（b）利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓圖2-40 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-41帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 CA段 : 電流負(fù)反饋被截止 AB段 : 電流負(fù)反饋起作用第第3章章 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng) 起動電流呈矩形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動（制動）過程。 圖3-1 時間

10、最優(yōu)的理想過渡過程圖3-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) AB段是兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時的靜特性，IdIdm, n=n0。 BC段是ASR調(diào)節(jié)器飽和時的靜特性，Id=Idm, nn0。圖3-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) (3-6) 電流反饋系數(shù) (3-7) 兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計者選定。max*nUnmdmimIU*3.2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與動態(tài)過程分析3.2.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型圖3-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3-6 雙

11、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動過程的轉(zhuǎn)速和電流波形電流Id從零增長到Idm，然后在一段時間內(nèi)維持其值等于Idm不變，以后又下降并經(jīng)調(diào)節(jié)后到達(dá)穩(wěn)態(tài)值IdL。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點： （1）飽和非線性控制 （2）轉(zhuǎn)速超調(diào) （3）準(zhǔn)時間最優(yōu)控制 3.3 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計3.3.1 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)在控制系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能?？刂葡到y(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定輸入信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。圖3-8 典型的階躍響應(yīng)過程和跟隨性能指標(biāo)%100maxCCC上升時間 峰值時間 調(diào)節(jié)時間 超調(diào)量 圖3-9 突加擾動的動態(tài)過程和抗

12、擾性能指標(biāo)動態(tài)降落 恢復(fù)時間 調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法 njjrmiisTssKsW11) 1() 1()(常把型和型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)。 K值越大，截止頻率c 也越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快，相角穩(wěn)定裕度 越小，快速性與穩(wěn)定性之間存在矛盾。 在選擇參數(shù) K 時，須在快速性與穩(wěn)定性之間取折衷。參數(shù)關(guān)系KT0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比超調(diào)量 上升時間 tr峰值時間 tp 相角穩(wěn)定裕度 截止頻率c 1.0 0 % 76.30.243/T 0.8 1.5% 6.6T8.3T69.90.367/T 0.707 4.3 % 4.7T6.2T 65.50.455/T 0.6 9.5 % 3.3T4

13、.7T59.2 0.596/T 0.5 16.3 % 2.4T3.2T 51.8 0.786/T表3-1 典型型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 定義中頻寬：(3-23)中頻寬表示了斜率為20dB/sec的中頻的寬度，是一個與性能指標(biāo)緊密相關(guān)的參數(shù)。12Th 采用“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則，可以找到和兩個參數(shù)之間的一種最佳配合。(3-25)(3-26) 在確定了h之后，可求得 (3-29) (3-30)122hhc211hchT2222112121)1(21ThhhhThKc“振蕩指標(biāo)法”中的閉環(huán)幅頻特性峰值最小準(zhǔn)則：對于一定的h值，只有一個確定的c(或K)，可得到最

14、小的閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin11minhhMr h 3 4 56 7 8 9 10 tr / Tts / T k 52.6% 2.412.15 3 43.6% 2.65 11.65 237.6% 2.85 9.55 2 33.2% 3.0 10.45 129.8% 3.1 11.30 127.2% 3.2 12.25 125.0% 3.3 13.25 1 23.3% 3.35 14.20 1表3-4 典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)(按Mrmin準(zhǔn)則確定參數(shù)關(guān)系)以h=5的動態(tài)跟隨性能比較適中。 （控制結(jié)構(gòu)和擾動作用點如圖3-15所示，參數(shù)關(guān)系符合 準(zhǔn)則）minrM h 3 4 56 7 8

15、9 10 Cmax/Cbtm / T tv / T 72.2% 2.4513.60 77.5% 2.70 10.4581.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.9586.3% 3.15 16.8588.1% 3.25 19.8089.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85表3-5 典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系Cb = 2FK2T控制對象的工程近似處理方法 高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理 高階系統(tǒng)的降階近似處理 低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理3.3.3按工程設(shè)計方法設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器 用工程設(shè)計方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系

16、統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。 先從電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）開始，對其進(jìn)行必要的變換和近似處理，然后根據(jù)電流環(huán)的控制要求確定把它校正典型I型系統(tǒng)， 再按照控制對象確定電流調(diào)節(jié)器的類型，按動態(tài)性能指標(biāo)要求確定電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 電流環(huán)設(shè)計完成后，把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）中的一個環(huán)節(jié)，再用同樣的方法設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)為典型II型系統(tǒng)。（3）內(nèi)、外環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性的比較 外環(huán)的響應(yīng)比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設(shè)計方法設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的特點。 圖3-26 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性I電流內(nèi)環(huán) n轉(zhuǎn)速外環(huán)第第5章章基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動基于穩(wěn)態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動

17、機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖圖5-1 異步電動機(jī)異步電動機(jī)T型等效電路型等效電路假定條件：假定條件：忽略空間和時間諧波，忽略空間和時間諧波，忽略磁飽和，忽略磁飽和，忽略鐵損忽略鐵損異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路2212lrlsrssrsLLsRRUIIl簡化等效電路的相電流幅值簡化等效電路的相電流幅值異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性l異步電動機(jī)傳遞的電磁功率異步電動機(jī)傳遞的電磁功率 l機(jī)械同步角速度機(jī)械同步角速度 sRIPrrm2 3pmn11異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性l異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（機(jī)械特性方程式 ）221221222121

18、22 113/33lrlsrsrsplrlsrsrsprrpmmeLLsRsRsRUnLLsRRsRUnsRInPT異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性對對s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令 0dsdTel臨界轉(zhuǎn)差率：對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率臨界轉(zhuǎn)差率：對應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差率2212)(lrlssrmLLRRs異步電動機(jī)的機(jī)械特性異步電動機(jī)的機(jī)械特性對對s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令 0dsdTel最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩，又稱臨界轉(zhuǎn)矩 221212)(23lrlsssspemLLRRUnT不同控制方式下的機(jī)械特性不同控制方式下的機(jī)械特性 a）恒壓頻比控制）恒壓頻比控制b）恒定子磁通控制）恒定子磁通控制c）恒

19、氣隙磁通控制）恒氣隙磁通控制d）恒轉(zhuǎn)子磁通控制）恒轉(zhuǎn)子磁通控制 5.4 電力電子變壓變頻器電力電子變壓變頻器脈沖寬度調(diào)制技術(shù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)l現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)是脈沖現(xiàn)代變頻器中用得最多的控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制（寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡），簡稱稱PWM。l基本思想是控制逆變器中電力電子器件的基本思想是控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按開通或關(guān)斷，輸出電壓為幅值相等、寬度按一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。沖序列代替期望的輸出電壓。5.4.2正弦波脈寬

20、調(diào)制技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)l以頻率與期望的輸出電壓波相同的正以頻率與期望的輸出電壓波相同的正弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得弦波作為調(diào)制波，以頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波。多的等腰三角波作為載波。l由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按通斷時刻，從而獲得幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方正弦規(guī)律變化的脈沖序列，這種調(diào)制方法稱作正弦波脈寬調(diào)制（法稱作正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal pulse Width Modulation，簡稱，簡稱SPWM）。）。5.4.2 正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)圖圖

21、5-17 三相三相PWM逆變器雙極逆變器雙極性性SPWM波形波形a) 三相正弦調(diào)制波與三相正弦調(diào)制波與雙極性三角載波雙極性三角載波b）、）、c）、）、d）三相）三相電壓電壓e）輸出線電壓）輸出線電壓f）電動機(jī)相電壓）電動機(jī)相電壓5.4.4 電流跟蹤電流跟蹤PWM控制技術(shù)控制技術(shù)圖圖5-19 電流滯環(huán)跟蹤電流滯環(huán)跟蹤控制的控制的A相原理圖相原理圖5.4.5 電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術(shù)）控制技術(shù)l把逆變器和交流電動機(jī)視為一體，以圓形把逆變器和交流電動機(jī)視為一體，以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器的工作，這種旋轉(zhuǎn)磁場為目標(biāo)來控制逆變器的工作，這種控制方法稱作控制方法稱作“磁鏈

22、跟蹤控制磁鏈跟蹤控制”，磁鏈軌跡，磁鏈軌跡的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量的控制是通過交替使用不同的電壓空間矢量實現(xiàn)的，所以又稱實現(xiàn)的，所以又稱“電壓空間矢量電壓空間矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制）控制”?？臻g矢量的定義空間矢量的定義l交流電動機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物交流電動機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，如果考慮到它們所理量都是隨時間變化的，如果考慮到它們所在繞組的空間位置，可以定義為空間矢量。在繞組的空間位置，可以定義為空間矢量。l 定義三相定子電壓空間矢量定義三相定子電壓空間矢量 2AOjBOjCOkukuekueAOBOCOu

23、uu32k為待定系數(shù)為待定系數(shù) 空間矢量的合成空間矢量的合成l三相合成矢量三相合成矢量2jjAOBOCOkukuekuesAOBOCOuuuu圖圖5-21 電壓空間矢量電壓空間矢量000AOBOCOuuu的合成矢量的合成矢量 電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系 圖圖5-22 旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡間矢量的運(yùn)動軌跡圖圖5-23 電壓矢量圓軌跡電壓矢量圓軌跡 8個基本空間矢量個基本空間矢量l2個零矢量個零矢量l6個有效工作矢量個有效工作矢量07uu、16uu幅值為幅值為 23dU空間互差空間互差 3基本電壓空間矢量圖基本電壓空間矢量圖圖圖5-24 基本電壓空

24、間矢量圖基本電壓空間矢量圖正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l6個有效工作矢量完成一個周期，輸出基波個有效工作矢量完成一個周期，輸出基波電壓角頻率電壓角頻率 l6個有效工作矢量個有效工作矢量16uu每個有效工作矢量作用每個有效工作矢量作用 3順序分別作用順序分別作用t時間，并使時間，并使 13tt31正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 圖圖5-26 正六邊形定子磁鏈軌跡正六邊形定子磁鏈軌跡l在一個周期內(nèi)，在一個周期內(nèi)，6個有效工作矢量個有效工作矢量順序作用一次，順序作用一次，定子磁鏈?zhǔn)噶渴嵌ㄗ哟沛準(zhǔn)噶渴且粋€封閉的正六一個封閉的正六邊形。邊形。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁

25、場 l正六邊形定子磁鏈的大小與直流側(cè)電壓成正六邊形定子磁鏈的大小與直流側(cè)電壓成正比，而與電源角頻率成反比。正比，而與電源角頻率成反比。 1|( )| |( )| | ( )|2233 3ssddkkktUUt u正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 122|( )| |( )| | ( )|33 3dssdUkkktUt ul在基頻以下調(diào)速時，應(yīng)保持正六邊形定子在基頻以下調(diào)速時，應(yīng)保持正六邊形定子磁鏈的最大值恒定。磁鏈的最大值恒定。l若直流側(cè)電壓恒定，則若直流側(cè)電壓恒定，則1越小時，越小時， t越越大，勢必導(dǎo)致大，勢必導(dǎo)致 增大。增大。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 1dU常數(shù)l

26、要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使要保持正六邊形定子磁鏈不變，必須使 l在變頻的同時必須調(diào)節(jié)直流電壓，造成了控在變頻的同時必須調(diào)節(jié)直流電壓，造成了控制的復(fù)雜性。制的復(fù)雜性。正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l有效的方法是插入零矢量有效的方法是插入零矢量l當(dāng)零矢量作用時，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽慨?dāng)零矢量作用時，定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽勘砻鞫ㄗ哟沛準(zhǔn)噶客Ａ舨粍?。表明定子磁鏈?zhǔn)噶客Ａ舨粍印?0s =正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l有效工作矢量作用時間有效工作矢量作用時間當(dāng) tt1l零矢量作用時間零矢量作用時間10ttt1110()3ttt l定子磁鏈?zhǔn)噶康脑隽繛槎ㄗ哟沛準(zhǔn)噶康脑隽繛?1)31

27、012( )( )3kjssdkkttUt e u0正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l在時間在時間t1段內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著有段內(nèi)，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E沿著有效工作電壓矢量方向運(yùn)行。效工作電壓矢量方向運(yùn)行。l在時間在時間t0段內(nèi)，零矢量起作用，定子磁鏈段內(nèi)，零矢量起作用，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留在原地，等待下一個有效工作矢量軌跡停留在原地，等待下一個有效工作矢量的到來。矢量的到來。l正六邊形定子磁鏈的最大值正六邊形定子磁鏈的最大值112|( )| |( )| |( )|3sssdkkktUt u正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場正六邊形空間旋轉(zhuǎn)磁場 l在直流電壓不變的條件下，要保持在直流電壓不變的條件

28、下，要保持l輸出頻率越低，輸出頻率越低，t越大，零矢量作用時間越大，零矢量作用時間t0也越大，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留的時間越也越大，定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E停留的時間越長。長。l由此可知，由此可知，零矢量的插入有效地解決了定子零矢量的插入有效地解決了定子磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾磁鏈?zhǔn)噶糠蹬c旋轉(zhuǎn)速度的矛盾。| )(|ks恒定，只要使恒定，只要使t1為常數(shù)即可。為常數(shù)即可。期望電壓空間矢量的合成期望電壓空間矢量的合成 l在一個開關(guān)周期在一個開關(guān)周期 T0圖5-28 期望輸出電壓矢量的合成的作用時間的作用時間 1u2u1t的作用時間的作用時間 2t121200123002233sjddttTTttUU

29、eTTuuul合成電壓矢量合成電壓矢量SVPWM的實現(xiàn)的實現(xiàn) l通常以開關(guān)損耗和諧波分量都較小為原則，通常以開關(guān)損耗和諧波分量都較小為原則，來安排基本矢量和零矢量的作用順序，一來安排基本矢量和零矢量的作用順序，一般在減少開關(guān)次數(shù)的同時，盡量使般在減少開關(guān)次數(shù)的同時，盡量使PWM輸輸出波型對稱，以減少諧波分量。出波型對稱，以減少諧波分量。 零矢量集中的實現(xiàn)方法零矢量集中的實現(xiàn)方法 l按照對稱原則，將兩個基本電壓矢量的作按照對稱原則，將兩個基本電壓矢量的作用時間平分為二后，安放在開關(guān)周期的首端用時間平分為二后，安放在開關(guān)周期的首端和末端。和末端。l零矢量的作用時間放在開關(guān)周期的中間，零矢量的作用時

30、間放在開關(guān)周期的中間，并按開關(guān)次數(shù)最少的原則選擇零矢量。并按開關(guān)次數(shù)最少的原則選擇零矢量。l在一個開關(guān)周期內(nèi)，有一相的狀態(tài)保持不在一個開關(guān)周期內(nèi)，有一相的狀態(tài)保持不變，從一個矢量切換到另一個矢量時，只有變，從一個矢量切換到另一個矢量時，只有一相狀態(tài)發(fā)生變化，因而一相狀態(tài)發(fā)生變化，因而開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)損耗小損耗小。 零矢量集中的實現(xiàn)方法零矢量集中的實現(xiàn)方法 圖圖5-29 零矢量集中的零矢量集中的SVPWM實現(xiàn)實現(xiàn)零矢量分散的實現(xiàn)方法零矢量分散的實現(xiàn)方法 圖圖5-30 零矢量分布的零矢量分布的SVPWM實現(xiàn)實現(xiàn)7步完成步完成的定子磁鏈的定子磁鏈 圖圖5-32定子磁鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動定子磁

31、鏈?zhǔn)噶康倪\(yùn)動的的7步軌跡步軌跡211616211.(0,1)02.(0,2)23.(0,3)2(0,*)4.(0,4)05.(0,5)26.(0,6)27.(0,7)0ssssssssttttuuuuSVPWM控制的定子磁鏈控制的定子磁鏈 圖圖5-34 定子旋轉(zhuǎn)磁鏈?zhǔn)噶寇壽E定子旋轉(zhuǎn)磁鏈?zhǔn)噶寇壽El定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E SVPWM控制的定子磁鏈控制的定子磁鏈 l實際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在期望的磁鏈實際的定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E在期望的磁鏈圓周圍波動。圓周圍波動。N越大，磁鏈軌跡越接近于越大，磁鏈軌跡越接近于圓，但開關(guān)頻率隨之增大。圓，但開關(guān)頻率隨之增大。l由于由于N是有限的，所以磁鏈軌跡只能接是

32、有限的，所以磁鏈軌跡只能接近于圓，而不可能等于圓。近于圓，而不可能等于圓。第第6章章基于動態(tài)模型的異步電基于動態(tài)模型的異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)動機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 6.2 異步電動機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型異步電動機(jī)的三相數(shù)學(xué)模型圖圖6-1 三相異步電動機(jī)的物理模型三相異步電動機(jī)的物理模型l定子三相繞定子三相繞組軸線組軸線A、B、C在空間是固在空間是固定的。定的。l轉(zhuǎn)子繞組軸轉(zhuǎn)子繞組軸線線a、b、c隨隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。 異步電動機(jī)三相原始模型的異步電動機(jī)三相原始模型的非獨(dú)立性非獨(dú)立性l異步電動機(jī)三相繞組為異步電動機(jī)三相繞組為Y無中線連接，若無中線連接，若為為連接，可等效為連接，可等效為Y連接。連接。l可以證明：異

33、步電動機(jī)三相數(shù)學(xué)模型中存可以證明：異步電動機(jī)三相數(shù)學(xué)模型中存在一定的約束條件在一定的約束條件000ABCABCABCiiiuuu000abcabcabciiiuuu異步電動機(jī)三相原始模型的異步電動機(jī)三相原始模型的非獨(dú)立性非獨(dú)立性l三相變量中只有兩相是獨(dú)立的，因此三相變量中只有兩相是獨(dú)立的，因此三相原始數(shù)學(xué)模型并不是物理對象最三相原始數(shù)學(xué)模型并不是物理對象最簡潔的描述簡潔的描述。l完全可以而且也有必要用兩相模型代完全可以而且也有必要用兩相模型代替。替。6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路坐標(biāo)變換的基本思路l兩極直流電動兩極直流電動機(jī)的物理模型，機(jī)的物理模型，F(xiàn)為勵磁繞組，為勵磁繞組，A為電樞繞組，為電

34、樞繞組，C為補(bǔ)償繞組。為補(bǔ)償繞組。F和和C都在定子都在定子上，上，A在轉(zhuǎn)子上。在轉(zhuǎn)子上。圖6-2 二極直流電動機(jī)的物理模型F勵磁繞組 A電樞繞組 C補(bǔ)償繞組6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路坐標(biāo)變換的基本思路l三相變量中只有兩相為獨(dú)立變量，完全可以三相變量中只有兩相為獨(dú)立變量，完全可以也應(yīng)該消去一相。也應(yīng)該消去一相。l所以，三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交所以，三相繞組可以用相互獨(dú)立的兩相正交對稱繞組等效代替，對稱繞組等效代替，等效的原則是產(chǎn)生的磁等效的原則是產(chǎn)生的磁動勢相等動勢相等。6.3.1 坐標(biāo)變換的基本思路坐標(biāo)變換的基本思路圖6-3 三相坐標(biāo)系和兩相坐標(biāo)系物理模型 6.3.1 坐標(biāo)變換的基

35、本思路坐標(biāo)變換的基本思路圖圖6-4 靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的靜止兩相正交坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的物理模型物理模型6.4.2 旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動態(tài)旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的動態(tài)數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型圖圖6-8 定子定子 、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子 坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換坐標(biāo)系到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的變換a）定子）定子 、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系 b）旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系）旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程圖圖6-17 靜止正交坐標(biāo)系與按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同靜止正交坐標(biāo)系與按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)正交旋轉(zhuǎn)正交dq坐標(biāo)系的

36、一個特例是與轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量坐標(biāo)系的一個特例是與轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)矢量同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。令同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系。令d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希Q作軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾?，稱作按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系，簡稱按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系，簡稱mt坐標(biāo)系。坐標(biāo)系。6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程lm軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾陷S與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾蟣為了保證為了保證m軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，還軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶渴冀K重合，還必須使必須使 0rmrdrrtrq0rqrtdddtdt6.6.1按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方

37、程轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系狀態(tài)方程lmt坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式坐標(biāo)系中的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式 l定子電流勵磁分量定子電流勵磁分量 pmestrrn LTiLl定子電流轉(zhuǎn)矩分量定子電流轉(zhuǎn)矩分量 smisti()pmesrsrrn LTiiL6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想的基本思想l按轉(zhuǎn)子磁鏈定向僅僅實現(xiàn)了定子電流兩個分按轉(zhuǎn)子磁鏈定向僅僅實現(xiàn)了定子電流兩個分量的解耦，電流的微分方程中仍存在非線性量的解耦，電流的微分方程中仍存在非線性和交叉耦合。和交叉耦合。l采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制這一現(xiàn)象，采用電流閉環(huán)控制，可有效抑制這一現(xiàn)象，使實際電流快速跟隨給定值。使實際電流快速跟隨給定

38、值。6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想的基本思想圖圖6-19 異步電動機(jī)矢量變換及等效直流電動機(jī)模型異步電動機(jī)矢量變換及等效直流電動機(jī)模型6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想的基本思想圖圖6-20 矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想的基本思想圖圖6-21 簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)簡化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)6.6.2按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制的基本思想的基本思想l矢量控制系統(tǒng)就相當(dāng)于直流調(diào)速系統(tǒng)。矢量控制系統(tǒng)就相當(dāng)于直流調(diào)速系統(tǒng)。l矢量控制交流變壓變

39、頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、矢量控制交流變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在靜、動態(tài)性能上可以與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。動態(tài)性能上可以與直流調(diào)速系統(tǒng)媲美。6.6.3按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制方式 圖圖6-22 電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電流閉環(huán)控制后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖l轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用閉轉(zhuǎn)子磁鏈環(huán)節(jié)為穩(wěn)定的慣性環(huán)節(jié)，可以采用閉環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉(zhuǎn)速通環(huán)控制，也可以采用開環(huán)控制方式；而轉(zhuǎn)速通道存在積分環(huán)節(jié)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn)定。道存在積分環(huán)節(jié)，必須加轉(zhuǎn)速外環(huán)使之穩(wěn)定。電流閉環(huán)控制電流閉環(huán)控制圖圖6-23 三相電流閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

40、三相電流閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電流閉環(huán)控制電流閉環(huán)控制圖圖6-24 定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖*su6.6.5 轉(zhuǎn)子磁鏈計算轉(zhuǎn)子磁鏈計算l轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測比較困難，多采用按轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測比較困難，多采用按模型計算的方法。模型計算的方法。l利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，利用容易測得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號，借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值借助于轉(zhuǎn)子磁鏈模型，實時計算磁鏈的幅值與空間位置與空間位置。l在計算模型中，由于主要實測信號的不同，在計算模型中，由于主要實測信號的不同，又分為電流模型和

41、電壓模型兩種。又分為電流模型和電壓模型兩種。計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 l根據(jù)描述磁鏈與電流關(guān)系的磁鏈方程來計根據(jù)描述磁鏈與電流關(guān)系的磁鏈方程來計算轉(zhuǎn)子磁鏈，所得出的模型叫做電流模型。算轉(zhuǎn)子磁鏈，所得出的模型叫做電流模型。l在在坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 11rmrrsrrrmrrsrrdLidtTTdLidtTT 計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型圖圖6-29 在在坐標(biāo)系計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型坐標(biāo)系計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 l在在mt坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流

42、模型 11mrrsmrrmstrrLdidtTTLiT 計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型圖圖6-30 在在mt坐標(biāo)系計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型坐標(biāo)系計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型11mrrsmrrmstrrLdidtTTLiT 計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型 l上述兩種計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型都需要實上述兩種計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型都需要實測的電流和轉(zhuǎn)速信號，不論轉(zhuǎn)速高低時都能適測的電流和轉(zhuǎn)速信號，不論轉(zhuǎn)速高低時都能適用。用。l受電動機(jī)參數(shù)變化的影響。電動機(jī)溫升和頻受電動機(jī)參數(shù)變化的影響。電動機(jī)溫升和頻率變化都會影響轉(zhuǎn)子電阻，磁飽和程度將影響率變化都會影響轉(zhuǎn)子電阻，磁飽和程度將影響電感。電感。l這些影響都將導(dǎo)致磁鏈幅值與位置信號失真，這些影響都將導(dǎo)致磁鏈幅值與位置信號失真，而反饋信號的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的而反饋信號的失真必然使磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)的性能降低，這是電流模型的不足之處。性能降低，這是電流模型的不足之處。計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 l根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動勢等于磁鏈變化根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動勢等于磁鏈變化率的關(guān)系，取電動勢的積分就可以得到磁鏈。率的關(guān)系，取電動勢的積分就可以得到磁鏈。l在在坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型坐標(biāo)系上計算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型 ()