第七讲异步电动机的矢量控制系统吴学智公开课一等奖课件省赛课获奖课件.pptx

异步电机的动态数学模型是一种高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，能够使之降阶并化简，但并没有变化其非线性、多变量的本质。

高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计。

通过数年的潜心研究和实践，有几个控制方案已经获得了成功的应用，现在应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。;直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组电流Ia与气隙磁链Ψf互相作用产生的。由于直流电机在构造上就确保了电枢电流矢量垂直于气隙磁链矢量，因此直流电机的电磁转矩为：;异步电动机的电磁转矩是由气隙旋转磁场Φm与转子电流Ir互相作用产生的。而Φm又是定子电流I1与转子电流Ir共同产生的。;异步电动机矢量图;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

通过坐标变换，异步电机能够等效成直流电机，模仿直流电机的控制方略得到直流电机的控制量，通过坐标反变换，就能够控制异步电机了。

由于进行坐标变换的是电流和磁链的空间矢量，因此这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（VectorControlSystem）。

在进行旋转坐标变换时，只规定了d，q两轴的互相垂直关系，未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置。;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

选择d轴沿着转子磁链矢量的方向，称之为M轴，而q轴垂直于转子总磁链矢量，称之为T轴。

在旋转坐标系下，M绕组相称于直流电机的励磁绕组，T绕组相称于伪静止的电枢绕组。控制im等效于控制直流电机的磁通，it相称控制形成转矩的电枢电流。

这样的两相似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（FieldOrientation）的坐标系。;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

磁链方程;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

由于M轴方向与转子磁链一致，则

可得到：;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

电压方程为：;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

对于笼型转子异步电动机，由于转子短路，则电压方程可简化为：;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

由电压方程的第三行得到：

由磁链方程得到：

化解得到：

其中为转子时间常数，ism被称为定子的励磁电流分量。;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

由T轴磁链方程可得：

M轴按转子磁场方向定向后，与之正交的T轴上定子电流分量的变化会立刻引发对应转子电流分量的变化，不存在滞后。;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

电磁转矩方程为：

化解后得到：

这个转矩关系式很简朴，同直流电动机的转矩公式同样。ist被称为转矩电流分量。;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

转差角频率：

如果转子时间常数和磁链不变，转差频率与定子电流的转矩分量成正比。

以上转差角频率方程式、电磁转矩方程和转子磁链方程就构成了按转子磁场定向的矢量控制系统的基本方程式。在实际控制中，如果能够实现电流iM和iT的完全解耦，异步电动机便可获得类似于直流电动机的特性。;异步电机在转子磁链方向上的数学模型

转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。

?r与iM之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量iM突变时，?r的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。;动态矢量图;模仿直流电动机的控制办法，求出直流电动机的控制量isM*和isT*，再通过反变换就能得到异步电动机的控制量ia*、ib*、ic*。;电流指令isM*和isT*通过M-T坐标系→α、β坐标系和α、β坐标系→三相静止坐标系的变换，变为三相电流指令ia*、ib*、ic*，输入到三相变频器；

变频器输出与ia*、ib*、ic*同样的实际电流ia、ib、ic；ia、ib、ic通过3/2变换转换为isα、isβ，之后借助于单位矢量cosθ和sinθ转换到同时旋转坐标系中，得到的isM、isT施加到M-T坐标系下的电机模型上。

控制电流指令i*sM和i*sT就能够控制电机的磁场和转矩。;该控制器需要两个反变换，方便控制电流i*sM和i*sT分别与电机电流isM、isT相一致。

转子磁场定向是由坐标变换所用单位矢量cosφ和sinφ来确保的，对的的单位矢量是确保矢量控制原理实现的核心。;从单位矢量获取方式上，矢量控制能够分为直接矢量控制和间接矢量控制两大类。

当矢量控制所用单位矢量和磁链是直接检测到的或由检测到的电机的端子量及转速计算得届时，被称为直接矢量控制，也可称为磁通反馈矢量控制（FeedbackVectorControl）。

当矢量控制所用单位矢量和磁链是从电流指令值和转速来计算得届时，被称为间接矢量控制，也可称为磁通前馈矢量控制（Feedwor