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1、异步电动机矢量控制系统第1页，本讲稿共23页 由于交流电机具有多变量、非线性、强耦合的特性；由于交流电机具有多变量、非线性、强耦合的特性；其它的调速方法的效率低，应用场合有限（包括：其它的调速方法的效率低，应用场合有限（包括：调压调速、电磁转差离合器调速、线绕式异步电机转调压调速、电磁转差离合器调速、线绕式异步电机转子串电阻调速和串级调速等子串电阻调速和串级调速等 ）一、交流电机调速为什么采用变频调速方法一、交流电机调速为什么采用变频调速方法?第2页，本讲稿共23页1 1、V/FV/F控制控制转速开环恒压频比控制转速开环恒压频比控制 优：结构简单、成本低、可以满足一般的平滑调优：结构简单、成本
2、低、可以满足一般的平滑调速要求速要求 缺：静、动态性能有限缺：静、动态性能有限 应用：风机、水泵应用：风机、水泵2 2、转差频率控制、转差频率控制 优：过电流的抑制、速度精度、使用的速度范围等诸优：过电流的抑制、速度精度、使用的速度范围等诸特性比特性比V/FV/F控制高控制高 缺：不能保证最优的动态性能缺：不能保证最优的动态性能 二、交流电机变频调速的方法二、交流电机变频调速的方法第3页，本讲稿共23页 3 3、矢量控制（、矢量控制（vector control vector control），又称磁场定向控制），又称磁场定向控制（field-oriented control field-or
3、iented control）背景：背景：19681968年，德国年，德国DarmstaderDarmstader大学的大学的HasseHasse博士博士首先提出矢量控制理论首先提出矢量控制理论 ，19711971年，西门子公司的年，西门子公司的BlaschkeBlaschke又将这种一般化的概念形成系统的理论又将这种一般化的概念形成系统的理论 优：优：控制特性比其它控制方式格外优越；控制特性比其它控制方式格外优越；能胜任要求高速响应、宽广调速范围、频繁急加能胜任要求高速响应、宽广调速范围、频繁急加减速运转和连续等用途；减速运转和连续等用途；可以进行转矩控制可以进行转矩控制 。缺：系统参数敏感
4、性较强缺：系统参数敏感性较强第4页，本讲稿共23页 原理：通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，原理：通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。实现形式：根据控制结构中是否含有转子磁链调实现形式：根据控制结构中是否含有转子磁链调节器可以分为直接磁场定向和间接磁场定向节器可以分为直接磁场定向和间接磁场定向 具体过程：将异步电动机的定子电流矢量分解为产具体过程：将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量生
5、磁场的电流分量 (励磁电流励磁电流)和产生转矩的电流分和产生转矩的电流分量量 (转矩电流转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量。的幅值和相位，即控制定子电流矢量。一、矢量控制实现的基本原理第5页，本讲稿共23页1 1、它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁、它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程，包括定子磁链，气隙磁链，转子磁链链，气隙磁链，转子磁链2 2、把三相静止坐标系下的定子交流电流、把三相静止坐标系下的定子交流电流 ，通过，通过3/23/2变换，等效成变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流两相静止坐
6、标系下的交流电流 。然后，再把两相静止电流。然后，再把两相静止电流 ，通过转，通过转子磁场定向的旋转变换子磁场定向的旋转变换VRVR，等效成两相旋转坐标系下的电流即类，等效成两相旋转坐标系下的电流即类似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解似于直流机的转矩电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度耦控制，加快了系统的响应速度3 3、最后再经过、最后再经过/变换，产生三相交流电去控制电机，这样就变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的性能获得了良好的性能二、异步电动机的矢量控制过程矢量变换控制的基本思路：矢量变换控制的基本思路：矢量变换控制的基本思
7、路：矢量变换控制的基本思路：是以产生同样的旋转磁场为准则，建立是以产生同样的旋转磁场为准则，建立三相交流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直三相交流绕组电流、两组交流绕组电流和在旋转坐标上的正交绕组直流电流之间的等效关系。流电流之间的等效关系。第6页，本讲稿共23页异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型异步电动机在三相静止坐标系下的数学模型 电压方程电压方程 电磁转矩方程电磁转矩方程运动方程运动方程第7页，本讲稿共23页交交流流电电机机三三相相静静止止绕绕组组A、B、C，通通入入三三相相平平衡衡的的正正
8、弦弦电电流流时时，所所产产生生的的合合成成磁磁动动势势是是旋旋转转磁磁动动势势F，它它在在空空间间呈呈正正弦弦分分布布，以以同同步转速旋转。步转速旋转。在在两两相相静静止止坐坐标标下下中中通通入入时时间间上上互互差差90的的两两相相电电流流，也也能能产产生生旋旋转转磁磁势势。两两个个旋旋转转磁磁势势大大小小和和转转速速都都相相等等时时，即即可可认认为为两两相相绕绕组组与与三三相相绕绕组组等等效效。如如果果将将两两个个匝匝数数相相等等且且互互相相垂垂直直的的绕绕组组M和和T中中分分别别通通以以直直流流电电流流im和和it，且且包包含含绕绕组组在在内内的的整整个个铁铁芯芯以以同同步步速速旋旋转转，
9、则则磁磁势势F也也随随之之旋旋转转起起来来，形形成成旋旋转转磁磁势势。第8页，本讲稿共23页图(b)两相交流绕组图(C)旋转的直流绕组图(a)三相交流绕组三相磁场、两相磁场、旋转直流磁场系统之间是可以互相进行等效转换。图(C)旋转的直流绕组Clark变换过程Park 变换过程矢量坐标变换原则：1.变换前后总磁动势不变。2.变换前后总功率相等 第9页，本讲稿共23页1.变换前后总磁动势不变。2.变换前后总功率相等 Clark变换Clark逆变换第10页，本讲稿共23页Park 变换Park 逆变换1.变换前后总磁动势不变。2.变换前后总功率相等 第11页，本讲稿共23页运动方程：电压方程：两相静
10、止坐标系下的数学模型两相静止坐标系下的数学模型两相静止坐标系下的数学模型两相静止坐标系下的数学模型转矩方程：第12页，本讲稿共23页两相静止坐标系下的状态方程：将以上电压方程、转矩方程、运动方程归纳整理起来，就构成了三相异步电机在两相静止坐标系下的数学模型第13页，本讲稿共23页电压方程：两相旋转坐标系下的数学模型两相旋转坐标系下的数学模型两相旋转坐标系下的数学模型两相旋转坐标系下的数学模型运动方程：转矩方程：第14页，本讲稿共23页将以上电压方程、转矩方程、运动方程归纳整理起来，就构成了三相异步电机在两相旋转坐标系下的数学模型两相旋转坐标系下的状态方程：第15页，本讲稿共23页异步电机模型的
11、建立异步电机模型的建立异步电机模型的建立异步电机模型的建立在在Matlab/Simulink中，建立三相异步电机仿真模型中，建立三相异步电机仿真模型。该模型包含了该模型包含了Clarke变换变换和和Park变换以及它们的逆变换等模块，其中变换以及它们的逆变换等模块，其中ACMOTORMT模块为三相异步电机模块为三相异步电机经过坐标变换之后在经过坐标变换之后在M-T坐标系下的模型。坐标系下的模型。第16页，本讲稿共23页将将给给定定信信号号分分解解成成两两个个互互相相垂垂直直且且独独立立的的直直流流信信号号 、，、通通过过“Park逆逆变变换换”被被变变换换成成两两相相交交流流信信号号 、，又又
12、经经“Clarke逆逆变变换换”，得得到到三三相相交交流流的的控控制制信信号号 、去去控控制制逆逆变变电电路路，进进而而控控制制电电机。机。电电流流信信号号经经过过传传感感器器采采样样和和“Clarke变变换换”以以及及“Park变变换换”，传传送送到到控控制制端端，从从而而使使系系统统成成为为一一个个闭闭环环控控制制系系统统，模模拟拟出出类类似似于于直直流电动机的工作状况。流电动机的工作状况。矢量控制系统结构矢量控制系统结构矢量控制系统结构矢量控制系统结构第17页，本讲稿共23页一、异步电机矢量控制系统的硬件实现一、异步电机矢量控制系统的硬件实现一、异步电机矢量控制系统的硬件实现一、异步电机
13、矢量控制系统的硬件实现交流异步电机无速度传感器矢量控制系统硬件总体结构：交流异步电机无速度传感器矢量控制系统硬件总体结构：整个系统主要包括一个三相全桥整流器和一个智能功率模块整个系统主要包括一个三相全桥整流器和一个智能功率模块IPM以及用于给最小系统以及用于给最小系统提供直流电的开关电源电路、三相异步电机、提供直流电的开关电源电路、三相异步电机、TMS320F2812最小系统控制板、最小系统控制板、TDS510USB仿真器、仿真器、PC机机CCS集成开发环境等。集成开发环境等。第18页，本讲稿共23页系统硬件实物图系统硬件实物图系统硬件实物图系统硬件实物图第19页，本讲稿共23页二、异步电机矢
14、量控制系统软件实现二、异步电机矢量控制系统软件实现二、异步电机矢量控制系统软件实现二、异步电机矢量控制系统软件实现 矢量控制系统的程序设计包括：主程序、中断矢量控制系统的程序设计包括：主程序、中断服务子程序。服务子程序。主程序：包括系统初始化、变量初始化、主程序：包括系统初始化、变量初始化、ADCADC模块模块初始化、事件管理器初始化、定时器下溢中断初始化、通初始化、事件管理器初始化、定时器下溢中断初始化、通用用I/OI/O口初始化和主循环计算程序。口初始化和主循环计算程序。中断服务子程序：实现中断服务子程序：实现SVPWMSVPWM的产生和控制的产生和控制 第20页，本讲稿共23页系统主程序流程图系统主程序流程图第21页，本讲稿共23页展展展展 望望望望 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。第22页，本讲稿共23页Welcome to HUAWEI Technologiespresentation 谢谢谢谢！第23页，本讲稿共23页