交流调速系统（第2章）

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1、第2章基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制系统本节提要矢量控制系统的基本思路按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用转子磁链模型转速、磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统磁链开环转差型矢量控制系统——间接矢量控制系统概述上一节中表明，异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。需要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，但要完成这一任务并非易事。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢

2、量控制系统。2.1矢量控制系统的基本思路在上一章已经阐明，以产生同样的旋转磁动势为准则，在三相坐标系上的定子交流电流iA、iB、iC，通过三相/两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流i、i，再通过同步旋转变换，可以等效成同步旋转坐标系上的直流电流im和it。如果观察者站到铁心上与坐标系一起旋转，他所看到的便是一台直流电机，可以控制使交流电机的转子总磁通r就是等效直流电机的磁通，则M绕组相当于直流电机的励磁绕组，im相当于励磁电流，T绕组相当于伪静止的电枢绕组，it相当于与转矩成正比的电枢电流。把上述等效关系用结构图的形式画出来，便得到下图。从整体上看，输

3、入为A，B，C三相电压，输出为转速，是一台异步电机。从内部看，经过3/2变换和同步旋转变换，变成一台由im和it输入，由输出的直流电机。图6-52异步电动机的坐标变换结构图3/2——三相/两相变换;VR——同步旋转变换;——M轴与轴（A轴）的夹角3/2VR等效直流电动机模型ABCiAiBiCitimii异步电动机异步电机的坐标变换结构图既然异步电机经过坐标变换可以等效成直流电机，那么，模仿直流电机的控制策略，得到直流电机的控制量，经过相应的坐标反变换，就能够控制异步电机了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控

4、制系统就叫作矢量控制系统（VectorControlSystem），控制系统的原理结构如下图所示。矢量控制系统原理结构图控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电动机模型+i*mi*t1i*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiβimit~反馈信号异步电动机给定信号图6-53矢量控制系统原理结构图在设计矢量控制系统时，可以认为，在控制器后面引入的反旋转变换器VR-1与电机内部的旋转变换环节VR抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节抵消，如果再忽略变频器中可能产生的滞后，则图6-53中虚线框内的部分可以完全删去，剩下的就是直流调速系统了

5、。设计控制器时省略后的部分控制器VR-12/3电流控制变频器3/2VR等效直流电机模型+i*mi*t1i*1i*1i*Ai*Bi*CiAiBiCiiβimit~反馈信号异步电动机给定信号可以想象，这样的矢量控制交流变压变频调速系统在静、动态性能上完全能够与直流调速系统相媲美。2.2按转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用问题的提出上述只是矢量控制的基本思路，其中的矢量变换包括三相/两相变换和同步旋转变换。在进行两相同步旋转坐标变换时，只规定了d，q两轴的相互垂直关系和与定子频率同步的旋转速度，并未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置，对此是有选择余地的。按

6、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（FieldOrientation）的坐标系。当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，应有（8-1）按转子磁链定向后的系统模型代入转矩方程式（7-41）和状态方程式（7-42）~（7-46）并用m，t替代d，q，即得（8-2）（8-3）（8-4）（8-5）（8-6）（8-7）由于，状态方程中的式（8-5）蜕化为代数方程，整理后得转差公式（

7、8-8）这使状态方程降低了一阶。由式（8-4）可得（8-9）（8-10）按转子磁链定向的意义式（8-9）或式（8-10）表明，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。式（8-9）还表明，r与ism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。式（8-9）或（8-10）、（8-8）和（8-2）构成矢量控制基本方程式，按照这些关系可将异步电机的数学模型绘成图6-54中的形式，图中前述的等效直流电机模型（见图6-52）被分解成和r两个子系统。可以看出，虽然通过矢量变换，将定子电流解耦