《电机调速技术》项目四5.31

电机调速技术绪论全课导航项目1认识直流调速系统项目2认识调压调速系统

和串级调速系统项目3认识变频调速系统项目4认识矢量控制调速系统项目5认识直接转矩控制调速系统项目6了解电机调速技术的应用项目四认识矢量控制调速系统项目导读矢量控制调速系统是一种先进的控制系统，它通过使用矢量变换方法，将电动机的电流分解成两个相互垂直的矢量分量，然后对它们进行独立控制，以实现电动机的平稳和快速运行。该系统广泛应用于工业自动化、交通运输和新能源等领域。本项目主要介绍矢量控制调速系统的相关知识。达成目标知识目标了解矢量控制的基本思想和典型电路。掌握矢量控制的工作原理。了解异步电动机的空间矢量坐标变换。掌握矢量控制调速系统的组成和实现方法。达成目标技能目标能够正确使用Matlab/Simulink仿真平台构建矢量控制调速系统仿真模型。能够了解静、动态特性及有关控制参数的变化对矢量控制调速系统的影响。素质目标树立技能成才、技能报国的人生理想。养成恪尽职守、事必躬亲、开拓进取的工作作风。激发心系国家建设、勇担时代使命的爱国情怀。项目引入在炎热的夏天，当你坐在空调房间享受着清凉，你是否知道空调是如何保持你需要的最适温度的呢？答案就是矢量控制调速系统，它能够精确地调节空调的送风速度，以满足你对温度的需求。矢量控制调速系统就在我们身边，它就像一个魔术师，默默地在各种场景中施展魔法，给我们的生活带来惊喜和便利。例如，在音乐喷泉中，矢量控制调速系统可以根据节奏指挥水柱跳跃，为喷泉增添一份灵动和美丽。在赛车等速度竞赛的场合，矢量控制调速系统可以精确地调节发动机的转速，发挥着至关重要的作用。现在就让我们一起去了解矢量控制调速系统的相关知识。课堂互动在炎热的夏天，当你坐在空调房间享受着清凉，你是否知道空调是如何保持你需要的最适温度的呢？矢量控制调速系统就在我们身边项目引入知识与技能要求项目内容认识直流调速系统学习程度识记理解应用学习任务矢量控制的基本思想

●

矢量控制的工作原理

●

矢量控制的典型电路●

异步电动机的空间矢量坐标变换●

矢量控制调速系统的组成

●

矢量控制调速系统的实现方法●实训任务矢量控制调速系统仿真

●自我勉励矢量控制概述矢量控制调速系统的组成和实现方法项目导航项目实施——矢量控制调速系统仿真项目工单—认识矢量控制调速系统1．学生分组小组成员及分工情况班级

组号

指导教师

小组成员姓名学号小组分工组长

组员

以3～5人为一组，选出组长并进行分工，填入下表中。2．工作计划工作计划查阅相关资料并预习课本，了解矢量控制调速系统的相关知识，并填入下表中。序号工作内容负责人

项目工单—认识矢量控制调速系统3．工作准备实施过程中所需的工具和器材等信息将实施过程中所需的工具和器材等信息填入表中。序号名称规格与型号单位数量备注

项目工单—认识矢量控制调速系统4．工作实施工作实施过程记录表按照工作计划，将实施步骤、实施内容及遇到的问题、解决办法等记录于表中。序号实施步骤实施内容及遇到的问题解决办法

项目工单—认识矢量控制调速系统4.1矢量控制概述课堂互动想一想，矢量控制的运行原理是怎样的？什么是矢量控制？4.1矢量控制概述矢量控制可将交流电动机模拟成直流电动机进行控制，它以磁链矢量的方向作为坐标轴的基准方向，采用矢量变换的方法实现交流电动机转速和磁链的完全解耦控制，从而得到类似直流电动机优良的动态调速性能。4.1.1矢量控制的基本思想4.1.1矢量控制的基本思想4.1.1矢量控制的基本思想矢量控制成功解决了异步电动机电磁转矩控制难的问题，实现了磁通量和电磁转矩的独立控制。矢量控制的基本思想是将三相交流电动机绕组产生的旋转磁场变换为和直流电动机相似的两绕组产生的旋转磁场，然后控制两绕组中的电流，从而得到像直流电动机一样的转矩特性。4.1.1矢量控制的基本思想4.1.1矢量控制的基本思想（a）三相交流绕组4.1.1矢量控制的基本思想（b）两相交流绕组4.1.1矢量控制的基本思想当该旋转磁场的大小、转速及转向与三相对称绕组产生的旋转磁场完全相同时，可以认为这两组交流绕组是等效的。（b）两相交流绕组（a）三相交流绕组课堂互动三相对称绕组与两相对称绕组的变换？点拨（b）两相交流绕组4.1.1矢量控制的基本思想（c）相互垂直的直流绕组4.1.1矢量控制的基本思想（b）两相交流绕组（a）三相交流绕组4.1.1矢量控制的基本思想（b）两相交流绕组（a）三相交流绕组（c）相互垂直的直流绕组课堂互动两相静止正交坐标系到两相旋转正交坐标系的变换？知识链接（c）相互垂直的直流绕组4.1.2矢量控制的工作原理坐标变换是矢量控制的基础，通过坐标变换逐步建立异步电动机在转子磁场定向下的数学模型，可以更好地阐述矢量控制的工作原理。课堂互动转子磁场定向指的是什么？点拨转子磁场定向是指将异步电动机转子磁链空间矢量与dq坐标系的d轴重合，q轴正交，使dq坐标系和转子磁链同步旋转。4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型异步电动机的动态数学模型是一个多变量、高阶、强耦合的非线性微分方程组，其磁链方程的矩阵L维数是

，大部分元素都为t的函数，可用公式表示为（均为幅值计算，采用标量表示）：4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型式中，矩阵L包括多个自感和互感。其中，元素L下标的两个字母大小写相同的，是同一绕组的自感或同为定子、转子绕组间的互感，其值均为常数；而下标大小写不同的，是随时间t变化的互感，它们使电压微分方程成为非线性方程。4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型如果使用3/2变换，可以得到两相静止正交坐标系下异步电动机的动态数学模型。其中，定子绕组经3/2变换，可以获得两相对称绕组坐标系下的定子数学模型；转子绕组先经3/2变换，再进行反VR变换，可以得到两相对称绕组坐标系下的转子数学模型。4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型将两者合在一起，可以得到异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型。此时，磁链方程为：4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型从上述两组式中可以看出，互差120°的三相对称绕组经过3/2变换可等效成互相垂直的两相对称绕组。互相垂直的两相对称绕组之间没有磁的联系，可以消除三相对称绕组间的耦合，使矩阵简化成矩阵，以减少动态数学方程的阶数。4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型上述简化效果同样也可反映到电压方程和转矩方程中。其中，电压方程为：4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型转矩方程为:为极对数坐标经过变换后，与三相时相比，其所有的动态数学方程大为简化。4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型但是，上述式中系数矩阵中的每一项都是占满的，且在两相静止正交坐标系下的物理量仍是正弦交流，因此异步电动机的动态数学模型仍是非线性和强耦合的。4.1.2矢量控制的工作原理1．异步电动机在两相静止正交坐标系下的动态数学模型如果想让异步电动机能像直流电动机一样方便控制，并获得优良的调速性能，则需要对其进行进一步的改进。4.1.2矢量控制的工作原理2．异步电动机在两相旋转正交坐标系下的动态数学模型将异步电动机的定、转子电流空间矢量从两相静止正交坐标系变换到两相旋转正交坐标系时，异步电动机动态数学模型的特点是，一切都是直流的。因此，异步电动机可像直流电动机一样进行调速控制，通过调节定子电流空间矢量的转矩分量，可以改变转矩，从而进行基速以下的调节；通过调节定子电流空间矢量的励磁分量，可以改变励磁，从而进行基速以上的调节。4.1.2矢量控制的工作原理2．异步电动机在两相旋转正交坐标系下的动态数学模型利用VR变换，可以将磁链方程中的电压和电流折算到dq坐标系，从而得到dq坐标系下的磁链方程，即：4.1.2矢量控制的工作原理2．异步电动机在两相旋转正交坐标系下的动态数学模型此时，dq坐标系下的磁链方程中的系数矩阵保持不变。dq坐标系下的电压方程为：从式中可以看出，参数矩阵中的元素发生了变化，主要是出现了代表运动电动势的元素。4.1.2矢量控制的工作原理2．异步电动机在两相旋转正交坐标系下的动态数学模型4.1.2矢量控制的工作原理2．异步电动机在两相旋转正交坐标系下的动态数学模型dq坐标系下的转矩方程为：可以看出，在电压方程

系数矩阵中的每一项都是占满的，所以仍具有较强的耦合性，但电压和电流已经变成直流，因此，该系统更加便于控制。4.1.2矢量控制的工作原理2．异步电动机在两相旋转正交坐标系下的动态数学模型电压和电动势的箭头为降低方向，4个运动电动势在d轴电路和q轴电路之间形成耦合。此时，异步电动机动态数学模型的高阶和非线性问题得到了解决，但是其耦合问题还需要靠转子磁场定向的帮助才可以解决。（a）d轴电路（b）q轴电路异步电动机在两相旋转正交坐标系下的动态等效电路4.1.2矢量控制的工作原理3．异步电动机在转子磁场定向下的动态数学模型如果将异步电动机转子磁场的轴线固定在旋转坐标系中的d轴上，则会使两者重合，形成转子磁场定向。此时，异步电动机的动态数学模型将有以下几个变化。(1)由于，因此，从而有：4.1.2矢量控制的工作原理3．异步电动机在转子磁场定向下的动态数学模型由式可知，，代入dq坐标系下的电压方程可得：式中第3、4行中出现了零元素，使其中多变量之间的耦合降到最低，动态数学方程得到最大的简化。4.1.2矢量控制的工作原理3．异步电动机在转子磁场定向下的动态数学模型（2）转矩方程可简化，得：4.1.2矢量控制的工作原理3．异步电动机在转子磁场定向下的动态数学模型综上所述，异步电动机的动态数学模型经过逐步坐标变换和磁场定向，最终成为转矩中参量不具有耦合性的线性方程。因此，对异步电动机进行矢量控制调速就变得像对直流电动机进行调速一样。课堂互动异步电动机在实际操作中与直流电动机的调速方法有何不同？点拨异步电动机在实际操作中与直流电动机的调速方法有所不同。直流电动机只需要调节供电电压或励磁电流就可以调速。异步电动机则需要进行坐标变换和磁场定向，才能使供电电压按照给定的频率、脉宽和相位分别对三相对称绕组供电，从而达到调速的目的。4.1.3矢量控制的典型电路以门极关断（GTO）晶闸管作为功率开关的转差型矢量控制电路结构简单、易于理解，其结构框图如图中所示。该电路由主电路、各调控和运算环节，以及检测元件等组成，其中，物理量带有“*”号上标的表示给定值，无上标的则为实际值。转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路该电路在交-直-交变频器的基础上，外加有一套以矢量变换为基础的反馈控制电路，使之可以按矢量变换的原理动态地调节整流器的电压，以及逆变器的输出脉宽、频率和相位角。下面主要介绍该电路的控制和调节过程。转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路1．转速控制通道通过控制定子相电流、逆变器的输出频率和相位，可以准确控制异步电动机的转速。具体控制过程如下。转速控制通道转矩调节器坐标变换器电流调节器压控振荡器等主控环节4.1.3矢量控制的典型电路1．转速控制通道转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路1．转速控制通道转差型矢量控制电路结构框图（2）转矩调节器的输出为定子电流的转矩分量

，将与来自磁场给定环节的信号

一起输入坐标变换器K/P，使之变换并以极坐标的形式输出定子电流空间矢量的幅值

和相位角

。4.1.3矢量控制的典型电路1．转速控制通道转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路1．转速控制通道转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路2．磁场控制通道这些环节相互配合，实现对定子相电流和相位的控制，以达到对异步电动机转速的调节。具体的调节过程如下。磁场控制通道主磁通检测器励磁调节器坐标变换器运算环节4.1.3矢量控制的典型电路2．磁场控制通道转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路2．磁场控制通道转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路2．磁场控制通道转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路2．磁场控制通道()转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路3．矢量控制调速的物理本质转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路3．矢量控制调速的物理本质转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路3．矢量控制调速的物理本质转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路3．矢量控制调速的物理本质转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路3．矢量控制调速的物理本质转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路3．矢量控制调速的物理本质转差型矢量控制电路结构框图4.1.3矢量控制的典型电路3．矢量控制调速的物理本质转差型矢量控制电路结构框图矢量控制的工作原理?矢量控制调速的物理本质?课堂训练矢量控制概述矢量控制的基本思想矢量控制的工作原理矢量控制的典型电路课堂小结4.2矢量控制调速系统的组成和实现方法4.2.1矢量控制调速系统的组成设想的矢量控制调速系统的结构框图4.2.1矢量控制调速系统的组成设想的矢量控制调速系统的结构框图4.2.1矢量控制调速系统的组成设想的矢量控制调速系统的结构框图4.2.1矢量控制调速系统的组成设想的矢量控制调速系统的结构框图课堂互动矢量控制方式是怎样对异步电动机进行控制的？矢量控制方式需要准确地控制异步电动机的参数，才可以达到理想的控制效果。目前，矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数的自动检测、自动识别及自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前，可以自动对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识的结果调整控制算法中的有关参数，从而对异步电动机进行有效的矢量控制。知识链接4.2.2矢量控制调速系统的实现方法矢量控制调速系统有基于转差频率控制的矢量控制调速系统、无速度传感器的矢量控制调速系统和有速度传感器的矢量控制调速系统等类型。下面以基于转差频率控制的矢量控制调速系统为例，介绍矢量控制调速系统的实现方法，其硬件电路如图所示。基于转差频率控制的矢量控制调速系统硬件电路4.2.2矢量控制调速系统的实现方法为了实现实时全数字化矢量控制调速，该系统以TI公司的TMS320LF2407A型DSP作为控制核心。系统的内环为电流环，调节周期为100μs；外环为速度环，调节周期为1ms。基于转差频率控制的矢量控制调速系统硬件电路4.2.2矢量控制调速系统的实现方法当系统通电后，DSP首先进行系统自检，再进行硬件和软件的初始化，接着初始化中断服务。系统初始化完成后，启动SPWM输出和正交脉冲编码器计数，然后进行无限循环等待中断信号。中断发生后，在中断处理子程序中调用电流环或速度环调节子程序。基于转差频率控制的矢量控制调速系统硬件电路课堂互动想一想，在工业中有哪些是应用的基于转差频率控制的矢量控制调速系统？基于转差频率控制的矢量控制调速系统4.2.2矢量控制调速系统的实现方法对全数字化实现的电流环而言，其周期越短越好。因此，应该减少定子电流的采样与转换时间。在每次电流环循环周期中，首先启动两路A/D转换，读取转换结果并计算三相定子电流值，然后经过两次坐标变换得到励磁电流和转矩电流分量，接着读取存放于数据存储区中的励磁电流指令值、转矩电流指令值、定子转速和三相定子电流的瞬时值，最后经过电流调节器运算输出SPWM信号控制逆变器。基于转差频率控制的矢量控制调速系统硬件电路拓展阅读骐骥一跃，志在千里在我国纷繁浩瀚又令人引以为傲的工业体系中，不仅有工业重器，也有英雄传奇。天津电气传动设计研究所研究员级高级工程师、天津大学博士生导师、美国电机电子工程师学会工业应用委员会北京分部主席马小亮，便是其中一位。60年代初，马小亮参加了“6120工程”轧机主传动大功率同步电动机控制系统的设计工作。70年代末，马小亮以主任设计师身份参加了直流传动半导体控制装置全国联合设计，该项目攻克了直流传动系统的可靠性难关，荣获了多个国家级奖项。80年代初，马小亮赴海外做访问学者，注重理论联系实际，主持了当时世界上最先进的宝钢9MW轧机主传动交-交变频器现场调试工作。在马小亮的科研事业中，理论与实践相结合是他独特而鲜明的科研风格。拓展阅读骐骥一跃，志在千里在电机调速技术领域，矢量控制调速技术可以获得更高的性能，是实现交流传动取代直流传动的关键。虽然我国对该技术的研究起步较早，但初期主要是进行原理探讨，不太清楚如何将技术应用在变频产品中。拓展阅读骐骥一跃，志在千里1987

年，马小亮回国后多次举办介绍矢量控制调速技术的讲座，并于

1992

年出版专著《大功率交-交变频调速及矢量控制技术》，该书在介绍原理时从物理概念出发，避免常用的抽象矩阵推导，深受工程人员的欢迎。拓展阅读骐骥一跃，志在千里马小亮退休后，仍继续活跃在一线，积极参加国家重大项目的咨询和评审工作，多次被邀请到科研院所和企业进行学术交流，获得广大师生及科研人员的一致好评。作为电气传动领域的实践者和开拓者，马小亮在近60年的科研工作中为国家工业化和信息化建设做出了杰出的贡献。拓展阅读骐骥一跃，志在千里矢量控制调速系统的实现方法是什么？矢量控制调速系统是怎么组成的？课堂训练矢量控制调速系统的组成和实现方法矢量控制调速系统的组成矢量控制调速系统的实现方法课堂小结项目实施矢量控制调速系统仿真（1）能够正确使用Matlab/Simulink中的仿真工具构建矢量控制调速系统仿真模型。（2）能够了解静、动态特性及有关控制参数的变化对矢量控制调速系统的影响。1．实施目标项目实施——矢量控制调速系统仿真2．实施器材安装有Matlab软件的电脑一台。项目实施——矢量控制调速系统仿真3．实施步骤（1）在Matlab软件仿真环境中，采用Simulink界面模