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第七章 异步电动机的矢量控制系统. 主讲人：葛兴来 副教授 ， 博士 Email: xlge@swjtu.edu.cn 西南交通大学电气工程学院 列车控制与牵引传动研究室 Website: http://tctd.swjtu.edu.cn. 摘要. 异步电机矢量控制的基本思想 矢量控制系统的结构 转子磁链观测模型 直接矢量控制系统 间接矢量控制系统 案例： CRH2 动车组矢量控制系统设计. 创新、自主研发. 矢量控制基本思路. 直流电机转矩 交流电机转矩. 图 7-1 异步电机矢量图. 异步电机的坐标变换结构图. . i .
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第七章 异步电动机的矢量控制系统 主讲人：葛兴来 副教授， 博士 Email: xlge@swjtu.edu.cn 西南交通大学电气工程学院 列车控制与牵引传动研究室 Website: http://tctd.swjtu.edu.cn
摘要 • 异步电机矢量控制的基本思想 • 矢量控制系统的结构 • 转子磁链观测模型 • 直接矢量控制系统 • 间接矢量控制系统 • 案例：CRH2动车组矢量控制系统设计 创新、自主研发
矢量控制基本思路 • 直流电机转矩 • 交流电机转矩 图7-1 异步电机矢量图
异步电机的坐标变换结构图 i id iA A 等效直流 电机模型 iB 3s/2s 2s/2r B i iC iq C 异步电动机 图7-2 异步电动机的坐标变换结构图 3s/2s——三相/两相变换; 2s/2r(VR)——同步旋转变换; ——M轴与轴（A轴）的夹角
~ iA i*A i* id i*d i 给定信号 iB i*B 等效直流电机模型 电流控制变频器 i*q VR-1 2/3 3/2 VR 控制器 iβ i* iC i*C + iq s 异步电动机 反馈信号 矢量控制系统原理结构图 图7-3 矢量控制系统原理结构图
~ iA i*A i* id i*d i 给定信号 iB i*B 等效直流电机模型 电流控制变频器 i*q VR-1 2/3 3/2 VR 控制器 iβ i* iC i*C + iq s 异步电动机 反馈信号 设计控制器时省略后的部分 图7-4 简化控制结构图
转子磁链定向的矢量控制方程及其解耦作用 • 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 d，q 坐标系，即按转子磁链定向（Rotor Field Orientation）的坐标系。
dq坐标系的电压方程 （7-5）, page.157
矢量控制方程求解 （7-6） （7-7）
矢量控制方程 通用，任意dq坐标系 转子磁场定向的dq坐标系 转子磁场定向的dq坐标系，稳定情况下
3/2 VR × 电机电流解耦数学模型的结构 图7-5 异步电动机矢量变换与电流解耦数学模型
电流 控制 变频器 异步电机 矢量 变换模型 ÷ 矢量控制系统原理结构图 图7-6 矢量控制系统原理结构图
解耦条件 因此，两个子系统完全解耦只有在下述三个假定条件下才能成立： ①转子磁链的计算值 等于其实际值r； ②转子磁场定向角的计算值 等于其实际值 ； ③忽略电流控制变频器的滞后作用。
转子磁链模型 • 转子磁链的大小和位置，是进行矢量变换控制的前提 • 检测转子磁链的方法 • 直接检测法 • 间接检测法 • 利用能够实测的物理量的不同组合，可以获得多种转子磁链模型，具体见书第162页
转子磁链估算模型——电压-电流模型 • 1.根据定子电压、电流的检测值计算
转子磁链估算模型——电流-转速模型 • 2.根据定子电流和转速的检测值计算
转子磁链估算模型——混合模型 • 3. 根据定子电压、电流和转速信号计算
转子磁链估算模型——dq坐标系模型 • 4.根据dq轴系指令电流及转速检测值计算
转速磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统转速磁链闭环控制的矢量控制系统——直接矢量控制系统 • 在矢量控制系统中，主要依赖于对转子磁链的检测和观察，不同的磁链观察模型，需要对不同基本量（电压、电流、转速及指令参数等）的检测 • 带转速和磁链闭环控制的矢量控制系统又称直接矢量控制系统
电流控制变频器 • 电流控制变频器可以采用如下两种方式： • 电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器 • 带电流内环控制的电压源型PWM变频器。
iA i*A A i*B B iB C i*C iC （1）电流滞环跟踪控制的CHBPWM变频器 图7-7a 电流控制变频器
iA i*A u*A 1ACR A i*B u*B B PWM 2ACR iB C i*C u*C 3ACR iC （2）带电流内环控制的电压源型PWM变频器 图7-7b 电流控制变频器
微型计算机 isq npLm 电流变换和磁链观测 Lr is r cos sin Te T*e * i*sA ASR ATR VR-1 2/3 + + TA i*sq i*s i*sB M 3~ i*sC r is + AR *r i*sd i*s （3） 转速磁链闭环微机控制电流滞环型PWM变频调速系统 电流滞环型PWM变频器 图7-8 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统
转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统——CRH2间接矢量控制系统转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统——CRH2间接矢量控制系统 • 直接矢量控制中，转子磁链反馈信号由磁链模型获得，受电机参数变化的影响，控制不准确 • 利用矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系统，又称间接矢量控制系统
CRH2牵引主电路电气原理图 牵引逆变器 脉冲整流器
转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统——CRH2间接矢量控制系统转速闭环、磁链开环控制的矢量控制系统——CRH2间接矢量控制系统 • CRH2动车组采用转子磁场定向间接矢量控制技术 • 输入支撑电容器电压，依据无触点控制装置（IGBT元件）控制信号，输出变频变压的三相交流电对4台并联的电机进行速度、转矩控制。 • 再生制动时牵引电机发出三相交流电，向支撑电容器输出直流电压。 • 牵引电机控制采用矢量控制方式，独立控制转矩电流和励磁电流，以使转矩控制高精度化、反应高速化，提高电流控制性能。
（7）恒电流控制 • 为了使ｄ轴、q轴的反馈电流( 、 )分别追随于d轴、q轴的电流指令（ 、 ），将各自的电流偏差输入PI调节器，把由此得到的电压分别作为d轴、q轴的反馈电压( 、 )。
（10）转差频率补偿控制 • 为了让q轴的反馈电流( )追随于q轴电流指令（ ），将电流偏差输入到PI调节器里，由此得到转差频率补偿值 。此控制系统是在不能进行电压控制的１脉冲调节方式中实施。在此调节方式中，在转差频率指令 上加上转差频率补偿值 ，作为转差频率
（11）控制模式切换 • 为了在VVVF控制方式中实施电压控制，在输出电压固定的１脉冲控制方式中实施转差频率补偿控制，根据逆变器频率切换控制器
（12）逆变器频率计算 • 在转差频率上加上转子电阻补偿差频值dsr、转子频率 、无拍频率控制补偿项BEATP，计算逆变器输出频率。并且根据逆变器频率的积分，计算电机定子电流从3相变换到2相所使用的相位θ
（13）无拍频率控制 • 为了抑制由于架线频率与变频频率干扰而产生的振动，根据BPF抽取滤波电容器电压上呈现的脉动特定频率（50Hz或者60Hz：按架线频率切换），在其输出上加上与逆变器频率相应的增益，计算无拍频率控制项
