第七章 异步电机动态模型调速系统
际电流快速跟随给定值。
图8-11为电流闭环控制后的系统结构图，转速磁链环节为稳定的惯性环节，对转子磁链可以采用闭环控制，也可以采用开环控制方式；而转速通道存在积分环节，为不稳定结构，必须加转速外环使之稳定。
图8-11电流闭环控制后的系统结构图
常用的电流闭环控制有两种方法：
****（1）将定子电流两个分量的给定值i*sm和ist施行2/3变换，得到三相电流给定值iA，iB和iC，采
用电流控制型PWM变频器，在三相定子坐标系中完成电流闭环控制，如图8-12所示。
图8-12三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图
（2）将检测到的三相电流（实际只要检测两相就够了）施行3/2变换和旋转变换，得到按转子磁链定向坐标系中的电流ism和ist，采用PI调节软件构成电流闭环控制，电流调节器的输出为定子电压给
*定值u*sm和ust，经过逆旋转变换得到静止两相坐标系的定子电压给定值us?和us?，再经SVPWM控制逆
**变器输出三相电压，如图8-13所示。
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运动控制系统讲义
图8-13定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图
从理论上来说，两种电流闭环控制的作用相同，差异是前者采用电流的两点式控制，动态响应快，但电流纹波相对较大；后者采用连续的PI控制，一般电流纹波略小（与SVPWM有关）。前者一般采用硬件电路，后者用软件实现。由于受到微机运算速度的限制，早期的产品多采用前一种方案，随着计算机运算速度的提高、功能的强化，现代的产品多采用软件电流闭环。
图8-12为三相电流闭环控制的矢量控制系统结构图，图8-13为定子电流励磁分量和转矩分量闭环控制的矢量控制系统结构图。图中，ASR为转速调节器，AψR为转子磁链调节器，ACMR为定子电流励磁分量调节器，ACTR为定子电流转矩分量调节器，FBS为速度传感器，转子磁链的计算将另行讨论。对转子磁链和转速而言，均表现为双闭环控制的系统结构，内环为电流环，外环为转子磁链或转速环。若采用转子磁链开环控制，则去掉转子磁链调节器AψR，将i*sm作为给定值直接作用于控制系统。
8.2.4 按转子磁链定向矢量控制系统的转矩控制方式
8.2.3节所介绍的矢量控制系统与直流调速系统相当。由图8-11可知，当转子磁链发生波动时，将影响电磁转矩，进而影响电动机转速。此时，转子磁链调节器力图使转子磁链恒定，而转速调节器则调节电流的转矩分量，以抵消转子磁链变化对电磁转矩的影响，最后达到平衡，转速?等于给定值?，电磁转矩Te等于负载转矩TL。以上分析表明，转速闭环控制能够通过调节电流转矩分量来抑制转子磁链波动所引起的电磁转矩变化，但这种调节只有当转速发生变化后才起作用。为了改善动态性能，可以采用转矩控制方式，常用的转矩控制方式有两种：转矩闭环控制，在转速调节器的输出增加除法环节。
图8-14是转矩闭环控制的矢量控制系统结构图，在转速调节器ASR和电流转矩分量调节器ACTR间增设了转矩调节器ATR，当转子磁链发生波动时，通过转矩调节器及时调整电流转矩分量给定值，以抵消磁链变化的影响，尽可能不影响或少影响电动机转速。由图8-15所示的转矩闭环控制系统原理图可知，转子磁链扰动的作用点是包含在转矩环内的，可以通过转矩反馈控制来抑制此扰动；若没有转矩闭环，就只能通过转速外环来抑制转子磁链扰动，控制作用相对比较滞后，显然，采用转矩内环控制可以有效地改善系统的动态性能。当然，系统结构较为复杂。由于电磁转矩的实测相对困难，往往通过式（8-71）间接计算得到，重列式（8-71）如下：
*
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第七章 异步电机动态模型调速系统
Te?npLmLristψr
图8-14转矩闭环的矢量控制系统结构图
图8-15转矩闭环的矢量控制系统原理图
图8-16是带除法环节的矢量控制系统结构图，转速调节器ASR的输出为转矩给定Te*，除以转子磁
*链?r和相应的系数，得到电流转矩分量给定i*st，当某种原因使?r减小时，通过除法环节使ist增大，
尽可能保持电磁转矩不变。由图8-17控制系统原理图可知，用除法环节消去对象中固有的乘法环节，实现了转矩与转子磁链的动态解耦。
图8-16带除法环节的矢量控制系统结构图
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运动控制系统讲义
图8-17带除法环节的矢量控制系统原理图
8.2.5 转子磁链计算
按转子磁链定向的矢量控制系统的关键是准确定向，也就是说需要获得转子磁链矢量的空间位置，除此之外，在构成转子磁链反馈以及转矩控制时，转子磁链幅值也是不可缺少的信息。根据转子磁链的实际值进行矢量变换的方法，称作直接定向。
转子磁链的直接检测相对困难，现在实用的系统中，多采用间接计算的方法，即利用容易测得的电压、电流或转速等信号，借助于转子磁链模型，实时计算磁链的幅值与空间位置。转子磁链模型可以从电动机数学模型中推导出来，也可以利用状态观测器或状态估计理论得到闭环的观测模型。在实用中，多用比较简单的计算模型。在计算模型中，由于主要实测信号的不同，又分电流模型和电压模型两种。
1. 计算转子磁链的电流模型
根据描述磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得出的模型叫做电流模型。电流模型可以在不同的坐标系上获得。
（1）在两相静止坐标系上转子磁链的电流模型。
由实测的三相定子电流通过3/2变换得到两相静止坐标系上的电流is?和is?，再利用静止两相坐标系中的数学模型式（8-56）中第2、3行，计算转子磁链在?，?轴上的分量：
d?r?L1???r????r??mis?dtTrTrd?r?dt也可表达为
??1?r????r?TrL?mis?Tr （8-73）
?r???r?1(Lmis???Tr?r?)Trp?11?(Lmis???Tr?r?)Trp?1 （8-74）
然后，采用直角坐标-极坐标变换，就可得到转子磁链矢量的幅值?r和空间位置?。考虑到矢量变换中实际使用的是?的正弦和余弦函数，故可以采用变换式
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第七章 异步电机动态模型调速系统
?r??r2???r2??r??r?cos??r??rsin?? （8-75）
图8-18是在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型的结构图。采用微机数字控制时，将式（8-73）离散化即可，由于?r?与?r?之间有交叉反馈关系，离散计算时有可能不收敛。
图8-18在两相静止坐标系上计算转子磁链的电流模型
（2）在按磁场定向两相旋转坐标系上转子磁链的电流模型。
图8-19是在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型的计算框图。三相定子电流iA、iB和iC（实际上用iA、iB即可）经3/2变换变成两相静止坐标系电流is?，is?，再经同步旋转变换并按转子磁链定向，得到mt坐标系上的电流ism，ist，利用矢量控制方程式（8-72）和式（8-70）可以获得?r和?s信号，由?s与实测转速?相加得到定子频率信号?1，再经积分即为转子磁链的相位角?，也就是同步旋转变换的旋转相位角。和第一种模型相比，这种模型更适合于微机实时计算，容易收敛，也比较准确。
图8-19在按转子磁链定向两相旋转坐标系上计算转子磁链的电流模型
上述两种计算转子磁链的电流模型都需要实测的电流和转速信号，不论转速高低都能适用，但都受电动机参数变化的影响。例如电机温升和频率变化都会影响转子电阻Rr，磁饱和程度将影响电感Lm和这些影响都将导致磁链幅值与位置信号失真，而反馈信号的失真必然使磁链闭环控制系统的性能降Lr。
低，这是电流模型的不足之处。
2. 计算转子磁链的电压模型
根据电压方程中感应电动势等于磁链变化率的关系，取电动势的积分就可以得到磁链，这样的模型
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