第七章 异步电机动态模型调速系统
8. 3. 3无电压、速度传感器矢量控制系统
无电压、速度传感器矢量控制系统如图8-25所示。
图8-25 无电压、速度传感器矢量控制系统
控制系统采用直流电流环控制的电压源驱动。这种控制系统可以节省电压传感器和速度传感器。先把三
*相交流电实际值通过3s2r变换，得转矩电流实际值isq，然后用转矩电流指令值isq与实际值isq通过PI
调节器得速度推算值
?r?(Kpw?转矩电流指令值
isq?(Kpi?电压指令值
*usd?(Kpu?*KIw*)(isq?isq) （8-92） sKIi)(?r*??r) （8-93） sKIu*)(isd?isd) （8-94） s*usq?(Kpu?KIu*)(isq?isq) （8-95） s8.4 直接转矩控制系统
直接转矩控制系统简称DTC（direct torque control）系统，是继矢量控制系统之后发展起来的另一种高动态性能的交流电动机变压变频调速系统。直接转矩控制理论以其新颖简单的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态性能得到了普遍的关注和迅速发展。在它的转速环里面，利用转矩反馈直接控制电机的电磁转矩，因而得名。
由于在转速环里面设置了转矩内环，可以抑制定子磁链对内环控制对象的扰动，从而实现了转速和
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运动控制系统讲义
磁链子系统之间的近似解耦，不再追求控制对象的精确解耦。根据定子磁链幅值偏差??s的符号和电磁转矩偏差?Te的符号，再依据当前定子磁链矢量?s所在的位置，直接选取合适的电压空间矢量，减小定子磁链幅值的偏差和电磁转矩的偏差，实现电磁转矩与定子磁链的控制。
8.4.1 直接转矩控制系统的基本原理
为了分析电压矢量的控制作用，理解直接转矩控制系统的基本原理，首先导出按定子磁链定向的动态数学模型，然后分析电压空间矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用。需要说明的是直接转矩控制系统并不需要按定子磁链定向，导出按定子磁链定向的动态数学模型，仅仅是为了分析电压空间矢量对定子磁链与电磁转矩的控制作用。
1. 按定子磁链定向的动态数学模型
式（8-62）是以定子电流is、定子磁链ψs和转速ω为状态变量的动态数学模型：
2npd?np?(isq?sd?isd?sq)?TLdtJJd?sd??Rsisd??1?sq?usddtd?sq??Rsisq??1?sd?usq dtdisdRL?RrLsu11??sd???sq?srisd?(?1??)isq?sddt?LsTr?Ls?Ls?LsLrdisqusqRsLr?RrLs11??sq???sd?isq?(?1??)isd?dt?LsTr?Ls?Ls?LsLr式（8-60）是相应的电磁转矩表达式：
Te?np(isq?sd?Lsisdisq?isd?sq?Lsisqisd)?np(isq?sd?isd?sq)采用按定子磁链定向（仍用dq表示），使d轴与定子磁链矢量重合，则?s??sd、?sq?0，为了保证d轴始终与定子磁链矢量重合，还应使
d?sqdt?0。因此，异步电机按定子磁链定向的动态模型为
2npd?np?isq?s?TLdtJJd?s??Rsisd?usddt （8-96）
disdLsRr?LrRsusd1??isd??s?(?d??)isq?dt?LsLr?LsTr?Lsdisqdt电磁转矩表达式为
??usqLsRr?LrRs1isq???s?(?d??)isd??LsLr?Ls?Ls - 32 -
第七章 异步电机动态模型调速系统
Te?npisq?s （8-97）
由式（8-62）第3行取
d?sqdt?0，解得定子磁链矢量的旋转角速度?d（令?d??1）：
?d?d??sdt?usq?Rsisq?s （8-98）
由式（8-98）得usq??s?d?Rsisq，代入式（8-96）第4行，得
2npd?np?isq?s?TLdtJJd?s??Rsisd?usddtdisdLR?LrRsu1??srisd??s?(?d??)isq?sddt?LsLr?LsTr?LsLR?LrRsu1??srisd??s??sisq?sd?LsLr?LsTr?Lsdisqdt????11isq?(?d??)(?s??Lsisd)?Tr?Ls11isq??s(?s??Lsisd)?Tr?Ls （8-99）
其中，?s??d??为转差频率。
对式（8-99）第2行积分得定子磁链幅值：
?s??(?Rsisd?usd)dt （8-100）
再将式（8-99）最后一行改写为
isq?Tr/Ls?s(?s??Lsisd) （8-101）
?Trp?1一般说来，?s??Lsisd?0，因此，当转差频率?s?0时，电流增加，转矩也随之加大；反之，?s?0时，电流与转矩减小。所以，可以通过usq控制定子磁链的旋转角速度?d，进而控制电磁转矩。
按定子磁链定向将定子电压分解为两个分量usd和usq，usd控制定子磁链幅值的变化率，usq控制定子磁链矢量旋转角速度，再通过转差频率控制定子电流的转矩分量isq，最后控制转矩。但两者均受到定子电流两个分量isd和isq的影响，是受电流扰动的电压控制型。 2. 逆变器的开关状态和空间电压矢量
用电压型逆变器供电的交流调速系统示意图如图8-26所示，假设逆变器的功率开关器件用开关SA、
SB、SC来代替，并且当逆变器上臂开关接通时，SA(或SB、SC)?1，下臂开关接通时，SA(或SB、SC)?0，每一个桥臂的上下两个开关器件是互补动作的。则定子各相端电压对中性点分别
为Ud或者?Ud。
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运动控制系统讲义
图8-26 电压型逆变器供电的交流调速系统示意图
把定子三相对称绕组等效变换成两相绕组，设?轴与A相绕组轴线重叠，如图8-26所示，两相绕组的相电压为u?、u?，用复数表示us?u??ju?，称us为瞬时空间电压矢量。用三相开关量表示瞬时空间电压矢量为
24j?j?23 u(SA、SB、SC)＝Ud(SA?SBe?SCe3) （8-102）
3式中，2为绝对变换系数。 33逆变器上下臂开关组合共有2?8种状态，逆变器输出瞬时空间电压矢量分别有下列8种电压
2u1(1,0,0)?Ud32j?2u3(0,1,0)?Ude3 31j?2u2(1,1,0)?Ude334j?2u5(0,0,1)?Ude33u0(0,0,0)?u7(1,1,1)?0????2u4(0,1,1)??Ud?3? （8-103）
5?j?2u6(1,0,1)?Ude3??3??这些定子瞬时空间电压矢量us直接表示在???坐标上，如图8-27所示，逆变器开关状态为表8-1所示。
表8-1逆变器开关状态
状 态 1 开 关 组
由示（8-102）可以看出，空间电压矢量与电机的中点电压UN无关，只与三相桥臂的开关状态有关。由式（8-102）和表8-1可以看出电压型逆变器的基本输出矢量共有8个(u0?u7)，其中0状态和7状态表示A、B、C三相上桥臂或下桥臂同时导通，相当于将电机定子三相绕组短接，称为零矢量，其余6个为非零基本矢量，称为有效矢量。这6个非零矢量均匀分布在???坐标平面上，彼此相差60，幅值均为?工 作 状 态 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 零 状 态 0 0 0 0 7 1 1 1 SA SB SC 1 0 0 2Ud。 3- 34 -
第七章 异步电机动态模型调速系统
图8-27 逆变器输出电压矢量
3． 定子电压矢量对定子磁链和转矩的控制作用
由上面分析可知，两电平PWM逆变器可输出8个空间电压矢量，6个有效工作矢量u1～u6，2个零矢量u0和u7。将期望的定子磁链圆轨迹分为6个扇区，见图8-28，图中仅画出第Ⅰ扇区和第Ⅲ扇区的定子磁链矢量和施加的电压空间矢量。当定子磁链矢量?sΙ位于第Ⅰ扇区时，施加电压矢量u2，将u2沿?sΙ的d轴和q轴方向分解得到的usd和usq均大于零，如图8-29（a）所示，这说明u2的作用是在增加定子磁链幅值的同时使定子磁链矢量正向旋转。当定子磁链矢量?sΙΙΙ位于第Ⅲ扇区时，同样施加电压矢量u2，将u2沿?sΙΙΙ的d轴和q轴方向分解得到的usd和usq均小于零，如图8-29（b）所示，这说明
u2的作用是使定子磁链幅值减小，并使其矢量反向旋转。忽略定子电阻压降，零矢量u0和u7作用时，
定子磁链的幅值和位置均保持不变。其他5个有效工作电压矢量控制作用的分析方法，与此相同，不再重复。由此可见，当定子磁链矢量位于不同扇区时，同样的有效工作电压矢量沿d轴和q轴分解所得的两个电压分量usd和usq方向不同，对定子磁链与电磁转矩的控制作用也不同。
图8-28定子磁链圆轨迹扇区图
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