FOC學(xué)習(xí)

bldc學(xué)習(xí)<span id="TOCID"></span>

可參考書籍《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》

  1. FOC框圖
  2. IQ庫(kù)學(xué)習(xí)
  3. 電流采樣
  4. 坐標(biāo)變換
    1. 定子坐標(biāo)系變換
    2. 轉(zhuǎn)子子坐標(biāo)系變換
    3. 定向坐標(biāo)系變換
  5. 矢量合成學(xué)習(xí)(SVPWM)
    1. 合成矢量控制原理
    2. 磁鏈?zhǔn)噶可葏^(qū)判斷
    3. SVPWM主要控制方式分類
    4. SVPWM的時(shí)間控制
  6. 位置估算
    1. 位置方程
    2. 反正切法-位置估算
    3. PLL鎖相環(huán)法-位置估算
  7. 坐標(biāo)變換對(duì)應(yīng)的參數(shù)方程
    1. 坐標(biāo)系原始方程
    2. 變換到靜止坐標(biāo)系方程
    3. 變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方程
  8. 正交坐標(biāo)系的狀態(tài)方程
    1. 以速度\定子電流\轉(zhuǎn)子磁通為輸入量的狀態(tài)方程
    2. 以速度\定子電流\定子磁通為輸入量的狀態(tài)方程
  9. 轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算
    1. 在MT坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型
    2. \alpha \beta 坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型
    3. \alpha \beta 坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型

<span id="foc"></span>FOC框圖

image.png
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<span id="iqmathlib"></span>IQ庫(kù)學(xué)習(xí)

  1. IQ庫(kù)英文文檔,文件路徑:pic/04IQ_math_lib.pdf
  2. IQ庫(kù)中文文檔,文件路徑:pic/04IQmath中文手冊(cè).pdf
  3. Sin_Table,文件路徑:https://www.mymathtables.com/trigonometric/cotangents-0to90-tables.html

<span id="cursample"></span>電流采樣

  1. 電流采樣

    電流采樣實(shí)則是指,當(dāng)橋臂導(dǎo)通時(shí)相應(yīng)通過(guò)的相電流盒使,由于三相電流代數(shù)和為0瘸恼,所以我們僅采樣其中兩項(xiàng)電流字柠,第三相電流通過(guò)代數(shù)和為0反推出來(lái)推姻。
    同時(shí)由于采樣的功率電阻不大(圖為0.15歐),通過(guò)的電流就算1A電壓也不大兆龙,所以需要通過(guò)運(yùn)放進(jìn)行電壓放大,放大后接入單片機(jī)的AD采樣口梁呈,
    換算公式可以如\frac{5V}{(0.15Ω * xA * M倍)} * 4096(采樣精度12位)

    image.png
  2. AD校正偏差

    由于電路本身的差異性缨伊,我們需要在上電前到電壓穩(wěn)定后先進(jìn)行AD采樣,作為初始的偏移AD值

  3. 電流代數(shù)計(jì)算
    設(shè): 采樣電阻為R进宝, 放大倍數(shù)為A刻坊, 精度為12位4096, 電壓V為5000mV党晋, 采樣的值是d
    i_a = \frac{5000ARd_a}{4096},i_b = \frac{5000ARd_b}{4096},i_c=-i_a-i_b

  4. 電流采樣方式

    1. 單電阻采樣
    • 單電阻采樣:通過(guò)母線電流谭胚,實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)兩相電流的先后采樣徐块,通過(guò)三相電流代數(shù)和為0,算出第三相電流灾而。(對(duì)AD采樣要求高胡控,PWM控制精度高)
      image.png
    1. 雙電阻采樣
    • 雙電阻采樣:通過(guò)對(duì)橋臂電流采樣實(shí)現(xiàn),一個(gè)周期兩相電流的同時(shí)采樣旁趟,通過(guò)電流代數(shù)和為0昼激,換算出第三相電流。


      image.png

<span id="coordinate"></span>坐標(biāo)變換

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向控制是指:控制逆變輸出使得q-d坐標(biāo)系和M-T坐標(biāo)系重合

  1. 定子坐標(biāo)系變換(Clarke變換)<span id="Clarke"></span>

    • 定子坐標(biāo)系變換(Clarke變換)是指: 把三相定子繞組A-B-C(每相相差120°)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為\alpha-\beta坐標(biāo)系
    • \alpha-\beta坐標(biāo)系(\alpha軸與A軸重合锡搜,\beta軸超前\alpha軸90°)
      image.png

    設(shè):三相電繞組的匝數(shù)為N_3,兩相繞組有效匝數(shù)為N_2
    N_2i_{\alpha}=N_3i_A-N_3i_Bcos\frac{\pi}{3}-N_3i_Ccos\frac{\pi}{3}=N_3(i_A-\frac{i_B}{2}-\frac{i_C}{2}) \tag{1}
    N_2i_{\beta}=N_3i_Bsin\frac{\pi}{3}-N_3i_Csin\frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}}{2}N_2(i_B-i_C) \tag{2}
    i_A+i_B+i_C=0 \tag{3}
    由式(1)(2)和\frac{\sqrt{2}}{2}(3)(\frac{\sqrt{2}}{2}是因?yàn)閯偤檬沟镁仃嚦蔀檎痪仃?/strong>)可得
    \left[ \begin{matrix} i_{\alpha} \\i_{\beta} \\0\end{matrix} \right] = \frac{N_3}{N_2} \left[ \begin{matrix} 1 & -\frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \\0 & \frac{\sqrt{3}}{2} & -\frac{\sqrt{3}}{2} \\\frac{\sqrt{2}}{2} & \frac{\sqrt{2}}{2} & \frac{\sqrt{2}}{2} \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_A \\i_B \\i_C\end{matrix} \right] \tag{4}
    由于變換前后總功率不變橙困,因而\frac{N_3}{N_2} = \sqrt{\frac{2}{3}},整理后可得Clarke變換
    \left[ \begin{matrix} i_{\alpha} \\i_{\beta} \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} \sqrt{\frac{3}{2}} & 0\\\sqrt{\frac{1}{2}} & \sqrt{2} \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_A \\i_B\end{matrix} \right] \tag{5}
    矩陣(5)對(duì)應(yīng)的逆變換(Clarke逆變換)為:
    \left[ \begin{matrix} i_A \\i_B\end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} \sqrt{\frac{2}{3}} & 0\\-\sqrt{\frac{1}{6}} & \sqrt{\frac{1}{2}} \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{\alpha} \\i_{\beta} \end{matrix} \right] \tag{6}
    類似于電流變換,電壓變換和磁通變換也可以相應(yīng)的變換

  2. 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變換(Park變換)<span id="Park"></span>

    • 轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系變換(Park變換)是指: 把靜止定子坐標(biāo)系\alpha-\beta坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系d-q坐標(biāo)系
    • d-q坐標(biāo)系(d軸與轉(zhuǎn)子磁極的軸線重合耕餐,q軸超前d軸90°)(d-q坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn))
      image.png

    由圖可知:
    i_w2e0oyo = i_{\alpha}cos\varphi + i_{\beta}sin\varphi \tag{1}
    i_{q} = -i_{\alpha}sin\varphi + i_{\beta}cos\varphi \tag{2}
    寫成矩陣(Park變換)形式凡傅,如下:
    \left[ \begin{matrix} i_d \\i_q\end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} cos\varphi & sin\varphi\\-sin\varphi & cos\varphi \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{\alpha} \\i_{\beta} \end{matrix} \right] \tag{3}
    其對(duì)應(yīng)的逆變換(Park逆變換):
    \left[ \begin{matrix} i_{\alpha} \\i_{\beta} \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} cos\varphi & -sin\varphi\\sin\varphi & cos\varphi \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_d \\i_q\end{matrix} \right] \tag{4}
    類似于電流變換,電壓變換和磁通變換也可以相應(yīng)的變換

  3. 定向坐標(biāo)系變換<span id="Clarke"></span>

    • 定向坐標(biāo)系變換是指: 把旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系d-q坐標(biāo)系同步為定向坐標(biāo)系M-T坐標(biāo)系
    • M-T坐標(biāo)系(M(d)軸與磁鏈方向重合肠缔,T(q)軸是超前M(d)軸90°的力矩軸)
    • 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的定向控制時(shí)夏跷,M-T坐標(biāo)系與d-q坐標(biāo)重合
      image.png

<span id="svpwm"></span>矢量合成學(xué)習(xí)(SVPWM)

  1. 合成矢量控制原理<span id="controlbase"></span>
    設(shè)中性點(diǎn)為O,逆變器(我們代碼控制)輸出的三相相電壓為U_{AO},U_{BO},U_{CO},他們?cè)诳臻g上相差120°明未,因而可以定義三個(gè)電壓矢量為U_{AO}(t),U_{BO}(t),U_{CO}(t),(實(shí)際上這是我們控制6個(gè)mos關(guān)開關(guān)的結(jié)果)

    image.png

    按照空間矢量功率與三相瞬時(shí)功率不變的原則得:k=\sqrt{\frac{2}{3}}且\gamma=\frac{2\pi}{3}

    設(shè)U_d為相電壓的有效值槽华,f為電源頻率則有:
    \left\{\begin{aligned} \theta = & 2{\pi}ft \\ U_{AO}(t) = & U_d\cos(\theta) \\ U_{BO}(t) = & U_d\cos(\theta - \frac{2\pi}{3}) \\ U_{CO}(t) = & U_d\cos(\theta - \frac{4\pi}{3}) \end{aligned}\right.
    設(shè)u_s為三相電壓合成的電壓空間矢量,則有:
    U_s(t) = \sqrt{\frac{2}{3}}[U_{AO}(t) + U_{BO}(t)e^{j\frac{2\pi}{3}} + U_{CO}(t)e^{j\frac{4\pi}{3}}]=\sqrt{\frac{2}{3}}U_de^{j\theta} \tag{1}
    這里的U_de^{j\theta}代表的是把矢量U_d旋轉(zhuǎn)\theta度角亚隅,具體可以參考鏈接:https://www.zhihu.com/question/41134540硼莽。 因而合成的矢量U_s(t)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的空間矢量.
    設(shè)直流地為O',則可證明合成電壓矢量和參考點(diǎn)無(wú)關(guān)
    \left\{\begin{aligned} U_s(t) = & \sqrt{\frac{2}{3}}[U_{AO}(t) + U_{BO}(t)e^{j\frac{2\pi}{3}} + U_{CO}(t)e^{j\frac{4\pi}{3}}] = &\sqrt{\frac{2}{3}}[(U_{AO'}(t) - U_{OO'}(t)) \\ &+ (U_{BO'}(t)e^{j\frac{2\pi}{3}} - U_{OO'}(t)e^{j\frac{2\pi}{3}})\\ &+ (U_{CO'}(t)e^{j\frac{4\pi}{3}} - U_{OO'}(t)e^{j\frac{4\pi}{3}})]\\ =& \sqrt{\frac{2}{3}}[U_{AO'}(t) + U_{BO'}(t)e^{j\frac{2\pi}{3}} + U_{CO'}(t)e^{j\frac{4\pi}{3}}\\ -& U_{OO'}(t))(1+e^{j\frac{2\pi}{3}}+e^{j\frac{4\pi}{3}})]\\ =& \sqrt{\frac{2}{3}}[U_{AO'}(t) + U_{BO'}(t)e^{j\frac{2\pi}{3}} + U_{CO'}(t)e^{j\frac{4\pi}{3}}] \end{aligned}\right.
    這里的U_{AO'}(t),U_{BO'}(t),U_{CO'}(t)是以直流地為參考的電壓,因此我們可以任意定義參考點(diǎn)

    image.png

    通過(guò)等效模型可以簡(jiǎn)單的換算出各個(gè)矢量的表示

    u_0(1,0,0)為例,
    A的上橋臂導(dǎo)通煮纵,下橋臂截止懂鸵。
    B的上橋臂截止,下橋臂導(dǎo)通行疏。
    C的上橋臂截止匆光,下橋臂導(dǎo)通。

    image.png

    \left\{\begin{aligned} &U_{ab} = U_d, U_{bc} = 0, U_{ca} = -U_d\\ &U_{ao} - U_{bo} = U_d, U_{ao} - U_{co} = U_d\\ &U_{ao} + U_{bo} + U_{co} = 0 \end{aligned}\right.

    解得:U_{ao} = \frac{2}{3}U_d, U_{bo} = -\frac{1}{3}U_d, U_{co} = -\frac{1}{3}U_d
    把結(jié)果代入合成的電壓空間矢量(1)式得:
    U_s(t) = \sqrt{\frac{2}{3}}[\frac{2}{3}U_d - \frac{1}{3}U_de^{j\frac{2\pi}{3}} - \frac{1}{3}U_de^{j\frac{4\pi}{3}}]=\sqrt{\frac{2}{3}}U_d

電壓 開關(guān)S_A 開關(guān)S_B 開關(guān)S_C U_A U_B U_C 合成U_S
u_0 0 0 0 0 0 0 0
u_1 1 0 0 \frac{2}{3}U_d -\frac{1}{3}U_d -\frac{1}{3}U_d \sqrt{\frac{2}{3}}U_d
u_2 1 1 0 \frac{1}{3}U_d \frac{1}{3}U_d -\frac{2}{3}U_d \sqrt{\frac{2}{3}}U_de^{j\frac{\pi}{3}}
u_3 0 1 0 -\frac{1}{3}U_d -\frac{1}{3}U_d -\frac{1}{3}U_d \sqrt{\frac{2}{3}}U_de^{j\frac{2\pi}{3}}
u_4 0 1 1 -\frac{1}{3}U_d \frac{1}{3}U_d \frac{1}{3}U_d \sqrt{\frac{2}{3}}U_de^{j\frac{3\pi}{3}}
u_5 0 0 1 -\frac{1}{3}U_d -\frac{1}{3}U_d \frac{2}{3}U_d \sqrt{\frac{2}{3}}U_de^{j\frac{4\pi}{3}}
u_6 1 0 1 \frac{1}{3}U_d -\frac{2}{3}U_d \frac{1}{3}U_d \sqrt{\frac{2}{3}}U_de^{j\frac{5\pi}{3}}
u_7 1 1 1 0 0 0 0
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  1. 磁鏈?zhǔn)噶可葏^(qū)判斷<span id="sector"></span>

    扇區(qū)號(hào) 落在該扇區(qū)條件 變化成條件 \alpha條件 \beta條件
    扇區(qū)1 0°<\arctan{\frac{U_{\beta}}{U_{\alpha}}} <60°酿联,
    U_{\alpha}>0 终息,U_{\beta}>0\frac{U_{\beta}}{U_{\alpha}}<\sqrt{3}
    U_{\alpha}>0
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    (\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta})-U_{\beta})>0
    扇區(qū)2 60°<\arctan{\frac{U_{\beta}}{U_{\alpha}}} <120°
    U_{\beta}>0\frac{U_{\beta}}{|U_{\alpha}|}>\sqrt{3}
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    (\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta})-U_{\beta})<0
    扇區(qū)3 120°<\arctan{\frac{U_{\beta}}{U_{\alpha}}} <180°贞让,
    U_{\alpha}<0 周崭,U_{\beta}>0\frac{U_{\beta}}{-U_{\alpha}}<\sqrt{3}
    U_{\alpha}<0
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    (\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta})-U_{\beta})<0
    扇區(qū)4 180°<\arctan{\frac{U_{\beta}}{U_{\alpha}}} <240°
    U_{\alpha}<0 喳张,U_{\beta}<0\frac{-U_{\beta}}{-U_{\alpha}}<\sqrt{3}
    U_{\alpha}<0
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    (\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta})-U_{\beta})<0
    扇區(qū)5 240°<\arctan{\frac{U_{\beta}}{U_{\alpha}}} <300°续镇,
    U_{\beta}<0\frac{-U_{\beta}}{|U_{\alpha}|}>\sqrt{3}
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    (\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta})-U_{\beta})>0
    扇區(qū)6 300°<\arctan{\frac{U_{\beta}}{U_{\alpha}}} <360°
    U_{\alpha}>0 销部,U_{\beta}<0\frac{-U_{\beta}}{U_{\alpha}}<\sqrt{3}
    U_{\alpha}>0
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    U_{\beta}<0
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    (\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta})-U_{\beta})>0
    U_{\beta}>0 \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>0 \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    (\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta})-U_{\beta}>0
    \alpha條件扇區(qū)號(hào)
    \beta條件扇區(qū)號(hào)
    A B C N
    1 1 1 扇區(qū)1
    1 1 0 扇區(qū)2
    1 0 0 扇區(qū)3
    0 0 0 扇區(qū)4
    0 0 1 扇區(qū)5
    0 1 1 扇區(qū)6

    若把ABC的值按照3bit進(jìn)行分配摸航,則可以做如下等式判斷\alpha條件N=4C+2B+A

    \alpha條件扇區(qū) 1 2 3 4 5 6
    N 7 3 1 0 4 6

    若把按照代碼進(jìn)行分析則可以做如下等式判斷

    1. X = U_{\beta}
    2. Y = \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}
    3. Z = X - Y = -\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}
    4. v->angle = (X > 0) + ((Y > X)<<1) + ((Z > X)<<2)
    U_{\beta}>0 \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>U_{\beta}
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}-\frac{1}{2}U_{\beta}>0
    -\frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}>U_{\beta}
    \frac{\sqrt{3}}{2}U_{\alpha}+\frac{1}{2}U_{\beta}<0
    代碼扇區(qū)號(hào)
    A B C N
    1 1 0 扇區(qū)1
    1 0 0 扇區(qū)2
    1 0 1 扇區(qū)3
    0 0 1 扇區(qū)4
    0 1 1 扇區(qū)5
    0 1 0 扇區(qū)6

    若把ABC的值按照3bit進(jìn)行分配制跟,則可以做如下等式判斷\beta條件N=4C+2B+A

    代碼條件扇區(qū) 1 2 3 4 5 6
    N 3 1 5 4 6 2
  2. SVPWM主要控制方式分類<span id="svpwmcontrol"></span>
    五段式SVPWM

    • 五段式SVPWM有兩種,一種是使用V0零矢量酱虎,一種是使用V7零矢量

    • 為了方便電流采樣雨膨,一般使用V0式的五段式SVPWM


      image.png

      七段式SVPWM

    • 七段式SVPWM是,通過(guò)3段零矢量和4段相鄰的非零矢量合成電壓矢量读串,開頭和結(jié)尾使用V0零 矢量聊记,中間使用V7零矢量。

    • 非零矢量使電機(jī)磁通空間矢量發(fā)生運(yùn)動(dòng)爹土,零矢量是電機(jī)空間矢量靜止甥雕。


      image.png
  3. SVPWM的時(shí)間控制<span id="svpwmtime"></span>
    設(shè)u_s為期望電壓矢量;T 為采樣周期;T_x、T_y胀茵、T_0 分別為對(duì)應(yīng)兩個(gè)非零電壓矢量u_x社露、u_y和零電壓矢量u_0在 一個(gè)采樣周期的作用時(shí)間;其中u_0包括了u_0u_7 兩個(gè)零矢量。則時(shí)間控制式是:\int_{0}^{T}u_sdt = \int_{0}^{T_x}u_xdt + \int_{T_x}^{T_y}u_ydt + \int_{T_{x+y}}^{T}u_0dt
    由于u_0為零向量變形為:u_sT = u_x T_x + u_y T_y + u_0 T_0 = u_sT = u_x T_x + u_y T_y

    image.png

    由圖可知:
    \left\{\begin{aligned} &|U_{ref}|\cos\theta=\frac{T_4}{T_s}|U_4|+\frac{T_6}{T_s}|U_6|\cos\frac{\pi}{3}\\ &|U_{ref}|\sin\theta=\frac{T_6}{T_s}|U_6|\sin\frac{\pi}{3} \end{aligned}\right.
    又因?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=%7CU_4%7C%3D%7CU_6%7C%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B2%7D%7B3%7D%7DU_d" alt="|U_4|=|U_6|=\sqrt{\frac{2}{3}}U_d" mathimg="1">
    \left\{\begin{aligned} & m=\sqrt{3}\frac{|U_{ref}|}{U_d}\\ & T_4=m{T_s}\sin(\frac{\pi}{3}-\theta)\\ & T_6=m{T_s}\sin\theta\\ & T_7=T_s-T_4-T_6 \end{aligned}\right.
    式中m為SVPWM調(diào)制系數(shù),(調(diào)制比=調(diào)制波基波峰值/載波基波峰值),T_7為零向量時(shí)間

<span id="position"></span>位置估算

  1. 位置方程<span id="posifun"></span>

    靜止坐標(biāo)系下的電壓方程:
    \left[ \begin{matrix} u_{s\alpha} \\u_{s\beta} \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} R_s & 0\\0 & R_s \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{s\alpha} \\i_{s\beta}\end{matrix} \right] + \fracue22kcw{dt}\left[ \begin{matrix} {\Psi}_{s\alpha} \\{\Psi}_{s\beta} \end{matrix} \right]\tag{1}
    \left[ \begin{matrix} {\Psi}_{s\alpha} \\{\Psi}_{s\beta} \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} L_s & 0\\0 & L_s \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{s\alpha} \\i_{s\beta}\end{matrix} \right] + \frac2wwuqk2{dt}\left[ \begin{matrix} {\Psi}_{f\alpha} \\{\Psi}_{f\beta} \end{matrix} \right]\tag{2}
    {\Psi}_{s\alpha} ,{\Psi}_{s\beta}為定子磁鏈
    {\Psi}_{f\alpha} ,{\Psi}_{f\beta}為轉(zhuǎn)子磁鏈(旋轉(zhuǎn)磁鏈)
    L_si_{s\alpha} 和 L_si_{s\beta}為電感電勢(shì)

  2. 反正切法-位置估算<span id="arctan"></span>

    • 對(duì)正交的旋轉(zhuǎn)磁鏈{\Psi}_{f\alpha} ,{\Psi}_{f\beta}進(jìn)行反切計(jì)算琼娘,算出轉(zhuǎn)子角度
    • 對(duì)角度進(jìn)行差分峭弟,再進(jìn)行一階低通濾波計(jì)算速度

    角度位置計(jì)算:\theta = \arctan\frac{{\Psi}_{f\beta}}{{\Psi}_{f\alpha}}
    速度估算:\omega(k) = \frac{\theta(k)-\theta(k-1)}{T}$$$$\omega(k) = \omega(k)\frac{1}{1+\tau_ss}

  3. PLL鎖相環(huán)法-位置估算<span id="PLL"></span>

    image.png

    <center>PLL鎖相環(huán)自動(dòng)控制原理</center>
    PLL鎖相環(huán)控制優(yōu)勢(shì):

    • 對(duì)高頻噪聲有濾波作用
    • 可以直接計(jì)算出速度
    • 角度的突變小(速度積分)

<span id="equation"></span>坐標(biāo)變換對(duì)應(yīng)的參數(shù)方程

異步電機(jī)的三相原始模型相當(dāng)復(fù)雜,通過(guò)坐標(biāo)變換可以簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型脱拼,便于分析和計(jì)算瞒瘸。按照從特殊到一般,首先推導(dǎo)靜止兩相正交坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型熄浓,然后推廣到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中情臭。由于運(yùn)動(dòng)方程不隨坐標(biāo)變換而變化,估僅討論電壓方程赌蔑、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程俯在。
下面討論中,下標(biāo)s表示定子娃惯,下標(biāo)r表示轉(zhuǎn)子

  1. 坐標(biāo)系原始方程<span id="origin"></span>
    對(duì)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行Clarke變換(3/2變換)跷乐,定子繞組變換后是靜止的\alpha\beta坐標(biāo),轉(zhuǎn)子繞組變換后是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)\alpha'\beta'趾浅,得出三相到兩相變換的原始方程

    電壓方程
    \left[ \begin{matrix} u_{s\alpha} \\u_{s\beta} \\u_{r\alpha'} \\u_{r\beta'}\end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} R_s & 0 & 0 & 0 \\ 0 & R_s & 0 & 0 \\ 0 & 0 & R_r & 0 \\ 0 & 0 & 0 & R_r \\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{s\alpha} \\i_{s\beta} \\i_{r\alpha'} \\i_{r\beta'} \end{matrix} \right] +\fraceigeqke{dt}\left[ \begin{matrix} \Psi_{s\alpha} \\\Psi_{s\beta} \\\Psi_{r\alpha'} \\\Psi_{r\beta'} \end{matrix} \right] \tag{A-1}
    磁鏈方程
    \left[ \begin{matrix} \Psi_{s\alpha} \\\Psi_{s\beta} \\\Psi_{r\alpha'} \\\Psi_{r\beta'} \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} L_s & 0 & L_m\cos\theta & -L_m\sin\theta \\ 0 & L_s & L_m\sin\theta & L_m\cos\theta \\ L_m\cos\theta & L_m\sin\theta & L_r & 0 \\ -L_m\sin\theta & L_m\cos\theta & 0 & L_r \\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{s\alpha} \\i_{s\beta} \\i_{r\alpha'} \\i_{r\beta'} \end{matrix} \right] \tag{A-2}
    轉(zhuǎn)矩方程
    T_e = -n_p L_m [( i_{s\alpha}i_{r\alpha'} + i_{s\beta}i_{r\beta'} )\sin\theta + ( i_{s\alpha}i_{r\beta'} - i_{s\beta}i_{r\alpha'} )\cos\theta] \tag{A-3}
    L_m是定子和轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感,L_m=\frac{3}{2}L_{ms}
    L_s是定子等效兩相繞組間的自感,L_s=\frac{3}{2}L_{ms}+L_{is}=L_m+L_{is}
    L_m是轉(zhuǎn)子等效兩相繞組間的自感,L_r=\frac{3}{2}L_{ms}+L_{ir}=L_m+L_{ir}

  2. 變換到靜止坐標(biāo)系方程<span id="static"></span>

    image.png

    將通過(guò)了Clarke變換(3/2變換)的坐標(biāo)愕提,再進(jìn)一步變換到同一個(gè)靜止坐標(biāo)系上,如圖6-7吧皿哨,則有:

    由圖可知浅侨,從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換到靜止坐標(biāo)的變換矩陣為:
    C_{2r/2s}(\theta) = \left[ \begin{matrix} \cos\theta & -\sin\theta \\sin\theta & \cos\theta \end{matrix} \right] \tag{A-4}
    電壓方程
    \left[ \begin{matrix} u_{s\alpha} \\u_{s\beta} \\u_{r\alpha} \\u_{r\beta}\end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} R_s & 0 & 0 & 0 \\ 0 & R_s & 0 & 0 \\ 0 & 0 & R_r & 0 \\ 0 & 0 & 0 & R_r \\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{s\alpha} \\i_{s\beta} \\i_{r\alpha} \\i_{r\beta} \end{matrix} \right] +\frac8ucc0qw{dt}\left[ \begin{matrix} \Psi_{s\alpha} \\\Psi_{s\beta} \\\Psi_{r\alpha} \\\Psi_{r\beta} \end{matrix} \right] + \left[ \begin{matrix} 0 \\0 \\\omega_r \Psi_{r\beta} \\-\omega_r \Psi_{r\alpha} \end{matrix} \right] \tag{A-5}
    磁鏈方程
    \left[ \begin{matrix} \Psi_{s\alpha} \\\Psi_{s\beta} \\\Psi_{r\alpha} \\\Psi_{r\beta} \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} L_s & 0 & L_m & 0 \\ 0 & L_s & 0 & L_m \\ L_m & 0 & L_r & 0 \\ 0 & L_m & 0 & L_r \\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{s\alpha} \\i_{s\beta} \\i_{r\alpha} \\i_{r\beta} \end{matrix} \right] \tag{A-6}
    轉(zhuǎn)矩方程
    T_e = n_p L_m ( i_{s\beta}i_{r\alpha} - i_{s\alpha}i_{r\beta} ) \tag{A-7}
    L_m是定子和轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感,L_m=\frac{3}{2}L_{ms}
    L_s是定子等效兩相繞組間的自感,L_s=\frac{3}{2}L_{ms}+L_{is}=L_m+L_{is}
    L_m是轉(zhuǎn)子等效兩相繞組間的自感,L_r=\frac{3}{2}L_{ms}+L_{ir}=L_m+L_{ir}

    ??旋轉(zhuǎn)變換改變了定子和轉(zhuǎn)子繞組間的耦合關(guān)系,將相對(duì)運(yùn)動(dòng)的定子和轉(zhuǎn)子繞組用相對(duì)靜止等效繞組來(lái)代替证膨,從而消除了定子和轉(zhuǎn)子繞組間夾角\theta對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的影響如输。旋轉(zhuǎn)變換的優(yōu)點(diǎn)在于,將非線性可變參數(shù)的磁鏈方程轉(zhuǎn)化為線性定常的方程,但卻加劇了電壓方程中的非線性耦合程度挨决,將矛盾從磁鏈方程轉(zhuǎn)移到電壓方程中,并沒有改變對(duì)象的非線性耦合性質(zhì)订歪。

  3. 變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方程<span id="spin"></span>
    下面把一般情況推廣到普遍情況脖祈,把坐標(biāo)變換到旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)系。

    image.png

    定子的變換矩陣為:
    C_{2s/2dq}(\varphi) = \left[ \begin{matrix} \cos\varphi & \sin\varphi \\-\sin\varphi & \cos\varphi \end{matrix} \right] \tag{A-8}
    轉(zhuǎn)子的變換矩陣為:
    C_{2r/2dq}(\varphi-\theta) = \left[ \begin{matrix} \cos(\varphi-\theta) & \sin(\varphi-\theta) \\-\sin(\varphi-\theta) & \cos(\varphi-\theta) \end{matrix} \right] \tag{A-9}
    電壓方程
    \left[ \begin{matrix} u_{sd} \\u_{sq} \\u_{rd} \\u_{rq}\end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} R_s & 0 & 0 & 0 \\ 0 & R_s & 0 & 0 \\ 0 & 0 & R_r & 0 \\ 0 & 0 & 0 & R_r \\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{sd} \\i_{sq} \\i_{rd} \\i_{rq} \end{matrix} \right] +\frac0gusqyg{dt}\left[ \begin{matrix} \Psi_{sd} \\\Psi_{sq} \\\Psi_{rd} \\\Psi_{rq} \end{matrix} \right] + \left[ \begin{matrix} -\omega_1 \Psi_{sq} \\\omega_1 \Psi_{sd} \\-(\omega_1-\omega) \Psi_{rq} \\(\omega_1-\omega) \Psi_{rd} \end{matrix} \right] \tag{A-10}
    磁鏈方程
    \left[ \begin{matrix} \Psi_{sd} \\\Psi_{sq} \\\Psi_{rd} \\\Psi_{rq} \end{matrix} \right] = \left[ \begin{matrix} L_s & 0 & L_m & 0 \\ 0 & L_s & 0 & L_m \\ L_m & 0 & L_r & 0 \\ 0 & L_m & 0 & L_r \\ \end{matrix} \right] \left[ \begin{matrix} i_{sd} \\i_{sq} \\i_{rd} \\i_{rq} \end{matrix} \right] \tag{A-11}
    轉(zhuǎn)矩方程
    T_e = n_p L_m ( i_{sq}i_{rd} - i_{sd}i_{rq} ) \tag{A-12}
    L_m是定子和轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感,L_m=\frac{3}{2}L_{ms}
    L_s是定子等效兩相繞組間的自感,L_s=\frac{3}{2}L_{ms}+L_{is}=L_m+L_{is}
    L_m是轉(zhuǎn)子等效兩相繞組間的自感,L_r=\frac{3}{2}L_{ms}+L_{ir}=L_m+L_{ir}

    ??旋轉(zhuǎn)變換是用旋轉(zhuǎn)的繞組代替了原來(lái)靜止的定子繞組刷晋,并使等效的轉(zhuǎn)子繞組與等效的定子繞組重合盖高,且保持嚴(yán)格同步,等效后定子和轉(zhuǎn)子繞組之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)眼虱,故旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系中的磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程與靜止兩相正交坐標(biāo)系作用相同喻奥,僅下標(biāo)發(fā)生變化。兩相旋轉(zhuǎn)正交變換的正交坐標(biāo)系的電壓方程中旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)非線性耦合更為嚴(yán)重捏悬,這是因?yàn)椴粌H對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)變換撞蚕,同時(shí)對(duì)定子繞組也進(jìn)行了相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)變換。
    ??從表面上看过牙,旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)中的數(shù)學(xué)模型還不如靜止的兩相正交坐標(biāo)系(\alpha\beta坐標(biāo)系)中的簡(jiǎn)單甥厦,實(shí)際上旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的優(yōu)點(diǎn),在于增加了一個(gè)輸入量\omega_1提高了系統(tǒng)的控制自由度寇钉,磁場(chǎng)定向控制就是通過(guò)控制\omega_1實(shí)現(xiàn)的刀疙。旋轉(zhuǎn)速度任意的正交坐標(biāo)系無(wú)實(shí)際使用意義,常用的是同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系扫倡,將繞組中的交流量變?yōu)橹绷髁壳恚瑏?lái)模擬直流電機(jī)進(jìn)行控制。如果令旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)速度\omega_1=0撵溃,則旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系就變?yōu)榱遂o止兩相正交左邊線疚鲤。所以說(shuō),靜止兩相正交坐標(biāo)系是旋轉(zhuǎn)兩相正交坐標(biāo)系的特列征懈。

<span id="status"></span>正交坐標(biāo)系的狀態(tài)方程

??旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的異步電機(jī)具有四階電壓方程和一階運(yùn)動(dòng)方程石咬,一次需要選取五個(gè)狀態(tài)量,可選的狀態(tài)量共有九個(gè)卖哎,把他們分為下面五組:①轉(zhuǎn)速\omega;②定子電流i_{sd}和i_{sq};③轉(zhuǎn)子電流i_{rd}和i_{rq};定子磁鏈\psi_{sd}和\psi_{sq};轉(zhuǎn)子磁鏈\psi_{rd}和\psi_{rq};
??轉(zhuǎn)速是必須選取的輸入量鬼悠,其余四組可以任意選取兩組,定子電流可以直接檢測(cè)亏娜,應(yīng)當(dāng)選為狀態(tài)量焕窝。剩下的三組均不可直接檢測(cè)或檢測(cè)十分困難,考慮到磁鏈對(duì)電機(jī)運(yùn)行的重要性维贺,可以在定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈中任選一組它掂。

  1. 以速度\定子電流\轉(zhuǎn)子磁通為輸入量的狀態(tài)方程<span id="wipstatus"></span>

    1. qt坐標(biāo)系的狀態(tài)方程

      選取輸入狀態(tài)量: X=\left[ \begin{matrix} \omega & \psi_{rd} & \psi_{rq} & i_{sd} & i_{sq} \end{matrix} \right]^T

      輸入變量: U =\left[ \begin{matrix} u_{sd} & u_{sq} & \omega_1 & T_L \end{matrix} \right]^T

      輸出變量: Y=\left[ \begin{matrix} \omega & \psi_{r} \end{matrix} \right]^T

      根據(jù)dq坐標(biāo)系的磁鏈方程(A-11),可得:
      \left\{\begin{aligned} & \psi_{sd}=L_s i_{sd} + L_m i_{rd}\\ & \psi_{sq}=L_s i_{sq} + L_m i_{rq}\\ & \psi_{rd}=L_m i_{sd} + L_r i_{rd}\\ & \psi_{rq}=L_m i_{sq} + L_r i_{rq} \end{aligned}\right. \tag{1-1}
      聯(lián)合方程,可得:
      \left\{\begin{aligned} & i_{rd} = \frac{1}{L_r}(\psi_{rd} - L_m i_{sd})\\ & i_{rq} = \frac{1}{L_r}(\psi_{rq} - L_m i_{sq})\\ & \psi_{sd} = \sigma L_s i_{rd} + \frac{L_m}{L_r}\psi_{rd}\\ & \psi_{sq} = \sigma L_s i_{rq} + \frac{L_m}{L_r}\psi_{rq} \end{aligned}\right. \tag{1-2}
      \sigma是電機(jī)漏磁系數(shù)\sigma = 1 - \frac{L_m^2}{L_s L_r}.

      根據(jù)dq坐標(biāo)系的電壓方程(A-10)虐秋,可得:
      \left\{\begin{aligned} & \frac{d \psi_{sd}}{dt}=-R_s i_{sd} + \omega_1 \psi_{sq} + u_{sd}\\ & \frac{d \psi_{sq}}{dt}=-R_s i_{sq} - \omega_1 \psi_{sd} + u_{sq}\\ & \frac{d \psi_{rd}}{dt}=-R_r i_{rd} + (\omega_1 - \omega) \psi_{rq} + u_{rd}\\ & \frac{d \psi_{rq}}{dt}=-R_r i_{rq} + (\omega_1 - \omega) \psi_{rd} + u_{rq} \end{aligned}\right. \tag{1-3}
      考慮到籠型轉(zhuǎn)子內(nèi)部是短路的榕茧,則u_{rd}=u_{rq}=0,于是有:
      \left\{\begin{aligned} & \frac{d \psi_{sd}}{dt} = -R_s i_{sd} + \omega_1 \psi_{sq} \\ & \frac{d \psi_{sq}}{dt} = -R_s i_{sq} - \omega_1 \psi_{sd} \\ & \frac{d \psi_{rd}}{dt} = -R_r i_{rd} + (\omega_1 - \omega) \psi_{rq}\\ & \frac{d \psi_{rq}}{dt} = -R_r i_{rq} + (\omega_1 - \omega) \psi_{rd} \end{aligned}\right. \tag{1-4}

      將方程(1-2)代入qd坐標(biāo)系的力矩方程(A-12),可得:
      \left\{\begin{aligned} T_e &= \frac{n_p L_m}{L_r}(i_{sq} \psi_{rd} - L_m i_{sd} i_{sq} - i_{sd} \psi_{rq} + L_m i_{sd} i_{sq}) \\ &= \frac{n_p L_m}{L_r}(i_{sq} \psi_{rd} - i_{sd} \psi_{rq}) \end{aligned}\right. \tag{1-5}

      運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為:
      \frac{J d\omega}{n_p dt} = T_e - T_L \tag{1-6}

      將(1-2)(1-4)(1-5)(1-6)聯(lián)合整理得:
      \left\{\begin{aligned} & \frac{d \omega}{dt} = \frac{n_p^2 L_m}{JL_r}(i_{sq} \psi_{rd} - i_{sd} \psi_{rq}) - \frac{n_p}{J}T_L \\ & \frac{d \psi_{rd}}{dt} = -\frac{1}{T_r}\psi_{rd} +(\omega_1 - \omega)\psi_{rq} + \frac{L_m}{T_r}i_{sd} \\ & \frac{d \psi_{rq}}{dt} = -\frac{1}{T_r}\psi_{rq} -(\omega_1 - \omega)\psi_{rd} + \frac{L_m}{T_r}i_{sq} \\ & \frac{d \psi_{sd}}{dt} = \frac{L_m}{\sigma L_s L_r T_r}\psi_{rd} + \frac{L_m}{\sigma L_s L_r }\omega \psi_{rq} - \frac{R_s L_r^2 + R_r L_m^2}{\sigma L_s L_r^2}i_{sd} +\omega_1i_{sq} + \frac{u_{sd}}{\sigma L_s} \\ & \frac{d \psi_{sq}}{dt} = \frac{L_m}{\sigma L_s L_r T_r}\psi_{rq} - \frac{L_m}{\sigma L_s L_r }\omega \psi_{rd} - \frac{R_s L_r^2 + R_r L_m^2}{\sigma L_s L_r^2}i_{sq} -\omega_1i_{sd} + \frac{u_{sq}}{\sigma L_s} \end{aligned}\right. \tag{1-7}
      T_r是轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)T_r = \frac{L_r}{R_r}.

      輸出變量: Y=\left[ \begin{matrix} \omega & \sqrt{\psi_{rd}^2 + \psi_{rq}^2} \end{matrix} \right]^T \tag{1-8}
      轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制原理圖如下:

      image.png

    2. \alpha \beta 坐標(biāo)系的狀態(tài)方程

      若令\omega_1 = 0,則可以使得qt坐標(biāo)系變換為\alpha \beta 坐標(biāo)系
      可得\alpha \beta 坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為:
      \left\{\begin{aligned} & \frac{d \omega}{dt} = \frac{n_p^2 L_m}{JL_r}(i_{sq} \psi_{rd} - i_{sd} \psi_{rq}) - \frac{n_p}{J}T_L \\ & \frac{d \psi_{rd}}{dt} = -\frac{1}{T_r}\psi_{rd}- \omega\psi_{rq} + \frac{L_m}{T_r}i_{sd} \\ & \frac{d \psi_{rq}}{dt} = -\frac{1}{T_r}\psi_{rq} + \omega\psi_{rd} + \frac{L_m}{T_r}i_{sq} \\ & \frac{d \psi_{sd}}{dt} = \frac{L_m}{\sigma L_s L_r T_r}\psi_{rd} + \frac{L_m}{\sigma L_s L_r }\omega \psi_{rq} - \frac{R_s L_r^2 + R_r L_m^2}{\sigma L_s L_r^2}i_{sd} + \frac{u_{sd}}{\sigma L_s} \\ & \frac{d \psi_{sq}}{dt} = \frac{L_m}{\sigma L_s L_r T_r}\psi_{rq} - \frac{L_m}{\sigma L_s L_r }\omega \psi_{rd} - \frac{R_s L_r^2 + R_r L_m^2}{\sigma L_s L_r^2}i_{sq} + \frac{u_{sq}}{\sigma L_s} \end{aligned}\right. \tag{1-9}
      T_r是轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)T_r = \frac{L_r}{R_r}.

      選取輸入狀態(tài)量: X=\left[ \begin{matrix} \omega & \psi_{r\alpha} & \psi_{r\beta} & i_{s\alpha} & i_{s\beta} \end{matrix} \right]^T

      輸入變量: U =\left[ \begin{matrix} u_{s\alpha} & u_{s\beta} & T_L \end{matrix} \right]^T

      電磁轉(zhuǎn)矩:T_e = \frac{n_p L_m}{L_r}(i_{s\beta} \psi_{r\alpha} - i_{s\alpha} \psi_{r\beta})

      輸出變量: Y=\left[ \begin{matrix} \omega & \sqrt{\psi_{r\alpha}^2 + \psi_{r\beta}^2} \end{matrix} \right]^T \tag{1-10}
      轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制原理圖如下:

      image.png

  2. 以速度\定子電流\定子磁通為輸入量的狀態(tài)方程<span id="wip1status"></span>

    1. qt坐標(biāo)系的狀態(tài)方程

      選取輸入狀態(tài)量: X=\left[ \begin{matrix} \omega & \psi_{sd} & \psi_{sq} & i_{sd} & i_{sq} \end{matrix} \right]^T

      輸入變量: U =\left[ \begin{matrix} u_{sd} & u_{sq} & \omega_1 & T_L \end{matrix} \right]^T

      輸出變量: Y=\left[ \begin{matrix} \omega & \psi_{s} \end{matrix} \right]^T

      同理(1-2)得:
      \left\{\begin{aligned} & i_{rd} = \frac{1}{L_m}(\psi_{sd} - L_s i_{sd})\\ & i_{rq} = \frac{1}{L_m}(\psi_{sq} - L_s i_{sq})\\ & \psi_{rd} = -\sigma \frac{L_r L_s}{L_m} i_{sd} + \frac{L_r}{L_m} \psi_{sd}\\ & \psi_{rq} = -\sigma \frac{L_r L_s}{L_m} i_{sq} + \frac{L_r}{L_m} \psi_{sq} \end{aligned}\right. \tag{2-2}

      同理(1-5)得:
      \left\{\begin{aligned} T_e &= n_p (i_{sq} \psi_{sd} - L_s i_{sd} i_{sq} -i_{sd} \psi_{sq} + L_s i_{sq} i_{sd})\\ &=n_p (i_{sq} \psi_{sd} - i_{sd} \psi_{sq}) \end{aligned}\right. \tag{2-5}

      同理(1-7)得:
      \left\{\begin{aligned} & \frac{d \omega}{dt} = \frac{n_p^2 }{J}(i_{sq} \psi_{sd} - i_{sd} \psi_{sq}) - \frac{n_p}{J}T_L \\ & \frac{d \psi_{sd}}{dt} = -R_s i_{sd} +\omega_1 \psi_{sq} + u_{sd} \\ & \frac{d \psi_{sq}}{dt} = -R_s i_{sq} -\omega_1 \psi_{sd} + u_{sq} \\ & \frac{d i_{sd}}{dt} = \frac{1}{\sigma L_s T_r}\psi_{sd} + \frac{1}{\sigma L_s }\omega \psi_{sq} - \frac{R_s L_r + R_r L_s}{\sigma L_s L_r}i_{sd} +(\omega_1 - \omega) i_{sq} + \frac{u_{sd}}{\sigma L_s} \\ & \frac{d i_{sq}}{dt} = \frac{1}{\sigma L_s T_r}\psi_{sq} - \frac{1}{\sigma L_s }\omega \psi_{sd} - \frac{R_s L_r + R_r L_s}{\sigma L_s L_r}i_{sq} -(\omega_1 - \omega) i_{sd} + \frac{u_{sq}}{\sigma L_s} \end{aligned}\right. \tag{2-7}
      T_r是轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)T_r = \frac{L_r}{R_r}.

      同(1-8)輸出變量: Y=\left[ \begin{matrix} \omega & \sqrt{\psi_{sd}^2 + \psi_{sq}^2} \end{matrix} \right]^T \tag{2-8}
      轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制原理圖如下:

      image.png

    2. \alpha \beta 坐標(biāo)系的狀態(tài)方程

      若令\omega_1 = 0,則可以使得qt坐標(biāo)系變換為\alpha \beta 坐標(biāo)系
      可得\alpha \beta 坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為:
      \left\{\begin{aligned} & \frac{d \omega}{dt} = \frac{n_p^2 }{J}(i_{sq} \psi_{sd} - i_{sd} \psi_{sq}) - \frac{n_p}{J}T_L \\ & \frac{d \psi_{sd}}{dt} = -R_s i_{sd} + u_{sd} \\ & \frac{d \psi_{sq}}{dt} = -R_s i_{sq} + u_{sq} \\ & \frac{d i_{sd}}{dt} = \frac{1}{\sigma L_s T_r}\psi_{sd} + \frac{1}{\sigma L_s }\omega \psi_{sq} - \frac{R_s L_r + R_r L_s}{\sigma L_s L_r}i_{sd} +\omega i_{sq} + \frac{u_{sd}}{\sigma L_s} \\ & \frac{d i_{sq}}{dt} = \frac{1}{\sigma L_s T_r}\psi_{sq} - \frac{1}{\sigma L_s }\omega \psi_{sd} - \frac{R_s L_r + R_r L_s}{\sigma L_s L_r}i_{sq} -\omega i_{sd} + \frac{u_{sq}}{\sigma L_s} \end{aligned}\right. \tag{2-7}
      T_r是轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)T_r = \frac{L_r}{R_r}.

      選取輸入狀態(tài)量: X=\left[ \begin{matrix} \omega & \psi_{s\alpha} & \psi_{s\beta} & i_{s\alpha} & i_{s\beta} \end{matrix} \right]^T

      輸入變量: U =\left[ \begin{matrix} u_{s\alpha} & u_{s\beta} & T_L \end{matrix} \right]^T

      電磁轉(zhuǎn)矩:T_e = n_p(i_{s\beta} \psi_{s\alpha} - i_{s\alpha} \psi_{s\beta})

      輸出變量: Y=\left[ \begin{matrix} \omega & \sqrt{\psi_{s\alpha}^2 + \psi_{s\beta}^2} \end{matrix} \right]^T \tag{2-8}
      轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制原理圖如下:

      image.png

<span id="mccalculate"></span>轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算

??按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是\psi_r的準(zhǔn)確定向客给,也就是說(shuō)需要獲得轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康目臻g位置用押。除此之外,在構(gòu)成轉(zhuǎn)子磁鏈反饋以及轉(zhuǎn)矩控制時(shí)靶剑,轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值也是需要控制的蜻拨。根據(jù)轉(zhuǎn)子磁鏈的實(shí)際值進(jìn)行的控制方法,稱作直接定向控制桩引。
??轉(zhuǎn)子磁鏈的直接檢測(cè)比較困難缎讼,現(xiàn)在多采用檢測(cè)容易測(cè)得的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等信號(hào)坑匠,按模型計(jì)算的方法進(jìn)行換算血崭,實(shí)時(shí)的計(jì)算出磁鏈的幅值與空間位置。轉(zhuǎn)子磁鏈模型可以從電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中推導(dǎo)出來(lái)厘灼,也可以利用狀態(tài)觀察器或者狀態(tài)估計(jì)理論得到閉環(huán)的觀測(cè)模型功氨。在計(jì)算模型中,由于實(shí)測(cè)信號(hào)不同手幢,可以分為電流模型和電壓模型兩種捷凄。

  1. \alpha \beta 坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型<span id="abcur"></span>

    利用i_\alpha i_\beta計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈在\alpha 、\beta軸上的分量
    \left\{\begin{aligned} & \frac{d \psi_{r\alpha}}{dt} = -\frac{1}{T_r}\psi_{r\alpha} - \omega\psi_ {r\beta} + \frac{L_m}{T_r}i_{s\alpha} \\ & \frac{d \psi_{r\beta}}{dt} = -\frac{1}{T_r}\psi_{r\beta} + \omega\psi_ {r\alpha} + \frac{L_m}{T_r}i_{s\beta} \end{aligned}\right.
    T_r是轉(zhuǎn)子電磁時(shí)間常數(shù)T_r = \frac{L_r}{R_r}.
    或者表示為:
    \left\{\begin{aligned} & \psi_{r\alpha} = \frac{1}{T_r s+1} (L_m i_{s\alpha} - \omega T_r \psi_ {r\beta}) \\ & \psi_{r\beta} = \frac{1}{T_r s+1} (L_m i_{s\beta} - \omega T_r \psi_ {r\alpha}) \end{aligned}\right.
    然后围来,通過(guò)把直角坐標(biāo)變換為極坐標(biāo)跺涤,就可以得到轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=%5Cpsi_r" alt="\psi_r" mathimg="1">和空間位置 \varPhi,考慮到矢量變換中實(shí)際使用的是\varPhi的正弦和余弦函數(shù)监透,故可以采用變換 式:
    \left\{\begin{aligned} & \psi_{r} = \sqrt{\psi_{r\alpha}^2 + \psi_{r\beta}^2} \\ & \sin\psi = \frac{\psi_{r\beta}}{\psi_{r}}\\ & \cos\psi = \frac{\psi_{r\alpha}}{\psi_{r}} \end{aligned}\right.
    轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制原理圖如下:

    image.png

    \alpha \beta 坐標(biāo)系按照電流模型計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)桶错,由于電壓、電流和磁鏈均為正玄 量胀蛮,程序計(jì)算量大院刁、復(fù)雜,而且對(duì)計(jì)算步長(zhǎng)敏感

  2. 在MT坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型<span id="mtcur"></span>

    根據(jù)mt坐標(biāo)系計(jì)算可得:
    \left\{\begin{aligned} & \frac{d \psi_r}{dt} = -\frac{1}{T_r} \psi_r + \frac{L_m}{T_r} i_sm \\ & \omega_1 = \omega + \frac{L_m}{T_r \psi_r}i_{st} \end{aligned}\right.

    image.png

    可知比起\alpha \beta 坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電流模型粪狼,mt的計(jì)算量要小些退腥,步長(zhǎng)可以適當(dāng)大些。但是在計(jì)算前需要先將電壓電流和磁鏈變換到mt坐標(biāo)系再榄,定向不準(zhǔn)狡刘,導(dǎo)致\omega_1計(jì)算不準(zhǔn),而\omega_1又影響下一步困鸥。

    不管是\alpha \beta 坐標(biāo)系還是mt坐標(biāo)系下計(jì)算磁鏈的電磁模型都需要實(shí)測(cè)電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)嗅蔬,不論轉(zhuǎn)速高低都可以適用,但都受到電機(jī)參數(shù)變化的影響。例如溫度升高澜术、頻率變化等會(huì)影響轉(zhuǎn)子電阻艺蝴,而飽和程度會(huì)影響電感。這些影響將導(dǎo)致磁鏈幅值和位置信號(hào)失真鸟废,必然使得閉環(huán)磁鏈系統(tǒng)性能下降吴趴,這也是電流模型的不足之處

  3. \alpha \beta 坐標(biāo)系上計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的電壓模型<span id="abver"></span>
    根據(jù)電壓方程中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于磁鏈變化率的關(guān)系,取電動(dòng)勢(shì)的積分就可以得到磁鏈的模型叫電壓模型

    電壓方程:
    \left\{\begin{aligned} & \frac{d \psi_{s\alpha}}{dt} = -R_s i_{s\alpha} + u_{s\alpha} \\ & \frac{d \psi_{s\beta}}{dt} = -R_s i_{s\beta} + u_{s\beta} \end{aligned}\right. \tag{2-7}

    磁鏈方程:
    \left\{\begin{aligned} & \psi_{s\alpha}=L_s i_{s\alpha} + L_m i_{r\alpha}\\ & \psi_{s\beta}=L_s i_{s\beta} + L_m i_{r\beta}\\ & \psi_{r\alpha}=L_m i_{s\alpha} + L_r i_{r\alpha}\\ & \psi_{r\beta}=L_m i_{s\beta} + L_r i_{r\beta} \end{aligned}\right.
    聯(lián)合方程侮攀,可得:
    \left\{\begin{aligned} & i_{r\alpha} = \frac{1}{L_r}(\psi_{r\alpha} - L_m i_{s\alpha})\\ & i_{r\beta} = \frac{1}{L_r}(\psi_{r\beta} - L_m i_{s\beta})\\ & \psi_{s\alpha} = \sigma L_s i_{r\alpha} + \frac{L_m}{L_r}\psi_{r\alpha}\\ & \psi_{s\beta} = \sigma L_s i_{r\beta} + \frac{L_m}{L_r}\psi_{r\beta} \end{aligned}\right. \tag{1-2}

    電壓模型方程:
    \left\{\begin{aligned} & \psi_{r\alpha} = \frac{L_r}{L_m}[\int(u_{s\alpha} - R_s i_{s\alpha})dt - \sigma L_s i_{s\alpha}) \\ & \psi_{r\beta} = \frac{L_r}{L_m}[\int(u_{s\beta} - R_s i_{s\beta})dt - \sigma L_s i_{s\beta}) \end{aligned}\right. \tag{2-7}
    其對(duì)應(yīng)的控制框圖如下

    image.png

    根據(jù)實(shí)測(cè)的電壓電流信號(hào),計(jì)算定子磁鏈厢拭,然后再計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈兰英。電壓模型不需要轉(zhuǎn)速信號(hào),且算法與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)供鸠,只與定子電阻有關(guān)畦贸,而定子電阻相對(duì)容易測(cè)得。和電流模型相比楞捂,電壓模型受電機(jī)參數(shù)變化的影響較小薄坏,且算法簡(jiǎn)單,更容易應(yīng)用寨闹,但是由于他包含積分項(xiàng)胶坠,積分的初始值和累計(jì)誤差都影響計(jì)算結(jié)果,在低速時(shí)繁堡,定子電阻壓降變化影響較大沈善。
    比較起來(lái)電壓模型適用于中高速范圍,而電流模型能適應(yīng)低速椭蹄。有事為了提高準(zhǔn)確度闻牡,把兩種模型結(jié)合起來(lái),在低速時(shí)采用電流模型绳矩,在中高速時(shí)采用電壓模型罩润,可以提高整個(gè)運(yùn)行范圍中的轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算準(zhǔn)確度

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