如前所述,在广义派克方程中,γ角是未定的,即d-q轴可以放在定子上,也可以放在转子上,还可以放在旋转磁场上,更可以放在某一变量,如电压、电流或磁通(定子、转子或互感磁通)的方向上,这样就导致了不同的坐标系和控制方法,如当d-q轴放在定子上时,γ=0,代入式(A-18)中即得到了众所周知的α-β-0坐标系下的电机模型;当d-q轴放在转子上时,对同步电机而言,γ=ωst,因此pγ=ωs,此乃d-q-0坐标系下的电机模型,但对异步电机而言,此时γ=ωt,pγ=ω;当d-q轴放在旋转磁场上时,γ=ωst,pγ=ωs,此时dc-qc-0坐标系下的电机模型。从以上的分析及表A-1,我们清楚地看到各坐标系下电机模型之间的关系,可以说,坐标系的选取问题也就转化为γ角的选取问题了。
在交流电机矢量控制中,广泛采用的一种坐标系是同步旋转坐标系,此时d-q轴的旋转角速度等于pγ=ωs,即等于定子变量的同步角速度ωs,而pθ即为转子的角速度,pγ-pθ=ωsl即为转差角速度。此时派克方程来为以下各式。
表A-1 各种坐标变换的关系
(1)电压方程式
(2)磁链方程式
(3)转矩表达式
运动方程不变,但a-b-c坐标系中的交流量,在d-q旋转坐标中变为直流量,这就为异步电机多变量、非线性模型进一步简化,并推导出类似于直流电机的控制方法提供了基础。
如果用方程中的电流做状态变量,则可列出异步电机的状态方程,从中更可清楚地看出其多变量、强耦合及非线性的性质。
(5)异步电动机在d-q坐标系上的动态结构和动态等效电路 在电压方程式(A-19)等号右侧的系数矩阵中,含R项表示电阻压降,含Lp项为电感压降,即脉变电动势,含ω项表示旋转电动势。把它们分开来写,并考虑到磁链方程,则得
旋转电动势矢量
则式(A-27)变成
图A-7 异步机的多变量动态结构(www.daowen.com)
将式(A-28)、式(A-24)、式(A-26)画成多变量系统动态结构图,如图A-7所示,其中Φ1(·)表示er表达式的非线性函数阵,Φ2(·)表示Tem表达式的非线性函数。
图A-7是本节开始时提到的异步电动机多变量控制结构的具体体现,它表明异步电机的数学模型具有以下性质:
1)异步电机可以看作一个双输入双输出系统,输入量是电压矢量u和定子与d-q坐标轴的相对角转速ωk(当d-q轴以同步转速旋转时,ωk就等于定子输入角频率ωs),输出量是磁链矢量Ψ和转子角速度ω。电流矢量可以看作状态变量,它和磁链矢量之间有由式(A-24)确定的关系。
2)非线性因素存在于Ψ1(·)和Ψ2(·)中,即存在于产生旋转电动势和电磁转矩的两个环节上。此外,系统的其他部分都是线性关系。这和直流电机弱磁控制的情况很相似。
3)多变量之间的耦合关系主要体现在旋转电动势上。如果忽略旋转电动势的影响,系统便可演变成单变量的。
从式(A-23)中的d、q轴电压方程可以看出,d-q轴之间存在旋转电动势ωsΨsq、ωrΨrq、ωsΨsd、ωrΨrd互相间的耦合,这再次说明了上述第3)项性质。
也可采用不同的变量作为状态变量,在某种程度上方便了分析和控制。如在电流控制PWM逆变器给异步电机供电矢量控制系统中,常选用定子电流和转子磁通作为状态变量,在忽略定子电流控制延迟的情况下,使系统控制结构大大简化,此时可将派克方程列为如下状态方程:
式中
如全部采用定子量(ΨsdΨsqIsdIsq)作为状态变量,则可方便地进行状态观测及定子磁通定向控制,此时状态方程变为
在仿真计算中,为缩小计算步长,降低计算时间,也可全部用磁链作为状态变量,此时状态方程变为
总之,采用什么坐标系或用什么量作为状态变量可根据分析和控制的需要,是很灵活的。
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