定子磁場定向控制方法報告

1、異步電機(jī)定子磁場定向控制方法目前應(yīng)用廣泛的高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)控制方法有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，這兩種控制方法各有所長，但也存在著一些缺點(diǎn)。矢量控制采用轉(zhuǎn)子磁場定向的方法，實(shí)現(xiàn)定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的動態(tài)解耦，采用PI連續(xù)調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子磁場的控制。但是其解耦性能取決于轉(zhuǎn)子磁場的精確定向，由于轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測或計(jì)算是在電機(jī)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因而轉(zhuǎn)子磁場的定向受到電機(jī)參數(shù)特別是易于變化的轉(zhuǎn)子電阻的影響。直接轉(zhuǎn)矩控制是根據(jù)轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈的偏差，分別采用砰砰控制的方法，根據(jù)定子磁鏈所在的扇區(qū)，直接產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對轉(zhuǎn)子參數(shù)不敏感，但砰砰控制決定了轉(zhuǎn)矩脈動不可避免，

2、雖然增加電壓綜合矢量個數(shù)可以降低轉(zhuǎn)矩脈動，但不能消除，本報告中的定子磁場定向控制方法是在兩種系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，取長補(bǔ)短的一種新方法。異步電機(jī)定子磁場定向控制方法有兩個特點(diǎn)：1、定子磁鏈用電壓模型計(jì)算，采用連續(xù)的閉環(huán)控制，在補(bǔ)償定子電阻壓降的基礎(chǔ)上直接控制定子磁鏈的變化率；2、轉(zhuǎn)速控制采用與矢量控制相仿的三環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為定子電流轉(zhuǎn)矩分量控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩電流的快速跟隨，第二環(huán)是轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，用以抑制定子磁鏈對轉(zhuǎn)矩的擾動，最外環(huán)為轉(zhuǎn)速閉環(huán)。這種控制方法克服了矢量控制對轉(zhuǎn)子電阻的直接依賴性，同時采用連續(xù)的控制方法克服了砰砰控制帶來的轉(zhuǎn)矩脈動。為了研究異步電機(jī)定子磁場定向控制方法，我們要建立異步電機(jī)按定子磁

3、場定向的動態(tài)模型。根據(jù)定子磁場定向的定義可知，在d-q坐標(biāo)系中，規(guī)定d軸與定子磁鏈?zhǔn)噶康姆较蛑睾?，q軸與的方向垂直。因此，在d-q坐標(biāo)系中，A相的電流、電壓、磁鏈可以表示為：將上式代入A相電壓方程：對于任意都成立，因此可得d-q坐標(biāo)系中的定子電壓方程：同理可得d-q坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子電壓方程：綜上可得同步旋轉(zhuǎn)的d-q坐標(biāo)變換后的電壓方程為：而磁鏈方程為：由上述磁鏈方程可得定轉(zhuǎn)子磁鏈的關(guān)系：（1）同理可得：（2）（3）（4）考慮鼠籠型異步電機(jī)，則由轉(zhuǎn)子電壓方程可得：又由第三個磁鏈方程可得：代入上式轉(zhuǎn)子電壓方程可得：（5）同理，將第四個磁鏈方程代入第四個電壓方程可得：（6）將磁鏈方程代入電壓方程可得：

4、（7）將（7）中第三個式子的代入（7）中第一個式子，并將代入式（5）和（1）可得：移項(xiàng)整理可得：（8）其中為漏磁系數(shù)，為電磁時間常數(shù)。同理，將（7）中第四個式子的代入（7）第二個式子，并代入（6）和（2）可得：移項(xiàng)整理可得：（9）考慮到按定子磁場定向控制方法中，再將（3）（4）代入（8）可得：（10）再將（3）（4）代入（9）可得：（11）接下來推導(dǎo)異步電機(jī)的運(yùn)動方程，首先是電磁轉(zhuǎn)矩，因?yàn)榘炊ㄗ哟艌龆ㄏ蚩刂品椒ㄖ?，可得電磁轉(zhuǎn)矩方程：（12）因此，異步電機(jī)按定子磁場定向控制的運(yùn)動方程為：（13）易得異步電機(jī)按定子磁場定向控制的電壓方程：（14）綜上所述，由式（10）（11）（13）（14）可得異

5、步電機(jī)按定子磁場定向控制的數(shù)學(xué)模型：（15）將式（15）的第二個式子的拆開后得：將上式代入（15）的第一個式子得：（16）穩(wěn)態(tài)時，式（16）變?yōu)椋海?7）由式（16）和式（17）可以看出異步電機(jī)按定子磁場定向控制方法的數(shù)學(xué)模型中，定子磁鏈并不是只由單獨(dú)產(chǎn)生，還包含有的成分。對比異步電機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向的推導(dǎo)結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)異步電機(jī)按定子磁鏈定向控制的數(shù)學(xué)模型具有以下特點(diǎn):1、在異步電子按定子磁場定向中,由電壓方程看出轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)沒有直接出現(xiàn),由于轉(zhuǎn)子電阻具有難觀測性,所以異步電機(jī)按定子磁場定向控制便克服了對轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)的嚴(yán)重依賴性。2、 在異步電機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場定向時,勵磁電流僅僅受定子電流的勵磁分量

6、的影響,但是在異步電機(jī)按定子磁場定向時,定子電流的勵磁分量、轉(zhuǎn)矩分量都影響到定子磁鏈。因此,異步電機(jī)按定子磁場定向與按轉(zhuǎn)子磁場定向相比,定子磁鏈必須采用閉環(huán)控制以抑止定子電流的不同分量對磁鏈的影響。3、在異步電機(jī)按定子磁場定向控制的模型中,定子電流雖然可以分解為轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量,但是電機(jī)的動態(tài)模型仍然存在交叉耦合,如果仍然按照電流解耦,會造成系統(tǒng)比較復(fù)雜,而且會受到來自轉(zhuǎn)子參數(shù)的影響。4、控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的根本就是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩,雖然異步電機(jī)按定子磁場定向控制與按轉(zhuǎn)子磁場定向控制相比降低了對轉(zhuǎn)子參數(shù)的依賴性,但是卻容易受到定子電阻的影響。在上面的推導(dǎo)和分析中都是假設(shè)異步電機(jī)定子電阻是恒定不變的

7、,并沒有考慮當(dāng)定子電阻變化時系統(tǒng)會受到什么影響。為了提高異步電機(jī)按定子磁場定向系統(tǒng)的性能和魯棒性,必須避免定子電阻對系統(tǒng)造成的影響。由式（16）和（17）可以知道在按定子磁場定向控制的模型中含有對的耦合，系統(tǒng)的動態(tài)性能會受到一定程度的影響。因此，按定子磁場定向控制有兩種方法，一種就是對電流進(jìn)行解耦，另一種是不進(jìn)行解耦而轉(zhuǎn)用電壓模型來控制。 首先來討論用加入解耦器的方法，為了消除轉(zhuǎn)矩控制時對磁鏈的影響，在磁鏈控制d軸通道中往往會設(shè)計(jì)一個解耦器。要消除式中的q軸電流的耦合影響，需要引入一個解耦分量，設(shè) （18）其中，為系統(tǒng)給定的定子磁鏈；為系統(tǒng)定子磁鏈觀測估計(jì)值；因此，就是磁鏈調(diào)節(jié)器的輸出。把（1

8、8）式代入（17）式中得到： （19）只要使，就可以消除q軸電流的耦合影響。下圖是加解耦器的定子磁場定向控制部分框圖：圖1 加解耦器的定子磁場定向控制從圖1中可以看出，對于定子磁鏈的控制，給定磁鏈與觀測磁鏈之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器的輸出，再加上解耦器輸出，便可得到d軸電流信號。當(dāng)估計(jì)磁鏈出現(xiàn)偏差時，通過PI調(diào)節(jié)器輸出變量會改變d軸的輸入電流，從而實(shí)現(xiàn)對定子磁鏈的控制。但是，磁鏈控制通道中的PI調(diào)節(jié)器的引入，使磁鏈控制變量的輸出有一定的延時，的條件將被破壞，耦合便不能完全消除，在動態(tài)過程中會出現(xiàn)解耦器不能完全補(bǔ)償q軸電流對磁鏈的影響，定子磁鏈將出現(xiàn)一定的波動，這是該控制方法不可避免的缺點(diǎn)。另外，加入耦合

9、器控制會使系統(tǒng)變得比較復(fù)雜，因此可以改用電壓模型，按定子磁鏈幅值變化率即直軸電動勢控制，采用定子電壓補(bǔ)償可直接控制直軸電動勢。（20）（21） 異步電機(jī)按定子磁場定向控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。根據(jù)定子磁鏈的給定值和實(shí)際值的偏差產(chǎn)生直軸電動勢給定值，加上定子電阻壓降產(chǎn)生定子電壓直軸分量的給定值。定子磁場調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)，此時，則可保持不變。圖2 異步電機(jī)按定子磁場定向控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中可以看出，系統(tǒng)采用三環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)環(huán)為定子電流轉(zhuǎn)矩分量控制，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩電流的快速跟隨，第二環(huán)是轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，用以抑制定子磁鏈對轉(zhuǎn)矩的擾動，最外環(huán)為轉(zhuǎn)速閉環(huán)。由于定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩不易直接檢測，因此根據(jù)動態(tài)模型計(jì)算定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩。首先計(jì)算定子磁鏈在靜止坐標(biāo)系中的兩個分量：（22）經(jīng)過坐標(biāo)變換可得定子磁鏈的幅值與角度：（23）而電磁轉(zhuǎn)矩根據(jù)式（12）計(jì)算得到，其中電流可由靜止兩相電流和通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換得到：（24） 定子磁場定向的矢量控制方案，在一般的調(diào)速