磁場定向控制原理

1、§3.6 上一節(jié) 異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制異步電動(dòng)機(jī)的磁場定向控制是從70年代發(fā)展起來的一種新的控制技術(shù)。定義：異步電動(dòng)機(jī)的磁場定向控制是把定子電流做為具有垂直分量的空間分量來處理的，因此又稱為矢量控制。目的：通過這種控制技術(shù)能使異步電動(dòng)機(jī)得到和直流電動(dòng)機(jī)相同的調(diào)速特性一 磁場定向控制的基本思想基本思想；把交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制模擬成直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制在任何電力拖動(dòng)的控制系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩 作用在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（包括電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩） 以及慣性轉(zhuǎn)矩 三者之間的關(guān)系都由轉(zhuǎn)矩平衡方程式?jīng)Q定，即：設(shè) 及 J均為常數(shù)，那么在動(dòng)態(tài)過程中電動(dòng)機(jī)速度 的變化規(guī)律完全取決于對電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)

2、矩 的控制。舉例如下：起動(dòng)和制動(dòng)的過程中，如果控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 使其保持在最大允許值，就能使電動(dòng)機(jī)以最大的恒加速度或恒減速度運(yùn)行，從而縮短了起、制動(dòng)的時(shí)間。在突加負(fù)載時(shí)，只要能迅速地使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 增加，就可以使動(dòng)態(tài)速降減小，縮短速度的恢復(fù)時(shí)間。由此可見調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的好壞完全取決于在動(dòng)態(tài)過程中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 是否能很方便、很準(zhǔn)確地被調(diào)節(jié)和控制。由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 很容易控制。其工作原理可用下圖來表示。在勵(lì)磁繞組f中通以勵(lì)磁電流 則通過電刷及換相器流入電樞繞組。由于電刷和換相器的作用，使得電樞繞組雖然在轉(zhuǎn)動(dòng)但它產(chǎn)生的電樞磁場在空間是固定不動(dòng)的。因此可用一個(gè)等效的

3、靜止繞組來代替實(shí)際的電樞繞組。這個(gè)等效靜止繞組的軸線與勵(lì)磁繞組軸線垂直，繞組中通過電樞電流，產(chǎn)生的磁場與實(shí)際電樞繞組產(chǎn)生的磁場相同，并且由于實(shí)際電樞繞組在旋轉(zhuǎn)，因此等效靜止繞組中有一感應(yīng)電勢 ，這樣，就可以用下圖的等效模型來代替實(shí)際的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。 勵(lì)磁繞組中通入的勵(lì)磁電流產(chǎn)生主極磁通，電樞繞組電流 與作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。無論電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)，它產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩都是 。由于勵(lì)磁繞組軸線與等效的電樞靜止繞組軸線互相垂直，再利用補(bǔ)償繞組的磁、勢抵消掉電樞磁勢對主極磁通的影響，因此可以認(rèn)為主極磁通 僅與勵(lì)磁電流 有關(guān)而與電樞電流 無關(guān)。如果勵(lì)磁電流恒定，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將與電樞電流 成正比。

4、調(diào)節(jié)和控制電樞電流就能實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)和控制。籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)上，定子上有三個(gè)對稱繞組，轉(zhuǎn)子繞組則由彼此互相短路的導(dǎo)體組成。能夠直接控制的變量只有定子電壓（或電流）及定子的頻率。他沒有象直流電動(dòng)機(jī)那種獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，所以有效磁通不能以簡單的形式?jīng)Q定。異步電動(dòng)機(jī)（包括籠型轉(zhuǎn)子及饒線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)）的電磁轉(zhuǎn)矩公式為：式中 是由定、轉(zhuǎn)子電流共同作用產(chǎn)生的氣隙合成磁通，它以定子電流角頻率 在空間旋轉(zhuǎn)。是轉(zhuǎn)子電流空間矢量的幅值，不能直接控制。與 之間的空間相位角為90 不象直流電動(dòng)機(jī)那樣與 互差。 是轉(zhuǎn)差角頻率 的函數(shù)。 越大， 的去磁作用就越強(qiáng)。當(dāng)升高定子電流頻率以增大轉(zhuǎn)差角頻率 以使轉(zhuǎn)矩增加時(shí)

5、，氣隙磁通 就趨向與減弱。磁通的這個(gè)瞬態(tài)下降時(shí)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)變得遲緩。這種復(fù)雜的耦合作用使得電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩難以準(zhǔn)確控制。為了解決這個(gè)問題，可以采用異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制的方法。在上面我們介紹了在以轉(zhuǎn)子總磁鏈空間矢量 定向的 M，T同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系中，定子電流空間矢量 被分解為沿M軸和T軸方向上兩個(gè)互相垂直的分量 和 ，此時(shí)用 及 表達(dá)的轉(zhuǎn)矩公式轉(zhuǎn)子磁鏈 與 之間的關(guān)系為： 由于 與 互相垂直，是解耦的，可以獨(dú)立改變某一個(gè)而不致影響另一個(gè)變量。其中 用于產(chǎn)生磁鏈 ，它與直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流相當(dāng)； 則用于產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，與直流電動(dòng)機(jī)電樞電流相當(dāng)。在額定頻率以下運(yùn)行時(shí) 保持不變而靠改變 來

6、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，這就與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制相同了。二、異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理圖720所示了在磁場定向的M,T坐標(biāo)系中異步電動(dòng)機(jī)的模型。為了便于了解定子繞組與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量之間的關(guān)系，通過坐標(biāo)變換把定子三項(xiàng)繞組等效為與同步旋轉(zhuǎn)的兩相繞組，即軸線與平行的M1繞組及與垂直的T1繞組。這時(shí)M1，T1繞組中的電流、都是直流。轉(zhuǎn)子三相繞組（繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)）也同樣被變換成M,T坐標(biāo)系中的M2，T2兩個(gè)繞組。圖7-20 M、T坐標(biāo)系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)的模型 在圖中給出的速度1，轉(zhuǎn)矩Te以及個(gè)電流的正方向。 電磁轉(zhuǎn)矩Te可以看成轉(zhuǎn)子磁鏈與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生。由于產(chǎn)生的磁勢與方向一致，所以它不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩

7、，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的只有的T軸分量，故有 （7-145） 轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)怯啥ㄗ覯軸繞組電流在轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的互感磁鏈 與轉(zhuǎn)子M軸繞組電流產(chǎn)生的磁鏈 兩者之和，即 （7-146）T軸上轉(zhuǎn)子磁鏈，即 （7-147）上式說明，為了使，定子T軸繞組電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子T軸繞組的互感磁鏈必須抵消掉轉(zhuǎn)子T軸繞組產(chǎn)生的總磁鏈，故與之間應(yīng)滿足下式關(guān)系 （7-148）把上式代入式（8-145）得 （7-149）上式對圖7-20所示兩極電機(jī)模型到出的，若極對數(shù)為P則上式變?yōu)?（7-150）轉(zhuǎn)子電流由轉(zhuǎn)子M軸繞組電勢產(chǎn)生。由于M軸繞組軸線與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致，所以不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，但當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，即產(chǎn)生變壓器電勢，即 轉(zhuǎn)子電流為 （7-

8、151）是由，共同作用產(chǎn)生。由式7-146解出將上式代入（7-151）解出為： （7-152）有上式看出，在穩(wěn)態(tài)下，此時(shí)轉(zhuǎn)子M2繞組中的變壓器電勢為零，因此完全有定子M1繞組中的電流產(chǎn)生。當(dāng)改變時(shí)，將發(fā)生變化，于是在轉(zhuǎn)子M2繞組中立即產(chǎn)生電勢 ，因而產(chǎn)生電流及磁鏈，阻礙的變化，使的變化滯后于。這與直流電機(jī)中通過勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)主磁通相當(dāng)。所以轉(zhuǎn)子磁鏈的控制，實(shí)質(zhì)上是電流的控制。 由于T軸方向，所以在等效的轉(zhuǎn)子T軸繞組中沒有變壓器電勢。但卻有旋轉(zhuǎn)電勢。因而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子T軸電流 （7-153）把式（7-148），（7-152）代入上式得 （7-154）或 （7-155）式中，是定子電流空間矢量與M軸之間的

9、夾角，如圖7-21所示。 （7-153）說明，轉(zhuǎn)差角頻率對轉(zhuǎn)矩的建立起重要作用。因?yàn)樵贛，T坐標(biāo)系中電磁轉(zhuǎn)矩由與作用產(chǎn)生，而由式（7-153）可知，只有在一定的轉(zhuǎn)差角頻率下才能產(chǎn)生。當(dāng)通過給出定子電流T軸分量來控制轉(zhuǎn)矩時(shí)，若保持不變則定子電流矢量的相位角即發(fā)生變化（見圖7-21）。從而使轉(zhuǎn)差角頻率得到改變?？梢姶艌龆ㄏ蚩刂品椒ú粌H控制了定子電流的副職有控制了它的相位。 式（7-150），（7-152）（7-154）使異步電動(dòng)機(jī)磁場定向控制的基本關(guān)系式。這些關(guān)系式說明，只要把定子電流矢量分成與磁鏈?zhǔn)噶科叫泻痛怪钡膬蓚€(gè)矢量進(jìn)行控制，就可以獨(dú)立地控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩Te。正因?yàn)槭前讯ㄗ与娏髯鳛榫哂袃蓚€(gè)垂直

10、分量，的矢量來控制，所以把磁場定向控制稱為矢量控制。在M,T軸系中及都是直流量，各自的控制與它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和電樞電流的控制相對應(yīng)。通常稱為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，稱為勵(lì)磁分量。各電流相互關(guān)系的矢量圖7-22所示。這里應(yīng)當(dāng)提及的事，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)在工頻電源恒定電壓情況下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有一最大值，但在磁場定向控制中，由于引進(jìn)了轉(zhuǎn)子磁鏈，當(dāng)控制以維持恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量成正比，所以電磁轉(zhuǎn)矩沒有上限值。此外，由于實(shí)現(xiàn)了和的解耦控制，因而產(chǎn)生了快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這就使控制系統(tǒng)能夠很容易地設(shè)計(jì)成具有四象限運(yùn)行的能力。所以，異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)能滿足伺服傳動(dòng)系統(tǒng)、軋鋼機(jī)傳動(dòng)系

11、統(tǒng)等高性能的用途。 圖7-21及其分量， 圖7-22 電流空間矢量圖三、磁鏈空間矢量的觀測模型圖7-23示出了磁場定向控制時(shí)的空間矢量圖。圖中軸被定位在定子A軸上，M、T以同步角速度1旋轉(zhuǎn)并且M軸被定位在轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶可?。為了?shí)現(xiàn)磁場定向控制，定子電流空間矢量的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量必須分別對準(zhǔn)M軸和軸。這就需要確定轉(zhuǎn)子磁鏈的瞬時(shí)空間相角1。另外，為了對M、T坐標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的指令值的實(shí)際測量值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和處理，又需要知道的幅值。直接檢測的相角及幅值在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)，所以只能檢測與有關(guān)的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)，如定子電壓、電流、氣隙、磁鏈、速度或轉(zhuǎn)子位置等，然后根據(jù)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型通過運(yùn)算求出的空間相角1

12、及幅值。此外也可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的指令值、和檢測到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)或轉(zhuǎn)子速度信號(hào)，由電動(dòng)機(jī)的參數(shù)通過計(jì)算求得1及。圖7-23 磁場定向控制的矢量圖能否實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的磁場定向控制取決于1及估算值的精確程度。因此要求觀測器數(shù)學(xué)模型要準(zhǔn)確；被檢測的電機(jī)運(yùn)行參數(shù)如電流、電壓、速度等要有足夠的精度；觀測模型中所用到的電動(dòng)機(jī)參數(shù)如定子繞組電阻r1、r2勵(lì)磁電感L1M、漏感l(wèi)1l、l2l等都應(yīng)很準(zhǔn)確的等于電機(jī)在該運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)際參數(shù)值。目前常用的觀測模型有如下幾種：1、 根據(jù)定子電流和定子電壓的檢測值估算1及根據(jù)、坐標(biāo)系定子電壓方程式（7-107）及磁鏈方程式（7-106）有 （7-156）由上式可得轉(zhuǎn)子電流 （7

13、-157）由式（7-106），轉(zhuǎn)子磁鏈為由以上三式可求得 （7-158）式中根據(jù)式（8-158）可構(gòu)成如圖（7-24）所示的運(yùn)算電路框圖。求得后，通過極坐標(biāo)變換即可求得1及。式（7-158）中的可由檢測到的定子相電壓、相電流信號(hào)經(jīng)過三相/兩相變換求得。在低頻下由于定子電壓降很難得到準(zhǔn)確的補(bǔ)償，所以這種的觀測模型通常在額定頻率10%以上時(shí)應(yīng)用。2、 根據(jù)定子電流和速度檢測信號(hào)估算根據(jù)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子磁鏈方程式（7-106） 可求得 （7-159）再由、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子電壓方程式（7-107）把式（7-159）代入上式得 （7-160）求得后，利用極坐標(biāo)變換可得到1及。根據(jù)上式可以構(gòu)成觀測器電路框圖如圖所示圖7-24根據(jù)定子電壓、電流估算的運(yùn)算框圖 圖7-25根據(jù)定子電流及速度估算的運(yùn)算框圖這個(gè)觀測器模型即使在低頻范圍內(nèi)也能得到較準(zhǔn)確的1及。但是應(yīng)當(dāng)注意，由于溫度變化和趨夫效應(yīng)，會(huì)使轉(zhuǎn)子電阻發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)改變，因