電機(jī)矢量控制介紹

電機(jī)矢量控制介紹2023/3/281第一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日異步電機(jī)靜態(tài)等效電路f0：同步頻率(輸出頻率)fs=f0×Sfs：滑差頻率Pe=I22×R2/SPe:電磁功率Po=I22×R2（1-S)/S=(1-S)PePo:輸出功率f0=fs+frfr：轉(zhuǎn)子頻率(轉(zhuǎn)速)輸入變量是電壓幅值和頻率（即電壓矢量的相位）輸出變量是轉(zhuǎn)速和磁鏈1、忽略鐵芯損耗2、忽略磁路飽和,電感為常數(shù)2023/3/282第二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日異步電機(jī)物理模型與電壓方程多變量非線性方程求解復(fù)雜，簡(jiǎn)化的方法是坐標(biāo)變化，經(jīng)過(guò)三相到兩相的坐標(biāo)變換，變量減少，電感為常數(shù)，數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化2023/3/283第三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日ABCABCiAiBic

CFω1旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生三相繞組模型等效的兩相繞組模型1FMTimitMT旋轉(zhuǎn)兩相直流繞組模型iiFω12023/3/284第四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日坐標(biāo)系：兩相靜止坐標(biāo)系異步電機(jī)坐標(biāo)變換與電壓方程ABC坐標(biāo)系：三相靜止坐標(biāo)系m-t坐標(biāo)系：兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系空間矢量由三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系采用park變換2023/3/285第五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日異步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系上的動(dòng)態(tài)等效電路坐標(biāo)系：M-T坐標(biāo)系：2023/3/286第六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日電壓方程：電磁轉(zhuǎn)矩及運(yùn)動(dòng)方程：異步電機(jī)兩相正交靜止坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型磁鏈方程：電動(dòng)2023/3/287第七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時(shí)，將轉(zhuǎn)子磁鏈定向?yàn)閐軸上，此時(shí)d-q坐標(biāo)系即為m-t坐標(biāo)系，此時(shí)：即，代入電壓方程中，得到：異步電機(jī)兩相正交旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型電壓方程：磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程均不變。

2023/3/288第八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日異步電機(jī)在M-T(轉(zhuǎn)子磁鏈定向)坐標(biāo)系上的數(shù)學(xué)模型定子側(cè)穩(wěn)態(tài)電壓方程：由轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程可得：其中，T2是轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)MTuumut轉(zhuǎn)矩方程：1、定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。2、r的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓，這和直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的慣性作用是一致的。2023/3/289第九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日電流控制變頻器÷異步電機(jī)矢量變換模型矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖2023/3/2810第十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1、在異步電機(jī)矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈r

和它的定向相位角

都是實(shí)際存在的，而用于控制器的這兩個(gè)量都難以直接檢測(cè)，只能采用觀測(cè)值或模型計(jì)算值。因此，兩個(gè)子系統(tǒng)完全解耦只有在下述三個(gè)假定條件下才能成立：①轉(zhuǎn)子磁鏈的計(jì)算值等于其實(shí)際值r

；②轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向角的計(jì)算值等于其實(shí)際值；③忽略電流控制變頻器的滯后作用。2、轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號(hào)是由磁鏈模型獲得的，其幅值和相位都受到電機(jī)參數(shù)Tr

和Lm

變化的影響，造成控制的不準(zhǔn)確性。不如采用磁鏈開(kāi)環(huán)控制，系統(tǒng)反而會(huì)簡(jiǎn)單一些。在這種情況下，常利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)，又稱間接矢量控制系統(tǒng)。2023/3/2811第十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日ASRACRabcmtSVPWMIM負(fù)載ia,ib磁鏈模型矢量控制原理其中，比較重要的模塊是磁鏈、轉(zhuǎn)速模型，電流解耦控制，PWM的死區(qū)補(bǔ)償和過(guò)調(diào)制，弱磁控制等2023/3/2812第十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日VF控制方式（1）調(diào)速中希望保持電機(jī)中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒(méi)有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過(guò)分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過(guò)熱而損壞電機(jī)。（2）控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通的目的。（3）繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接控制的，當(dāng)電動(dòng)勢(shì)值較高時(shí)，忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，定子相電壓Us代替Eg，這就是恒壓頻比的控制方式（4）在低頻時(shí)Us和Eg

都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時(shí)，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。（5）在基頻以下，磁通恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時(shí)轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。2023/3/2813第十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日保持轉(zhuǎn)子磁通恒定，則機(jī)械特性曲線為一直線，這正是矢量控制所遵循的原則

Tes不同控制方式下的電機(jī)機(jī)械特性曲線VF控制方式2023/3/2814第十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1、為提高性能，加入矢量概念，選取適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系分解出近似的磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流，進(jìn)行電壓、滑差頻率前饋控制2、自動(dòng)滑差補(bǔ)償根據(jù)負(fù)載電流的大小，補(bǔ)償由于負(fù)載變化引起的滑差變化3、自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升補(bǔ)償定子阻抗壓降I1R1，防止氣隙磁通減小，造成轉(zhuǎn)矩特性下垂和最大轉(zhuǎn)矩下降imitu*RsitRsimusis4、空載或輕載振蕩抑制V/F屬于開(kāi)環(huán)控制，存在固有的不穩(wěn)定性，在空、輕載運(yùn)行情況下，由于阻尼作用較小，在半基頻附近（20Hz~30Hz），容易出現(xiàn)電流大幅振蕩。

VF系統(tǒng)中的振蕩特性與電機(jī)定子電阻、瞬態(tài)漏抗的大小有關(guān)，并與死區(qū)時(shí)間設(shè)置，PWM模式等存在密切的關(guān)系。在不引入電機(jī)參數(shù)的情況下，采用電流反饋對(duì)頻率f，電壓V進(jìn)行微調(diào)，來(lái)進(jìn)行振蕩抑制。V/F控制的一些概念2023/3/2815第十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日V/F控制的優(yōu)點(diǎn)：1、可以引入簡(jiǎn)單的矢量模型，提高穩(wěn)態(tài)性能2、不需要參數(shù)辨識(shí)，可以驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電機(jī)缺點(diǎn)：1、動(dòng)態(tài)響應(yīng)不好2、低速力矩不足5、限流控制矢量控制檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以直接控制滑差防止過(guò)流。V/F控制不知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直接對(duì)定子施加設(shè)定的頻率，尤其動(dòng)態(tài)及負(fù)載突變時(shí)，實(shí)際滑差過(guò)大，容易造成過(guò)流，需要用電流環(huán)來(lái)限制輸出電流，改變輸出頻率。V/F控制的一些概念2023/3/2816第十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日1、電壓模型法即等效電路定子側(cè)方程，通常選取在坐標(biāo)系上，由定子磁鏈可以進(jìn)一步得出轉(zhuǎn)子磁鏈?？紤]積分可能引入的漂移而增加高通濾波器，由于增加了高通濾波器，磁鏈在低速時(shí)幅值和相位有較大變形，而且低速時(shí)定子反電動(dòng)勢(shì)很小，實(shí)際電壓與電壓指令也不一致，誤差大，故該方法不適合低速下使用。由于磁鏈相位有畸變，不能采用直接定向，而采用轉(zhuǎn)差間接定向方式。電壓模型受定子電阻，電壓指令準(zhǔn)確性（即死區(qū)補(bǔ)償?shù)龋┯绊懘?。轉(zhuǎn)子磁鏈模型2023/3/2817第十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2、電流模型法在M-T坐標(biāo)系中：該方法在低速時(shí)效果較好。如果磁場(chǎng)定向控制實(shí)現(xiàn)，則磁鏈的角度可以認(rèn)為是磁場(chǎng)定向角。如果知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以計(jì)算滑差頻率，與轉(zhuǎn)速和的積分可得到磁鏈角（即磁鏈的I-n模型）?？梢杂脕?lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的直接定向，此時(shí)受轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)影響較大。閉環(huán)矢量控制即采用此方法定向，受轉(zhuǎn)子電阻影響大。在坐標(biāo)系中：用于模型參考自適應(yīng)中的可調(diào)模型，同樣受轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)影響較大。2023/3/2818第十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3、電流、電壓混合模型由于電壓模型法在低速時(shí)磁鏈計(jì)算誤差較大，而電流模型法適合于低速，所以在低速時(shí)可以用電流模型計(jì)算的磁鏈去修正電壓模型，或用兩者的權(quán)重不同來(lái)得到磁鏈

1）用電流模型與電壓模型磁鏈通過(guò)PI調(diào)節(jié)器的輸出來(lái)補(bǔ)償電壓模型的端電壓（電流模型采用M-T坐標(biāo)系，磁鏈角即坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角）

2）取電壓模型和電流模型的加權(quán)平均計(jì)算磁鏈2023/3/2819第十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日4、自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)器法

通常是在坐標(biāo)系中，以定子側(cè)電流和轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈為狀態(tài)變量，在速度已知的情況下，聯(lián)立接電壓、電流狀態(tài)方程，可以解得磁鏈。但這種開(kāi)環(huán)的狀態(tài)觀測(cè)器受電機(jī)的參數(shù)、端電壓的誤差影響較大，并且抗干擾等能力差，實(shí)際上采用觀測(cè)的定子電流與實(shí)際采樣的定子電流的誤差，通過(guò)增益矩陣來(lái)糾正觀測(cè)的狀態(tài)變量，即LucenbergStateObserver。增益矩陣與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，以使電機(jī)在任何速度下，觀測(cè)器的極點(diǎn)是在電機(jī)極點(diǎn)的左側(cè)，這樣觀測(cè)器的收斂速度快且保證穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用中，不用碼盤反饋速度，而是采用自適應(yīng)律來(lái)辯識(shí)轉(zhuǎn)速，這樣可以實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器矢量控制。2023/3/2820第二十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日速度辨識(shí)模型1、采用電壓模型通過(guò)電壓模型得到磁鏈旋轉(zhuǎn)角，磁鏈角度的微分得到磁鏈旋轉(zhuǎn)頻率，減去電機(jī)的滑差頻率，就得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于計(jì)算滑差頻率，受轉(zhuǎn)子電阻影響較大，低速的性能也不理想。2、電流模型、反電勢(shì)法先用M-T坐標(biāo)系的電流模型計(jì)算出電機(jī)的氣隙磁鏈，再由反電勢(shì)算出磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率，再減去電機(jī)的滑差頻率，就得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該方法高速不好，同樣也受轉(zhuǎn)子電阻影響。3、采用電壓、電流混合模型用混合模型計(jì)算磁鏈，然后采用相應(yīng)方法估算轉(zhuǎn)速。4、自適應(yīng)狀態(tài)觀測(cè)器需要選擇合適的自適應(yīng)率2023/3/2821第二十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日位置控制、轉(zhuǎn)矩控制、速度控制

PIPI矢量控制PI轉(zhuǎn)矩控制速度控制位置控制越內(nèi)環(huán)響應(yīng)越快，帶寬越寬，要求也越高，越外環(huán)控制越復(fù)雜，計(jì)算量大內(nèi)環(huán)的性能對(duì)于外環(huán)性能有較大的影響，做好外環(huán)的前提是把內(nèi)環(huán)做好位置控制需要加編碼器，速度控制和轉(zhuǎn)矩控制可以采用無(wú)速度矢量控制V/F控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，真正的速度控制2023/3/2822第二十二頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程，如果力矩控制給定的力矩大于負(fù)載力矩，則電機(jī)加速，為了防止電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)大，需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制。速度限制如果采用直接對(duì)輸出頻率進(jìn)行限幅，則存在1、對(duì)于異步電機(jī)，會(huì)造成給定的力矩電流除了與負(fù)載平衡后，其余的轉(zhuǎn)換成勵(lì)磁電流，造成電機(jī)發(fā)熱及磁場(chǎng)定向錯(cuò)誤，可能引起無(wú)速度矢量的穩(wěn)定2、對(duì)于同步電機(jī)，很難實(shí)現(xiàn)直接限制輸出頻率比較合理的方案是通過(guò)速度環(huán)的調(diào)節(jié)使力矩電流給定與負(fù)載相平衡，這樣電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)比速度限幅值大一些。轉(zhuǎn)矩控制方案P

轉(zhuǎn)矩限幅轉(zhuǎn)矩給定速度限幅2023/3/2823第二十三頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日轉(zhuǎn)矩控制應(yīng)用1、收卷應(yīng)用速度控制轉(zhuǎn)矩控制1#電機(jī)2#電機(jī)2、對(duì)拖機(jī)組負(fù)載試驗(yàn)被測(cè)電機(jī)負(fù)載電機(jī)進(jìn)行被測(cè)電機(jī)的四象限運(yùn)行性能測(cè)試被測(cè)電機(jī)：速度控制負(fù)載電機(jī)：轉(zhuǎn)矩控制，給定+(-)負(fù)載力矩負(fù)載電機(jī)也可以為力矩限幅可調(diào)的速度控制，也可以達(dá)到同樣的測(cè)試目的2023/3/2824第二十四頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日PWM模塊常用的PWM方法：1、SPWM（正弦PWM）用正弦波調(diào)制，則母線電壓利用率只能達(dá)到0.866，常注入三次諧波法使電壓利用率達(dá)到1，相調(diào)制函數(shù)：

脈寬M:調(diào)制比，調(diào)制波幅值與載波幅值之比可采用查表法和代數(shù)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)2023/3/2825第二十五頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日2、SVPWM（空間矢量PWM）6個(gè)有效矢量（V0～V6）的幅值＝2023/3/2826第二十六頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日計(jì)算有效矢量的作用時(shí)間T4和T6常采用兩種坐標(biāo)系1、靜止坐標(biāo)系由上圖可知：2、極坐標(biāo)系2023/3/2827第二十七頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日零矢量和有效矢量選取的原則是在每個(gè)扇區(qū)內(nèi)或扇區(qū)間雖有多次開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件改變狀態(tài)，根據(jù)零矢量的選擇不同，可分為：1、三相調(diào)制將零矢量平均分配在波形的兩邊和中間，其波形如下：2、兩相調(diào)制將零矢量只分配在波形的兩邊或中間，其波形如下：扇區(qū)的劃分固定，相調(diào)制函數(shù)連續(xù)，有利于死區(qū)補(bǔ)償，開(kāi)關(guān)次數(shù)多，噪音小，開(kāi)關(guān)損耗大根據(jù)零矢量的選擇不同，可以有不同的扇區(qū)劃分，分別對(duì)應(yīng)不同的相調(diào)制函數(shù)，相調(diào)制函數(shù)不連續(xù)，低速下有小脈寬，不利于死區(qū)補(bǔ)償，開(kāi)關(guān)次數(shù)減少1/3，噪音大，開(kāi)關(guān)損耗小2023/3/2828第二十八頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日PWM的一些概念1、最小脈寬限制為了保證主電路器件的安全工作，必須使PWM的最小脈寬大于開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間ton，否則開(kāi)關(guān)管造成無(wú)謂的熱損耗，對(duì)輸出電壓也沒(méi)有貢獻(xiàn)，要避免發(fā)過(guò)小的脈寬波形2、過(guò)調(diào)制為增加輸出電壓能力，提高輸出轉(zhuǎn)矩，可以采用過(guò)調(diào)制。當(dāng)調(diào)制比為1的時(shí)候，輸出線電壓的基波有效值為Udc/1.414過(guò)調(diào)制會(huì)產(chǎn)生輸出電壓的低頻奇次諧波，使輸出電流波形畸變最大過(guò)調(diào)制系數(shù)為1.10，此時(shí)輸出電壓為六階梯波當(dāng)調(diào)制比為1時(shí)候，輸出電壓矢量的軌跡是有效矢量組成的六邊形的內(nèi)切圓當(dāng)調(diào)制比最大時(shí)，輸出相電壓為六階梯波，進(jìn)行基波分解，可知：2023/3/2829第二十九頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日3、死區(qū)補(bǔ)償在功率器件驅(qū)動(dòng)中，死區(qū)時(shí)間的加入是為了防止出現(xiàn)上下橋臂間的“直通”現(xiàn)象，它的引入使輸出電壓幅值下降，相位漂移，與理想輸出電壓間存在偏差△U。只要正確的檢測(cè)電流的方向，即可以在指令脈沖上補(bǔ)償死區(qū)，補(bǔ)償量的大小和許多因素有關(guān)，如功率器件的導(dǎo)通時(shí)間，截止時(shí)間，導(dǎo)通管壓降，續(xù)流二極管正向壓降等，這些都和負(fù)載有關(guān)系。死區(qū)補(bǔ)償重要的兩點(diǎn)，一是電流極性推算，二是補(bǔ)償量的選擇采用電流閉環(huán)的方法可以減少死區(qū)效應(yīng)2023/3/2830第三十頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日4、母線自動(dòng)電壓調(diào)整（AVR）當(dāng)母線電壓升高或降低時(shí)候，需要調(diào)整PWM的占空比，保證輸出電壓不變。V/F曲線母線電壓降低后的V/F曲線（不采用過(guò)調(diào)制）2023/3/2831第三十一頁(yè)，共三十五頁(yè)，2022年，8月28日永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)（4極）示意圖按轉(zhuǎn)子永磁體的安裝方式分為：1、表貼式永磁同步電機(jī)d、q軸電感相等，沒(méi)有磁阻轉(zhuǎn)矩；由于永磁片容易脫落，轉(zhuǎn)速很難做高2、內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)q軸電感大于d軸電感