電機矢量控制介紹

電機矢量控制介紹2023/8/291第1頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月異步電機靜態(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)2023/8/292第2頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月異步電機物理模型與電壓方程多變量非線性方程求解復(fù)雜，簡化的方法是坐標變化，經(jīng)過三相到兩相的坐標變換，變量減少，電感為常數(shù)，數(shù)學(xué)模型簡化2023/8/293第3頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月ABCABCiAiBic

CFω1旋轉(zhuǎn)磁動勢產(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

i

i

Fω1

2023/8/294第4頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月坐標系：兩相靜止坐標系異步電機坐標變換與電壓方程ABC坐標系：三相靜止坐標系m-t坐標系：兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系空間矢量由三相靜止坐標系變換到兩相坐標系采用park變換2023/8/295第5頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月異步電機在d-q坐標系上的動態(tài)等效電路坐標系：M-T坐標系：2023/8/296第6頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月電壓方程：電磁轉(zhuǎn)矩及運動方程：異步電機兩相正交靜止坐標系數(shù)學(xué)模型磁鏈方程：電動2023/8/297第7頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月當兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時，將轉(zhuǎn)子磁鏈定向為d軸上，此時d-q坐標系即為m-t坐標系，此時：即，代入電壓方程中，得到：異步電機兩相正交旋轉(zhuǎn)坐標系數(shù)學(xué)模型電壓方程：磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程均不變。

2023/8/298第8頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月異步電機在M-T(轉(zhuǎn)子磁鏈定向)坐標系上的數(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)子時間常數(shù)MTuumut轉(zhuǎn)矩方程：1、定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。2、

r的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電機勵磁繞組的慣性作用是一致的。2023/8/299第9頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月電流控制變頻器÷異步電機矢量變換模型矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖2023/8/2910第10頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1、在異步電機矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈

r

和它的定向相位角

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

r

；②轉(zhuǎn)子磁場定向角的計算值等于其實際值

；③忽略電流控制變頻器的滯后作用。2、轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號是由磁鏈模型獲得的，其幅值和相位都受到電機參數(shù)Tr

和Lm

變化的影響，造成控制的不準確性。不如采用磁鏈開環(huán)控制，系統(tǒng)反而會簡單一些。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)。2023/8/2911第11頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月ASRACRabcmtSVPWMIM負載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)補償和過調(diào)制，弱磁控制等2023/8/2912第12頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月VF控制方式（1）調(diào)速中希望保持電機中每極磁通量

m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。（2）控制好Eg和f1，便可達到控制磁通的目的。（3）繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，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，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補償定子壓降。（5）在基頻以下，磁通恒定時轉(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)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。2023/8/2913第13頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月保持轉(zhuǎn)子磁通恒定，則機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機械特性曲線VF控制方式2023/8/2914第14頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1、為提高性能，加入矢量概念，選取適當?shù)淖鴺讼捣纸獬鼋频拇磐娏骱娃D(zhuǎn)矩電流，進行電壓、滑差頻率前饋控制2、自動滑差補償根據(jù)負載電流的大小，補償由于負載變化引起的滑差變化3、自動轉(zhuǎn)矩提升補償定子阻抗壓降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屬于開環(huán)控制，存在固有的不穩(wěn)定性，在空、輕載運行情況下，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定子電阻、瞬態(tài)漏抗的大小有關(guān)，并與死區(qū)時間設(shè)置，PWM模式等存在密切的關(guān)系。在不引入電機參數(shù)的情況下，采用電流反饋對頻率f，電壓V進行微調(diào)，來進行振蕩抑制。V/F控制的一些概念2023/8/2915第15頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月V/F控制的優(yōu)點：1、可以引入簡單的矢量模型，提高穩(wěn)態(tài)性能2、不需要參數(shù)辨識，可以驅(qū)動多臺電機缺點：1、動態(tài)響應(yīng)不好2、低速力矩不足5、限流控制矢量控制檢測電機轉(zhuǎn)速，可以直接控制滑差防止過流。V/F控制不知道電機的轉(zhuǎn)速，直接對定子施加設(shè)定的頻率，尤其動態(tài)及負載突變時，實際滑差過大，容易造成過流，需要用電流環(huán)來限制輸出電流，改變輸出頻率。V/F控制的一些概念2023/8/2916第16頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月1、電壓模型法即等效電路定子側(cè)方程，通常選取在坐標系上，由定子磁鏈可以進一步得出轉(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，磁鏈在低速時幅值和相位有較大變形，而且低速時定子反電動勢很小，實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，電壓指令準確性（即死區(qū)補償?shù)龋┯绊懘蟆＾D(zhuǎn)子磁鏈模型2023/8/2917第17頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2、電流模型法在M-T坐標系中：該方法在低速時效果較好。如果磁場定向控制實現(xiàn)，則磁鏈的角度可以認為是磁場定向角。如果知道電機的轉(zhuǎn)速，可以計算滑差頻率，與轉(zhuǎn)速和的積分可得到磁鏈角（即磁鏈的I-n模型）?？梢杂脕韺崿F(xiàn)磁場的直接定向，此時受轉(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。2023/8/2918第18頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3、電流、電壓混合模型由于電壓模型法在低速時磁鏈計算誤差較大，而電流模型法適合于低速，所以在低速時可以用電流模型計算的磁鏈去修正電壓模型，或用兩者的權(quán)重不同來得到磁鏈

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

2）取電壓模型和電流模型的加權(quán)平均計算磁鏈2023/8/2919第19頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4、自適應(yīng)狀態(tài)觀測器法

通常是在坐標系中，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。但這種開環(huán)的狀態(tài)觀測器受電機的參數(shù)、端電壓的誤差影響較大，并且抗干擾等能力差，實際上采用觀測的定子電流與實際采樣的定子電流的誤差，通過增益矩陣來糾正觀測的狀態(tài)變量，即LucenbergStateObserver。增益矩陣與電機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，以使電機在任何速度下，觀測器的極點是在電機極點的左側(cè)，這樣觀測器的收斂速度快且保證穩(wěn)定性。實際應(yīng)用中，不用碼盤反饋速度，而是采用自適應(yīng)律來辯識轉(zhuǎn)速，這樣可以實現(xiàn)無速度傳感器矢量控制。2023/8/2920第20頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月速度辨識模型1、采用電壓模型通過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，減去電機的滑差頻率，就得到電機的轉(zhuǎn)速，由于計算滑差頻率，受轉(zhuǎn)子電阻影響較大，低速的性能也不理想。2、電流模型、反電勢法先用M-T坐標系的電流模型計算出電機的氣隙磁鏈，再由反電勢算出磁場的旋轉(zhuǎn)頻率，再減去電機的滑差頻率，就得到電機的轉(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)觀測器需要選擇合適的自適應(yīng)率2023/8/2921第21頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月位置控制、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，計算量大內(nèi)環(huán)的性能對于外環(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)矩控制可以采用無速度矢量控制V/F控制無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，真正的速度控制2023/8/2922第22頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)運動方程，如果力矩控制給定的力矩大于負載力矩，則電機加速，為了防止電機轉(zhuǎn)速過大，需要對轉(zhuǎn)速進行限制。速度限制如果采用直接對輸出頻率進行限幅，則存在1、對于異步電機，會造成給定的力矩電流除了與負載平衡后，其余的轉(zhuǎn)換成勵磁電流，造成電機發(fā)熱及磁場定向錯誤，可能引起無速度矢量的穩(wěn)定2、對于同步電機，很難實現(xiàn)直接限制輸出頻率比較合理的方案是通過速度環(huán)的調(diào)節(jié)使力矩電流給定與負載相平衡，這樣電機的實際轉(zhuǎn)速會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2023/8/2923第23頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(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2#電機2、對拖機組負載試驗被測電機負載電機進行被測電機的四象限運行性能測試被測電機：速度控制負載電機：轉(zhuǎn)矩控制，給定+(-)負載力矩負載電機也可以為力矩限幅可調(diào)的速度控制，也可以達到同樣的測試目的2023/8/2924第24頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月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到0.866，常注入三次諧波法使電壓利用率達到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)計算法實現(xiàn)2023/8/2925第25頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月2、SVPWM（空間矢量PWM）6個有效矢量（V0～V6）的幅值＝2023/8/2926第26頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月計算有效矢量的作用時間T4和T6常采用兩種坐標系1、靜止坐標系由上圖可知：2、極坐標系2023/8/2927第27頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月零矢量和有效矢量選取的原則是在每個扇區(qū)內(nèi)或扇區(qū)間雖有多次開關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只有一個功率開關(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)補償，開關(guān)次數(shù)多，噪音小，開關(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)補償，開關(guān)次數(shù)減少1/3，噪音大，開關(guān)損耗小2023/8/2928第28頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月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的最小脈寬大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時間ton，否則開關(guān)管造成無謂的熱損耗，對輸出電壓也沒有貢獻，要避免發(fā)過小的脈寬波形2、過調(diào)制為增加輸出電壓能力，提高輸出轉(zhuǎn)矩，可以采用過調(diào)制。當調(diào)制比為1的時候，輸出線電壓的基波有效值為Udc/1.414過調(diào)制會產(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調(diào)制系數(shù)為1.10，此時輸出電壓為六階梯波當調(diào)制比為1時候，輸出電壓矢量的軌跡是有效矢量組成的六邊形的內(nèi)切圓當調(diào)制比最大時，輸出相電壓為六階梯波，進行基波分解，可知：2023/8/2929第29頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月3、死區(qū)補償在功率器件驅(qū)動中，死區(qū)時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。只要正確的檢測電流的方向，即可以在指令脈沖上補償死區(qū)，補償量的大小和許多因素有關(guān)，如功率器件的導(dǎo)通時間，截止時間，導(dǎo)通管壓降，續(xù)流二極管正向壓降等，這些都和負載有關(guān)系。死區(qū)補償重要的兩點，一是電流極性推算，二是補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)2023/8/2930第30頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月4、母線自動電壓調(diào)整（AVR）當母線電壓升高或降低時候，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（不采用過調(diào)制）2023/8/2931第31頁，課件共35頁，創(chuàng)作于2023年2月永磁同步電機永磁同步電機（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d、q軸電感相等，沒有磁阻轉(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q軸電感大于d軸