交流電機(jī)矢量控制理論.ppt

1、交流電機(jī)矢量控制基本原理,內(nèi)容提要,交流電機(jī)矢量控制基本思想 坐標(biāo)變換的基本思想 交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)基本思路,直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較簡單，圖中F 為勵磁繞組，A 為電樞繞組，C 為補(bǔ)償繞組。F 和 C 都在定子上，只有 A 是在轉(zhuǎn)子上。 F 的軸線稱作直軸或 d 軸（direct axis），主磁通的方向就是沿著 d 軸的；A和C 的軸線則稱為交軸或q 軸（quadrature axis）。 電樞磁動勢的作用可以用補(bǔ)償繞組磁動勢抵消，或者由于其作用方向與 d 軸垂直而對主磁通影響甚微，主磁通由勵磁繞組的勵磁電流唯一決定，磁場與轉(zhuǎn)矩電流正交，解耦，這是直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及其控制系統(tǒng)比較簡單的根

2、本原因。,圖5-1 二極直流電機(jī)物理模型,d,q,F,A,C,if,ia,ic,勵磁繞組,電樞繞組,補(bǔ)償繞組,直流電機(jī)的物理模型,一、交流電機(jī)矢量控制基本思想,一、交流電機(jī)矢量控制基本思想,矢量控制實現(xiàn)的基本原理是根據(jù)磁場定向原理將交流電機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，由于同時控制兩個分量的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制。,仿照直流電機(jī)控制思想,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩運(yùn)動方程式,系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵是對電磁轉(zhuǎn)矩有效控制,交流電機(jī)的物理模型,二、坐標(biāo)變換的基本思路,如果能將交流電機(jī)的物理模型（見下圖）等

3、效地變換成類似直流電機(jī)的模式，分析和控制就可以大大簡化。坐標(biāo)變換正是按照這條思路進(jìn)行的。 在這里，不同電機(jī)模型彼此等效的原則是：在不同坐標(biāo)下所產(chǎn)生的磁動勢完全一致。,A,B,C,A,B,C,iA,iB,iC,F,s,圖5-2a 三相交流繞組,（1）異步電機(jī)繞組的等效物理模型,二、坐標(biāo)變換的基本思路,眾所周知，交流電機(jī)三相對稱的靜止繞組 A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦電流時，所產(chǎn)生的合成磁動勢是旋轉(zhuǎn)磁動勢F，它在空間呈正弦分布，以同步轉(zhuǎn)速 s （即電流的角頻率）順著 A-B-C 的相序旋轉(zhuǎn)。,然而，旋轉(zhuǎn)磁動勢并不一定非要三相不可，除單相以外，二相、三相、四相、 等任意對稱的多相繞組，通以平

4、衡的多相電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，當(dāng)然以兩相最為簡單。,（2）等效的兩相交流電機(jī)繞組,F,i,i,s,圖5-2b 兩相交流繞組,二、坐標(biāo)變換的基本思路,圖5-2b中繪出了兩相靜止繞組和，它們在空間互差90，通以時間上互差90的兩相平衡交流電流，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢 F 。 當(dāng)圖a和b的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢大小和轉(zhuǎn)速都相等時，即認(rèn)為圖5-2b的兩相繞組與圖5-2a的三相繞組等效。,二、坐標(biāo)變換的基本思路,（3）旋轉(zhuǎn)的直流繞組與等效直流電機(jī)模型,再看圖5-2c中的兩個匝數(shù)相等且互相垂直的繞組d和q，其中分別通以直流電流 id 和 iq，產(chǎn)生合成磁動勢F ，其位置相對于繞組來說是固定的。 如果讓包含兩個繞組在

5、內(nèi)的整個鐵心以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則磁動勢F自然也隨之旋轉(zhuǎn)起來，成為旋轉(zhuǎn)磁動勢。,圖5-2c 旋轉(zhuǎn)的直流繞組,二、坐標(biāo)變換的基本思路,把這個旋轉(zhuǎn)磁動勢的大小和轉(zhuǎn)速也控制成與圖a和圖b中的磁動勢一樣，那么這套旋轉(zhuǎn)的直流繞組也就和前面兩套固定的交流繞組都等效了。當(dāng)觀察者也站到鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，在他看來，d 和 q 是兩個通以直流而相互垂直的靜止繞組。 如果控制磁通的位置在d軸上，就和直流電機(jī)物理模型沒有本質(zhì)上的區(qū)別了。繞組d相當(dāng)于勵磁繞組，q相當(dāng)于電樞繞組。,二、坐標(biāo)變換的基本思路,等效的概念,由此可見，以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，圖5-2a的三相交流繞組、圖b的兩相交流繞組和圖c中整體旋轉(zhuǎn)的直

6、流繞組彼此等效?；蛘哒f，在三相坐標(biāo)系下的 iA、iB 、iC，在兩相坐標(biāo)系下的 i、i 和在旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)系下的直流 id、iq 是等效的，它們能產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢。,現(xiàn)在的問題是，如何求出iA、iB 、iC 與 i、i 和 id、iq 之間準(zhǔn)確的等效關(guān)系，這就是坐標(biāo)變換的任務(wù)。,二、坐標(biāo)變換的基本思路,2. 三相-兩相變換（3/2變換）,現(xiàn)在先考慮上述的第一種坐標(biāo)變換在三相靜止繞組A、B、C和兩相靜止繞組、 之間的變換，或稱三相靜止坐標(biāo)系和兩相靜止坐標(biāo)系間的變換，簡稱 3/2 變換。,圖5-3中繪出了 A、B、C 和 、 兩個坐標(biāo)系，為方便起見，取 A 軸和 軸重合。設(shè)三相繞組每相有效匝數(shù)為

7、N3，兩相繞組每相有效匝數(shù)為N2，各相磁動勢為有效匝數(shù)與電流的乘積，其空間矢量均位于有關(guān)相的坐標(biāo)軸上。由于交流磁動勢的大小隨時間在變化著，圖中磁動勢矢量的長度是隨意的。,C,A,N2i,N3i,N3i,N3i,N2i,60o,60o,B,圖5-3 三相和兩相坐標(biāo)系與繞組磁動勢的空間矢量,設(shè)磁動勢波形是正弦分布的，當(dāng)三相總磁動勢與二相總磁動勢 相等時，兩套繞組瞬時磁動勢在 、 軸上的投影都應(yīng)相等，,二、坐標(biāo)變換的基本思路,二、坐標(biāo)變換的基本思路,寫成矩陣形式，得,考慮變換前后總功率不變,等幅值變換,二、坐標(biāo)變換的基本思路,令 C3/2 表示從三相坐標(biāo)系變換到兩相坐標(biāo)系的變換矩陣，則,二、坐標(biāo)變換

8、的基本思路,3. 兩相靜止兩相旋轉(zhuǎn)變換（2s/2r變換）,從圖5-2等效的交流電機(jī)繞組和直流電機(jī)繞組物理模型的圖 b 和圖 c 中，兩相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d、q 變換稱作兩相靜止兩相旋轉(zhuǎn)變換，簡稱 2s/2r 變換，其中 s 表示靜止，r 表示旋轉(zhuǎn)。把兩個坐標(biāo)系畫在一起，即得圖5-4。,iqsin,i,Fs,s,idcos,id,idsin,iqcos,i,iq,d,q,圖5-4 兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與磁動勢（電流）空間矢量,圖5-4中，兩相交流電流 i、i 和兩個直流電流 id、iq 產(chǎn)生同樣的以同步轉(zhuǎn)速s旋轉(zhuǎn)的合成磁動勢Fs。,d，q 軸和矢量 Fs（ is ）都以轉(zhuǎn)速 s 旋轉(zhuǎn)

9、，分量 id、iq 的長短不變，相當(dāng)于d，q繞組的直流磁動勢。但 、 軸是靜止的， 軸與 d 軸的夾角 隨時間而變化，因此 is 在 、 軸上的分量的長短也隨時間變化，相當(dāng)于繞組交流磁動勢的瞬時值。由圖5-4可見，i、 i 和 id、iq 之間存在下列關(guān)系：,二、坐標(biāo)變換的基本思路,二、坐標(biāo)變換的基本思路,則兩相靜止坐標(biāo)系變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換陣是,兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系的變換陣是,前已指出，異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，坐標(biāo)變換的目的就是要簡化數(shù)學(xué)模型。異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型是建立在三相靜止的ABC坐標(biāo)系上的，如果把它變換到兩相坐標(biāo)系上，由于兩

10、相坐標(biāo)軸互相垂直，兩相繞組之間沒有磁的耦合，可簡化數(shù)學(xué)模型。,三、矢量控制系統(tǒng)的基本思路,ABC坐標(biāo)系, 坐標(biāo)系,dq坐標(biāo)系,3/2變換,C2s/2r,要把三相靜止坐標(biāo)系上的電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程都變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上來，可以先利用 3/2 變換將方程式中定子和轉(zhuǎn)子的電壓、電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩都變換到兩相靜止坐標(biāo)系 、 上，然后再用旋轉(zhuǎn)變換陣 C2s/2r 將這些變量變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 dq 上。,如果觀察者站到鐵心上與坐標(biāo)系一起旋轉(zhuǎn)，他所看到的便是一臺直流電機(jī)，可以控制使交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子總磁通 r (等效直流電機(jī)的磁通)，如果把d軸定位于的磁通方向上，稱作M（Magnetization）

11、軸，把q軸稱作T（Torque）軸，則M繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵磁繞組，im 相當(dāng)于勵磁電流，T 繞組相當(dāng)于電樞繞組，it 相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。,交流電機(jī),直流電機(jī),三、矢量控制系統(tǒng)的基本思路,把上述等效關(guān)系用結(jié)構(gòu)圖的形式畫出來，便得到圖5-5。從整體上看，輸入為A，B，C三相電流，輸出為轉(zhuǎn)速 ，是一臺異步電機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換，變成一臺由 im 和 it 輸入，由 輸出的直流電機(jī)。,圖5-5 異步電動機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖 3/2三相/兩相變換; VR同步旋轉(zhuǎn)變換; M軸與軸（A軸）的夾角,3/2,VR,等效直流 電機(jī)模型,A,B,C,iA,iB,iC,it,im,i,i,異步電動機(jī),既然異步電機(jī)經(jīng)過坐標(biāo)變換可以等效成直流電機(jī)，那么，模仿直流電機(jī)的控制策略，得到直流電機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了。 在設(shè)計矢量控制系統(tǒng)時，可以認(rèn)為，在控制器