7 第七讲 异步电动机的矢量控制系统-吴学智.ppt

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1、异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，通过坐标变换，可以使之降阶并化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质。高动态性能的异步电机调速系统必须在其动态模型的基础上进行分析和设计。经过多年的潜心研究和实践，有几种控制方案已经获得了成功的应用，目前应用最广的就是按转子磁链定向的矢量控制系统。第七讲第七讲 矢量控制系统矢量控制系统直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组电流直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组电流Ia Ia与气隙磁与气隙磁链链ff相互作用产生相互作用产生的。由于直流电机在结构上就保证的。由于直流电机在结构上就保证了电枢电流矢量垂直于气隙磁链矢量，因此直流电机了电枢电流矢量垂

2、直于气隙磁链矢量，因此直流电机的电磁转矩为：的电磁转矩为：直流电动机电磁转矩直流电动机电磁转矩Ia是控制电机转矩的分量，If是控制电机磁场的分量，这两者是解耦的。如果If恒定，只要调节Ia就可控制转矩。异步电动机的电磁转矩是由气隙旋转磁场异步电动机的电磁转矩是由气隙旋转磁场mm与转子与转子电流电流Ir Ir相互作用产生的。而相互作用产生的。而mm又是定子电流又是定子电流I1I1与转子与转子电流电流I Ir r共同产生的。共同产生的。交流异步电动机电磁转矩交流异步电动机电磁转矩磁场和转矩是相互耦合的，采用标量控制时，这两者无法解耦。因而也无法获得良好的动态特性。矢量控制（也称磁场定向控制，Fie

3、ld-Oriented Control）的基本思想是把异步电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制，即将异步电机按转子磁场定向，实现励磁电流iM和转矩电流iT的独立控制，使非线性耦合解耦。异步电动机矢量图异步电动机矢量图如果异步电机按转子磁场定向，即将MT同步旋转坐标系中的M轴定在转子磁链方向，则定子电流is可以沿M轴和T轴分解为励磁电流iM和转矩电流iT，iM产生转子磁链，iT产生电磁转矩。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型经过坐标变换，异步电机可以等效成直流电机，模仿直流电机的控制策略得到直流电机的控制量，经过坐标

4、反变换，就能够控制异步电机了。由于进行坐标变换的是电流和磁链的空间矢量，所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢量控制系统（Vector Control System）。在进行旋转坐标变换时，只规定了d，q两轴的相互垂直关系，未规定两轴与电机旋转磁场的相对位置。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型选择d轴沿着转子磁链矢量的方向，称之为 M轴，而 q 轴垂直于转子总磁链矢量，称之为 T轴。在旋转坐标系下，M绕组相当于直流电机的励磁绕组，T 绕组相当于伪静止的电枢绕组。控制im等效于控制直流电机的磁通，it 相当控制形成转矩

5、的电枢电流。这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的坐标系。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型磁链方程 转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型由于M轴方向与转子磁链一致，则可得到：转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型电压方程为：转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转

6、子磁链方向上的数学模型对于笼型转子异步电动机，由于转子短路，则电压方程可简化为：转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型由电压方程的第三行得到：由磁链方程得到：化解得到：其中 为转子时间常数，ism被称为定子的励磁电流分量。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型由T轴磁链方程可得：M轴按转子磁场方向定向后，与之正交的T轴上定子电流分量的变化会立即引起相应转子电流分量的变化，不存在滞后。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型

7、异步电机在转子磁链方向上的数学模型电磁转矩方程为：化解后得到：这个转矩关系式很简单，同直流电动机的转矩公式一样。ist被称为转矩电流分量。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型转差角频率：如果转子时间常数和磁链不变，转差频率与定子电流的转矩分量成正比。n以上转差角频率方程式、电磁转矩方程和转子磁链方以上转差角频率方程式、电磁转矩方程和转子磁链方程就构成了按转子磁场定向的矢量控制系统的基本方程就构成了按转子磁场定向的矢量控制系统的基本方程式。在实际控制中，如果能够实现电流程式。在实际控制中，如果能够实现电流i iMM和和i i

8、T T的完的完全解耦，异步电动机便可获得类似于直流电动机的特全解耦，异步电动机便可获得类似于直流电动机的特性。性。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制异步电机在转子磁链方向上的数学模型异步电机在转子磁链方向上的数学模型转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。r 与 iM之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量iM突变时，r 的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制动态矢量图动态矢量图转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制模

9、仿直流电动机的控制方法，求出模仿直流电动机的控制方法，求出直流电动机的直流电动机的控制控制量量is isMM*和和is isT T*，再经过反变换就能得到异步电动机的控，再经过反变换就能得到异步电动机的控制量制量ia ia*、ib ib*、ic ic*。3/2VR等效直流电机i isasai iscsci isbsbi is si is si isTsTi isMsMr r转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制电流指令电流指令isM*和和isT*经过经过M-T坐标系坐标系、坐标系和坐标系和、坐标坐标系系三相静止坐标系的变换，变为三相电流指令三相静止坐标系的变换，变为三相电流指令ia*、ib*

10、、ic*，输入到三相变频器；，输入到三相变频器；变频器输出与变频器输出与ia*、ib*、ic*一样的实际电流一样的实际电流ia、ib、ic；ia、ib、ic通过通过3/2变换转换为变换转换为is、is，之后借助于单位矢量，之后借助于单位矢量cos和和sin转换到同步旋转坐标系中，得到的转换到同步旋转坐标系中，得到的isM、isT施加到施加到M-T坐标系坐标系下的电机模型上。下的电机模型上。控制电流指令控制电流指令i*sM和和i*sT就可以控制电机的磁场和转矩。就可以控制电机的磁场和转矩。i*sMba-TMcba-baTM-baba-cbacos sin 电流控制型变频器电 机M-T轴模 型控

11、制变频器电 机i*sTi*si*si*ai*bi*ciaibicisisisMisTcos sin 转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制该控制器需要两个反变换，以该控制器需要两个反变换，以便控制电流便控制电流i*sM和和i*sT分别与分别与电机电流电机电流isM、isT相一致。相一致。转子磁场定向是由坐标变换所转子磁场定向是由坐标变换所用单位矢量用单位矢量cos和和sin来保证来保证的，正确的单位矢量是保证矢的，正确的单位矢量是保证矢量控制原理实现的关键。量控制原理实现的关键。i*sMba-TMcba-baTM-baba-cbacos sin 电流控制型变频器电 机M-T轴模 型控 制变频

12、器电 机i*sTi*si*si*ai*bi*ciaibicisisisMisTcos sin 转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制从单位矢量获取方式上，矢量控制可以分为直接矢量从单位矢量获取方式上，矢量控制可以分为直接矢量控制和间接矢量控制两大类。控制和间接矢量控制两大类。当矢量控制所用单位矢量和磁链是直接检测到的或由检测到的电机的端子量及转速计算得到时，被称为直接矢量控制，也可称为磁通反馈矢量控制（Feedback Vector Control）。当矢量控制所用单位矢量和磁链是从电流指令值和转速来计算得到时，被称为间接矢量控制，也可称为磁通前馈矢量控制（Feedworward Vecto

13、r Control），又称为转差频率矢量控制。转子磁链定向矢量控制转子磁链定向矢量控制直接矢量控制系统框图直接矢量控制系统框图磁磁链链调节调节磁链磁链观测观测 VR-12/3M3测速测速ASR*+_*+_+PI-TeTe*iT*iMVSI直接矢量控制系统直接矢量控制系统借助于单位矢量借助于单位矢量(coscos 和和sinsin)，i*i*sMsM和和i*i*sTsT被变换到静被变换到静止坐标系中，静止坐标系上的信号然后被变换为逆变止坐标系中，静止坐标系上的信号然后被变换为逆变器的相电流指令值。器的相电流指令值。磁链给定信号由函数发生程序获得，磁链调节器实现磁链的精确控制。转矩电流分量i*sT

14、由带双极性限幅器的转速调节器产生，实现了电磁转矩的闭环控制，可实现正、反向运行。系统的频率是借助磁场定向角 实现了对相位和频率的控制。n该系统实现了磁链和转矩的完全解耦，精度高，可用于要求高性能调速场合，但系统构成和运算复杂。直接矢量控制系统直接矢量控制系统转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法在任意旋转速度坐标系下，定、转子及气隙磁链的方程式为：n磁链表达式与转速无关；n定子、转子、气隙磁链三者知道其一，另外两个就可推得。直接矢量控制系统直接矢量控制系统转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法直接法磁敏式检测法和探测线圈法n利用被测量的气隙磁通计算：u存在不少工艺和技术问题，破坏了

15、电机的机械鲁棒性。u由于齿槽的影响，检测信号中脉动分量较大。直接矢量控制系统直接矢量控制系统转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法间接法根据电压电流转速等其它物理量建立观测模型：n电压模型磁链观测器：利用定子电压和电流信号重构转子磁链信号。n电流模型磁链观测器：通过检测电动机的定子电流和转速信号来重构转子磁链信号。n组合模型法：电压、电流模型相结合的方法。直接矢量控制系统直接矢量控制系统转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法电压模型磁链观测器的定子磁链：直接矢量控制系统直接矢量控制系统转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法电压模型磁链观测器中的气隙磁链：电压模型磁链观测器中的

16、转子磁链：直接矢量控制系统直接矢量控制系统+_+_r1+_mrLL+_mrLL+_+_r1R Rs sL Llslsisa aY Yscosusa aisusL LlrlrY YmY YsY YmR Rs sL LlslsL LlrlrY YrY YrsinY Yr直接矢量控制系统直接矢量控制系统转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法电压模型磁链观测器框图转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法电压模型磁链观测器：n算法简单；算法中不含转子电阻，因此受电机参数变化影响小；不需转速信息。u低速时，随着定子电阻压降作用明显，测量误差淹没了反电动势，使得观测精度较低；纯积分环节的误差积累和

17、漂移问题严重，可能导致系统失稳。直接矢量控制系统直接矢量控制系统转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法电流模型磁链观测器框图：直接矢量控制系统直接矢量控制系统Cos Sin Y Yr+_+_+rmTLr1rmTLr1rT1rT1w wrY YrY Yrisa aispY YrpY Yr转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法电流模型磁链观测器：n算法不涉及纯积分项，观测值是渐近收敛的；低速的观测性能强于电压模型法。n需要转速作为输入信号；计算涉及到时变特性显著的参数，即转子时间常数，当电机的运行温度发生变化或磁路出现饱和时，变动范围较大，常需进行实时辨识才能保证磁链观测精度；高速时观

18、测性能较差。直接矢量控制系统直接矢量控制系统转子磁链矢量的获取方法转子磁链矢量的获取方法组合模型磁链观测器：n电压和电流模型结合起来使用，即在高速时让电压模型起作用，通过低通滤波器将电流模型的观测值滤掉；在低速时让电流模型起作用，通过高通滤波器将电压模型观测值滤掉。直接矢量控制系统直接矢量控制系统磁链开环的间接矢量控制系统磁链开环的间接矢量控制系统n在磁链闭环的直接矢量控制系统中，转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，受电机参数 Tr 和 Lm 变化的影响，造成控制的不准确性。n为避免复杂的磁链观测算法及运算偏差对闭环控制的影响，磁链开环的间接矢量控制在工业应用中比较流行。常利用矢量控制方程中的

19、转差公式构成转差型的矢量控制系统。在磁链恒定的情况下，电机转矩与转差频率成正比，因此，可以通过目标转矩值确定目标转差频率，从而计算目标磁链位置；转子磁链只采用开环控制，避免了磁通观测器带来的幅值和相位观测误差。间接矢量控制系统间接矢量控制系统转差频率矢量控制系统转差频率矢量控制系统定子d轴电流目标值可根据磁链目标值确定：忽略转子磁链动态过程中的波动，转差频率目标值可根据转矩目标值或q轴电流目标值确定：间接矢量控制系统间接矢量控制系统转差频率矢量控制系统转差频率矢量控制系统坐标变换中所需转子磁场转角由目标转差频率、转子角速度和定子电流目标值共同确定：间接矢量控制系统间接矢量控制系统转差频率矢量控

20、制系统框图转差频率矢量控制系统框图间接矢量控制系统间接矢量控制系统转差频率矢量控制系统的特点转差频率矢量控制系统的特点磁场定向由给定信号确定，靠矢量控制方程来保证，不需要实际计算转子磁链矢量，省去了转子磁链观测器，系统结构简单；磁链控制采用开环控制方式，磁链控制过程受电机转子参数影响小；运行中转子参数的变化及磁路饱和等因素影响会造成实际定向轴偏离设定的目标定向轴，影响解耦效果和控制性能。间接矢量控制系统间接矢量控制系统气隙磁场定向矢量控制系统的特点气隙磁场定向矢量控制系统的特点气隙磁通易于直接测量，同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适于处理饱和效应；与转子磁场相同

21、，维持气隙磁通恒定时，电磁转矩与q轴电流成正比；磁通关系和滑差关系中存在耦合，与解耦的转子磁通控制结构相比，耦合使基于气隙磁通控制的转矩和磁通控制结构图更复杂。其他磁链定向系统其他磁链定向系统定子磁场定向矢量控制系统的特点定子磁场定向矢量控制系统的特点在磁通闭环控制系统中，定子磁通定向在一般的调速范围内可利用定子方程做磁通观测器，非常易于实现，且不包括对温度变化非常敏感的转子参数；低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电势测量误差较大，导致定子磁通观测不准；与气隙磁场定向一样，磁通关系和滑差关系中存在耦合，耦合使转矩和磁通控制结构较复杂。其他磁链定向系统其他磁链定向系统矢量控制中的速

22、度反馈矢量控制中的速度反馈高性能电机调速系统必须有准确的转速反馈，常用转速传感器的种类：n电磁式：旋转变压器，接近开关式等；n磁敏式：磁敏电阻，磁敏二极管，霍尔传感器等；n光电式：增量式编码器，绝对式编码器。矢量控制的研究方向矢量控制的研究方向矢量控制中的速度反馈矢量控制中的速度反馈机械传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积。机械传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，降低了系统可靠性。受机械传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速系统不能广泛适应各种场合。机械传感器及其辅助电路增加了调速系统的成本，某些高精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。矢量

23、控制的研究方向矢量控制的研究方向矢量控制中的速度反馈矢量控制中的速度反馈无速度传感器控制方法：n直接计算法；n观测器方法(全阶状态观测器，降阶状态观测器，滑模观测器，扩展卡尔曼滤波器）；n模型参考自适应法；n高频信号注入法；n检测齿谐波进行转速辨识法；n基于人工智能理论基础的其它估算方法。矢量控制的研究方向矢量控制的研究方向无速度传感器矢量控制框图无速度传感器矢量控制框图矢量控制的研究方向矢量控制的研究方向异步电机控制系统的参数辨识（参数自整定）异步电机控制系统的参数辨识（参数自整定）参数的不准确性的产生原因：n制造工艺和材料的差异n电机运行状况对参数的影响n负载参数的变化按自整定时间分类n离

24、线式(off-line)整定：堵转实验、空载实验n在线式(on-line)整定：一般与无速度传感器控制算法结合。矢量控制的研究方向矢量控制的研究方向矢量控制的特点：矢量控制的特点：矢量控制通过坐标变换对异步电机进行转矩和磁通的解耦控制，有利于分别设计转速和磁链调节器，实现线性控制，调速范围宽；按转子磁场定向时磁通控制性能容易受电机转子参数影响，鲁棒性较差。矢量控制的主要研究方向：矢量控制的主要研究方向：基于电机参数辨识的自适应、自校正矢量控制系统无速度传感器控制方法。本章小结本章小结电机中那一个参数对电流模型磁链观测器影响最大电机中那一个参数对电流模型磁链观测器影响最大不同磁链观测器模型的特点不同磁链观测器模型的特点矢量变换的基本思路矢量变换的基本思路矢量变换需要几次坐标变换，变化原则是什么？矢量变换需要几次坐标变换，变化原则是什么？实现转子磁链定向控制的关键技术是什么？实现转子磁链定向控制的关键技术是什么？直接矢量控制框图及原理、特点直接矢量控制框图及原理、特点转差频率矢量控制系统框图及原理、特点转差频率矢量控制系统框图及原理、特点思考题思考题