§3.6--磁场定向控制原理

1、上一节§ 3.6异步电动机的矢量控制异步电动机的磁场定向控制是从 70年代发展起来的一种新的控制 技术。定义：异步电动机的磁场定向控制是把定子电流做为具有垂直分量 的空间分量来处理的，因此又称为矢量控制。目的：通过这种控制技术能使异步电动机得到和直流电动机相同的 调速特性 一.磁场定向控制的基本思想 基本思想；把交流电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制在任何电力拖动的控制系统，电动机产生的电磁转矩 Te作用在电动机轴上的负载转矩（包括电动机的空载转矩 M0 ） Tl以及惯性转矩J m/dt三者之间的关系都由转矩平衡方程式决定，即:Te Tlj m/dt设Tl及J均为常数，那么在

2、动态过程中电动机速度m的变化规律完全取决于对电动机的电磁转矩 Te的控制。举例如下:起动和制动的过程中，如果控制电动机的电磁转矩 Te使其保持在最大允许值，就能使电动机以最大的恒加速度或恒减速度运 行，从而缩短了起、制动的时间。在突加负载时，只要能迅速地使电动机的电磁转矩Te增加,就可以使动态速降减小，缩短速度的恢复时间。由此可见调速系统动态性能的好坏完全取决于在动态过程中电动机的转矩是否能很方便、很准确地被调节和控制。由于结构上的特点， 他励直流电动机的电磁转矩 Te 很容易控 制。其工作原理可用下图来表示。在励磁绕组 f 中通以励磁电流 i f 则通过电刷及换相器流入 电枢绕组。由于电刷和

3、换相器的作用，使得电枢绕组虽然在转动但 它产生的电枢磁场在空间是固定不动的。 因此可用一个等效的静止 绕组来代替实际的电枢绕组。 这个等效静止绕组的轴线与励磁绕组 轴线垂直，绕组中通过电枢电流 ia ，产生的磁场与实际电枢绕组产 生的磁场相同，并且由于实际电枢绕组在旋转，因此等效静止绕组ea中有一感应电势 ea ，这样，就可以用下图的等效模型来代替实际 的他励直流电动机。励磁绕组中通入的励磁电流产生主极磁通 ，电枢绕组电流 ia 与 作用产生电磁转矩 Te 。无论电机处于稳态或动态，它产生的电磁转矩都是Te Ct i2。由于励磁绕组轴线与等效的电枢静止绕组轴线互相垂直，再利用补偿绕组的磁、势抵

4、消掉电枢磁势对主极磁通的影响，因此可以认为主极磁通仅与励磁电流if有关而与电枢电流ia无关。如果励磁电流恒定，他励直流电动机的电磁转矩Te将与电枢电流ia成正比。调节和控制电枢电流就能实现对电磁转矩的调节和控制。笼型转子异步电动机上，定子上有三个对称绕组，转子绕组则由彼此互相短路的导体组成。能够直接控制的变量只有定子电压（或电流）及定子的频率。他没有象直流电动机那种独立的励磁绕组，所以有效磁通不能以简单的形式决定。异步电动机（包括笼型转子及饶线转子异步电动机）的电磁转矩公式为:TeCt mCOS 2式中m是由定、转子电流共同作用产生的气隙合成磁通，它以定子电流角频率 1在空间旋转。i2是转子电

5、流空间矢量的幅值，不能直接控制。"m与2之间的空间相位角为 902不象直流电动机那样iam 互差。强。2是转差角频率S 的函数。S越大，i2的去磁作用就越当升高定子电流频率以增大转差角频率以使转矩增加时,气隙磁通 m就趋向与减弱。磁通的这个瞬态下降时电动机电磁转矩的响应变得迟缓。这种复杂的耦合作用使得电动机的电磁转矩难以准确控制。为了解决这个问题，可以采用异步电动机转子磁场定向控制的方法。在上面我们介绍了在以转子总磁链空间矢量定向的M，T同步旋转的坐标系中，定子电流空间矢量1被分解为沿M轴和T轴方向上两个互相垂直的分量iMi和iTi，此时用iMi及iTi表达的转矩公式TePLim /

6、 L r 2帚转子磁链2与iMi之间的关系为:由于2 Lim /(i T2P)iMiiTi与iMi互相垂直，是解耦的，可以独立改变某一个而不致影响另一个变量。其中iMi用于产生磁链'2，它与直流电动机的励磁电流相当；iTi则用于产生电磁转矩，与直流电动机电枢电流相当。在额定频率以下运行时'2保持不变而靠改变iTi来调节转矩Te，这就与他励直流电动机的转矩控制相同了。二、异步电动机的矢量控制原理图7 20所示了在磁场定向的M,T坐标系中异步电动机的模型。为了便于了解定子绕组与旋转的转子磁链空间矢量2之间的关系，通过坐标变换把定子三项绕组等效为与 2同步旋转的两相绕组，即轴线与2平

7、行的M绕组及与一2垂直的Ti绕组。这时M,Ti绕组中的电流iTi、iM1都是直流。转子三相绕组（绕线转子异步电动机）也同样被变换成M,T坐标系中的M2，T2两个绕组。图7-20 M、T坐标系统异步电动机的模在图中给出的速度3 1,3，转矩Te以及个电流的正方向。电磁转矩Te可以看成转子磁链-2与转子电流2相互作用产生。由于iM2产生的磁势与2方向一致，所以它不产生电磁转矩，产生电磁转矩的只有i；的T轴分量i；2，故有TeiT2 2(7-145)转子磁链2是由定子M轴绕组电流iMl在转子侧产生的互感磁链L1MiM1与转子M轴绕组电流iM2产生的磁链(LimL2i)iM2LRiM2两者之和，即2

8、L1M Im 1 L rIm 2(7-146)T轴上转子磁链T2 0，即0 L1M iT1L R It 2(7-147)上式说明，为了使T2 0，定子T轴绕组电流iT1产生的转子T轴绕组的互感磁链L1MiT1必须抵消掉转子T轴绕组产生的总磁链LRiT2，故iT2与iTi之间应满足下式关系iT2L1M -LIM :(7-148)把上式代入式（8-145 ）得TeL1 M ；-iT1 2Lr(7-149)上式对图7-20所示两极电机模型到出的，若极对数为P则上式变为丁L1M -TeP2 L1M iiyniM 2.lr将上式代入（7-151）解出2为:L1M 1 T2PT 1 2Lr(7-150)

9、转子电流iM2由转子M轴绕组电势eM2产生。由于M轴绕组轴线与转子磁链2方向一致，所以不产生旋转电势，但当2发生变化时，即产生变压器电势eM2，即eM 2转子电流iM2为i M2eM 22(7-151)2是由iM1，iM2共同作用产生7-146解出(7-152) 有上式看出，在稳态下P 2 0,此时转子 M绕组中的变压器电势为 零，iM2 0，因此2完全有定子M绕组中的电流iM1产生。当改变iM1时,2将发生变化，于是在转子M绕组中立即产生电势eM2P 2,因而产生电流iM2及磁链LrIm2，阻碍2的变化，使2的变化滞后于iM1。这与直流电机中通过励磁电压调节主磁通相当。所以转子磁链的控制，实

10、质上是电流的控制。由于T轴方向t20，所以在等效的转子T轴绕组中没有变压器电势P 2。但却有旋转电势eT2（ 12。因而产生转子T轴电流iT2iT2 ( 122S2(7-153)把式（7-148），（ 7-152 ）代入上式得1T2P It1ST2I M 1T2 Im1pJiiI M1(7-154)1 T2P It11T2I M1式中互tg ,IM 1(7-155)是定子电流空间矢量i1与M轴之间的夹角，如图7-21所示。（7-153）说明，转差角频率 S对转矩的建立起重要作用。因为在M T坐标系中电磁转矩由iT2与2作用产生，而由式（7-153 ）可知，只有在一定的转差角频率S下才能产生iT

11、2。当通过给出定子电流T轴分量iTi来控制转矩时，若保持iM1不变则定子电流矢量Ti的相位 角 即发生变化（见图7-21 ）。从而使转差角频率得到改变。可见磁 场定向控制方法不仅控制了定子电流的副职有控制了它的相位。式（7-150），（ 7-152）（ 7-154 ）使异步电动机磁场定向控制的基 本关系式。这些关系式说明，只要把定子电流矢量分成与磁链矢量 -2和转矩平行和垂直的两个矢量进行控制，就可以独立地控制磁链Teo正因为是把定子电流作为具有两个垂直分量iM1，iT1的矢量来控制,所以把磁场定向控制称为矢量控制。在M,T轴系中iM1及iT1都是直流 量，各自的控制与它励直流电动机的励磁电流

12、和电枢电流的控制相对 应。通常称iT1为定子电流的转矩分量，iM1称为励磁分量。各电流相 互关系的矢量图7-22所示。这里应当提及的事，当异步电动机在工频电源恒定电压情况下运行时，电动机的电磁转矩有一最大值，但在磁场定向控制中，由于引 进了转子磁链，当控制iM1以维持2恒定时，电磁转矩与定子电流的 转矩分量成正比，所以电磁转矩没有上限值。此外，由于实现了 iM1和 iT1的解耦控制，因而产生了快速的动态响应，这就使控制系统能够很容易地设计成具有四象限运行的能力。 所以，异步电动机的矢量控制 系统能满足伺服传动系统、轧钢机传动系统等高性能的用途。图7-21 ii及其分量iMi ,，TiM图7-2

13、2电流空间矢量图三、磁链空间矢量-2的观测模型图7-23示出了磁场定向控制时的空间矢量图。图中a轴被定位 在定子A轴上，M T以同步角速度3 1旋转并且M轴被定位在转子磁链矢量2上。为了实现磁场定向控制，定子电流空间矢量ii的励磁分 量和转矩分量必须分别对准M轴和轴。这就需要确定转子磁链-2的瞬 时空间相角0 1。另外，为了对M T坐标系统运行参数的指令值的实 际测量值进行数学运算和处理，又需要知道2的幅值2。直接检测2 的相角及幅值在技术上难以实现，所以只能检测与-2有关的电机运行 参数，如定子电压、电流、气隙、磁链、速度或转子位置等，然后根 据电机的动态数学模型通过运算求出 2的空间相角0

14、 1及幅值2。此外也可以根据系统运行的指令值i*Ti、i*Mi和检测到的转子位置信号或号,转子速度信号，由电动机的参数通过计算求得01及2。能否实现准确的磁场定向控制取决于01及2估算值的精确程度。因此要求-2观测器数学模型要准确；被检测的电机运行参数如电流、 电压、速度等要有足够的精度；观测模型中所用到的电动机参数如定 子绕组电阻1、2励磁电感Lm漏感l 1l、丨21等都应很准确的等于电机在该运行状态下的实际参数值。目前常用的-2观测模型有如下几种:1、根据定子电流和定子电压的检测值估算01及2根据a、P坐标系定子电压方程式（7-107 ）及磁链方程式（7-106）1 (U 1 rii i)

15、dtLSi 1 L1M i 21 (u 1 M 1)dtLSi 1 L1M i 2(7-156)由上式可得转子电流1）1 / ,-i 2(1 LSi 2(1Lsi 1)L1ML1M(7-157)由式（7-106）,转子磁链为2L1M i 12L1M iLRi 21LRi1(由以上三式可求得LrL1MLrL1M(u(u帀 1)dt Lsi 1rn 1)dtLsi 1(7-158)式中Ls LrL21mLS LrL21mLs Lr根据式（8-158 ）可构成如图（7-24）所示的运算电路框图。求得2及2后，通过极坐标变换即可求得01及2。式（7-158 ）中的u 1,u 1及i 1, i 1可由检

16、测到的定子相电压、相电流信号经过三相/两相变换求得。在低频下由于定子电压降很难得到准确的补偿， 所以这种2的观测模型通常在额定频率10%以上时应用。2、根据定子电流和速度检测信号估算2根据a、p坐标系转子磁链方程式（7-106 ）L1M i 1 Lr) 2L1M i 1Lr) 2可求得Lr1(Lr2L1M i 1 )2 L1M i 1)(7-159)ot、再由a、p坐标系转子电压方程式（7-107)P 22 r2i 2P 22 r2i 2把式（7-159）代入上式得1 门.(L1M i 11T2P1门i(L1M i 1T21 T2PT2(7-160)求得2j2后，利用极坐标变换可得到01及2根据上式可以构成观测器电路框图如图所示42rir + a:图7-24根据定子电压、电流估算-2的运算框图图7-25根据定子电流及速度估算2的运算框图这个观测器模型即使在低频范围内也能得到较准确的01及2。但是应当注意，由于温度变化和趋夫效应，会使转子电阻发生较大的 变化，导致转子时间常数T2 Lr改变，因而降低了观测值的精度。3、根据励磁电流分量和转矩电流分量的给定值i*T1、i*M1以及转子位置检测值0估算-2的相角0 1由i*T1及i*M1，根据式（7-145 ）