§36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T 作用 e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 性转矩况m/dt三者之间的关系都由转矩平衡方程式决定，即：T - T = J6 / dt设T及J均为常数，那么在动态过程中电动机速度

2、o的变化规律完全取决于对电动机的电磁转矩T的控制。举例如下：e起动和制动的过程中，如果控制电动机的电磁转矩T 使其保 e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T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T 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if则通过电刷及换相器流入 电枢绕组。由于电刷和换相器的作用，使得电枢绕组虽然在转

3、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i ,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 中有一感应电势e ，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$，电枢绕组电流i与4 作用产生电磁转矩T。无论电机处于稳态或动态，它产生的电磁转矩都是t = C/ i2。由于励磁绕组轴线与等效的电枢静止绕组轴线互相垂直，再利用补偿绕组的磁、势抵消掉电枢磁势对主极磁 通的影响，因此可以认为主极磁通$仅

4、与励磁电流if有关而与电 枢电流i无关。如果励磁电流恒定，他励直流电动机的电磁转矩T 将与电枢电流i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：T = C巾cos甲式中巾是由定、转子电流共同作用产生的气隙合成磁通，它以定 子电流角频率气在空间旋转。七是转子电流空间矢量的幅值，不能直接控制。、与i2之间的空

5、间相位角为90 +中2不象直流电动机那样i 与8 互差。中2是转差角频率 的函数。越大，i2的去磁作用就 越强。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8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，定子电流空间矢量被分解为沿M轴和T轴 方向上两个互相垂直的分量/和，此时用/及/表达的转 M1T1M1T1矩公式T = pL / L ie1M R 2 T1转子磁链甲2与i

6、M 1之间的关系为：中 2 = L1m /(1 + TP)iM 1由于匕与iM 1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。其中妇 用于产生磁链甲2，它与直流电动 机的励磁电流相当；iT1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甲，2保持不变而靠改变iT1来调 节转矩t,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720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广同步旋转的两相绕组，即轴线 2与旷平行的M绕组及与旷垂直

7、的T绕组。这时M，T绕组中的电流i、21211 1T1妇都是直流。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型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T以及个电流的正方向。电磁转矩Te可以看成转子磁链v；与转子电流七相互作用产生。由于 七2产生的磁势与v；方向一致，所以它不产生电磁转矩，产生电磁转 矩的只有的T轴分量七，故有Te2V 2（7-145）转子磁链v；是由定子M轴绕组电流iM 1在转子侧产生的互感磁链L i与转子M轴绕组电流i产生的磁链（L + L ）i = L i两者1M M1M 21M ；l M 2R

8、M 2之和，即v = L i + L i 21M M 1 R M 2（7-146）T轴上转子磁链v，= o，即0 = L i + L i 1M T1 R T2 （7-147）上式说明，为了使v, = o，定子T轴绕组电流i“产生的转子T轴绕组 的互感磁链l i必须抵消掉转子T轴绕组产生的总磁链li，故i与 1M T1R T 2T 2i“之间应满足下式关系:，iT 2(7-148) 把上式代入式（8-145）得(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(7-150)转子电流i由转子M轴绕组电势e产生。由于M轴绕组轴线与转子 M 2M 2磁链广方向一致，所以不产

9、生旋转电势，但当发生变化时，即产22生变压器电势eM2，即e = -Pw， TOC o 1-5 h z M22转子电流i；2为i M2 一 Pw，m 2 r，r， 2(7-151)W是由i ，i共同作用产生。由式7-146解出2M1M 2i-W 2 - Limm 1M 2LR将上式代入（7-151）解出W为:2L ,1MI1 + T P m 12(7-152) 有上式看出，在稳态下印；=0，此时转子M2绕组中的变压器电势为 零，i = 0，因此W完全有定子M绕组中的电流i产生。当改变i时， TOC o 1-5 h z M 221M1M1V2将发生变化，于是在转子m2绕组中立即产生电势eM2=-

10、Pw2，因 而产生电流i及磁链Li ，阻碍V的变化，使V的变化滞后于i。M 2R M 222M1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，实质上是电流的控制。由于T轴方向*二=0，所以在等效的转子T轴绕组中没有变压器 电势P*，。但却有旋转电势e =-（S -s）V。因而产生转子T轴电流i 2T 212T 2I = t 2 = -（S -S） V 2 = -S V 2t 2 r1rs r222（7-153） 把式（7-148），（7-152）代入上式得s =顼P 二二 + P、ST2 iM 1 T2 iM 1iM 1(7-154)1 + TP iS = 2T1 + S1T

11、2 iM1(7-155)式中JU =麝，e是定子电流空间矢量，与M轴之间的夹角，如图7-21 M1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2与、作用产生，而由式（7-153）可 知，只有在一定的转差角频率os下才能产生t2。当通过给出定子电 流T轴分量/来控制转矩时，若保持/不变则定子电流矢量,的相位 T1M11角8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

12、定子电流矢量分成与磁链矢量旷2平行和垂直的两个矢量进行控制，就可以独立地控制磁链W，和转矩2Te。正因为是把定子电流作为具有两个垂直分量七，七的矢量来控制， 所以把磁场定向控制称为矢量控制。在M,T轴系中iM 1及、都是直流 量，各自的控制与它励直流电动机的励磁电流和电枢电流的控制相对 应。通常称妇为定子电流的转矩分量，妇称为励磁分量。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，当控制七1以维持匕恒定时，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

13、外，由于实现了iM 1和 iT 1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 i1及其分量妇，iT 1图7-22电流空间矢量图三、磁链空间矢量矿的观测模型2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町上。为了实现磁场定向控制，定子电流空间矢量的励磁分 21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气的瞬 时空间相角e 。另外，为了对M、T坐标系统运行参数

14、的指令值的实 际测量值进行数学运算和处理，又需要知道甲2的幅值中，。直接检测甲2 的相角及幅值在技术上难以实现，所以只能检测与町有关的电机运行2参数，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气的空间相角e 1及幅值中2。此 外也可以根据系统运行的指令值i*t 1、i*M 1和检测到的转子位置信号或 转子速度信号，由电动机的参数通过计算求得e及。1*2图7-23磁场定向控制的矢量图能否实现准确的磁场定向控制取决于e 1及中，估算值的精确程度。因此要求町观测器数学模型要准确；被检测的电机运行参数如电流、 2电压、速度等要有足够的精度；观测模型中所用到

15、的电动机参数如定 子绕组电阻r、r励磁电感L、漏感l、l等都应很准确的等于电121M1121机在该运行状态下的实际参数值。目前常用的观测模型有如下几种：21、根据定子电流和定子电压的检测值估算e及中， TOC o 1-5 h z 12根据a、&坐标系定子电压方程式（7-107）及磁链方程式（7-106）W = j （ ri ）dt = L i + L i a1a11 a1 a1成2W = j （u - ri ）dt = L i + L i P1P1 1 P1S P11M P2（7-156）由上式可得转子电流i = （W- L i ）a 2 La1S a11Mi =（W- L i ）P 2 L

16、P1 S P11M(7-157)由式（7-106）,转子磁链为W = L i + L i a21M alR a2w = L i + L iP21M plR p2由以上三式可求得 TOC o 1-5 h z W = R J (u - ri )dt -oL i a2 Lal 1 alS al1M , Lw =r (u - ri )dt -oL iP 2 lP l l P ls p llM(7-158)L L LL式中 o = l-LLrllr根据式（8-158）可构成如图（7-24）所示的运算电路框图。求 得w；2及w 2后，通过极坐标变换即可求得。1及中2。式（7-158）中的危,u窟及妇，可由

17、检测到的定子相电压、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，所以这种气的观测模 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气根据a、p坐标系转子磁链方程式（7-106）w = L i + L ia2 lM al R a2w = L i + L iP2 lM Pl R P2可求得i = (w -L i )a2La2lM alRi =L(w -L i )p 2 L P 2 lM P lR(7-159) 再由a、p坐标系转子电压方程式（7-107） TOC o 1-5 h z Pw + W + ri = 0a 2P 22 a 2Pw p

18、 -矿+ /=0把式（7-159）代入上式得W，=1一(L i - T w，)a21 + T P1Mal2P2W， =1一(L i + T w，)p 21 + T P1Mp 12a 22(7-160) 求得w，,w，后，利用极坐标变换可得到e及时。a2 p21*2根据上式可以构成观测器电路框图如图所示图7-24根据定子电压、电流估算甲2的运算框图图7-25根据定子电流及速度估算争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e及中，。12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t=只改变，因而降低了观测值的精度。23、根据励磁电流分量和转矩电流分量的给定值i、i*M 1以及 转子位置检测值。估算中2的相眼由 i *t 1及