-2-異步電機(jī)矢量控制課件

1、1交流電機(jī)矢量控制Vector Transformation Control(Field Oriented Control)孫丹浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院2交流電機(jī)矢量變換控制技術(shù)始于1970年代，是交流電機(jī)有效的解耦控制策略。交流電機(jī)（多變量、強(qiáng)耦合、非線性、時變） 復(fù)雜矢量系統(tǒng)矢量坐標(biāo)變換 等效 直流電機(jī) 的 簡單 標(biāo)量系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)控制 獲得如同直流電機(jī)的良好動、靜態(tài)特性 開創(chuàng)了高性能交流調(diào)速控制技術(shù)先河 首先建立矢量變換控制的基本概念交流電機(jī)矢量控制的基本思路系統(tǒng)動態(tài)性能反映在對轉(zhuǎn)子瞬態(tài)運(yùn)動速度的控制上，也即動態(tài)轉(zhuǎn)矩 的控制上。3一、矢量變換控制的基本概念負(fù)載規(guī)律 已知時，表現(xiàn)在對 電磁轉(zhuǎn)矩

2、T 的 動態(tài)控制上在轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制上, 直流電機(jī)比交流電機(jī)好。轉(zhuǎn)矩平衡方程式主宰機(jī)電運(yùn)動規(guī)律42. 直流電動機(jī)自然解耦系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩 勵磁磁通 勵磁電流電樞磁勢 電樞電流5由于63. 異步電動機(jī) 電磁轉(zhuǎn)矩7電磁轉(zhuǎn)矩X28解決思路 要提高交流電機(jī)控制性能，必須實(shí)現(xiàn)控制變量從 矢量 標(biāo)量變換矢量的控制比標(biāo)量難直流電機(jī)中被控制變量if、ia為標(biāo)量，只有大小矢量有大小、相位問題考慮 交流電機(jī)中被控制變量為矢量9等效條件： 確保電機(jī)氣隙空間 產(chǎn)生大小轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)磁場抽象 變換實(shí)現(xiàn)： 通過繞組變換 坐標(biāo)變換矢量變換控制思想將受控交流矢量等效變換 成直流標(biāo)量的一種控制策略10異步電機(jī)矢量變換控制：將交流異步電

3、機(jī)通過 坐標(biāo)變換，形成一個在空間以同步速旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的動態(tài)解耦控制。同步速旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)（虛擬）實(shí)際為在同步速（M-T）坐標(biāo)系中（描述）的異步電機(jī)M-T坐標(biāo)系的M軸選定在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子全磁通 方向上，故又稱磁場定向控制（Field Oriented Control）11分別講述： 矢量變換控制理論 異步電機(jī)矢量變換控制 直接矢量控制（磁通檢測式） 間接矢量控制（轉(zhuǎn)差頻率控制式） 同步電機(jī)矢量變換控制12二、矢量變換理論基礎(chǔ) (復(fù)習(xí)簡述)（一）坐標(biāo)變換理論1、任意速d-q-n坐標(biāo)系（矢量式） 建立變量從三相a-b-c坐標(biāo)系 向任意速旋轉(zhuǎn)的d-q-n坐標(biāo)系 變換及逆變換理論 設(shè)定具體坐標(biāo)

4、系速度，即可得到慣用的 靜止兩相-坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)兩相d-q坐標(biāo)系 同步速旋轉(zhuǎn)兩相M-T坐標(biāo)系(矢量變換控制用）13空間矢量 , 代表三相電磁量某時刻合成作用在坐標(biāo)系中的空間位置 可以是三相時間函數(shù)，也可以是三相空間函數(shù)的綜合描述“綜合矢量”交流電機(jī)中：磁勢、磁通、磁鏈?zhǔn)噶渴菍?shí)在的空間矢量電壓、電流不存在空間矢量，但電流與磁勢、 電壓與磁鏈密切相關(guān) 可定義成電流、電壓空間矢量來分析 采用14矢量圖與相量圖差異 空間矢量圖是各空間矢量位置關(guān)系在同一坐標(biāo)系 內(nèi)表述 以綜合矢量形式 表達(dá)三相電磁量 某一時刻 在坐標(biāo)系中合成作用 的 空間位置 三相變量可以非正弦，故包含諧波作用效果 三相變量可以不對

5、稱 可以描述 動態(tài)、穩(wěn)態(tài) 時各電磁量之間的 空間位置關(guān)系 相量圖 描述15 三維空間描述（立體坐標(biāo)系中），即dnq 空間矢量的三維描述與平面描述16 平面坐標(biāo)系描述（120平面坐標(biāo)系中）Park 變換：三相相變量瞬時值空間矢量 在 坐標(biāo)系中分量值 空間矢量的三維描述與平面描述172.任意速d-q-n坐標(biāo)系（分量式） 因選 為 ，則d-q-n坐標(biāo)系速度被固定為 。 當(dāng)確定d-q-n軸線方向后，可將坐標(biāo)系速度放開 為任意速任意速d-q-n坐標(biāo)系 變換系數(shù)處理因 空間矢量幅值比每相函數(shù)幅值大 倍， 使用有所不便，可處理。有兩種方式 ：18第一種方式：功率相等原則 保持原始幅值關(guān)系不變 定義坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)

6、速度為任意速 ，則有 靜止as-bs-cs坐標(biāo)系至任意速旋轉(zhuǎn)d-q-n坐標(biāo)系順變換關(guān)系19 兩坐標(biāo)系三相總功率相同20 第二種方式：幅值相等原則 修改變量間比例尺，人為地使空間矢量幅值縮短 倍 式（10）右側(cè)遍乘 ，得坐標(biāo)系順變換關(guān)系21 兩坐標(biāo)系三相總功率關(guān)系223.任意速d-q-n坐標(biāo)系（矩陣式） 靜止as-bs-cs坐標(biāo)系至任意速旋轉(zhuǎn) d-q-n坐標(biāo)系順變換令有23 變換矩陣 功率相等原則變換 幅值相等原則變換24 逆變換關(guān)系式中25 速旋轉(zhuǎn)ar-br-cr坐標(biāo)系至任意速旋轉(zhuǎn) d-q-n坐標(biāo)系順變換 轉(zhuǎn)子繞組可視為在空間以 速旋轉(zhuǎn)的ar-br-cr坐標(biāo)系 與靜止as-bs-cs坐標(biāo)系間的

7、相對空間位置 （如ar與as軸間）為 與任意速旋轉(zhuǎn)d-q-n坐標(biāo)系的相對空間位置 （如ar與d軸間）為 當(dāng)as-bs-cs坐標(biāo)系至任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以 關(guān)系變換時， ar-br-cr坐標(biāo)系至任意速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系應(yīng)以 關(guān)系變換26 令順變換逆變換變換矩陣 與 同形式，僅將 置換成 。27 任意速坐標(biāo)系幾點(diǎn)說明 坐標(biāo)變換關(guān)系適合于瞬時值和任意時間函數(shù)， 即 無論系統(tǒng)平衡與否，變量正弦與否，狀態(tài)穩(wěn)定與否。 n 軸分量 與傳統(tǒng)零序分量 關(guān)系 幅值相等原則 功率相等原則但 性質(zhì)完全相同28(二)任意速d-q-n坐標(biāo)系內(nèi)異步電機(jī)基本方程式（1）a-b-c變量表示的電機(jī)方程理想化電機(jī)假設(shè) 定、轉(zhuǎn)子繞組三相對稱，其

8、有效導(dǎo)體沿氣隙 正弦分布（不計空間諧波） 定、轉(zhuǎn)子間氣隙均勻（不計齒槽效應(yīng)） 磁路線性（不計鐵磁非線性飽和） 29 定、轉(zhuǎn)子電壓方程其中（1）（2）30 定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程（3）（4）其中定子電感矩陣31定、轉(zhuǎn)子互感矩陣轉(zhuǎn)子電感矩陣32 化簡 定、轉(zhuǎn)子電感矩陣： 對角線上元素下標(biāo)重復(fù)，表為各相自感， 其他部位元素下標(biāo)不重復(fù)，表為相間互感 氣隙均勻，各類電感為恒值 三相繞組對稱（互差120），定、轉(zhuǎn)子各相 自感、相間互感有簡單的一致關(guān)系： 忽略漏磁引起的部分相間互感，相間互感等于 各相自感中對應(yīng)于氣隙主磁場部分電感值 的一半，即33故有(-5) (-6) 式中定、轉(zhuǎn)子漏感定、轉(zhuǎn)子自感中對應(yīng)主磁場部

9、分值34 定、轉(zhuǎn)子互感矩陣：因設(shè)定、轉(zhuǎn)子磁場正弦分布，則定、轉(zhuǎn)子繞組 互感值隨兩套繞組軸線間夾角 作余弦變化。定、轉(zhuǎn)子對應(yīng)相繞組軸線重合時， ， 互感最大，為 （互感系數(shù)）。故有(-7) 35（2）d-q-n變量表示的電機(jī)方程a-b-c變量方程可通過坐標(biāo)變換式變換至任意速d-q-n坐標(biāo)系36 分量形式電機(jī)方程 電壓方程（14）（15）式中， d-q-n 坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角速度，任意值37 磁鏈方程（16）（17）38式中定子全自感轉(zhuǎn)子全自感定、轉(zhuǎn)子漏感定、轉(zhuǎn)子互感（勵磁電感） 氣隙（互感）磁鏈（18）39 矩陣形式電機(jī)方程（19） ：靜止 坐標(biāo)系 異步電機(jī)方程（模型） ：同步速旋轉(zhuǎn)d-q-n坐標(biāo)系

10、異步電機(jī)方程（模型）。 又： ， 矢量控制用 MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系異步電機(jī)方程（模型） ：轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)d-q-n坐標(biāo)系 異步電機(jī)方程（模型）40三、矢量變換控制理論矢量坐標(biāo)變換基本過程41在as-bs-cs坐標(biāo)系內(nèi)對三相交流電機(jī)的 的控制 旋轉(zhuǎn)電流空間矢量先構(gòu)成同步旋轉(zhuǎn)M-T坐標(biāo)系（ 速） 然后在等效直流電機(jī)的分解成解耦控制實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的動態(tài)控制421、坐標(biāo)變換理論對稱三相系統(tǒng)中三相變量實(shí)用獨(dú)立變量僅定義43靜止 變換 變換框圖44（2） 坐標(biāo)系 M-T坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)變換（VR變換）兩坐標(biāo)系空間位置關(guān)系VR變換關(guān)系空間矢量 在兩坐標(biāo)系中各分量間關(guān)系45VR變換框圖46（3）直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)變換（KP變換）K

11、/P變換框圖兩正交分量求模及幅角472 異步電機(jī)矢量變換控制用基本方程式根據(jù)：矢量變換控制思路 三繞組 異步電機(jī) 二繞組 等效 直流電機(jī)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換等效條件：直流電機(jī)產(chǎn)生同樣旋轉(zhuǎn)磁場效果 坐標(biāo)系觀點(diǎn)看： 等效直流機(jī)即是從同步速坐標(biāo)系 觀察的 異步電機(jī)（方程）兩直流繞組以 同步速旋轉(zhuǎn)48任意速d-q-n坐標(biāo)系異步電機(jī)方程（19）49同步速M(fèi)-T坐標(biāo)系異步電機(jī)方程簡化(1)坐標(biāo)系同步速旋轉(zhuǎn)： (2)三相對稱系統(tǒng)無n軸分量 (3)鼠籠轉(zhuǎn)子： (4)軸線換名： 注意 (1) 電壓方程中僅 形式旋轉(zhuǎn)電勢相與電磁功率（轉(zhuǎn)矩）有關(guān) (2) 此方程尚未磁場定向（M軸位置未定） 50磁場定向后異步電機(jī)方程轉(zhuǎn)子磁

12、鏈方程取轉(zhuǎn)子全磁通 （對應(yīng)轉(zhuǎn)子全磁鏈 ）為M軸方向51 代入，改造式（2-103）轉(zhuǎn)子電壓方程（第三、四行）以實(shí)現(xiàn)M軸的磁場定向，得矢量變換控制用異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型52代表了一臺等效直流電動機(jī)可據(jù)此找出異步電機(jī)矢量變換控制依據(jù)轉(zhuǎn)矩表達(dá) 轉(zhuǎn)速表達(dá) 轉(zhuǎn)子全磁通表達(dá) 矢量變換控制用異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型53電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá) 中只有旋轉(zhuǎn)電勢項(xiàng)才能產(chǎn)生電磁功率。電磁轉(zhuǎn)矩電磁功率54又從M 軸轉(zhuǎn)子電壓方程式(2-106)第三行，有當(dāng)實(shí)現(xiàn)磁場定向后 （不變），5556轉(zhuǎn)速表達(dá)從T軸轉(zhuǎn)子電壓方程式（2-106）第四行得57轉(zhuǎn)子全磁鏈表達(dá)58異步電機(jī)矢量變換控制特性 控制依據(jù) 59 結(jié)論 (1)轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵磁分量

13、 確定(2)電磁轉(zhuǎn)矩可由定子電流勵磁分量 、轉(zhuǎn)矩分量 分別控制 (3)由于定子電流兩分量 已解耦，分量電流可獨(dú)立 控制 (5)為有效實(shí)現(xiàn)矢量變換控制，關(guān)鍵在于準(zhǔn)確找到 空間位置，實(shí)現(xiàn)M-T坐標(biāo)系定向 (4)雖 建立 有大時延 ，但控制 使 恒定后，瞬時控制 就可實(shí)現(xiàn)對T的動態(tài)控制，獲得如同直流電動機(jī)良好調(diào)速特性 603 轉(zhuǎn)子位置空間位置量測轉(zhuǎn)子全磁通矢量 相對 軸線夾角61(2) 間接檢測法磁通觀測器 a.檢測電壓、電流，根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型計算磁通 b.受數(shù)學(xué)模型精度、參數(shù)穩(wěn)定性影響 c.實(shí)用 轉(zhuǎn)子磁通檢測方法 (1) 直接檢測法磁傳感器（霍爾元件） a.電機(jī)需改造 b.低速存在氣隙齒諧波脈動，

14、影響精度 c.不實(shí)用 62磁通觀測器從電機(jī)外部量“觀測”電機(jī)內(nèi)部磁通 依據(jù)：靜止兩相 坐標(biāo)系異步電機(jī)方程（2-116）63目標(biāo)： 求出轉(zhuǎn)子磁鏈 ， 獲得幅值 及位置 磁通觀測器從電機(jī)外部量“觀測”電機(jī)內(nèi)部磁通 64磁通觀測器從電機(jī)外部量“觀測”電機(jī)內(nèi)部磁通 65磁通觀測器從電機(jī)外部量“觀測”電機(jī)內(nèi)部磁通 66 實(shí)現(xiàn)：外部量變換 檢測線電壓 相電流 得 相電壓 電壓、電流67磁通觀測器運(yùn)算框圖68四、異步電機(jī)矢量變換控制系統(tǒng) (1)磁通檢測式直接或間接檢測磁通瞬時值，求分類按 轉(zhuǎn)子全磁通矢量 位置角 獲取方式不同磁通觀測器：檢測(控制)精度與轉(zhuǎn)子回路參數(shù)有關(guān)69措施：轉(zhuǎn)子參數(shù)實(shí)時在線識別（參數(shù)辨

15、識）其他非轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制轉(zhuǎn)差頻率控制式70（2）轉(zhuǎn)差頻率控制式優(yōu)點(diǎn) 包括零速全速度范圍高性能控制缺點(diǎn) 轉(zhuǎn)差角計算中積分初值問題 方法 實(shí)測轉(zhuǎn)子位置角+計算出轉(zhuǎn)差角=轉(zhuǎn)子磁通位置角四、異步電機(jī)矢量變換控制系統(tǒng)分類按 轉(zhuǎn)子全磁通矢量 位置角 獲取方式不同711.磁通檢測式(1)PWM電壓源逆變器異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)72主電路PWM變頻器，速度、電流、磁通閉環(huán)磁通觀測器 輸入： 輸出：定子電流磁通分量給定 產(chǎn)生 磁通閉環(huán)定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定 產(chǎn)生電流電壓變換單元電流 轉(zhuǎn)換成逆變器控制用電壓給定73(1) 定子電壓方程 應(yīng)從電壓方程中消除轉(zhuǎn)子電流及轉(zhuǎn)速依據(jù) 矢量變換控制用異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型7475

16、PWM調(diào)制電壓指令 生成(3)變換關(guān)系： 全部以定子電流表達(dá)76（2）電流源逆變器異步電機(jī)矢量變換系統(tǒng)77主電路 電流源型逆變器，速度、電流雙閉環(huán)( 磁通、角度 閉環(huán))磁通觀測器 輸入 輸出可控整流器控制定子電流矢量 幅值調(diào)節(jié)逆變器控制定子電流矢量 位置調(diào)節(jié) 軸間位置角 軸位置 位置角 78實(shí)際 相對 軸位置 或 VR（旋轉(zhuǎn)）變換完成給定 相對 軸位置79802. 轉(zhuǎn)差頻率控制式81主電路 電流源型 逆變器 變頻控制系統(tǒng)可控整流器控制定子電流矢量 幅值調(diào)節(jié)82逆變器控制定子電流矢量 空間位置 調(diào)節(jié)838485特點(diǎn) 避免磁鏈觀測，但有 積分初值 問題結(jié)論 轉(zhuǎn)差頻率式矢量變換控制以 控制定子供電頻率準(zhǔn)確控制了電流矢量 ，獲得更好動態(tài)性能。 86異步電機(jī)矢量控制 回顧矢量控制概念的提出基于穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)雖能在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但無法用于軋鋼機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等需要高動態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。1969年，德國Darmstadt技術(shù)大學(xué)的 K.Hasse 博士在他的博士論文中提出了矢量控制的基本思想。1971年，德國西門子公司的 F. Blaschke 將其形成系統(tǒng)理論，并稱為磁場定向控制（FOC），也有人稱之為矢量控制（VC）。87矢量控制理論：把交流電動機(jī)模擬成磁鏈和轉(zhuǎn)矩可以獨(dú)立控制的直流電動