異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制系統(tǒng)ppt課件

1、異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，通過(guò)坐標(biāo)變換，可以使之降階并化簡(jiǎn)，但并沒(méi)有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。 高動(dòng)態(tài)性能的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須在其動(dòng)態(tài)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。 經(jīng)過(guò)多年的潛心研究和實(shí)踐，有幾種控制方案已經(jīng)獲得了成功的應(yīng)用，目前應(yīng)用最廣的就是按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。,第七講 矢量控制系統(tǒng),直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞繞組電流Ia與氣隙磁鏈f相互作用產(chǎn)生的。由于直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上就保證了電樞電流矢量垂直于氣隙磁鏈?zhǔn)噶浚虼酥绷麟姍C(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：,直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,Ia是控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的分量，If是控制電機(jī)磁場(chǎng)的分量，這兩者是解耦的。如果If恒定，只要

2、調(diào)節(jié)Ia就可控制轉(zhuǎn)矩。,異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)m與轉(zhuǎn)子電流Ir相互作用產(chǎn)生的。而m又是定子電流I1與轉(zhuǎn)子電流Ir共同產(chǎn)生的。,交流異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩,磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩是相互耦合的，采用標(biāo)量控制時(shí)，這兩者無(wú)法解耦。因而也無(wú)法獲得良好的動(dòng)態(tài)特性。 矢量控制（也稱磁場(chǎng)定向控制，F(xiàn)ield-Oriented Control）的基本思想是把異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制模擬成直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，即將異步電機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流iM和轉(zhuǎn)矩電流iT的獨(dú)立控制，使非線性耦合解耦。,異步電動(dòng)機(jī)矢量圖,如果異步電機(jī)按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，即將MT同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的M軸定在轉(zhuǎn)子磁鏈方向，則定子電流is可以沿M軸和T

3、軸分解為勵(lì)磁電流iM和轉(zhuǎn)矩電流iT，iM產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁鏈，iT產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，異步電機(jī)可以等效成直流電機(jī)，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(guò)坐標(biāo)反變換，就能夠控制異步電機(jī)了。 由于進(jìn)行坐標(biāo)變換的是電流和磁鏈的空間矢量，所以這樣通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System）。 在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換時(shí)，只規(guī)定了d，q兩軸的相互垂直關(guān)系，未規(guī)定兩軸與電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)位置。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 選擇d軸沿著轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康姆较?，稱之為 M軸，

4、而 q 軸垂直于轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶浚Q之為 T軸。 在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下， M繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組， T 繞組相當(dāng)于偽靜止的電樞繞組?？刂苅m等效于控制直流電機(jī)的磁通，it 相當(dāng)控制形成轉(zhuǎn)矩的電樞電流。 這樣的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系就具體規(guī)定為 M，T 坐標(biāo)系，即按轉(zhuǎn)子磁鏈定向（Field Orientation）的坐標(biāo)系。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 磁鏈方程,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 由于M軸方向與轉(zhuǎn)子磁鏈一致，則 可得到：,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 電壓方程為：,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁

5、鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 對(duì)于籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)子短路，則電壓方程可簡(jiǎn)化為：,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 由電壓方程的第三行得到： 由磁鏈方程得到： 化解得到： 其中 為轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，ism被稱為定子的勵(lì)磁電流分量。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 由T軸磁鏈方程可得： M軸按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向定向后，與之正交的T軸上定子電流分量的變化會(huì)立即引起相應(yīng)轉(zhuǎn)子電流分量的變化，不存在滯后。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 電磁轉(zhuǎn)矩方程為： 化解后得到： 這個(gè)轉(zhuǎn)矩關(guān)系式很簡(jiǎn)單，同直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩公式一樣。ist被稱為轉(zhuǎn)矩電流分

6、量。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)差角頻率： 如果轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)和磁鏈不變，轉(zhuǎn)差頻率與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量成正比。 以上轉(zhuǎn)差角頻率方程式、電磁轉(zhuǎn)矩方程和轉(zhuǎn)子磁鏈方程就構(gòu)成了按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制系統(tǒng)的基本方程式。在實(shí)際控制中，如果能夠?qū)崿F(xiàn)電流iM和iT的完全解耦，異步電動(dòng)機(jī)便可獲得類似于直流電動(dòng)機(jī)的特性。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,異步電機(jī)在轉(zhuǎn)子磁鏈方向上的數(shù)學(xué)模型 轉(zhuǎn)子磁鏈僅由定子電流勵(lì)磁分量產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)矩分量無(wú)關(guān)，從這個(gè)意義上看，定子電流的勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。 r 與 iM之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)子磁鏈勵(lì)磁時(shí)間常數(shù)，當(dāng)勵(lì)磁電流分量iM突變時(shí)

7、，r 的變化要受到勵(lì)磁慣性的阻撓，這和直流電機(jī)勵(lì)磁繞組的慣性作用是一致的。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,動(dòng)態(tài)矢量圖,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求出直流電動(dòng)機(jī)的控制量isM*和isT*，再經(jīng)過(guò)反變換就能得到異步電動(dòng)機(jī)的控制量ia*、ib*、ic*。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,電流指令isM*和isT*經(jīng)過(guò)M-T坐標(biāo)系、坐標(biāo)系和、坐標(biāo)系三相靜止坐標(biāo)系的變換，變?yōu)槿嚯娏髦噶頸a*、ib*、ic*，輸入到三相變頻器； 變頻器輸出與ia*、ib*、ic*一樣的實(shí)際電流ia、ib、ic；ia、ib、ic通過(guò)3/2變換轉(zhuǎn)換為is、is，之后借助于單位矢量cos和sin轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，得

8、到的isM、isT施加到M-T坐標(biāo)系下的電機(jī)模型上。 控制電流指令i*sM和i*sT就可以控制電機(jī)的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,該控制器需要兩個(gè)反變換，以便控制電流i*sM和i*sT分別與電機(jī)電流isM、isT相一致。 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向是由坐標(biāo)變換所用單位矢量cos和sin來(lái)保證的，正確的單位矢量是保證矢量控制原理實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,從單位矢量獲取方式上，矢量控制可以分為直接矢量控制和間接矢量控制兩大類。 當(dāng)矢量控制所用單位矢量和磁鏈?zhǔn)侵苯訖z測(cè)到的或由檢測(cè)到的電機(jī)的端子量及轉(zhuǎn)速計(jì)算得到時(shí)，被稱為直接矢量控制，也可稱為磁通反饋矢量控制（Feedback Vector Cont

9、rol）。 當(dāng)矢量控制所用單位矢量和磁鏈?zhǔn)菑碾娏髦噶钪岛娃D(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算得到時(shí)，被稱為間接矢量控制，也可稱為磁通前饋矢量控制（Feedworward Vector Control），又稱為轉(zhuǎn)差頻率矢量控制。,轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制,直接矢量控制系統(tǒng)框圖,直接矢量控制系統(tǒng),借助于單位矢量(cos和sin)，i*sM和i*sT被變換到靜止坐標(biāo)系中，靜止坐標(biāo)系上的信號(hào)然后被變換為逆變器的相電流指令值。 磁鏈給定信號(hào)由函數(shù)發(fā)生程序獲得，磁鏈調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)磁鏈的精確控制。 轉(zhuǎn)矩電流分量i*sT由帶雙極性限幅器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了電磁轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)正、反向運(yùn)行。 系統(tǒng)的頻率是借助磁場(chǎng)定向角 實(shí)現(xiàn)了對(duì)相位和

10、頻率的控制。 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了磁鏈和轉(zhuǎn)矩的完全解耦，精度高，可用于要求高性能調(diào)速場(chǎng)合，但系統(tǒng)構(gòu)成和運(yùn)算復(fù)雜。,直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 在任意旋轉(zhuǎn)速度坐標(biāo)系下，定、轉(zhuǎn)子及氣隙磁鏈的方程式為：,磁鏈表達(dá)式與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)； 定子、轉(zhuǎn)子、氣隙磁鏈三者知道其一，另外兩個(gè)就可推得。,直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 直接法磁敏式檢測(cè)法和探測(cè)線圈法 利用被測(cè)量的氣隙磁通計(jì)算：,存在不少工藝和技術(shù)問(wèn)題，破壞了電機(jī)的機(jī)械魯棒性。 由于齒槽的影響，檢測(cè)信號(hào)中脈動(dòng)分量較大。,直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 間接法根據(jù)電壓電流轉(zhuǎn)速等其它物理量建立觀測(cè)模型： 電壓模型磁鏈觀測(cè)器：利用定子電壓

11、和電流信號(hào)重構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鏈信號(hào)。 電流模型磁鏈觀測(cè)器：通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的定子電流和轉(zhuǎn)速信號(hào)來(lái)重構(gòu)轉(zhuǎn)子磁鏈信號(hào)。 組合模型法：電壓、電流模型相結(jié)合的方法。,直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 電壓模型磁鏈觀測(cè)器的定子磁鏈：,直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 電壓模型磁鏈觀測(cè)器中的氣隙磁鏈： 電壓模型磁鏈觀測(cè)器中的轉(zhuǎn)子磁鏈：,直接矢量控制系統(tǒng),直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 電壓模型磁鏈觀測(cè)器框圖,轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 電壓模型磁鏈觀測(cè)器： 算法簡(jiǎn)單；算法中不含轉(zhuǎn)子電阻，因此受電機(jī)參數(shù)變化影響?。徊恍柁D(zhuǎn)速信息。 低速時(shí)，隨著定子電阻壓降作用明顯，測(cè)量誤差淹沒(méi)了反電動(dòng)勢(shì)，使得觀測(cè)

12、精度較低；純積分環(huán)節(jié)的誤差積累和漂移問(wèn)題嚴(yán)重，可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。,直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 電流模型磁鏈觀測(cè)器框圖：,直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 電流模型磁鏈觀測(cè)器： 算法不涉及純積分項(xiàng)，觀測(cè)值是漸近收斂的；低速的觀測(cè)性能強(qiáng)于電壓模型法。 需要轉(zhuǎn)速作為輸入信號(hào)；計(jì)算涉及到時(shí)變特性顯著的參數(shù)，即轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)，當(dāng)電機(jī)的運(yùn)行溫度發(fā)生變化或磁路出現(xiàn)飽和時(shí)，變動(dòng)范圍較大，常需進(jìn)行實(shí)時(shí)辨識(shí)才能保證磁鏈觀測(cè)精度；高速時(shí)觀測(cè)性能較差。,直接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶康墨@取方法 組合模型磁鏈觀測(cè)器： 電壓和電流模型結(jié)合起來(lái)使用，即在高速時(shí)讓電壓模型起作用，通過(guò)低通濾波器將電流模型的

13、觀測(cè)值濾掉；在低速時(shí)讓電流模型起作用，通過(guò)高通濾波器將電壓模型觀測(cè)值濾掉。,直接矢量控制系統(tǒng),磁鏈開(kāi)環(huán)的間接矢量控制系統(tǒng) 在磁鏈閉環(huán)的直接矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號(hào)是由磁鏈模型獲得的，受電機(jī)參數(shù) Tr 和 Lm 變化的影響，造成控制的不準(zhǔn)確性。 為避免復(fù)雜的磁鏈觀測(cè)算法及運(yùn)算偏差對(duì)閉環(huán)控制的影響，磁鏈開(kāi)環(huán)的間接矢量控制在工業(yè)應(yīng)用中比較流行。常利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)。 在磁鏈恒定的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比，因此，可以通過(guò)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值確定目標(biāo)轉(zhuǎn)差頻率，從而計(jì)算目標(biāo)磁鏈位置； 轉(zhuǎn)子磁鏈只采用開(kāi)環(huán)控制，避免了磁通觀測(cè)器帶來(lái)的幅值和相位觀測(cè)誤差。,間接矢量控制系

14、統(tǒng),轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng) 定子d軸電流目標(biāo)值可根據(jù)磁鏈目標(biāo)值確定： 忽略轉(zhuǎn)子磁鏈動(dòng)態(tài)過(guò)程中的波動(dòng)，轉(zhuǎn)差頻率目標(biāo)值可根據(jù)轉(zhuǎn)矩目標(biāo)值或q軸電流目標(biāo)值確定：,間接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng) 坐標(biāo)變換中所需轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)角由目標(biāo)轉(zhuǎn)差頻率、轉(zhuǎn)子角速度和定子電流目標(biāo)值共同確定：,間接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)框圖,間接矢量控制系統(tǒng),轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 磁場(chǎng)定向由給定信號(hào)確定，靠矢量控制方程來(lái)保證，不需要實(shí)際計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶浚∪チ宿D(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單； 磁鏈控制采用開(kāi)環(huán)控制方式，磁鏈控制過(guò)程受電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小； 運(yùn)行中轉(zhuǎn)子參數(shù)的變化及磁路飽和等因素影響會(huì)造成實(shí)際定向軸偏離設(shè)定

15、的目標(biāo)定向軸，影響解耦效果和控制性能。,間接矢量控制系統(tǒng),氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 氣隙磁通易于直接測(cè)量，同時(shí)電機(jī)磁通的飽和程度與氣隙磁通一致，故基于氣隙磁通的控制方式更適于處理飽和效應(yīng)； 與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相同，維持氣隙磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與q軸電流成正比； 磁通關(guān)系和滑差關(guān)系中存在耦合，與解耦的轉(zhuǎn)子磁通控制結(jié)構(gòu)相比，耦合使基于氣隙磁通控制的轉(zhuǎn)矩和磁通控制結(jié)構(gòu)圖更復(fù)雜。,其他磁鏈定向系統(tǒng),定子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 在磁通閉環(huán)控制系統(tǒng)中，定子磁通定向在一般的調(diào)速范圍內(nèi)可利用定子方程做磁通觀測(cè)器，非常易于實(shí)現(xiàn)，且不包括對(duì)溫度變化非常敏感的轉(zhuǎn)子參數(shù)； 低速時(shí)，由于定子電阻壓降占端電壓的大部分，

16、致使反電勢(shì)測(cè)量誤差較大，導(dǎo)致定子磁通觀測(cè)不準(zhǔn)； 與氣隙磁場(chǎng)定向一樣，磁通關(guān)系和滑差關(guān)系中存在耦合，耦合使轉(zhuǎn)矩和磁通控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。,其他磁鏈定向系統(tǒng),矢量控制中的速度反饋 高性能電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)必須有準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速反饋，常用轉(zhuǎn)速傳感器的種類： 電磁式：旋轉(zhuǎn)變壓器，接近開(kāi)關(guān)式等； 磁敏式：磁敏電阻，磁敏二極管，霍爾傳感器等； 光電式：增量式編碼器，絕對(duì)式編碼器。,矢量控制的研究方向,矢量控制中的速度反饋 機(jī)械傳感器增加了電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加大了電機(jī)空間尺寸和體積。 機(jī)械傳感器的使用增加了電機(jī)與控制系統(tǒng)之間的連接線和接口電路，降低了系統(tǒng)可靠性。 受機(jī)械傳感器使用條件如溫度、濕度和振動(dòng)的限制，調(diào)速系統(tǒng)

17、不能廣泛適應(yīng)各種場(chǎng)合。 機(jī)械傳感器及其輔助電路增加了調(diào)速系統(tǒng)的成本，某些高精度傳感器的價(jià)格甚至可與電機(jī)本身價(jià)格相比。,矢量控制的研究方向,矢量控制中的速度反饋 無(wú)速度傳感器控制方法： 直接計(jì)算法； 觀測(cè)器方法(全階狀態(tài)觀測(cè)器，降階狀態(tài)觀測(cè)器，滑模觀測(cè)器，擴(kuò)展卡爾曼濾波器）； 模型參考自適應(yīng)法； 高頻信號(hào)注入法； 檢測(cè)齒諧波進(jìn)行轉(zhuǎn)速辨識(shí)法； 基于人工智能理論基礎(chǔ)的其它估算方法。,矢量控制的研究方向,無(wú)速度傳感器矢量控制框圖,矢量控制的研究方向,異步電機(jī)控制系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)（參數(shù)自整定） 參數(shù)的不準(zhǔn)確性的產(chǎn)生原因： 制造工藝和材料的差異 電機(jī)運(yùn)行狀況對(duì)參數(shù)的影響 負(fù)載參數(shù)的變化 按自整定時(shí)間分類 離線式(off-line)整定：堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)、空載實(shí)驗(yàn) 在線式(on-line)整定：一般與無(wú)速度傳感器控制算法結(jié)合。,矢量控制的研究方向,矢量控制的特點(diǎn)： 矢量控制通過(guò)坐標(biāo)變換對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩和磁