异步电动机矢量控制
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显而易见，让固定的M-T绕组旋转起来，只不过是一种物理概念 上的假设，但提供了一种控制思路。
研究表明,在上述三种坐标系下，不仅能够产生旋转磁场，而且如 果控制得当，可以产生完全等效的磁场。因此，上述三种模型一 定存在内在的必然联系。即存在着确定的变换关系。
10
A—B—C三相交流绕组与 两相绕组之间的变换关系:
直流电动机，主极磁场在空间固定不变，与电枢的磁势方向总是互 相垂直（正交）、各自独立、互不影响（标量）。
例如他励电动机，励磁和电枢是两个独立的回路，可以对励磁电流 和电枢电流分别控制和调节，就能达到控制转矩的目的，实现转速 的调节。——控制灵活，容易实现。
异步电动机，也是两个磁场相互作用产生电磁转矩。不同的是，定 子磁势、转子磁势以及二者合成的气隙磁势都是以同步角速度在空 间旋转的矢量，且存在强耦合关系。——关系复杂，难以控制。
2
矢量控制的研究得出一个结论:可以像控制直流电机一样控制交流电机。 实践证明：交流电机动态性能差并非交流电机自身造成的,而取决于供 电电源以及电源的控制方式。
直流电机的电枢磁通势和励磁磁通势在空间上的正交关系，使得直流电 机的磁通和转矩能够通过调节励磁电流和电枢电流分别得到控制。与直 流电机不同，交流电机只有定子一侧有电源输入，要分开产生磁通的电 流和产生转矩的电流并不容易。
矢量控制的基本原理就是用电磁解耦的方法区分开产生转矩的电流和产 生磁通的电流，然后像直流他励电机一样分别进行控制，从而获得理想 的静态特性和动态特性（甚至超过直流调速系统的性能）。
3
8.1 矢量控制的基本思想
一、电动机控制的实质和关键
调速系统的任务是控制和调节电动机的转速,而转速的改变是通过 转矩的改变实现的。作为一种动力设备，无论直流电动机还是异步电动机， 其主要特性是它的转矩——转速特性，在加速、减速、调速等过程中都服 从于基本运动学方程
为此，许多专家学者进行了潜心研究，终于在1971年，出现了两个里程 碑式的研究成果:其一，德国西门子公司提出的“感应电机磁场定向的控 制原理”；其二，美国专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”。经 过实践中的不断改进，形成了现在普遍使用的矢量控制变频调速系统。
——矢量控制技术成为一种重要的电力传动控制技术。
6
1、三相交流电产生旋转磁场
i
iA
iB
0
60 0 900
iC
yA
· z C
ωt
· xB
wt=0
yA z
C ·
x· B
w t = 60
yA
C
z
·
·
x· B
w t = 90
由此可见,交流电动机三相对称的静止绕组ABC，通以三相平衡的正
弦电流iA、iB、iC时，能够产生合成磁通势，这个合成磁通势以同步转
速沿A—B—C相序旋转。
2、两相交流电产生旋转磁场
这样的旋转磁通势也可以由两相空间上相差900的静止绕组 、 ，通
以时间上互差900的交流电来产生。
7
i
iα
iβ
0
wt
90 180
270
A y
· B x
wt=0
A y
B x·
wt=90
以上两种情况的物理模型为:
A y ·
B x
wt=180
·A y
B x
•
•
I A1 I ABC
•
•
I ABC A11 I
两相交流绕组与M-T两相直流绕组之间的变换关系:
•
•
I MT A2 I
•
•
I
A
1 2
I
MT
三种绕组之间的变换关系:
•
•
•
IMT A2IA2A1IABC
其中,A1、A2为变换矩阵。
11
通过控制iM、iT就可以实现对交流iA、iB、iC的瞬时控制,这正是我们所要 达到的目标，即用直流电动机的控制规律实现对交流电动机控制，从而 使交流电动机的调速性能达到或超过直流电动机调速性能的目标。
Te
TL
来自百度文库
J
dn dt
对于恒转矩负载的启动、制动和调速过程，如果能控制电动机的电 磁转矩恒定，就能获得恒定的加速（减速）运动；
对于突加负载，如果能把电动机的电磁转矩迅速提高到允许的最大 值，就能获得最小的转速降和最短的动态恢复时间。
果。
结论:电动机的动态特性的好坏取决于对电动机电磁转矩的控制效
4
从电机学理论讲,任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电动机 内部两个磁场相互作用的结果。
wt=270
B
ω1
F
A
C
三相交流绕组
β
ω1
F
坐标静止
α
磁势旋转
两相交流绕组 8
3、两相直流电产生磁场 这样的磁通势能否由两相直流电产生呢？
由两相互相垂直的绕组M和T,分别通以直流电流iM、iT，合成磁通势F；
让包括铁芯在内的绕组以 的w 速1 度旋转，也可以产生旋转磁通势。此
时，磁通势F相对于M—T坐标是静止的。其物理模型如下:
然而，交、直流电动机产生电磁转矩的规律有着共同的基础，电磁转矩 控制在本质上是一种矢量控制（直流电动机是特例），也就是对矢量的 幅值和空间位置的控制。
5
二、旋转磁场的分析 异步电动机定子绕组中,通入三相正弦交流电，就能形成合成旋转 磁势，并由它建立相应的旋转磁场，其旋转角速度等于定子电流的 角频率。 产生旋转磁场不一定非要三相绕组不可。除单相外的任意多相对称 绕组、通入多相对称正弦电流，都能产生旋转磁场。 如果相数不同的两套绕组，所产生的旋转磁场的大小、转速和转向 完全相同，则认为两套交流绕组等效。
第八章 异步电动机矢量控制
主要内容:
矢量控制的基本思想 坐标变换 异步电动机在不同坐标系下的数学模型 异步电动机矢量控制系统举例
1
到目前为止,我们所讨论的调速系统属于标量控制范畴内的，主要依据电 动机的稳态数学模型，只考虑控制量的幅值，而未涉及控制量的相位， 也未能照顾到参量的瞬时变化。
异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。 在低速、动态运行状态下，标量控制方式将表现出明显的缺陷，电磁转 矩不能得到精确的、实时的控制。能否使交流电动机某些变量的幅值和 相角都得到控制，来改善其动态性能呢？
F
T M
旋转的直流绕组
磁势相对坐标静止 坐标磁势一同旋转
恰好是:当你站在交流电动机的转子上,顺着转子磁通势看去的情况。或 者说，当你站在转子上看交流电动机时，它就是一台直流电动机。
9
如果磁通势由M绕组产生、转矩由T绕组产生,那么我们就可以控 制M绕组的电流来控制磁通、控制T绕组的电流来控制转矩。此 时，M绕组相当于直流电机的励磁绕组，T绕组相当于直流电机 的电枢绕组。
研究表明,在上述三种坐标系下，不仅能够产生旋转磁场，而且如 果控制得当，可以产生完全等效的磁场。因此，上述三种模型一 定存在内在的必然联系。即存在着确定的变换关系。
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A—B—C三相交流绕组与 两相绕组之间的变换关系:
直流电动机，主极磁场在空间固定不变，与电枢的磁势方向总是互 相垂直（正交）、各自独立、互不影响（标量）。
例如他励电动机，励磁和电枢是两个独立的回路，可以对励磁电流 和电枢电流分别控制和调节，就能达到控制转矩的目的，实现转速 的调节。——控制灵活，容易实现。
异步电动机，也是两个磁场相互作用产生电磁转矩。不同的是，定 子磁势、转子磁势以及二者合成的气隙磁势都是以同步角速度在空 间旋转的矢量，且存在强耦合关系。——关系复杂，难以控制。
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矢量控制的研究得出一个结论:可以像控制直流电机一样控制交流电机。 实践证明：交流电机动态性能差并非交流电机自身造成的,而取决于供 电电源以及电源的控制方式。
直流电机的电枢磁通势和励磁磁通势在空间上的正交关系，使得直流电 机的磁通和转矩能够通过调节励磁电流和电枢电流分别得到控制。与直 流电机不同，交流电机只有定子一侧有电源输入，要分开产生磁通的电 流和产生转矩的电流并不容易。
矢量控制的基本原理就是用电磁解耦的方法区分开产生转矩的电流和产 生磁通的电流，然后像直流他励电机一样分别进行控制，从而获得理想 的静态特性和动态特性（甚至超过直流调速系统的性能）。
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8.1 矢量控制的基本思想
一、电动机控制的实质和关键
调速系统的任务是控制和调节电动机的转速,而转速的改变是通过 转矩的改变实现的。作为一种动力设备，无论直流电动机还是异步电动机， 其主要特性是它的转矩——转速特性，在加速、减速、调速等过程中都服 从于基本运动学方程
为此，许多专家学者进行了潜心研究，终于在1971年，出现了两个里程 碑式的研究成果:其一，德国西门子公司提出的“感应电机磁场定向的控 制原理”；其二，美国专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”。经 过实践中的不断改进，形成了现在普遍使用的矢量控制变频调速系统。
——矢量控制技术成为一种重要的电力传动控制技术。
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1、三相交流电产生旋转磁场
i
iA
iB
0
60 0 900
iC
yA
· z C
ωt
· xB
wt=0
yA z
C ·
x· B
w t = 60
yA
C
z
·
·
x· B
w t = 90
由此可见,交流电动机三相对称的静止绕组ABC，通以三相平衡的正
弦电流iA、iB、iC时，能够产生合成磁通势，这个合成磁通势以同步转
速沿A—B—C相序旋转。
2、两相交流电产生旋转磁场
这样的旋转磁通势也可以由两相空间上相差900的静止绕组 、 ，通
以时间上互差900的交流电来产生。
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i
iα
iβ
0
wt
90 180
270
A y
· B x
wt=0
A y
B x·
wt=90
以上两种情况的物理模型为:
A y ·
B x
wt=180
·A y
B x
•
•
I A1 I ABC
•
•
I ABC A11 I
两相交流绕组与M-T两相直流绕组之间的变换关系:
•
•
I MT A2 I
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•
I
A
1 2
I
MT
三种绕组之间的变换关系:
•
•
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IMT A2IA2A1IABC
其中,A1、A2为变换矩阵。
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通过控制iM、iT就可以实现对交流iA、iB、iC的瞬时控制,这正是我们所要 达到的目标，即用直流电动机的控制规律实现对交流电动机控制，从而 使交流电动机的调速性能达到或超过直流电动机调速性能的目标。
Te
TL
来自百度文库
J
dn dt
对于恒转矩负载的启动、制动和调速过程，如果能控制电动机的电 磁转矩恒定，就能获得恒定的加速（减速）运动；
对于突加负载，如果能把电动机的电磁转矩迅速提高到允许的最大 值，就能获得最小的转速降和最短的动态恢复时间。
果。
结论:电动机的动态特性的好坏取决于对电动机电磁转矩的控制效
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从电机学理论讲,任何电动机产生电磁转矩的原理，在本质上都是电动机 内部两个磁场相互作用的结果。
wt=270
B
ω1
F
A
C
三相交流绕组
β
ω1
F
坐标静止
α
磁势旋转
两相交流绕组 8
3、两相直流电产生磁场 这样的磁通势能否由两相直流电产生呢？
由两相互相垂直的绕组M和T,分别通以直流电流iM、iT，合成磁通势F；
让包括铁芯在内的绕组以 的w 速1 度旋转，也可以产生旋转磁通势。此
时，磁通势F相对于M—T坐标是静止的。其物理模型如下:
然而，交、直流电动机产生电磁转矩的规律有着共同的基础，电磁转矩 控制在本质上是一种矢量控制（直流电动机是特例），也就是对矢量的 幅值和空间位置的控制。
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二、旋转磁场的分析 异步电动机定子绕组中,通入三相正弦交流电，就能形成合成旋转 磁势，并由它建立相应的旋转磁场，其旋转角速度等于定子电流的 角频率。 产生旋转磁场不一定非要三相绕组不可。除单相外的任意多相对称 绕组、通入多相对称正弦电流，都能产生旋转磁场。 如果相数不同的两套绕组，所产生的旋转磁场的大小、转速和转向 完全相同，则认为两套交流绕组等效。
第八章 异步电动机矢量控制
主要内容:
矢量控制的基本思想 坐标变换 异步电动机在不同坐标系下的数学模型 异步电动机矢量控制系统举例
1
到目前为止,我们所讨论的调速系统属于标量控制范畴内的，主要依据电 动机的稳态数学模型，只考虑控制量的幅值，而未涉及控制量的相位， 也未能照顾到参量的瞬时变化。
异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性和强耦合的多变量系统。 在低速、动态运行状态下，标量控制方式将表现出明显的缺陷，电磁转 矩不能得到精确的、实时的控制。能否使交流电动机某些变量的幅值和 相角都得到控制，来改善其动态性能呢？
F
T M
旋转的直流绕组
磁势相对坐标静止 坐标磁势一同旋转
恰好是:当你站在交流电动机的转子上,顺着转子磁通势看去的情况。或 者说，当你站在转子上看交流电动机时，它就是一台直流电动机。
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如果磁通势由M绕组产生、转矩由T绕组产生,那么我们就可以控 制M绕组的电流来控制磁通、控制T绕组的电流来控制转矩。此 时，M绕组相当于直流电机的励磁绕组，T绕组相当于直流电机 的电枢绕组。