第三章 矢量控制系统

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3.1 矢量控制的基本思想
1、直流电动机和异步电动机的电磁转矩
首先从统一的电动机转矩方程入手，揭示电动机控制 的实质和关键。电动机在加、减速调节过程中都服从于基 本运动学方程式：
Te
TL
J
dn dt
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3.1 矢量控制的基本概念
1、直流电动机和异步电动机的电磁转矩
由电机学可知，任何电动机产生电磁转矩的原理，在 本质上都是电机内部两个磁场相互作用的结果，因此各种 电机的电磁转矩具有统一的表达式：
直流电动机 控制模式
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3.1 矢量控制的基本概念
2、矢量控制基本思路
T e2n 2 p m F ssins2n 2 p m F rsinr
转子磁势的模值控制 控制转矩 定子磁势的模值控制
各相电流大 小幅值控制
空间位置角控制
控制各相电流瞬 时相位
因此，只要能实现对异步电动机定子各相电流的瞬时
第三章 异步电动机矢量控制系统
建立在静止数学模型上 变压变频交 流调速系统 幅值意义上进行控制
忽略相位的控制
静态特性好 动态特性不理想
直流调 速系统
电磁转矩能够容易 而灵活的进行控制
优良的静态、 动态特性
交流电动机模拟直流电动机 （矢量控制技术）
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第3章 异步电动机矢量控制系统
矢量控制的基本概念 直流电动机和异步电动机的电磁转矩 矢量控制基本思路
控制，就能实现对异步电动机.转矩的有效控制。
3.1 矢量控制的基本概念
采用矢量变换控制方式如何实现对异步电动机定子电流 的瞬时控制呢？我们可以由以下图进行解释：
B B
ic
s ib
A
ia
C
ABC
A
C
三相交流绕组 三相静止坐标系
s
i
i
二相交流绕组 二相静止坐标系
.
T
电枢绕组
s
T iT M
iM
0
在主极磁通和电枢磁势的相互作用下，产生电磁转矩：
Ted 2np2dFasinad
其中
Fa Ia Na 2npa
sinad 1
所以上式可以写成：
Ted CMDdIa
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q
N
S
d
Ted CMDdIa
电枢电流，可 以由端电压控制
（电枢回路）
直流电机转矩 系数（常数）
两个回路相互独立，可以单独控制， 互不影响。因此，直流电机的电磁转矩 控制简单灵活。
定子电流 转子电流 定子磁链 转子磁链
由于可以测量，可代表 实际存在的空间矢量
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3.2.2 矢量坐标变换原理及实现方法
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主极磁通，可以由 励磁电流控制
（励磁回路）
3.1 矢量控制的基本思想
根据电机学知识，可以推导出交流电机输出电磁转矩为：
Tei
2
np2 m Fr
sin（90o
）
r
2
np2 m
32
np
N2Ir
sin（90转o 子 电r）流
CIM m Ir cosr
气隙磁通，由励 磁电流 Im控制
I&S I&m I&r
两个电流同处于定子回 路中，存在强耦合的关 系，无法单独控制。
交流电动机的电磁转矩难以控制！
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3.1 矢量控制的基本概念
直流电机：Ted CMDdIa 电磁转矩关系简单，容易控制
交流电机：Tei C IM mIrcosr 电磁转矩关系复杂，难于控制
交流电动机 控制
等效变换
电机统一性 统一转矩公式
为转子位置角。
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3.2 矢量坐标变换及变换矩阵
Tq
0
s L
M （磁链轴）
d （转子轴）
（定子轴-A轴）
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3.2 矢量坐标变换及变换矩阵
2. 空间矢量
实际存在 空间矢量
定子磁势 定子磁通 转子磁势 转子磁通
一类实际
不存在空间矢 量
定子电压 定子电动势 转子电压 转子电动势
一类实际
不存在空间 矢量
T e2n 2 p m F ssins2n 2 p m F rsinr
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3.1 矢量控制的基本概念
励磁绕组 （固定绕组）
电枢绕组 （可以当作固定绕组）
q
F（a
I
）
a
N
S
d
F ( )
d轴-直轴 （主极磁极轴线） q轴-交轴（与直轴正交）
二极直流电机简图
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ad
空间位置关系
F（d
）
d
3.1 矢量控制的基本概念
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3.2 矢量坐标变换及变换矩阵
1、异步电动机的坐标系量
（2） 转子坐标系（a-b-c和d-q坐标系） 转子三相轴线构成a-b-c三相坐标系。 转子坐标系固定在转子上，其中平面直角坐标
系的d轴位于转子的任意轴线上（异步电动机），q 轴超前d轴90度。
转子坐标系和转子一起在空间以转子角速度旋 转。通常被称为旋转坐标系。
矢量控制的基本概念 矢量坐标变换及变换矩阵 三相异步电动机在不同坐标系下的数学模型 磁场定向和矢量控制的基本控制结构 转子磁链观测器 异步电动机矢量控制系统 数字化异步电动机矢量控制系统设计
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3.2 矢量坐标变换及变换矩阵
1、异步电动机的坐标系： 2.1 异步电动机坐标系与
（1空）定间子矢坐量标系（A-B-C和 ）
MT
M 励磁绕组
二相直流绕组 二相旋转坐标系
3.1 矢量控制的基本概念
以上矢量变换控制的基本思想和控制过程可用框图来表达：
iM , iT
控制器
旋转坐标系
两相交流控 制量iα*iβ*
两相静止坐标系
三相交流控
制量iA*iB*iC*
三相静止坐标系
变压 变频 交流 电源
三相 异步 电动机
实际反馈量 iM，iT
旋转坐标系
实际的两相
交流量iαiβ
两相静止坐标系
交流量测量
iAiBiC
三相静止坐标系
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3.1 矢量控制的基本思想
由于将直流标量作为电机外部的控制量，然后又将其 变换成交流量去控制交流电机的运行，均是通过矢量坐标 变换来实现的，因此将这种控制系统称之为矢量控制系 统。
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第3章 异步电动机矢量控制思想
三相绕组的轴线构成A-B-C三相坐标系。 平面矢量可用两相直角坐标系来描述，所以定子坐 标系又定义了一个两相直角坐标系—— 由于 轴和A轴固定在定子绕组A相的轴线上，所以 这两个坐标系在空间固定不动，称静止坐标系。
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3.2 矢量坐标变换及变换矩阵
s
B
B ib A
ic C
ia
A s
异步电动机定子坐标系 C
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3.2 矢量坐标变换及变换矩阵
q
b
b a
c
a( d )
c
异步电动机转子坐标系
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3.2 矢量坐标变换及变换矩阵
1、异步电动机的坐标系量
（3）同步旋转坐标系（M-T坐标系） 同步旋转坐标系的M轴固定在磁链矢量上，T轴超
前M轴90度，该坐标系和磁链矢量一起在空间以同步角 速度旋转。
s 为磁链同步角，从定子轴 到磁链轴M的夹角 L 为负载角，从转子轴d到磁链轴M的夹角。