《电机矢量控制技术》矢量控制综述

福建工程学院

研究生课程论文

课程名称电机及其系统分析教师姓名

研究生姓名

研究生学号

研究生专业电气工程

研究方向电力工程

年级一年级

所在学院信息学院

日期2016年01 月13日

评语

矢量控制技术的发展以及在应用中的改善 摘要：电机在很多场合得到了广泛的使用，因为它具有的独特优点，例如它为现代运动控制系统提供了一种具有诸多优点和适用广泛的装置。异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。

关键词：矢量控制,异步电机,解耦

ABSTRACT:In many occasions, the motor has been widely used because it has unique advantages, such as it provides a lot of advantages and is suitable for a wide range of modern device having the motion control system. Dynamic mathematical model of the induction motor is a high order, nonlinear, strongly coupled multivariable systems. In the 1970s, Siemens engineers F.Blaschke first proposed induction motor vector control theory to solve the problem of the AC motor torque. The basic principle of vector control is achieved by measuring and controlling asynchronous motor stator current vector, based on the principle of field-oriented asynchronous motor excitation current and torque current control, respectively, so as to achieve the purpose of control of induction motor torque.

Key Word ： Vector control ，Induction motor ，Decoupling

0、序言

异步电动机的数学模型是一个极其复杂的模型。总的归结起来可以异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统[1]。而且在研究三相异步电动机的复杂的数学模型中，我们常常会做出以下几方面的假设。第一，我们往往会忽略空间谐波。第

二、忽略磁路饱和。并且假设它们的自感和互感都是线性的。第三、忽略铁芯损耗。第四、不考虑频率和温度对绕组的影响。由于感应电动机的励磁和电枢都是同一个绕组，所以转矩和磁链之间就相对比较复杂。电磁转矩的物理表达式为

22ϕφCOS I C T T e =

可以知道感应电动机各个参量相互耦合，这也是感应电动机难以控制的根本原因[2]。由于矢量控制具有转矩控制的线性特性，控制效率很高，调节器的设计也比较容易实现。而且，速度的调节较宽在接近零转速时仍然可以带动额定负载运行，具有良好的起制动性能，所以矢量控制技术才会被人们慢慢的所利用[3]。异步电机数学模型的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程如下：

电压方程：

磁链方程：

转矩方程：

运动方程：

1、矢量控制技术的发展

矢量控制理论是由德国F.Blaschke首先提出。这一理论是从电机统一理论、机电能量转换和矢量变换理论的基础上发展起来的，基本思想是把异步电动机模拟转化为直流电机来加以达到更好更简便的控制[4]。在建立数学模型的时候一般都会按上述方法将电机理想化。矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制，也就是把磁场的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均由瞬时值来表示。这个理论是1968 年Darmstader 工科大学的 Hasse 博士初步提出的。在1971年德国西门子公司 F.Blaschke 博士等提出的“感应电机磁场定向的控制原理”和美国 P.C.Custman 与A.A.Clark 申请的专利“感应电机定子电压的坐标变换控制”奠定了矢量控制的基础。这一阶段，矢量控制并没能完全进入工业运用中。在从 20 世纪 80 年代中期到 20 世纪 90 年代初期，欧洲电力电子会议（EPE）论文集中涉及到矢量控制的论文占有很大比例。在这当中，德国SIEMENS 公司、Aachen 技术大学电力电子和电气传动研究院和德国 Braunchweig 技术大学 W.Leonhard、R.Gabriel、G.Heinemann 等教授更是为矢量控制的应用做出了突出贡献，在应用微处理器的矢量控制研究中取得了许多重大进展，促进了矢量控制的实用化。20世纪90年代一方面随着交流电气的迅速发展，电力电子器件的发明使用促进了交流调速技术的的重大变革。另一方面另一方面，交流调速控制技术，尤其是复杂的矢量控制算法的实现，离不开微处理器技术和数字化控制技术取得的巨大进步。进入 21 世纪以来，矢量

控制的研究仍在如火如荼地进行，德国、日本和美国依然走在世界的前列[5]。

2、矢量控制技术的发展应用

现在的很多研究和实验都不再是将矢量控制单独作用于对力矩的控制，而是选择结合其他的方法和元器件来实现控制。例如很多场合会将矢量控制与DSP相结合使用，通过控制定子电流以及利用PI控制器来控制力矩。有些场合也将直接转矩控制和矢量控制相结合[6]。根据矢量控制的优缺点，人们逐渐的利用他们自身的特点与其他控制的方法组合进行相互补充完善系统。与滞后控制相比，空间矢量控制具有较低的频率和损耗，而滞后控制具有较高的开关损耗。因此，将两种方法进行组合用于神经网络控制，能减少系统损耗，发挥最大的控制效果[7]。不仅是上述的一些方面，矢量控制技术也被用在变压器、逆变器和整流器等工作空间中[8-11]。如今，矢量控制技术也不仅仅只是应用于工业生产，例如它也正在进入一些国家的军队国防事业[12]。

尽管矢量控制技术的产生给人们的生活和工业生产带来了很大的改善，但矢量控制技术对感应电动机的控制也并非是一种绝对精确的控制方法。因为只有当转子磁场位置定向准确时，定子电流的励磁分量和转矩分量才可以完全的解耦，从而可以分别的控制，获得类似直流电机的控制性能。可是在普通的转子磁场定向的异步电机矢量控制系统中，由于转子时间常数变化、磁饱和、涡流等因数的影响，想要实现异步电机转子磁场准确定向难度是很大的，尤其是在高频、弱磁的工作条件之下[13-15]。

异步电机的参数往往都会跟随温度、频率和饱和程度的不同而变化。针对矢量控制对参数的敏感性，国内外的很多文献采用了一些自适应的控制和磁链观测方法[16-19]，并且提出了最小二乘法、MARS等多种方法来实时地辨别转子时间常数,但是要同时考虑饱和、涡流等多种因素还是相当困难的。目前矢量控制系统常用的控制方案有三种：按转子磁链定向、按定子磁链定向和按气隙磁链定向[20]。在感应电机的矢量控制中，磁链观测准确性直接影响磁链的控制。磁链观测误差会通过控制电机的磁链偏大或者偏小，从而导致电机效率过低或者过流，磁链准确观测是实现高性能电机传动系统的关键环节，因此如何提高磁链的观测的准确性是目前磁链观测研究的主要方向。对改善感应电机的性能，扩大感应电机的调速范围和稳定运行区域都是非常有意义的研究工作，受到工程界的高度关注[21-23]。

而对于矢量控制异步电机转子时间常数受其它因素影响而变化的问题，文献[24]中提出了基于卡尔曼滤波器的转子时间常数的辨识补偿方法。它具有较高的精确性，借助DSP可以实现实时补偿控制，并且通过仿真验证了该方法的可行性。尽管矢量控制技术已经得到了很大的发展，也在专业领域得到认可和应用，但是由于电动机自身的结构和材料的影响，例如，由于电机铁损的存在，使得矢量控制变在精确度上存在着一定的偏移[25]因此，近几年各国的学者都在致力于感应电机的高性能控制，是感应电机的动态、稳态控制性能得到了很大的提高，甚至可以直接与直流电机的控制性能相比较[26]。