【2019年整理】电机矢量控制介绍

T2 Lr / Rr
9 2019/4/21
矢量控制系统原理结构图

r

A R
i
Lr np Lm
sm
iA


ASR
÷
i
st
C 2 r / 3s
iB
电流 控制
iA
iB
异步电机 矢量 变换模型
r
i
变频器 C
iC

ˆ r
ˆ
10 2019/4/21
1、在异步电机矢量变换模型中的转子磁链 r 和它的定向相位 角 都是实际存在的，而用于控制器的这两个量都难以直接检 测，只能采用观测值或模型计算值。因此，两个子系统完全解 耦只有在下述三个假定条件下才能成立： ①转子磁链的计算值 ˆ r 等于其实际值r ； ②转子磁场定向角的计算值 ˆ 等于其实际值 ； ③忽略电流控制变频器的滞后作用。 2、转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，其幅值和相位都 受到电机参数 Tr 和 Lm 变化的影响，造成控制的不准确性。不 如采用磁链开环控制，系统反而会简单一些。在这种情况下， 常利用矢量控制方程中的转差公式，构成转差型的矢量控制系 统，又称间接矢量控制系统。
u sd Rs Ls p u L sq 1 s 0 Lm p 0 s Lm
Lm p
1 Lm
R r Lr p
s Lr
磁链方程、转矩方程和运动方程均不变。
当两相同步旋转坐标系按转子磁链定向时，将转子磁链 定向为d轴上，此时d-q坐标系即为m-t坐标系，此时：
im cos 空间矢量由三相静止坐标系变 换到两相坐标系采用park变换 it sin
sin iα i cos β
5 2019/4/21
异步电机在d-q坐标系上的动态等效电路

坐标系： dqs 0 dqr r M-T坐标系： dqs 1 dqr s
11 2019/4/21
矢量控制原理

*
u DC
ASR
r

it
* *
im
ACR
ut um im it
SVP WM
I M
r*
Tr p 1 Lm
abc
ia,ib
负 载
mt
Lm Tr

s 1 1

r
p
磁链模型
其中，比较重要的模块是磁链、转速模型，电流解耦控制，PWM的死区补偿和过调 制，弱磁控制等
12 2019/4/21
VF控制方式
（1）调速中希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱， 没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和， 从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 （2）
Eg 4.44 f1 Ns kNS Φm 控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通 的目的。
Po=I22×R2（1-S)/S=(1-S)Pe Po: 输出功率
1

Po
r
输入变量是电压幅值和频率（即电压矢量的相位） 输出变量是转速和磁链
2 2019/4/21
异步电机物理模型与电压方程
B
u abc
ib1 ia 2 ua 2
d R abci abc abc dt
ub1
b a
uabc [ua1 , ub1 , uc1 , ua 2 , ub 2 , uc 2 ]T
19 2019/4/21
4、自适应状态观测器法
通常是在 坐标系中，以定子侧电流和转子侧磁链为 状态变量，在速度已知的情况下，联立接电压、电流状态 方程，可以解得磁链。但这种开环的状态观测器受电机的 参数、端电压的误差影响较大，并且抗干扰等能力差，实 际上采用观测的定子电流与实际采样的定子电流的误差， 通过增益矩阵来纠正观测的状态变量，即Lucenberg State Observer。增益矩阵与电机的转速有关，以使电机 在任何速度下，观测器的极点是在电机极点的左侧，这样 观测器的收敛速度快且保证稳定性。 实际应用中，不用码盘反馈速度，而是采用自适应律来 辩识转速，这样可以实现无速度传感器矢量控制。
6 2019/4/21
异步电机 两相正交静止坐标系数学模型
电压方程：
u 1 R1 Ls p u 0 1 0 Lm p 0 r Lm 0 R1 Ls p r Lm Lm p Lm p 0 R 2 Lr p i 1 i Lm p 1 r Lr i 2 R 2 Lr p i 2 0
4 2019/4/21
异步电机坐标变换与电压方程
ABC坐标系：三相静止坐标系
坐标系：两相静止坐标系
m-t坐标系：两相同步旋转坐标系
i α i β
1 1 2 2 3 3 0 2
1 i A 2 i 3 B iC 2
电磁转矩及运动方程：
Te pn Lm (i 1i 2 i1i 2 )
J d Te TL np dt
7 2019/4/21
异步电机
电压方程：
d q 两相正交旋转坐标系数学模型
1 Ls Rs Ls p s Lm Lm p 1 Lm isd i Lm p sq s Lr ird R r Lr p irq
（3）绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，忽略定子绕组 的漏磁阻抗压降，定子相电压 Us 代替 Eg，
Us 常值 f1
这就是恒压频比的控制方式
（4）在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再 能忽略。这时，需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 （5）在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在 基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。
dt Lr
r r
Lr
s
用于模型参考自适应中的可调模型，同样受转子电阻参数 影响较大。
18 2019/4/21
3、电流、电压混合模型
由于电压模型法在低速时磁链计算误差较大，而电流模型 法适合于低速，所以在低速时可以用电流模型计算的磁链 去修正电压模型，或用两者的权重不同来得到磁链 1）用电流模型与电压模型磁链通过PI调节器的输出来补 偿电压模型的端电压（电流模型采用M-T坐标系，磁链角 即坐标旋转角） 2）取电压模型和电流模型的加权平均计算磁链
电机控制基本原理
电机数学模型及坐标变换
矢量控制基本模块介绍 编程中的注意事项
1 2019/4/21
异步电机静态等效电路
f0：同步频率(输出频率) fs=f0×S fs：滑差频率
1、忽略铁芯损耗 2、忽略磁路饱和,电感为常数
f0=fs+fr fr：转子频率(转速)
Te Pe
Pe=I22×R2/S Pe: 电磁功率
ic1 uc1 c
C
uc 2
多变量非线性方程求解复杂，简化的方法 是坐标变化，经过三相到两相的坐标变换， 变量减少，电感为常数，数学模型简化
3 2019/4/21
旋转磁动势产生
三相绕组模型 B
B
等效的两相绕组模型

i

ω1 i
F
iB ω 1
F
A

iA A ic C C
C
旋转两相直流绕组模型 F T 1 M it M T im
s

1
电动
r
r Lr
磁链方程：
sα Ls sβ 0 rα Lm rβ 0 0 Ls 0 Lm Lm 0 Lr 0 0 isα i Lm sβ 0 irα Lr irβ
15 2019/4/21
V/F控制的一些概念
5、限流控制 矢量控制检测电机转速，可以直接控制滑差防止过流。 V/F控制不知道电机的转速，直接对定子施加设定的频 率，尤其动态及负载突变时，实际滑差过大，容易造 成过流，需要用电流环来限制输出电流，改变输出频 率。 V/F控制的优点： 1、可以引入简单的矢量模型，提高稳态性能 2、不需要参数辨识，可以驱动多台电机 缺点： 1、动态响应不好 2、低速力矩不足
V/F控制的一些概念
1、为提高性能，加入矢量概念，选取适当的坐标系分解出近似的磁通 电流和转矩电流，进行电压、滑差频率前馈控制 2、自动滑差补偿 根据负载电流的大小，补偿由于负载变化引起的滑差变化
f f sN it / itN
3、自动转矩提升 补偿定子阻抗压降I1R1，防止气隙磁通减小，造成 转矩特性下垂和最大转矩下降
R s it u*
R s im
us is
u x Rs im u y Rs it

it
im 4、空载或轻载振荡抑制 V/F属于开环控制，存在固有的不稳定性，在空、轻载运行情况下，由 于阻尼作用较小，在半基频附近（20Hz~30Hz），容易出现电流大幅振 荡。 VF系统中的振荡特性与电机定子电阻、瞬态漏抗的大小有关，并与 死区时间设置，PWM模式等存在密切的关系。 在不引入电机参数的情况 下，采用电流反馈对频率f，电压V进行微调，来进行振荡抑制。
13 2019/4/21
VF控制方式
s
Es
Eg
Er
Te 不同控制方式下的电机机械特性曲线
保持转子磁通恒定
Er 常值，则 f1
Ф m U1
U1N
恒转矩调速
恒功率调速
U1N
机械特性曲线为一直线，这正是矢量控 制所遵循的原则
Ф mN
Te 3 pn (
1
Er
)2
s1 R2
0
U1
Фm
f1N
f1
14 2019/4/21
16 2019/4/21
转子磁链模型
1、电压模型法 即等效电路定子侧方程，通常选取在坐标系上，由定子磁 链可以进一步得出转子磁链。
di d r L r (u s Rs is Ls s ) dt Lm dt
考虑积分可能引入的漂移而增加高通滤波器 了高通滤波器，磁链在低速时幅值和相位有较大变形，而 且低速时定子反电动势很小，实际电压与电压指令也不一 致，误差大，故该方法不适合低速下使用。由于磁链相位 有畸变，不能采用直接定向，而采用转差间接定向方式。
rd rm r rq rt 0
0 Lm i sq Lr irq
即， r Lm i sd Lr ird
代入电压方程中，得到：
8 2019/4/21
异步电机在M-T(转子磁链定向)坐标系上的数学模型
定子侧稳态电压方程：
T
u m Rs im 1 L it ut Rs it 1 Lm im
ua1 ia1
ub 2
ib 2
O
0
ic 2
i abc [ia1 , ib1 , ic1 , ia 2 , ib 2 , ic 2 ]T
A
abc [ ya1 , y b1 , yc1, ya 2 , y b 2 , yc 2 ]T
R abc diag[Rs , Rs , Rs , Rr , Rr , Rr ]
由转子侧电压方程可得：
ut
u
1
um
M
r
Lm im T2 p 1
转矩方程： Te
np Lm Lr
ຫໍສະໝຸດ Baidu
it r
Lm it s T2 r
1、定子电流的励磁分量与转矩分量是解耦的。 2、r 的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和 直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。
其中，T2是转子时间常数
电压模型受定子电阻，电压指令准确性（即死区补偿等） 影响大。
s ，由于增加 1/ s
17 2019/4/21
2、电流模型法 在M-T坐标系中： r Lm im
T2 s 1
该方法在低速时效果较好。 如果磁场定向控制实现，则磁 链的角度可以认为是磁场定向角。如果知道电机的转速， Lm it 可以计算滑差频率 s ，与转速和的积分可得到磁链角 T2 r （即磁链的I-n模型）。可以用来实现磁场的直接定向，此 时受转子电阻参数影响较大。闭环矢量控制即采用此方法 定向，受转子电阻影响大。 L R d r Rr 在 坐标系中： ( I J ) m r i