異步電動機的矢量控制系統(tǒng)ppt課件

1、異步電機的動態(tài)數(shù)學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統(tǒng)，通過坐標變換，可以使之降階并化簡，但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)。 高動態(tài)性能的異步電機調(diào)速系統(tǒng)必須在其動態(tài)模型的基礎上進行分析和設計。 經(jīng)過多年的潛心研究和實踐，有幾種控制方案已經(jīng)獲得了成功的應用，目前應用最廣的就是按轉子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)。,第七講 矢量控制系統(tǒng),直流電動機的電磁轉矩是由電樞繞組電流Ia與氣隙磁鏈f相互作用產(chǎn)生的。由于直流電機在結構上就保證了電樞電流矢量垂直于氣隙磁鏈矢量，因此直流電機的電磁轉矩為：,直流電動機電磁轉矩,Ia是控制電機轉矩的分量，If是控制電機磁場的分量，這兩者是解耦的。如果If恒定，只要

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

3、軸分解為勵磁電流iM和轉矩電流iT，iM產(chǎn)生轉子磁鏈，iT產(chǎn)生電磁轉矩。,轉子磁鏈定向矢量控制,異步電機在轉子磁鏈方向上的數(shù)學模型 經(jīng)過坐標變換，異步電機可以等效成直流電機，模仿直流電機的控制策略得到直流電機的控制量，經(jīng)過坐標反變換，就能夠控制異步電機了。 由于進行坐標變換的是電流和磁鏈的空間矢量，所以這樣通過坐標變換實現(xiàn)的控制系統(tǒng)就叫作矢量控制系統(tǒng)（Vector Control System）。 在進行旋轉坐標變換時，只規(guī)定了d，q兩軸的相互垂直關系，未規(guī)定兩軸與電機旋轉磁場的相對位置。,轉子磁鏈定向矢量控制,異步電機在轉子磁鏈方向上的數(shù)學模型 選擇d軸沿著轉子磁鏈矢量的方向，稱之為 M軸，

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

5、鏈方向上的數(shù)學模型 對于籠型轉子異步電動機，由于轉子短路，則電壓方程可簡化為：,轉子磁鏈定向矢量控制,異步電機在轉子磁鏈方向上的數(shù)學模型 由電壓方程的第三行得到： 由磁鏈方程得到： 化解得到： 其中 為轉子時間常數(shù)，ism被稱為定子的勵磁電流分量。,轉子磁鏈定向矢量控制,異步電機在轉子磁鏈方向上的數(shù)學模型 由T軸磁鏈方程可得： M軸按轉子磁場方向定向后，與之正交的T軸上定子電流分量的變化會立即引起相應轉子電流分量的變化，不存在滯后。,轉子磁鏈定向矢量控制,異步電機在轉子磁鏈方向上的數(shù)學模型 電磁轉矩方程為： 化解后得到： 這個轉矩關系式很簡單，同直流電動機的轉矩公式一樣。ist被稱為轉矩電流分

6、量。,轉子磁鏈定向矢量控制,異步電機在轉子磁鏈方向上的數(shù)學模型 轉差角頻率： 如果轉子時間常數(shù)和磁鏈不變，轉差頻率與定子電流的轉矩分量成正比。 以上轉差角頻率方程式、電磁轉矩方程和轉子磁鏈方程就構成了按轉子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)的基本方程式。在實際控制中，如果能夠實現(xiàn)電流iM和iT的完全解耦，異步電動機便可獲得類似于直流電動機的特性。,轉子磁鏈定向矢量控制,異步電機在轉子磁鏈方向上的數(shù)學模型 轉子磁鏈僅由定子電流勵磁分量產(chǎn)生，與轉矩分量無關，從這個意義上看，定子電流的勵磁分量與轉矩分量是解耦的。 r 與 iM之間的傳遞函數(shù)是一階慣性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)為轉子磁鏈勵磁時間常數(shù)，當勵磁電流分量iM突變時

7、，r 的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電機勵磁繞組的慣性作用是一致的。,轉子磁鏈定向矢量控制,動態(tài)矢量圖,轉子磁鏈定向矢量控制,模仿直流電動機的控制方法，求出直流電動機的控制量isM*和isT*，再經(jīng)過反變換就能得到異步電動機的控制量ia*、ib*、ic*。,轉子磁鏈定向矢量控制,電流指令isM*和isT*經(jīng)過M-T坐標系、坐標系和、坐標系三相靜止坐標系的變換，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*一樣的實際電流ia、ib、ic；ia、ib、ic通過3/2變換轉換為is、is，之后借助于單位矢量cos和sin轉換到同步旋轉坐標系中，得

8、到的isM、isT施加到M-T坐標系下的電機模型上。 控制電流指令i*sM和i*sT就可以控制電機的磁場和轉矩。,轉子磁鏈定向矢量控制,該控制器需要兩個反變換，以便控制電流i*sM和i*sT分別與電機電流isM、isT相一致。 轉子磁場定向是由坐標變換所用單位矢量cos和sin來保證的，正確的單位矢量是保證矢量控制原理實現(xiàn)的關鍵。,轉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。 當矢量控制所用單位矢量和磁鏈是直接檢測到的或由檢測到的電機的端子量及轉速計算得到時，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）。 當矢量控制所用單位矢量和磁鏈是從電流指令值和轉速來計算得到時，被稱為間接矢量控制，也可稱為磁通前饋矢量控制（Feedworward Vector Control），又稱為轉差頻率矢量控制。,轉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被變換到靜止坐標系中，靜止坐標系上的信號然后被變換為逆變器的相電流指令值。 磁鏈給定信號由函數(shù)發(fā)生程序獲得，磁鏈調(diào)節(jié)器實現(xiàn)磁鏈的精確控制。 轉矩電流分量i*sT由帶雙極性限幅器的轉速調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，實現(xiàn)了電磁轉矩的閉環(huán)控制，可實現(xiàn)正、反向運行。 系統(tǒng)的頻率是借助磁場定向角 實現(xiàn)了對相位和

10、頻率的控制。 該系統(tǒng)實現(xiàn)了磁鏈和轉矩的完全解耦，精度高，可用于要求高性能調(diào)速場合，但系統(tǒng)構成和運算復雜。,直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 在任意旋轉速度坐標系下，定、轉子及氣隙磁鏈的方程式為：,磁鏈表達式與轉速無關； 定子、轉子、氣隙磁鏈三者知道其一，另外兩個就可推得。,直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 直接法磁敏式檢測法和探測線圈法 利用被測量的氣隙磁通計算：,存在不少工藝和技術問題，破壞了電機的機械魯棒性。 由于齒槽的影響，檢測信號中脈動分量較大。,直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 間接法根據(jù)電壓電流轉速等其它物理量建立觀測模型： 電壓模型磁鏈觀測器：利用定子電壓

11、和電流信號重構轉子磁鏈信號。 電流模型磁鏈觀測器：通過檢測電動機的定子電流和轉速信號來重構轉子磁鏈信號。 組合模型法：電壓、電流模型相結合的方法。,直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 電壓模型磁鏈觀測器的定子磁鏈：,直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 電壓模型磁鏈觀測器中的氣隙磁鏈： 電壓模型磁鏈觀測器中的轉子磁鏈：,直接矢量控制系統(tǒng),直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 電壓模型磁鏈觀測器框圖,轉子磁鏈矢量的獲取方法 電壓模型磁鏈觀測器： 算法簡單；算法中不含轉子電阻，因此受電機參數(shù)變化影響小；不需轉速信息。 低速時，隨著定子電阻壓降作用明顯，測量誤差淹沒了反電動勢，使得觀測

12、精度較低；純積分環(huán)節(jié)的誤差積累和漂移問題嚴重，可能導致系統(tǒng)失穩(wěn)。,直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 電流模型磁鏈觀測器框圖：,直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 電流模型磁鏈觀測器： 算法不涉及純積分項，觀測值是漸近收斂的；低速的觀測性能強于電壓模型法。 需要轉速作為輸入信號；計算涉及到時變特性顯著的參數(shù)，即轉子時間常數(shù)，當電機的運行溫度發(fā)生變化或磁路出現(xiàn)飽和時，變動范圍較大，常需進行實時辨識才能保證磁鏈觀測精度；高速時觀測性能較差。,直接矢量控制系統(tǒng),轉子磁鏈矢量的獲取方法 組合模型磁鏈觀測器： 電壓和電流模型結合起來使用，即在高速時讓電壓模型起作用，通過低通濾波器將電流模型的

13、觀測值濾掉；在低速時讓電流模型起作用，通過高通濾波器將電壓模型觀測值濾掉。,直接矢量控制系統(tǒng),磁鏈開環(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，轉子磁鏈反饋信號是由磁鏈模型獲得的，受電機參數(shù) Tr 和 Lm 變化的影響，造成控制的不準確性。 為避免復雜的磁鏈觀測算法及運算偏差對閉環(huán)控制的影響，磁鏈開環(huán)的間接矢量控制在工業(yè)應用中比較流行。常利用矢量控制方程中的轉差公式構成轉差型的矢量控制系統(tǒng)。 在磁鏈恒定的情況下，電機轉矩與轉差頻率成正比，因此，可以通過目標轉矩值確定目標轉差頻率，從而計算目標磁鏈位置； 轉子磁鏈只采用開環(huán)控制，避免了磁通觀測器帶來的幅值和相位觀測誤差。,間接矢量控制系

14、統(tǒng),轉差頻率矢量控制系統(tǒng) 定子d軸電流目標值可根據(jù)磁鏈目標值確定： 忽略轉子磁鏈動態(tài)過程中的波動，轉差頻率目標值可根據(jù)轉矩目標值或q軸電流目標值確定：,間接矢量控制系統(tǒng),轉差頻率矢量控制系統(tǒng) 坐標變換中所需轉子磁場轉角由目標轉差頻率、轉子角速度和定子電流目標值共同確定：,間接矢量控制系統(tǒng),轉差頻率矢量控制系統(tǒng)框圖,間接矢量控制系統(tǒng),轉差頻率矢量控制系統(tǒng)的特點 磁場定向由給定信號確定，靠矢量控制方程來保證，不需要實際計算轉子磁鏈矢量，省去了轉子磁鏈觀測器，系統(tǒng)結構簡單； 磁鏈控制采用開環(huán)控制方式，磁鏈控制過程受電機轉子參數(shù)影響??； 運行中轉子參數(shù)的變化及磁路飽和等因素影響會造成實際定向軸偏離設定

15、的目標定向軸，影響解耦效果和控制性能。,間接矢量控制系統(tǒng),氣隙磁場定向矢量控制系統(tǒng)的特點 氣隙磁通易于直接測量，同時電機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； 與轉子磁場相同，維持氣隙磁通恒定時，電磁轉矩與q軸電流成正比； 磁通關系和滑差關系中存在耦合，與解耦的轉子磁通控制結構相比，耦合使基于氣隙磁通控制的轉矩和磁通控制結構圖更復雜。,其他磁鏈定向系統(tǒng),定子磁場定向矢量控制系統(tǒng)的特點 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器，非常易于實現(xiàn)，且不包括對溫度變化非常敏感的轉子參數(shù)； 低速時，由于定子電阻壓降占端電壓的大部分，

16、致使反電勢測量誤差較大，導致定子磁通觀測不準； 與氣隙磁場定向一樣，磁通關系和滑差關系中存在耦合，耦合使轉矩和磁通控制結構較復雜。,其他磁鏈定向系統(tǒng),矢量控制中的速度反饋 高性能電機調(diào)速系統(tǒng)必須有準確的轉速反饋，常用轉速傳感器的種類： 電磁式：旋轉變壓器，接近開關式等； 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，絕對式編碼器。,矢量控制的研究方向,矢量控制中的速度反饋 機械傳感器增加了電機轉子軸上的轉動慣量，加大了電機空間尺寸和體積。 機械傳感器的使用增加了電機與控制系統(tǒng)之間的連接線和接口電路，降低了系統(tǒng)可靠性。 受機械傳感器使用條件如溫度、濕度和振動的限制，調(diào)速系統(tǒng)

17、不能廣泛適應各種場合。 機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格甚至可與電機本身價格相比。,矢量控制的研究方向,矢量控制中的速度反饋 無速度傳感器控制方法： 直接計算法； 觀測器方法(全階狀態(tài)觀測器，降階狀態(tài)觀測器，滑模觀測器，擴展卡爾曼濾波器）； 模型參考自適應法； 高頻信號注入法； 檢測齒諧波進行轉速辨識法； 基于人工智能理論基礎的其它估算方法。,矢量控制的研究方向,無速度傳感器矢量控制框圖,矢量控制的研究方向,異步電機控制系統(tǒng)的參數(shù)辨識（參數(shù)自整定） 參數(shù)的不準確性的產(chǎn)生原因： 制造工藝和材料的差異 電機運行狀況對參數(shù)的影響 負載參數(shù)的變化 按自整定時間分類 離線式(off-line)整定：堵轉實驗、空載實驗 在線式(on-line)整定：一般與無速度傳感器控制算法結合。,矢量控制的研究方向,矢量控制的特點： 矢量控制通過坐標變換對異步電機進行轉矩和磁