電機(jī)矢量控制介紹

1、2022-1-161電機(jī)數(shù)學(xué)模型及坐標(biāo)變換編程中的注意事項矢量控制基本模塊介紹2022-1-162f0：同步頻率(輸出頻率)fs=f0Sfs：滑差頻率Pe=I22R2/SPe: 電磁功率Po=I22R2（1-S)/S=(1-S)PePo: 輸出功率f0=fs+frfr：轉(zhuǎn)子頻率(轉(zhuǎn)速)輸入變量是電壓幅值和頻率（即電壓矢量的相位）輸出變量是轉(zhuǎn)速和磁鏈1、忽略鐵芯損耗 2、忽略磁路飽和,電感為常數(shù)roeePPT12022-1-163ABCabcia1ia2ib2ib1ic1ic2uc2uc1ub1ub2ua2ua1O0T2c2b2a1c1b1aabc,uuuuuuuT2c2b2a1c1b1aabc

2、,iiiiiiiT2c2b2a1c1b1aabcy,y,y,y,y,y,diagrrrsssabcRRRRRRRabcabcabcabcddtiRu多變量非線性方程求解復(fù)雜，簡化的方法是坐標(biāo)變化，經(jīng)過三相到兩相的坐標(biāo)變換，變量減少，電感為常數(shù)，數(shù)學(xué)模型簡化2022-1-164ABCABCiAiBic CF1三相繞組模型等效的兩相繞組模型1FMTimitMT旋轉(zhuǎn)兩相直流繞組模型 iiF12022-1-165坐標(biāo)系：兩相靜止坐標(biāo)系A(chǔ)BC坐標(biāo)系：三相靜止坐標(biāo)系m-t坐標(biāo)系：兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系CBA232302121132iiiiitmcossinsincosiiii空間矢量由三相靜止坐標(biāo)系變換到兩相

3、坐標(biāo)系采用park變換2022-1-166坐標(biāo)系：0dqsrdqrM-T坐標(biāo)系：1dqssdqr2022-1-1672211221111000000iiiipLRLpLLLpLRLpLpLpLRpLpLRuurrrmmrrrrmrmmsms)(2121iiiiLpTmnerrssrmrmmsmsrrss00000000iiiiLLLLLLLLtnJTTddpLers1電動2022-1-168當(dāng)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系按轉(zhuǎn)子磁鏈定向時，將轉(zhuǎn)子磁鏈定向為d軸上，此時d-q坐標(biāo)系即為m-t坐標(biāo)系，此時：即， 代入電壓方程中，得到：qd rqrdsqsdrrrsmmsrsrrmmmm1sss1m1ms1ss

4、sqsd00iiiipLRLpLLLpLRLpLpLLpLRLLpLLpLRuus磁鏈方程、轉(zhuǎn)矩方程和運動方程均不變。 rrmrd0rtrqrqrsqmrdrsdmriLiLiLiL02022-1-169定子側(cè)穩(wěn)態(tài)電壓方程：mmtsttmsmiLiRuiLiRu11由轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程可得：其中，T2是轉(zhuǎn)子時間常數(shù) rtmsmmrTiLipTL221rrRLT/2MTuumut1rtrmpeiLLnT 轉(zhuǎn)矩方程：1、定子電流的勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量是解耦的。2、r 的變化要受到勵磁慣性的阻撓，這和直流電機(jī)勵磁繞組的慣性作用是一致的。 2022-1-1610Ai電流控制變頻器mprLnLCiBismis

5、tir異步電機(jī)矢量變換模型s3/ r2CrAiCiBirRAASR2022-1-16111、在異步電機(jī)矢量變換模型中的轉(zhuǎn)子磁鏈 r 和它的定向相位角 都是實際存在的，而用于控制器的這兩個量都難以直接檢測，只能采用觀測值或模型計算值。因此，兩個子系統(tǒng)完全解耦只有在下述三個假定條件下才能成立：轉(zhuǎn)子磁鏈的計算值 等于其實際值r ；轉(zhuǎn)子磁場定向角的計算值 等于其實際值 ；忽略電流控制變頻器的滯后作用。 2、轉(zhuǎn)子磁鏈反饋信號是由磁鏈模型獲得的，其幅值和相位都受到電機(jī)參數(shù) Tr 和 Lm 變化的影響，造成控制的不準(zhǔn)確性。不如采用磁鏈開環(huán)控制，系統(tǒng)反而會簡單一些。在這種情況下，常利用矢量控制方程中的轉(zhuǎn)差公式

6、，構(gòu)成轉(zhuǎn)差型的矢量控制系統(tǒng)，又稱間接矢量控制系統(tǒng)。r2022-1-1612ASR*r*rACR abcmtSVPWMIM負(fù)負(fù)載載ia,ib*timrLpT1*mimutuDCurmTLs磁鏈模型磁鏈模型rp11miti其中，比較重要的模塊是磁鏈、轉(zhuǎn)速模型，電流解耦控制，其中，比較重要的模塊是磁鏈、轉(zhuǎn)速模型，電流解耦控制，PWM的死區(qū)補(bǔ)償和過調(diào)的死區(qū)補(bǔ)償和過調(diào)制，弱磁控制等制，弱磁控制等2022-1-1613（1）調(diào)速中希望保持電機(jī)中每極磁通量 m 為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴(yán)重時會因繞組過熱而損壞電

7、機(jī)。mNs1g44. 4SkNfE （2）控制好 Eg 和 f1 ，便可達(dá)到控制磁通 的目的。（3）繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當(dāng)電動勢值較高時，忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，定子相電壓 Us 代替 Eg，常值1fUs這就是恒壓頻比的控制方式（4）在低頻時 Us 和 Eg 都較小，定子阻抗壓降所占的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，需要人為地把電壓 Us 抬高一些，以便近似地補(bǔ)償定子壓降。（5）在基頻以下，磁通恒定時轉(zhuǎn)矩也恒定，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”性質(zhì)，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高時轉(zhuǎn)矩降低，基本上屬于“恒功率調(diào)速”。2022-1-1614sEgErE保持轉(zhuǎn)子磁通恒定 ，則 機(jī)械特性曲線為一直線

8、，這正是矢量控制所遵循的原則 常值1fEr2121)(3RsEpTrneTes恒功率調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速mNmUU1NmNU1N0f1Nf1Um11不同控制方式下的電機(jī)機(jī)械特性曲線2022-1-16151、為提高性能，加入矢量概念，選取適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系分解出近似的磁通電流和轉(zhuǎn)矩電流，進(jìn)行電壓、滑差頻率前饋控制2、自動滑差補(bǔ)償根據(jù)負(fù)載電流的大小，補(bǔ)償由于負(fù)載變化引起的滑差變化tNtsNiiff/3、自動轉(zhuǎn)矩提升補(bǔ)償定子阻抗壓降I1R1，防止氣隙磁通減小，造成轉(zhuǎn)矩特性下垂和最大轉(zhuǎn)矩下降imitu*RsitRsimusistsymsxiRuiRu4、空載或輕載振蕩抑制V/F屬于開環(huán)控制，存在固有的不穩(wěn)定性，在

9、空、輕載運行情況下，由于阻尼作用較小，在半基頻附近（20Hz30Hz），容易出現(xiàn)電流大幅振蕩。 VF系統(tǒng)中的振蕩特性與電機(jī)定子電阻、瞬態(tài)漏抗的大小有關(guān)，并與死區(qū)時間設(shè)置，PWM模式等存在密切的關(guān)系。 在不引入電機(jī)參數(shù)的情況下，采用電流反饋對頻率f，電壓V進(jìn)行微調(diào)，來進(jìn)行振蕩抑制。2022-1-1616V/F控制的優(yōu)點：1、可以引入簡單的矢量模型，提高穩(wěn)態(tài)性能2、不需要參數(shù)辨識，可以驅(qū)動多臺電機(jī)缺點：1、動態(tài)響應(yīng)不好2、低速力矩不足5、限流控制矢量控制檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以直接控制滑差防止過流。V/F控制不知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直接對定子施加設(shè)定的頻率，尤其動態(tài)及負(fù)載突變時，實際滑差過大，容易造成過流，需

10、要用電流環(huán)來限制輸出電流，改變輸出頻率。2022-1-16171、電壓模型法即等效電路定子側(cè)方程，通常選取在坐標(biāo)系上，由定子磁鏈可以進(jìn)一步得出轉(zhuǎn)子磁鏈?？紤]積分可能引入的漂移而增加高通濾波器 ，由于增加了高通濾波器，磁鏈在低速時幅值和相位有較大變形，而且低速時定子反電動勢很小，實際電壓與電壓指令也不一致，誤差大，故該方法不適合低速下使用。由于磁鏈相位有畸變，不能采用直接定向，而采用轉(zhuǎn)差間接定向方式。電壓模型受定子電阻，電壓指令準(zhǔn)確性（即死區(qū)補(bǔ)償?shù)龋┯绊懘蟆s/1)(dtdiLiRuLLdtdsssssmrr2022-1-16182、電流模型法在M-T坐標(biāo)系中：該方法在低速時效果較好。 如果磁

11、場定向控制實現(xiàn)，則磁鏈的角度可以認(rèn)為是磁場定向角。如果知道電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以計算滑差頻率 ，與轉(zhuǎn)速和的積分可得到磁鏈角（即磁鏈的I-n模型）。可以用來實現(xiàn)磁場的直接定向，此時受轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)影響較大。閉環(huán)矢量控制即采用此方法定向，受轉(zhuǎn)子電阻影響大。在 坐標(biāo)系中：用于模型參考自適應(yīng)中的可調(diào)模型，同樣受轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)影響較大。12sTiLmmrrtmsiL2TsrrmrrrrriLRLJILRdtd)(2022-1-16193、電流、電壓混合模型由于電壓模型法在低速時磁鏈計算誤差較大，而電流模型法適合于低速，所以在低速時可以用電流模型計算的磁鏈去修正電壓模型，或用兩者的權(quán)重不同來得到磁鏈 1）用電流模型

12、與電壓模型磁鏈通過PI調(diào)節(jié)器的輸出來補(bǔ)償電壓模型的端電壓（電流模型采用M-T坐標(biāo)系，磁鏈角即坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角） 2）取電壓模型和電流模型的加權(quán)平均計算磁鏈2022-1-16204、自適應(yīng)狀態(tài)觀測器法 通常是在 坐標(biāo)系中，以定子側(cè)電流和轉(zhuǎn)子側(cè)磁鏈為狀態(tài)變量，在速度已知的情況下，聯(lián)立接電壓、電流狀態(tài)方程，可以解得磁鏈。但這種開環(huán)的狀態(tài)觀測器受電機(jī)的參數(shù)、端電壓的誤差影響較大，并且抗干擾等能力差，實際上采用觀測的定子電流與實際采樣的定子電流的誤差，通過增益矩陣來糾正觀測的狀態(tài)變量，即Lucenberg State Observer。增益矩陣與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，以使電機(jī)在任何速度下，觀測器的極點是在電機(jī)極點的

13、左側(cè)，這樣觀測器的收斂速度快且保證穩(wěn)定性。 實際應(yīng)用中，不用碼盤反饋速度，而是采用自適應(yīng)律來辯識轉(zhuǎn)速，這樣可以實現(xiàn)無速度傳感器矢量控制。2022-1-16211、采用電壓模型通過電壓模型得到磁鏈旋轉(zhuǎn)角，磁鏈角度的微分得到磁鏈旋轉(zhuǎn)頻率，減去電機(jī)的滑差頻率，就得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于計算滑差頻率，受轉(zhuǎn)子電阻影響較大，低速的性能也不理想。2、電流模型、反電勢法先用M-T坐標(biāo)系的電流模型計算出電機(jī)的氣隙磁鏈，再由反電勢算出磁場的旋轉(zhuǎn)頻率，再減去電機(jī)的滑差頻率，就得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該方法高速不好，同樣也受轉(zhuǎn)子電阻影響。3、采用電壓、電流混合模型用混合模型計算磁鏈，然后采用相應(yīng)方法估算轉(zhuǎn)速。4、自適應(yīng)狀態(tài)觀測器

14、需要選擇合適的自適應(yīng)率2022-1-1622ss1 p PI *ppfff*ff*ti *mi PI ti矢量矢量控制控制 PI mi轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩控制速度控制速度控制位置控制位置控制越內(nèi)環(huán)響應(yīng)越快，帶寬越寬，要求也越高，越外環(huán)控制越復(fù)雜，計算量大越內(nèi)環(huán)響應(yīng)越快，帶寬越寬，要求也越高，越外環(huán)控制越復(fù)雜，計算量大內(nèi)環(huán)的性能對于外環(huán)性能有較大的影響，做好外環(huán)的前提是把內(nèi)環(huán)做好內(nèi)環(huán)的性能對于外環(huán)性能有較大的影響，做好外環(huán)的前提是把內(nèi)環(huán)做好位置控制需要加編碼器，速度控制和轉(zhuǎn)矩控制可以采用無速度矢量控制位置控制需要加編碼器，速度控制和轉(zhuǎn)矩控制可以采用無速度矢量控制V/F控制無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，真正的速度控制

15、控制無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制，真正的速度控制2022-1-1623根據(jù)運動方程，如果力矩控制給定的力矩大于負(fù)載力矩，則電機(jī)加速，為了防止電機(jī)轉(zhuǎn)速過大，需要對轉(zhuǎn)速進(jìn)行限制。速度限制如果采用直接對輸出頻率進(jìn)行限幅，則存在1、對于異步電機(jī)，會造成給定的力矩電流除了與負(fù)載平衡后，其余的轉(zhuǎn)換成勵磁電流，造成電機(jī)發(fā)熱及磁場定向錯誤，可能引起無速度矢量的穩(wěn)定 2、對于同步電機(jī)，很難實現(xiàn)直接限制輸出頻率比較合理的方案是通過速度環(huán)的調(diào)節(jié)使力矩電流給定與負(fù)載相平衡，這樣電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速會比速度限幅值大一些。tnJTTddpLeLimffedfPfedimlff s11轉(zhuǎn)矩限幅*ti轉(zhuǎn)矩給定速度限幅2022-1-1624軋車

16、電機(jī)中心軸卷取電機(jī)恒張力1、收卷應(yīng)用速度控制轉(zhuǎn)矩控制1#電機(jī)2#電機(jī)2、對拖機(jī)組負(fù)載試驗被測電機(jī)負(fù)載電機(jī)進(jìn)行被測電機(jī)的四象限運行性能測試被測電機(jī)：速度控制負(fù)載電機(jī)：轉(zhuǎn)矩控制，給定+(-)負(fù)載力矩負(fù)載電機(jī)也可以為力矩限幅可調(diào)的速度控制，也可以達(dá)到同樣的測試目的2022-1-1625常用的PWM方法：1、SPWM（正弦PWM）用正弦波調(diào)制，則母線電壓利用率只能達(dá)到0.866，常注入三次諧波法使電壓利用率達(dá)到1，相調(diào)制函數(shù)： 脈寬M:調(diào)制比，調(diào)制波幅值與載波幅值之比可采用查表法和代數(shù)計算法實現(xiàn))3sin61(sin32u)1 (2MuTtc2022-1-16262、SVPWM（空間矢量PWM）6個有

17、效矢量（V0V6）的幅值dcU322022-1-1627計算有效矢量的作用時間T4和T6常采用兩種坐標(biāo)系1、 靜止坐標(biāo)系由上圖可知：2、極坐標(biāo)系)60sin(sin120sin4466VTVTTVsref2022-1-1628零矢量和有效矢量選取的原則是在每個扇區(qū)內(nèi)或扇區(qū)間雖有多次開關(guān)狀態(tài)的切換，但每次切換都只有一個功率開關(guān)器件改變狀態(tài)，根據(jù)零矢量的選擇不同，可分為：1、三相調(diào)制將零矢量平均分配在波形的兩邊和中間，其波形如下：2、兩相調(diào)制將零矢量只分配在波形的兩邊或中間，其波形如下：扇區(qū)的劃分固定，相調(diào)制函數(shù)連續(xù)，有利于死區(qū)補(bǔ)償，開關(guān)次數(shù)多，噪音小，開關(guān)損耗大根據(jù)零矢量的選擇不同，可以有不同的

18、扇區(qū)劃分，分別對應(yīng)不同的相調(diào)制函數(shù)，相調(diào)制函數(shù)不連續(xù)，低速下有小脈寬，不利于死區(qū)補(bǔ)償，開關(guān)次數(shù)減少1/3，噪音大，開關(guān)損耗小2022-1-16291、最小脈寬限制為了保證主電路器件的安全工作，必須使PWM的最小脈寬大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時間ton，否則開關(guān)管造成無謂的熱損耗，對輸出電壓也沒有貢獻(xiàn)，要避免發(fā)過小的脈寬波形2、過調(diào)制為增加輸出電壓能力，提高輸出轉(zhuǎn)矩，可以采用過調(diào)制。當(dāng)調(diào)制比為1的時候，輸出線電壓的基波有效值為Udc/1.414過調(diào)制會產(chǎn)生輸出電壓的低頻奇次諧波，使輸出電流波形畸變最大過調(diào)制系數(shù)為1.10，此時輸出電壓為六階梯波當(dāng)調(diào)制比為1時候，輸出電壓矢量的軌跡是有效矢量組成的六邊形的

19、內(nèi)切圓223dcoUOMu當(dāng)調(diào)制比最大時，輸出相電壓為六階梯波，進(jìn)行基波分解，可知：10266. 132maxM2022-1-16303、死區(qū)補(bǔ)償在功率器件驅(qū)動中，死區(qū)時間的加入是為了防止出現(xiàn)上下橋臂間的“直通”現(xiàn)象，它的引入使輸出電壓幅值下降，相位漂移，與理想輸出電壓間存在偏差U。UdcTTT1T2D1AiaD2PN只要正確的檢測電流的方向，即可以在指令脈沖上補(bǔ)償死區(qū)，補(bǔ)償量的大小和許多因素有關(guān)，如功率器件的導(dǎo)通時間，截止時間，導(dǎo)通管壓降，續(xù)流二極管正向壓降等，這些都和負(fù)載有關(guān)系。死區(qū)補(bǔ)償重要的兩點，一是電流極性推算，二是補(bǔ)償量的選擇采用電流閉環(huán)的方法可以減少死區(qū)效應(yīng)2022-1-16314、母線自動電壓調(diào)整（AVR）當(dāng)母線電壓升高或降低時候，需要調(diào)整PWM的占空比，保證輸出電壓不變。NfNuIIIV/F曲線母線電壓降低后的V/F曲線（不采用過調(diào)制）2022-1-1632永磁同步電機(jī)（4極）示意圖按轉(zhuǎn)子永磁體的安裝方式分為：1、表貼式永磁同步電機(jī)d、q軸電感相等，沒有磁阻轉(zhuǎn)矩；由于永磁片容易脫落，轉(zhuǎn)速很難做高2