1、上一節3.6異步電動機的矢量控制異步電動機的磁場定向控制是從70年代發展起來的一種新的控制 技術。定義：異步電動機的磁場定向控制是把定子電流做為具有垂直分量 的空間分量來處理的，因此又稱為矢量控制。目的：通過這種控制技術能使異步電動機得到和直流電動機相同的 調速特性磁場定向控制的基本思想基本思想；把交流電動機的轉矩控制模擬成直流電動機的轉矩控制在任何電力拖動的控制系統，電動機產生的電磁轉矩T 作用 e在電動機軸上的負載轉矩（包括電動機的空載轉矩M0） tl以及慣 性轉矩況m/dt三者之間的關系都由轉矩平衡方程式決定，即：T - T = J6 / dt設T及J均為常數，那么在動態過程中電動機速度

2、o的變化規律完全取決于對電動機的電磁轉矩T的控制。舉例如下：e起動和制動的過程中，如果控制電動機的電磁轉矩T 使其保 e持在最大允許值，就能使電動機以最大的恒加速度或恒減速度運 行，從而縮短了起、制動的時間。在突加負載時，只要能迅速地使電動機的電磁轉矩T增加， 就可以使動態速降減小，縮短速度的恢復時間。由此可見調速系統 動態性能的好壞完全取決于在動態過程中電動機的轉矩 是否能很方便、很準確地被調節和控制。由于結構上的特點，他勵直流電動機的電磁轉矩T 很容易控制。其工作原理可用下圖來表示。在勵磁繞組f中通以勵磁電流if則通過電刷及換相器流入 電樞繞組。由于電刷和換相器的作用，使得電樞繞組雖然在轉

3、動但 它產生的電樞磁場在空間是固定不動的。因此可用一個等效的靜止 繞組來代替實際的電樞繞組。這個等效靜止繞組的軸線與勵磁繞組 軸線垂直，繞組中通過電樞電流i ,產生的磁場與實際電樞繞組產 生的磁場相同，并且由于實際電樞繞組在旋轉，因此等效靜止繞組 中有一感應電勢e ，這樣，就可以用下圖的等效模型來代替實際 的他勵直流電動機。勵磁繞組中通入的勵磁電流產生主極磁通$，電樞繞組電流i與4 作用產生電磁轉矩T。無論電機處于穩態或動態，它產生的電磁轉矩都是t = C/ i2。由于勵磁繞組軸線與等效的電樞靜止繞組軸線互相垂直，再利用補償繞組的磁、勢抵消掉電樞磁勢對主極磁 通的影響，因此可以認為主極磁通$僅

4、與勵磁電流if有關而與電 樞電流i無關。如果勵磁電流恒定，他勵直流電動機的電磁轉矩T 將與電樞電流i成正比。調節和控制電樞電流就能實現對電磁轉矩 的調節和控制。籠型轉子異步電動機上，定子上有三個對稱繞組，轉子繞組則由彼 此互相短路的導體組成。能夠直接控制的變量只有定子電壓（或電 流）及定子的頻率。他沒有象直流電動機那種獨立的勵磁繞組，所 以有效磁通不能以簡單的形式決定。異步電動機（包括籠型轉子及 饒線轉子異步電動機）的電磁轉矩公式為：T = C巾cos甲式中巾是由定、轉子電流共同作用產生的氣隙合成磁通，它以定 子電流角頻率氣在空間旋轉。七是轉子電流空間矢量的幅值，不能直接控制。、與i2之間的空

5、間相位角為90 +中2不象直流電動機那樣i 與8 互差。中2是轉差角頻率 的函數。越大，i2的去磁作用就 越強。當升高定子電流頻率以增大轉差角頻率以使轉矩增加時， 氣隙磁通8就趨向與減弱。磁通的這個瞬態下降時電動機電磁轉 矩的響應變得遲緩。這種復雜的耦合作用使得電動機的電磁轉矩難以準確控制。為了解決這個問題，可以采用異步電動機轉子磁場定向控制的 方法。在上面我們介紹了在以轉子總磁鏈空間矢量 定向的M，T同 步旋轉的坐標系中，定子電流空間矢量被分解為沿M軸和T軸 方向上兩個互相垂直的分量/和，此時用/及/表達的轉 M1T1M1T1矩公式T = pL / L ie1M R 2 T1轉子磁鏈甲2與i

6、M 1之間的關系為：中 2 = L1m /(1 + TP)iM 1由于匕與iM 1互相垂直，是解耦的，可以獨立改變某一個而 不致影響另一個變量。其中婦 用于產生磁鏈甲2，它與直流電動 機的勵磁電流相當；iT1則用于產生電磁轉矩，與直流電動機電樞 電流相當。在額定頻率以下運行時甲，2保持不變而靠改變iT1來調 節轉矩t,這就與他勵直流電動機的轉矩控制相同了。二、異步電動機的矢量控制原理圖720所示了在磁場定向的M,T坐標系中異步電動機的模型。 為了便于了解定子繞組與旋轉的轉子磁鏈空間矢量*2之間的關系，通 過坐標變換把定子三項繞組等效為與廣同步旋轉的兩相繞組，即軸線 2與曠平行的M繞組及與曠垂直

7、的T繞組。這時M，T繞組中的電流i、21211 1T1婦都是直流。轉子三相繞組(繞線轉子異步電動機)也同樣被變換 成M,T坐標系中的M2，T2兩個繞組。圖 7-20型M、T坐標系統異步電動機的模在圖中給出的速度3 1, 3，轉矩T以及個電流的正方向。電磁轉矩Te可以看成轉子磁鏈v；與轉子電流七相互作用產生。由于 七2產生的磁勢與v；方向一致，所以它不產生電磁轉矩，產生電磁轉 矩的只有的T軸分量七，故有Te2V 2（7-145）轉子磁鏈v；是由定子M軸繞組電流iM 1在轉子側產生的互感磁鏈L i與轉子M軸繞組電流i產生的磁鏈（L + L ）i = L i兩者1M M1M 21M ；l M 2R

8、M 2之和，即v = L i + L i 21M M 1 R M 2（7-146）T軸上轉子磁鏈v，= o，即0 = L i + L i 1M T1 R T2 （7-147）上式說明，為了使v, = o，定子T軸繞組電流i“產生的轉子T軸繞組 的互感磁鏈l i必須抵消掉轉子T軸繞組產生的總磁鏈li，故i與 1M T1R T 2T 2i“之間應滿足下式關系:，iT 2(7-148) 把上式代入式（8-145）得(7-149) 上式對圖7-20所示兩極電機模型到出的，若極對數為P則上式變為(7-150)轉子電流i由轉子M軸繞組電勢e產生。由于M軸繞組軸線與轉子 M 2M 2磁鏈廣方向一致，所以不產

9、生旋轉電勢，但當發生變化時，即產22生變壓器電勢eM2，即e = -Pw， TOC o 1-5 h z M22轉子電流i；2為i M2 一 Pw，m 2 r，r， 2(7-151)W是由i ，i共同作用產生。由式7-146解出2M1M 2i-W 2 - Limm 1M 2LR將上式代入（7-151）解出W為:2L ,1MI1 + T P m 12(7-152) 有上式看出，在穩態下印；=0，此時轉子M2繞組中的變壓器電勢為 零，i = 0，因此W完全有定子M繞組中的電流i產生。當改變i時， TOC o 1-5 h z M 221M1M1V2將發生變化，于是在轉子m2繞組中立即產生電勢eM2=-

10、Pw2，因 而產生電流i及磁鏈Li ，阻礙V的變化，使V的變化滯后于i。M 2R M 222M1這與直流電機中通過勵磁電壓調節主磁通相當。所以轉子磁鏈的控 制，實質上是電流的控制。由于T軸方向*二=0，所以在等效的轉子T軸繞組中沒有變壓器 電勢P*，。但卻有旋轉電勢e =-（S -s）V。因而產生轉子T軸電流i 2T 212T 2I = t 2 = -（S -S） V 2 = -S V 2t 2 r1rs r222（7-153） 把式（7-148），（7-152）代入上式得s =頊P 二二 + P、ST2 iM 1 T2 iM 1iM 1(7-154)1 + TP iS = 2T1 + S1T

11、2 iM1(7-155)式中JU =麝，e是定子電流空間矢量，與M軸之間的夾角，如圖7-21 M1所示。（7-153）說明，轉差角頻率。s對轉矩的建立起重要作用。因為在M, T坐標系中電磁轉矩由2與、作用產生，而由式（7-153）可 知，只有在一定的轉差角頻率os下才能產生t2。當通過給出定子電 流T軸分量/來控制轉矩時，若保持/不變則定子電流矢量,的相位 T1M11角8即發生變化（見圖7-21）。從而使轉差角頻率得到改變。可見磁 場定向控制方法不僅控制了定子電流的副職有控制了它的相位。式（7-150），（7-152）（7-154）使異步電動機磁場定向控制的基 本關系式。這些關系式說明，只要把

12、定子電流矢量分成與磁鏈矢量曠2平行和垂直的兩個矢量進行控制，就可以獨立地控制磁鏈W，和轉矩2Te。正因為是把定子電流作為具有兩個垂直分量七，七的矢量來控制， 所以把磁場定向控制稱為矢量控制。在M,T軸系中iM 1及、都是直流 量，各自的控制與它勵直流電動機的勵磁電流和電樞電流的控制相對 應。通常稱婦為定子電流的轉矩分量，婦稱為勵磁分量。各電流相 互關系的矢量圖7-22所示。這里應當提及的事，當異步電動機在工頻電源恒定電壓情況下運 行時，電動機的電磁轉矩有一最大值，但在磁場定向控制中，由于引 進了轉子磁鏈，當控制七1以維持匕恒定時，電磁轉矩與定子電流的 轉矩分量成正比，所以電磁轉矩沒有上限值。此

13、外，由于實現了iM 1和 iT 1的解耦控制，因而產生了快速的動態響應，這就使控制系統能夠很 容易地設計成具有四象限運行的能力。所以，異步電動機的矢量控制 系統能滿足伺服傳動系統、軋鋼機傳動系統等高性能的用途。圖7-21 i1及其分量婦，iT 1圖7-22電流空間矢量圖三、磁鏈空間矢量礦的觀測模型2圖7-23示出了磁場定向控制時的空間矢量圖。圖中a軸被定位 在定子A軸上，M、T以同步角速度3 1旋轉并且M軸被定位在轉子磁鏈矢量町上。為了實現磁場定向控制，定子電流空間矢量的勵磁分 21量和轉矩分量必須分別對準M軸和軸。這就需要確定轉子磁鏈氣的瞬 時空間相角e 。另外，為了對M、T坐標系統運行參數

14、的指令值的實 際測量值進行數學運算和處理，又需要知道甲2的幅值中，。直接檢測甲2 的相角及幅值在技術上難以實現，所以只能檢測與町有關的電機運行2參數，如定子電壓、電流、氣隙、磁鏈、速度或轉子位置等，然后根 據電機的動態數學模型通過運算求出氣的空間相角e 1及幅值中2。此 外也可以根據系統運行的指令值i*t 1、i*M 1和檢測到的轉子位置信號或 轉子速度信號，由電動機的參數通過計算求得e及。1*2圖7-23磁場定向控制的矢量圖能否實現準確的磁場定向控制取決于e 1及中，估算值的精確程度。因此要求町觀測器數學模型要準確；被檢測的電機運行參數如電流、 2電壓、速度等要有足夠的精度；觀測模型中所用到

15、的電動機參數如定 子繞組電阻r、r勵磁電感L、漏感l、l等都應很準確的等于電121M1121機在該運行狀態下的實際參數值。目前常用的觀測模型有如下幾種：21、根據定子電流和定子電壓的檢測值估算e及中， TOC o 1-5 h z 12根據a、&坐標系定子電壓方程式（7-107）及磁鏈方程式（7-106）W = j （ ri ）dt = L i + L i a1a11 a1 a1成2W = j （u - ri ）dt = L i + L i P1P1 1 P1S P11M P2（7-156）由上式可得轉子電流i = （W- L i ）a 2 La1S a11Mi =（W- L i ）P 2 L

16、P1 S P11M(7-157)由式（7-106）,轉子磁鏈為W = L i + L i a21M alR a2w = L i + L iP21M plR p2由以上三式可求得 TOC o 1-5 h z W = R J (u - ri )dt -oL i a2 Lal 1 alS al1M , Lw =r (u - ri )dt -oL iP 2 lP l l P ls p llM(7-158)L L LL式中 o = l-LLrllr根據式（8-158）可構成如圖（7-24）所示的運算電路框圖。求 得w；2及w 2后，通過極坐標變換即可求得。1及中2。式（7-158）中的危,u窟及婦，可由

17、檢測到的定子相電壓、相電流 信號經過三相/兩相變換求得。在低頻下由于定子電壓降很難得到準確的補償，所以這種氣的觀測模 型通常在額定頻率10%以上時應用。2、根據定子電流和速度檢測信號估算氣根據a、p坐標系轉子磁鏈方程式（7-106）w = L i + L ia2 lM al R a2w = L i + L iP2 lM Pl R P2可求得i = (w -L i )a2La2lM alRi =L(w -L i )p 2 L P 2 lM P lR(7-159) 再由a、p坐標系轉子電壓方程式（7-107） TOC o 1-5 h z Pw + W + ri = 0a 2P 22 a 2Pw p

18、 -礦+ /=0把式（7-159）代入上式得W，=1一(L i - T w，)a21 + T P1Mal2P2W， =1一(L i + T w，)p 21 + T P1Mp 12a 22(7-160) 求得w，,w，后，利用極坐標變換可得到e及時。a2 p21*2根據上式可以構成觀測器電路框圖如圖所示圖7-24根據定子電壓、電流估算甲2的運算框圖圖7-25根據定子電流及速度估算爭2的運算框圖這個觀測器模型即使在低頻范圍內也能得到較準確的e及中，。12但是應當注意，由于溫度變化和趨夫效應，會使轉子電阻發生較大的 變化，導致轉子時間常數t=只改變，因而降低了觀測值的精度。23、根據勵磁電流分量和轉矩電流分量的給定值i、i*M 1以及 轉子位置檢測值。估算中2的相眼由 i *t 1及