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1、1,交流电机矢量控制Vector Transformation Control(Field Oriented Control),孙丹浙江大学 电气工程学院,2,交流电机矢量变换控制技术始于1970年代，是交流电机有效的解耦控制策略。交流电机（多变量、强耦合、非线性、时变）复杂矢量系统,等效 直流电机 的 简单 标量系统 实现控制 获得如同直流电机的良好动、静态特性 开创了高性能交流调速控制技术先河 首先建立矢量变换控制的基本概念,交流电机矢量控制的基本思路,系统动态性能反映在对转子瞬态运动速度的控制上，也即动态转矩 的控制上。,3,一、矢量变换控制的基本概念,负载规律 已知时，表现在对 电磁转
2、矩 T 的 动态控制上在转矩的动态控制上,直流电机比交流电机好。,转矩平衡方程式主宰机电运动规律,4,2.直流电动机自然解耦系统电磁转矩 励磁磁通 励磁电流,电枢磁势 电枢电流,5,由于,6,3.异步电动机,电磁转矩,7,电磁转矩,X2,8,解决思路,矢量的控制比标量难,直流电机中被控制变量if、ia为标量，只有大小,9,等效条件：确保电机气隙空间 产生,矢量变换控制思想将受控交流矢量等效变换 成直流标量的一种控制策略,10,异步电机矢量变换控制：将交流异步电机通过 坐标变换，形成一个在空间以同步速旋转的直流电机，实现转矩的动态解耦控制。,同步速旋转的直流电机（虚拟）实际为在同步速（M-T）坐
3、标系中（描述）的异步电机,M-T坐标系的M轴选定在异步电机转子全磁通 方向上，故又称磁场定向控制（Field Oriented Control）,11,分别讲述：,矢量变换控制理论,异步电机矢量变换控制,直接矢量控制（磁通检测式）间接矢量控制（转差频率控制式）,同步电机矢量变换控制,12,二、矢量变换理论基础(复习简述),（一）坐标变换理论,1、任意速d-q-n坐标系（矢量式）,建立变量从三相a-b-c坐标系 向任意速旋转的d-q-n坐标系 变换及逆变换理论,设定具体坐标系速度，即可得到惯用的,静止两相-坐标系,转子速旋转两相d-q坐标系,同步速旋转两相M-T坐标系(矢量变换控制用）,13,空
4、间矢量,代表三相电磁量某时刻合成作用在坐标系中的空间位置,可以是三相时间函数，也可以是三相空间函数的综合描述“综合矢量”,交流电机中：,磁势、磁通、磁链矢量是实在的空间矢量,电压、电流不存在空间矢量，但电流与磁势、电压与磁链密切相关,可定义成电流、电压空间矢量来分析,采用,14,矢量图与相量图差异,空间矢量图是各空间矢量位置关系在同一坐标系 内表述,以综合矢量形式 表达三相电磁量 某一时刻 在坐标系中合成作用 的 空间位置,三相变量可以非正弦，故包含谐波作用效果,三相变量可以不对称,可以描述 动态、稳态 时各电磁量之间的 空间位置关系,相量图 描述,15,三维空间描述（立体坐标系中），即,d,
5、n,q,空间矢量的三维描述与平面描述,16,平面坐标系描述（120平面坐标系中）,Park 变换：,三相相变量瞬时值,空间矢量 在 坐标系中分量值,空间矢量的三维描述与平面描述,17,2.任意速d-q-n坐标系（分量式）,因选 为，则d-q-n坐标系速度被固定为。当确定d-q-n轴线方向后，可将坐标系速度放开 为任意速,任意速d-q-n坐标系,变换系数处理,因 空间矢量幅值比每相函数幅值大 倍，使用有所不便，可处理。有两种方式：,18,第一种方式：功率相等原则 保持原始幅值关系不变,定义坐标系旋转速度为任意速，则有,静止as-bs-cs坐标系至任意速旋转d-q-n坐标系顺变换关系,19,两坐标
6、系三相总功率相同,20,第二种方式：幅值相等原则,修改变量间比例尺，人为地使空间矢量幅值缩短 倍,式（10）右侧遍乘，得坐标系顺变换关系,21,两坐标系三相总功率关系,22,3.任意速d-q-n坐标系（矩阵式）,静止as-bs-cs坐标系至任意速旋转 d-q-n坐标系顺变换,令,有,23,变换矩阵,功率相等原则变换,幅值相等原则变换,24,逆变换关系,式中,25,速旋转ar-br-cr坐标系至任意速旋转 d-q-n坐标系顺变换,转子绕组可视为在空间以 速旋转的ar-br-cr坐标系,与静止as-bs-cs坐标系间的相对空间位置（如ar与as轴间）为,与任意速旋转d-q-n坐标系的相对空间位置（
7、如ar与d轴间）为,当as-bs-cs坐标系至任意速旋转坐标系以 关系变换时，ar-br-cr坐标系至任意速旋转坐标系应以 关系变换,26,令,顺变换,逆变换,变换矩阵 与 同形式，仅将 置换成。,27,任意速坐标系几点说明,坐标变换关系适合于瞬时值和任意时间函数，即 无论系统平衡与否，变量正弦与否，状态稳定与否。,n 轴分量 与传统零序分量 关系,幅值相等原则,功率相等原则,但 性质完全相同,28,(二)任意速d-q-n坐标系内异步电机基本方程式,（1）a-b-c变量表示的电机方程,理想化电机假设,定、转子绕组三相对称，其有效导体沿气隙 正弦分布（不计空间谐波）,定、转子间气隙均匀（不计齿槽
8、效应）,磁路线性（不计铁磁非线性饱和）,29,定、转子电压方程,其中,（1）,（2）,30,定、转子磁链方程,（3）,（4）,其中,定子电感矩阵,31,定、转子互感矩阵,转子电感矩阵,32,化简,定、转子电感矩阵：,对角线上元素下标重复，表为各相自感，其他部位元素下标不重复，表为相间互感,气隙均匀，各类电感为恒值,三相绕组对称（互差120），定、转子各相 自感、相间互感有简单的一致关系：忽略漏磁引起的部分相间互感，相间互感等于 各相自感中对应于气隙主磁场部分电感值 的一半，即,33,故有,(-5),(-6),34,定、转子互感矩阵：,因设定、转子磁场正弦分布，则定、转子绕组 互感值随两套绕组轴
9、线间夹角 作余弦变化。,定、转子对应相绕组轴线重合时，互感最大，为（互感系数）。,35,（2）d-q-n变量表示的电机方程,a-b-c变量方程可通过坐标变换式,变换至任意速d-q-n坐标系,36,分量形式电机方程,电压方程,（14）,（15）,式中，d-q-n 坐标系旋转角速度，任意值,37,磁链方程,（16）,（17）,38,式中,定子全自感,转子全自感,定、转子漏感,定、转子互感（励磁电感）,气隙（互感）磁链,（18）,39,矩阵形式电机方程,（19）,：静止 坐标系 异步电机方程（模型）,：同步速旋转d-q-n坐标系 异步电机方程（模型）。又：，矢量控制用 MT旋转坐标系异步电机方程（模
10、型）,：转子速旋转d-q-n坐标系 异步电机方程（模型）,40,三、矢量变换控制理论,矢量坐标变换基本过程,41,在as-bs-cs坐标系内对三相交流电机的 的控制,42,1、坐标变换理论,43,静止 变换,变换框图,44,（2）坐标系 M-T坐标系旋转变换（VR变换）,两坐标系空间位置关系,45,VR变换框图,46,（3）直角坐标与极坐标变换（KP变换）,K/P变换框图,47,2 异步电机矢量变换控制用基本方程式,根据：矢量变换控制思路,坐标系观点看：等效直流机即是从同步速坐标系 观察的 异步电机（方程）,48,任意速d-q-n坐标系异步电机方程,（19）,49,同步速M-T坐标系异步电机方
11、程,简化(1)坐标系同步速旋转：(2)三相对称系统无n轴分量(3)鼠笼转子：(4)轴线换名：,注意(1)电压方程中仅 形式旋转电势相与电磁功率（转矩）有关(2)此方程尚未磁场定向（M轴位置未定）,50,磁场定向后异步电机方程,转子磁链方程,51,代入，改造式（2-103）转子电压方程（第三、四行）,以实现M轴的磁场定向，得,矢量变换控制用异步电机数学模型,52,代表了一台等效直流电动机可据此找出异步电机矢量变换控制依据转矩表达 转速表达 转子全磁通表达,矢量变换控制用异步电机数学模型,53,电磁转矩表达,中只有旋转电势项才能产生电磁功率。,电磁转矩,电磁功率,54,又从M 轴转子电压方程式(2
12、-106)第三行，有,当实现磁场定向后（不变），,55,56,转速表达,从T轴转子电压方程式（2-106）第四行,得,57,转子全磁链表达,58,异步电机矢量变换控制特性 控制依据,59,结论,(1)转子磁链仅由定子电流励磁分量 确定,(2)电磁转矩可由定子电流励磁分量、转矩分量 分别控制,(3)由于定子电流两分量 已解耦，分量电流可独立 控制,(5)为有效实现矢量变换控制，关键在于准确找到 空间位置，实现M-T坐标系定向,(4)虽 建立 有大时延，但控制 使 恒定后，瞬时控制 就可实现对T的动态控制，获得如同直流电动机良好调速特性,60,3 转子位置空间位置量测,转子全磁通矢量 相对 轴线夹
13、角,61,(2)间接检测法磁通观测器 a.检测电压、电流，根据电机数学模型计算磁通 b.受数学模型精度、参数稳定性影响 c.实用,转子磁通检测方法(1)直接检测法磁传感器（霍尔元件）a.电机需改造 b.低速存在气隙齿谐波脉动，影响精度 c.不实用,62,磁通观测器从电机外部量“观测”电机内部磁通,依据：静止两相 坐标系异步电机方程,（2-116）,63,目标：求出转子磁链，获得幅值 及位置,磁通观测器从电机外部量“观测”电机内部磁通,64,磁通观测器从电机外部量“观测”电机内部磁通,65,磁通观测器从电机外部量“观测”电机内部磁通,66,电压、电流,67,磁通观测器运算框图,68,四、异步电机
14、矢量变换控制系统,(1)磁通检测式直接或间接检测磁通瞬时值，求,分类按 转子全磁通矢量 位置角 获取方式不同,磁通观测器：检测(控制)精度与转子回路参数有关,69,措施：转子参数实时在线识别（参数辨识）其他非转子磁链定向矢量控制转差频率控制式,70,（2）转差频率控制式,优点 包括零速全速度范围高性能控制缺点 转差角计算中积分初值问题,方法 实测转子位置角+计算出转差角=转子磁通位置角,四、异步电机矢量变换控制系统,分类按 转子全磁通矢量 位置角 获取方式不同,71,1.磁通检测式,(1)PWM电压源逆变器异步电机矢量控制系统,72,主电路PWM变频器，速度、电流、磁通闭环,磁通观测器 输入：
15、输出：,定子电流转矩分量给定 产生,电流电压变换单元电流 转换成逆变器控制用电压给定,73,(1)定子电压方程,应从电压方程中消除转子电流及转速,依据 矢量变换控制用异步电机数学模型,74,75,PWM调制电压指令 生成,(3)变换关系：全部以定子电流表达,76,（2）电流源逆变器异步电机矢量变换系统,77,主电路 电流源型逆变器，速度、电流双闭环(磁通、角度 闭环),磁通观测器 输入 输出,可控整流器控制定子电流矢量 幅值调节,逆变器控制定子电流矢量 位置调节,78,实际 相对 轴位置 或 VR（旋转）变换完成,给定 相对 轴位置,79,80,2.转差频率控制式,81,主电路 电流源型 逆变
16、器 变频控制系统,可控整流器控制定子电流矢量 幅值调节,82,逆变器控制定子电流矢量 空间位置 调节,83,84,85,特点 避免磁链观测，但有 积分初值 问题,结论 转差频率式矢量变换控制以 控制定子供电频率准确控制了电流矢量，获得更好动态性能。,86,异步电机矢量控制 回顾,矢量控制概念的提出基于稳态数学模型的传统异步电机调速系统虽能在一定范围内实现平滑调速，但无法用于轧钢机、数控机床、机器人等需要高动态性能的调速系统或伺服系统。1969年，德国Darmstadt技术大学的 K.Hasse 博士在他的博士论文中提出了矢量控制的基本思想。1971年，德国西门子公司的 F.Blaschke 将
17、其形成系统理论，并称为磁场定向控制（FOC），也有人称之为矢量控制（VC）。,87,矢量控制理论：把交流电动机模拟成磁链和转矩可以独立控制的直流电动机进行控制，从而得到类似直流电动机的优良的动态调速性能。把磁链矢量的方向作为坐标轴的基准方向；采用矢量变换的方法实现交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦。,异步电机矢量控制 回顾,88,矢量控制技术已走向实用化，并逐步取代传统的双闭环直流调速系统。成功地应用于轧机主传动、电力机车牵引系统、数控机床和电动汽车中。,现代控制理论在交流调速系统中的应用促进了矢量控制的发展。对速度信号观测的研究，促进了无速度传感器矢量控制的发展；电机参数在线辨识也是矢量控制的一个研究热点。,异步电机矢量控制 回顾,89,The End of This Part,
