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1、17-1 概述7-2 矢量控制基本思想7-3 异步电动机矢量控制的实现7-4 矢量控制的研究方向第7讲：异步电机的矢量控制系统（参考书：电力牵引交流传动及其控制系统 第7章）27-1 概述矢量控制概念的提出基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是无法用于轧钢机、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）。3矢量控制理论：把交流
2、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。n把磁链矢量的方向作为坐标轴的基准方向；n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。 4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。 n大功率轧钢机主传动要求有很快的动态响应和相当高的过载能力，由于直流电动机的换向器和电刷在大功率方面问题较多，维护工作量大，现在逐步被交流异步电动机或同步电动机变频调速代替。5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。n对速度信号观测的研究，促进了无速
3、度传感器矢量控制的发展；n电机参数在线辨识也是矢量控制的一个研究热点。6一、直流电动机电磁转矩产生的原理 直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组电流Ia与气隙磁链f相互作用产生的。由于直流电机在结构上就保证了电枢电流矢量垂直于气隙磁链矢量，因此直流电机的电磁转矩为：7-2 异步电动机矢量控制的基本思想aIfIIa是控制电机转矩的分量，If是控制电机磁场的分量，这两者是解耦的。如果If恒定，只要调节Ia就可控制转矩。 ) 17(IIICTafaMe7二、交流异步电动机电磁转矩产生的原理 异步电动机的电磁转矩是由气隙旋转磁场m与转子电流Ir相互作用产生的。而m又是定子电流Is与转子电流Ir共同产生的。)
4、27(cosICTrrmMe 磁场和转矩是相互耦合的，采用标量控制时，这两者无法解耦。因而也无法获得良好的动态特性。矢量控制（也称磁场定向控制，Field-Oriented Control）就是要解决这一问题。 8三、异步电动机的矢量图气隙感应电势Eg滞后气隙磁链m 90；转子电流Ir滞后Eg一个r角度；转子感应电势Er与Ir同相；转子磁链r超前Er90；激磁电流Im与m同相；空载电流I0=激磁分量Im+铁损（磁滞和涡流损耗）分量Ic；定子电流Is=-Ir+I0；定子电压 Us=-Es+Rs*Is+jsLls*IsEgErIrIsI0-Ir-EgUsmrFeImIcrs9)37(ICTcosr
5、Terrmr电磁转矩：转子磁链： 如果异步电机按转子磁场定向，即将MT同步旋转坐标系中的M轴定在转子磁链r方向，则定子电流is可以沿M轴和T轴分解为励磁电流iM和转矩电流iT，iM产生转子磁链，iT产生电磁转矩。10四、矢量控制的基本思想 矢量控制的基本思想是把异步电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制，即在MT同步坐标系中将异步电机按转子磁场定向，实现励磁电流iM和转矩电流iT的独立控制，使非线性耦合解耦。117-3 异步电动机矢量控制的实现 根据矢量控制的基本概念，其控制系统的数学模型的建立需遵循在同步旋转坐标系上按转子磁场方向定向的思路。同步旋转坐标系使矢量控制变为标量控制；转子磁场
6、方向定向使系统非线性解耦，改善系统的动态性能。MT坐标系：规定d轴沿转子磁链r方向，并称之为M (Magnetization)轴，q轴则逆时针转90，即垂直于转子磁链r，称之为T (Torque)轴。这样的两相同步旋转坐标系就规定为MT坐标系，或称按转子磁场定向(Field Orientation)的坐标系。12一、矢量控制的基本方程1、MT坐标系的电压方程)57(00rTrMsTsMrrrslmmslrslrrmslmmmsssssmsmsssssTsMiiiipLRLpLLLpLRLpLpLLpLRLLpLLpLRuu式中：usM、usT定子M轴和T轴的电压； isM、isT定子M轴和T轴
7、的电流； irM、irT转子M轴和T轴的电流。考虑转子封闭情况，即：urM=urT=0。132、满足磁场定向的基本方程)67(0sTmrTrrTsMmrMrrrMiLiLiLiL14式（7-6）代入式（7-5）得磁场定向的电压基本方程：)77(00000rTrMsTsMrrslmslrrmmmsssssmsmsssssTsMiiiiRLLpLRpLpLLpLRLLpLLpLRuu由式（7-7）中的第3行得：)97()(0rrrMrrMrrMrMrrMrsMmrMrRpipiRpiRiLiLpiR得：15由式（7-7）中的第4行得：)117()(0rrslrTrTrrslrTrrMrsMmslR
8、iiRiRiLiL得：16式（7-9）和式（7-11）代入式（7-6）得：rrrrmrslsTrmrsMRLTLTiLpTi式中：转子时间常数)137()127(117电流、磁链分析结论：转子磁链r仅由定子电流的isM分量决定，与定子电流的isT分量无关。因此isM被称为定子电流的励磁分量。)127(1rmrsMLpTi结论：r与isM之间的传递函数是一节惯性环节，其涵义是：当励磁电流isM突变时，r的变化存在延时，并按转子时间常数Tr的指数规律变化。这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。18结论：当定子励磁电流isM突变而引起转子磁链r变化时，立刻就会在转子中感生转子电流励磁分量irM，阻
9、止r的变化，使r只能按转子时间常数Tr的指数规律变化。当r达到稳态时，irM=0，即r的稳态值由isM唯一决定。)97( rrrMRpi19结论：isT突然变化时，irT立即跟随变化，不存在滞后。这是因为按转子磁场定向后T轴上不存在转子磁链的缘故。sTrmrTrmrslsTrrslrTiLLiLTiRi)137()117( 总之，由于MT坐标按转子磁场定向，在定子电流的两个分量之间实现了解耦，isM唯一决定磁链r，isT则只影响转矩，它们分别对应直流电机中的励磁电流和电枢电流。203、电磁转矩方程)167()(0)157(,0()147()(sTsMmrmperMrrsTrmperTrTsMr
10、MsTmpeiiLLLnTiiLLnTiiiiLnT，稳态情况下，在）在满足磁场定向条件下21)167()(0)157(,0()147()(sTsMmrmperMrsTrmperTrTsMrMsTmpeiiLLLnTiiLLnTiiiiLnT，则在稳态情况下，则）在满足磁场定向条件下！注意：式（7-14）是在任意选取的MT坐标系下的Te表达式，动态、稳态都适用；式（7-15）是在已沿转子定向的特定MT坐标系下的Te表达式，动态、稳态都适用；式（7-16）是在已沿转子定向的特定MT坐标系下且转子磁场恒定的Te表达式，只适用于稳态。22电磁转矩分析)157(,0(rsTrmperTiLLnT）在满
11、足磁场定向条件下结论：在磁场定向情况下电动机的转矩Te只与转子磁链r及定子电流分量isT有关。因此isT被称为定子电流的转矩分量。23结论： 若控制isM使磁链r保持恒定,则通过控制isT就可以控制瞬时转矩，获得如同直流电动机那样的控制特性。)167()(, 0)127(1sTsMmrmperMrrmrsMiiLLLnTiLpTi稳态情况下，在24)197(1)187()1(17-7(sMsTrslsTsMrrsTrrmsliiTiiTpTiTL在稳态情况下，）转差频率：结论：若转子电阻和磁场不变，转差频率与定子电流的转矩分量isT成正比。由式(7-12)和式(7-13)得转差频率与电流的协调
12、关系：4、转差频率控制方程255、按转子磁场定向时，转子磁链和电流的动态关系)227()217(arctan)207(22dtMTiiiiisssMsTsTsMs轴系的旋转角轴系对矢量控制的负载角：)127(1rmrrmsMpLTLi)137( rmrslsTLTi26小结：矢量控制基本方程)17-7(sTrrmsliTL)157( rsTrmpeiLLnT)127(1:1rmrsMsMrmrLpTiipTL或27二、矢量控制方法 既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，给出直流电动机的控制量，再经过相应的反变换就能控制异步电动机。 由于坐标变换的依据是
13、电流的空间矢量，所以这样的通过坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统(Trans-vector Control System)或矢量控制系统(Vector Control System)，VC系统 。28矢量控制原理：电流指令isM*和isT*经过M-T坐标系、坐标系和、坐标系三相静止坐标系的变换(反旋转变换VR-1和2/3变换)，变为三相电流指令ia*、ib*、ic*，输入到三相变频器；变频器输出与ia*、ib*、ic*一样的实际电流ia、ib、ic；（ia、ib、ic通过3/2变换转换为is、is，之后借助于单位矢量cos和sin转换到同步旋转坐标系中，得到的isM、isT施加到M-
14、T坐标系下的电机模型上）。控制电流指令i*sM和i*sT就可以控制电机的磁场和转矩。i*sMTMTM a-b-ccossin电流控制型变频器电机MT轴模型控 制变频器电 机i*sTi*si*si*ai*bi*ciaibicisisisMisTcossin a-b-c 29注意：如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为控制器中反旋转变换器与电机内部的旋转变换环节相抵消，2/3变换器与电机内部的3/2变换环节相抵消，则虚框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统。i*sMTMTM a-b-ccossin电流控制型变频器电机MT轴模型控 制变频器电 机i*sTi*si*si*ai*bi*ciaibici
15、sisisMisTcossin a-b-c 30该控制器需要两个反变换，以便控制电流i*sM和i*sT分别与电机电流isM、isT相一致。转子磁场定向是由坐标变换所用单位矢量cos和sin来保证的，正确的单位矢量cos和sin是保证矢量控制原理实现的关键。 i*sMTMTM a-b-ccossin电流控制型变频器电机MT轴模型控 制变频器电 机i*sTi*si*si*ai*bi*ciaibicisisisMisTcossin a-b-c 31根据单位矢量获取方法的不同，矢量控制方法可分为两种：直接矢量控制(由Blaschke发明)间接矢量控制(由Hasse发明) 。 当矢量控制所用单位矢量和磁
16、链是直接检测到的或由检测到的电机的端子量及转速计算得到时，被称为直接矢量控制，也可称为磁通反馈矢量控制（Feedback Vector Control）。 当矢量控制所用单位矢量和磁链是从电流指令值和转速计算得到时，被称为间接矢量控制，也可称为磁通前馈矢量控制（Feed-forward Vector Control）。又称为转差频率矢量控制。 32（一）直接或反馈矢量控制 PWM电压型逆变器传动系统的直接矢量控制框图如图所示，它对转速和转子磁链分别进行闭环控制。1、直接矢量控制框图直接矢量控制的框图Y*r+TMcbacossin电流控制型PWM变频器电压模型磁链观测器磁链调节器速度调节器_Ud
17、IMuabi *sMi *sTi *si *si *ai *bi *c*rrYrubcucaiaibrYr33rmrslsTLTi控制原理说明：磁链给定信号由函数发生程序获得，磁链调节器实现磁链的精确控制。转矩电流分量i*sT由带双极性限幅器的转速调节器产生，实现了电磁转矩的闭环控制。当磁链恒定时，正比于isT的转矩可以是双极性的。借助于单位矢量(cos和sin)，i*sM和i*sT被变换到静止坐标系中。静止坐标系上的信号然后被变换为逆变器的相电流指令值。rmrsMLpTi1直接矢量控制的框图Y*r+TMcbacossin电流控制型PWM变频器电压模型磁链观测器磁链调节器速度调节器_UdIMu
18、abi *sMi *sTi *si *si *ai *bi *c*rrYrubcucaiaibrYr342、单位矢量计算MrrIsrisrst sTisisTisMrrrrrrrrsincos)367(22 M-T坐标系相对于静止坐标系以同步转速s旋转，在任何时刻M轴相对于轴的角度位置为=st。由该图得单位矢量cos和sin： 注：因单位矢量是由反馈磁链矢量导出的，故称这种矢量控制为“反馈矢量控制”。 35要得到转子磁链和单位矢量首先应该获得、轴磁链。 3、磁链矢量的估计 转子磁链是电动机内部的物理量，直接测量难以实现。在实际应用中多采用间接观测的方法获得。36（1）电压模型磁链观测器 电压模
19、型磁链观测器利用检测到的电机端电压和电流来计算转子磁链和单位矢量。 根据3/2坐标变换，得： BABABCBsABABACBAsiiiiiiiiiiiiiiiii221)(232332)(233223)(21232)22(32 在电压方程中，感应电动势等于磁链的变化率，因此取电动势的积分就可以得到磁链，这样的模型叫做电压模型。 37同理可得定子电压： BCCBsCAABCBAsuiuuuuuuuu21)(2332)(61)22(3238Rsus is +- s Rsus is +- s 定子磁链：22)()(sssssssssssdtiRudtiRu39气隙磁链：转子磁链：slssrsmmsl
20、ssrsmmslssrsmmiLiiLiLiiLiLiiL)()()327()()357()347()337(slrmmrrslrmmrrslrmmrriLLLiLLLiLLL40图7-7 电压模型磁链观测器框图+_+_rY1+_mrLL+_mrLL+_+_rY1RsLlsisYscosusisusLlrYmYsYmRsLlsLlrYrYrsinYr22rr41电压模型磁链观测器的特点： 优点：不需要转速信号，算法与转子电阻Rr无关，只与定子电阻Rs有关，而Rs容易测得。受电动机参数变化的影响较小，且算法简单，便于应用。 缺点：在低速时，模型不够准确。 其原因是：低频时电压采样信号很小，积分精
21、度难以保证；低频时电阻Rs、电感Lls、Llr和Lm等参数的变化对计算精度的影响相对较大，尤其以Rs的影响最为显著。22)()(sssssssssssdtiRudtiRu注：在高速时，这些参数变化的影响则可以忽略。 42（2）电流模型磁链观测器 电流模型磁链观测器利用检测到的电机电流和转速来计算转子磁链和单位矢量。)507(11rrrrsrmrrrrrsrmrTiTLpTiTLp 根据磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得到的模型叫做电流模型。43图7-9 电流模型磁链观测器框图 Cos Sin Yr+_+_+rmTLrY1rmTLrY1rT1rT1r22rrYrYrisispYrpYr
22、44 电流模型磁链观测器的特点 优点：不论转速高低都能适用。 缺点：观测精度受Rr、Lm等参数变化的影响较大，其中受转子电阻Rr的影响最大。因温度和集肤效应的影响，Rr的变化甚至会超过50，并且该参数的补偿也非常困难。因此该观测方法常需进行实时辨识才能保证磁链观测精度。45 由于高速时电压模型磁链观测器效果较好，而电流模型磁链观测器可在任何速度范围内使用，但受转子电阻影响较大，因此可以将电压和电流模型结合起来使用，即在高速时采用电压模型磁链观测器，低速时(例如n15%nN)采用电流模型磁链观测器。（3）组合模型磁链观测器46 在磁链闭环的直接矢量控制系统中，转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，
23、受电机参数Tr和Lm变化的影响，造成控制的不准确性。既然这样, 与其采用磁链闭环控制而反馈不准, 不如采用磁链开环控制, 系统反而会简单一些。 除了单位矢量是以前馈的方式产生外，间接矢量控制和直接矢量控制本质上是相同的。间接矢量控制在工业上用得比较多。（二）间接或前馈矢量控制(又称为转差频率矢量控制)47当isM*为恒值时 间接矢量控制是从电流指令值和转速来计算单位矢量和磁链。 )537(1)527()1 (*sMrmrrrsMsTslipTLTpTiirsMsTslTii1*48)557()()547(*dtdtrslsrsls定子频率指令：49根据指令电流i*sM、i*sT求转子磁链及相角
24、的结构电路： 定向精度同样受Tr、Lm等参数变化的影响，其中受转子电阻Rr的影响最大。50间接矢量控制(转差频率矢量控制)系统51为简单起见，以开环方式维持磁链为常值。 给定转子磁链*r，根据下式得到产生期望的转子磁链*r所需要的励磁电流i*ds(i*sM)。框图说明：mrsMLirmrsMLpTi152 速度控制环产生定子电流的转矩分量i*ds(i*sT)。rmrslsTLTi 转差频率*sl由电流i*qs(i*sT)产生。)177( sTRrrmsliLRL53 转差频率*sl与r相加得同步频率信号e(s)。对e积分并查表得单位矢量信号cose和sine (cos和sin)。54转差频率矢
25、量控制系统的特点磁场定向由给定信号确定并靠矢量控制方程保证，省去了转子磁链观测器，系统结构简单；运行中转子参数的变化及磁路饱和等因素影响会造成实际定向轴偏离设定的目标定向轴，影响解耦效果和控制性能。55 无论是直接矢量控制还是间接矢量控制都具有动态性能好、调速范围宽的优点，采用光电码盘转速传感器时，一般可以达到调速范围D=100，当系统和传感器精度高时，甚至可达D=1000。 动态性能受电动机参数变化的影响是矢量控制的主要不足之处。56 将isM定向到转子磁链r、气隙磁链m或定子磁链s上都可以实现矢量控制。转子磁链定向可以得到自然解耦控制，而气隙磁链或定子磁链定向会产生耦合效应，该耦合效应必须
26、通过解耦的补偿电流实施补偿。（三）其它磁场定向控制方式57气隙磁场定向矢量控制系统的特点气隙磁通易于直接测量，同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适于处理饱和效应；与转子磁场相同，维持气隙磁通恒定时，电磁转矩与q轴电流成正比；磁通关系和滑差关系中存在耦合，与解耦的转子磁通控制结构相比，耦合使基于气隙磁通控制的转矩和磁通控制结构图更复杂。58定子磁场定向矢量控制系统的特点在磁通闭环控制系统中，定子磁通定向在一般的调速范围内可利用定子方程做磁通观测器，非常易于实现，且不包括对温度变化非常敏感的转子参数；低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电势测量误差较大，导
27、致定子磁通观测不准；与气隙磁场定向一样，磁通关系和滑差关系中存在耦合，耦合使转矩和磁通控制结构较复杂。597-4 矢量控制的研究方向研究方向1无速度传感器的矢量控制 研究背景： 凡是高性能的交流调速系统，无论是矢量控制系统，还是直接转矩控制系统或其他系统，都需要转速调节和转速反馈。常用转速传感器的种类：n电磁式：旋转变压器，接近开关式等；n磁敏式：磁敏电阻，磁敏二极管，霍尔传感器等；n光电式：增量式编码器，绝对式编码器。60速度反馈：传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积。传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，降低了系统可靠性。受传感器使用条件如温度、湿
28、度和振动的限制，调速系统不能广泛适应各种场合。传感器及其辅助电路增加了调速系统的成本，某些高精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。61 因此，如果舍去转速传感器仍能够获得良好的控制性能，将是一个很有价值的方案。自从20世纪7080年代以来，很多学者和工程技术人员在这方面做了大量的工作，取得不少成就，已经发表了许多关于无速度传感器高性能交流调速系统的研究和综述，内容十分丰富。其后，多种系列的无速度传感器高性能通用变频器产品已经获得应用。62 无速度传感器控制方法：n直接计算法；n观测器方法(全阶状态观测器，降阶状态观测器，滑模观测器，扩展卡尔曼滤波器）；n模型参考自适应法；n高频信号注入法；
29、n检测齿谐波进行转速辨识法；n基于人工智能理论基础的其它估算方法。63研究方向2异步电机控制系统的参数辨识（参数自整定） 研究背景：电机参数存在不确定性。参数的不准确性的产生原因：n制造工艺和材料的差异n电机运行状况对参数的影响n负载参数的变化 参数辨识方法按自整定时间分类n离线式(off-line)整定：堵转实验、空载实验n在线式(on-line)整定：一般与无速度传感器控制算法结合。64本讲小结矢量控制的特点：矢量控制通过坐标变换对异步电机进行转矩和磁通的解耦控制，有利于分别设计转速和磁链调节器，实现线性控制，调速范围宽；按转子磁场定向时磁通控制性能容易受电机转子参数影响，鲁棒性较差。矢量
30、控制的主要研究方向：基于电机参数辨识的自适应、自校正矢量控制系统无速度传感器控制方法。65本讲应掌握的主要内容： 转子磁链定向的直接矢量控制原理及框图 各种磁链观测器的特点 转差频率矢量控制原理 转差频率矢量控制系统的特点661、目前，对异步电动机变频调速的转矩控制方法有下列四种。在这四种控制方法中，哪一种控制方法的转矩控制性能最差？ V/F控制 转差频率控制 矢量控制 直接转矩控制 2、将异步电动机三相坐标系下的模型转换成两相垂直静止坐标系下的模型可实现 电机参数解耦 交流量转化为直流量 变量解耦 直流量转换为交流量 思 考 题673、以下哪个参数对电流模型磁链观测器的观测精度的影响最大？ 定子电阻 定子漏感 转子电阻 转子漏感 思 考 题4、在按转子定向的矢量控制系统中，r有以下哪个量决定？ isM isT irM irT 68思 考 题5、比较说明不同转子磁链观测模型的特点。6、矢量变换控制的基本思想（思路）是什么？7、矢量变换控制需要几种矢量坐标变换？变换的原则是什么?8、异步电动机动态数学模型的性质。9、在矢量控制方法中需要对异步电机的动态模型进行简化，其简化思路是什么？这样做的目的是什么？10、实现转子磁场定向控制的关键技术是什么？