1、第6讲：异步电机的矢量控制系统 6-1 概述 6-2 矢量控制基本思想 6-3 异步电动机矢量控制的实现 6 3 异步电动机矢量控制的实现 6-4 矢量控制的研究方向 16-1 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 基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在 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 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Dt d t 技术大学的KH 博士在他 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
2、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 2 量控制（VC）。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 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。 3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。 大功率轧钢机主传动要求有很快的动态响应和
3、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 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。 步电动机或同步电动机变频调速代替。 4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 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。 机 数在线辨 矢 控制 个研究 56-2 异步电动机矢量控制的基本思想 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I a 与气隙磁链 f 直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组电流
4、I a 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： 矢量垂直于气隙磁链矢量，因此直流电机的电磁转矩为： I f I eMaf a TCII I ( 61 ) a I f I I 是控制电机转矩的分量 I 是控制 eMaf a TCII I ( 61 ) I a 是控制电机转矩的分量，I f 是控制 电机磁场的分量，这两者是解耦的。 如果I 恒定 只要调节I 就可控制转 6 如果I f 恒定，只要调节I a 就可控制转 矩。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 I
5、r 相互作用产生的。而 m 又是定子电流I s 与转子电流I r 共同 产生的。 TC I c o s ( 62 ) eMmrr TC I c o s ( 62 ) 磁场和转矩是相互耦合的 采用标量控制时 这两者无法 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 Fi ld Oi d C l ）就是要解决这 问 场定向控制，Field-Oriented Control）就是要解决这一问 题。 7三、异步电动机的矢量图 气隙感应电势E g 滞后气隙磁链 m 90； 转电 流 个 角度 E U s s 转子电流I r 滞后E
6、g 一个 r 角度； 转子感应电势E r 与I r 同相； I s -I r -E g 转子磁链 r 超前E r 90； 激磁电流I m 与 m 同相； I 0 I 空载电流I 0 =激磁分量I m +铁损 （磁滞和涡流损耗）分量I c ； E r m r Fe I m I c r 定子电流I s =-I r +I 0 ； 定子电压 E g I r 8 U s =-E s +R s *I s +j s L ls *I scos rmr 转子磁链： eT r TC I (6 3 ) rmr r 电磁转矩： (6 3 ) 如果异步电机按转子磁场定向，即将MT同步旋转坐标系 如果异步电机按转子磁场定
7、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i s 可以沿M轴和T 轴分解为励磁电流i M 和转矩电流i T ，i M 产生转子磁链，i T 产 9 轴分解为励磁电流i M 和转矩电流i T ，i M 产生转子磁链，i T 产 生电磁转矩。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 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i M 和转矩电流i T 的独立控 制 使非线性耦合解耦 制，使非线性耦合解耦。 106-3 异步电动机矢量控制的实现 根据
8、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 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；转子磁场方向定向 使系统非线性解耦 改善系统的动态性能 使系统非线性解耦，改善系统的动态性能。 MT坐标系： MT坐标系： 规定d轴沿转子磁链 r 方向，并称之为M (Magnetization)轴， 轴则逆时针转90 即垂直于转子磁链 称之为T 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(Fi ld O i
9、i )的坐标系 11 或称按转子磁场定向(Field Orientation)的坐标系。一、矢量控制的基本方程 考虑转子封闭情况 即 1、MT坐标系的电压方程 考虑转子封闭情况，即：u rM =u rT =0。 1、MT坐标系的电压方程 sss sms m sM sM RLp L Lp L i u 0 sM ss s s sm m sT sT ms l mr rs l r rM LRL pL L p i u Lp L R Lp L i 0 (65 ) ms l mr rs l r rM slm m s lr r r r T LL pLR L p i () 式中：u sM 、u sT 定子M轴和
10、T轴的电压； i i 定子M轴和T轴的电流； 12 i sM 、i sT 定子M轴和T轴的电流； i rM 、i rT 转子M轴和T轴的电流。2、满足磁场定向的基本方程 0( 6 6 ) rM r r rM m sM rT r rT m sT Li Li Li Li 0( 6 6 ) rT r rT m sT Li Li 13式（6-6）代入式（6-5）得磁场定向的电压基本方程： ss ssm sm sM sM T T RLp L Lp Li u LRL pLL pi u 00 0 00 sssss mm sT sT mr r rM llT LRL pLL pi u Lp R Lp i LL
11、R i 00 (6 7 ) slms lrrr T LL R i 由式（6-7）中的第3行得： 0() (6 9 ) r rM m sM r rM r rM rM r rM r r M Ri pLi Li Ri p Ri p p i 得： 14 (6 9 ) rM r i R 得：由式（6-7）中的第4行得： 0( ) sl m sM r rM r rT sl r r rT LiL iR i R i (6 11 ) sl r rT r i R 得： 15式（6-9）和式（6-11）代入式（6-6）得： 1 Tp 1 (6 1 2 ) r sM r m Tp i L (6 1 3 ) r sT
12、sl r m T i L r r r L T R 式中：转子时间常数 r 16电流、磁链分析 1 (6 1 2 ) r sM r Tp i L 结论 转子磁链 仅由定子电流的i 分量决定 与定子 m L 结论：转子磁链 r 仅由定子电流的i sM 分量决定，与定子 电流的i sT 分量无关。因此i sM 被称为定子电流的励磁分量。 结论： r 与i sM 之间的传递函数是一节惯性环节，其涵义 是 当励磁电流i 突变时 的变化存在延时 并按转子 是：当励磁电流i sM 突变时， r 的变化存在延时，并按转子 时间常数T r 的指数规律变化。这和直流电机励磁绕组的惯 性作用是 致的 17 性作用是
13、一致的。(6 9 ) r rM r p i R 结论：当定子励磁电流i sM 突变而引起转子磁链 r 变化时， 结论：当定子励磁电流i sM 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i rM ，阻止 r 的变 化，使 只能按转子时间常数T的指数规律变化。当 达 化，使 r 只能按转子时间常数T r 的指数规律变化。当 r 达 到稳态时，i rM =0，即 r 的稳态值由i sM 唯一决定。 18(61 1)( 61 3 ) sl r r rT sT sl r T ii RL () () rT sT sl r rm RL L m rT sT r L ii L 结论：
14、i sT 突然变化时，i rT 立即跟随变化，不存在滞后。 这是 为按转 磁场定向 轴上不存在转 磁链的缘故 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。 总之 由于MT坐标按转子磁场定向 在定子电流的两个 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，i sM 唯一决定磁链 r ，i sT 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 19 矩，它们分别对应直流电机中的励磁电流和电枢电流。3、电磁转矩方程 () ( 6 1 4 ) ep ms T r Ms M r T TnLiiii (0 , rT 在满足磁场定向条件下 ） (6 1 5 )
15、m eps Tr r L Tni L 0 rr M i 在 稳态情况下， ， ()( 6 1 6 ) m epm s Ms T r L Tn Lii L 20() ( 6 1 4 ) ep ms T r Ms M r T TnLiiii L (0 , ( 6 1 5 ) m rT e p sT r r L Tni L L 在满足磁场定向条件下 ）则 0( ) ( 6 1 6 ) m rM e p m sM sT r L iT nL i i L 在稳态情况下， ，则 ！注意：式（6-14）是在任意选取的MT坐标系下的T e 表达式， 动态、稳态都适用； 式（6-15）是在已沿转子定向的特定MT坐
16、标系下的T e 表达式， 动态、稳态都适用； 动态、稳态都适用； 式（6-16）是在已沿转子定向的特定MT坐标系下且转子磁 场恒定的T 表达式 只适用于稳态 21 场恒定的T e 表达式，只适用于稳态。电磁转矩分析 (0 , rT m L 在满足磁场定向条件下 ） (6 1 5 ) m e p sT r r L Tni L 结论：在磁场定向情况下电动机的转矩T e 只与转子磁链 r 及定子电流分量i sT 有关。 因此i sT 被称为定子电流的转矩分量。 sT 被 定子 转 分 221 (6 1 2 ) r sM r Tp i L 0, m rr M L i 在稳 态 情 况 下 ， ()(
17、6 1 6 ) m epm s Ms T r L Tn Lii L 结论： r 结论： 若控制i sM 使磁链 r 保持恒定,则通过控制i sT 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 瞬时转矩，获得如同直流电动机那样的控制特性。 234、转差频率控制方程 (6 1 7 m L i 转差频率 ） 由式(6-12)和式(6-13)得转差频率与电流的协调关系： (6 - 17 1 ()( 6 1 8 ) m sl sT rr r i T T p i 转差频率： ） ()( 6 1 8 ) 1 r sT rsM T p i Ti i 1 (6 1 9 ) sT sl rs M i T
18、i 在稳态情况下， 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i 成正比 24 的转矩分量i sT 成正比。5、按转子磁场定向时，转子 磁链和电流的动态关系 磁链和电流的动态关系 1 (6 12 ) r T i 1 (6 12 ) r sM r r mm i p LL T (6 13 ) r sT sl r m T i L 22 (7 2 0 ) arct an ( 6 21 ) s sM sT sT iii i 矢量控制的负载角： arct an ( 6 21 ) sM i MT 矢量控制的负载角： 轴系对 轴系的旋转角 25 (6 2 2 ) ss dt 小结：矢量控制基本
19、方程 1 m rs M r L i Tp 1 :( 6 1 2 ) r sM r m Tp i L 或 (6 15) m L Ti (6 15) m eps Tr r T n i L (6- 17 ) m sl sT rr L i T 26二、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 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- 坐标变换实现的控制系统就叫做
20、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 。 27i * sM 控制 变 频 器 电机 i * s i * i i i sM sM T M T M a-b -c 电流控制 型变频器 电机MT 轴模型 i * sT i * s i a i * b i * c i a i b i c i s i s sM i sT a-b -c cos sin cos sin 矢量控制原理： 电流指令i sM * 和i sT * 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
21、2/3变换)，变为三相电流指令 i a * 、i b * 、i c * ，输入到三相变频器； 变频器输出与i * i * i * 一样的实际电流i i i ；（i i i 变频器输出与i a 、i b 、i c 样的实际电流i a 、i b 、i c ；（i a 、i b 、i c 通过3/2变换转换为i s 、i s ，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i sM 、i sT 施加到M-T坐标系下的电机模型 28 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 * sM 控制 变 频 器 电机 i * s i * i i i sM
22、sM T M T M a-b -c 电流控制 型变频器 电机MT 轴模型 i * sT i * s i a i * b i * c i a i b i c i s i s sM i sT a-b -c cos sin cos sin 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 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 去，剩下的就是直流调速系统。 29i * sM 控制 变 频 器 电机 i * s i * i i i sM sM
23、T M T M a-b -c 电流控制 型变频器 电机MT 轴模型 i * sT i * s i a i * b i * c i a i b i c i s i s sM i sT a-b -c cos sin cos sin 该控制器需要两个反变换，以便控 制电流i * M 和i * T 分别与电机电流i M 、 制电流i sM 和i sT 分别与电机电流i sM 、 i sT 相一致。 转子磁场定向是由坐标变换所用单 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 30 确的单位矢量cos和sin是保证 矢量控制原理实现的关键。根据单位矢
24、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Bl hk 发明) 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 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）。 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 3
25、1 率矢量控制。（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 1、直接矢量控制框图 所示，它对转速和转子磁链分别进行闭环控制。 U d r r + T M 电流控制型 磁链 调节器 _ U d i * sM i * s i * a i * b r c b a cos sin PWM变频器 速度 调节器 i * sT i * s i b i * c r 电压模型 磁链观测器 u ab r r u bc u ca i a i b 32 直接矢量控制的框图 IM rU d r r + T M 电流控制型 PWM变频器 磁链 调节器 速度 _ i * sM i * sT
26、i * s i * s i * a i * b i * r r sM L p T i 1 c b a cos sin PWM变频器 速度 调节器 u ab sT s i c r u bc u ca r r sl sT L T i m L 电压模型 磁链观测器 r r i a i b m L 控制原理说明： 直接矢量控制的框图 IM r 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 * T 由带双极性限幅器的转速调节器产生，实现了电磁转矩 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i
27、sT 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 33 sM sT 止坐标系上的信号然后被变换为逆变器的相电流指令值。2、单位矢量计算 M T坐标系相对于静止坐标系以同步转速 旋转 在任何 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= s t。由该图得单位矢 量cos和sin： I s i s 22 (6 3 6 ) rr r 量cos和sin： r s i sT r co s r r s t i sM sin r r i s r 注：因单位矢量是由反馈磁链矢量导出的 故称这种矢量
28、 34 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”。3、磁链矢量的估计 要得到转子磁链和单位矢量首先应该获得、轴磁链。 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。 35（1）电压模型磁链观测器 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。 电压模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 根据3/2坐标变换，得： B C B i i i i i i i i i 3 ) ( 1 2 ) ( 2 A B A B A
29、 C B A s i i i i i i 2 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 2 2 ) ( 2 2 3 ) 2 2 ( 3 36 B A B A B C B s i i i i i i i i 2 2 1 ) ( 2 3 2 3 3 2 ) ( 2 3 3 2 同理可得定子电压： CA AB C B A s u u u u u u ) ( 6 1 ) 2 2 ( 3 2 BC C B s u i u u 1 ) ( 3 2 6 2 2 3 BC C B s 2 ) ( 2 3 37u s + s 定子磁链： s i - s 定子磁链： ) ( dt i R u R s i s u + )
30、 ( ) ( s s s s s s s s dt i R u dt i R u u s - s 2 2 s s s R s i s 38气隙磁链： () ( 6 3 2 ) Lii Li () ( 6 3 2 ) () () mmsrsl s s mm srsl s s Lii Li Li i Li Li i Li 转子磁链 () mm srsl s s Li i Li 转子磁链： (6 33 ) r l L Li (6 33 ) (63 4 ) rm lrs m r rml r s Li L L L i () (6 3 5 ) rml r s m r r m lr s L L Li L 3
31、9 m L i s + _ + _ + _ r L R s L ls s cos u s L lr m r r m L cos u s 2 2 L s m r r 2 2 r r + _ m r L L + _ + _ r u s s m R s L ls L lr r sin 图6 7 电压模型磁链观测器框图 i s R s L ls L lr 40 图6-7 电压模型磁链观测器框图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R 无关 只与定 优点：不需要转速信号，算法与转子电阻R r 无关，只与定 子电阻R s 有关，而R s 容易测得。受电动机参数变化的影响较 小 且
32、算法简单 便于应用 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，积分精度难以保 证；低频时电阻R s 、电感L ls 、L lr 和L m 等参数的变化对计算 精度的影响相对较大，尤其以R s 的影响最为显著。 ) ( dt i R u ) ( ) ( s s s s s s s s dt i R u dt i R u 注：在高速时，这些参数变化的 影响则可以忽略 41 2 2 s s s 影响则可以忽略。（2）电流模型磁链观测器 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。 电流模型磁链观测器利用检测到的电机电流和
33、转速 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。 1 m rsrr r rr L pi TT 1 ( 6 50 ) rr m rsrr r rr L pi TT 42 rrr T 1 Cos + _ _ r m T L r r i s p r r r 2 2 r r Sin + _ + r m T L r i s p r r T r r T 1 r s 图76-9 电流模型磁链观测器框图 43 电流模型磁链观测器的特点 优点 不论转速高低都能适用 优点：不论转速高低都能适用。 缺点：观测精度受R r 、L m 等参数变化的影响较大，其中受 转子电阻R r 的影响
34、最大。因温度和集肤效应的影响，R r 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 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。 44（3）组合模型磁链观测器 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 大将模起 来 使 即 高 采用电压模型磁链观测器，低速时(例如n15%n N )采用电流 模型磁链观测器 模型磁链观测器。 45（二）间接或前馈矢量控制(又称为转差频率矢量控制) 在磁链闭环的直接矢量控制系统中，
35、转子磁链反馈信号是由 磁链模型获得的 受电机参数T 和L 变化的影响 造成控制的 磁链模型获得的，受电机参数T r 和L m 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 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。 46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 链。 * * * (1 ) (6 5 2 ) sT r sl i Tp T i * (6 5 3 ) 1 r sM m
36、rs M T i L i T 1 r T p 当i sM * 为恒值时 i 1 * * 6 47 r sM sT sl T i i 1 * * * (6 5 4 ) ss lr 定子频率指令： * ()( 6 5 5 ) ss lr dt dt 48根据指令电流i * sM 、i* sT 求转子磁链及相角的结构电路： 6 定向精度同样受T r 、L m 等参数变化的影响，其中受转子电阻 R r 的影响最大。 49间接矢量控制(转差频率矢量控制)系统 50框图说明： r r sM L p T i 1 为简单起见，以开环方式维持磁链为常值。 r m sM L 给定转子磁链 * r ，根据下式得到产
37、生期望的转子磁链 * r 所需要的励磁电流i * ds (i * sM )。 51 r 所需要的励 流 ds ( sM ) m r sM L i r r sl sT L T i 速度控制环产生定子电流的转矩分量i * ds (i * sT )。 m L 转差频率 * sl 由电流i * qs (i * sT )产生。 mr LR 52 (6 1 7 ) mr sl sT rR LR i L 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cos e 和sin e (cos和 sin)。 53转差频率矢量控制系统的特点 磁场定向由给定信号确定并靠矢
38、量控制方程保证，省去 了转子磁链观测器 系统结构简单 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 性能。 54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 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。 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。 55（三）其它磁场定向控制方式 将i sM 定向到转子磁链 r 、气隙磁链 m 或定
39、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， 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 须通过解耦的补偿电流实施补偿。 56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 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 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
40、磁通控制的转矩和磁通控 制结构图更复杂。 制结构图更复杂。 57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 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 导致定子磁通观测不准 电势测量误差较大，导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。 586-4 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： 研究背景： 凡是高性
41、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 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： 电磁式：旋转变压器，接近开关式等； 磁敏式：磁敏电阻，磁敏二极管，霍尔传感器等； 传 光电式：增量式编码器，绝对式编码器。 59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。 接口电路，降低了系统可靠性。 受传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速 系统不能广泛适应各种场合 系统不能广泛适应各种场合。 传感器
42、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 精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。 60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 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 的无速度传感器高性能通用变频器产品已经获得应用。 61 无速度传感器控制方法： 直接计算法 直接计算法；
43、 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）； 模型参考自适应法； 模型参考自适应法； 高频信号注入法； 检测齿谐波进行转速辨识法 检测齿谐波进行转速辨识法； 基于人工智能理论基础的其它估算方法。 62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 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： 制造工艺和材料的差异 电机运行状况对参数的影响 机 行状况对参数的影响 负载参数的变化 参数辨识方法 参数辨识方法 按自整定时间分类 离线式(off-line)整定：堵转实验、空载实验 在线式(on-line)整定：一
44、般与无速度传感器控制算法结 63 合。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； 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 响，鲁棒性较差。 矢量控制的主要研究方向： 基 电机参数辨 的自 应 自校 控制系统 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。 64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 转差频率矢量控制原理 转差频率矢量控制系统的特点 65思考题 思考题 1、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 。在这四种控制方法中，哪 种控制方法的转矩控制性能最 差？ V/F控制 转差频率控制 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
