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1、交流电机矢量控制交流电机矢量控制Vector Transformation Control (Field Oriented Control)贺益康 教授 浙江大学 电气工程学院贺益康 教授 浙江大学 电气工程学院? 交流电机矢量变换控制技术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解耦控制策略 ? 交流电机交流电机（多变量、强耦合、非线性、时变） 复杂矢量系统复杂矢量系统矢量坐标变换矢量坐标变换等效直流电机直流电机简单标量系统标量系统 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首先建立
2、矢量变换控制的基本概念一、矢量变换控制的基本概念一、矢量变换控制的基本概念LT负载规律已知时，表现在对 电磁转矩电磁转矩 T 的动态控制上的动态控制上转矩动态控制上转矩动态控制上, 直流电机比交流电机好直流电机比交流电机好rd d tLTT系统动态性能反映在对转子瞬态运动速度 控制上，也即动态转矩控制上r LdTTJdt=1. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式主宰机电运动规律2.直流电动机直流电动机?电磁转矩励磁磁通 taTCi=faaiFi电枢磁势?由于afaiTFi ? 产生 最大磁场、电枢控制解耦互不影，、响在不同绕组中控制故直性流电动机能最优越T就 能 实 现 对动 态 控 制,ai（ 电
3、 流 闭 环态 控 制调 节 ）动C =当恒定时， 实现对 taTCi=自然解耦系统自然解耦系统3.异步电动机异步电动机 多 变 量强 耦 合非 线 性时 变复 杂 系 统复杂在复杂在 強 耦 合強 耦 合?电磁转矩 2 2costITC= 12 2 2 2 2()mSIIIfEIRjXS =+= + 22(cos),SIT 通过 耦合不能单独调节某一项来唯一确定 ，难实现对T动态控制 22 12 2 2cos()S RSIfXtg= 2E 2I22 2cosIX2?解决思路要提高交流电机控制性能，必须实现控制变量从 矢量标量矢量标量变换变换矢量的控制比标量难矢量的控制比标量难直流电机直流电机
4、中被控制变量控制变量if、ia为标量标量，只有大小大小定、转子电流气隙磁交变时间矢量旋转空间矢量通矢量矢量有大小、相位大小、相位问题考虑考虑 交流电机中被控制变量被控制变量为矢量矢量 等效条件等效条件： 确保电机气隙空间产生电机气隙空间产生大小转速转向旋转磁场旋转磁场 同 样同 样同 样抽象 变换实现：通过绕组变换绕组变换坐标变换坐标变换?矢量变换控制矢量变换控制思想思想将受控交流矢量交流矢量等效等效变换 成直流标量直流标量的一种控制策略 异步电机矢量变换控制：将交流异步电机交流异步电机通过坐标变换坐标变换 成一 个在空间空间以同步速旋转同步速旋转的直流电机直流电机，实现转矩的动态解耦转矩的动
5、态解耦控制同步速旋转同步速旋转的直流电机直流电机（虚拟虚拟虚拟虚拟）实为同步速（同步速（M-T）坐标系）坐标系中（描述描述描述描述）异步电机异步电机2M-T坐标系的M轴轴选定在异步电机转子全磁通方向上转子全磁通方向上， 故又称 磁场定向控制（磁场定向控制（Field Oriented Control）二、矢量变换控制理论二、矢量变换控制理论?矢量坐标变换矢量坐标变换基本过程1111bciiFiM ? ?1a1111同步速旋转空间矢量（代替F）电机的某旋转磁通对称三矢量,相电流将选i 、 、旋转（）磁势作轴（矢量）asbscsMT 坐 标 系定 子 三 相 坐 标 系静 止 两 相 坐 标 系同
6、 步 速 旋 转 两 相 坐 标 系在as-bs-cs坐标系内对三相交流电机的的控制1aiiib1c1、旋转电流空间矢量空间矢量11()i?速先构成构成同步旋转同步旋转M-T坐标系（速）1然后在11MTii 激磁电流转矩电流直流标量等效直流电机的分解分解成解耦控制解耦控制 实现对转矩的动态控制转矩的动态控制坐标变换理论不同坐标系内异步电机数学模型涉及 (1)as-bs-cs坐标系- 坐标系变换（静止3 /2 变换）1、坐标变换理论、坐标变换理论1110abcfff+=对称三相系统中三相变量11abff、实用独立变量仅111111,T ababTfffffff =“u“,“i“,“代表“,“可“
7、等定义?静止变换3 /2 111 111(0)(0)10 (0)(294)123310 (0)13 22ababfTffTfTT= = = =ii（ 2-92）（ 2-93）（ 2-95）?变换框图3 /2 （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0100,t =+? ?（ 0）一 般 t=0时 ， M重 合 （ 0） =0?VR变换关系 空间矢量在两坐标系中各分量间关系1F? ?1101011010cossin(2 96)sincosMTffffff=+=+标量式111111,T M TMTTffffff =矩 阵 式令10100 0 00(297)()cossi
8、n()sincosMTfRfRVR=i则变换矩阵（2-98）?VR变换框图1 101001 0 00()(2 100)cossin()sincosMTfRfR=i逆变换 （2-99）（3）直角坐标与极坐标变换（）直角坐标与极坐标变换（KP变换）变换）?K/P变换框图T1Tf1FM1Mf22 1111()( )(2 101 )sin (2 102) cosMTTMFfff F f F=+= =?两正交分量求模及幅角2异步电机矢量变换控制用基本方程式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 三绕组异步电机二绕组等效等效直流电机坐标旋转变换坐标旋转变换等效条件等效条件：直流电机产生同
9、样同样旋转磁场旋转磁场效果效果 坐标系观点坐标系观点看： 等效直流机等效直流机即是从同步速坐标系同步速坐标系观察的异步电机（方程异步电机（方程）两直流绕组以同步速旋转两直流绕组以同步速旋转1?同步速坐标系中异步电机方程同步速坐标系中异步电机方程 任意速任意速d-q-n坐标系异步电机方程坐标系异步电机方程111111111111111111 / 222222 / 222222 / 22200 0000000 ()0()0 ()0()0 00000ddmmqqmmnnddmmqmmnuiR L pLL pL uiLR L pLL p uiR LpuiL pLRL pL uLL pLRL p uRL
10、 p + + += + + +i/ 2 / 2 / 2qni i （19）同步速同步速M-T坐标系异步电机方程坐标系异步电机方程简化(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：1 =2 20,0 dqUU= ,dMTq注意(1)电压方程中仅形式旋转电势形式旋转电势相与 电磁功率（转矩）有关（转矩）有关 (2)此方程尚未尚未磁场定向磁场定向（M轴位置未定）轴位置未定）11)L 或( - Lm111W1m4.44EfWk=sm1 = +s11W1s4.44Ef W k=rm2 = +r11W1r4.44EfW k=电压源供电异步电机几种磁通及其对应电势
11、：电压源供电异步电机几种磁通及其对应电势： ? ?气隙磁通气隙磁通?气隙电势气隙电势? ?定子全定子全磁通?定子电势定子电势? ?转子全磁通转子全磁通?转子电势转子电势异步电机矢量控制采用转子磁场定向控制异步电机矢量控制采用转子磁场定向控制异步电机矢量控制采用转子磁场定向控制异步电机矢量控制采用转子磁场定向控制r1/EfC=rrW111r44. 4kWfE =r1r/CEfC=?转子全磁通转子全磁通产生转子电势，?控制能实现控制即异步电机转子磁场定向控制（矢量控制）异步电机转子磁场定向控制（矢量控制）rC=?机械特性机械特性? ?转子电流转子电流? ?电磁转矩电磁转矩?确定频率下，机械特性为一
12、直线直线；不同频率下，为一族平行线一族平行线并激直流电机特性并激直流电机特性恒转子电势恒转子电势/频率比控制下频率比控制下2r2(/ )EIRs=2 M2211(/ P)TsPm IR ss=211r2()PEsmRs=1( )Tf s=1?磁场定向后异步电机方程磁场定向后异步电机方程转子磁链方程M 2M2M 1T2T12222(2 104)0(2 105)mmL iLiL iLi =+=+ 2? ? 2? ? M 22 T 20= =取转子全磁通转子全磁通（对应转子全磁链）为转子全磁链）为M轴方向轴方向代入，改造式（2-103） 转子电压方程（第三、四行）22 T2m T10L iL i=+
13、以实现M轴的磁场定向轴的磁场定向，得代表了一台等效直流电动机等效直流电动机可据此找出异步电机矢量变换控制依据异步电机矢量变换控制依据 转矩转矩表达 转速转速表达 转子全磁通转子全磁通表达矢量变换控制用异步电机数学模型矢量变换控制用异步电机数学模型?电磁转矩表达电磁转矩表达中只有旋转电势旋转电势项才能产生电磁功率产生电磁功率 11 1111 112112112 1 11232 3()2()()eMTmTMMMTmTMmTPiiLiiiiLLLL iiii=+=11,TMuu1()ePTpp=极对数电磁转矩电磁转矩11113()2eMMTTPiuui=+电磁功率电磁功率?对消对消 2 200MMp
14、i= 122 22 22 220()(2 107)MMMmMMpR ipR iL iL i=+=+又从M 轴转子电压方程转子电压方程式(2-106)第三行，有 22MC= =当实现磁场定向后（不变）， 112121 1233()22emTMMTmTMPLi iiiiL i= 矢量变换控制用异步电机数学模型矢量变换控制用异步电机数学模型11 23 2TMemPL ii= 2221 21 220(2 105)(2 109)Tm Tm TTL iL iLiiL=+= 121 223 2m eMTLPiL= 21 22(2112)3 2m MTLTpiL= 2221 2221(2 104)(02 111)MMMM MM M mL iL iiLi=+=T = P / 1= P / (/P)?转速表达从T轴转子电压方程式（2-106）第四行 122 12 1222 220()()()(2 108)TMTm MML iL
