矢量控制的基本原理介紹 - 全文

　　矢量控制原理--簡(jiǎn)介

　　矢量控制，也稱為磁場(chǎng)導(dǎo)向控制，是一種利用變頻器控制三相交流馬達(dá)的技術(shù)，利用調(diào)整變頻器的輸出頻率、輸出電壓的大小及角度，來控制馬達(dá)的輸出。其特性是可以個(gè)別控制馬達(dá)的的磁場(chǎng)及轉(zhuǎn)矩，類似他激式直流馬達(dá)的特性。矢量控制可以適用在交流感應(yīng)馬達(dá)及直流無刷馬達(dá)，早期開發(fā)的目的為了高性能的馬達(dá)應(yīng)用，可以在整個(gè)頻率范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)、馬達(dá)零速時(shí)可以輸出額定轉(zhuǎn)矩、且可以快速的加減速。

　　由于異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。上世紀(jì)60年代末由達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)（TU Darmstadt）的K.Hasse提出。在70年代初由西門子工程師F.Blaschke在不倫瑞克工業(yè)大學(xué)（TU Braunschweig）發(fā)表的博士論文中提出三相電機(jī)磁場(chǎng)定向控制方法，通過異步電機(jī)矢量控制理論來解決交流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制問題。矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。

　　矢量控制原理

　　矢量控制的基本原理是通過測(cè)量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量 （勵(lì)磁電流） 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 （轉(zhuǎn)矩電流） 分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制方式又有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。

　　矢量控制系統(tǒng)，坐標(biāo)變換是核心思想。矢量控制的基本思想是以產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，將異步電動(dòng)機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流等效成兩相靜止坐標(biāo)系上的交流電流，在通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換將其等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流，等效過程中實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，達(dá)到直流電機(jī)的控制效果，得到直流電動(dòng)機(jī)的控制量。便可將三相異步電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)來控制，獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)接近的動(dòng)、靜態(tài)性能。

　　基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進(jìn)行U / f ＝恒定控制的基礎(chǔ)上，通過檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度n，并得到對(duì)應(yīng)的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個(gè)分量間的相位，對(duì)通用變頻器的輸出頻率f進(jìn)行控制的。基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式的最大特點(diǎn)是，可以消除動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動(dòng)，從而提高了通用變頻器的動(dòng)態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基本上都是采用的基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式。

　　無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場(chǎng)定向控制理論發(fā)展而來的。實(shí)現(xiàn)精確的磁場(chǎng)定向矢量控制需要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測(cè)裝置，要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測(cè)裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動(dòng)機(jī)中直接安裝磁通檢測(cè)裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)，按照一定的關(guān)系式分別對(duì)作為基本控制量的勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)，并通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓的頻率使勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測(cè)值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。

　　采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到理想的控制效果。

　　目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。除了上述的無傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動(dòng)機(jī)控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機(jī)械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)整（AVR）控制技術(shù)的控制方式，已實(shí)用化并取得良好的效果。

　　矢量控制系統(tǒng)的基本思路

　　矢量控制系統(tǒng)的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，將異步電動(dòng)機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流通過坐標(biāo)變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流，并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，以達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。所謂矢量控制，就是通過矢量變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，得到等效直流電動(dòng)機(jī)模型，在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中，用直流電動(dòng)機(jī)的方法控制電磁轉(zhuǎn)矩與磁鏈，然后將轉(zhuǎn)子磁鏈定向坐標(biāo)系中的控制量經(jīng)變換得到三相坐標(biāo)系的對(duì)應(yīng)量，以實(shí)施控制。

　　其中等效的直流電動(dòng)機(jī)模型如圖2-1所示，在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流，，ABCiii，通過3/2變換可以等效成兩相靜止正交坐標(biāo)系上的交流si?和si?再通過與轉(zhuǎn)子磁鏈同步的旋轉(zhuǎn)變換，可以等效成同步旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的直流電流smi和sti。m繞組相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組，smi相當(dāng)于勵(lì)磁電流，t繞組相當(dāng)于電樞繞組，sti相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。其中矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。

　　通過轉(zhuǎn)子磁鏈定向，將定子電流分量分解為勵(lì)磁分量smi和轉(zhuǎn)矩分量sti，轉(zhuǎn)子磁鏈r?僅由定子電流分量smi產(chǎn)生，而電磁轉(zhuǎn)矩eT正比與轉(zhuǎn)子磁鏈和定子電流轉(zhuǎn)矩分量的乘積，實(shí)現(xiàn)了定子電流的兩個(gè)分量的解耦。簡(jiǎn)化后的等效直流調(diào)速系統(tǒng)如圖2-3所示