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标题: 采用向量控制提高交流电机的动态性能 [打印本页]

作者: suncon 时间: 2003-6-22 07:33
标题: 采用向量控制提高交流电机的动态性能
采用向量控制提高交流电机的动态性能

交流电机的动态性能较差，采用专用高性能处理器和相关外围器件，通过大量的计算可以实现对电机的向量控制，极大地改善交流电机的动态性能。本文介绍了向量控制在交流电机中的应用原理和控制系统的实现组成，以及相关的计算方法。

尽管交流电机极为经济并具有高稳定性和可靠性，但由于没有换向器和电刷，交流电机的动态性能并不理想。随着面向现场的控制或向量控制的出现，交流电机的动态性能可以得到很大改善，完全可以与分开励磁的直流电机相媲美。

交流电机具有各种形式，但最常用的是三相异步感应电机(AIM)和三相永磁同步电机(PMSM)，向量控制可以完全适用于这两类电机。向量控制算法的计算量非常大，为使向量控制、闭环控制和精确脉宽调制(PWM)相结合并得到实际应用，向量控制还需要性能相对更强的微处理器以及相关外围器件。

专为电机控制应用设计的低成本高性能微控制器推动了向量控制的发展，这意味着低成本高鲁棒性的向量控制交流电机能以颇具竞争力的价格，在涵盖从机械工具到洗衣机的广泛领域内获得应用。

交流电机的向量控制和标量控制

标量控制(Scalar Control)只包括控制变量的量级控制，而无须关心这些变量之间的关联效应。相反，向量控制或面向场的控制则包括电机的量级调节和向量相位校准。标量控制的实现相对简单，如应用于交流感应电机的恒定电压/频率方法，但由电流和频率产生的转矩和磁通所产生的关联效应使得标量控制响应较为迟缓。向量控制能消除场电流向量和电枢磁通的关联关系，因此可以对电流向量和电枢磁通进行独立控制，从而提供快速的瞬态响应。

标量控制不适用于精确的位置控制，因为标量控制依赖于对转矩的瞬时控制。这需要对定子电流进行瞬时改变(由于存在储能效应，这通常难以实现)，或者需要对转子电流进行瞬时改变(这时标量控制通过定子电流进行间接控制)来实现。类似地，当标量控制提供适当的稳态速率控制时，由负载改变引发的精确响应速率控制需要精确的响应转矩控制。

当采用交流电机向量控制时，向量方法可克服暂态响应迟缓的缺陷。如果应用中需要向量控制，那么就能采用成本相对较低的微控制器实现，从而不会显著增加成本。

向量控制原理

在典型的交流感应电机中，间隔为120°的3路交流电分别位于电机上的3个静态定子线圈上。结果，由在转子鼠笼绕组导体中生成交流电的定子所引入的磁通将产生电枢磁通，这些场的相互作用产生了转矩。

与直流电机不同的是，交流感应电机的转子电流不能通过外部进行直接控制，但可以通过定子场与转子导体中感应的电流的交互作用来实现控制。由于定子和转子之间的物理绝缘，交流感应电机本身不具最优的转矩生成条件。

交流感应电机的向量控制类似于分开励磁的直流电机控制。如图1所示，在直流电机中，场电流Ia生成的场磁通Φf与电枢电流Ia生成的电枢磁通Φa正交。这些场相互之间独立，并保持相对稳定。因此，当电枢电流用于转矩控制时，场磁通不受影响，从而实现快速的暂态响应。在这里，转矩(T ) ∝ Ia×If，Ia表示转矩分量，而If表示场分量。

向量控制致力于在交流电机中重构正交分量，以使磁通生成的电流和转矩生成的电流分离，从而实现与直流电机相当的响应性能。

交流感应电机的d-q坐标表示

三相电机可由定子和转子均采用横坐标(d)和纵坐标(q)表示的相当的两相电机表示。图2显示了交流感应电机的d-q表示。ds-qs表征定子架的横坐标和纵坐标，而dsr-qsr则表示转子的旋转坐标系统的横坐标和纵坐标。

由于iu与ds保持一致，这样3个定子电流iu、iv和iw的向量和就能采用定子坐标系统中的正交分量ds和qs进行表示(某些文献也将这两个坐标轴称为α和β)

由于在三相平衡系统(具有绝缘中性点)中iu + iv+ iw = 0，这样方程1可改写为：

方程2表示如何将三相定子电流变换为2相正交向量，这个过程也称为Clarke变换。为了实施变换，我们只需测量两路相电流，即iu和iv。

更进一步的变换需要将定子架分量与转子旋转坐标系相关联，这可通过以下的Park变换实现：

这里θr表示转子磁通的角坐标。

对于ds-qs坐标轴，在角速度为ω且角位移为θr (θr = ωt)的同步旋转坐标系中，Park变换可提供定子电流的横坐标和纵坐标分量(idsr和iqsr)。因此，在稳态情形下，旋转坐标系的坐标将不随时间变化。

图1中，直流电机采用了向量控制，ids(r) 与场电流If (磁通分量)类似，而iqs(r) 则与电枢电流Ia (转矩分量)类似。

只要idsr保持与转子的磁通向量平行，且iqsr超前idsr90°，那么就能独立控制磁通和电流。

向量控制的实现

为了获得良好的动态控制性能，必须对感应电机旋转坐标系的iq和id进行控制。通过采用闭环控制，将iq和id与电机的实际测量值进行对比。

为了获取电机参数值，必须将测量得到的三相定子电流变换为旋转坐标系的横坐标分量和纵坐标分量。所得的误差项还可重新变换为三相量并应用于电机，图3显示了这一过程。

图3中引入磁通位置计算器的目的在于确保ids与转子磁通平行，得到正确的场方向。AIM中转子磁通的角位置既可以直接采用嵌入在电机中的传感器进行测量，也可以间接测量(较常用)。间接方法包括利用已知的转子特性，计算定子场和转子场之间的滑动角，并根据转子的物理位置进行求和。通常可采用适用于电机轴的增量编码器测量物理位置。

实际得到的Id和iq分量与设定值之间的差异(误差)可作为比例积分(PI)控制器的输入。虽然PI控制器本身不是向量控制的一部分，但通常包含在这类系统中，以提供最优的电机闭环控制。作为旋转坐标系基准的PI控制器输出项，可利用方程3的逆变换再次变换为静态帧，并利用方程2的逆变换将静态帧变换为三相分量。下面两个等式分别给出了Clarke逆变换和Park逆变换。

图3为异步电机的向量控制系统，该系统可以方便地应用于PMSM控制。在PMSM控制中，磁通分量由永磁体生成(图1中的固定励磁绕组由旋转的永磁体取代)。PM产生的转子磁通以与转子磁场相同的速率旋转，因此，对于PMSM，设定的Id分量(λ)为0，并通过对旋转速度积分获得旋转角。图4为PMSM向量控制的系统配置。

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