7 第七讲 异步电动机的矢量控制系统吴学智

转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型 ✓电压方程为：
usm Rs Ls p
ust
1Ls
uurrmt
Lm p
s Lm
1Ls
Rs Ls p 0 0
Lm p
1Lm
Rr Lr p
s Lr
1Lm ism
Lm p
ist
0 Rr
iirrmt
转子磁链定向矢量控制
is
is
is 等效
ais ibs
α
3/2 is
β
VR
M
is T
直流 电机
ωr
c
转子磁链定向矢量控制
控制
i*sM i*sT
MT
程式。在实际控制中，如果能够实现电流iM和iT的完
全解耦，异步电动机便可获得类似于直流电动机的特 性。
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型
✓转子磁链仅由定子电流励磁分量产生，与转矩分 量无关，从这个意义上看，定子电流的励磁分量 与转矩分量是解耦的。
✓r 与 iM之间的传递函数是一阶惯性环节，时间常
交流异步电动机电磁转矩
➢异步电动机的电磁转矩是由气隙旋转磁场Φm与转子 电流Ir相互作用产生的。而Φm又是定子电流I1与转子 电流Ir共同产生的。
Te CM m Ircosr
✓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）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。
0 Lm
Lr 0
0 Lr
iirrmt
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型
✓由于M轴方向与转子磁链一致，则
Ψsm Ls 0 Lm 0 ism
Ψ st
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0
Ls
0
Lm
ist
ΨΨrrmt
L0m
0 Lm
Lr 0
0 Lr
iirrmt
✓可得到：
Lrirt Lmist 0
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型
✓对于笼型转子异步电动机，由于转子短路，则电 压方程可简化为：
usm Rs Ls p
ust
1Ls
0
0
Lm p
s Lm
1Ls
Rs Ls p 0 0
Lm p
1Lm
Rr Lr p
s Lr
1Lm ism
Lm p
ist
0 Rr
iirrmt
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型
✓经过坐标变换，异步电机可以等效成直流电机， 模仿直流电机的控制策略得到直流电机的控制量， 经过坐标反变换，就能够控制异步电机了。
✓由于进行坐标变换的是电流和磁链的空间矢量， 所以这样通过坐标变换实现的控制系统就叫作矢 量控制系统（Vector Control System）。
数为转子磁链励磁时间常数，当励磁电流分量iM突
变时，r 的变化要受到励磁惯性的阻挠，这和直
流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。
➢动态矢量图
转子磁链定向矢量控制
is is2M is2T
arctan isT
isM
s sdt
转子磁链定向矢量控制
➢模仿直流电动机的控制方法，求出直流电动机的控制 量isM*和isT*，再经过反变换就能得到异步电动机的控 制量ia*、ib*、ic*。
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型 ✓由电压方程的第三行得到： 0 Rrirm Lm pism Lr pirm Rrirm p(Lmism Lrirm ) ✓由磁链方程得到：
Ψ r Lmism Lrirm
✓化解得到：
磁其电中流Tr分量RLrr。Ψ为r 转1子LTm时r p间ism常数，ism被称为定子的励
直流电动机电磁转矩
➢直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组电流Ia与气隙磁 链Ψf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：
Ia
If
Te CMIa If Ia
✓Ia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。
✓化解后得到：
Te
np
Lm Lr
istΨ r
这个转矩关系式很简单，同直流电动机的转矩公
式一样。ist被称为转矩电流分量。
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型
✓转差角频率：
s
1 Tr
ist ism
✓如果转子时间常数和磁链不变，转差频率与定子 电流的转矩分量成正比。
以上转差角频率方程式、电磁转矩方程和转子磁链方 程就构成了按转子磁场定向的矢量控制系统的基本方
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型
✓由T轴磁链方程可得：
irt
Lm Lr
ist
✓M轴按转子磁场方向定向后，与之正交的T轴上定
子电流分量的变化会立即引起相应转子电流分量
的变化，不存在滞后。
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型 ✓电磁转矩方程为：
Te np Lm (istirm ismirt )
✓在进行旋转坐标变换时，只规定了d，q两轴的相 互垂直关系，未规定两轴与电机旋转磁场的相对 位置。
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型
✓选择d轴沿着转子磁链矢量的方向，称之为 M轴， 而 q 轴垂直于转子总磁链矢量，称之为 T轴。
✓在旋转坐标系下， M绕组相当于直流电机的励磁
绕组， T 绕组相当于伪静止的电枢绕组。控制im等 效于控制直流电机的磁通，it 相当控制形成转矩的
电枢电流。
✓这样的两相同步旋转坐标系就具体规定为 M，T 坐标系，即按转子磁链定向（Field Orientation）的 坐标系。
转子磁链定向矢量控制
➢异步电机在转子磁链方向上的数学模型 ✓磁链方程
Ψsm Ls 0 Lm 0 ism
Ψ st
0
Ls
0
Lm
ist
ΨΨrrmt
L0m
转子磁链定向矢量控制
➢异步电动机矢量图
转子磁链： r m cosr 电磁转矩：Te CT r Ir
✓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。
转子磁链定向矢量控制