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採用向量控制提高交流電機的動態性能

上網時間: 2003年05月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:vector control  向量控制  NEC  V850  AC motor 

交流電機的動態性能較差,採用專用高性能處理器和相關周邊元件,藉由大量的運算可以實現對電機的向量控制,大幅改善交流電機的動態性能。本文介紹了向量控制在交流電機中的應用原理和控制系統的實現組成,以及相關的運算方法。

儘管交流電機極為經濟並具有高穩定性和可靠性,但由於沒有換向器和電刷,交流電機的動態性能並不理想。隨著針對現場的控制或向量控制的出現,交流電機的動態性能可以得到很大改善,完全可以與分開勵磁的直流電機相媲美。

交流電機具有各種形式,但最常用的是三相非同步感應電機(AIM)和三相永磁同步電機(PMSM),向量控制可以完全適用於這兩類電機。向量控制算法的運算量非常大,為使向量控制、閉環控制和精確脈寬調變(PWM)相結合併得到實際應用,向量控制還需要性能相對更強的微處理器以及相關周邊元件。

專為電機控制應用設計低成本高性能微控制器推動了向量控制的發展,這意味著低成本高強韌性的向量控制交流電機能以頗具競爭力的價格,在涵蓋從機械工具到洗衣機的廣泛領域內獲得應用。

交流電機的向量控制和標量控制

標量控制(Scalar Control)只包括控制變量的量級控制,而無須關心這些變量之間的關聯效應。相反,向量控制或針對場的控制則包括電機的量級調節和向量相位校準。標量控制的實現相對簡單,如應用於交流感應電機的?定電壓╱頻率方法,但由電流和頻率產生的轉矩和磁通所產生的關聯效應使得標量控制響應較為遲緩。向量控制能消除場電流向量和電樞磁通的關聯關係,因此可以對電流向量和電樞磁通進行獨立控制,因而提供快速的瞬態響應。

標量控制不適用於精確的位置控制,因為標量控制依賴於對轉矩的瞬時控制。這需要對定子電流進行瞬時改變(由於存在儲能效應,這通常難以實現),或者需要對轉子電流進行瞬時改變(這時標量控制透過定子電流進行間接控制)來實現。類似地,當標量控制提供適當的穩態速率控制時,由負載改變引發的精確響應速率控制需要精確的響應轉矩控制。

當採用交流電機向量控制時,向量方法可克服暫態響應遲緩的缺陷。如果應用中需要向量控制,那麼就能採用成本相對較低的微控制器實現,因而不會顯著增加成本。

向量控制原理圖2:電機的d、q坐標表示。

在典型的交流感應電機中,間隔為120°的3路交流電分別位於電機上的3個靜態定子線圈上。結果,由在轉子鼠籠繞組導體中產生交流電的定子所導入的磁通將產生電樞磁通,這些場的相互作用產生了轉矩。

與直流電機不同的是,交流感應電機的轉子電流不能透過外部進行直接控制,但可以經由定子場與轉子導體中感應的電流的交互作用來實現控制。由於定子和轉子之間的實體絕緣,交流感應電機本身不具最優的轉矩產生條件。

交流感應電機的向量控制類似於分開勵磁的直流電機控制。如圖1所示,在直流電機中,場電流Ia產生的場磁通Φf與電樞電流Ia產生的電樞磁通Φa正交。這些場相互之間獨立,並保持相對穩定。因此,當電樞電流用於轉矩控制時,場磁通不受影響,因而實現快速的暫態響應。在這?,轉矩(T)   Ia×If,Ia表示轉矩分量,而If表示場分量。

向量控制致力於在交流電機中重構正交分量,以使磁通產生的電流和轉矩產生的電流分離,因而實現與直流電機相當的響應性能。

交流感應電機的d-q坐標表示

三相電機可由定子和轉子均採用橫坐標(d)和縱坐標(q)表示的相當的兩相電機表示。圖2顯示了交流感應電機的d-q表示。ds-qs表徵定子架的橫坐標和縱坐標,而dsr-qsr則表示轉子的旋轉坐標系統的橫坐標和縱坐標。圖3:非同步電機的向量控制系統組成框圖。

由於iu與ds保持一致,這樣3個定子電流iu、iv和iw的向量和就能採用定子坐標系統中的正交分量ds和qs進行表示(某些文獻也將這兩個坐標軸稱為α和β)





由於在三相平衡系統(具有絕緣中性點)中iu + iv+ iw = 0,這樣方程1可改寫為:





方程2表示如何將三相定子電流變換為2相正交向量,這個過程也稱為Clarke變換。為了實施變換,我們只需測量兩路相電流,即iu和iv

更進一步的變換需要將定子架分量與轉子旋轉坐標系相關聯,這可透過以下的Park變換實現:





這?θr表示轉子磁通的角坐標。

對於ds-qs坐標軸,在角速度為ω且角位移為θrr = ω(t)的同步旋轉坐標系中,Park變換可提供定子電流的橫坐標和縱坐標分量(idsr和iqsr)。因此,在穩態情形下,旋轉坐標系的坐標將不隨時間變化。

圖1中,直流電機採用了向量控制,ids(r) 與場電流If (磁通分量)類似,而iqs(r) 則與電樞電流Ia (轉矩分量)類似。



只要idsr保持與轉子的磁通向量平行,且iqsr超前idsr90°,那麼就能獨立控制磁通和電流。

向量控制的實現

為了獲得良好的動態控制性能,必須對感應電機旋轉坐標系的iq和id進行控制。透過採用閉環控制,將iq和id與電機的實際測量值進行對比。

為了獲取電機參數值,必須將測量得到的三相定子電流變換為旋轉坐標系的橫坐標分量和縱坐標分量。所得的誤差項還可重新變換為三相量並應用於電機,圖3顯示了這一過程。圖4:PMSM向量控制的系統配置。

圖3中導入磁通位置運算器的目的在於確保ids與轉子磁通平行,得到正確的場方向。AIM中轉子磁通的角位置既可以直接採用嵌入在電機中的感測器進行測量,也可以間接測量(較常用)。間接方法包括利用已知的轉子特性,運算定子場和轉子場之間的滑動角,並根據轉子的實體位置進行求和。通常可採用適用於電機軸的增量編碼器測量實體位置。

實際得到的Id和iq分量與設定值之間的差異(誤差)可作為比例積分(PI)控制器的輸入。雖然PI控制器本身不是向量控制的一部份,但通常包含在這類系統中,以提供最優的電機閉環控制。作為旋轉坐標系基準的PI控制器輸出項,可利用方程3的逆變換再次變換為靜態幀,並利用方程2的逆變換將靜態幀變換為三相分量。下面兩個等式分別給出了Clarke逆變換和Park逆變換。











圖3為非同步電機的向量控制系統,該系統可以方便地應用於PMSM控制。在PMSM控制中,磁通分量由永磁體產生(圖1中的固定勵磁繞組由旋轉的永磁體取代)。PM產生的轉子磁通以與轉子磁場相同的速率旋轉,因此,對於PMSM,設定的Id分量(λ)為0,並透過對旋轉速度積分獲得旋轉角。圖4為PMSM向量控制的系統配置。

作者:Steve Redpath


高級應用工程師


NEC電子(歐洲)股份有限公司




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