矢量控制的形象描述.doc

矢量控制的形象描述矢量控制的形象描述磁场强度, 定向1、看着异步电机等效电路，要明白在工频启动时，即转差率S=1时，它就是个功率因数为零的大电感；2、看着异步电机等效电路，要明白在同步运行时，即转差率S=0时，它就是个空载运行的变压器，定子电流为空载励磁电流；3、看着异步电机等效电路，要明白在额定运行时，即转差率S=Se时，它就是个负载运行的变压器，定子电流随着转子负载电流而变化；4、看着异步电机等效电路，要明白在额定运行时，即转差率S=Se时，它就是个负载运行的变压器，定子电流随着转子负载电流而变化，这时转子负载电流对应的负载就是一个纯电阻，功率因数为1；5、有了4这个纯电阻，矢量控制成为可能，转矩控制成为可能，没有这个纯电阻，那个矢量模型就失去应用的价值，它的矢量计算就永远没有结果！关于矢量控制，鄙人的通俗理解是：1. 先把电机想像成2块飞速旋转磁铁，定子磁铁和转子磁铁。进一步可以引申为定子磁场和转子磁场。2. 电机的电磁转矩与定子磁场强度、转子磁场强度、2块磁铁之间的夹角的正弦成正比。关于这一点不难理解，两块磁铁对齐的时候（0度，sin0=0;）,不存在电磁转矩；两块磁铁相差90度的时候（sin90=1;）,电磁转矩达到顶峰；3. 接下来控制的目标就是：1）稳定其中的一个旋转磁场的强度（恒定磁场）；2） 控制磁铁之间角度为90度（磁场定向FOC）；3） 控制另一个磁场（受控磁场）的强度以达到控制电磁转矩大小（力矩控制）。4. 关于坐标变换的物理意义（以同步电机为例）：1）在电机不失步的情况下，可以认为两个磁极之间相对静止，最多在夹角090度之间移动。2）既然交流电产生的是一个旋转磁场，那么自然可以把它想像成一个直流电产生的恒磁场，只不过这个恒磁场处于旋转当中。3）如果恒磁场对应的直流电流产生的磁场强度，与对应交流电产生的磁场强度相等，就可以认为两者等同。4）坐标变换基于以上认知，首先认为观察者站在恒定定磁场上并随之运转，观察被控磁场的直流电线圈电流及两个磁场之间的夹角。5）实际的坐标变化计算出的结果有两个，直轴电流Id和交轴电流Iq。通过Id和Iq可以算出两者的矢量和（总电流），及两个磁场之间的夹角。6）直轴电流Id是不出力的，交轴电流Iq是产生电磁转矩关键因素。5. 对于交流同步隐极电动机：1） 其转子磁场是恒定的。2） 转子的当前磁极位置用旋转编码器实时检测。3） 定子磁极（旋转磁场）的位置从A相轴线为起点，由变频器所发的正弦波来决定。4） 实际上先有定子磁场的旋转，然后才有转子磁场试图与之对齐而产生的跟随。5） 计算出转子磁场与A相轴线之间的偏差角度。6） 通过霍尔元件检测三相定子电流，以转子磁场与A相轴线之间的偏差角度作为算子（相当于观察者与转子磁场同步旋转），通过坐标变换分解出定子旋转磁场中与转子磁极对齐的分量（直轴电流Id）,产生转矩的分量（交轴电流Iq）。7） 定子电流所产生旋转磁场与观察者基本同步，最多在夹角090度之间移动。移动量是多少，会体现在直轴电流Id、交轴电流Iq的数值对比上。8） 驱动器通过前面的速度环的输出产生电流环的给定，通过第6）条引入电流环的反馈Iq，通过PI控制产生Iq输出。9） 设定Id=0。这一点不难理解，使两个磁极对齐的电流我们是不需要的。通过这一点，我们实现了磁场定向FOC（控制磁铁之间角度为90度）。10） 计算出了Iq, Id=0。引入偏差角度算子通过坐标反变换变换产生了三相电流的输出。11） 当Iq0, 定子旋转磁场对转子磁场的超前90度，电磁转矩依靠两个磁场之间异性相吸的原理来产生，这时候电磁转矩起到加速的作用。12） 当Iq0, 定子旋转磁场对转子磁场的仍然超前90度，但是定子磁场的N、S极调换了一下，电磁转矩依靠两个磁场之间同性相排斥的原理来产生，这时候电磁转矩起到减速制动的作用。13） 从本质上讲，我们是依靠控制定子旋转磁场对转子磁场的超前角度及该磁场的强度来实现矢量控制的。6. 对于交流感应电动机：1） 定子通入三相交流电，产生定子旋转磁场，旋转磁场以定子A相轴线为起点出发，并与定子电流相位对齐。2） 定子旋转磁场切割转子绕组，产生三相感应电势e=d/dt，为穿过转子绕组的磁链。e产生转子电流，然后产生另一个旋转磁场-转子旋转磁场。如果随空间（或时间）正弦变化，则e所产生的转子旋转磁场滞后穿越转子的旋转磁链90度。3） 转子旋转磁场的旋转速度叠加在旋转的转子上。事实上，这两个磁场之间的旋转是同步的。4） 与同步电机不同，感应电机的两个磁场之间不可能发生失步。因为转子速度一旦慢了，定子旋转磁场切割转子的速度就会加快，转子三相感应电势产生转子电流进而产生转子旋转磁场速度就必然加快。导致的结果仍然是两者同步。5） 感应电机的电磁转矩便由这两个磁场之间的试图对齐的力产生。6） 转子旋转磁场与转子电流对齐。7） 如果不考虑转子漏感的影响，转子为纯阻性负载，转子感应电势e与转子电流同相位。此时，这定子旋转磁场与转子旋转磁场之间的角度相差90度。8） 实际上，转子有漏感，且转差率越大，漏感越大，导致转子电流滞后转子电势一个角度，也就是说转子旋转磁场要比感应电势e滞后一个角度。9） 所以，受转子漏感的影响，我们无法保证定子旋转磁场和转子旋转磁场相差90度，它们之间相差的角度大于90度而小于180度。那么，我们就必须控制控制定子旋转磁场中与转子旋转磁场正交的部分，也就是穿过转子绕组的净磁链。10） 与同步电机的第1个区别在于，同步电机的转子磁场自然产生，因此定子上无需直轴电流来产生磁场（Id=0），只需控制交轴电流Iq。而感应电机的定子电流既需要直轴电流来产生定子旋转磁场，又需要交轴电流来产生转子旋转磁场。11） 与同步电机的第2个区别在于，感应电机矢量控制体现在保持定子磁场穿越转子绕组的部分强度恒定，控制转子电流自身产生的旋转磁场的大小。12） 转子起始磁极位置认为是0。在运转的过程中通过旋转编码器对其不断进行检测。为什么可以认为起始磁极位置=0，因为这一误差会随时间衰减到0。13） 定子磁极（定子旋转磁场）的位置从A相轴线为起点，由变频器所发的正弦波来决定。14） 计算出转子旋转磁极与A相轴线之间的偏差角度。15） 通过霍尔元件检测三相定子电流，以转子旋转磁场与A相轴线之间的偏差角度作为算子，通过坐标变换分解出其中产生与转子磁极对齐的分量（直轴电流Id）,产生转矩的分量（交轴电流Iq）。16） 保持Id为恒定值，即保证穿过转子绕组的净磁链恒定。17） 控制与Id相差90度的Iq大小，也就控制了转子旋转磁场的大小。 矢量控制的核心思想是在控制磁场的基础上再控制转矩，磁场定向是用定子电流矢量解耦的方式实现这个目的，近似得到一个线