矢量控制系统

1、摘要：交流电机欠量控制理论是德国学者K Hass和FBlaschke建立起来的,作为交流异步电机控制的一种方式，欠量控制技术已成为高性能变频调速 系统的首选方案。交流电机的欠量控制技术是基丁交流电机的动态模型，通过建立交流 电机的空间欠量图，采用磁场定向的方法将定子电流分解为与磁场方向一 致的励磁分量和与磁场方向正交的转矩分量，并分别对磁通和力矩进行控 制，而使异步电机可以像他励直流电机一样控制。随着计算机技术飞速发 展，功能强大的数字信号处理器（DSP）的广泛应用使得欠量控制逐渐走向 了实用化。本文先对欠量控制系统的原理进行简要说明，然后给出了一种欠量控制系统基丁 DSP芯片的实现方案，最后

2、例举了一些目前应用较广泛的 欠量型变频器。关键词：矢量控制， DSP,变频器。5目录1. 矢量控制31.1概述31.2基本原理51.3坐标变换62. 转差频率矢量控制73. 基于DSP芯片TMS320F2812的矢量控制系统 124. 西门子 MicroMaster440变频器13参考文献151.矢量控制1.1概述由于异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。 上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决 交流电机转矩控制问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机 定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩

3、电流进行 控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。 具体是将异步电动机的定子电流矢 量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流） 分别加以控制，并同时控制两分量问的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单的说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦, 有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。 矢量控制方式 乂有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传 感器的矢量控制方式等。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控 制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。矢量控制算法已被广泛地应 用在Siem

4、ens, ABB GE Fuji等国际化大公司变频器上。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配， 而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控 异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参 数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。鉴于电机参数有可能发生变 化，会影响变频器对电机的控制性能，目前新型矢量控制通用变频器中已经具备 异步电动机参数自动检测、自动辨识、 自适应功能，带有这种功能的通用变频器 在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识， 并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数， 从

5、而对普通的异步电动机进行有效 的矢量控制。以异步电动机的矢量控制为例：它首先通过电机的等效电路来得出一些磁链方程， 包括定子磁链，气隙磁链， 转子磁链，其中气息磁链是连接定子和转子的。 一般的感应电机转子电流不易测 量，所以通过气息来中转，把它变成定子电流。然后，有一些坐标变换，首先通过3/ 2变换，变成静止的d-q坐标，然后通过前面的磁链方程产生的单位矢量来得到旋转坐标下的类似于直流机的转矩 电流分量和磁场电流分量，这样就实现了解耦控制，加快了系统的响应速度。最后再经过2 /3变换，产生三相交流电去控制电机，这样就获得了良好的 性能。矢量控制（VQ方式：矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在

6、三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1和Ib1 , 再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1 （Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流）， 然后模仿直流电动机的控制方法， 求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反 变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机， 分 别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流 而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。综合以上：欠量控制无非就四个知识：等效电路、磁链方程、转

7、矩方程、坐 标变换（包括静止和旋转）。欠量控制方法的提出具有划时代的意义。 然而在实际应用中，由丁转子磁链 难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大， 且在等效直流电动机控制过 程中所用欠量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。1.2基本原理欠量控制系统的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的 直流电流，并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，以达到直流电机的 控制效果。所谓欠量控制，就是通过欠量变换和按转子磁链定向， 得到等效直流 电动机模型，在按转子磁链定向坐标系中，用直流电动机

8、的方法控制电磁转矩与 磁链，然后将转子磁链定向坐标系中的控制量经变换得到三相坐标系的对应量， 以实施控制。其中等效的直流电动机模型如图 1-1所示，在三相坐标系上的定子 交流电流iA，iB，ic，通过3/2变换可以等效成两相静止正交坐标系上的交流 岫和isp 再通过与转子磁链同步的旋转变换，可以等效成同步旋转正交坐标系上的直流电 流ism和ist。m绕组相当丁直流电动机的励磁绕组，ism相当丁励磁电流，t绕组相 当丁电枢绕组，ist相当丁与转矩成正比的电枢电流。 其中欠量控制系统原理结构 图如图1-2所示。3/2 变换旋转 变换 2s/2r耶电_-11Lm771 35等效宜流电动机模型图1-1

9、异步电动机矢量变换及等效直流电动机模型图1-2矢量控制系统原理结构图通过转子磁链定向，将定子电流分量分解为励磁分量ism和转矩分量ist ,转 子磁链中仅由定子电流分量ism产生，而电磁转矩Te正比与转子磁链和定子电流 转矩分量的乘积，实现了定子电流的两个分量的解耦。 简化后的等效直流调速系 统如图1-3所示。1耳件控 制器5巾<sm直动型 效也模 等流机1 -1st .6J111-3等效直流调速系统简化图1.3坐标变换三相-两相变换:由丁转子的旋转，定、转子绕组间的互感是定、转子相对位置的函数，使得 交流电机的数学模型为一组非线性的微分方程。 为了解除定、转子问这种非线性的耦合关系，需

10、要对其进行坐标变换，建立起参考系坐标内的异步电机的 数学模型。在三相静止绕组 A、B、C和两相静止绕组a、E之间的变换，或称三相静止坐标系和两相静止坐标系问的变换，简称3/2变换。图1-4中绘出了 A、B、C和a、E两个坐标系，为方便起见，取AA轴和a轴重合。各相磁动势为有效匝数与电流的乘积， 其空间欠量均位丁有关的坐标轴 上。由丁交流磁动势的大小随时间在变化，图中磁动势欠量的长度是随意的。图1-4三相、两相静止坐标系与磁通势空间矢量两相-两相旋转变换从两相静止坐标系«、P到两相旋转坐标系d、q的变换称做两相-两相 旋转变换，其中s表小静止，r表小旋转。把两个坐标系圆在一起，如下图所

11、小：sit_ _ CDimSinit sinimCOS图1-5两相静止和旋转坐标系与磁动势空间关系2.转差频率矢量控制转差频率控制控制思想就是从根本上改造交流电动机， 改变其产生转矩的规律，设法在普通的三相交流电动机上模拟直流电动机控制转矩的规律。异步电动机的基本方程式为:ilr =LrLm'lr(1)Lm .i 1tTr*r(2)16(3)1 TP .ilm =Lm(4)式中：i1r、i1m分别为转子电流的转矩分量和励磁分量；Lm、Lr分别为定、 转子电感；枣为转子总磁链；钏为转差角频率；L为转子时间常数；Te为电磁L1m为定子绕组漏感转矩；n p为异步电动机的磁极对数；P为微分算子

12、；任何电气传动控制系统均服从以下基本运动方程:J dTeTl=-(5)np dt式中Tl为负载转矩，J为电动机转子和系统的转动惯量。由式(5)可知，要提高系统的动态特性，主要是控制转速的变化率，dt显然，通过控制Te就能控制* ,因此调速的动态特性取决丁其对Te的控制能力 dt电动机稳态运行时，转差率s很小，因此钏也很小，转矩的近似表达式为:Te 陌 KmM(6)R2式中：Km为电动机的结构常数，中m为气隙磁通，R2为折算到定子边的转子电阻。只要能够保持m不变，异步电动机的转速就与s近似成正比，即控制s就能控制Te ,也就能控制一dt,与直流电动机通过控制电流即可控制转矩类似控制转差频率就代表

13、控制转矩，这就是转差频率控制的基本概念。把转矩特性（即机械特性）：Te=f（s）画在下图中:图2-1按恒m值控制的T；=f（6 ）特性可以看出：在®s较小的稳态运行段上，转矩Te基本上与60s成正比,当Te达到其最大值Temax时，切达到COsmax值。由相关公式可以得到:(7)RrLlr在转差频率控制系统中,Temax,“_ 2Kmm2Lir(8)只要给d限幅，使其限幅值为：sm <smax smi smaxRrLlr就可以基本保持Te与Pi (9)®s的正比关系，也就可以用转差频率控制来代表转矩控制。这是转差频率控制的基本规律之一。上述规律是在保持.、何定的前提下

14、才成立的，丁是问题乂转化为，如何能 保持中m包定？我们知道，按包Eg/饥 控制时可保持中m恒定。在等效电路中可得:Us =Is(Rs j，Lls) Eg =Is(Rsj，Lls)由此可见，要实现包 Eg/钥控制，须在U7饥=包值的基础上再提高电压 u以补偿定子电流压降。如果忽略电流相量相位变化的影响，不同定子电流时何Eg/斜控制所需的电压-频率特性Us = f (州，Is)如图2-2所示。图2-2不同定子电流时恒 Eg/饥控制所需的电压-频率特性上述关系表明，只要 U和01及Is的关系符合上图所示特性，就能保持 Eg/初包定，也就是保持中m何定。这是转差频率控制的基本规律之二 。总结起来，转差

15、频率控制的规律是：(1) 在 切s W切sm的范围内，转矩 Te基本上与COs成正比，条件是气隙磁 通不变。(2) 在不同的定子电流值时，按上图的函数关系Us = f (斜，Is)控制定 子电压和频率，就能保持气隙磁通中mlB定。交流异步电动机转差频率欠量控制系统的结构如图2-3所示。U. "b «c整流器圈itt横Wj也桩af I一电压 把匚.L spwmi 干海堂冬国匚屯性E逆变器图2-3交流异步电动机转差频率矢量控制系统的结构图 该系统的主要特点：(1) 主电路SPWM压型逆变器，开关器件采用IGBT,这是通用变频器常用 的方案;(2) 转速采用转差频率欠量控制，即

16、切；+缶=。；，在转速变换过程中，异步电动机的定子电流频率始终跟随转子的实际转速而同步升降，从而使转速调节吏加平滑。图中：与、(0分别为转子角频率给定和转子角频率负反馈；iim、ilt分别 为定子电流的转矩分量和励磁分量；B为转差角；缶s为转差角频率；® 1、十切分别为定子角频率和转子角频率正反馈；u1m、u1s分别为定子电压的转矩分量和励 磁分量。根据式(1) - (4)和图3-1可知，在保持磁通包定的条件下，电动机的 Te 由Ile计算，磁通也可以通过Ilm计算。转速可以通过PI调节器调节，输出lit 然后计算得到仍s,即：(7)i1t3.基于DSP芯片TMS320F2812的矢

17、量控制系统在本系统中，为减少强电系统引起的强磁和噪音对系统的影响，系统的硬件 功能划分为弱电和强电两部分。中间通过光电耦合及不同的接口单元对不同的控 制策略和功率容量进行了分划和组合。系统的硬件部分模块化。系统的强电主电路采用的是交-直交的电压型变频电路。系统主电路的工作 流程为：首先将从电玩引出的三相电流经过不可控整流电路整流得到直流电，然后经滤波电容组滤波，得到平滑的直流电。输入 IPM智能功率模块所组成的逆 变单元，得到系统所要求的输送给异步电机的三相交流电。开关电源光电隅含电路上位机DSP控制器d外设保护电PTMS320F2812图3-1系统原理总图弱电部分：以TMS320LF2812

18、DSP芯片为主体的核心控制电流，光电耦合隔 离电路，光电旋转编码器测速电路，滤波采样电路，外设、保护模块电路。系统还有开关电源电路等辅助电路,另外，键盘控制及上位机通信电路与上 述强电和弱电部分仪器构成异步电机欠量控制系统。如图3-1所示，本设计所采用的系统是一个有电压、电流和速度反馈环构成的闭环控制系统，DSP控制器将各个采样电路采样到的各项电压、电流数据进行A/D转换，并运用矢量控制算法等一系列操作，最终DSP产生的PWM信号送给光电耦合隔离驱动电路后，进而控制智能逆变电路的功率器件的断开与开通， 使整流得到的直流电转换为三相交流电源带动交流电机的运转。此外，开关电源电路负责对光电耦合隔离

19、模块、DSP芯片等低压电源的电力供应。DSP系统的 关断复位等操作由键盘部分负责。上位机和 DSP控制器的通讯使系统及时作出 规定动作。4.西门子MicroMaster440变频器MicroMaster440 （见图1）是西门子有限公司推出的可以广泛应用的多功能标 准变频器。它采用高性能的矢量控制技术，提供低速高转矩输出和良好的动态特 性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。创新的BiCo（内部功能 互联）功能有无可比拟的灵活性。MicroMaster 440变频器具有模块化设计，符合 欧盟（EU）低电压规范的要求，拥有欧洲的CE标记，并得到美国的UL,加拿大的 CU及澳大利业的C-

20、 T ick认证。MicroMaster 440变频器适合用于各种需要变速驱动的领域,其灵活性提供 了非常广阔的应用范围。也就是说，要求变频器具有较常规应用更高的功能和动 态响应特性。它特别适用于起重机系统、大型集装箱仓库系统，以及食品和饮料加工工业、纺织工业。此变频器具有以用户需求定向的性能和易于使用的特性。 由于其电源侧允许使用的供电电压范围大，使该变频器可以被应用到世界各地。主要特性：调试简单；(2) 模块化结构，因此组态的灵活性很大；(3) 6个可编程带电位隔离的数字量输入； 两个可标定的模拟量输入(0- 10 V, 020mA) 也可以被用作第7个/第8个 数字量输入；2个可编程的模

21、拟量输出(0 20mA );3 个可编程的继电器输出(DC 30 V /5A,电阻性负载；AC 250 V /2 A, 电感性负载)；(7)当使用高调制脉冲频率时电动机运行的噪声很小，调制脉冲频率可以分级 调整(随着脉冲频率的增高必要时应降低额定值运行)；控制功能：(1)线性U /f控制，平方U /f控制，可编程多点设定U/f控制，磁通电流控制 免测速欠量控制，闭环欠量控制，闭环转矩控制，节能控制模式；(2) 标准参数结构，标准调试软件；(3) 数字量输入6个,模拟量输入2个,模拟量输出2个,继电器输出3个; 独立I/O端子板，方便维护； 采用B iCo技术，实现I/O端口的自由连接；内置PID控制器，参数自整定； 集成RS-485®讯接口，可选PROFIBUS- DP /DeviceN et通讯模块；(8)