第7讲 异步电动机的矢量控制系统

1、17-1 7-1 概述概述7-2 7-2 矢量控制基本思想矢量控制基本思想7-3 7-3 异步电动机矢量控制的实现异步电动机矢量控制的实现7-4 7-4 矢量控制的研究方向矢量控制的研究方向第第7 7讲：异步电机的矢量控制系统讲：异步电机的矢量控制系统（参考书：电力牵引交流传动及其控制系统（参考书：电力牵引交流传动及其控制系统 第第7 7章）章）27-1 7-1 概述概述矢量控制概念的提出矢量控制概念的提出基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一基于稳态数学模型的异步电机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但是无法用于轧钢机、数控定范围内实现平滑调速，但是无法用于轧钢机、数控机床、

2、机器人等需要高动态性能的调速系统或伺服系机床、机器人等需要高动态性能的调速系统或伺服系统。统。19691969年，德国年，德国DarmstadtDarmstadt技术大学的技术大学的K.HasseK.Hasse博士在他博士在他的博士论文中提出了矢量控制的基本思想。的博士论文中提出了矢量控制的基本思想。19711971年，德国西门子公司的年，德国西门子公司的F.BlaschkeF.Blaschke将其形成系统将其形成系统理论，并称为磁场定向控制（理论，并称为磁场定向控制（FOCFOC），也有人称之为矢），也有人称之为矢量控制（量控制（VCVC）。）。3矢量控制理论：把交流电动机模拟成磁链和转矩可

3、以独立矢量控制理论：把交流电动机模拟成磁链和转矩可以独立控制的直流电动机进行控制，从而得到类似直流电动机的优控制的直流电动机进行控制，从而得到类似直流电动机的优良的动态调速性能。良的动态调速性能。n把磁链矢量的方向作为坐标轴的基准方向；把磁链矢量的方向作为坐标轴的基准方向；n采用矢量变换的方法实现交流电动机的转矩和磁链控制采用矢量变换的方法实现交流电动机的转矩和磁链控制的完全解耦。的完全解耦。 4矢量控制技术已走向实用化，并逐步取代传统的双闭环直矢量控制技术已走向实用化，并逐步取代传统的双闭环直流调速系统。成功地应用于轧机主传动、电力机车牵引系统、流调速系统。成功地应用于轧机主传动、电力机车牵

4、引系统、数控机床和电动汽车中。数控机床和电动汽车中。 n大功率轧钢机主传动要求有很快的动态响应和相当高大功率轧钢机主传动要求有很快的动态响应和相当高的过载能力，由于直流电动机的换向器和电刷在大功的过载能力，由于直流电动机的换向器和电刷在大功率方面问题较多，维护工作量大，现在逐步被交流异率方面问题较多，维护工作量大，现在逐步被交流异步电动机或同步电动机变频调速代替。步电动机或同步电动机变频调速代替。5现代控制理论在交流调速系统中的应用促进了矢量控制的现代控制理论在交流调速系统中的应用促进了矢量控制的发展。发展。n对速度信号观测的研究，促进了无速度传感器矢量控制对速度信号观测的研究，促进了无速度传

5、感器矢量控制的发展；的发展；n电机参数在线辨识也是矢量控制的一个研究热点。电机参数在线辨识也是矢量控制的一个研究热点。6一、直流电动机电磁转矩产生的原理一、直流电动机电磁转矩产生的原理 直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组电流直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组电流I Ia a与气隙磁链与气隙磁链f f相互作用产生相互作用产生的。由于直流电机在结构上就保证了的。由于直流电机在结构上就保证了电枢电枢电流电流矢量垂直于气隙磁链矢量垂直于气隙磁链矢量矢量，因此直流电机的电磁转矩为，因此直流电机的电磁转矩为：7-2 7-2 异步电动机矢量控制的基本思想异步电动机矢量控制的基本思想aIfII Ia a是控制电机

6、转矩的分量，是控制电机转矩的分量，I If f是控制是控制电机磁场的分量，这两者是解耦的。电机磁场的分量，这两者是解耦的。如果如果I If f恒定，只要调节恒定，只要调节I Ia a就可控制转就可控制转矩。矩。 ) 17(IIICTafaMe7二、交流异步电动机电磁转矩产生的原理二、交流异步电动机电磁转矩产生的原理 异步电动机的电磁转矩是由气隙旋转磁场异步电动机的电磁转矩是由气隙旋转磁场m m与转子电流与转子电流I Ir r相互作用产生的。而相互作用产生的。而m m又是定子电流又是定子电流I Is s与转子电流与转子电流I Ir r共同共同产生的。产生的。)27(cosICTrrmMe 磁场和

7、转矩是相互耦合的，采用标量控制时，这两者无法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，场定向控制，Field-Oriented ControlField-Oriented Control）就是要解决这一问）就是要解决这一问题。题。 8三、异步电动机的矢量图三、异步电动机的矢量图气隙感应电势气隙感应电势E Eg g滞后气隙磁链滞后气隙磁链m m 9090 ；转子电流转子电流I Ir r滞后滞后E Eg g一个一个r r角度；角度；转子感应电势转子感应电势E Er r与与I

8、Ir r同相；同相；转子磁链转子磁链r r超前超前E Er r9090；激磁电流激磁电流I Im m与与m m同相；同相；空载电流空载电流I I0 0= =激磁分量激磁分量I Im m+ +铁损铁损（磁滞和涡流损耗）分量（磁滞和涡流损耗）分量I Ic c；定子电流定子电流I Is s=-I=-Ir r+I+I0 0；定子电压定子电压 U Us s=-E=-Es s+R+Rs s* *I Is s+j+js sL Llsls* *I Is sE Eg gE Er rI Ir rI Is sI I0 0-I-Ir r-E-Eg gU Us sm mr rFeFeI Im mI Ic cr rs s

9、9)37(ICTcosrTerrmr电磁转矩：转子磁链： 如果异步电机如果异步电机按转子磁场定向按转子磁场定向，即将，即将MTMT同步旋转坐标系同步旋转坐标系中的中的M M轴定在转子磁链轴定在转子磁链r r方向，则定子电流方向，则定子电流i is s可以沿可以沿M M轴和轴和T T轴分解为励磁电流轴分解为励磁电流i iM M和转矩电流和转矩电流i iT T，i iM M产生转子磁链，产生转子磁链，i iT T产产生电磁转矩。生电磁转矩。10四、矢量控制的基本思想四、矢量控制的基本思想 矢量控制的基本思想矢量控制的基本思想是把异步电动机的转矩控制模拟是把异步电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩

10、控制成直流电动机的转矩控制，即在，即在MTMT同步坐标系中将异步电同步坐标系中将异步电机机按转子磁场定向按转子磁场定向，实现励磁电流，实现励磁电流i iM M和转矩电流和转矩电流i iT T的独立控的独立控制，使非线性耦合解耦。制，使非线性耦合解耦。117-3 异步电动机矢量控制的实现异步电动机矢量控制的实现 根据矢量控制的基本概念，其控制系统的数学模型的建立根据矢量控制的基本概念，其控制系统的数学模型的建立需遵循在同步旋转坐标系上按转子磁场方向定向的思路。同需遵循在同步旋转坐标系上按转子磁场方向定向的思路。同步旋转坐标系使矢量控制变为标量控制；转子磁场方向定向步旋转坐标系使矢量控制变为标量控

11、制；转子磁场方向定向使系统非线性解耦，改善系统的动态性能。使系统非线性解耦，改善系统的动态性能。MTMT坐标系：坐标系：规定规定d d轴沿转子磁链轴沿转子磁链r r方向，并称之为方向，并称之为M (Magnetization)M (Magnetization)轴，轴，q q轴则逆时针转轴则逆时针转9090 ，即垂直于转子磁链，即垂直于转子磁链r r，称之为，称之为T T (Torque)(Torque)轴。这样的两相同步旋转坐标系就规定为轴。这样的两相同步旋转坐标系就规定为MTMT坐标系，坐标系，或称按转子磁场定向或称按转子磁场定向(Field Orientation)(Field Orien

12、tation)的坐标系。的坐标系。12一、矢量控制的基本方程一、矢量控制的基本方程1 1、MTMT坐标系的电压方程坐标系的电压方程)57(00rTrMsTsMrrrslmmslrslrrmslmmmsssssmsmsssssTsMiiiipLRLpLLLpLRLpLpLLpLRLLpLLpLRuu式中：式中：u usMsM、u usTsT定子定子M M轴和轴和T T轴的电压；轴的电压； i isMsM、i isTsT定子定子M M轴和轴和T T轴的电流；轴的电流； i irMrM、i irTrT转子转子M M轴和轴和T T轴的电流。轴的电流。考虑转子封闭情况，即：考虑转子封闭情况，即：u ur

13、MrM=u=urTrT=0=0。132 2、满足磁场定向的基本方程、满足磁场定向的基本方程)67(0sTmrTrrTsMmrMrrrMiLiLiLiL14式（式（7-67-6）代入式（）代入式（7-57-5）得磁场定向的电压基本方程：）得磁场定向的电压基本方程：)77(00000rTrMsTsMrrslmslrrmmmsssssmsmsssssTsMiiiiRLLpLRpLpLLpLRLLpLLpLRuu由式（由式（7-77-7）中的第）中的第3 3行得：行得：)97()(0rrrMrrMrrMrMrrMrsMmrMrRpipiRpiRiLiLpiR得：15由式（由式（7-77-7）中的第）中

14、的第4 4行得：行得：)117()(0rrslrTrTrrslrTrrMrsMmslRiiRiRiLiL得：16式（式（7-97-9）和式（）和式（7-117-11）代入式（）代入式（7-67-6）得：）得：rrrrmrslsTrmrsMRLTLTiLpTi式中：转子时间常数)137()127(117电流、磁链分析电流、磁链分析结论结论：转子磁链转子磁链r r仅由定子电流的仅由定子电流的i isMsM分量决定，与定子分量决定，与定子电流的电流的i isTsT分量无关。分量无关。因此因此i isMsM被称为被称为定子电流的励磁分量。定子电流的励磁分量。)127(1rmrsMLpTi结论结论：r

15、r与与i isMsM之间的传递函数是一节惯性环节，其涵义之间的传递函数是一节惯性环节，其涵义是：是：当励磁电流当励磁电流i isMsM突变时，突变时，r r的变化存在延时，的变化存在延时，并按转子并按转子时间常数时间常数T Tr r的指数规律变化。的指数规律变化。这和直流电机励磁绕组的惯这和直流电机励磁绕组的惯性作用是一致的。性作用是一致的。18结论结论：当定子励磁电流：当定子励磁电流i isMsM突变而引起突变而引起转子磁链转子磁链r r变化时，变化时，立刻就会在转子中感生转子电流励磁分量立刻就会在转子中感生转子电流励磁分量i irMrM，阻止阻止r r的变的变化，使化，使r r只能按只能按

16、转子时间常数转子时间常数Tr的指数规律变化。的指数规律变化。当当r达达到稳态时，到稳态时，irM=0，即，即r的稳态值由的稳态值由isM唯一决定。唯一决定。)97( rrrMRpi19结论结论：i isTsT突然变化时，突然变化时，i irTrT立即跟随变化，立即跟随变化，不存在滞后不存在滞后。这是因为按转子磁场定向后这是因为按转子磁场定向后T T轴上不存在转子磁链的缘故。轴上不存在转子磁链的缘故。sTrmrTrmrslsTrrslrTiLLiLTiRi)137()117( 总之，由于总之，由于MTMT坐标按转子磁场定向，在定子电流的两个坐标按转子磁场定向，在定子电流的两个分量之间实现了解耦，

17、分量之间实现了解耦，i isMsM唯一决定磁链唯一决定磁链r r，i isTsT则只影响转则只影响转矩，它们分别对应直流电机中的励磁电流和电枢电流。矩，它们分别对应直流电机中的励磁电流和电枢电流。203 3、电磁转矩方程、电磁转矩方程)167()(0)157(,0()147()(sTsMmrmperMrrsTrmperTrTsMrMsTmpeiiLLLnTiiLLnTiiiiLnT，稳态情况下，在）在满足磁场定向条件下21)167()(0)157(,0()147()(sTsMmrmperMrsTrmperTrTsMrMsTmpeiiLLLnTiiLLnTiiiiLnT，则在稳态情况下，则）在满

18、足磁场定向条件下！注意：！注意：式（式（7-147-14）是在任意选取的）是在任意选取的MTMT坐标系下的坐标系下的T Te e表达式，表达式，动态、稳态都适用；动态、稳态都适用；式（式（7-157-15）是在已沿转子定向的特定）是在已沿转子定向的特定MTMT坐标系下的坐标系下的T Te e表达式，表达式，动态、稳态都适用；动态、稳态都适用；式（式（7-167-16）是在已沿转子定向的特定）是在已沿转子定向的特定MTMT坐标系下坐标系下且转子磁且转子磁场恒定场恒定的的T Te e表达式，只适用于稳态。表达式，只适用于稳态。22电磁转矩分析电磁转矩分析)157(,0(rsTrmperTiLLnT

19、）在满足磁场定向条件下结论结论：在磁场定向情况下电动机的转矩在磁场定向情况下电动机的转矩T Te e只与转子磁链只与转子磁链r r及定子电流分量及定子电流分量i isTsT有关。有关。因此因此i isTsT被称为被称为定子电流的转矩分量。定子电流的转矩分量。23结论结论： 若控制若控制i isMsM使磁链使磁链r r保持恒定保持恒定, ,则通过控制则通过控制i isTsT就可以控制就可以控制瞬时转矩，获得如同直流电动机那样的控制特性。瞬时转矩，获得如同直流电动机那样的控制特性。)167()(, 0)127(1sTsMmrmperMrrmrsMiiLLLnTiLpTi稳态情况下，在24)197(

20、1)187()1(17-7(sMsTrslsTsMrrsTrrmsliiTiiTpTiTL在稳态情况下，）转差频率：结论结论：若转子电阻和磁场不变，转差频率与定子电流的若转子电阻和磁场不变，转差频率与定子电流的转矩分量转矩分量i isTsT成正比。成正比。由式由式(7-12)(7-12)和式和式(7-13)(7-13)得转差频率与电流的协调关系：得转差频率与电流的协调关系：4 4、转差频率控制方程、转差频率控制方程255 5、按转子磁场定向时，转子、按转子磁场定向时，转子磁链和电流的动态关系磁链和电流的动态关系)227()217(arctan)207(22dtMTiiiiisssMsTsTsM

21、s轴系的旋转角轴系对矢量控制的负载角：)127(1rmrrmsMpLTLi)137( rmrslsTLTi26小结：矢量控制基本方程小结：矢量控制基本方程)17-7(sTrrmsliTL)157( rsTrmpeiLLnT)127(1:1rmrsMsMrmrLpTiipTL或27二、矢量控制方法二、矢量控制方法 既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机，那么，模仿直流电动机的控制方法，给出么，模仿直流电动机的控制方法，给出直流电动机的直流电动机的控制量，控制量，再经过相应的反变换就能控制异步电动机。再经过相应的反变换就能控制异步电动机。

22、由于坐标变换的依据是电流的空间矢量，所以这样的通过由于坐标变换的依据是电流的空间矢量，所以这样的通过坐标变换实现的控制系统就叫做坐标变换实现的控制系统就叫做矢量变换控制系统矢量变换控制系统(Trans-(Trans-vector Control System)vector Control System)或或矢量控制系统矢量控制系统(Vector Control (Vector Control System)System)，VCVC系统系统 。28矢量控制原理矢量控制原理：电流指令：电流指令i isMsM* *和和i isTsT* *经过经过M-TM-T坐标系坐标系、坐标系和坐标系和、坐标系坐标

23、系三相静止坐标系的变换三相静止坐标系的变换( (反旋转反旋转变换变换VRVR-1-1和和2/32/3变换变换) )，变为三相电流指令，变为三相电流指令i ia a* *、i ib b* *、i ic c* *，输入，输入到三相变频器；变频器输出与到三相变频器；变频器输出与i ia a* *、i ib b* *、i ic c* *一样的实际电流一样的实际电流i ia a、i ib b、i ic c；（；（i ia a、i ib b、i ic c通过通过3/23/2变换转换为变换转换为i iss、i iss，之，之后借助于单位矢量后借助于单位矢量coscos和和sinsin转换到同步旋转坐标系中，

24、转换到同步旋转坐标系中，得到的得到的i isMsM、i isTsT施加到施加到M-TM-T坐标系下的电机模型上）。控制电坐标系下的电机模型上）。控制电流指令流指令i i* *sMsM和和i i* *sTsT就可以控制电机的磁场和转矩。就可以控制电机的磁场和转矩。i*sMTMTM a-b-ccossin电流控制电流控制型变频器型变频器电机电机MTMT轴轴模型模型控控 制制变频器变频器电电 机机i*sTi*si*si*ai*bi*ciaibicisisisMisTcossin a-b-c 29注意：注意：如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为控制器中反如果忽略变频器可能产生的滞后，并认为控制器中反旋

25、转变换器与电机内部的旋转变换环节相抵消，旋转变换器与电机内部的旋转变换环节相抵消，2/32/3变换器变换器与电机内部的与电机内部的3/23/2变换环节相抵消，则虚框内的部分可以删变换环节相抵消，则虚框内的部分可以删去，剩下的就是直流调速系统。去，剩下的就是直流调速系统。i*sMTMTM a-b-ccossin电流控制电流控制型变频器型变频器电机电机MTMT轴轴模型模型控控 制制变频器变频器电电 机机i*sTi*si*si*ai*bi*ciaibicisisisMisTcossin a-b-c 30该控制器需要两个反变换，以便控该控制器需要两个反变换，以便控制电流制电流i i* *sMsM和和i

26、 i* *sTsT分别与电机电流分别与电机电流i isMsM、i isTsT相一致。相一致。转子磁场定向是由坐标变换所用单转子磁场定向是由坐标变换所用单位矢量位矢量coscos和和sinsin来保证的，来保证的，正正确的单位矢量确的单位矢量coscos和和sinsin是保证是保证矢量控制原理实现的关键。矢量控制原理实现的关键。 i*sMTMTM a-b-ccossin电流控制电流控制型变频器型变频器电机电机MTMT轴轴模型模型控控 制制变频器变频器电电 机机i*sTi*si*si*ai*bi*ciaibicisisisMisTcossin a-b-c 31根据单位矢量获取方法的不同，矢量控制方

27、法可分为两种：根据单位矢量获取方法的不同，矢量控制方法可分为两种：直接矢量控制直接矢量控制( (由由BlaschkeBlaschke发明发明) )间接矢量控制间接矢量控制( (由由HasseHasse发明发明) ) 。 当矢量控制所用单位矢量和磁链是直接检测到的或由检当矢量控制所用单位矢量和磁链是直接检测到的或由检测到的电机的端子量及转速计算得到时，被称为测到的电机的端子量及转速计算得到时，被称为直接矢量直接矢量控制控制，也可称为，也可称为磁通反馈矢量控制磁通反馈矢量控制（Feedback Vector Feedback Vector ControlControl）。）。 当矢量控制所用单位矢

28、量和磁链是当矢量控制所用单位矢量和磁链是从从电流指令值电流指令值和转速和转速计算计算得到时，被称为得到时，被称为间接矢量控制间接矢量控制，也可称为，也可称为磁通前馈矢磁通前馈矢量控制量控制（Feed-forward Vector ControlFeed-forward Vector Control）。又称为）。又称为转差频转差频率矢量控制率矢量控制。 32（一）直接或反馈矢量控制（一）直接或反馈矢量控制 PWM PWM电压型逆变器传动系统的直接矢量控制框图如图电压型逆变器传动系统的直接矢量控制框图如图所示，它所示，它对转速和转子磁链分别进行闭环控制对转速和转子磁链分别进行闭环控制。1 1、直接

29、矢量控制框图、直接矢量控制框图直接矢量控制的框图直接矢量控制的框图Y Y* *r+ TMcba cossin电流控制型电流控制型PWMPWM变频器变频器电压模型电压模型磁链观测器磁链观测器磁链磁链调节器调节器速度速度调节器调节器_UdIMuabi *sMi *sTi *si *si *ai *bi *c* *rrY YrubcucaiaibrY Yr33rmrslsTLTi控制原理说明：控制原理说明：磁链给定信号由函数发生程序获得，磁链调节器实现磁链的精确控制。磁链给定信号由函数发生程序获得，磁链调节器实现磁链的精确控制。转矩电流分量转矩电流分量i i* *sTsT由带双极性限幅器的转速调节器

30、产生，实现了电磁转矩由带双极性限幅器的转速调节器产生，实现了电磁转矩的闭环控制。当磁链恒定时，正比于的闭环控制。当磁链恒定时，正比于i isTsT的转矩可以是双极性的。的转矩可以是双极性的。借助于单位矢量借助于单位矢量(cos(cos和和sinsin) )，i i* *sMsM和和i i* *sTsT被变换到静止坐标系中。静被变换到静止坐标系中。静止坐标系上的信号然后被变换为逆变器的相电流指令值。止坐标系上的信号然后被变换为逆变器的相电流指令值。rmrsMLpTi1直接矢量控制的框图直接矢量控制的框图Y Y* *r+ TMcba cossin电流控制型电流控制型PWMPWM变频器变频器电压模型

31、电压模型磁链观测器磁链观测器磁链磁链调节器调节器速度速度调节器调节器_UdIMuabi *sMi *sTi *si *si *ai *bi *c* *rrY YrubcucaiaibrY Yr342、单位矢量计算、单位矢量计算MrrIsrisr st sTisisTisMrrrrrrrrsincos)367(22 M-T M-T坐标系相对于静止坐标系以同步转速坐标系相对于静止坐标系以同步转速s s旋转，在任何旋转，在任何时刻时刻M M轴相对于轴相对于轴的角度位置为轴的角度位置为=s st t。由该图得单位矢。由该图得单位矢量量coscos和和sinsin： 注：注：因单位矢量是由反馈磁链矢量导

32、出的，故称这种矢量因单位矢量是由反馈磁链矢量导出的，故称这种矢量控制为控制为“反馈矢量控制反馈矢量控制”。 35要得到转子磁链和单位矢量首先应该获得要得到转子磁链和单位矢量首先应该获得、轴磁链。轴磁链。 3 3、磁链矢量的估计、磁链矢量的估计 转子磁链是电动机内部的物理量，直接测量难以实现。在转子磁链是电动机内部的物理量，直接测量难以实现。在实际应用中多采用间接观测的方法获得。实际应用中多采用间接观测的方法获得。36（1 1）电压模型磁链观测器）电压模型磁链观测器 电压模型磁链观测器电压模型磁链观测器利用检测到的利用检测到的电机端电压电机端电压和和电电流流来计算转子磁链和单位矢量。来计算转子磁

33、链和单位矢量。 根据根据3/23/2坐标变换，得：坐标变换，得： BABABCBsABABACBAsiiiiiiiiiiiiiiiii221)(232332)(233223)(21232)22(32 在电压方程中，感应电动势等于磁链的变化率，因此取电在电压方程中，感应电动势等于磁链的变化率，因此取电动势的积分就可以得到磁链，这样的模型叫做电压模型。动势的积分就可以得到磁链，这样的模型叫做电压模型。 37同理可得定子电压：同理可得定子电压： BCCBsCAABCBAsuiuuuuuuuu21)(2332)(61)22(3238Rsus is +- s Rsus is +- s 定子磁链：定子磁链

34、：22)()(sssssssssssdtiRudtiRu39气隙磁链：气隙磁链：转子磁链：转子磁链：slssrsmmslssrsmmslssrsmmiLiiLiLiiLiLiiL)()()327()()357()347()337(slrmmrrslrmmrrslrmmrriLLLiLLLiLLL40图图7-7 7-7 电压模型磁链观测器框图电压模型磁链观测器框图+_+_rY1+_mrLL+_mrLL+_+_rY1R Rs sL Llslsis Y Yscosus isusL LlrlrY YmY YsY YmR Rs sL LlslsL LlrlrY YrY YrsinY Yr22rr41电压

35、模型磁链观测器的特点：电压模型磁链观测器的特点： 优点：不需要转速信号，算法与转子电阻优点：不需要转速信号，算法与转子电阻R Rr r无关，只与定无关，只与定子电阻子电阻R Rs s有关，而有关，而R Rs s容易测得。受电动机参数变化的影响较小，容易测得。受电动机参数变化的影响较小，且算法简单，便于应用。且算法简单，便于应用。 缺点：在低速时，模型不够准确。缺点：在低速时，模型不够准确。 其原因是：其原因是：低频时电压采样信号很小，积分精度难以保低频时电压采样信号很小，积分精度难以保证；证；低频时电阻低频时电阻R Rs s、电感、电感L Llsls、L Llrlr和和L Lm m等参数的变化

36、对计算等参数的变化对计算精度的影响相对较大，尤其以精度的影响相对较大，尤其以R Rs s的影响最为显著。的影响最为显著。22)()(sssssssssssdtiRudtiRu注：注：在高速时，这些参数变化的在高速时，这些参数变化的影响则可以忽略。影响则可以忽略。 42（2 2）电流模型磁链观测器）电流模型磁链观测器 电流模型磁链观测器电流模型磁链观测器利用检测到的利用检测到的电机电流电机电流和和转速转速来计算转子磁链和单位矢量。来计算转子磁链和单位矢量。)507(11rrrrsrmrrrrrsrmrTiTLpTiTLp 根据磁链与电流关系的磁链方程来计算转子磁链，所得根据磁链与电流关系的磁链方

37、程来计算转子磁链，所得到的模型叫做电流模型。到的模型叫做电流模型。43图图7-9 7-9 电流模型磁链观测器框图电流模型磁链观测器框图 Cos Sin Y Yr+_+_+rmTLrY1rmTLrY1rT1rT1 r22rrY YrY Yris ispY YrpY Yr44 电流模型磁链观测器的特点电流模型磁链观测器的特点 优点：不论转速高低都能适用。优点：不论转速高低都能适用。 缺点：观测精度受缺点：观测精度受R Rr r、L Lm m等参数变化的影响较大，其中受等参数变化的影响较大，其中受转子电阻转子电阻R Rr r的影响最大。因温度和集肤效应的影响，的影响最大。因温度和集肤效应的影响，R

38、Rr r的变的变化甚至会超过化甚至会超过5050，并且该参数的补偿也非常困难。因此该，并且该参数的补偿也非常困难。因此该观测方法观测方法常需进行实时辨识才能保证磁链观测精度。常需进行实时辨识才能保证磁链观测精度。45 由于高速时电压模型磁链观测器效果较好，而电流模型由于高速时电压模型磁链观测器效果较好，而电流模型磁链观测器可在任何速度范围内使用，但受转子电阻影响较磁链观测器可在任何速度范围内使用，但受转子电阻影响较大，因此可以将电压和电流模型结合起来使用，即在大，因此可以将电压和电流模型结合起来使用，即在高速时高速时采用电压模型磁链观测器，低速时采用电压模型磁链观测器，低速时(例如例如n15%

39、nN)采用电流采用电流模型磁链观测器模型磁链观测器。（3 3）组合模型磁链观测器）组合模型磁链观测器46 在磁链闭环的直接矢量控制系统中，转子磁链反馈信号是由在磁链闭环的直接矢量控制系统中，转子磁链反馈信号是由磁链模型获得的，受电机参数磁链模型获得的，受电机参数T Tr r和和L Lm m变化的影响，造成控制的变化的影响，造成控制的不准确性。既然这样不准确性。既然这样, , 与其采用磁链闭环控制而反馈不准与其采用磁链闭环控制而反馈不准, , 不不如采用磁链开环控制如采用磁链开环控制, , 系统反而会简单一些。系统反而会简单一些。 除了单位矢量是以前馈的方式产生外，间接矢量控制和直接除了单位矢量

40、是以前馈的方式产生外，间接矢量控制和直接矢量控制本质上是相同的。间接矢量控制在工业上用得比较多。矢量控制本质上是相同的。间接矢量控制在工业上用得比较多。（二）间接或前馈矢量控制（二）间接或前馈矢量控制( (又称为转差频率矢量控制又称为转差频率矢量控制) )47当当i isMsM* *为恒值时为恒值时 间接矢量控制是间接矢量控制是从从电流指令值电流指令值和和转速转速来计算来计算单位矢量和磁单位矢量和磁链。链。 )537(1)527()1 (*sMrmrrrsMsTslipTLTpTiirsMsTslTii1*48)557()()547(*dtdtrslsrsls定子频率指令：49根据指令电流根据

41、指令电流i i* *sMsM、i*sT求转子磁链及相角的结构电路：求转子磁链及相角的结构电路： 定向精度同样受定向精度同样受T Tr r、L Lm m等参数变化的影响，其中受转子电阻等参数变化的影响，其中受转子电阻R Rr r的影响最大。的影响最大。50间接矢量控制间接矢量控制( (转差频率矢量控制转差频率矢量控制) )系统系统51为简单起见，以开环方式维持磁链为常值。为简单起见，以开环方式维持磁链为常值。 给定转子磁链给定转子磁链*r，根据下式得到产生期望的转子磁链，根据下式得到产生期望的转子磁链*r所需要的励磁电流所需要的励磁电流i*ds(i*sM)。框图说明：框图说明：mrsMLirmr

42、sMLpTi152 速度控制环产生定子电流的转矩分量速度控制环产生定子电流的转矩分量i*ds(i*sT)。rmrslsTLTi 转差频率转差频率* *slsl由电流由电流i*qs(i*sT)产生。产生。)177( sTRrrmsliLRL53 转差频率转差频率* *slsl与与r r相加得同步频率信号相加得同步频率信号e e(s s) )。对。对e e积分并查表得单位矢量信号积分并查表得单位矢量信号coscose e和和sinsine e (cos (cos和和sinsin) )。54转差频率矢量控制系统的特点转差频率矢量控制系统的特点磁场定向由给定信号确定并靠矢量控制方程保证，省去磁场定向由

43、给定信号确定并靠矢量控制方程保证，省去了转子磁链观测器，系统结构简单；了转子磁链观测器，系统结构简单；运行中转子参数的变化及磁路饱和等因素影响会造成实运行中转子参数的变化及磁路饱和等因素影响会造成实际定向轴偏离设定的目标定向轴，影响解耦效果和控制际定向轴偏离设定的目标定向轴，影响解耦效果和控制性能。性能。55 无论是直接矢量控制还是间接矢量控制都具有动态性能好、无论是直接矢量控制还是间接矢量控制都具有动态性能好、调速范围宽的优点，采用光电码盘转速传感器时，一般可以调速范围宽的优点，采用光电码盘转速传感器时，一般可以达到调速范围达到调速范围D=100D=100，当系统和传感器精度高时，甚至可达，

44、当系统和传感器精度高时，甚至可达D=1000D=1000。 动态性能受电动机参数变化的影响是矢量控制的主要不足动态性能受电动机参数变化的影响是矢量控制的主要不足之处。之处。56 将将i isMsM定向到转子磁链定向到转子磁链r r、气隙磁链、气隙磁链m m或定子磁链或定子磁链s s上都上都可以实现矢量控制。转子磁链定向可以得到自然解耦控制，可以实现矢量控制。转子磁链定向可以得到自然解耦控制，而气隙磁链或定子磁链定向会产生耦合效应，该耦合效应必而气隙磁链或定子磁链定向会产生耦合效应，该耦合效应必须通过解耦的补偿电流实施补偿。须通过解耦的补偿电流实施补偿。（三）其它磁场定向控制方式（三）其它磁场定

45、向控制方式57气隙磁场定向矢量控制系统的特点气隙磁场定向矢量控制系统的特点气隙磁通易于直接测量，同时电机磁通的饱和程度与气气隙磁通易于直接测量，同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适于处理饱隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适于处理饱和效应；和效应；与转子磁场相同，维持气隙磁通恒定时，电磁转矩与与转子磁场相同，维持气隙磁通恒定时，电磁转矩与q q轴电流成正比；轴电流成正比；磁通关系和滑差关系中存在耦合，与解耦的转子磁通控磁通关系和滑差关系中存在耦合，与解耦的转子磁通控制结构相比，耦合使基于气隙磁通控制的转矩和磁通控制结构相比，耦合使基于气隙磁通控制的转矩和磁通控

46、制结构图更复杂。制结构图更复杂。58定子磁场定向矢量控制系统的特点定子磁场定向矢量控制系统的特点在磁通闭环控制系统中，定子磁通定向在一般的调速范在磁通闭环控制系统中，定子磁通定向在一般的调速范围内可利用定子方程做磁通观测器，非常易于实现，且围内可利用定子方程做磁通观测器，非常易于实现，且不包括对温度变化非常敏感的转子参数；不包括对温度变化非常敏感的转子参数；低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电势测量误差较大，导致定子磁通观测不准；电势测量误差较大，导致定子磁通观测不准；与气隙磁场定向一样，磁通关系和滑差关系中存在耦合，与气隙磁场定向

47、一样，磁通关系和滑差关系中存在耦合，耦合使转矩和磁通控制结构较复杂。耦合使转矩和磁通控制结构较复杂。597-4 7-4 矢量控制的研究方向矢量控制的研究方向研究方向研究方向11无速度传感器的矢量控制无速度传感器的矢量控制 研究背景：研究背景： 凡是高性能的交流调速系统，无论是矢量控制系统，还凡是高性能的交流调速系统，无论是矢量控制系统，还是直接转矩控制系统或其他系统，都需要转速调节和转速反是直接转矩控制系统或其他系统，都需要转速调节和转速反馈。常用转速传感器的种类：馈。常用转速传感器的种类：n电磁式：旋转变压器，接近开关式等；电磁式：旋转变压器，接近开关式等；n磁敏式：磁敏电阻，磁敏二极管，霍

48、尔传感器等；磁敏式：磁敏电阻，磁敏二极管，霍尔传感器等；n光电式：增量式编码器，绝对式编码器。光电式：增量式编码器，绝对式编码器。60速度反馈：速度反馈：传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机传感器增加了电机转子轴上的转动惯量，加大了电机空间尺寸和体积。空间尺寸和体积。传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和传感器的使用增加了电机与控制系统之间的连接线和接口电路，降低了系统可靠性。接口电路，降低了系统可靠性。受传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速受传感器使用条件如温度、湿度和振动的限制，调速系统不能广泛适应各种场合。系统不能广泛适应各种场合。传感器及其辅助电路增加了调速系

49、统的成本，某些高传感器及其辅助电路增加了调速系统的成本，某些高精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。精度传感器的价格甚至可与电机本身价格相比。61 因此，如果舍去转速传感器仍能够获得良好的控制性能，因此，如果舍去转速传感器仍能够获得良好的控制性能，将是一个很有价值的方案。自从将是一个很有价值的方案。自从2020世纪世纪70708080年代以来，年代以来，很多学者和工程技术人员在这方面做了大量的工作，取得很多学者和工程技术人员在这方面做了大量的工作，取得不少成就，已经发表了许多关于无速度传感器高性能交流不少成就，已经发表了许多关于无速度传感器高性能交流调速系统的研究和综述，内容十分丰富。其后，多种系列调速系统的研究和综述，内容十分丰富。其后，多种系列的无速度传感器高性能通用变频器产品已经获得应用。的无速度传感器高性能通用变频器产品已经获得应用。62 无速度传感器控制方法：无速度传感器控制方法：n直接计算法；直接计算法；n观测器方法观测器方法( (全阶状态观测器，降阶状态观测器，滑模全阶状态观测器，降阶状态观测器，滑模观测器，扩展卡尔曼滤波器）；观测器，扩展卡尔曼滤波器）；n模型参考