现代电机控制技术 知识3 三相永磁同步电动机的矢量控制.ppt

当转矩值较低时，轨迹靠近q轴，表示励磁转矩起主要作用。随着转矩的增大，轨迹渐渐远离q轴，这表明磁阻转矩的作用在增大。 图3-25(p122)给出了插入式和内装式PMSM恒转矩矢量控制简图，电动机仍由具有快速电流控制环的PWM逆变器供电，其它控制环节图中没有画出。 图3-25(p122)中，FG1和FG2为函数发生器，是根据式(3-78)和式(3-79)构成的，即 图3-26(p122)给出了这两条曲线。 将is分解为id、iq两个相互正交的量，dq轴磁场间没有耦合，所以通过控制id、iq，可以各自独立地进行弱磁和转矩控制，实现了两种控制间的解耦。 坐标变换和矢量变换 PMSM与三相异步电动机的定子结构相同。因此，其坐标变换和矢量变换也相同。 假设已经将空间矢量由ABC轴系先变换到了静止DQ轴系，再通过如下旋转变换将其变换到同步旋转的dq轴系。如图3-21所示。 其含义是将图3-21(p116)中的静止的DQ绕组变换为具有dq轴线的换向器绕组，正是通过这种换向器变换，才将PMSM等效为直流电动机。 因为换向器绕组具有伪静止特性，所以电压方程式中同样出现了运动电动势项ωrψq和ωrψd。 由静止ABC轴系到静止的DQ轴系的坐标变换为 由静止ABC轴系到同步旋转dq轴系的坐标变换为 可得 经过上式的变换，实际上是将等效的直流电动机还原为真实的PMSM。 矢量控制 通过控制交轴电流iq可以直接控制电磁转矩，且te与iq间是线性关系。所以，从转矩控制来说，可以得到与他励直流电动机同样的控制品质。 与三相感应电动机的矢量控制比较，面装式PMSM的矢量控制要简单容易得多。面装式PMSM只需要将定子三相绕组变换为换向器绕组，而三相感应电动机必须将定、转子三相绕组都变换为换向器绕组。 对于三相感应电动机而言，当采用直接定向方式时，转子磁链估计依据的是定、转子电压矢量方程，涉及多个电动机参数，电动机运行中参数变化会严重影响估计的精确性，即使采用“磁链观测器”也不能完全消除参数变化的影响，当采用间接定向方式时，依然摆脱不了转子参数的影响。 对于PMSM，由于转子磁极在物理上是可测的，通过传感器可直接观测到转子磁场轴线位置，这不仅比观测感应电动机转子磁场容易实现，而且不受电动机参数的影响。 三相感应电动机的运行是基于电磁感应，机电能量转换必须在转子中完成，这使得转矩控制复杂化。在转子磁场定向的MT轴系中，如下关系是非常重要和关键的，即有 表明，在转子磁场恒定条件下，转子转矩电流it大小取决于运动电动势ωfψr，即决定于转差角速度ωf。 因此，转矩的大小是转差频率ωf的函数，且具有线性关系，如式(3-67)所示。 式(3-68)表明，电能通过磁动势平衡由定子侧传递给了转子。 而且感应电动机为单边励磁电动机，建立转子磁场的无功功率也必须由定子侧输入。 为保证转子磁链恒定或能够快速跟踪指令值的变化(弱磁控制时)，在直接磁场定向系统中需要对磁链进行反馈控制和比例微分控制。 三相同步电动机的运行原理是依靠定、转子双边励磁，由两个励磁磁场相互作用产生励磁转矩。 转矩控制的核心是对定子电流矢量幅值和相对转子磁链矢量相位的控制。 由于机电能量转换在定子中完成，因此转矩控制可直接在定子侧实现，这些都比感应电动机转差频率控制相对简单和容易实现。 PMSM的转子磁场由永磁体提供，如果不计温度和磁路饱和影响，可认为转子磁链恒定。 如果不需要弱磁，与三相感应电动机相比，相当于省去了励磁控制，使控制系统更加简化。 所以，无论从能量的传递和转换，还是从磁场定向、矢量变换、励磁和转矩控制来看，PMSM都要比三相感应电动机直接和简单，其转矩生成和控制更接近于他励直流电动机，其动态性能更容易达到实际直流电动机的水平。 因此，由PMSM构成的伺服系统，在数控机床、机器人等搞性能伺服驱动领域、获得了广泛的应用。 定子电流矢量在ABC轴系中可表示为 式中，β角由矢量控制确定；θr是实际检测值。 表明，在ABC轴系中的相位总是在转子实际位置上增加一个相位角β。即，定子电流矢量is(也就是电枢反应磁场轴线)在ABC轴系中的相位最终还是决定于转子自身的位置，因此，将这种控制方式称为自控式。 自控式的电枢反应磁场超前于转子磁场β电角度，无论动态还是稳态，都能严格地控制β角。 而传统的开环变频调速中采用的是他控方式，采用的V/f控制方式只能控制电枢反应磁场自身的幅值和旋转速度，而不能控制β角，其实质是一种标量控制，这是其与矢量控制的根本差别。 矢量控制系统 如图3-22(p119)，是一个面装式PMSM矢量控制系统的一个原理性框图。 采用的是由位置、速度和转矩控制环所构成的串级控制结构。 由转矩调节器的输出可得到交轴电流给定值iq*。 直轴电流给定值id*，可根据弱磁运行的具体