第2节 交流感应电机的矢量控制

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更新于2009-01-11 23:44:47

FOC算法

        高性能的电机控制方案表现为：电机在整个速度范围内的平滑运转，零速度的满转矩控制，快速加速和减速。为了达到这种控制，我们采用了矢量控制技术。矢量控制技术通常用于磁场定向控制（FOC）。FOC算法的基本思路是将定子电流分成产生磁通和产生转矩的分量。分解后，两种分量都可单独控制。这样一来，三相交流感应电机的控制如同单励DC电机一样简单。
        图2给出了交流感应电机的向量控制算法的基本结构。完成这种控制需要执行下列步骤：

• 1．测量电机参量（相电压和电流）。
• 2．根据Clarke转换，将它们传入二相系统（α，β）。
• 3．计算转子磁通空间矢量幅度和位置偏角。
• 4．根据Park转换，将定子电流传入d，q参照系。
• 5．产生定子电流转矩（isq）和磁通（isd）的分量。
• 6．利用解耦，计算定子输出电压空间矢量。
• 7．利用反向Park转换，将定子电压空间矢量从d,q参照系传回由定子确定的二相系统。
• 8．利用空间矢量调制产生输出的三相电压。

        为了将电流分成产生转矩和磁通的分量（i_sq, i_sd），需要知道电机磁通的位置，这就需要准确的速度信息。速度信息可以由连到转子上的速度或位置传感器来测量。再利用增量编码器或解析器转换成矢量控制驱动中的位置信号。像洗衣机这样高性价比的应用普遍使用转速传感器。
        在有些应用中，速度/位置传感器都不被使用。速度/位置都不是直接测量，而是要借助一些技术来间接估算转子的位置。不用速度传感器的算法被称为无传感器控制。与传感器控制相比，它的缺点是估算的速度精度比较低，无法达到精确控制。因此，洗衣机驱动中通常需要传感器。
        直接矢量控制属于矢量控制技术系列中的一种。与间接矢量控制结构相比，直接矢量控制要求根据电机电流和电压直接实时地计算出转子的磁通。与控制DC电机的方案相似，矢量控制的目标是为了实现动态性能高的控制方案。为了达到这个目标，参照系可以与定子磁通链空间矢量、转子磁通链空间矢量或磁化空间矢量相结合。最流行的一种参照系就是d,q参照系。将转子磁通链空间矢量作为坐标系统的竖轴（d）。d,q参照系的角速度等于电机的同步速度。在转换过程中，使ω_g=ω_s。
        控制算法是在基于感应电机的等效稳态电路的基础上开发的，如图3所示。
        该等效电路仅在稳态下有效。对于感应电机模型的完整描述给出了一套电机公式（公式1—公式9），这些公式是用旋转的d,q参考系来表示的。
        关于更多三相交流感应电机的磁场定向控制方面的原理，请查阅参考书目3。关于所使用符号的术语表，请参考第10部分“符号术语表”。 图4给出了d,q参照系以及定子电压（U_S）和定子电流（I_S）与定子，转子和磁通量（Ψ_r,Ψ_s,Ψ_m）之间的关系。转子磁通空间矢量对齐于d,q参照系的d轴。