一篇摘抄《矢量控制的形象描述》~*
发布时间：2011-9-30 18:12
发布者：1770309616
关键词：
矢量
矢量控制的形象描述 磁场强度, 定向 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0~90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0~90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Iq>0, 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Iq<0, 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=dλ/dt，λ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λ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。 作者wj863 楼主说： “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。” 我认为楼主没有注意到： 1、2快磁铁是两个独立体，不是相关体，所以你可以任意改变它们之间的夹角； 2、可是转子磁铁与定子磁铁不是两个独立体，他们之间的夹角是负载决定的，不是人为控制的！ 楼主说： “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）。” 我认为： 1、交流电机的主旋转磁场Φo是稳定的，不变的； 2、转子磁场是转子切割磁力线感应产生的感应电势、感应电流的磁场，转子的磁场方向决定转子的电流； 3、转子电流有等效电阻的转矩电流I2，还有转子感抗的无功电流I2’，转子的磁场方向tgδ=I2/I2’，当无功电流I2’=0时，δ=90度； 4、可见转子的方向决定转子感抗的无功电流I2’，而无功电流I2’是客观存在，不能改变，所以人为的控制转子方向无从下手！ 楼主说： 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0~90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。 我认为： 1、“交流电产生的是一个旋转磁场”，就是电机空载时三相空载电流Io产生的主旋转磁场Φo； 2、当负载时，转子被负载拖着向后旋转一个角度δ时，由于电机磁势平衡原理，电机定子绕组又有了另外一个电流I1，那么这个电流I1的旋转磁场对应的是转子旋转磁场； 3、那么对定子绕组空载时三相空载电流Io，实际的坐标变化计算出一个直流磁场；那么对负载时的定子电流I1，实际的坐标变化也可以计算出一个直流磁场。 4、按照楼主的意思应该是对负载时的定子电流I1，实际的坐标变化计算出一个直流磁场。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δ。 5、那就是说，对定子电流坐标变化计算出的不能是一个直流磁场，应该是两个直流磁场，一个对应主旋转磁场Φo，一个对应转子旋转磁场N2I2； 6、现在的问题是，要把三相定子电流分成Io和I1，然后分别坐标变化计算出两个直流磁场，并计算出它门的交角δ； 7、楼主认为三相定子电流坐标变换出来的就是主旋转磁场，然后在计算与转子磁场的交角，实际上是转子磁场与转子磁场的交角，转子磁场被计算了两次！！！ 楼主说： 5. 对于交流同步隐极电动机： …… 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）。 我认为： 1、楼主对三相定子电流，直接坐标变换是错误的； 2、对三相定子电流，坐标变换分解出的不是定子旋转磁场的，而是转子旋转磁场的； 3、三相定子电流中的励磁电流Io，坐标变换后才是主旋转磁场的； 4、三相定子电流中与转子磁势平衡的电流I1，坐标变换后是转子旋转磁场的； 5、以A相轴线为起点定子电流的转矩电流和励磁电流差90度，以A相轴线为起点定子电流的旋转磁场的角度与转矩电流和励磁电流的比值相关，不是确定的，检测出的哪个角度没有意义！！！ 1、这里大家只要回答一个问题，同步电机的电流是不是跟随负载变化的，负载大电流大； 2、如果是，电机三相负载电流就是与转子磁势平衡的电流，与转子相关，与主旋转磁场Φo无关； 3、把定子电流坐标变换后的当然不是主旋转磁场Φo； 1、A相轴线与转子磁场的夹角没有任何物理意义； 2、如果A相轴线与A相电压有确定的关系，那A相电流与A相轴线就没有确定的关系，因为电流与电压的相位差不确定； 楼主说： “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。” 我认为： 1、定子三相交流电流，由三部分构成，主旋转磁场的励磁电流Io、负载转矩电流、转子感抗电流； 2、他们的矢量关系是，负载转矩电流与定子三相交流电压同相位，转子感抗电流与励磁电流Io同相位，定子三相交流电流落后定子三相交流电压一个功率因数角δ； 3、本来是主旋转磁场Φo与转子旋转磁场的夹角，“以定子A相轴线为起点出发，并与定子电流相位对齐。”的说法，全乱了套； 4、这里大家一定要明白，交流电机负载工作时，三相定子电流就是负载电流，就是与转子电流磁势平衡的电流，主旋转磁场的励磁电流只占一小部 楼主说： “6. 对于交流感应电动机： …… 2） 定子旋转磁场切割转子绕组，产生三相感应电势e=dλ/dt，λ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λ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。” 我认为： 1、空载时，认为转子与定子同步，转子没有电流，定子只有励磁电流Io，铁心中只有主旋转磁场Φo； 2、负载时： 1）负载拖着转子速度减小，与同步转速有转差△n=n1-n2； 2）转子导体由于转差切割主旋转磁场Φo的磁力线，而产生感应电势、感应电流I2； 3）主旋转磁场Φo同性磁极面下，转子导体电流I2方向相同，和直流电机主磁极面下电枢导体电流方向相同一样，转矩效应最大，这种转子导体电流I2的磁场为交轴磁场，即与主旋转磁场Φo夹角90度，此时异步电机的机械硬特性与他励直流电机相同； 4）如果负载增大，转差△n增大，转子电势的交流频率△n/60增大，转子感抗电流I2’增大，I2’落后I2电工角90度，转子感抗电流I2’的磁场与主旋转磁场Φo直轴； 5）这样转子电流（I2+I2’），与主旋转磁场Φo夹角δ度，tgδ=I2/I2’，当负载为最大转矩，转差为临界转差△n临=n1-n临，tgδ=I2/I2’=-1，δ=135度； 6）由于定子电流必须与转子电流磁势平衡，所以定子电流有：I1N1=I2N2 ，I1’N1=I2’N2 ，其中I1叫转矩电流，I1’叫无功电流； 7）由于定子电流、转子电流磁势平衡，所以铁心主旋转磁场Φo负载时大小不变； 楼主说： 6. 对于交流感应电动机： …… 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。 我认为： 1、楼主7）8）关于转子磁场转矩电流I2、感抗电流I2’的描述是正确的，负载越大转差越大，感抗电流I2’越大，转子电流（I2+I2’）的磁场方向与主旋转磁场Φo的交角δ随着负载增大转差增大而改变，tgδ=I2/I2’，当转差增大到临界转差，I2=I2’ ，tgδ=I2/I2’=1，δ=135度，堵转时，tgδ=I2/I2’→0 ，δ→180度； 2、楼主在9）中又说，“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”，也是正确的，因为转子感抗是客观存在，不能人为的控制； 3、但是楼主再下来的说法有错误，“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。”，那感抗部分才是影响转子转动的原因，应该是感抗电流的控制； 4、刚才说了，负载大，转差大，感抗大，是负载大小改变转子方向的，只有根据负载控制转差，才能控制转子的方向； 5、那有人想，能不能把转子感抗电流控制住？不能！这就是物理规律，好象能量守恒定律一样的规律； 楼主说： 6. 对于交流感应电动机： …… 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。 我认为： 1、空载时，同步电机的转子磁极是电机主旋转磁极的一部分，所以同步电机较异步电机的励磁电流小； 2、负载时，同步电机的转子磁极被负载拖着向后转过一个角度δ： 1）这时，转子磁极的直轴分量Em cosδ减小，导致定子励磁电流增大，因为电机主旋转磁极要保持不变，当转子磁极偏移δ=90度时，Em cosδ=0，定子励磁电流增大到与异步电机励磁电流大小一样； 2）这时，转子磁极的交轴分量Em sinδ增大，电机定子产生相应的转矩电流I1，因为定子转矩电流I1的磁势I1N1要与转子磁极的交轴分量Em sinδ平衡，所以定子转矩电流I1=Em sinδ/N1； 3）从以上两点知道，同步电机负载时，定子电流与异步电机定子电流的变化是一样的，有转矩电流、无功励磁电流的产生和变化；楼主的“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。”的说法有错误！ 4）所以同步电机与异步电机不同的是，负载变化时，同步电机的转子磁极与主旋转磁场只有一个小于90度的交角，电机学上叫功角，而异步电机的转子转速与主旋转磁场的转速有一个转差，在电机学上叫异步； 5）能不能人为的控制转子磁极的功角，不能，只能根据负载大小，控制负载控制功角； 回复 35# 刘志斌 刘老师发言还比较多，不能一一看明白。 这里引用您其中一段的原文： “ 1、A相轴线与转子磁场的夹角没有任何物理意义； 2、如果A相轴线与A相电压有确定的关系，那A相电流与A相轴线就没有确定的关系，因为电流与电压的相位差不确定；” 我学识浅薄，不过PMSM还是看过一些，权威论文也看过一些，您的1说没有意义好像不太正确。A轴线只是一个物理位置，在国内常见的文章和书籍中，在PMSM中，A轴线与永磁体转子之间的角度就是在电机控制中所用的电角度。而国外一般定义是a轴负90°电角度的位置为0°，即转子位置与该位置的角度差为转子位置。为何此夹角没有任何物理意义。不过如果您否定矢量控制，那么就没有和您讨论的必要。我说的角度差的问题也是很多人在使用MATLAB做仿真时不理解的问题。不知道您是否做过仿真甚至实物控制。否则也能理解你提出该意见。 或者说我只看了这一条，没有看其他楼，断章取义了。 “而国外一般定义是a轴负90°电角度的位置为0°，即转子位置与该位置的角度差为转子位置。” 1、“a轴负90°电角度的位置为0°”，这个零度应该是定子励磁电流及其主旋转磁场的0位置； 2、这时候a轴就是三相交流电压的0位置，这样符合定子励磁电流落后三相交流电压90度； 1、这个问题的关键是没有一个统一的大家公认的理论体系，概念的不确定性，导致理解的偏差和结论的对立和矛盾； 2、讨论只能是相互照顾理解对方表达的真实意义； 3、我觉得是这样，先从大家公认的基础出发，然后找思考的共同点： 1）交流电机的频率、同步转速是确定的； 2）转子转速是可以确定的； 3）这样转差是可以确定的，如果根据转差，确定转子磁场的方向； 4）定子励磁电流，既空载电流是确定的； 5）转子磁场的方向、励磁电流的大小可以对定子电流矢量分解，求得转矩电流，无功电流 对于同步电机： 1）交流电机的频率、同步转速是确定的； 2）转子转速是可以确定的； 3）定子励磁电流，既空载电流是确定的； 4）定子负载电流是已知的； 5）根据励磁电流的大小、定子电流的大小矢量分解，求得转矩电流、无功电流、功角； |
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