關(guān)于矢量控制，有位西莫朋友通俗理解寫(xiě)很有意思：
1. 先把電機(jī)想像成2塊飛速旋轉(zhuǎn)磁鐵，定子磁鐵和轉(zhuǎn)子磁鐵。進(jìn)一步可以引申為定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。
2. 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁場(chǎng)強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)度、2塊磁鐵之間的夾角的正弦成正比。關(guān)于這一點(diǎn)不難理解，兩塊磁鐵對(duì)齊的時(shí)候（0度，sin0=0;）,不存在電磁轉(zhuǎn)矩；兩塊磁鐵相差90度的時(shí)候（sin90=1;）,電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到頂峰；
3. 接下來(lái)控制的目標(biāo)就是：
1）穩(wěn)定其中的一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的強(qiáng)度（恒定磁場(chǎng)）；
2） 控制磁鐵之間角度為90度（磁場(chǎng)定向FOC）；
3） 控制另一個(gè)磁場(chǎng)（受控磁場(chǎng)）的強(qiáng)度以達(dá)到控制電磁轉(zhuǎn)矩大小（力矩控制）。
4. 關(guān)于坐標(biāo)變換的物理意義（以同步電機(jī)為例）：
1）在電機(jī)不失步的情況下，可以認(rèn)為兩個(gè)磁極之間相對(duì)靜止，最多在夾角0~90度之間移動(dòng)。
2）既然交流電產(chǎn)生的是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，那么自然可以把它想像成一個(gè)直流電產(chǎn)生的恒磁場(chǎng)，只不過(guò)這個(gè)恒磁場(chǎng)處于旋轉(zhuǎn)當(dāng)中。
3）如果恒磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度，與對(duì)應(yīng)交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度相等，就可以認(rèn)為兩者等同。
4）坐標(biāo)變換基于以上認(rèn)知，首先認(rèn)為觀察者站在恒定定磁場(chǎng)上并隨之運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察被控磁場(chǎng)的直流電線圈電流及兩個(gè)磁場(chǎng)之間的夾角。
5）實(shí)際的坐標(biāo)變化計(jì)算出的結(jié)果有兩個(gè)，直軸電流Id和交軸電流Iq。通過(guò)Id和Iq可以算出兩者的矢量和（總電流），及兩個(gè)磁場(chǎng)之間的夾角。
6）直軸電流Id是不出力的，交軸電流Iq是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)鍵因素。
5. 對(duì)于交流同步隱極電動(dòng)機(jī)：
1） 其轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是恒定的。
2） 轉(zhuǎn)子的當(dāng)前磁極位置用旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)檢測(cè)。
3） 定子磁極（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）的位置從A相軸線為起點(diǎn)，由變頻器所發(fā)的正弦波來(lái)決定。
4） 實(shí)際上先有定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，然后才有轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)試圖與之對(duì)齊而產(chǎn)生的跟隨。
5） 計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與A相軸線之間的偏差角度。
6） 通過(guò)霍爾元件檢測(cè)三相定子電流，以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與A相軸線之間的偏差角度作為算子（相當(dāng)于觀察者與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)），通過(guò)坐標(biāo)變換分解出定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中與轉(zhuǎn)子磁極對(duì)齊的分量（直軸電流Id）,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量（交軸電流Iq）。
7） 定子電流所產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與觀察者基本同步，最多在夾角0~90度之間移動(dòng)。移動(dòng)量是多少，會(huì)體現(xiàn)在直軸電流Id、交軸電流Iq的數(shù)值對(duì)比上。
8） 驅(qū)動(dòng)器通過(guò)前面的速度環(huán)的輸出產(chǎn)生電流環(huán)的給定，通過(guò)第6）條引入電流環(huán)的反饋Iq，通過(guò)PI控制產(chǎn)生Iq輸出。
9） 設(shè)定Id=0。這一點(diǎn)不難理解，使兩個(gè)磁極對(duì)齊的電流我們是不需要的。通過(guò)這一點(diǎn)，我們實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)定向FOC（控制磁鐵之間角度為90度）。
10） 計(jì)算出了Iq, Id=0。引入偏差角度算子通過(guò)坐標(biāo)反變換變換產(chǎn)生了三相電流的輸出。
11） 當(dāng)Iq>0, 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的超前90度，電磁轉(zhuǎn)矩依靠?jī)蓚�(gè)磁場(chǎng)之間異性相吸的原理來(lái)產(chǎn)生，這時(shí)候電磁轉(zhuǎn)矩起到加速的作用。
12） 當(dāng)Iq<0, 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的仍然超前90度，但是定子磁場(chǎng)的N、S極調(diào)換了一下，電磁轉(zhuǎn)矩依靠?jī)蓚�(gè)磁場(chǎng)之間同性相排斥的原理來(lái)產(chǎn)生，這時(shí)候電磁轉(zhuǎn)矩起到減速制動(dòng)的作用。
13） 從本質(zhì)上講，我們是依靠控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的超前角度及該磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)矢量控制的。
6. 對(duì)于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)：
1） 定子通入三相交流電，產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以定子A相軸線為起點(diǎn)出發(fā)，并與定子電流相位對(duì)齊。
2） 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，產(chǎn)生三相感應(yīng)電勢(shì)e=dλ/dt，λ為穿過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈。e產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，然后產(chǎn)生另一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)－－－－-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。如果λ隨空間（或時(shí)間）正弦變化，則e所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)滯后穿越轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁鏈90度。
3） 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度疊加在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上。事實(shí)上，這兩個(gè)磁場(chǎng)之間的旋轉(zhuǎn)是同步的。
4） 與同步電機(jī)不同，感應(yīng)電機(jī)的兩個(gè)磁場(chǎng)之間不可能發(fā)生失步。因?yàn)檗D(zhuǎn)子速度一旦慢了，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子的速度就會(huì)加快，轉(zhuǎn)子三相感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度就必然加快。導(dǎo)致的結(jié)果仍然是兩者同步。
5） 感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩便由這兩個(gè)磁場(chǎng)之間的試圖對(duì)齊的力產(chǎn)生。
6） 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流對(duì)齊。
7） 如果不考慮轉(zhuǎn)子漏感的影響，轉(zhuǎn)子為純阻性負(fù)載，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢(shì)e與轉(zhuǎn)子電流同相位。此時(shí)，這定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間的角度相差90度。
8） 實(shí)際上，轉(zhuǎn)子有漏感，且轉(zhuǎn)差率越大，漏感越大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流滯后轉(zhuǎn)子電勢(shì)一個(gè)角度，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)要比感應(yīng)電勢(shì)e滯后一個(gè)角度。
9） 所以，受轉(zhuǎn)子漏感的影響，我們無(wú)法保證定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相差90度，它們之間相差的角度大于90度而小于180度。那么，我們就必須控制控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)正交的部分，也就是穿過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的凈磁鏈。
10） 與同步電機(jī)的第1個(gè)區(qū)別在于，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)自然產(chǎn)生，因此定子上無(wú)需直軸電流來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)（Id=0），只需控制交軸電流Iq。而感應(yīng)電機(jī)的定子電流既需要直軸電流來(lái)產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，又需要交軸電流來(lái)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
11） 與同步電機(jī)的第2個(gè)區(qū)別在于，感應(yīng)電機(jī)矢量控制體現(xiàn)在保持定子磁場(chǎng)穿越轉(zhuǎn)子繞組的部分強(qiáng)度恒定，控制轉(zhuǎn)子電流自身產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小。
12） 轉(zhuǎn)子起始磁極位置認(rèn)為是0。在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)其不斷進(jìn)行檢測(cè)。為什么可以認(rèn)為起始磁極位置=0，因?yàn)檫@一誤差會(huì)隨時(shí)間衰減到0。
13） 定子磁極（定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）的位置從A相軸線為起點(diǎn)，由變頻器所發(fā)的正弦波來(lái)決定。
14） 計(jì)算出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁極與A相軸線之間的偏差角度。
15） 通過(guò)霍爾元件檢測(cè)三相定子電流，以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與A相軸線之間的偏差角度作為算子，通過(guò)坐標(biāo)變換分解出其中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁極對(duì)齊的分量（直軸電流Id）,產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量（交軸電流Iq）。
16） 保持Id為恒定值，即保證穿過(guò)轉(zhuǎn)子繞組的凈磁鏈恒定。
17） 控制與Id相差90度的Iq大小，也就控制了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的大小。
矢量控制的核心思想是在控制磁場(chǎng)的基礎(chǔ)上再控制轉(zhuǎn)矩，磁場(chǎng)定向是用定子電流矢量解耦的方式實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，近似得到一個(gè)線性系統(tǒng)；而直接轉(zhuǎn)矩控制是用直接狀態(tài)回饋來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，只能構(gòu)造一個(gè)bang-bang的非線性系統(tǒng)。
無(wú)論同步機(jī)還是異步機(jī)，主要差別在于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的來(lái)源，它們都可以對(duì)定子磁場(chǎng)、氣隙磁場(chǎng)或轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之一進(jìn)行定向控制，但不一定能達(dá)到完全解耦的效果。（對(duì)于永磁同步，可以把永磁體等效為一個(gè)恒定電勵(lì)磁裝置。） |
樓主: 偉光
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發(fā)表于 2014-4-8 10:23:54
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