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矢量控制的通俗理解

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關於矢量控制,通俗理解是:

1. 先把電機想像成2塊飛速旋轉磁鐵,定子磁鐵和轉子磁鐵。進一步可以引申為定子磁場和轉子磁場。

2. 電機的電磁轉矩與定子磁場強度、轉子磁場強度、2塊磁鐵之間的夾角的正弦成正比。關於這一點不難理解,兩塊磁鐵對齊的時候(0度,sin0=0;),不存在電磁轉矩;兩塊磁鐵相差90度的時候(sin90=1;),電磁轉矩達到頂峰; 3. 接下來控制的目標就是:

1)穩定其中的一個旋轉磁場的強度(恒定磁場); 2) 控制磁鐵之間角度為90度(磁場定向FOC);

3) 控制另一個磁場(受控磁場)的強度以達到控制電磁轉矩大小(力矩控制)。 4. 關於坐標變換的物理意義(以同步電機為例):

1)在電機不失步的情況下,可以認為兩個磁極之間相對靜止,最多在夾角0~90度之間移動。 2)既然交流電產生的是一個旋轉磁場,那麽自然可以把它想像成一個直流電產生的恒磁場,只不過這個恒磁場處於旋轉當中。

3)如果恒磁場對應的直流電流產生的磁場強度,與對應交流電產生的磁場強度相等,就可以認為兩者等同。

4)坐標變換基於以上認知,首先認為觀察者站在恒定定磁場上並隨之運轉,觀察被控磁場的直流電線圈電流及兩個磁場之間的夾角。

5)實際的坐標變化計算出的結果有兩個,直軸電流Id和交軸電流Iq。通過Id和Iq可以算出兩者的矢量和(總電流),及兩個磁場之間的夾角。

6)直軸電流Id是不出力的,交軸電流Iq是產生電磁轉矩關鍵因素。 5. 對於交流同步隱極電動機:

1) 其轉子磁場是恒定的。

2) 轉子的當前磁極位置用旋轉編碼器實時檢測。

3) 定子磁極(旋轉磁場)的位置從A相軸線為起點,由變頻器所發的正弦波來決定。

4) 實際上先有定子磁場的旋轉,然後才有轉子磁場試圖與之對齊而產生的跟隨。

5) 計算出轉子磁場與A相軸線之間的偏差角度。

6) 通過霍爾元件檢測三相定子電流,以轉子磁場與A相軸線之間的偏差角度作為算子(相當於觀察者與轉子磁場同步旋轉),通過坐標變換分解出定子旋轉磁場中與轉子磁極對齊的分量(直軸電流Id),產生轉矩的分量(交軸電流Iq)。

7) 定子電流所產生旋轉磁場與觀察者基本同步,最多在夾角0~90度之間移動。移動量是多少,會體現在直軸電流Id、交軸電流Iq的數值對比上。

8) 驅動器通過前面的速度環的輸出產生電流環的給定,通過第6)條引入電流環的反饋Iq,通過PI控制產生Iq輸出。

9) 設定Id=0。這一點不難理解,使兩個磁極對齊的電流我們是不需要的。通過這一點,我們實現了磁場定向FOC(控制磁鐵之間角度為90度)。

10) 計算出了Iq, Id=0。引入偏差角度算子通過坐標反變換變換產生了三相電流的輸出。 11) 當Iq>0, 定子旋轉磁場對轉子磁場的超前90度,電磁轉矩依靠兩個磁場之間異性相吸的原理來產生,這時候電磁轉矩起到加速的作用。

12) 當Iq<0, 定子旋轉磁場對轉子磁場的仍然超前90度,但是定子磁場的N、S極調換了一下,電磁轉矩依靠兩個磁場之間同性相排斥的原理來產生,這時候電磁轉矩起到減速制動的作用。

13) 從本質上講,我們是依靠控制定子旋轉磁場對轉子磁場的超前角度及該磁場的強度來實現矢量控制的。

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