1、 5.4 三相异步电动机的矢量变换控制 矢量变换控制的基本应用 第1页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电2三相异步电动机的内部电磁关系复杂，定子电压、三相异步电动机的内部电磁关系复杂，定子电压、电流、频率和磁通、转矩之间的对应关系用一系列电流、频率和磁通、转矩之间的对应关系用一系列复杂矩阵才能表达，实现异步电动机的精确控制复杂矩阵才能表达，实现异步电动机的精确控制难度大。矢量变换控制提供了将交流电动机的数学难度大。矢量变换控制提供了将交流电动机的数学模型通过矩阵变换等效为直流电动机进行控制的基本模型通过矩阵变换等效为直流电动机进行控制的基本思想，使之获得了比
2、直流电动机更优越的调速性能。思想，使之获得了比直流电动机更优越的调速性能。如图如图5-17(a)5-17(a)所示。产生旋转磁场不一定非要三相绕组，所示。产生旋转磁场不一定非要三相绕组，取空间上相互垂直的两相绕组取空间上相互垂直的两相绕组、，且在，且在、绕组绕组中通以互差中通以互差9090的两相平衡交流电流的两相平衡交流电流i i、i i时，时，也能建立一个旋转磁场，如图也能建立一个旋转磁场，如图5-17(b)5-17(b)所示。所示。第2页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电3 第3页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电4当
3、该旋转磁场的大小和转向与三相绕组产生的旋当该旋转磁场的大小和转向与三相绕组产生的旋转磁场相同时，则认为转磁场相同时，则认为i i、i i与与iUiU、i iV V、i iW W等效。等效。因上述两图中产生两个旋转磁场的定子绕组都是静止因上述两图中产生两个旋转磁场的定子绕组都是静止的，因而可将图的，因而可将图5-17(a)5-17(a)称为称为三相静止轴系三相静止轴系，将，将5-175-17图图(b)(b)称为称为两相静止轴系两相静止轴系，这是从三相静止轴系，这是从三相静止轴系iUiU、i iV V、i iW W等效变换到两相静止轴系等效变换到两相静止轴系i i、i i的变换思路。的变换思路。图
4、图5-17(c)5-17(c)中也有两个空间上相互垂直的绕组中也有两个空间上相互垂直的绕组M M、T T，如分别通入直流电流如分别通入直流电流i im m、i it t，则可以建立一个，则可以建立一个不会旋转的磁场，但如果让不会旋转的磁场，但如果让M M、T T轴都以轴都以n1n1的同步速的同步速旋转起来，则可以获得与上述两图同样效果的旋转磁场。旋转起来，则可以获得与上述两图同样效果的旋转磁场。图图5-17(c)5-17(c)被称为被称为两相旋转轴系两相旋转轴系，在该轴系中，在该轴系中，第4页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电5因为使用两个互相独立的直流电流
5、因为使用两个互相独立的直流电流i im m、i it t进行控制，进行控制，i im m为励磁分量，为励磁分量，i it t为转矩分量，所以可以实现类似为转矩分量，所以可以实现类似于直流电动机的控制性能。于直流电动机的控制性能。矢量变换控制的基本思想是通过数学上的坐标变换，矢量变换控制的基本思想是通过数学上的坐标变换，先把交流三相绕组的电流先把交流三相绕组的电流iUiU、i iV V、i iW W等效变换为等效变换为交流两相绕组的电流交流两相绕组的电流i i、i i，称为，称为3/23/2变换；变换；再把两相交流电流再把两相交流电流i i、i i等效变换成两相旋转轴系等效变换成两相旋转轴系M
6、M、T T的直流电流的直流电流i im m、i it t。实质上就是通过数学变换。实质上就是通过数学变换把三相交流电动机的定子电流把三相交流电动机的定子电流iUiU、i iV V、i iW W分解成转矩分解成转矩分量和励磁分量，以便像直流电动机那样分量和励磁分量，以便像直流电动机那样实现精确控制。实现精确控制。第5页，共17页。第6页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电7要进行矢量变换控制的矩阵运算，除了需要实时要进行矢量变换控制的矩阵运算，除了需要实时检测定子的三相电流之外，还需要直接或间接检测检测定子的三相电流之外，还需要直接或间接检测转子速度、磁通等许多
7、变量，需要多位、转子速度、磁通等许多变量，需要多位、高速的微处理器才能完成运算。高速的微处理器才能完成运算。第7页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电8矢量控制在各类电动机的控制中均获得普遍应用。矢量控制在各类电动机的控制中均获得普遍应用。矢量变换控制对于三相异步电动机，主要用于矢量变换控制对于三相异步电动机，主要用于变频器变频器电动机调速系统或交流伺服系统。电动机调速系统或交流伺服系统。1,1,采用矢量变换控制的变频器采用矢量变换控制的变频器电动机调速系统电动机调速系统 要实现精确控制交流电动机速度的矢量变换算法，要实现精确控制交流电动机速度的矢量变换算法，
8、需要高性能的实时运算控制芯片。需要高性能的实时运算控制芯片。图图5-185-18为一个基于为一个基于DSPDSP芯片的芯片的矢量变换控制变频器矢量变换控制变频器电动机调速系统原理框图。电动机调速系统原理框图。第8页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电9 第9页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电10系统主电路采用交系统主电路采用交直直交电压型的通用变频器交电压型的通用变频器主电路；主电路；功率开关器件采用智能功率模块功率开关器件采用智能功率模块I IPMPM，该模块将六个该模块将六个I IGBGBT T功率开关和必要的外围电路
9、、功率开关和必要的外围电路、驱动电路封装在一起，减小了变频器的体积，驱动电路封装在一起，减小了变频器的体积，提高了变频系统的性能与可靠性。提高了变频系统的性能与可靠性。控制电路由控制电路由1616位的位的DSPDSP、信号检测电路、信号检测电路、驱动保护电路等组成。驱动保护电路等组成。DSP DSP 称为数字信号处理器，可适用于工业电机驱动称为数字信号处理器，可适用于工业电机驱动.T TMS320 x24xMS320 x24x系列芯片是专门为电机的数字化控制系列芯片是专门为电机的数字化控制而设计的而设计的，具有每秒执行，具有每秒执行2020兆条指令的运算能力，兆条指令的运算能力，比传统比传统1
10、616位微处理器芯片性能强大得多。位微处理器芯片性能强大得多。第10页，共17页。第11页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电12芯片内的事件管理器可以为所有电机类型用户提供芯片内的事件管理器可以为所有电机类型用户提供高速高速、高效的先进控制技术，该事件管理器包括变频器、高效的先进控制技术，该事件管理器包括变频器必需的三相必需的三相PWMPWM产生功能，防止同桥臂的上下两个产生功能，防止同桥臂的上下两个I IGBGBT T 器件同时导通（造成直流短路）的死区控制器件同时导通（造成直流短路）的死区控制功能，还包括空间矢量变换算法的功能，还包括空间矢量变换算法的P
11、WMPWM产生功能。产生功能。与单片机等微机控制的变频器与单片机等微机控制的变频器电动机调速系统相比，电动机调速系统相比，DSPDSP芯片更适合非常复杂且高速的实时控制算法芯片更适合非常复杂且高速的实时控制算法的运算，大大简化了高性能调速器的硬件设计。的运算，大大简化了高性能调速器的硬件设计。第12页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电132 2 数控机床的主轴伺服驱动系统数控机床的主轴伺服驱动系统 在数控加工中心，为了实现刀库自动换刀，要求对在数控加工中心，为了实现刀库自动换刀，要求对主轴能进行高精度定角度停止控制，使数控机床的主轴能进行高精度定角度停止控制
12、，使数控机床的主轴控制进入了交流主轴伺服系统的时代。主轴控制进入了交流主轴伺服系统的时代。图图5-19 5-19 为三菱为三菱MDS-A-SPJAMDS-A-SPJA型主轴伺服驱动系统的型主轴伺服驱动系统的连接示意图。连接示意图。由于数控机床的主轴驱动功率较大，主轴电动机由于数控机床的主轴驱动功率较大，主轴电动机采用鼠笼式结构形式。实现精确定位控制需借助矢量采用鼠笼式结构形式。实现精确定位控制需借助矢量变换控制技术，主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算变换控制技术，主轴驱动单元的闭环控制、矢量运算均由伺服驱动单元内部的微计算机控制系统实现。均由伺服驱动单元内部的微计算机控制系统实现。加工过程中加工
13、过程中,主轴伺服驱动单元配合主轴伺服驱动单元配合CNCCNC系统，系统，完成完成一系列数字化的内部调节和矢量变换运算，一系列数字化的内部调节和矢量变换运算，第13页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电14 第14页，共17页。第15页，共17页。第16页，共17页。目录退出返回上页下页第4章 电工测量与工厂输配电和安全用电17控制驱控制驱动器内部的动器内部的SPWMSPWM调制及调制及IGBTIGBT变频主回路，变频主回路，完成主轴的速度或位置闭环控制。位置控制一般在程序完成主轴的速度或位置闭环控制。位置控制一般在程序自动换刀，需要主轴准确定位停止时使用。三相
14、异步自动换刀，需要主轴准确定位停止时使用。三相异步电动机的矢量变换控制可以使大功率异步电动机获得电动机的矢量变换控制可以使大功率异步电动机获得更为理更为理想的驱动性能。想的驱动性能。主电路与一般变频器类似，主电路与一般变频器类似，需要运算电路完成一系列的坐标变换，需要运算电路完成一系列的坐标变换，在控制理论上十分复杂。在控制理论上十分复杂。（1 1）按下启动按钮）按下启动按钮SBSB，电机，电机M M正转，台车前进，碰到限位开关正转，台车前进，碰到限位开关SQ1SQ1后，电机后，电机M M反转，台车后退。反转，台车后退。（2 2）后退碰到限位开关）后退碰到限位开关SQ2SQ2后，台车电机后，台车电机M M停转，停转，5s5s钟后第二次前进，碰到限位开关钟后第二次前进，碰到限位开关SQ3SQ3后，再次后退。后，再次后退。（3 3）当后退再次碰到限位开关）当后退再次碰到限位开关SQ2SQ2，台车停止。，台车停止。将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图将上述控制工艺演示成用工作步序表示，如图3-23-2。将图。将图3-23-2中中“工步工步”更换为更换为“状态状态”，“准备准备”更换为更换为“初始状态初始状态”，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图，即得到台车往返运行控制状态转移图。如图3-33-3。第17页，共17页。
