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內容簡(jiǎn)介：與直流電機不同的是，交流感應電機的轉子電流不能通過(guò)外部進(jìn)行直接控制，但可以通過(guò)定子場(chǎng)與轉子導體中感應的電流的交互作用來(lái)實(shí)現控制。由于定子和轉子之間的物理絕緣，交流感應電機本身不具最優(yōu)的轉矩生成條件。

      交流電機的動(dòng)態(tài)性能較差，采用專(zhuān)用高性能處理器和相關(guān)外圍器件，通過(guò)大量的計算可以實(shí)現對電機的向量控制，極大地改善交流電機的動(dòng)態(tài)性能。本文介紹了向量控制在交流電機中的應用原理和控制系統的實(shí)現組成，以及相關(guān)的計算方法。
      盡管交流電機極為經(jīng)濟并具有高穩定性和可靠性，但由于沒(méi)有換向器和電刷，交流電機的動(dòng)態(tài)性能并不理想。隨著(zhù)面向現場(chǎng)的控制或向量控制的出現，交流電機的動(dòng)態(tài)性能可以得到很大改善，完全可以與分開(kāi)勵磁的直流電機相媲美。
交流電機具有各種形式，但最常用的是三相異步感應電機(AIM)和三相永磁同步電機(PMSM)，向量控制可以完全適用于這兩類(lèi)電機。向量控制算法的計算量非常大，為使向量控制、閉環(huán)控制和精確脈寬調制(PWM)相結合并得到實(shí)際應用，向量控制還需要性能相對更強的微處理器以及相關(guān)外圍器件。
      專(zhuān)為電機控制應用設計的低成本高性能微控制器推動(dòng)了向量控制的發(fā)展，這意味著(zhù)低成本高魯棒性的向量控制交流電機能以頗具競爭力的價(jià)格，在涵蓋從機械工具到洗衣機的廣泛領(lǐng)域內獲得應用。
      交流電機的向量控制和標量控制
      標量控制(Scalar Control)只包括控制變量的量級控制，而無(wú)須關(guān)心這些變量之間的關(guān)聯(lián)效應。相反，向量控制或面向場(chǎng)的控制則包括電機的量級調節和向量相位校準。標量控制的實(shí)現相對簡(jiǎn)單，如應用于交流感應電機的恒定電壓/頻率方法，但由電流和頻率產(chǎn)生的轉矩和磁通所產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)效應使得標量控制響應較為遲緩。向量控制能消除場(chǎng)電流向量和電樞磁通的關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此可以對電流向量和電樞磁通進(jìn)行獨立控制，從而提供快速的瞬態(tài)響應。
      標量控制不適用于精確的位置控制，因為標量控制依賴(lài)于對轉矩的瞬時(shí)控制。這需要對定子電流進(jìn)行瞬時(shí)改變(由于存在儲能效應，這通常難以實(shí)現)，或者需要對轉子電流進(jìn)行瞬時(shí)改變(這時(shí)標量控制通過(guò)定子電流進(jìn)行間接控制)來(lái)實(shí)現。類(lèi)似地，當標量控制提供適當的穩態(tài)速率控制時(shí)，由負載改變引發(fā)的精確響應速率控制需要精確的響應轉矩控制。
      當采用交流電機向量控制時(shí)，向量方法可克服暫態(tài)響應遲緩的缺陷。如果應用中需要向量控制，那么就能采用成本相對較低的微控制器實(shí)現，從而不會(huì )顯著(zhù)增加成本。
      向量控制原理
      在典型的交流感應電機中，間隔為120°的3路交流電分別位于電機上的3個(gè)靜態(tài)定子線(xiàn)圈上。結果，由在轉子鼠籠繞組導體中生成交流電的定子所引入的磁通將產(chǎn)生電樞磁通，這些場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生了轉矩。
      與直流電機不同的是，交流感應電機的轉子電流不能通過(guò)外部進(jìn)行直接控制，但可以通過(guò)定子場(chǎng)與轉子導體中感應的電流的交互作用來(lái)實(shí)現控制。由于定子和轉子之間的物理絕緣，交流感應電機本身不具最優(yōu)的轉矩生成條件。
      交流感應電機的向量控制類(lèi)似于分開(kāi)勵磁的直流電機控制。如圖1所示，在直流電機中，場(chǎng)電流Ia生成的場(chǎng)磁通Φf與電樞電流Ia生成的電樞磁通Φa正交。這些場(chǎng)相互之間獨立，并保持相對穩定。因此，當電樞電流用于轉矩控制時(shí)，場(chǎng)磁通不受影響，從而實(shí)現快速的暫態(tài)響應。在這里，轉矩(T ) ∝ Ia×If，Ia表示轉矩分量，而If表示場(chǎng)分量。
      向量控制致力于在交流電機中重構正交分量，以使磁通生成的電流和轉矩生成的電流分離，從而實(shí)現與直流電機相當的響應性能。
      三相電機可由定子和轉子均采用橫坐標(d)和縱坐標(q)表示的相當的兩相電機表示。圖2顯示了交流感應電機的d-q表示。ds-qs表征定子架的橫坐標和縱坐標，而dsr-qsr則表示轉子的旋轉坐標系統的橫坐標和縱坐標。
由于iu與ds保持一致，這樣3個(gè)定子電流iu、iv和iw的向量和就能采用定子坐標系統中的正交分量ds和qs進(jìn)行表示(某些文獻也將這兩個(gè)坐標軸稱(chēng)為α和β)
      由于在三相平衡系統(具有絕緣中性點(diǎn))中iu + iv+ iw = 0，這樣方程1可改寫(xiě)為：
      方程2表示如何將三相定子電流變換為2相正交向量，這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)為Clarke變換。為了實(shí)施變換，我們只需測量?jì)陕废嚯娏鳎磇u和iv。
      更進(jìn)一步的變換需要將定子架分量與轉子旋轉坐標系相關(guān)聯(lián)，這可通過(guò)以下的Park變換實(shí)現：
      這里θr表示轉子磁通的角坐標。
      對于ds-qs坐標軸，在角速度為ω且角位移為θr (θr = ωt)的同步旋轉坐標系中，Park變換可提供定子電流的橫坐標和縱坐標分量(idsr和iqsr)。因此，在穩態(tài)情形下，旋轉坐標系的坐標將不隨時(shí)間變化。
      直流電機采用了向量控制，ids(r) 與場(chǎng)電流If (磁通分量)類(lèi)似，而iqs(r) 則與電樞電流Ia (轉矩分量)類(lèi)似。
      只要idsr保持與轉子的磁通向量平行，且iqsr超前idsr90°，那么就能獨立控制磁通和電流。
向量控制的實(shí)現
      為了獲得良好的動(dòng)態(tài)控制性能，必須對感應電機旋轉坐標系的iq和id進(jìn)行控制。通過(guò)采用閉環(huán)控制，將iq和id與電機的實(shí)際測量值進(jìn)行對比。
      為了獲取電機參數值，必須將測量得到的三相定子電流變換為旋轉坐標系的橫坐標分量和縱坐標分量。所得的誤差項還可重新變換為三相量并應用于電機，圖3顯示了這一過(guò)程。
      引入磁通位置計算器的目的在于確保ids與轉子磁通平行，得到正確的場(chǎng)方向。AIM中轉子磁通的角位置既可以直接采用嵌入在電機中的傳感器進(jìn)行測量，也可以間接測量(較常用)。間接方法包括利用已知的轉子特性，計算定子場(chǎng)和轉子場(chǎng)之間的滑動(dòng)角，并根據轉子的物理位置進(jìn)行求和。通常可采用適用于電機軸的增量編碼器測量物理位置。
      實(shí)際得到的Id和iq分量與設定值之間的差異(誤差)可作為比例積分(PI)控制器的輸入。雖然PI控制器本身不是向量控制的一部分，但通常包含在這類(lèi)系統中，以提供最優(yōu)的電機閉環(huán)控制。作為旋轉坐標系基準的PI控制器輸出項，可利用方程3的逆變換再次變換為靜態(tài)幀，并利用方程2的逆變換將靜態(tài)幀變換為三相分量。下面兩個(gè)等式分別給出了Clarke逆變換和Park逆變換。

圖3為異步電機的向量控制系統，該系統可以方便地應用于PMSM控制。在PMSM控制中，磁通分量由永磁體生成(圖1中的固定勵磁繞組由旋轉的永磁體取代)。PM產(chǎn)生的轉子磁通以與轉子磁場(chǎng)相同的速率旋轉，因此，對于PMSM，設定的Id分量(λ)為0，并通過(guò)對旋轉速度積分獲得旋轉角。圖4為PMSM向量控制的系統配置。

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