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异步电机按定子磁场定向控制* 阮 毅 张晓华 徐 静 朱 峰 陈伯时 （上海大学200072） 摘 要：本文在矢量控制和直接转矩控制的基础上，取长补短，提出一种新型的异步电机按定子磁场定向控制的方法：采用定子电阻压降补偿和电流转矩分量的闭环控制，实现了定子磁链和电磁转矩的协调控制。实验结果表明，该方案完全可行，系统具有良好的静、动态性能。 关键词：异步电机 定子磁场定向 转矩控制 1 概 述 矢量控制和直接转矩控制是当今应用最为广泛的两类高动态性能的交流调速系统，两类系统各有所长，但也同时存在不足之处。 矢量控制采用转子磁场定向的方法，实现定子电流的励磁分量与转矩分量的动态解耦，采用PI连续调节方式，实现转矩与转子磁场的控制[1]。但其解耦性能取决于转子磁场的精确定向。由于转子磁链的观测或计算是在电机模型的基础上进行的，因而转子磁场的定向受到电机参数特别是易于变化的转子电阻的影响。 直接转矩控制根据转矩及定子磁链的偏差，分别采用砰砰控制的方法，根据定子磁链所在的扇区，直接产生PWM驱动信号[2]，系统结构简单，对转子参数不敏感。但砰砰控制决定了转矩脉动不可避免，虽然增加电压综合矢量个数可以降低转矩脉动，但不能消除。 本文在两种系统的基础上，取长补短，提出一种新型的异步电机按定子磁场定向的控制策略，其主要特点是： 1．定子磁链用电压模型计算，采用连续的闭环控制，在补偿定子电阻压降的基础上直接控制定子磁链的变化率。 2. 转速控制采用与矢量控制相仿的三环结构，内环为定子电流转矩分量控制，实现了转矩电流的快速跟随，第二环是转矩闭环控制，用以抑制定子磁链对转矩的扰动，最外环为转速闭环。 这种控制方法的优点在于：按定子磁场定向克服了矢量控制对转子电阻的直接依赖性；采用了连续的控制方法克服了砰砰控制带来的转矩脉动。 2 异步电机按定子磁场定向的动态模型 2.1 异步电机空间矢量模型 以定子磁链矢量 其中 2.2 按定子磁场定向的模型 将空间矢量沿定子磁场方向（d轴）和垂直于定子磁场的方向（q轴）分解，即 dq坐标系旋转角速度等于定子磁场旋转角速度： 采用按定子磁场定向的方法，将定子电流分解成两个分量 稳态时, 式（4）、式（5）表明，定子磁链 3 异步电机按定子磁场定向控制 按定子磁场定向的异步电机动态模型存在着严重的交叉耦合，若刻意追求对象的解耦控制，不但会使控制系统结构复杂，而且仍摆脱不了转子参数对系统的影响[1,3]。 电力传动系统的根本问题是转矩控制，从转矩控制效果出发，采用定子电阻压降补偿的方法，通过定子直轴电动势控制定子磁链，并通过控制电流转矩分量来达到控制转矩的目的。既实现了定子磁链和转矩的连续控制，又避开了控制器对转子参数的依赖性。 3.1 定子磁链控制 由于式（4）的电流模型中含有 采用定子电阻压降补偿后可直接控制直轴电动势 定子磁链调节器采用比例调节器。当偏差大时， 图1 定子磁链控制 3.2 电磁转矩控制 电磁转矩 图2 电磁转矩控制 4 系统的实现 异步电机按定子磁场定向控制系统的结构原理如图3所示，由于定子磁链与电磁转矩不易直接检测，可根据动态模型计算定子磁链和电磁转矩，以构成闭环控制。 4.1 定子磁链计算 计算定子磁链在静止坐标系(α、β)的两个分量： 经过极坐标变换，即可得到定子磁链的幅值与角度： 4.2 电磁转矩计算 静止两相电流 图3 异步电机按定子磁场定向控制系统的结构原理图 5 实验结果 实验电机：额定功率0.6kW，额定电压220V，额定电流2.8A，额定转速1420r/min，额定频率50Hz。 图4 n=±1440r/min，转速、定子磁链和定子电流转矩分量波形 图5 n=1440r/min，突加额定负载时的转速、定子磁链和定子电流 转矩分量波形 图6 n=150 r/min额定负载时，转速和定子实际电流波形 6 结 论 1．在异步电机按定子磁场定向控制系统的控制器中不直接出现易于变化的转子电阻，克服了按转子磁场定向对转子电阻的依赖性。 2．定子磁链与电磁转矩都采用连续控制，克服了砰砰控制带来的转矩脉动。实验结果表明，系统具有良好的静、动态性能。 3．定子磁链的间接计算和定子电阻压降补偿均与定子电阻有关，如何克服定子电阻变化的影响，提高定子磁链计算精度，有待于进一步研究。 参考文献： [1] Werner Leonhard, Control of Electrical Drives, 2nd Completely Revised and Enlarged Edition, Springer-Verlag, 1996: 262~282 [2] M. Depenbrock, et al. Direct Self Control (DSC) of Inverter-fed Induction Machine, IEEE Trans. PE,1988, PE-3(4):420~429 [3] Xie Hongming, Ruan Yi, Chen Boshi, Stator Flux Oriented Continuous Control of Torque in Induction Motors, Journal of Shanghai University,vol.4, No.1, Mar., 2000:49~53 |
、定子电流矢量 
和转速 
为状态变量，并以定子A相轴线为参考矢量，得到异步电机空间矢量模型, 
（1）
、 
分别为定、转子电阻， 
、 
分别为定、转子自感， 
为漏磁系数， 
为定转子互感， 
为转子电磁时间常数， 
为定子电压矢量，T为电磁转矩，TL为负载转矩。
、 
、 
， 
为定子磁链矢量与定子A相轴线的夹角。代入式（1），并将实部与虚部分离，可得异步电机按定子磁场定向模型： 
(2)
(3)
和 
， 
是定子电流的励磁分量， 
是定子电流的转矩分量。由式（2）第一及第二行导出 
(4)
(5)
并非由 
单独产生，当电磁转矩 
时， 
起去磁作用，这是按定子磁场定向与按转子磁场定向的不同之处。
对 
的耦合，按它来控制将使系统比较复杂，故改用电压模型，按定子磁链幅值变化率即直轴电动势控制。 
（6）
。根据定子磁链给定值 
和实际值 
的偏差 
产生直轴电动势给定值 
，再加上定子电阻压降，产生定子电压直轴分量给定值 
，参见图1。
(7)
也大，尽快消除磁链偏差，随着偏差的减小， 
也减小，可以避免超调。当偏差为零时， 
，此时 
抵消定子电阻压降 
，维持 
不变。
，采用电流闭环控制使实际电流的转矩分量 
快速跟随给定值 
。当定子磁链变化引起转矩变化时，通过转矩调节器及时调整 
，使电磁转矩跟随给定值。电磁转矩给定值 
由转速调节器产生。
(8) 
(9)
、 
经过旋转变换得到 
、 
，电磁转矩为 
。
