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交流伺服電機的矢量控制

1.交流感應(yīng)伺服電機的矢量控制
矢量控制理論最先是在1971年由德國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺服系統(tǒng)中,直流伺服電機能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能,其根本原因是被控制只有電機磁通Ф和電樞電流Ia,且這兩個量是獨立的。此外,電磁轉(zhuǎn)矩(Tm=KT Ф Ia)與磁通Ф和電樞電流Ia分別成正比關(guān)系。因此,控制簡單,性能為線性。如果能夠模擬直流電機,求出交流電機與之對應(yīng)的磁場與電樞電流,分別而獨立地加以控制,就會使交流電機具有與直流電機近似的優(yōu)良特性。為此,必須將三相交變量(矢量)轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量(標(biāo)量),建立起交流電機的等效模型,然后按直流電機的控制方法對其進行控制。
下圖所示三相異步交流電機在空間上產(chǎn)生一個角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場Φ。如果用圖b中的兩套空間相差900的繞組α和β來代替,并通以兩相在時間上相差900的交流電流,使其也產(chǎn)生角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場Φ,則可以認為圖a和圖b中的兩套繞組是等效的。若給圖c所示模型上兩個互相垂直繞組d 和 q,分別通以直流電流id 和iq ,則將產(chǎn)生位置固定的磁場Φ,如果再使繞組以角速度ω0旋轉(zhuǎn),則所建立的磁場也是旋轉(zhuǎn)磁場,其幅值和轉(zhuǎn)速也與圖a一樣。

三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相α、β系統(tǒng)
這種變換是將三相交流電機變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C。上圖a所示的三相異步電機的定子三相繞組,彼此相差1200空間角度,當(dāng)通以三相平衡交流電流 iA, iB, iC 時,在定子上產(chǎn)生以同步角速度ω0旋轉(zhuǎn)的磁場矢量Φ。三相繞組的作用,完全可以用在空間上互相垂直的兩個靜止的α、β繞組代替,并通以兩相在時間上相差900的交流平衡電流 iα 和 iβ ,使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和角速度也分別Φ和ω0,則可以認為上圖a、b中的兩套繞組是等效的。
應(yīng)用三相/二相的數(shù)學(xué)變換公式,將其化為二相交流繞組的等效交流磁場。則產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場與三相A、B、C繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場一致。令三相繞組中的A相繞組的軸線與α坐標(biāo)軸重合,其磁勢為
按照磁勢與電流成正比關(guān)系,可求得對應(yīng)的電流值iα 和 iβ 。
三相交流磁勢的變換
除磁勢的變換外,變換中用到的其它物理量,只要是三相平衡量與二相平衡量,則轉(zhuǎn)換方式相同。這樣就將三相電機轉(zhuǎn)換為二相電機。
矢量旋轉(zhuǎn)變換
將三相電機轉(zhuǎn)化為二相電機后,還需將二相交流電機變換為等效的直流電機。若設(shè)d為激磁繞組,通以激磁電id,q為電樞繞組,通以電樞電流iq ,則產(chǎn)生固定幅度的磁場Φ,在定子上以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機了。將二相交流電機轉(zhuǎn)化為直流電機的變換,實質(zhì)就是矢量向標(biāo)量的轉(zhuǎn)換,是靜止的直角坐標(biāo)系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。這里,就是把iα 和 iβ 轉(zhuǎn)化為 id 和 iq ,轉(zhuǎn)化條件是保證合成磁場不變。iα 和 iβ的合成矢量是 i1,將其在Φ方向及垂直方向投影,即可求得id 和 iq 。 id 和 iq 在空間以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換公式為
直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換
矢量控制中,還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。由id和iq求i1,其公式為
采用矢量變換的感應(yīng)電機具有和直流電機一樣的控制特點,而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠,電機容量不受限制,與同等直流電機相比機械慣量小。
采用矢量變換的感應(yīng)電機具有和直流電機一樣的控制特點,而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠,電機容量不受限制,與同等直流電機相比機械慣量小。
2. 交流同步電機的矢量控制
基本原理
直流電機中,無論轉(zhuǎn)子在什么位置,轉(zhuǎn)子電流所產(chǎn)生的電樞磁動勢總是和定子磁極產(chǎn)生的磁場成90°電角度。因而它的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成簡單的正比關(guān)系。交流永磁同步電機的定子有三相繞組,轉(zhuǎn)子為永久磁鐵構(gòu)成的磁極,同軸連接著轉(zhuǎn)子位置編碼器檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子各繞組的相對位置。該位置與轉(zhuǎn)子角度的正弦函數(shù)關(guān)系聯(lián)系在一起。位置編碼器和電子電路結(jié)合,使得三相繞組中流過的電流和轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)角成正弦函數(shù)關(guān)系,彼此相差120°電角度。三相電流合成的旋轉(zhuǎn)磁動勢在空間的方向總是和轉(zhuǎn)子磁場成90°電角度(超前),產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩,如果能建立永久磁鐵磁場、電樞磁動勢及轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,在調(diào)速過程中,用控制電流來實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的控制,這就是矢量控制的目的。

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