2008/12/22 17:03:08
孔子曰:“朝聞道,夕死可矣”。
變頻器的技術(shù)發(fā)展很快無數(shù),從最初的V/F控制,到后來的閉環(huán)矢量控制,再到開環(huán)矢量控制,經(jīng)歷了一個較長的過程。其中開環(huán)矢量控制在1980年代由日本安川公司率先得以實現(xiàn),是一個非常成熟的控制體系。本人做過實驗,開環(huán)矢量控制,以安川616G5為例,在1Hz的運行頻率下,也能達(dá)到150%的額定轉(zhuǎn)矩。
我國在自動控制領(lǐng)域與日本或其它發(fā)達(dá)國家的已經(jīng)存在巨大差距,如果到現(xiàn)在,我們還停留在討論“矢量是否是個騙局”這樣的一個水平上,無疑將對初學(xué)者學(xué)習(xí)變頻器知識會有很大的傷害。所以發(fā)表此篇文章,力求深入淺出,方便大家理解矢量的基本含義。如有不對的地方,敬請朋友們提出指正的意見。
“矢”者,箭也。我們知道,要讓弓箭發(fā)揮作用,力度和方向都要控制好。所謂“矢量”,指的是既有大小又有方向的量。那么,“矢量控制”,也就是對方向和力度同時進(jìn)行控制。
如何理解矢量控制,我們需要先搞清電機(jī)的力的來源。我們一般所指的電機(jī)力,都來源于一個基本的原理,就是磁鐵同極性的排斥力,或者是異極性的吸引力。在此,可以先把電機(jī)的運動簡化為2塊磁鐵之間試圖對齊,而我們努力不然他們對其的結(jié)果。
從簡單的開始,我們先來看看直流電機(jī)。對于直流電機(jī),天生就實現(xiàn)了矢量控制。
1.先看看兩塊磁鐵分別在哪里?定子是一塊空間位置固定不變的磁鐵(在此,我們只討論最為常見的他勵方式),轉(zhuǎn)子是另一塊磁鐵。
2.有人會問,一塊固定的磁鐵,一塊旋轉(zhuǎn)的磁鐵,磁力線還怎么對齊啊?請看下一條。
3.轉(zhuǎn)子通電即產(chǎn)生磁場,形成另一塊磁鐵。這個磁鐵與定子磁鐵的夾角恰好為90度。
4.轉(zhuǎn)子受到磁力的影響產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,會偏過一個很小角度,然而此時通過換向器和電刷的配合,轉(zhuǎn)子磁場很快又調(diào)整回來了。也就是說,轉(zhuǎn)子雖然在動,轉(zhuǎn)子所形成的的磁場基本沒有動。
5.這樣,方向的控制,通過電刷、換向器、轉(zhuǎn)子繞組的配合得以實現(xiàn)。
6.此時,只要控制好轉(zhuǎn)子的電流,就控制了力的大小。
接下來,我們再來看看交流電機(jī)的情況。
1. 定子通過的是三相交流電,產(chǎn)生的是一個旋轉(zhuǎn)磁場。因此,可以認(rèn)為定子磁鐵是不斷旋轉(zhuǎn)的。
2. 要實現(xiàn)矢量控制,首先必須讓轉(zhuǎn)子的磁鐵也同步地轉(zhuǎn)起來。
3. 電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁場強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)度、2塊磁鐵之間的夾角的正弦成正比。關(guān)于這一點不難理解,兩塊磁鐵對齊的時候(0度,sin0°=0;),不存在電磁轉(zhuǎn)矩;兩塊磁鐵相差90度的時候(sin90°=1;),電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到頂峰;
4. 接下來控制的目標(biāo)就是:
1)穩(wěn)定其中的一個旋轉(zhuǎn)磁場的強(qiáng)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(qiáng)度以達(dá)到控制電磁轉(zhuǎn)矩大小(力矩控制)。
5. 關(guān)于坐標(biāo)變換的物理意義(以同步電機(jī)為例):
1)在電機(jī)不失步的情況下,可以認(rèn)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(chǎn)生的是一個旋轉(zhuǎn)磁場,那么自然可以把它想像成一個直流電產(chǎn)生的恒磁場,只不過這個恒磁場處于旋轉(zhuǎn)當(dāng)中。
3)如果恒磁場對應(yīng)的直流電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度,與對應(yīng)交流電產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度相等,就可以認(rèn)為兩者等同。
4)坐標(biāo)變換基于以上認(rèn)知,首先認(rèn)為觀察者站在恒定磁場上并隨之運轉(zhuǎn),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(biāo)變化計算出的結(jié)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(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)鍵因素。
6. 對于交流同步隱極電動機(jī)(常見于交流伺服電機(jī)):
1)其轉(zhuǎn)子磁場是恒定的(由磁鋼片決定)。
2)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前磁極位置用旋轉(zhuǎn)編碼器實時檢測。
3)定子磁極(旋轉(zhuǎn)磁場)的位置從A相軸線為起點,由變頻器所發(fā)的正弦波來決定。
4)實際上先有定子磁場的旋轉(zhuǎn),然后才有轉(zhuǎn)子磁場試圖與之對齊而產(chǎn)生的跟隨。
5)計算出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子磁場與A相軸線之間的偏差角度作為算子(相當(dāng)于觀察者與轉(zhuǎn)子磁場同步旋轉(zhuǎn)),通過坐標(biāo)變換分解出定子旋轉(zhuǎn)磁場中與轉(zhuǎn)子磁極對齊的分量(直軸電流Id),產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量(交軸電流Iq)。
7)定子電流所產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(xiàn)在直軸電流Id、交軸電流Iq的數(shù)值對比上。
8)驅(qū)動器通過前面的速度環(huán)的輸出產(chǎn)生電流環(huán)的給定,通過第6)條引入電流環(huán)的反饋Iq,通過PI控制產(chǎn)生Iq輸出。
9)設(shè)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(xiàn)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(biāo)反變換變換產(chǎn)生了三相電流的輸出。
11)當(dāng)Iq>0, 定子旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子磁場的超前90度,電磁轉(zhuǎn)矩依靠兩個磁場之間異性相吸的原理來產(chǎn)生,這時候電磁轉(zhuǎn)矩起到加速的作用。
12)當(dāng)Iq<0, 定子旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子磁場的仍然超前90度,但是定子磁場的N、S極調(diào)換了一下,電磁轉(zhuǎn)矩依靠兩個磁場之間同性相排斥的原理來產(chǎn)生,這時候電磁轉(zhuǎn)矩起到減速制動的作用。
13)從本質(zhì)上講,我們是依靠控制定子旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子磁場的夾角及該磁場的強(qiáng)度來實現(xiàn)矢量控制的。
7. 對于交流感應(yīng)電動機(jī)(即異步電機(jī)):
1)定子通入三相交流電,產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場,旋轉(zhuǎn)磁場以定子A相軸線為起點出發(fā),并與定子電流相位對齊。
2)定子旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組,產(chǎn)生三相感應(yīng)電勢e=dλ/dt,λ為穿過轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈。e產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流,然后產(chǎn)生另一個旋轉(zhuǎn)磁場-----轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場。如果λ隨空間(或時間)正弦變化,則e所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場滯后穿越轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁鏈90度。
3)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度疊加在旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上。事實上,這兩個磁場之間的旋轉(zhuǎn)是同步的。
4)與同步電機(jī)不同,感應(yīng)電機(jī)的兩個磁場之間不可能發(fā)生失步。因為轉(zhuǎn)子速度一旦慢了,定子旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子的速度就會加快,轉(zhuǎn)子三相感應(yīng)電勢產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場速度就必然加快。導(dǎo)致的結(jié)果仍然是兩者同步。
5)感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩便由這兩個磁場之間的試圖對齊的力產(chǎn)生。
6)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子電流對齊。
7)如果不考慮轉(zhuǎn)子漏感的影響,轉(zhuǎn)子為純阻性負(fù)載,轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢e與轉(zhuǎn)子電流同相位。此時,這定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場之間的角度相差90度。
8)實際上,轉(zhuǎn)子有漏感,且轉(zhuǎn)差率越大,漏感越大,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電流滯后轉(zhuǎn)子電勢一個角度,也就是說轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場要比感應(yīng)電勢e滯后一個角度。
9)所以,受轉(zhuǎn)子漏感的影響,我們無法保證定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相差90度,它們之間相差的角度大于90度而小于180度。那么,我們就必須控制控制定子旋轉(zhuǎn)磁場中與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場正交的部分,也就是穿過轉(zhuǎn)子繞組的凈磁鏈。
10)與同步電機(jī)的第1個區(qū)別在于,同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場自然產(chǎn)生,因此定子上無需直軸電流來產(chǎn)生磁場(Id=0),只需控制交軸電流Iq。而感應(yīng)電機(jī)的定子電流既需要直軸電流來產(chǎn)生定子旋轉(zhuǎn)磁場,又需要交軸電流來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場。
11)與同步電機(jī)的第2個區(qū)別在于,感應(yīng)電機(jī)矢量控制體現(xiàn)在保持定子磁場穿越轉(zhuǎn)子繞組的部分強(qiáng)度恒定,控制轉(zhuǎn)子電流自身產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的大小。
12)轉(zhuǎn)子起始磁極位置認(rèn)為是0。在運轉(zhuǎn)的過程中通過旋轉(zhuǎn)編碼器對其不斷進(jìn)行檢測。為什么可以認(rèn)為起始磁極位置=0,因為這一誤差會隨時間衰減到0。
13)定子磁極(定子旋轉(zhuǎn)磁場)的位置從A相軸線為起點,由變頻器所發(fā)的正弦波來決定。
14)計算出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁極與A相軸線之間的偏差角度。
15)通過霍爾元件檢測三相定子電流,以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場與A相軸線之間的偏差角度作為算子,通過坐標(biāo)變換分解出其中產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁極對齊的分量(直軸電流Id),產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量(交軸電流Iq)。
16)保持Id為恒定值,即保證穿過轉(zhuǎn)子繞組的凈磁鏈恒定。