異步電動(dòng)機(jī)矢量控制及其實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)和發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制是電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)。為電動(dòng)機(jī)控制而專門(mén)設(shè)計(jì)的DSP已逐漸成為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)全數(shù)字實(shí)時(shí)控制的最有力的工具。因此，世界上各大DSP生產(chǎn)商將DSP的高運(yùn)算速度與單片機(jī)的高控制能力相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出電動(dòng)機(jī)控制的專用DSP。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；實(shí)現(xiàn)；

文章編號(hào)：1674-3520（2015）-12-00-02

一、交流異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制基本原理

任何電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩都是由主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生的。因此，為了弄清交流異步電動(dòng)的調(diào)速性能為什么不如直流電動(dòng)機(jī)的原因，將交流異步電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)情況進(jìn)行比較如下：

（一）支流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電路和電樞電路是互相獨(dú)立的：而交流異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和負(fù)載電流都在定子電路內(nèi)，無(wú)法將它們分開(kāi)。

（二）直流電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)和電樞磁場(chǎng)在空間是互差90度電角度；而交流異步電動(dòng)機(jī)的主磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子電流磁場(chǎng)間的夾角與功率因數(shù)有關(guān)。

（三）直流電動(dòng)機(jī)是通過(guò)獨(dú)立地調(diào)節(jié)兩個(gè)磁場(chǎng)中的一個(gè)來(lái)進(jìn)行調(diào)速的；交流異步電動(dòng)機(jī)則不能。

所以得出結(jié)論，在交流異步電動(dòng)機(jī)中，如果也能夠?qū)ω?fù)載電流和勵(lì)磁電流分別進(jìn)行獨(dú)立的控制，并使它們的勵(lì)磁在空間位置上也能互差90度電角度，那么，其調(diào)速性能就可以和支流電動(dòng)機(jī)媲美了。這一切可以用矢量控制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

二、產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的三種方法

任意多項(xiàng)繞組通以多相平衡的電流，都能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。為了找出在三相交流異步電動(dòng)機(jī)上模擬直流電動(dòng)機(jī)控制轉(zhuǎn)矩的規(guī)律，對(duì)下面三種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行分析。

（一）三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

如圖1-1所示是三相固定繞組A、B、C。這三相繞組的特點(diǎn)是：三鄉(xiāng)繞組在空間上相差120度，三相平衡的交流電流在相位上相差120度。

（a）三相繞組 （b）三相電流

圖1-1 三相繞組與三相交流電流

對(duì)三相繞組通入三相交流電后，其合成磁場(chǎng)入圖1-2所示。由圖可以看出，隨著時(shí)間的變化，合成磁場(chǎng)的軸線也在旋轉(zhuǎn)，電流交變一個(gè)周期，磁場(chǎng)也旋轉(zhuǎn)一周。在合成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，合成慈感應(yīng)強(qiáng)度不變，所以成為圓磁場(chǎng)。

（a） （b） （C）

圖1-2三相合成磁場(chǎng)

（二）兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

如圖1-3所示是兩相固定繞組。這兩相繞組在空間上相差90度，兩相平衡的交流電流在相位上相差90度。

（a）兩相繞組 （b）兩相電流

圖 1-3 兩項(xiàng)固定繞組

對(duì)兩相繞組通入兩相電流后，其合成磁場(chǎng)如圖1-4所示。由圖可見(jiàn)，兩相合成磁場(chǎng)也具有和三相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)完全相同的特點(diǎn)。

（a） （b） （c）

圖1-4兩相合成磁場(chǎng)

（三）旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

在如圖1-5（a）所示的旋轉(zhuǎn)體上，放置一個(gè)支流繞組M，M內(nèi)通入直流電流，這樣也將產(chǎn)生一個(gè)恒定磁場(chǎng)。這個(gè)恒定磁場(chǎng)是不旋轉(zhuǎn)的。但當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，恒定磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)，在空間形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于是借助于機(jī)械運(yùn)動(dòng)而得到的，所以也稱為機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

如果在旋轉(zhuǎn)體上放置兩個(gè)互相垂直的直流繞組M，T，則當(dāng)給這兩個(gè)繞組分別通入直流電流時(shí)，它們的合成磁場(chǎng)仍然是恒定磁場(chǎng)，如圖1-5（b）所示。

（a）旋轉(zhuǎn)體所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) （b）旋轉(zhuǎn)體上兩個(gè)直流繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)

圖1-5 機(jī)械旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

同樣，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)時(shí)，該合成磁場(chǎng)也隨之旋轉(zhuǎn)，我們稱它為機(jī)械旋轉(zhuǎn)直流合成磁場(chǎng)。而且，如果調(diào)節(jié)兩路支流中的任何一路時(shí)，直流合成磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也得到了調(diào)整。

這三種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間可以互相進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換。通常，把三相交流系統(tǒng)向兩相交流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換稱為Clarke變換，或稱3/2變換；兩相系統(tǒng)向三相系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換稱為Clarke逆變換，或稱2/3變換；把兩相交流系統(tǒng)向旋轉(zhuǎn)的直流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換稱為Park變換，或稱交/直變換；旋轉(zhuǎn)的直流系統(tǒng)向兩相交流系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換稱為Park逆變換，或稱直/交變換。

三、結(jié)論

矢量控制能夠改善三相異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩特性即異步電動(dòng)機(jī)模擬成直流機(jī)，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法，分別控制電機(jī)的勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，從而獲得與直流電動(dòng)機(jī)一樣的良好的動(dòng)態(tài)調(diào)速特性

DSP是屬于Modified Harvard架構(gòu)，即它具有兩條內(nèi)部總線：數(shù)據(jù)總線、程序總線。程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開(kāi)，各有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，取指和讀數(shù)可以同時(shí)進(jìn)行采用流水作業(yè)。每條指令的執(zhí)行劃分為取指令、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等若干步驟，由片內(nèi)多個(gè)功能單元分別完成。相當(dāng)于多條指令并行執(zhí)行，從而大大提高了運(yùn)算速度。多處理器接口。使多個(gè)處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度集成方便。現(xiàn)代DSP芯片都是將DSP芯核及其外圍電路綜合集成在單一芯片上。本次設(shè)計(jì)主要是對(duì)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的各環(huán)節(jié)，變換進(jìn)行DSP編程，大大改善了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行能力及其速度。