转子磁场定向矢量控制系统构成优化

1）磁链的反馈控制无论是U/f控制，还是矢量控制，异步电动机的磁链直接影响系统的控制效果。磁链反馈控制系统如图1-26所示。

图1-26 磁链反馈控制系统

图1-26是矢量控制系统中的一部分。从电动机定子检测的三相电流经坐标变换，变换成i_ds和i_qs下标s表示定子量。i_ds和i_qs分别与电流分量i^∗_qs构成闭环控制，其误差信号经PI调节器产生d-q坐标系上定子电压设定值U^∗_ds和U^∗_qs，再经坐标变换产生U-V-W坐标系上的定子电压设定值U^∗_s。坐标变换所需两种坐标系轴线之间的夹角θ由检测的磁通计算得到。

2）磁链的前馈控制。所谓前馈控制是一种开环控制，它不检测被控制量磁链。矢量控制中坐标变换所需坐标系轴线之间的夹角由检测电动机的转速、计算得到的转子转差频率确定，图1-27示出系统构成，它是转差频率矢量控制的一部分，定子频率设定值由检测的转子角速度和转子转差角频率相加得到。

图1-27 磁链的前馈控制系统

图中励磁电流分量i^∗_ds和转矩电流分量i^∗_qs直接经坐标变换产生U-V-W坐标系上的定子电流设定值i^∗_s。从电动机定子检测的三相实际电流i_s与三相定子电流设定值i^∗_s构成电流闭环控制，电流调节器的输出为定子电压设定值U^∗_s。坐标变换所需两种坐标系轴线之间的夹角θ由式（1-18）和式（1-19）计算得到。

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式中，ω^∗₀是定子频率设定值；ω_r是检测的转子角速度；ω^∗_s是转子转差角频率。

由式（1-19）可看出，转差角频率的计算精度取决于电动机参数R₂和L₂的精度。当电动机运行后，电动机温度的变化将引起转子电阻的变化，电流的大小和频率对电动机的电感也会产生影响，这些因素都会影响系统的性能。传统的方法是检测电动机的运行温度，根据电动机转子的材料计算温度变化后的电阻值并加以适当补偿。利用现代控制理论，可以在系统运行时正确地辨识出转子时间常数L₁/R₂。

3）转子磁场定向矢量控制。所谓磁场定向指的是矢量控制中两相坐标系的轴线选择，当把d-q坐标系的d轴选择为转子磁通的轴线时，称之为转子磁场定向矢量控制。如果直接检测转子磁通，并进行控制称之为直接磁场定向控制，前述磁通反馈控制即为直接磁场定向控制。目前在工业中使用的是转差频率矢量控制，为间接磁场定向控制，图1-28是其系统的基本构成。

图1-28 转差频率矢量控制的系统构成

图1-28中的转矩电流分量I^∗₁为速度调节器的输出，速度调节器的输入为速度设定值与速度检测值的误差信号，适当设计速度调节器的参数，可以做到在稳态时速度无静差，并且有良好的动态性能。系统中各部分的计算公式已在前面讨论过。可以看出，系统中的控制变量有多个，控制对象也有多个，从控制系统的性能要求出发，希望当改变其中的某一个控制对象时，另一个控制对象并不会因此而改变，即可以独立进行控制。控制系统中的这种性能称之为解耦。显然，转子磁场定向转差频率矢量控制系统的转矩电流分量和励磁电流分量是解耦的，即控制转矩电流分量控制电动机的转矩时，电动机的磁链并不会因此而变化。

此外，直接转矩控制方法也正在研制和试运行中，但进入到实际应用的是以矢量控制为主。需要说明的是，对于变频器产品设计者来说，各种控制方式其实只是软件手段的“推演”，各个制造厂家、各种型号变频器的实际产品，变频器的主电路结构乃至于控制电路的硬件结构，都是大致相似甚至是相同的。作为用户，要求变频器运行于U/f模式或矢量控制模式，只需进行控制参数的设置和修改就行了。