电机矢量控制的分析方法

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资料介绍

在电机的运行中，是由电机定子和转子磁场同步旋转，建立的一个具有同步旋转速度的旋转坐标系，这个旋转坐标系就是常说的D-Q旋转坐标系。在该旋转坐标系上，所有电信号都可以描述为常数。为了方便电机矢量控制问题的研究，能否由仪器直接得到D-Q变换的结果呢？
　　D-Q变换是一种解耦控制方法，它将异步电动机的三相绕组变换为等价的二相绕组，并且把旋转坐标系变换成正交的静止坐标，即可得到用直流量表示电压及电流的关系式。D-Q变换使得各个控制量可以分别控制，可以消除谐波电压和不对称电压的影响，由于应用了同步旋转坐标变换，容易实现基波与谐波的分离。
　　由于直流电机的主磁通基本上唯一地由励磁绕组的励磁电流决定，所以这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根本原因。
　　如果能将交流电机的物理模型等效地变换成类似直流电机的模式，分析和控制就可以大大简化。坐标变换正是按照这条思路进行的。
　　交流电机三相对称的静止绕组A 、B 、C ，通以三相平衡的正弦电流时，产生的合成磁动势是旋转磁动势F，它在空间呈正弦分布，以同步转速ws（即电流的角频率）顺着A-B-C的相序旋转。这样的物理模型绘于下图中。
　　电机矢量控制的分析方法

　　旋转磁动势并不一定非要三相不可，除单相以外，二相、三相、四相、……等任意对称的多相绕组，通以平衡的多相电流，都能产生旋转磁动势，当然以两相最为简单。图2中绘出了两相静止绕组a和b它们在空间互差90°，通以时间上互差90°的两相平衡交流电流，也产生旋转磁动势F。
　　当图1和2的两个旋转磁动势大小和转速都相等时，即认为图2的两相绕组与图1的三相绕组等效。图3两个匝数相等且互相垂直的绕组d 和q，其中分别通以直流电流id和iq，产生合成磁动势F，其位置相对于绕组来说是固定的。如果让包含两个绕组在内的整个铁心以同步转速旋转，则磁动势F自然也随之旋转起来，成为旋转磁动势。把这个旋转磁动势的大小和转速也控制成与图1 和图2中的磁动势一样，那么这套旋转的直流绕组也就和前面两套固定的交流绕组都等效了。
　　电机矢量控制的分析方法

　　图3 旋转的直流绕组
　　由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图1的三相交流绕组、图2的两相交流绕组和图3中整体旋转的直流绕组彼此等效。或者说，在三相坐标系下的iA、iB 、iC，在两相坐标系下的ia、ib和在旋转两相坐标系下的直流id、iq是等效的，它们能产生相同的旋转磁动势。
　　D-Q坐标变换的应用
　　电机坐标变换理论在电气工程领域已经被广泛应用，不但在电机控制及瞬态分析方面被广泛应用，而且在电力系统故障分析以及电网电能质量的检测与控制等领域也被采用，电机坐标变换理论的应用主要有以下几方面。
　　1、电机控制
　　2、电机的瞬态运行分析
　　3、电机的故障诊断
　　测试方法
　　D-Q变换在电机测试中的应用非常广泛。只要能准确得到转子位置和准确测量三相信号的电流，使用高速的FPGA并行实现实时的算法运算，通过clark变换将相对定子静止的三相坐标系转换为相对定子静止的两相坐标系，得出对应的变换输出Iα和Iβ，然后使用park变换，将相对定子静止的两相坐标系转换为相对转子静止的两相坐标系从而算出ID和IQ。电机控制过程是反变换过程，首先设定励磁电流和转矩电流，然后变换到相对定子静止的两相，然后变换到相对定子静止的三相，从而实现对电机的控制。
　　目前ZLG致远电子正计划在功率分析仪中实现此D-Q变换功能，可以为电机控制提供参考，电机控制过程可以通过对比设定的值和功率分析仪测试的结果进行电机控制的研发设计，故障排查，算法优化等。