三相异步电动机矢量控制技术分析丁苏

丁苏

（云南京建轨道交通投资建设有限公司云南省昆明市650000）

摘要：矢量控制技术是现代交流电机控制方式的发展方向之一，广泛应用于城市轨道交通车辆方面。矢量控制技术以经过3/2坐标变换的电机的动态模型为基础，利用坐标旋转变换技术实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，使交流电机在理论上能像直流电机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态性能。

关键词：异步电动机；空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）；矢量控制；磁通观测

1、矢量控制方法的发展

目前交流电机采用的控制方法主要可以分为两类：一个是基于转子磁场定向以及内部电流环控制的矢量控制方法，另一个是基于定子磁链观测和滞环比较控制器的直接转矩控制方法。1971年德国西门子公司的F.Blaschke提出异步电动机的矢量控制技术，使交流调速控制理论获得了第一次质的飞跃。

矢量控制技术使高性能交流调速得以实现，使其获得了巨大的发展空间。但是，矢量控制需要确定转子磁链的具体位置，同时为了使电机工作在合理的工作状态下，磁链幅值也必须加以控制。而磁链一般不能直接检测，因此在矢量控制系统中用电机参数计算出磁链的位置角或利用磁链观测器观测磁链。这些方法都与电机参数有关，而在电机运行过程中，电机参数会随环境温度和励磁条件的变化，在一定范围变动。

2、矢量控制的基本概念

3、矢量变换控制的基本思想

所谓矢量控制就是将用静止坐标系所表示的电动机矢量变换到以气隙磁场或转子磁场定向的坐标轴系。这里选用转子磁场定向。三相电流、、经过由三相静止坐标系到两相静止坐标系αβ轴，再由两相静止坐标系到两相旋转坐标系dq轴的变换，并使d轴沿着转子磁链的方向，则异步电动机就变成了由励磁电流分量和转矩电流分量分开控制的直流电动机。按照直流电动机的控制方法，求得控制量后，再经过坐标反变换，就能控制异步电动机，对异步电动机的控制转为转子磁链参照系下的直流电动机的控制。

PWM控制技术就是利用功率开关器件的通断把直流电压变换成电压脉冲列，并通过控制电压的脉冲宽度或周期以达到变频、变压的目的，该技术是地铁车辆电机驱动控制的核心技术之一。

PWM控制技术有很多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分可以把它分为四类：即等脉宽PWM法、正弦波PWM法（SPWM法）、空间电压矢量PWM法（SVPWM法）和电流跟踪的PWM法。

等脉宽PWM法为了克服PAM方式中逆变器部分只能输出频率可调的方波电压而不能调压的特点发展而来的，是PWM法中最为简单的一种。它的每一脉冲的宽度均相等，改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度可以调压，采用适当控制方法可以使电压和频率协调的变化。该方法的缺点是输出电压中除了基波成分外，还包括有较大的谐波成分。

SPWM法是为了克服等脉宽PWM法的缺点而发展起来的。它是从电动机供电电源的角度出发，着眼于如何产生一个可以调频、调压的三相对称正弦波电源。具体的方法是以一个正弦波作为基准波，用一系列等幅的三角波与基准正弦波相比较，由它们的交点确定逆变器的开关模式。当基准正弦波高于三角载波时，使相应的功率开关器件导通；当基准正弦波低于三角载波时，使开关器件截止。该方法的特点是，在半个周期中总是中间的脉冲宽，两边的脉冲窄，各脉冲的面积与该区间正弦波下的面积成比例，这样在输出电压中的低次谐波成分就可以大大减小。

还有许多和上述SPWM法相类似的PWM法，如梯形波与三角波相交的方法，马鞍波与三角波相交的方法（又称三次谐波注入法）等。它们的着眼点在于如何使变频器输出三相对称的正弦波电压或者提高基波电压幅值，因此可以认为是SPWM法的派生方法，可以归入SPWM法一类。

SVPWM法与SPWM法不同，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使电动机获得圆形的旋转磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁链圆为基准，用逆变器的不同开关模式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链圆，由跟踪的结果决定逆变器的开关模式，形成PWM波。由于该控制方法是把逆变器和电机作为一个整体来处理，建立了逆变器开关模式与电压空间矢量的内在联系，从而使控制系统结构得以简化。

以上三种PWM法都是控制输出电压的电压型逆变器，而电流追踪型PWM法虽然也采用电压逆变器的主电路结构，却是控制输出电流的电流型逆变器。其基本思想是将电动机定子电流的检测信号与给定电流信号用比较器进行比较，如果实际电流大于给定值，则通过逆变器的开关动作使之减小，反之增大。这样，实际电流波形围绕给定的正弦波作锯齿波变化，而开关频率越高，电流波动就越小。使用这种方法，将电动机的电压数学模型改变成为电流模型，可使控制简单，动态响应加快，还可以防止逆变器过电流。

结论

矢量控制技术应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，获得与直流调速系统同样优良的静/动态性能。

参考文献

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