電機現(xiàn)代控制技術(shù)

電機現(xiàn)代控制技術(shù)

1.教學參考書：

《現(xiàn)代電機控制技術(shù)》王成元，機工出版社2009

《電機現(xiàn)代控制技術(shù)》王成元，機工出版社2008

《矢量控制交流伺服驅(qū)動電動機》王成元，機工出版社2002

《電機學》辜承林，華中理工大學出版社，2006

2.教學對象：電機專業(yè)方向（電氣工程及其自動化專業(yè)）3.課程性質(zhì)：專業(yè)選修課.4.主要內(nèi)容：電機矢量控制技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù).5.學時分配：28學時理論教學.6.考試：撰寫并打印3000字以上小論文.課堂平時考查.無故缺課2次不評優(yōu).論文要求：撰寫格式規(guī)范；論文內(nèi)容與課程內(nèi)容相關(guān).見示例.異步電動機相量圖第一章電機控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

VariableVoltageAndVariableFrequency;Servocontrol

一.電機控制技術(shù)1.恒壓頻比控制

思路:優(yōu)點：調(diào)節(jié)V/F的比值，磁通恒定，開環(huán)控制，簡單.易于實現(xiàn),控制成本低.缺點：控制精度也低.動態(tài)性能較差.2.矢量控制技術(shù)vectorcontrol直流電動機交流電動機借助于坐標變換數(shù)學方法，磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量解耦，仿照直流電動機的控制，就是異步電動機矢量控制的基本思想.

1971年，德國學者F.Blaschke提出了交流電動機矢量變換控制

矢量控制的不足：為解決矢量控制的磁場定向與坐標變換，需要準確地檢測或運算出轉(zhuǎn)子磁通矢量的位置和幅值，才能實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。圖：矢量控制簡化框圖

旋轉(zhuǎn)變壓器；光電編碼器；測速發(fā)電機；磁性編碼器3.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DirectTorqueControl）德國魯爾大學的Depenbrock（85年）教授首次提出的異步電機直接自控制理論日本學者I.Takahashi（87年）又提出了異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法優(yōu)點：省掉了矢量控制的坐標變換和為解耦而進行的數(shù)學模型處理。直接取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應迅速，是一種具有高動態(tài)性能的新型交流伺服驅(qū)動方式。主要不足：轉(zhuǎn)矩脈動圖：直接轉(zhuǎn)矩控制簡化框圖直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)應用在永磁同步電機上的研究滯后將近十年。大約在97年，國內(nèi)展開DTC相關(guān)研究。目前，多以理論研究為主，沒有形成批量產(chǎn)品。直接驅(qū)動技術(shù)直接驅(qū)動(DiretDrive，DD)方式在電氣傳動中早已有之，例如磁懸浮列車等，但在高性能機電一體化裝置中，采用直接驅(qū)動的傳動方式還是近十幾年的事情。典型的應用是數(shù)控機床、機器人和工業(yè)自動化生產(chǎn)線。以數(shù)控機床為例，基本傳動方式“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”。受精度和動態(tài)性能兩個方面制約。直接驅(qū)動（零傳動）能夠適應和具有滿足這種要求的能力，優(yōu)點1：高精度優(yōu)點2：高速和高加（減）速度優(yōu)點3：高動態(tài)響應優(yōu)點4：高機械剛度和可靠性不足：負載擾動；發(fā)熱；隔磁.二.不斷發(fā)展的各種控制策略自適應控制（modelreferenceadaptive

control）滑模變結(jié)構(gòu)控制（slidingmodecontrol,SMC）最優(yōu)控制系統(tǒng)（optimalcontrol）

H∞控制

模糊控制（Fuzzycontrol）人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ArtificialNeuralNetworks,ANN）遺傳算法GA(GeneticAlgorithm)

專家控制系統(tǒng)（expertcontolsystem）電機現(xiàn)代控制技術(shù)1.矢量控制技術(shù)2.直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)3.無傳感器控制技術(shù)4.直接驅(qū)動技術(shù)5.控制策略及智能控制第二章機電能量轉(zhuǎn)換與電機的電磁轉(zhuǎn)矩

一.電機中機電能量轉(zhuǎn)換1.磁能（磁場儲能）：線圈通電勵磁，磁通從0增長，磁鏈由0增長，磁場產(chǎn)生的總能量

2.磁共能：以電流為自變量積分，則有3.二者關(guān)系如圖所示4.磁能和磁共能之和

5.能量守恒*機電裝置能量方程：電源輸入的電能＝耦合電磁場內(nèi)儲能的增加＋能量損耗＋輸出的機械能*考慮各種損耗后：輸入的電能－電阻能量損耗＝耦合電磁場內(nèi)儲能的增加＋相應的介質(zhì)能量損耗

＋輸出的機械能＋機械能量損耗

*即能量守恒：輸入的凈電能=耦合場吸收的總能量+機械能的總能量*能量的微分形式：6.機電裝置

磁場軸線S轉(zhuǎn)子繞組軸線r7.電機中的機電能量轉(zhuǎn)換

磁能與磁共能磁能變化

磁共能變化

轉(zhuǎn)子靜止不動時：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時：

公式表明:當轉(zhuǎn)子因微小角位移引起系統(tǒng)磁能變化時，轉(zhuǎn)子上將受到電磁轉(zhuǎn)矩作用.2.電磁轉(zhuǎn)矩方向應為在恒磁鏈下傾使系統(tǒng)磁能減小的方向。用磁共能表示：

公式說明:當轉(zhuǎn)子因微小位移引起系統(tǒng)磁共能發(fā)生變化時，會受到電磁轉(zhuǎn)矩的作用;轉(zhuǎn)矩方向應為在恒定電流下傾使系統(tǒng)磁共能增加的方向.磁能和磁共能之和為磁路為線性（或忽略磁阻影響），則有

代入求取電磁轉(zhuǎn)矩

繞組A、B交鏈的自感、互感磁鏈為：線圈A和B產(chǎn)生感應電動勢

第一項和第二項是當θr=常值，即繞組A和B相對靜止時，由電流變化所引起的感應電動勢，稱為變壓器電動勢.第三項是因轉(zhuǎn)子運動使繞組A和B相對位置發(fā)生位移(θr變化)而引起的感應電動勢，稱為運動電動勢.

在dt時間內(nèi)，由電源輸入繞組A和B的凈電能為：

在dt時間內(nèi)由磁場儲能轉(zhuǎn)換的機械能為：

在dt時間內(nèi)耦合磁場吸收的總能量為：因此dt內(nèi)磁能變化：由繞組A和B中變壓器電動勢從電源所吸收的全部電能，和運動電動勢從電源所吸收電能的二分之一；由運動電動勢吸收的另外二分之一電能則成為轉(zhuǎn)換功率，這部分功率由電能轉(zhuǎn)換為了機械功率。由此可見：產(chǎn)生感應電動勢是耦合場從電源吸收電能的必要條件；產(chǎn)生運動電動勢是通過耦合場實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。與此同時，轉(zhuǎn)子在耦合場中運動將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，運動電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成了一對機電耦合項，是機電能量轉(zhuǎn)換的核心部分。即產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩必須存在運動電動勢；存在運動電動勢才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電機作為一種機電裝置，正是運動電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成了一對機電耦合項。二、電機的電磁轉(zhuǎn)矩1.電磁轉(zhuǎn)矩生成將公式改寫電磁轉(zhuǎn)矩就是定子勵磁磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用的結(jié)果。轉(zhuǎn)子磁場對氣隙磁場的影響，決定了電磁轉(zhuǎn)矩的生成和機電能量轉(zhuǎn)換過程。

當轉(zhuǎn)子磁場軸線與勵磁場軸線一致或相反(或)時，電磁轉(zhuǎn)矩為零。只有在轉(zhuǎn)子磁場作用下，使氣隙磁場軸線發(fā)生偏移時，才會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。氣隙磁場的“畸變”是轉(zhuǎn)矩生成的必要條件。轉(zhuǎn)子在運動中將電能轉(zhuǎn)化為機械能。電磁轉(zhuǎn)矩作用的方向為力求減小和消除氣隙磁場的畸變的方向。2.直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩與等效模型圖2-4兩極直流電機主磁極基波磁場軸線為d軸，將d軸旋轉(zhuǎn)90°為q軸;電樞繞組產(chǎn)生的基波磁場軸線與q軸一致。繞組旋轉(zhuǎn)，磁場軸線固定旋轉(zhuǎn)繞組稱為換向器繞組。

在直流電機動態(tài)分析中，常將這種換向器繞組等效為一個“偽靜止線圈”圖2-5偽靜止線圈

“偽靜止線圈”與換向器繞組從機電能量轉(zhuǎn)換角度看是等效的。

對實際的換向器繞組而言，當q軸磁場變化時會在電樞繞組內(nèi)感生變壓器電動勢，同時它又在旋轉(zhuǎn)，還會在d軸勵磁磁場作用下，產(chǎn)生運動電動勢。這種實際旋轉(zhuǎn)而在空間產(chǎn)生的磁場卻靜止不動的線圈稱之為偽靜止線圈，它完全反映了換向器繞組的特性，可以由其等效和代替實際的換向器繞組。直流電機等效模型

圖2-6直流電機的等效模型d軸為勵磁繞組軸線.q軸為換向器繞組軸線，即“偽靜止線圈”，其軸線在空間固定不動.當q軸磁場變化時會在線圈內(nèi)感生變壓器電動勢.q軸線圈又是旋轉(zhuǎn)的，會在d軸勵磁磁場作用下產(chǎn)生運動電動勢.電磁轉(zhuǎn)矩：公式表明，當勵磁電流if為恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩大小僅與轉(zhuǎn)子電流ia成正比;若控制主極磁場不變，電磁轉(zhuǎn)矩便僅與轉(zhuǎn)子電流有關(guān).從機電能量轉(zhuǎn)換角度看：轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生運動電動勢，轉(zhuǎn)子繞組吸收電能，將電能轉(zhuǎn)換為機械能.轉(zhuǎn)子成為能量轉(zhuǎn)換的“中樞”，所以通常又將轉(zhuǎn)子稱為電樞.3.三相同步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與等效模型圖2.2機電裝置圖2.7三相隱極同步電動機結(jié)構(gòu)定子繞組A改造為三相對稱繞組A-X、B-Y和C-Z；繞組B改造為嵌入轉(zhuǎn)子槽中的分布繞組設想，在s軸上安置一個單軸線圈s，其作用結(jié)果相當于三相定子繞組的作用結(jié)果，與s軸一道旋轉(zhuǎn)，通入正向電流is后，產(chǎn)生的正弦分布磁場即為定子旋轉(zhuǎn)磁場.再將轉(zhuǎn)子中分布勵磁繞組等效為集中勵磁繞組f，通入勵磁電流if后能夠產(chǎn)生與原轉(zhuǎn)子繞組相同的正弦分布勵磁磁場.用單軸線圈s代替定子三相繞組；用線圈f代替了轉(zhuǎn)子繞組.S或f線圈作用的結(jié)果與定子三相繞組和轉(zhuǎn)子勵磁繞組產(chǎn)生磁場和感應電動勢的作用的結(jié)果相同.電磁轉(zhuǎn)矩是定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用的結(jié)果，其大小和方向決定于這兩個旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和磁場軸線的相對位置.三相隱極同步電機等效物理模型

兩個磁場軸線間的電角度為β，大小決定于定子旋轉(zhuǎn)磁場速度ωs和轉(zhuǎn)子速度ωr。產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩凸極結(jié)構(gòu)的同步電動機，還會產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩

圖2.9三相凸極同步電機結(jié)構(gòu)圖2.10三相凸極同步電機等效模型總電磁轉(zhuǎn)矩為4.三相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與等效模型圖2.11三相感應電動機的結(jié)構(gòu)圖圖2.12三相感應電動機的等效物理模型定子等效單軸線圈s和等效電流與三相同步電機的相同.轉(zhuǎn)子等效單軸線圈的軸線即為轉(zhuǎn)子三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場軸線，等效電流流入該線圈后，會產(chǎn)生與實際轉(zhuǎn)子磁場相同的磁場.電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩的方向為傾使減小的方向，即為逆時針方向。電磁轉(zhuǎn)矩方向?qū)⑴c定子合成旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。電磁轉(zhuǎn)矩方向與定子旋轉(zhuǎn)磁場方向一致。5.電磁轉(zhuǎn)矩控制對電動機電磁轉(zhuǎn)矩的控制實現(xiàn)運動控制調(diào)速系統(tǒng)（運行穩(wěn)定、抗擾性能

）

伺服系統(tǒng)（快速響應、跟隨性能、控制精度

）對電動機的各種控制，歸根結(jié)底是對電磁轉(zhuǎn)矩的控制

附圖電動機及其負載第三章空間矢量和坐標變換

一.空間復平面與空間坐標圖3-1三相感應電動機軸向斷面與空間復平面空間復平面上，空間矢量還可表示為或直角坐標系中空間坐標概念：

以三相感應電動機為例來討論空間矢量。將與轉(zhuǎn)軸垂直的空間斷面作為空間復平面，用來表示電動機內(nèi)部的空間矢量。取定子A相繞組的軸線作為空間坐標參考軸，ABC三相繞組軸線構(gòu)成空間三相軸系，并且取定子A相繞組的軸線與實軸Re重合。二.電機中空間矢量1.定子磁動勢矢量圖3-2A相繞組產(chǎn)生的磁場單邊氣隙磁壓降在氣隙圓周上的分布基波磁動勢的幅值

用空間復平面的空間矢量來描述，記為其軸線與A軸一致.

基波分量的幅值

通過控制三相電流(時間變量)控制三相繞組的基波磁動勢(空間矢量)這為實現(xiàn)矢量控制奠定了基礎三相繞組產(chǎn)生的基波合成磁動勢，也為空間矢量，表示如下：

可將、a、看作空間復平面內(nèi)的單位矢量，用他們來表示由三相繞組軸線ABC構(gòu)成的空間三相軸系，可利用這個ABC軸系來表示三相繞組產(chǎn)生的各空間矢量.的運動軌跡決定于、、的變化規(guī)律.圖3-4定子合成磁動勢矢量fs及其運動軌跡在正弦穩(wěn)態(tài)下，定子三相電流瞬時值

則磁動勢用空間矢量表示合成磁動勢則有

在動態(tài)情況下，定子三相電流是非正弦電流，

磁動勢一般表達式：動態(tài)情況下，控制定子三相電流可以控制磁動勢運動軌跡或反之2.轉(zhuǎn)子磁動勢矢量轉(zhuǎn)子基波合成磁動勢可表示圖3-5轉(zhuǎn)子三相繞組軸線構(gòu)成的abc軸系正弦穩(wěn)態(tài)下，轉(zhuǎn)子三相電流瞬時值轉(zhuǎn)子三相合成磁動勢

如果取轉(zhuǎn)子的a軸作為空間復平面的實軸Re，這個復平面就成為旋轉(zhuǎn)復平面。用旋轉(zhuǎn)復平面來表示轉(zhuǎn)子磁動勢矢量：轉(zhuǎn)子軸系abc表示的空間矢量

是由轉(zhuǎn)子觀測到的，它相對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為轉(zhuǎn)差頻率

是從定子觀測到的，它相對定子的旋轉(zhuǎn)角速度為。關(guān)系式：3.定子電流矢量圖3-6定、轉(zhuǎn)子電流矢量與單軸線圈三相合成磁動勢矢量

與單軸線圈產(chǎn)生的磁動勢矢量相同

定義定子電流空間矢量4.轉(zhuǎn)子電流矢量轉(zhuǎn)子實際電流等效的靜止轉(zhuǎn)子中的電流，也就是經(jīng)轉(zhuǎn)子頻率歸算后的電流.定、轉(zhuǎn)子三相繞組等效為旋轉(zhuǎn)的單軸線圈；產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同；相當于用兩個旋轉(zhuǎn)的定、轉(zhuǎn)子單軸線圈分別代替了定、轉(zhuǎn)子三相繞組。

5.定、轉(zhuǎn)子電流等效正弦穩(wěn)態(tài)下將靜止的三相繞組中的正弦電流變換為了旋轉(zhuǎn)的單軸線圈中的直流。同理單軸線圈s和r中流入的均是恒定的直流，而且定、轉(zhuǎn)子單軸線圈軸線間的空間相位保持不變，定，轉(zhuǎn)子磁場相互作用的結(jié)果一定會產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

從產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩看，相當于將一臺三相感應電動機轉(zhuǎn)換為一臺直流電動機。6.定子電壓矢量（形成6個非零電壓矢量和2個零電壓矢量）三相繞組由逆變器供電VT1、VT2、VT6閉合時的電路電壓矢量us1的構(gòu)成圖3-7定子電壓矢量7.定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量定子磁鏈矢量轉(zhuǎn)子磁鏈矢量定、轉(zhuǎn)子三相繞組轉(zhuǎn)換為單軸線圈s和r，則磁鏈矢量為三相感應電動機自感、互感磁鏈

圖3-8感應電機的物理模型

8.電磁轉(zhuǎn)矩的矢量方程以不同空間矢量表示的三相感應電動機電磁轉(zhuǎn)矩方程

在定義了空間算子之后，拓寬了電機學中關(guān)于空間矢量的概念。除了原有的定、轉(zhuǎn)子磁動勢矢量之外，又進一步提出了定、轉(zhuǎn)子電流空間矢量，電壓空間矢量，磁鏈空間矢量.三.坐標變換及約束條件1.坐標線性變換2.功率不變約束

變換前輸入（或輸出）電路的瞬時功率為

變換后輸入（或輸出）電路的瞬時功率為若變換矩陣為則3.常用的坐標系4.常用的坐標變換方法（1）靜止3/2坐標變換（Clarke）（2）靜止三相/旋轉(zhuǎn)兩相坐標變換—dq0變換—派克變換（Park）dq旋轉(zhuǎn)到靜止三相坐標系ABC有

（3）靜止兩相/旋轉(zhuǎn)兩相坐標變換運動電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成了一對機電耦合項，是機電能量轉(zhuǎn)換的核心部分。產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩必須存在運動電動勢；存在運動電動勢才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩是定、轉(zhuǎn)子磁場相互作用的結(jié)果，其大小和方向決定于這兩個旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和磁場軸線的相對位置。定義了空間算子之后，拓寬了電機學中關(guān)于空間矢量的概念。定轉(zhuǎn)子坐標系下的空間矢量表達式。電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程。坐標變換第四章三相感應電動機矢量控制

一.ABC軸系矢量方程圖4-1三相感應電動機物理模型定子三相繞組電壓的標量方程；定子電壓矢量方程轉(zhuǎn)子三相繞組電壓的標量方程；轉(zhuǎn)子電壓矢量方程ABC軸系表示的轉(zhuǎn)子電壓矢量方程異步電動機運動電動勢與電磁轉(zhuǎn)矩一般情況下：正弦穩(wěn)態(tài)情況下：產(chǎn)生運動電動勢是產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的必要條件二.轉(zhuǎn)子磁場定向MT軸系的矢量方程基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制要將定子電流矢量分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量.需要通過坐標變換來實現(xiàn).1．靜止ABC軸系到靜止αβ（DQ）軸系的坐標變換

圖4-3靜止ABC軸系與靜止DQ軸系ABC軸系到(DQ)軸系的等效變換，僅是一種相數(shù)的變換

正弦穩(wěn)態(tài)時，三相定子電流2．靜止αβ（DQ）軸系到任意同步旋轉(zhuǎn)MT軸系的變換即通過DQ軸系到任意同步旋轉(zhuǎn)MT軸系的變換，已將定子二相繞組中的對稱正弦電流變換為了MT軸系定子二相繞組中的恒定直流。靜止ABC軸系——靜止DQ軸系，“相數(shù)變換”；靜止αβ（DQ）軸系——同步旋轉(zhuǎn)MT軸系，“頻率變換”；三相感應電動機變換為了等效的直流電動機。圖4-4靜止DQ軸系與任意同步旋轉(zhuǎn)MT軸系3．轉(zhuǎn)子磁場定向MT軸系矢量方程（1）磁場定向技術(shù)

將MT軸系沿轉(zhuǎn)子磁場定向，常將這種矢量控制稱為基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，又稱為轉(zhuǎn)子磁場定向控制或者磁場定向控制(fieldorientationcontrol,FOC)。將轉(zhuǎn)子磁場在T軸方向上的分量為零作為磁場定向的約束條件。圖4-5MT旋轉(zhuǎn)軸系的磁場定向（2）MT軸系下定、轉(zhuǎn)子磁鏈方程（3）MT軸系下定、轉(zhuǎn)子電壓方程圖4-6定子MT軸系換向器繞組穩(wěn)態(tài)下，MT軸系電壓矢量方程：空間定、轉(zhuǎn)子電壓矢量方程：等效變換為轉(zhuǎn)子磁鏈向M軸定向，且為恒定，磁場定向電壓矢量方程：用等效電路表示上式：

（4）轉(zhuǎn)子磁場定向電流方程定子電流轉(zhuǎn)矩分量定子電流勵磁分量（5）轉(zhuǎn)矩方程轉(zhuǎn)子磁鏈恒定時（6）轉(zhuǎn)速方程轉(zhuǎn)子磁鏈恒定時（7）小結(jié)在ABC軸系內(nèi)直接像直流電動機那樣控制電磁轉(zhuǎn)矩非常困難。將三相感應電動機由ABC軸系變換到磁場定向MT軸系后，可以得到轉(zhuǎn)矩方程，磁場定向后將三相感應電動機的轉(zhuǎn)矩控制，轉(zhuǎn)換為了與直流電動機相同的轉(zhuǎn)矩控制，不僅在穩(wěn)態(tài)下，即使在動態(tài)下也可實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)矩控制。

在轉(zhuǎn)子磁場定向MT軸系內(nèi)，轉(zhuǎn)矩分量和勵磁分量之間不存在耦合，并可各自獨立地控制，實現(xiàn)了解耦。相當于控制直流電動機電樞電流和勵磁電流.能夠獲得與實際直流電動機相媲美的控制品質(zhì)。三.基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)1.直接磁場定向-磁鏈觀測法

通過磁場檢測(或估計)來確定轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的空間位置.優(yōu)點：直接檢測磁場，方法簡單.缺點：由于受電機定、轉(zhuǎn)子齒槽的影響，檢測信號脈動較大，實際上難以應用.

（1）電壓-電流模型Fig.電壓-電流模型（注：此處dq即是靜止αβ軸系）（低速時不適合使用電壓-電流模型）（2）電流-轉(zhuǎn)速模型Fig.ABC軸系下的電流-轉(zhuǎn)速模型（電流-轉(zhuǎn)速模型適合于低速情況）磁場定向MT軸系表示的轉(zhuǎn)子電壓矢量方程a)定子三相電流和轉(zhuǎn)速的實測值作為輸入b)定子三相電流和轉(zhuǎn)子位置的實測值作為輸入

Fig.由MT軸系給出的電流-轉(zhuǎn)速模型2.由電壓源逆變器饋電的控制系統(tǒng)Fig.由電壓源逆變器饋電和直接磁場定向的伺服系統(tǒng)3.由電流可控電壓源逆變器饋電的控制系統(tǒng)Fig.由電流可控電壓源逆變器饋電和直接磁場定向的伺服系統(tǒng)4.間接磁場定向-轉(zhuǎn)差頻率法

將作為控制轉(zhuǎn)子磁鏈的指令值.而與有惟一的對應關(guān)系，將作為電動機的輸入量，可控制定子電流矢量的勵磁分量.電磁轉(zhuǎn)矩的指令值為可控制定子電流矢量的轉(zhuǎn)矩分量

和給定后，也就惟一確定了和

當這就是通過轉(zhuǎn)差頻率控制實現(xiàn)間接磁場定向的基本原理。所以，常將這種間接磁場定向方式稱為轉(zhuǎn)差頻率法。Fig.由電壓源逆變器饋電和間接磁場定向的伺服系統(tǒng)Fig.由電流可控電壓源逆變器饋電和間接磁場定向的伺服系統(tǒng)a)直角坐標b)極坐標2.5基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)仿真實例以3/2和2/3坐標變換為例，編制Simulink仿真軟件如下：數(shù)學模型仿真模型Fig.3/2矢量變換模塊數(shù)學模型仿真模型Fig.2/3矢量變換模塊

三相感應電動機的參數(shù)為：

功率Pn=3.7kW線電壓UAB=410V定子相繞組電阻Rs=0.087Ω轉(zhuǎn)子相繞組電阻Rr=0.228Ω定子繞組自感Ls=0.8mH轉(zhuǎn)子繞組自感Lr=0.8mH定、轉(zhuǎn)子之間的互感Lm=0.76mH轉(zhuǎn)動慣量J=0.662kg.m2額定轉(zhuǎn)速ωn=120rad/s極對數(shù)p=2轉(zhuǎn)子磁鏈給定為0.96Wb速度調(diào)節(jié)器參數(shù)為Kp=900，Ki=6電流滯環(huán)寬度為10。

系統(tǒng)空載起動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在t＝0.5s時突加負載TL＝100Nm，可得系統(tǒng)仿真圖，包括：轉(zhuǎn)矩te、轉(zhuǎn)速ωr、定子三相電流iABC電流和線電壓VAB。由仿真波形可以看出，在ωr＝120rad/s的參考轉(zhuǎn)速下，系統(tǒng)響應快速且平穩(wěn)；在t＝0.5s時突加負載，轉(zhuǎn)速發(fā)生突降，但又能迅速恢復到平衡狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)運行時無靜差.異步電動機矢量控制仿真結(jié)果圖1轉(zhuǎn)矩響應曲線

圖2轉(zhuǎn)速響應曲線

圖3相電流曲線圖4線電壓曲線第五章三相永磁同步電動機矢量控制

PMSM5.1基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量方程5.1.1轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及物理模型圖5-1面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖5-2插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖5-3內(nèi)裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

相當于電勵磁隱極同步電機相當于電勵磁凸極同步電機相當于電勵磁凸極同步電機PMSM的結(jié)構(gòu)簡圖圖5-4二極面裝式PMSM結(jié)構(gòu)簡圖

圖5-5二極插入式PMSM結(jié)構(gòu)簡圖

電勵磁電機交軸（q）氣隙大，磁導小，交軸電抗小.永磁電機直軸（d）氣隙大，磁導小，直軸電抗小對于內(nèi)裝式和插入式PMSM，因直軸氣隙大、磁路的磁導要小于交軸磁路的磁導.

面裝式PMSM，dq氣隙相等，交直軸電抗相等.

1.二極面裝式PMSM物理模型圖5-6）a.轉(zhuǎn)子等效勵磁繞組圖5-6）b.物理模型圖5-6b相當于將面裝式PMSM等效為了一臺電勵磁三相隱極同步電動機，惟一的差別是電勵磁同步電動機的轉(zhuǎn)子勵磁磁場可以調(diào)節(jié)，而面裝式PMSM的永磁勵磁磁場不可調(diào)節(jié)2.二極插入式PMSM物理模型圖5-7a)插入式轉(zhuǎn)子等效勵磁繞組圖5-7b)插入式PMSM物理模型5.1.2面裝式三相永磁同步電動機矢量方程

在根據(jù)物理模型建立數(shù)學模型之前，先做如下假設：(1)忽略定、轉(zhuǎn)子鐵心磁阻，不計渦流和磁滯損耗；(2)永磁材料的電導率為零，永磁體內(nèi)部的磁導率與空氣相同；(3)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；(4)永磁體產(chǎn)生的勵磁磁場在氣隙中均為正弦分布；(5)三相繞組產(chǎn)生的電樞反應磁場在氣隙中為正弦分布；(6)相繞組中感應電動勢為正弦波。1．定子磁鏈和電壓矢量方程上式兩端同乘系數(shù)以及（1a）得定子磁鏈矢量方程定子電壓矢量方程定子電流、磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量定子電壓相量方程2．電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程1）電磁轉(zhuǎn)矩可看成是由電樞反應磁場與永磁勵磁磁場相互作用的結(jié)果；2）大小決定于兩個磁場的幅值和相對位置；3）由于永磁體磁鏈幅值恒定，因此電磁轉(zhuǎn)矩決定于電樞反應磁場的幅值和相對永磁體磁鏈的相位角；4）正是存在電樞反應使氣隙磁場發(fā)生畸變，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。什么叫雙反應理論為什么用雙反應理論分析同步電機什么叫電樞反應其與直流電機電樞反應異同點為什么要進行dq旋轉(zhuǎn)坐標變換1.定子磁鏈和電壓方程（dq坐標系下）圖5-12同步旋轉(zhuǎn)dq軸系5.1.3插入式三相永磁同步電動機矢量方程

圖5-12同步旋轉(zhuǎn)dq軸系2.電磁轉(zhuǎn)矩方程電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程一般表達式

面裝式PMSM電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程表達式

5.2基于轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制及控制系統(tǒng)

5.2.1面裝式三相永磁同步電動機矢量控制及控制系統(tǒng)1．基于轉(zhuǎn)子磁場定向的轉(zhuǎn)矩控制同步電機變換到dq坐標系，dq軸系沿轉(zhuǎn)子磁場定向，即d軸一定要與方向一致。根據(jù)面裝式PMSM轉(zhuǎn)矩方程在dq軸系內(nèi)通過控制電流矢量的幅值和相位，就可控制電磁轉(zhuǎn)矩，或定子電流q軸分量，稱為轉(zhuǎn)矩電流。5.2.1面裝式三相永磁同步電動機矢量控制及控制系統(tǒng)2．弱磁控制

利用d軸電樞繞組電流，使其對永磁體產(chǎn)生去磁作用直軸電流——弱磁

交軸電流——轉(zhuǎn)矩面裝式PMSM弱磁控制(id<0)5.2.1面裝式三相永磁同步電動機矢量控制及控制系統(tǒng)3．坐標變換和矢量變換5.2.1面裝式三相永磁同步電動機矢量控制及控制系統(tǒng)

4．基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)由位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制環(huán)構(gòu)成的串級控制結(jié)構(gòu)異步電動機與同步電動機（面裝式）矢量控制對比分析同三相感應電動機基于轉(zhuǎn)子磁場矢量控制比較，面裝式PMSM的矢量控制要相對簡單和容易。三相感應電動機必須將定、轉(zhuǎn)子三相繞組同時進行變換；而面裝式PMSM只需要定子三相繞組的變換。三相感應電動機磁鏈估計依據(jù)的是定、轉(zhuǎn)子電壓矢量方程，涉及到多個電動機參數(shù)，電動機運行中參數(shù)變化會嚴重影響估計的精確性。三相同步PMSM，由于轉(zhuǎn)子磁極在物理上是可觀測的，通過傳感器可直接觀測到轉(zhuǎn)子磁場軸線位置，而且不受電動機參數(shù)變化的影響。三相感應電動機的機電能量轉(zhuǎn)換必須在轉(zhuǎn)子中完成，這使得轉(zhuǎn)矩控制復雜化。三相同步電動機的機電能量轉(zhuǎn)換在定子中完成，因此轉(zhuǎn)矩控制可直接在定子側(cè)實現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩控制的核心是對定子電流矢量幅值和相對轉(zhuǎn)子磁鏈矢量相位的控制。5.2.2插入式三相永磁同步電動機矢量控制及控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選擇的是令轉(zhuǎn)矩/電流比最大的控制方案，這相當于提高了逆變器和整流器的額定容量，降低了整個系統(tǒng)成本.圖5-24可獲得最大轉(zhuǎn)矩/電流比的定子電流矢量軌跡5.3PMSM矢量控制系統(tǒng)仿真實例

永磁同步電動機控制系統(tǒng)的仿真模型的整體設計框圖永磁同步電動機參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速ωr=100rad/s極對數(shù)p=4定子相繞組電阻Rs=2.875Ω定子dq軸電感Ld=Lq=0.85mH永磁體磁鏈ψf=0.175Wb轉(zhuǎn)動慣量J=0.0018kg·m2速度控制器參數(shù)為Kp=0.55，KI=32電流滯環(huán)比較器帶寬為h=20。系統(tǒng)空載啟動，待進入穩(wěn)態(tài)后，在t=0.5s時突加負載TL=50N·m，可得到系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和三相定子電流iA、iB、iC的仿真曲線.仿真結(jié)果第6章三相感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制6.1控制原理與控制方式6.1.1基本原理

電磁轉(zhuǎn)矩決定于和的矢量積，即決定于兩者幅值和其間的空間電角度.

公式中各物理量：極對數(shù)、勵磁電感、定子瞬態(tài)電感、轉(zhuǎn)子電感、定子磁鏈矢量模、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量模、負載角基本原理

若和保持不變，電磁轉(zhuǎn)矩就僅與負載角有關(guān)。調(diào)節(jié)負載角可有效控制電磁轉(zhuǎn)矩，這就是直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。在直接轉(zhuǎn)矩控制中，定子磁鏈矢量幅值或相位的變化，是依靠改變外加電壓矢量來實現(xiàn)的。如果定子磁鏈矢量(幅值和相位)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的響應一定具有滯后特。在很短暫的時間內(nèi)，可以認為轉(zhuǎn)子磁鏈矢量是相對不變的。6.1.2定子電壓矢量作用與定子磁鏈軌跡變化

在定子ABC三相軸系中，定子電壓矢量方程圖6-3定子電壓矢量作用與定子磁鏈矢量軌跡變化矢量方向相同定子磁鏈軌跡（六邊形）（圓形）圖6-5六個非零開關(guān)電壓矢量作用下的定子磁鏈軌跡6.2控制系統(tǒng)

6.2.1滯環(huán)比較控制1．滯環(huán)比較器以定子開關(guān)電壓矢量為中線，將空間復平面分成六個扇形區(qū)間表6-1開關(guān)電壓矢量選擇表2．控制系統(tǒng)構(gòu)成圖6-8直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)原理框圖6.2.2定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩估計

1．定子磁鏈估計1）電壓-電流模型2）電流-速度模型2．電磁轉(zhuǎn)矩估計6.4直接轉(zhuǎn)矩控制仿真舉例

圖6-16三相感應電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)仿真三相感應電動機的參數(shù)為：功率Pe=38kW，線電壓VAB=460V，定子電阻Rs=0.087Ω，定子電感Ls=0.8mH，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.228Ω，轉(zhuǎn)子電感Lr=0.8mH，互感Lm=0.74mH，轉(zhuǎn)動慣量J=0.662kg·m2，粘滯摩擦系數(shù)B=0.1N·m·s，極對數(shù)p=2?？刂破鳎簗ψs*|＝0.8Wb·匝，ωr*=80rad/s。把磁鏈滯環(huán)范圍設為[-0.001，0.001]，轉(zhuǎn)矩滯環(huán)范圍設為[-0.1，0.1]。三相感應電動機的定子磁鏈軌跡、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖示仿真結(jié)果圖6-22定子磁鏈圖6-23轉(zhuǎn)速響應圖6-24轉(zhuǎn)矩響應第7章三相永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制7.1控制原理與控制方式1．面裝式PMSM電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)子磁場與定子磁場相互作用的結(jié)果，即有：

轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的幅值不變，若能控制定子磁鏈矢量的幅值為常值，通過控制負載角就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，這就是PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理。

7.1控制原理與控制方式1．插入式和內(nèi)裝式PMSM電磁轉(zhuǎn)矩方程為：雖然插入式和內(nèi)裝式PMSM產(chǎn)生了磁阻轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子磁鏈矢量的幅值不變，若能控制定子磁鏈矢量的幅值為常值，通過控制負載角就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，這就是PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制基本原理。

7.1.2滯環(huán)比較控制與控制系統(tǒng)

PMSM的滯環(huán)比較控制，也是利用兩個滯環(huán)比較器分別控制定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩偏差。開關(guān)電壓矢量的選擇原則與三相感應電動機滯環(huán)控制時所確定的原則完全相同。滯環(huán)