電機(jī)的控制理論與控制系統(tǒng)

電力電子與現(xiàn)代控制

PowerElectronicandModernControl中國科學(xué)院研究生院第四章：電機(jī)的控制理論和控制系統(tǒng)簡介直流電機(jī)的控制異步電機(jī)的控制

1、標(biāo)量控制2、矢量控制：磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制電勵(lì)磁和永磁同步電機(jī)的控制

1、磁場定向控制2、直接轉(zhuǎn)矩控制簡介電機(jī)控制的任務(wù)：采用電力電子裝置，通過對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性的控制，使電機(jī)按照預(yù)定的方式或軌跡運(yùn)行。電機(jī)控制的類型：位置、速度和力矩控制；開環(huán)控制和閉環(huán)控制；標(biāo)量和矢量控制。電機(jī)控制的關(guān)鍵：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制電機(jī)的機(jī)械方程：

電機(jī)控制系統(tǒng)的性能的好壞取決于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。直流電機(jī)的控制及系統(tǒng)直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型：可以構(gòu)成直流電機(jī)的控制系統(tǒng)為：異步電機(jī)的控制標(biāo)量控制矢量控制1、磁場定向控制2、直接轉(zhuǎn)矩控制異步電機(jī)的標(biāo)量控制穩(wěn)態(tài)時(shí)，鼠籠型異步電機(jī)的電壓方程為：鼠籠型異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：鼠籠型異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖

忽略定子電阻時(shí)，定子磁鏈等于電壓與定子角頻率之比。轉(zhuǎn)子磁鏈等于轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子滑差頻率之比的負(fù)值。轉(zhuǎn)子磁鏈超前轉(zhuǎn)子電流90度。忽略定轉(zhuǎn)子磁鏈時(shí)，定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相等。所以，忽略時(shí)，鼠籠型異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩為：如控制定子磁鏈的幅值恒定，則穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與滑差頻率成正比。異步電機(jī)的標(biāo)量控制異步電機(jī)的矢量控制磁場定向控制1、磁場定向控制的基本理論2、磁場定向控制的實(shí)現(xiàn)3、磁場定向控制系統(tǒng)4、計(jì)算與仿真直接轉(zhuǎn)矩控制1、直接轉(zhuǎn)矩的基本理論2、直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)3、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)異步電機(jī)的磁場定向控制理論異步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓和磁鏈方程為：電磁轉(zhuǎn)矩：建立下述矢量：異步電機(jī)的電壓方程可表示為：轉(zhuǎn)子磁鏈定子磁鏈氣隙磁鏈?zhǔn)蠡\型異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖

轉(zhuǎn)子磁場定向控制如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致，此時(shí)有：異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：則有下述關(guān)系式成立：達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)：可見：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成兩個(gè)電流id1和iq1的乘積；調(diào)節(jié)id1的值就可改變轉(zhuǎn)子磁鏈大小，如果保持id1不變，調(diào)節(jié)iq1的值就可以線性的改變電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的值；id1稱之為電機(jī)勵(lì)磁電流分量，iq1為力矩電流分量。轉(zhuǎn)子磁場定向理論上最大轉(zhuǎn)矩為無限大。定子磁場定向控制異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與定子磁鏈方向一致，此時(shí)有：則有下述關(guān)系式成立：可見：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成電流iq1和定子磁鏈的乘積，如保持定子磁鏈恒定，調(diào)節(jié)定子電流iq1可以線性的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；調(diào)節(jié)id1的值就可改變定子磁鏈大小，但同時(shí)受iq1的影響。氣隙磁場定向控制異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與氣隙磁鏈方向一致，此時(shí)有：則有下述關(guān)系式成立：可見：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成電流iq1和氣隙磁鏈的乘積，如保持氣隙磁鏈恒定，調(diào)節(jié)定子電流iq1可以線性的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；調(diào)節(jié)id1的值就可改變氣隙磁鏈大小，但同時(shí)受iq1的影響。磁場定向控制的實(shí)現(xiàn)磁場定向控制的關(guān)鍵在于獲取定向磁鏈的空間位置和大小，只有在定向軸線與定向磁鏈重合，且保持定向磁鏈幅值大小恒定，才能獲得如直流電機(jī)一樣的解藕控制特性。按照獲取定向磁鏈位置的方式不同，磁場定向控制有兩種實(shí)現(xiàn)方法：1、直接法：直接檢測(cè)或計(jì)算定向磁鏈的空間位置和大小，又有：

A.測(cè)量法：在氣隙中放置磁鏈檢測(cè)裝置直接測(cè)量定向磁鏈；

B.計(jì)算法：利用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，以及測(cè)量的電壓電流轉(zhuǎn)速值直接計(jì)算出定向磁鏈的空間位置和大小，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同又有估計(jì)器和觀測(cè)器兩種。2、間接法：它是一種間接獲取定向磁鏈位置的一種方法。其基本原理是：見上圖所示的轉(zhuǎn)子磁場定向控制矢量圖，d軸在空間上相對(duì)于定子A相軸線以同步角頻率ω1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a相軸線以相對(duì)于定子A相軸線以轉(zhuǎn)子角頻率ωr逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。那么定向磁鏈的位置角為：轉(zhuǎn)子角頻率ωr由轉(zhuǎn)子位置傳感器量測(cè)得到，而滑差角頻率sω1可由電機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到，兩者之和即為同步角頻率ω1，積分可得定向磁鏈的空間位置角θ1。轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接法）構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（間接法）為：異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場間接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：1、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)再將速度置為零。滑差角頻率和轉(zhuǎn)子磁連位置角計(jì)算仿真事例1仿真事例2轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)（直接法）為：定向磁鏈的計(jì)算定向磁鏈的計(jì)算可以分成兩大類：開環(huán)計(jì)算（估計(jì)器Estimator）；電壓模型、電流模型和混合模型閉環(huán)計(jì)算（觀測(cè)器Observer）。狀態(tài)觀測(cè)器、滑模觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器等。定向磁磁鏈的計(jì)算一般需要量測(cè)以下各量：定子電壓和電流；轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算—電壓模型

反電勢(shì)積分法又稱U-I模型估計(jì)法，利用電機(jī)電壓方程通過積分來獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。從右式可見，該方法需要的參數(shù)主是定子電阻和定轉(zhuǎn)子漏感。具有實(shí)現(xiàn)方法簡單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于高速場合。該方法存在以下的缺陷：低速時(shí)，反電勢(shì)的值和由于PWM及死區(qū)效應(yīng)的影響所引起的噪聲相比相當(dāng)接近，給測(cè)量帶來了誤差；電阻值隨工作環(huán)境的變化而隨之變化，會(huì)引起誤差；積分器具有誤差積累、直流偏移和初始值問題。這三方面相互影響，最終會(huì)使計(jì)算磁鏈嚴(yán)重偏離實(shí)際值，也就失去了在低速領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。在定子αβ坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為則有：轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算—電流模型

電流法又稱為I-ω模型估計(jì)法，它利用定子電流和轉(zhuǎn)速通過計(jì)算獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。該方法極力避免了積分器的存在，從而消除了純積分器的影響，但是與此相對(duì)的是引入了更多的參數(shù)：轉(zhuǎn)速ωr和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)τ2。轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)受溫度和磁鏈飽和的影響是很大的，對(duì)該方法的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了影響。方法一：在定子αβ坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為：則有：方法二：在轉(zhuǎn)子αβ坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為：則有：混合模型電流模型和電壓模型開環(huán)觀測(cè)器都具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，是應(yīng)用最廣的兩種開環(huán)觀測(cè)器，這兩種開環(huán)觀測(cè)器的特性在很多方面可以互補(bǔ)，因此可以將它們聯(lián)接起來使用以獲得更好的計(jì)算結(jié)果。下圖為用Gopinath最小階觀測(cè)器理論設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀測(cè)器。圖中隱含的磁鏈參考值是電流模型生成的估計(jì)值，此閉環(huán)觀測(cè)器能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)開環(huán)觀測(cè)器之問自動(dòng)平滑的轉(zhuǎn)換：低頻時(shí)表現(xiàn)為電流模型的特性，高頻時(shí)為電壓模型的特性。校正環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)子αβ下電流模型定子αβ下電壓模型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場直接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：1、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)再將速度置為零。電壓模型電流模型仿真事例1仿真事例2異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制基本理論定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論輸出電壓空間矢量：V0V1V2V3V4V5V6V7Sa01010101Sb00110011Sc00001111兩電平電壓型逆變器電壓矢量:8非零電壓矢量:6(V1~V6)零電壓矢量:2(V0,V7)在定子αβ坐標(biāo)系下，定義異步電機(jī)定子電流和磁鏈空間矢量為：異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論在一個(gè)采樣周期內(nèi)，定子磁鏈增量為：如左圖所示，在扇區(qū)I的一個(gè)采樣周期內(nèi)，電壓空間矢量:V1V2V6將導(dǎo)致定子磁鏈增加，V3V4V5使定子磁鏈減??；V2V3V4將引起電磁轉(zhuǎn)矩增加，V1V5V6使電磁轉(zhuǎn)矩減小。在其他扇區(qū)與此類似?？梢娡ㄟ^選取不同的電壓空間矢量可知直接控制異步電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，這就是異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理。扇區(qū)1扇區(qū)6扇區(qū)5扇區(qū)4扇區(qū)3扇區(qū)2假設(shè)在一個(gè)采樣周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁鏈未生變化，電磁轉(zhuǎn)矩增量為：異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)將增個(gè)空間分成六個(gè)扇區(qū)，定義ζ1,ζ為異步電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的誤差帶寬。在扇區(qū)Ⅰ：1)當(dāng)△ψs=1時(shí),選取V2和V6增加定子磁鏈;2)當(dāng)△ψs=-1時(shí),選取V3和V5減小定子磁鏈;3)當(dāng)△Tem=1時(shí),選取V2和V3增加電磁轉(zhuǎn)矩;4)當(dāng)△Tem=-1時(shí),選取V5和V6減小電磁轉(zhuǎn)矩;5)當(dāng)△Tem=0時(shí),選取V0和V7使電磁轉(zhuǎn)矩保持不變。其他扇區(qū)開關(guān)矢量的選取見下表所示：

ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ△ψs=1△Tem=1V2V3V4V5V6V1△Tem=0V0V7V0V7V0V7△Tem=-1V6V1V2V3V4V5△ψs=-1△Tem=1V3V4V5V6V1V2△Tem=0V7V0V7V0V7V0△Tem=-1V5V6V1V2V3V4異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)《化妝品術(shù)語》起草情況匯報(bào)中國疾病預(yù)防控制中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所一、標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)和下達(dá)時(shí)間2006年衛(wèi)生部政法司要求各標(biāo)委會(huì)都要建立自己的術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)。1ONE二、標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)研制經(jīng)費(fèi)：3.8萬三、標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)意義術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)有利于行業(yè)間技術(shù)交流、提高標(biāo)準(zhǔn)一致性、消除貿(mào)易誤差，作為標(biāo)準(zhǔn)體系中的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)在各個(gè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系中均起著重要的作用。隨著我國化妝品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)逐步加快，所涉及的術(shù)語和定義的數(shù)量也在迅速增長，在此情形下，化妝品術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的制定就顯得尤為重要。四、標(biāo)準(zhǔn)的制訂原則1.合法性遵守《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》、《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例實(shí)施細(xì)則》中關(guān)于化妝品的定義。2.協(xié)調(diào)性直接引用或修改采用的方式，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的術(shù)語和定義相協(xié)調(diào)。3.科學(xué)性對(duì)于沒有國標(biāo)或定義不統(tǒng)一的術(shù)語，在定義時(shí)體現(xiàn)科學(xué)性的原則。4.實(shí)用性在標(biāo)準(zhǔn)體系中出現(xiàn)頻率較高，與行業(yè)聯(lián)系較緊密的術(shù)語優(yōu)先選用。五、標(biāo)準(zhǔn)的起草經(jīng)過

第一階段：資料搜集

搜集國內(nèi)外相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)并對(duì)國外文獻(xiàn)如美國21CFR進(jìn)行翻譯。第二階段：2007年末形成初稿

初稿內(nèi)容包括一般術(shù)語、衛(wèi)生化學(xué)術(shù)語、毒理學(xué)術(shù)語、微生物術(shù)語、產(chǎn)品術(shù)語、人體安全和功效評(píng)價(jià)術(shù)語，常用英文成份術(shù)語等７部分。第三階段：專家統(tǒng)稿1.2007年12月第一次專家統(tǒng)稿會(huì)（修訂情況：1.在結(jié)構(gòu)上增加原料功能術(shù)語、相關(guān)國際組織和科研機(jī)構(gòu)等內(nèi)容；2.在內(nèi)容上增加一般術(shù)語、產(chǎn)品術(shù)語的種類，將化妝品行業(yè)的新產(chǎn)品類別納入本標(biāo)準(zhǔn)；3.對(duì)于毒理學(xué)、衛(wèi)生化學(xué)、微生物學(xué)術(shù)語進(jìn)行修改；4.刪除與化妝品聯(lián)系不緊密、無存在必要的常用英文成分術(shù)語。2.2009年1月第二次專家統(tǒng)稿會(huì)會(huì)議意見：1.修改能引用國家標(biāo)準(zhǔn)的盡量引用國家標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)存在歧義的個(gè)別用詞進(jìn)行修改。2.刪除由于本標(biāo)準(zhǔn)中的“產(chǎn)品術(shù)語”一章和香化協(xié)會(huì)所制定的某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)存在重復(fù)，因此刪除“產(chǎn)品術(shù)語”一章的內(nèi)容；對(duì)“原料功能術(shù)語”的內(nèi)容進(jìn)行梳理，刪除了20余條內(nèi)容。3.增加專家建議增加“化妝品限用物質(zhì)”等若干項(xiàng)術(shù)語。第四階段：征求意見2009年2月面向全國公開征求意見。第五階段：征求意見的處理與形成送審稿。在征求意見的處理階段再次征求了相關(guān)專家的意見。六、標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容依據(jù)1.《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例》、《化妝品衛(wèi)生監(jiān)督條例實(shí)施細(xì)則》;2.《化妝品衛(wèi)生規(guī)范》;3.美國21CFR；4.相關(guān)領(lǐng)域國家標(biāo)準(zhǔn)如：GB5296.3-2008消費(fèi)品使用說明化妝品通用標(biāo)簽，GB/T14666-2003分析化學(xué)術(shù)語等；5.國內(nèi)外化妝品的相關(guān)文獻(xiàn)，如《化妝品監(jiān)督管理及安全性評(píng)價(jià)》等。七、標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和主要內(nèi)容（一）結(jié)構(gòu)：1.范圍2.一般術(shù)語3.毒理學(xué)試驗(yàn)方法術(shù)語4.衛(wèi)生化學(xué)檢驗(yàn)方法術(shù)語5.微生物檢驗(yàn)方法術(shù)語6.人體安全性和功效性評(píng)價(jià)術(shù)語7.常用原料術(shù)語8.縮寫9.中英文索引（二）主要內(nèi)容：1).一般術(shù)語39條涉及化妝品的基本定義、化妝品生產(chǎn)和監(jiān)督管理中出現(xiàn)頻率較高的術(shù)語。2).毒理學(xué)試驗(yàn)方法術(shù)語40條收錄了《化妝品衛(wèi)生規(guī)范》中涉及的術(shù)語，以及在毒理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)頻率較高、與化妝品毒理學(xué)試驗(yàn)方法聯(lián)系較密切的術(shù)語。3).衛(wèi)生化學(xué)檢驗(yàn)方法術(shù)語22條收錄了化妝品的衛(wèi)生化學(xué)檢驗(yàn)方法中較常用的術(shù)語。