1、电机现代控制技术,1.教学参考书：现代电机控制技术王成元，机工出版社 2009电机现代控制技术王成元，机工出版社 2008矢量控制交流伺服驱动电动机王成元，机工出版社 2002电机学辜承林 ，华中理工大学出版社，2006,2. 教学对象：电机专业方向（电气工程及其自动化专业）3. 课程性质：专业选修课.4. 主要内容：电机矢量控制技术与直接转矩控制技术.5.学时分配：28学时理论教学.,6.考 试： 撰写并打印3000字以上小论文.课堂平时考查.无故缺课2次不评优.论文要求：撰写格式规范；论文内容与课程内容相关.见示例.,异步电动机相量图,第一章 电机控制技术发展现状与发展趋势 Variabl
2、e Voltage And Variable Frequency; Servo control,一. 电机控制技术 1. 恒压频比控制 思路 :优点：调节V/F的比值，磁通恒定，开环控制，简单. 易于实现, 控制 成本低.缺点：控制精度也低. 动态性能较差.,2. 矢量控制技术 vector control直流电动机交流电动机借助于坐标变换数学方法，磁通分量和转矩分量解耦，仿照直流电动机的控制，就是异步电动机矢量控制的基本思想.,1971年，德国学者F.Blaschke提出了交流电动机矢量变换控制,矢量控制的不足：为解决矢量控制的磁场定向与坐标变换，需要准确地检测或 运算出转子磁通矢量的位置和
3、幅值，才能实现对磁场和转矩 的解耦控制。,图：矢量控制简化框图,旋转变压器；光电编码器；测速发电机；磁性编码器,3. 直接转矩控制技术 （Direct Torque Control）,德国鲁尔大学的Depenbrock（85年）教授首次提出的异步电机直接自控制理论日本学者I. Takahashi（87年）又提出了异步电机直接转矩控制方法,优点： 省掉了矢量控制的坐标变换和为解耦而进行的数学模型处理。 直接取决于转矩的实际状况，就能够实现调速控制。 系统结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩 响应迅速，是一种具有高动态性能的新型交流伺服驱动方式。,主要不足：转矩脉动,图：直接转矩控制简
4、化框图,直接转矩控制技术应用在永磁同步电机上的研究滞后将近十年。大约在97年，国内展开DTC相关研究。目前，多以理论研究为主，没有形成批量产品。,直接驱动技术,直接驱动(Diret Drive， DD)方式在电气传动中早已有之，例如磁悬浮列车等，但在 高性能机电一体化装置中，采用直接驱动的传动方式还是近十几年的事情。典型的应用是数控机床、机器人和工业自动化生产线。以数控机床为例，基本传动方式“旋转电机+滚珠丝杠”。 受精 度和动态性能两个方面制约。直接驱动（零传动）能够适应和具有满足这种要求的能力，,优点1：高精度 优点2：高速和高加（减）速度 优点3：高动态响应 优点4：高机械刚度和可靠性不
5、足：负载扰动；发热；隔磁.,二 . 不断发展的各种控制策略,自适应控制 （model reference adaptive control ） 滑模变结构控制（sliding mode control, SMC） 最优控制系统（optimal control ） H 控制 模糊控制 （Fuzzy control） 人工神经网络（Artificial Neural Networks, ANN） 遗传算法GA(Genetic Algorithm) 专家控制系统（expert contol system）,电机现代控制技术,1. 矢量控制技术 2. 直接转矩控制技术 3. 无传感器控制技术 4. 直
6、接驱动技术 5. 控制策略及智能控制,第二章 机电能量转换与电机的电磁转矩,一. 电机中机电能量转换 1. 磁能（磁场储能）：线圈通电励磁，磁通从0增长，磁链由0增长，磁场产生的总能量2. 磁共能：以电流为自变量积分，则有 3. 二者关系如图所示4.磁能和磁共能之和,5. 能量守恒*机电装置能量方程： 电源输入的电能耦合电磁场内储能的增加能量损耗输出的机械能 *考虑各种损耗后 ： 输入的电能电阻能量损耗耦合电磁场内储能的增加相应的介质能量损耗输出的机械能机械能量损耗 *即能量守恒： 输入的净电能=耦合场吸收的总能量+机械能的总能量*能量的微分形式 ：,6. 机电装置 磁场轴线S转子绕组轴线 r
7、7. 电机中的机电能量转换 磁能与磁共能磁能变化 磁共能变化,转子静止不动时：转子旋转时：,公式表明: 当转子因微小角位移引起系统磁能变化时，转子上将受到电磁转矩作用.2. 电磁转矩方向应为在恒磁链下倾使系统磁能减小的方向。,用磁共能表示：公式说明: 当转子因微小位移引起系统磁共能发生变化时，会受到电磁转矩的作用; 转矩方向应为在恒定电流下倾使系统磁共能增加的方向.,磁能和磁共能之和为磁路为线性（或忽略磁阻影响），则有 代入求取电磁转矩,绕组A、B交链的自感、互感磁链为：线圈A和B产生感应电动势,第一项和第二项是当r =常值，即绕组A和B相对静止时，由电流变化所引起的感应电动势，称为变压器电动
8、势.第三项是因转子运动使绕组A和B相对位置发生位移(r变化)而引起的感应电动势，称为运动电动势.,在dt时间内，由电源输入绕组A和B的净电能为：在dt时间内由磁场储能转换的机械能为：,在dt时间内耦合磁场吸收的总能量为：因此dt内磁能变化：由绕组A和B中变压器电动势从电源所吸收的全部电能，和运动电动势从电源所吸收电能的二分之一；由运动电动势吸收的另外二分之一电能则成为转换功率，这部分功率由电能转换为了机械功率。,由此可见： 产生感应电动势是耦合场从电源吸收电能的必要条件； 产生运动电动势是通过耦合场实现机电能量转换的关键。 与此同时，转子在耦合场中运动将产生电磁转矩，运动电动势和电磁转矩构成了
9、一对机电耦合项，是机电能量转换的核心部分。 即产生电磁转矩必须存在运动电动势；存在运动电动势才能产生电磁转矩。 电机作为一种机电装置，正是运动电动势和电磁转矩构成了一对机电耦合项。,二、 电机的电磁转矩,1. 电磁转矩生成将公式 改写电磁转矩就是定子励磁磁场和转子磁场相互作用的结果。转子磁场对气隙磁场的影响，决定了电磁转矩的生成和机电能量转换过程。,当转子磁场轴线与励磁场轴线一致或相反(或)时，电磁转矩为零。只有在转子磁场作用下，使气隙磁场轴线发生偏移时，才会产生电磁转矩。气隙磁场的“畸变”是转矩生成的必要条件。转子在运动中将电能转化为机械能。电磁转矩作用的方向为力求减小和消除气隙磁场的畸变的
10、方向。,2. 直流电机的电磁转矩与等效模型,图2-4两极直流电机,主磁极基波磁场轴线为d 轴，将d轴旋转90为q轴;电枢绕组产生的基波磁场轴线与q轴一致。,绕组旋转，磁场轴线固定旋转绕组称为换向器绕组。,在直流电机动态分析中，常将这种换向器绕组等效为一个“伪静止线圈”,图2-5 伪静止线圈,“伪静止线圈”与换向器绕组从机电能量转换角度看是等效的。对实际的换向器绕组而言，当q轴磁场变化时会在电枢绕组内感生变压器电动势，同时它又在旋转，还会在d轴励磁磁场作用下，产生运动电动势。这种实际旋转而在空间产生的磁场却静止不动的线圈称之为伪静止线圈，它完全反映了换向器绕组的特性，可以由其等效和代替实际的换向
11、器绕组。,直流电机等效模型,图2-6 直流电机的等效模型,d轴为励磁绕组轴线.q轴为换向器绕组轴线， 即“伪静止线圈”， 其轴线在空间固定不动.当q轴磁场变化时会在 线圈内感生变压器电动势.q轴线圈又是旋转的， 会在d轴励磁磁场作用下 产生运动电动势.,电磁转矩：公式表明，当励磁电流if为恒定时，电磁转矩大小仅与转子电流ia成正比;若控制主极磁场不变，电磁转矩便仅与转子电流有关.从机电能量转换角度看：转子绕组产生运动电动势，转子绕组吸收电能，将电能转换为机械能.转子成为能量转换的“中枢”，所以通常又将转子称为电枢.,3.三相同步电动机的电磁转矩与等效模型,图2.2 机电装置,图2.7 三相隐极
12、同步电动机结构,定子绕组A改造为三相对称绕组A-X、B-Y和C-Z；绕组B改造为嵌入转子槽中的分布绕组,设想，在s轴上安置一个单轴线圈s，其作用结果相当于三相定子绕组的作用结果，与s轴一道旋转，通入正向电流is后，产生的正弦分布磁场即为定子旋转磁场.再将转子中分布励磁绕组等效为集中励磁绕组f，通入励磁电流if后能够产生与原转子绕组相同的正弦分布励磁磁场.用单轴线圈s代替定子三相绕组；用线圈f代替了转子绕组. S或f线圈作用的结果与定子三相绕组和转子励磁绕组产生磁场和感应电动势的作用的结果相同.电磁转矩是定、转子磁场相互作用的结果，其大小和方向决定于这两个旋转磁场的幅值和磁场轴线的相对位置 .,
13、三相隐极同步电机等效物理模型,两个磁场轴线间的电角度为，大小决定于定子旋转磁场速度s和转子速度r。,产生恒定的电磁转矩,凸极结构的同步电动机，还会产生磁阻转矩,图2.9 三相凸极同步电机结构 图2.10 三相凸极同步电机等效模型,总电磁转矩为,4. 三相异步电动机的电磁转矩与等效模型,图2.11 三相感应电动机的结构图,图2.12 三相感应电动机的等效物理模型,定子等效单轴线圈s和等效电流与三相同步电机的相同. 转子等效单轴线圈的轴线即为转子三相绕组产生的旋转磁场轴线，等效电流流入该线圈后，会产生与实际转子磁场相同的磁场.电磁转矩电磁转矩的方向为倾使减小的方向，即为逆时针方向。 电磁转矩方向将
14、与定子合成旋转磁场方向相同。电磁转矩方向与定子旋转磁场方向一致。,5. 电磁转矩控制,对电动机电磁转矩的控制实现运动控制调速系统（运行稳定、抗扰性能 ） 伺服系统（快速响应、跟随性能、控制精度 ） 对电动机的各种控制，归根结底是对电磁转矩的控制,附图 电动机及其负载,第三章 空间矢量和坐标变换,一. 空间复平面与空间坐标,图3-1 三相感应电动机轴向断面与空间复平面,空间复平面上，空间矢量,还可表示为,或直角坐标系中,空间坐标概念：以三相感应电动机为例来讨论空间矢量。将与转轴垂直的空间断面作为空间复平面，用来表示电动机内部的空间矢量。取定子A相绕组的轴线作为空间坐标参考轴，ABC三相绕组轴线构
15、成空间三相轴系，并且取定子A相绕组的轴线与实轴Re重合。,二. 电机中空间矢量,1. 定子磁动势矢量,图3-2 A相绕组产生的磁场,单边气隙磁压降,在气隙圆周上的分布,基波磁动势的幅值,用空间复平面的空间矢量来描述，记为 其轴线与A轴一致.,基波分量的幅值,通过控制三相电流(时间变量) 控制三相绕组的基波磁动势(空间矢量) 这为实现矢量控制奠定了基础,三相绕组产生的基波合成磁动势，也为空间矢量 ，表示如下：可将 、a、 看作空间复平面内的单位矢量，用他们来表示由三相绕组轴线ABC构成的空间三相轴系，可利用这个ABC轴系来表示三相绕组产生的各空间矢量.,的运动轨迹决定于 、 、 的变化规律.,图
16、3-4 定子合成磁动势矢量fs 及其运动轨迹,在正弦稳态下，定子三相电流瞬时值,则磁动势,用空间矢量表示合成磁动势则有,在动态情况下，定子三相电流是非正弦电流， 磁动势一般表达式：,动态情况下，控制定子三相电流可以控制磁动势运动轨迹或反之,2. 转子磁动势矢量,转子基波合成磁动势可表示,图3-5 转子三相绕组轴线构成的abc轴系,正弦稳态下，转子三相电流瞬时值,转子三相合成磁动势,如果取转子的a轴作为空间复平面的实轴Re，这个复平面就成为旋转复平面。用旋转复平面来表示转子磁动势矢量：转子轴系abc表示的空间矢量,是由转子观测到的，它相对转子的旋转角速度为转差频率,是从定子观测到的，它相对定子的
17、旋转角速度为,。,关系式：,3. 定子电流矢量,图3-6 定、转子电流矢量与单轴线圈,三相合成磁动势矢量,与单轴线圈产生的磁动势矢量相同,定义定子电流空间矢量,4. 转子电流矢量,转子实际电流,等效的静止转子中的电流， 也就是经转子频率归算后的电流.,定、转子三相绕组等效为旋转的单轴线圈；产生的旋转磁场相同；相当于用两个旋转的定、转子单轴线圈分别代替了定、转子三相绕组。,5.定、转子电流等效,正弦稳态下将静止的三相绕组中的正弦电流变换为了旋转的单轴线圈中的直流。同理单轴线圈s和r中流入的均是恒定的直流，而且定、转子单轴线圈轴线间的空间相位保持不变，定，转子磁场相互作用的结果一定会产生恒定的电磁
18、转矩。 从产生电磁转矩看，相当于将一台三相感应电动机转换为一台直流电动机。,6.定子电压矢量（形成6个非零电压矢量和2个零电压矢量）,三相绕组由逆变器供电 VT1、VT2、VT6闭合时的电路电压矢量us1的构成,图3-7 定子电压矢量,7.定、转子磁链矢量,定子磁链矢量转子磁链矢量定、转子三相绕组转换为单轴线圈s和r，则磁链矢量为,三相感应电动机自感、互感磁链,图3-8 感应电机的物理模型,8.电磁转矩的矢量方程,以不同空间矢量表示的三相感应电动机电磁转矩方程,在定义了空间算子之后，拓宽了电机学中关于空间矢量的概念。除了原有的定、转子磁动势矢量之外，又进一步提出了定、转子电流空间矢量，电压空间
19、矢量，磁链空间矢量.,三. 坐标变换及约束条件,1. 坐标线性变换 2. 功率不变约束 变换前输入（或输出）电路的瞬时功率为 变换后输入（或输出）电路的瞬时功率为 若变换矩阵为 则 3. 常用的坐标系 4. 常用的坐标变换方法 （1）静止3/2坐标变换（Clarke）,（2）静止三相/旋转两相坐标变换dq0变换派克变换（Park）,dq旋转到静止三相坐标系ABC有,（3）静止两相/旋转两相坐标变换,运动电动势和电磁转矩构成了一对机电耦合项，是机电能量转换的核心部分。 产生电磁转矩必须存在运动电动势； 存在运动电动势才能产生电磁转矩。 电磁转矩是定、转子磁场相互作用的结果，其大小和方向决定于这两
20、个旋转磁场的幅值和磁场轴线的相对位置。 定义了空间算子之后，拓宽了电机学中关于空间矢量的概念。定转子坐标系下的空间矢量表达式。 电磁转矩矢量方程。 坐标变换,第四章 三相感应电动机矢量控制,一. ABC轴系矢量方程,图4-1 三相感应电动机物理模型,定子三相绕组电压的标量方程；,定子电压矢量方程,转子三相绕组电压的标量方程；,转子电压矢量方程,ABC轴系表示的转子电压矢量方程,异步电动机运动电动势与电磁转矩,一般情况下：正弦稳态情况下：,产 生 运动电动势 是 产 生 转矩 的 必要条件,二.转子磁场定向MT轴系的矢量方程,基于转子磁场定向的矢量控制要将定子电流矢量 分解为励磁分量 和转矩分量
21、 . 需要通过坐标变换来实现.1静止ABC轴系到静止（DQ）轴系的坐标变换,图4-3 静止ABC轴系与静止DQ轴系,ABC轴系到,(DQ)轴系的等效变换，,仅是一种相数的变换,正弦稳态时，三相定子电流,2静止（DQ）轴系到任意同步旋转MT轴系的变换,即通过DQ轴系到任意同步旋转MT轴系的变换，已将定子二相绕组中的对称正弦电流变换为了MT轴系定子二相绕组中的恒定直流。,静止ABC轴系静止DQ轴系，“相数变换”； 静止（DQ）轴系同步旋转MT轴系，“频率变换”； 三相感应电动机变换为了等效的直流电动机。,图4-4 静止DQ轴系与任意同步旋转MT轴系,3转子磁场定向MT轴系矢量方程,（1）磁场定向技
22、术将MT轴系沿转子磁场定向，常将这种矢量控制称为基于转子磁场定向的矢量控制，又称为转子磁场定向控制或者磁场定向控制(field orientation control, FOC)。将转子磁场在T轴方向上的分量为零作为磁场定向的约束条件。,图4-5 MT旋转轴系的磁场定向,（2）MT轴系下定、转子磁链方程（3）MT轴系下定、转子电压方程,图4-6 定子MT轴系换向器绕组,稳态下 ，MT轴系电压矢量方程：,空间定、转子电压矢量方程：,等效变换为,转子磁链向M轴定向，且为恒定，磁场定向电压矢量方程：,用等效电路表示上式：,（4）转子磁场定向电流方程定子电流转矩分量 定子电流励磁分量 （5）转矩方程转
23、子磁链 恒定时,（6）转速方程转子磁链 恒定时（7）小结在ABC轴系内直接像直流电动机那样控制电磁转矩非常困难。将三相感应电动机由ABC轴系变换到磁场定向MT轴系后，可以得到转矩方程，磁场定向后将三相感应电动机的转矩控制，转换为了与直流电动机相同的转矩控制，不仅在稳态下，即使在动态下也可实现这种转矩控制。在转子磁场定向MT轴系内，转矩分量和励磁分量之间不存在耦合，并可各自独立地控制，实现了解耦。相当于控制直流电动机电枢电流和励磁电流. 能够获得与实际直流电动机相媲美的控制品质。,三. 基于转子磁场定向的矢量控制系统,1. 直接磁场定向-磁链观测法通过磁场检测(或估计)来确定转子磁链矢量的空间位
24、置.优点：直接检测磁场，方法简单.缺点：由于受电机定、转子齿槽的影响，检测信号脉动较大，实际上难以应用. （1）电压-电流模型,Fig. 电压-电流模型（注：此处dq即是静止轴系）,（低速时不适合使用电压-电流模型）,（2）电流-转速模型,Fig. ABC轴系下的电流-转速模型,（电流-转速模型适合于低速情况 ）,磁场定向MT轴系表示的转子电压矢量方程,a) 定子三相电流和转速的实测值作为输入 b) 定子三相电流和转子位置的实测值作为输入 Fig. 由MT轴系给出的电流-转速模型,2. 由电压源逆变器馈电的控制系统,Fig. 由电压源逆变器馈电和直接磁场定向的伺服系统,3. 由电流可控电压源逆
25、变器馈电的控制系统,Fig. 由电流可控电压源逆变器馈电和直接磁场定向的伺服系统,4. 间接磁场定向-转差频率法将 作为控制转子磁链的指令值. 而 与 有惟一的对应关系，将 作为电动机的输入量，可控制定子电流矢量的励磁分量. 电磁转矩的指令值为 可控制定子电流矢量的转矩分量,和,给定后，也就惟一确定了,和,当,这就是通过转差频率控制实现间接磁场定向的基本原理。 所以，常将这种间接磁场定向方式称为转差频率法。,Fig. 由电压源逆变器馈电和间接磁场定向的伺服系统,Fig. 由电流可控电压源逆变器馈电和间接磁场定向的伺服系统 a) 直角坐标 b) 极坐标,2.5 基于转子磁场定向的矢量控制系统仿真
26、实例,以3/2和2/3坐标变换为例，编制Simulink仿真软件如下：数学模型仿真模型,Fig. 3/2矢量变换模块,数学模型仿真模型,Fig. 2/3矢量变换模块,三相感应电动机的参数为：功率 Pn=3.7 kW 线电压 UAB=410 V定子相绕组电阻 Rs=0.087 转子相绕组电阻 Rr=0.228 定子绕组自感 Ls=0.8 mH 转子绕组自感 Lr=0.8 mH定、转子之间的互感 Lm=0.76 mH转动惯量 J=0.662 kg.m2 额定转速n=120 rad/s 极对数p=2 转子磁链给定为0.96Wb 速度调节器参数为Kp=900，Ki=6电流滞环宽度为10。,系统空载起动
27、，待进入稳态后，在t0.5s时突加负载TL100Nm，可得系统仿真图，包括：转矩te、转速r、定子三相电流iABC电流和线电压VAB。由仿真波形可以看出，在r120 rad/s的参考转速下，系统响应快速且平稳；在t0.5s时突加负载，转速发生突降，但又能迅速恢复到平衡状态，稳态运行时无静差.,异步电动机矢量控制仿真结果,图1 转矩响应曲线,图2 转速响应曲线,图3 相电流曲线 图4 线电压曲线,第五章 三相永磁同步电动机矢量控制 PMSM,5.1 基于转子磁场定向矢量方程 5.1.1 转子结构及物理模型,图5-1 面装式转子结构 图5-2 插入式转子结构 图5-3 内装式转子结构相当于电励磁隐
28、极同步电机 相当于电励磁凸极同步电机 相当于电励磁凸极同步电机,PMSM的结构简图,图5-4 二极面装式PMSM结构简图,图5-5 二极插入式PMSM结构简图,电励磁电机交轴（q）气隙大，磁导小，交轴电抗小.,永磁电机直轴（d）气隙大，磁导小，直轴电抗小,对于内装式和插入式PMSM，因直轴气隙大、磁路的磁导要小于交轴磁路的磁导.,面装式PMSM，dq气隙相等，交直轴电抗相等.,1. 二极面装式PMSM物理模型,图5-6）a. 转子等效励磁绕组 图5-6）b. 物理模型,图5-6b相当于将面装式PMSM等效为了一台电励磁三相隐极同步电动机，惟一的差别是电励磁同步电动机的转子励磁磁场可以调节，而面
29、装式PMSM的永磁励磁磁场不可调节,2. 二极插入式PMSM物理模型,图5-7a) 插入式转子等效励磁绕组 图5-7b) 插入式PMSM物理模型,5.1.2 面装式三相永磁同步电动机矢量方程,在根据物理模型建立数学模型之前，先做如下假设：(1) 忽略定、转子铁心磁阻，不计涡流和磁滞损耗； (2) 永磁材料的电导率为零，永磁体内部的磁导率与空气相同； (3) 转子上没有阻尼绕组； (4) 永磁体产生的励磁磁场在气 隙中均为正弦分布； (5) 三相绕组产生的电枢反应磁场在气 隙中为正弦分布； (6) 相绕组中感应电动势为正弦波。,1定子磁链和电压矢量方程,上式两端同乘系数 以及（1 a ）得定子磁
30、链矢量方程,定子电压矢量方程,定子电流、磁链、转子磁链空间矢量,定子电压相量方程,2电磁转矩矢量方程,1）电磁转矩可看成是由电枢反应磁场与永磁励磁磁场相互作用的结果； 2）大小决定于两个磁场的幅值和相对位置； 3）由于永磁体磁链幅值恒定，因此电磁转矩决定于电枢反应磁场的幅值和相对永磁体磁链的相位角； 4）正是存在电枢反应使气隙磁场发生畸变，实现机电能量转换。,什么叫双反应理论为什么用双反应理论分析同步电机什么叫电枢反应其与直流电机电枢反应异同点为什么要进行dq旋转坐标变换,1.定子磁链和电压方程（dq坐标系下）,图5-12 同步旋转dq轴系,5.1.3 插入式三相永磁同步电动机矢量方程,图5-
31、12 同步旋转dq轴系,2. 电磁转矩方程,电磁转矩矢量方程一般表达式,面装式PMSM电磁转矩矢量方程表达式,5.2 基于转子磁场定向矢量控制及控制系统,5.2.1 面装式三相永磁同步电动机矢量控制及控制系统 1基于转子磁场定向的转矩控制同步电机变换到dq坐标系， dq轴系沿转子磁场定向，即 d轴一定要与 方向一致。根据面装式PMSM转矩方程在dq轴系内通过控制电流矢量的幅值和相位，就可控制电磁转矩，或定子电流q轴分量，称为转矩电流。,5.2.1 面装式三相永磁同步电动机矢量控制及控制系统,2弱磁控制利用d轴电枢绕组电流， 使其对永磁体产生去磁作用直轴电流弱磁 交轴电流转矩,面装式PMSM弱磁
32、控制(id0),5.2.1 面装式三相永磁同步电动机矢量控制及控制系统,3坐标变换和矢量变换,5.2.1 面装式三相永磁同步电动机矢量控制及控制系统,4基于转子磁场定向的矢量控制系统,由位置、速度和转矩控制环构成的串级控制结构,异步电动机与同步电动机（面装式）矢量控制对比分析,同三相感应电动机基于转子磁场矢量控制比较，面装式PMSM的矢量控制要相对简单和容易。三相感应电动机必须将定、转子三相绕组同时进行变换；而面装式PMSM只需要定子三相绕组的变换。三相感应电动机磁链估计依据的是定、转子电压矢量方程，涉及到多个电动机参数，电动机运行中参数变化会严重影响估计的精确性。三相同步PMSM，由于转子磁
33、极在物理上是可观测的，通过传感器可直接观测到转子磁场轴线位置，而且不受电动机参数变化的影响。三相感应电动机的机电能量转换必须在转子中完成，这使得转矩控制复杂化。三相同步电动机的机电能量转换在定子中完成，因此转矩控制可直接在定子侧实现，转矩控制的核心是对定子电流矢量幅值和相对转子磁链矢量相位的控制。,5.2.2 插入式三相永磁同步电动机矢量控制及控制系统,控制系统选择的是令转矩/电流比最大的控制方案，这相当于提高了逆变器和整流器的额定容量，降低了整个系统成本 .,图5-24 可获得最大转矩/电流比的定子电流矢量轨迹,5.3 PMSM矢量控制系统仿真实例,永磁同步电动机控制系统的仿真模型的整体设计
34、框图,永磁同步电动机参数：额定转速r=100 rad/s极对数 p=4定子相绕组电阻 Rs=2.875 定子dq轴电感 Ld=Lq=0.85 mH永磁体磁链f=0.175 Wb转动惯量 J=0.0018 kgm2速度控制器参数为Kp=0.55，KI=32电流滞环比较器带宽为h=20。系统空载启动，待进入稳态后，在t=0.5s时突加负载TL=50Nm，可得到系统转矩、转速和三相定子电流iA、iB、iC的仿真曲线.,仿真结果,第6章 三相感应电动机直接转矩控制,6.1 控制原理与控制方式 6.1.1 基本原理,电磁转矩决定于 和 的矢量积，即决定于两者幅值和其间的空间电角度.公式中各物理量：极对数
35、、励磁电感、定子瞬态电感、转子电感、定子磁链矢量模、转子磁链矢量模、负载角,基本原理,若 和 保持不变，电磁转矩就仅与负载角有关。 调节负载角 可有效控制电磁转矩，这就是直接转矩控制的基本原理。在直接转矩控制中，定子磁链矢量幅值或相位的变化，是依靠改变外加电压矢量来实现的。如果定子磁链矢量(幅值和相位)发生变化，转子磁链矢量的响应一定具有滞后特。在很短暂的时间内，可以认为转子磁链矢量是相对不变的。,6.1.2 定子电压矢量作用与定子磁链轨迹变化,在定子ABC三相轴系中，定子电压矢量方程,图6-3 定子电压矢量作用与定子磁链矢量轨迹变化,矢量方向相同,定子磁链轨迹（六边形） （圆形）,图6-5
36、六个非零开关电压矢量作用下的定子磁链轨迹,6.2 控制系统,6.2.1 滞环比较控制 1滞环比较器,以定子开关电压矢量为中线，将空间复平面分成六个扇形区间,表6-1 开关电压矢量选择表2控制系统构成,图6-8 直接转矩控制系统原理框图,6.2.2 定子磁链和转矩估计,1定子磁链估计 1）电压-电流模型2）电流-速度模型 2电磁转矩估计,6.4 直接转矩控制仿真举例,图6-16 三相感应电动机直接转矩控制系统仿真,三相感应电动机的参数为： 功率 Pe=38 kW， 线电压 VAB=460 V， 定子电阻 Rs=0.087， 定子电感 Ls=0.8 mH， 转子电阻 Rr=0.228， 转子电感
37、Lr=0.8 mH， 互感 Lm=0.74 mH， 转动惯量 J=0.662 kgm2， 粘滞摩擦系数 B=0.1 Nms， 极对数 p=2。控制器：|s*|0.8Wb匝，r*=80rad/s。 把磁链滞环范围设为-0.001，0.001， 转矩滞环范围设为-0.1，0.1。三相感应电动机的定子磁链轨迹、转速和转矩波形如图示,仿真结果,图6-22 定子磁链,图6-23 转速响应,图6-24 转矩响应,第7章 三相永磁同步电动机直接转矩控制,7.1 控制原理与控制方式 1面装式PMSM电磁转矩是转子磁场与定子磁场相互作用的结果，即有：,转子磁链矢量的幅值不变，若能控制定子磁链矢量的幅值为常值，通
38、过控制负载角就可以控制电磁转矩，这就是PMSM直接转矩控制基本原理。,7.1 控制原理与控制方式 1插入式和内装式PMSM电磁转矩方程为：,虽然插入式和内装式PMSM产生了磁阻转矩，转子磁链矢量的幅值不变，若能控制定子磁链矢量的幅值为常值，通过控制负载角就可以控制电磁转矩，这就是PMSM直接转矩控制基本原理。,7.1.2 滞环比较控制与控制系统,PMSM的滞环比较控制，也是利用两个滞环比较器分别控制定子磁链和转矩偏差。开关电压矢量的选择原则与三相感应电动机滞环控制时所确定的原则完全相同。滞环比较控制方式与三相感应电动机直接转矩控制中采用的基本相同，只是这里没有采用零开关电压矢量us7和us8。
39、,开关电压矢量选择表,PMSM直接转矩控制系统原理框图,7.1.3 磁链和转矩估计,1电压模型,2电流模型与电压模型相比，电流模型中消除了定子电阻变化的影响，不存在低频积分困难的问题。,3电磁转矩估计,第7章 三相永磁同步电动机直接转矩控制,图7-13 永磁同步电动机直接转矩控制系统仿真框图,仿真参数,定子电阻Rs=4.2，、 直、交轴等效电感Ld=Lq=0.026H， 转子磁f=0.175Wb， 转动惯量J=0.0008kgm2， 粘滞系数B=0， 极对数p=2，控制器参数：|s|1Wb匝，r*=80rad/s。将磁链滞环范围设为-0.005，0.005，转矩滞环范围设为-0.05，0.05
40、。,仿真结果：系统的定子磁链圆形轨迹、转速和转矩响应曲线如图所示。 由仿真波形可以看出，在r*=80rad/s的参考转速下，系统响应快速且平稳，起动阶段系统保持转矩恒定，磁链滞环控制可以使磁链轨迹近似为圆形，达到了控制磁链幅值不变的要求。,直接转矩控制与转子磁场矢量控制,直接转矩控制选择了定子磁链和负载角为控制变量，可以直接由来控制的幅值和速度(实际在控制负载角)，进而可以直接控制转矩，所以这种控制方式称为直接转矩控制。其特点和优势是控制可在ABC轴系内进行，不需要进行矢量变换(坐标变量)，使控制系统得以简化，通过外加电压矢量又可使转矩快速变化，因此提高了系统的快速响应能力。但是，PMSM自身
41、是一个高阶、多变量、强耦合的非线性系统，直接转矩控制由于采用了直接控制PMSM的方式，因此不能改变这种非线性特征，转矩控制仍是一种非线性控制，且转矩控制与定子磁链控制间存在耦合。若想获得高品质的控制性能，控制系统的设计仍是复杂而又困难的。尽管可以采用滞环比较控制，利用滞环控制的特点，充分体现了直接转矩控制的优势，但毕竟改变不了控制对象的非线性属性。,基于转子磁场定向的矢量控制则不然，其选择了id和iq作为控制变量。对转矩控制而言，它不是直接去控制PMSM自身，而是在沿转子磁场定向的dq轴系内，先将PMSM变换为一台等效直流电动机，这样就将对PMSM的转矩控制转换和等同于对一台等效直流电动机的控制，有效解决了转矩控制中的非线性和耦合问题。与直接转矩控制相比，这是两者本质上的差别。正因如此，才使得由PMSM构成的交流伺服系统可以获得与直流伺服系统相媲美的控制品质。但是，这种转矩控制是在dq轴系内完成的，控制变量为dq轴系电流，尚需通过矢量变换(坐标变换)将dq轴系控制变量变换为实际电动机ABC轴系的控制变量，将等效的他励直流电动机还原为实际的PMSM。由于必须进行矢量变换(坐标变换)和需要时刻检测转子主磁极位置，增加了控制系统的复杂性，也影响了伺服控制的快速性。,
