现代交流电机控制技术基础分解
现代电机控制技术
dφAA dt
(1-17)
根据电路基尔霍夫第二定律，线圈 A 的电压方程为
uA = RA iA − eAA = RA iA +
(1-18)
在时间 dt 内输入铁心线圈 A 的净电能 dWeAA 为
2 dWeAA = u A iA dt − RA iA dt = −eAA iA dt = iA dψ AA
1 Bδ2 Wm = Vδ 2 μ0
(1-16)
式中， Wm 为主磁路磁场能量，它全部储存在气隙中； Vδ 为气隙体积。
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现代电机控制技术
第1章 基础知识
当励磁电流 iA 变化时，磁链ψ AA 将发生变化。根据法拉第电磁感应 定律，ψ AA 的变化将在线圈 A 中产生感应电动势 eAA 。若设 eAA 的正方 向与 iA 正方向一致， iA 方向与 φmA 和 φσA 方向之间符合右手法则，则有
LmA 是个与励磁电流 iA 相关的非线性参数。若将铁心磁路的磁阻忽略不计
2 ( μ Fe = ∞ )， LmA 便是个仅与气隙磁导和匝数有关的常值，即有 LmA = N A Λδ 。
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现代电机控制技术
第1章 基础知识
在磁动势 f A 作用下，还会产生没有穿过气隙主要经由铁心外空 气磁路而闭合的磁场，称之为漏磁场。它与线圈 A 交链，产生漏磁 链ψ σA ，可表示为
f A = H δδ = φδ Rδ
气隙磁通，所以又将 φmA 称为励磁磁通。
(1-8c)
图 1-1 中，因为主磁通 φmA 是穿过气隙后而闭合的，它提供了
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现代电机控制技术
第1章 基础知识
ψ mA = φmA N A
定义线圈 A 的励磁磁链为 (1-9) 由式(1-7)和式(1-9)，可得
现代交流电机控制技术基础
现代交流电机控制技术基础
控制科学与工程系自动化研究所 沈安文 87541547（O） shenanwn@
第一章 概 论
1.1 交流电机调速技术的发展
1.需要对电机进行调速
A：运行、生产、工艺的需要
高质量的生活，需要高性能的电机调速； B：节能的需要。
2.需要对交流电动机进行调速 A：长期以来，电机调速以直流电机为主 20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广速度 控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全 都采用直流电动机调速系统。 原因： 直流电动机易于控制，改变电机的输入电压 或励磁电流，就可在范围内实现无级调速。 交流电机的电流和转矩特性不是固定的，不 易控制 。
E：微电子技术发展极大促进了交流电机调速 技术的发展和应用。
模拟和数字电子技术、集成电路、大规模和超 大规模集成电路、单板机、单片机、 DSP、专 用芯片等等
F：电力电子技术发展为交流电机调速发展和 应用打下坚实的基础 第一代、第二代、第三代等等
Industrial
Communications Computer Consumer Car
iPowIR
Total Solution
PI-IPM IPM
IGCT
Total Solution
Switching Controller LDO
集成化智能化
BBI GTO BJT
DirectFET
IGBT FlipFET
MOS+IC+…
Drive IC
双极性自关断器件
MOSFET
晶闸管
Power Management
B：直流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器
直流电动机致命的弱点：机械式换向器 它给直流传动的应用带来了限制： （1）换向器表面线速度及换向电流、电压有 一极限容许值，约束了单台电机的转速和功率 上限，超过这一极限时就只能采取多电枢方案， 这就增加了电机制造的难度和成本以及调速控 制系统的复杂性。有些特高转速和特大功率的 场合则根本无法用直流电机方案来实现。
现代电机控制技术
2
现代电机控制技术
第1章 基础知识 第2章 三相感应电动机矢量控制 第3章 三相永磁同步电动机矢量控制 第4章 三相感应电动机直接转矩控制 第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制 第6章 无速度传感器控制与智能控制
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第1章 基础知识
1.1 电磁转矩 1.2 直、交流电机电磁转矩 1.3 空间矢量 1.4 矢量控制
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a) 三相绕组由逆变器供电
b) 电子开关VT1、VT2、VT6闭合时的电路
图1-29 定子电压矢量 c) 电压矢量us1的构成
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a) 正弦分布磁动势波
b) 正弦分布磁场
图1-30 A相绕组产生的正弦分布磁场
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1.1 电磁转矩
1.1.1 磁场与磁能 1.1.2 机电能量转换 1.1.3 电磁转矩生成 1.1.4 电磁转矩控制
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图1-1 双线圈励磁的铁心
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磁压降
磁压降
磁路的 磁动势
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铁心磁路 主磁通
铁心磁 路磁阻
气隙 磁通
气隙磁 路磁阻
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DTC概述
本文对目前交流电机变频调速控制系统流行的矢量控制（VC)和直接转矩控制（DTC)的发展历史与现状，并对两者转矩响应，稳态特性，及无速度传感器控制进行了比较与探讨.自1971年德国西门子公司F.Blaschke发明了基于交流电机坐标交换的交流电机矢量控制（以下简称VC）原理以来，交流电机矢量控制得到了广泛地应用。
经过30年的产品开发和工程实践,矢量控制原理日趋完善，大大小小的交流电机变频调速控制系统大多采用矢量控制,使交流电机调速达到并超过传统的直流电机调速性能。
1985年德国鲁尔大学M.Depenbrock教授提出了不同于坐标变换矢量控制的另外一种交流电机调速控制原理—直接转矩控制（直接转矩控制（DTC)是一种革命性的电机控制方法,无需使用脉冲编码器从电机轴端反馈的信息，就能精确控制电机转速和转矩。
在DTC中,定子磁通量及转矩为主要的控制变量.电机状态的计算在先进的电机软件模型中通过高速数字信号处理器每秒更新40,000次（即,每25微秒更新一次）.由于对电机状态进行持续更新并进行实际值与给定值之间的比较，逆变器的每次开关都是单独确定的。
)DTC原理具有不同于VC的鲜明特点:·不需要旋转坐标变换，有静止坐标系上控制转矩和磁链（磁通是就磁路来说的。
在磁路上做一个假想面,所有磁力线均穿过这个面一次，磁力线总数即穿过这个面的磁通.磁链是就回路来说的.导线构成的闭合回路是一个面，磁力线穿过这个面的总数即磁链。
对单圈导线构成的回路,磁通和磁链相等，但对多圈(绕组)来说,磁力线可能穿过导线面多次。
）·采用砰—砰控制(在工程领域中，最为常见的一种综合控制形式是所谓的砰—砰控制。
在这类控制形式中,根据系统的运动状况，最优控制*的各个控制变量在整个过程中分段地取为容许控制范围的正最大值或负最大值。
砰—砰控制的原理是把最优控制问题归结为：将状态空间划分为两个区域，一个区域对应于控制变量取正最大值，另一个区域对应于控制变量取负最大值。
第6章PWM技术
由电机学，三相对称正 弦供电时: 总向量恒幅恒速旋转 (电)角速度：w 2f s 代表空间正弦分布且圆 转磁场，u s、es、is 是引用量
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• 三相交流的空间向量
n=0:15;x=2*pi*n/16;a=2*pi/3;
v=cos(x)+cos(x+a)*exp(j*a) +cos(x-a)*exp(-j*a); plot(v)
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除计算法和调制法外，还有 空间向量法 跟踪控制方法
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6.2.2 异步调制和同步调制
载波比N = fc / fo----模拟uo一个周波的脉冲数 1） 异步调制----fc不变， N随fo变 载波与调制波不同步 N常≠整数 对称性差。 当fo较低时，N大------低频性能好。
当fo增高时，N小------高频差
u
ω1
u2Tc
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空间矢量磁链控制 SVPWM
其它区域也有相应控制规则
SVPWM用电压向量u控制Ψ 沿折线围线,并走走停停逼近圆 开关频率越高,线元usTc越短 Ψ圆越准
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空间矢量磁链控制 SVPWM
三电平逆变器 电压向量us更多 按ΔΨ=Ψ* - Ψ --用最佳us控制 Ψ圆更准
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SVPWM波形特点
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空间矢量磁链控制 SVPWM
--仿闭环控制算法 控制方程ΔΨs “=” usTc 按Ψ转向超前90度建u参考轴 u2 用u轴前后电压向量控制Ψ 例如图 矢量 作用 应用条件 u1 u1 正转增幅 Ψ滞后欠幅 u2 正转减幅 滞后超幅 u7,8 停转等待 超前 Ψ 例:Ψ滞后欠幅,用u1 u1Tc Ψ滞后超幅,用u2 Ψ超前,用u7,8 注”相邻原则”:u1u8; u2u7;可减少开关动作
现代机电设备基础知识
第一章机电设备的发展与分类第一节机电设备的发展机电设备广泛用于国民经济各行业。
机电设备的技术水平，在一定程度上反映了国家工业生产的水平和能力。
所以，采用先进的机电设备，管好、用好机电设备,对提高企业效益，促进国民经济的发展都起着十分重要的作用。
一、机电设备的发展过程机电设备是随着科学技术的发展而不断发展的。
传统的机电设备是以机械技术和电气技术应用为主的设备。
例如,普通机床，其运动的传递、运动速度的变换主要是由机械机构来实现的,而运动的控制则是由开关、接触器、继电器等电器构成的电气系统来实现的,这里的“机”、“电”分别构成各自独立的系统,两者的“融合性”很差，这是传统机电设备的共同特点.虽然,传统的机电设备也能实现自动化，但是自动化程度低，功能有限，耗材多，能耗大，设备的工作效率低，性能水平不高。
为了提高机电设备的自动化程度和性能，从20 世纪60 年代开始，人们自觉或不自觉地将机械技术与电子技术结合，以改善机械产品的性能，结果出现了许多性能优良的机电产品或设备。
到了20 世纪70、80 年代，微电子技术获得了惊人的发展，各种功能的大规模集成电路不断涌现,导致计算机与信息技术广泛使用。
这时人们自觉、主动地利用微电子技术的成果，开发新的机电产品或设备，使得机电产品或设备的发展发生了脱胎换骨的变化，机电产品或设备不再是简单的“机”和“电”相加，而是成为集机械技术、控制技术、计算机与信息技术等为一体的全新技术产品。
到了20 世纪90 年代，这种机电一体化技术迅猛发展,时至今日,机电一体化产品或设备已经透渗到国民经济和社会生活的各个领域。
二、现代机电设备的特点现代机电设备，如电动缝纫机、电子调速器、自动取款机、自动售票机、自动售货机、自动分检机、自动导航装置、数控机床、自动生产线、工业机器人、智能机器人等都是应用机电一体化技术为主的设备。
与传统机电设备相比，现代机电设备具有以下特点：1、体积小,重量轻机电一体化技术使原有的机械结构大大简化，如电动缝纫机的针脚花样主要是由一块单片集成电路来控制的，而老式缝纫机的针脚花样是由350 个零件构成的机械装置控制的.机械结构的简化,使设备的结构减小，重量减轻,用材减少。
现代电机控制技术
现代电机控制技术
现代电机控制技术是电力驱动的系统的核心部分，能够满足现代电机多种要求。
由于发展迅速，越来越多的机械设备被自动化，越来越依赖电机的控制，电机的控制技术有着极其重要的作用。
本文主要介绍现代电机控制技术的基础：
1. 马达控制原理：马达控制通过电源和传动系统来控制电机，由于电源传输的能量可以控制电机驱动的机械元件，所以可以控制机械设备的运动状态。
2. 机器控制内容：机器控制是采用数字化电机控制系统来控制机械设备的运动状态。
它是将电机的控制信号与机器设备的动作联系起来，使机械设备可以根据电源传输的能量实现控制。
3. 电力控制：电力控制是指在指定的电流或功率中对电机进行控制，以实现特定的动作。
它通常是指根据电机控制信号调整电机输出参数，实现电机控制的能力。
4. 电源信号控制：电源信号控制是指用电源传输的信号来控制电机的运动状态，可以实现电机的高精度控制。
综上所述，现代电机控制技术已经发展得相当成熟，取得了很大的成就，它深刻地改变了机械设备的结构，并有效地提升了机械设备的性能，为各种机械设备的自动化提供了有力的支持。
交流伺服电机的控制研究
交流伺服电机的控制研究摘要：随着科学技术的不断发展和计算机技术的不断进步，以及现代控制理论的不断创新，交流伺服系统作为现代主力驱动设备，在机器人、数控机床和航空航天等领域发挥着越来越重要的作用，是现代化工业生产不可或缺的一部分。
因此对于电机控制的要求也越来越严格和多样。
本文以交流伺服电机的控制为题，简单介绍几种电机控制的方法。
关键词：交流伺服电机；矢量控制；永磁同步电机；直接转矩控制0 前言交流伺服电机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf 上;另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机[1]。
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。
交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。
90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。
交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。
1 交流伺服系统的现状与发展方向1.1 交流伺服控制系统的现状伺服控制系统虽然应用已久，大量应用于结构简单的直流电机，在结构复杂的交流电机应用中还无法达到人们理想的效果，使得应用受到限制。
由于直流电机控制简单，长期应用于各种领域。
直到年，德国西门子工程师提出了矢量控制方法，将交流电机解耦后再控制，使交流电机能够和直流电机的控制性能有极高的相似之处，解决了长期阻碍交流电机发展的控制问题。
交流电机冰开始广泛在伺服控制领域应用起来，未来必将取代直流电机，在伺服控制领域中占主导地位。
由于各项相关技术理论的进一步完善，应用不断深入，验证了交流伺服系统的稳定性。
发达国家的电器公司在伺服控制领域，直流电机已经由交流电机完全代替。
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（3）E2还可以用来调节异步电动机的功率因 数。
D：变频调速是交流电动机最好的调速方法
（1）20世纪20年代人们就认识到了，但当时直至本世 纪50年代中期，一直几乎无法实现。
（2）20世纪50年代中期，晶闸管研制成功，不仅开创 了电力电子技术的新时代，同时也带来交流电机控制 技术发展的一个大飞跃。 （3） 20世纪70年代发展起来的矢量控制理论带交流 电机控制技术的革命，使交流电机的控制性能在理论 上和直流电机相当。 （4） 20世纪80年代的直接转矩控制方法，也对交流 电机控制技术发展发展起来推动作用。
（2）由于要照顾到换向器的可靠工作，电枢及换 向器的直径一般都做的比较大，因此电机的转动 惯量就大，这对于有快速响应要求的调速场合或 是在安装场地上有尺寸要求的场合是很不利的。
（3）换向器必须定期停机检修，运行中也要经 常注意观察换向器的火花情况。因此在一些恶劣 条件下或人难以接近的工作场所，使用直流电机 就很难保证长期运行的安全性。
C：交流电机所具有的优越性。
而交流电动机，特别是笼式异步电动机，拥有 结构简单、坚固耐用、价格便宜及不需要经常 维修等特点，使其得到了十分广泛的应用。
如果能控制好，它具有直流电机无法比拟的 优越性。
采用交流调速、方便、节能 一套2050mm的热连轧板机，精轧部分采用 交流传动，比直流传动节电1150万kW· h/年， 节水30％，转动惯量减少77％，响应时间 缩短30％，设备投资少，停机维修时间缩 短75％。 风机水泵类的传动由交流恒速挡板阀门调 节方式改造成交流电机调速方式平均可节 电20％，设备改造费一般可在1年～3年内 回收。
转子串电阻，浪费大量能量，很不经 济，若用电源代替电阻，即在转子回路中串 入一个与转子回路频率相同的交流附加电势 E2来取代电阻。
E 3I 2 2
P
产生附加电势 E
2
装置
I2
串级调速原理图
（1）当E2与转子电流同相，E2相当于一个负 电阻，电能输入到电机，电机转速升高；
（2）当E2与转子电流反相，E2相当于一个电 阻，电能从电机流到电网，电机转速降低；
B：直流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器
直流电动机致命的弱点：机械式换向器 它给直流传动的应用带来了限制： （1）换向器表面线速度及换向电流、电压有 一极限容许值，约束了单台电机的转速和功率 上限，超过这一极限时就只能采取多电枢方案， 这就增加了电机制造的难度和成本以及调速控 制系统的复杂性。有些特高转速和特大功率的 场合则根本无法用直流电机方案来实现。
iPowIR
Total Solution
PI-IPM IPM
IGCT
Total Solution
Switching Controller LDO
集成化智能化
BBI GTO BJT
DirectFET
IGBT FlipFET
MOS+IC+…
Drive IC
双极性自关断器件
MOSFET
晶闸管
Power Management
而交流电动机（主要指笼式异步电动机和 同步电动机）主要用于不需要变速的电力 传动系统中. 原因是: （1）不论是异步电动机还是同步电动机， 唯有改变定子供电频率调速最为方便，而 且可以获得优异的调速特性。而大容量的 变频电源却在长时期内没有得到很好的解 决；
(2)异步电动机和直流电动机不同，它只 有一个供电回路—定子绕阻，致使其速度 控制比较困难，不像直流电动机那样通过 控制电枢电压或控制励磁电流均可方便地 控制电动机的转速。
Power Electronics
G：新型交流电机的出现丰富和推动了交流电 机的应用 （1）无刷直流电机，亦称无换向器电机，70 年代在国外得到应用，它是未来电动汽车等的 首选电机——本质上是同步电动机 （2）开关磁阻电动机，也是70年代兴起的，它 在国外发展迅猛，大有和异步电动机、同步电动 机三分天下之趋势。
E：微电子技术发展极大促进了交流电机调速 技术的发展和应用。
模拟和数字电子技术、集成电路、大规模和超 大规模集成电路、单板机、单片机、 DSP、专 用芯片等等
F：电力电子技术发展为交流电机调速发展和 应用打下坚实的基础 第一代、第二代、第三代等等
Industrial
Communications Computer Consumer Car
4.我们的机遇与挑战
电力电子与运动控制： 传统产业通向信息社会的桥梁与纽带。
中国正在成为世界电动机的生产基地，机遇与挑战？
• 可持续发展战略下，电机系统节能的巨大市场： 美国： 电动机进步，节电246亿kWh/年 变频供电，节电 606亿kWh/年 中国： 500亿/年的市场，1000亿kWh/年 • 变频调速对电动机发展的推动作用
3．交流电机调速技术的发展，使交流电机传动 实用化成为现实。
传统的交流电机可分为异步电动机和同 步电机两大类。 A.早期的交流电机调速以以下3种为主
（1）线绕式异步电机的转子外串电阻 （2）笼型异步电动机的变极调速 。
B：50 年代，异步电动机定子串饱和电抗器 调速方法有了一定发展。 C：串级调速的思想：
1.2
变频调速的一般概念
交流电机的转速公式为：
异步电机：n=60 f (1-s) / p
同步电机：n=60 f / p
交流电动机的调速方法实际上只有两大类： 改变ns和改变s。 高效调速方法：变ns 低效调速方法：变S
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第一章 概 论
1.1 交流电机调速技术的发展
1.需要对电机进行调速
A：运行、生产、工艺的需要
高质量的生活，需要高性能的电机调速； B：节能的需要。
2.需要对交流电动机进行调速 A：长期以来，电机调速以直流电机为主 20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广速度 控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全 都采用直流电动机调速系统。 原因： 直流电动机易于控制，改变电机的输入电压 或励磁电流，就可在范围内实现无级调速。 交流电机的电流和转矩特性不是固定的，不 易控制 。