电力电子与现代控制电机的控制理论和控制系统第一部分
运动控制系统(第4版)第1章 绪论
第1章 绪论
• 信号转换和处理包括电压匹配、极性转换、脉冲整形等，对 于计算机数字控制系统而言，必须将传感器输出的模拟或数 字信号变换为可用于计算机运算的数字量。数据处理的另一 个重要作用是去伪存真，即从带有随机扰动的信号中筛选出 反映被测量的真实信号，去掉随机的扰动信号，以满足控制 系统的需要。 • 常用的数据处理方法是信号滤波，模拟控制系统常采用模拟 器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟 滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。
GD2 4gJ ;
n——转子的机械转速（r/min），
60 m n . 2
第1章 绪论
• 运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直 线电动机来说就是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2） 可知，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电 磁转矩Te，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩 控制是运动控制的根本问题。 • 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁心，在一定的电 流作用下进可能产生最大的电磁转矩，以加快系统的过渡过 程，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。因为当 磁通（或磁链）很小时，即使电枢电流（或交流电机定子电 流的转矩分量）很大，实际转矩仍然很小。何况由于物理条 件限制，电枢电流（或定子电流）总是有限的。因此，磁链 控制与转矩控制同样重要，不可偏废。通常在基速（额定转 速）以下采用恒磁通（或磁链）控制，而在基速以上采用弱 磁控制。
第1章 绪论
• 1.2 运动控制系统的历史与发展
• 直流电动机电力拖动与交流电动机电力拖动在19世纪中叶先后诞 生（1866年德国人西门子制成了自激式的直流发电机；1890年 美国西屋电气公司利用尼古拉· 特斯拉的专利研制出第一台交流 同步电机；1898年第一台异步电动机诞生），在20世纪前半叶， 约占整个电力拖动容量80%的不可调速拖动系统采用交流电动机， 只有20%的高性能可调速拖动系统采用直流电动机。20世纪后半 叶，电力电子技术和微电子技术带动了带动了新一代的交流调速 系统的兴起与发展，逐步打破了直流调速系统一统高性能拖动天 下的格局。进入21世纪后，用交流调速系统取代直流调速系统已 成为不争的事实。 • 直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。其换向器与电刷
电子信息技术中的电力电子与电机控制技术
电子信息技术中的电力电子与电机控制技术电力电子技术与电机控制技术是现代电子信息技术中重要的组成部分。
电力电子技术广泛应用于电网、电动汽车、太阳能发电、风能发电等领域，而电机控制技术则是实现电机的精确控制和高效运行的关键。
本文将分别介绍电力电子技术和电机控制技术的基本原理、应用和发展趋势。
电力电子技术是研究通过电子器件和电气设备实现电能的转换、控制和调节的技术领域。
它的应用范围非常广泛，包括变频调速、无功补偿、电压变换、电流变换等。
电力电子技术的核心是功率半导体器件的应用，如晶闸管、功率晶体管、IGBT等。
这些器件具有高功率、高频率和高效率的特点，可以实现电能的快速转换和调节。
例如，变频调速技术可以实现电机的无级调速，提高电机的效率和控制精度。
无功补偿技术可以实现电网的功率因数校正，提高电网的稳定性和可靠性。
电机控制技术是研究如何通过控制电机的转矩、速度和位置，实现电机的精确控制和高效运行的技术领域。
它是电力电子技术的重要应用之一。
电机控制技术可以分为传统控制和先进控制两种。
传统控制主要包括PID控制、模糊控制和自适应控制等。
这些控制方法通过对电机的输入输出关系建立数学模型，并根据误差进行修正，实现对电机的控制。
而先进控制技术则采用更加先进的控制算法，如神经网络控制、模型预测控制和自适应模糊控制等，提高了电机控制的性能和精度。
电力电子技术和电机控制技术相辅相成，共同应用于众多领域。
例如，电机控制技术可以应用于电动汽车的电机控制，实现电动汽车的高效运行和行驶安全。
电力电子技术可以应用于太阳能发电系统的电力转换和储能控制，提高太阳能发电的效率和稳定性。
在风能发电系统中，电力电子技术可以实现对风力发电机组的变频调速，提高了风能发电的可利用率和经济性。
随着科技的不断发展，电力电子技术和电机控制技术也在不断创新和改进。
未来的发展趋势主要包括以下几个方面。
功率半导体器件将实现更高的功率密度和更高的工作温度，提高电力电子装置的可靠性和散热能力。
《现代电机控制技术》课件
03 现代电机控制技术实现
数字信号处理器（DSP）在电机控制中的应用
数字信号处理器（DSP）是一种专用的微处理器，特别适合于进行高速数字信号处 理计算。
在电机控制中，DSP可以用于实时计算复杂的控制算法，实现精确的速度和位置控 制。
DSP通过接收编码器的反馈信号和输入的参考信号，计算出电机的控制量，并输出 到驱动器来控制电机的运行。
数字化与智能化
高效与节能
随着数字化和智能化技术的不断发展，电 机控制技术将更加智能化和自适应性。
未来电机控制技术将更加注重高效和节能 ，以适应绿色环保的需求。
网络化与远程控制
多学科交叉融合
网络化技术的发展将使得电机控制更加便 捷和远程化，提高设备的可维护性和安全 性。
电机控制技术将与多个学科交叉融合，如 人工智能、机器视觉和物联网等，以实现 更广泛的应用和创新。
02 电机类型和控制原理
直流电机及其控制原理
01
02
03
直流电机
利用直流电能转换为机械 能的电动机，具有较好的 调速性能和启动转矩。
控制原理
通过改变电机的输入电压 或电流，实现对电机转速 和转矩的控制。
调速方法
改变电枢电压、改变励磁 电流、串电机
利用交流电能转换为机械 能的电动机，具有结构简 单、价格便宜、维护方便 等优点。
交通运输
电机控制技术在交通领域有广泛应用 ，如电动汽车、轨道交通和航空电子 等。
能源转换与利用
电机控制技术有助于提高能源转换效 率和利用率，如风力发电、太阳能逆 变器和智能电网等。
智能家居与楼宇自动化
电机控制技术为智能家居和楼宇自动 化提供了技术支持，如智能家电、自 动门和安防系统等。
电机控制技术的未来趋势
电机与电力电子掌握电动机的控制与驱动技术
电机与电力电子掌握电动机的控制与驱动技术电机是现代工业与生活中不可或缺的重要设备，而电力电子作为电机的控制与驱动核心技术，对电机的性能表现和应用提出了更高的要求。
本文将介绍电机的控制与驱动技术，并探讨它们在各个领域的应用。
1. 电机的基本原理电机是将电能转化为机械能的设备。
电机的基本原理是利用电流通过导线产生的磁场与永磁体或电磁体之间相互作用来产生力矩。
根据电机的不同工作原理，可以将其分为直流电机和交流电机。
2. 电机控制技术电机的控制技术是指通过改变电流或电压来控制电机的运行状态。
常见的电机控制技术包括调速、转向、定位等。
其中，电机的调速控制技术是电机控制中最常用的技术之一。
2.1 直流电机控制技术直流电机采用的控制技术主要包括电阻切换控制、PWM控制和矢量控制三种。
2.1.1 电阻切换控制电阻切换控制是通过改变电阻来改变电机的转速。
这种控制技术简单、成本低，但效果较差，不适用于对电机性能要求较高的应用场合。
2.1.2 PWM控制PWM控制是通过改变脉宽来改变电机的转速。
脉宽越大，电机的转速越快。
这种控制技术简单、效果较好，被广泛应用于各种直流电机控制系统中。
2.1.3 矢量控制矢量控制是将直流电机模型转换为交流电机模型进行控制，通过控制电流和电压的相位和幅值来实现电机的精确控制。
矢量控制技术具有高效性能和较高的响应速度，适用于对电机精确度要求较高的应用场合。
2.2 交流电机控制技术交流电机的控制技术主要包括感应电机矢量控制、同步电机矢量控制和直接转矩控制三种。
2.2.1 感应电机矢量控制感应电机矢量控制是通过控制电流和电压的相位和幅值来实现对感应电机的精确控制。
这种控制技术具有较高的效率和较好的响应性能，被广泛应用于传动系统、工业控制等领域。
2.2.2 同步电机矢量控制同步电机矢量控制是通过控制电流和电压的相位和幅值来实现对同步电机的精确控制。
同步电机矢量控制技术具有较高的效率和较好的动态性能，适用于对电机稳定性要求较高的应用场合。
电力电子技术(含实验)第1章_绪论
1-4
课程内容简介
1-1 电力电子技术概述
电力电子技术（power electronics）：指利用电力 电子器件对电能进行变换和控制，把从电网获取的“ 粗电”变换成负载所需要的“精电”的技术。
电子技术包括：
信息电子技术 和 电力电子技术。
信息电子技术——模拟电子技术和数字电子技术。
电力电子技术主要用于电力变换，而信息电子技术
电力电子器件
①分立器件
②模块
③IGBT单管
④IGBT模块
电力电子器件的发展趋势
高频化：提高开关频率，降低设备体积，节约资源
模块化：功率部分、控制、驱动、保护集成一体
数字化：数字控制技术广泛应用 绿色化：谐波污染小、功率因数高、电磁辐射小
1-3 电力电子技术应用
电力电子技术广泛用于一般工业、交通运输、 电力系统、不间断电源和开关电源、家用电器、以 及新能源的开发及应用领域。在解决全球能源危机、 资源危机和环境污染方面发挥着重要作用。经过至 少一次电力电子装置处理以后使用的电能所占比例 已经成为一个国家经济发展水平的重要指标。
导通和关断控制的有效信号。
3.电力电子技术的研究分支及特点
研究分支:
电 力 电 子 器 件 （ element) 技 术 、 变 流 技 术 (power conversion)和控制技术（Control)三个分支。 特点:
电力电子器件是整个电力电子技术的基础，电力电子技术 的发展集中体现在电力电子器件的发展上，器件一般均工 作在开关状态，这是重要特征； 变流技术是电力电子技术的主体，控制技术是电力电力电 子技术的灵魂；
５.家用电器
照明在家用电器中有十分突出的地位。由于电力电 子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源， 通常被称为“节能灯”，正逐步取代传统的白炽灯 和日光灯。
现代电力电子技术第1章(Introduction 4h)
关断时正向电流降为零到完全恢复对反向电压阻断能力时间。
浪涌（Surge）电流IFSM 指电力二极管承受最大连续一个或几个工频周期过电流。
哈工大（威海）自动化研究所
1.1 传统电力电子器件介绍 ---功率整流管
4. 主要类型
普通二极管
又称整流二极管，用于开关频率不高（1kHz以下）整流电路中。反 向恢复时间较长，在5S以上，正向电流定额和反向电压定额分别 可达数千安和数千伏以上。
DC-DC，AC-AC 相位控制
变流电路 控制技术
周波控制 调制控制
哈工大（威海）自动化研究所
§1.1 电力电子器件发展历程
20世纪初 电子管 电子技术 诞生 电力电子技术诞生 整流技术发展 现代电力电子技术 逆变技术发展 21世纪 广泛应用时代
哈工大（威海）自动化研究所
20世纪50年代
SCR 20世纪70年代 GTO，GTR，MOS 20世纪90年代 IGBT
通态电流临界上升率。
哈工大（威海）自动化研究所
1.1 传统电力电子器件介绍 ---普通晶闸管 4.主要派生器件
(1)快速晶闸管FST
包括快速晶闸管和高频晶闸管，分别应用于400Hz和
10kHZ以上斩波或逆变电路；
开关时间及du/dt和di/dt耐量明显改善：关断时间（普 通晶闸管数百微秒，快速晶闸管数十微秒，高频晶闸管 10微秒）； 与普通晶闸管相比，高频晶闸管电压和电流定额不高；
1.1 传统电力电子器件介绍 ---普通晶闸管 (4)光控晶闸管LTT 利用一定波长的光照信号触发导通； 光缆装有作为触发光源的发光二极管或半导体激光器；
保证主控电路的绝缘，避免电磁干扰影响；
高压大功率场合，如HVDC输电和HV核聚变装置占重要地位。
电力电子与电机控制系统综合实验教程课程设计
电力电子与电机控制系统综合实验教程课程设计项目背景电力电子技术是现代电力电气工程的重要组成部分，广泛应用于电力变换、能源控制、工业自动化控制等领域。
电机控制系统是电气动力传动领域的核心技术，也是电气工程的重要应用领域。
电力电子和电机控制技术在我国电气工程专业中具有重要地位，因此在电气工程专业中设立相应的实验教学课程，对于培养电气工程学生的实际能力和创新能力具有重要意义。
项目简介本课程设计旨在通过电力电子和电机控制综合实验的方式，提高电气工程学生的实际操作能力和综合实践能力。
本课程设计实验内容涵盖了电力电子和电机控制两个方向，并在实验过程中将二者有机地结合起来，充分体现了电力电子和电机控制技术在实际应用中的交叉和应用。
实验内容电力电子实验1.半导体整流电路实验2.DC-DC变换器实验3.AC-DC整流电路实验4.DC-AC交流变换器实验5.零电压跨导开关(ZVS)及零电流跨导开关(ZCS)实验6.高频电源电路实验电机控制实验1.直流电机调速系统实验2.交流电机调速系统实验3.伺服电机调速系统实验4.步进电机控制系统实验5.电气传动系统实验实验要求1.每个实验应详细阐述实验原理、实验步骤、实验数据分析等内容。
2.参加实验的学生应对所学理论知识和已学实验进行深度思考，总结出新的实验思路和设计方案。
3.学生应自行组装实验电路，并对实验过程进行详细记录与报告，体现出严谨的实验态度和高效的实验操作能力。
4.学生应根据实际需求设计实验电路，思考实验过程中存在的问题，掌握相关问题的解决方法，提高实际操作能力与设计创新能力。
课程设计成果1.本课程设计的主要成果为电力电子和电机控制综合实验，旨在培养电气工程学生的实际操作能力和综合实践能力。
2.学生应在实验中熟悉并掌握电力电子技术和电机控制技术原理、实验操作方法和实验数据分析等相关内容。
3.实验结果应在实验报告中详细阐述，对实验过程所产生的问题与解决方案进行总结，为学生的学术论文撰写奠定基础。
直流电机PWM恒速控制器
直流电机恒速控制器摘要：当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。
长期以来，直流电机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。
它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。
随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。
为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。
本文介绍一套基于单片机的直流电机恒速控制器，根据系统的要求完成了整体方案设计和系统选型，针对所设计的控制方案对控制系统的软、硬件设计作了详细论述。
硬件部分先作了整体设计，然后介绍了以51单片机为核心的硬件构成，对键盘电路、测量电路和显示电路等作了详细阐述；软件部分采用模块化设计思想，编制了各个模块的流程图。
论述了软件的设计思想和方法。
针对直流电机运行环境恶劣、干扰严重的特点，从系统的硬件设计、软件设计等多方面进行抗干扰的综合考虑，并利用多种软件和硬件技术来提高和改善系统的抗干扰能力，有效地提高了系统的可靠性和实用性。
关键词：直流电机单片机恒速控制目录摘要 (2)第1章绪论 (4)1.1 引言 (4)1.2 单片机控制调速系统 (4)第2章 PWM调速系统介绍 (5)2.1 PWM技术简介 (5)2.2 直流电动机的PWM调速 (7)第3章系统硬件的具体设计与实现 (9)3.1 微控制器概述 (9)3.1.1 主控芯片STC89C52简介 (9)3.1.2 时钟电路设计 (12)3.1.3 复位电路设计 (13)3.2 直流电动机工作电路 (14)3.3 数码管显示电路 (16)3.4 按键电路设计 (17)3.5 转速测量电路设计 (20)3.6 电源电路 (20)第4章软件设计 (21)4.1 Keil C51简介 (21)4.2 主程序设计 (22)4.3 PWM控制程序设计 (22)第5章论文总结 (24)致谢 (25)参考文献 (26)程序一：电路原理图 (27)附录二：程序 (28)第1章绪论1.1 引言在电气时代的今天，电机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。
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r1
L1l
r2
L2l
S
0u1r2ri12i1jjS1112U1Βιβλιοθήκη I1LmI2
忽略定子电阻 r1 时，定子磁链
于电压 U1与定 子角频率 1之比。
1等
滑转差子频磁率链S1之2等比于的转负子值电。流 i1 与转子
转子磁链超前转子电流90度。
忽略定转子磁链 L1l , L2l 时，定子磁 链与转子磁链相等。
编辑ppt
2
简介
➢ 电机控制的任务：采用电力电子装置，通过对电机系统的机 械特性的控制，使电机按照预定的方式或轨迹运行。
➢ 电机控制的类型：位置、速度和力矩控制；开环控制和闭环 控制；标量和矢量控制。
➢ 电机控制的关键：电机电磁转矩的控制 电机的机械方程：
Tem Tloadn Jpdd rtB r,rr0rd t
所以，忽略 r1,L1l,L2l 时，鼠笼型异步
鼠笼型异步电机稳态等效电路图
鼠笼型异步电机的电磁转矩为：
Tem 1.5np Lm (iq1id 2 id1iq2 )
1.5np (iq1 d1 id1 q1)
1.5np ( q1id 2 d1iq2 )
1.5np
Lm L2
(iq1 d 2
定子磁链 气隙磁链 转编子辑磁p链pt
r1
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L1l
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I1
Lm
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r2 S
9
鼠笼型异步电机稳态等效电路图
转子磁场定向控制
如右图所示异步电机的矢量图中，如将d 轴与转子磁链方向一致，此时有：
d22; q20
异步电机的电压和磁链方程为：
q轴
Lmi1
i1
1
d轴
m
1
2
2
转子a轴
定子A轴
ud1 r1id1 p d1 q1 1 uq1 r1iq1 p q1 d1 1 0 r2id 2 p 2 0 r2iq2 2s1
i2
Lmi2
建立下述矢量：
u
1
u2
i1
u u id
d d 1
1 2
ju ju ji q1
q1 q2
异 u 步u 21电 机rr的2 1ii1 电2 压p 方p 程1可2 表j示j 为1 2 ：s11
i22m 1 i dddd221m jjjj iqqq2q12m L LL12llm ii12(i 1L Lmim 2((i)1i1i2i2))
Tem f(u,i,r)
电机控制系统的性能的好坏取决于电机电磁转矩的控制。
编辑ppt
3
直流电机的控制及系统
直流电机的数学模型：
可以构成直流电机的控制 系统为：
n*
Te*m 1
ia*
ua*
n
Mifd
ia
u
a
ra ia
La
u fd
r fd i fd
di a dt
L fd
Mi
di fd dt
d1 L1id1 Lmid 2
q1
L1iq1
Lm iq 2
d 2 Lmid1 L2id 2 2
q2 Lmiq1 L2iq2 0
i2
Lmi2
可见：
异步电机的电磁转矩可以表
示成两个电流id1和iq1的乘
则有下述关系式成立： 达到稳态时：
积； 调节id1的值就可改变转子磁
s1
Tem
1.5np
Lm L2
iq1编2辑p1pt.5np
L2m L2
iq1id1转矩子为磁无场限定大向。理论上最1大0 转
定子磁场定向控制 q轴
Lmi1
d轴
如右图所示异步电机的矢量图中，如将d 轴与定子磁链方向一致，此时有：
i1
1 m
d11; q10
异步电机的电压和磁链方程为：
1 2
2
转子a轴
Lm 2 2
iq1; 2
L2 r2
id
1
12 Lm
p
2
Tem
1.5n p
Lm L2
iq1 2
s1
Lm
2 2
iq1
1
2
iq1 id1
id1
12
Lm
p
2
2
Lm
链大小，如果保持id1不变， 调节iq1的值就可以线性的改
变电机电磁转矩的值； id1称之为电机励磁电流分量
，iq1为力矩电流分量。
d1 L1id1 Lm id 2
q1
L1iq1
L m iq 2
d 2 L m id 1 L 2id 2
1
m
L1l i1
L2li2
2
转子a轴 定子A轴
uq2 r2iq2 p q2 d2s1 q 2 L m iq1 L 2 iq 2
电磁转矩： T em 1 .5 np(iq 1 d1id1 q 1)
可见：
i2
Lmi2
定子A轴
异步电机的电磁转矩可以表示成电
s1
p 1/(2) 1 /(L1) id1
电力电子与现代控制
Power Electronic and Modern Control
中国科学院研究生院
编辑ppt
1
第四章：电机的控制理论和控制系统
简介 直流电机的控制 异步电机的控制
1、标量控制 2、矢量控制：磁场定向控制和直接转矩控制
电励磁和永磁同步电机的控制
1、磁场定向控制 2、直接转矩控制
直接转矩控制 1、直接转矩的基本理论 2、直接转矩控制的实现 3、直接转矩控制系统
编辑ppt
8
异步电机的磁场定向控制理论
Lmi1
异步电机在同步旋转坐标系下的电压和
磁链方程为：
i1
ud1 r1id1 p d1 q1 1
uq1
r1iq1
p q1
d1 1
ud2 r2id2 p d2 q2s1
ud1 r1id1 p1
uq1
r1iq1
11
0 r2id 2 p d 2 q2s1
0 r2iq2 p q2 d 2s1
则有下述关系式成立：
d1 L1id1 Lmid 2 1 q1 L1iq1 Lmiq2 0 d 2 Lmid1 L2id 2
q2 Lmiq1 L2iq2
id1 q2 )
电机的稳态电磁转矩 为：
2
T em 1 .5 n p 1i2 1 .5 n p 1S1
如控制定子磁链的幅值恒定，则稳 态电磁转矩与滑差频率成正比。
编辑ppt
6
异步电机的标量控制
编辑ppt
7
异步电机的矢量控制
磁场定向控制 1、磁场定向控制的基本理论 2、磁场定向控制的实现 3、磁场定向控制系统 4、计算与仿真
fd
Tem Mi fd ia
d
r
Tem Tload
Mi fd ia Tload
dt
J
J
AC
AC/DC 变换器
i*fd
u*fd
i fd
AC
AC/DC 变换器
DCM
编辑ppt
4
速度传感器
异步电机的控制
标量控制
矢量控制
1、磁场定向控制
2、直接转矩控制
编辑ppt
5
异步电机的标量控制
稳态时，鼠笼型异步电机的电压方程为：