现代交流电机控制技术基础
现代电机控制技术
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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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电机及拖动基础(第5版)课件：控制电机
电动机立即停转。保证了电动机无“自转”
现象，所以直流伺服电动机是自动控制系 统中一种很好的执行元件。
电枢控制
《电机及拖动基础》(第5版) 控制电机
一、直流伺服电动机
特
机械特性
n UC Ra T Ce CeCT 2
性
调节特性 T一定时的n=f(Uc)
交流伺服电动机的原理图
自转现象：
当转子转动起来以后，控 制信号消失，即断开控制 绕组，变成单相时，电动 机仍然能够转动。
《电机及拖动基础》(第5版) 控制电机
“自转”的消除：增加伺服电动机的转子电阻。
变成单相后，电磁转矩>0, 与转速的方向相同，电动 机仍然能够转动。
变成单相后，电磁转矩<0, 与转速的方向相反，制动 作用，电动机立即停传。
不同T时的调 特族是线性的
与他励 直流电 动机改 变电枢 电压时 的人为 机特相 似。
不同Uc时的机 特族是线性的
始 动 电 T1 压
T一定 Uc越大 n越高
控制电压UC越大，则n=0时对应 的起动转矩T也越大，越利于起动。
控制电压UC<始动电压Uc0，电 动机不转—“失灵区”。同样的 T下，失灵区越小，灵敏度越高。
生一个旋转电动势Erq，其有效值为：
Erq CqΦd n
转子绕组中将产生
交流电流Irq
Irq产生 Φq ( kErq )
略电抗， 两者同相
E2 4.44 f1N2KN2Φq 即 E2 C1n
结论：异步测速发电机输出 绕组N2中所产生的感应电动 势E2的大小与转速n成正比。
《电机及拖动基础》(第5版) 控制电机
自控系统对测发的主要要求：
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。
现代电机控制技术第3章三相永磁同步电动机矢量控制课件
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PMSM 的转子结构，按永磁体安装形式分类，有面装式、插入式和内装式三 种，如图 3-1、图 3-2 和图 3-3 所示。
图 3-1 面装式转子结构
图 3-2 插入式转子结构
图 3-3 内装式转子结构
(3-2) (3-3)
A LA LAB LAC iA fA
B LBA LB LBC iB fB
C
LCA
LCB
LC
iC
fC
(3-4)
式中， fA 、 fB 和 fC 分别为永磁励磁磁场链过 ABC 绕组产生的磁链。 11
同电励磁三相隐极同步电动机一样，因电动机气隙均匀，故 ABC 绕组
Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
Ls Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
Ls Lm1
iA iB iC
fA fB fC
式中， A
(Ls
Lm1 )iA
1 2
Lm1
(iB
iC ) fA
。
(3-7)
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若定子三相绕组为 Y 接，且无中线引出，则有iA iB iC 0 ，于是
将矢量图直接转换为 A 相绕组的相量图，或者反之。这一结论同样适用 于
PMSM，因此可将图 3-9a 所示的矢量图直接转换为 A 相绕组的相量图，如图
3-9b 所示。
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a) 稳态矢量图
b) 相量图
图3-9 面装式PMSM矢量图和相量图
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此时，可将式(3-17)直接转换为
U s Rs Is jωs Ls Is jωsΨ f Rs Is jωs Ls Is jωs Lm If Rs Is jωs Ls Is E0
现代电机控制技术
（1）他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系 统。 （2）自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器或电动 机反电动势波形提供的转子位置信号来控制变压 变频装置换相时刻的系统。
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
3、同步调速系统的特点 （1）交流电机旋转磁场的同步转速1与定子 电源频率 f1 有确定的关系 2f1 1
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
1、 转速开环恒压频比控制的 同步电动机群调速系统 步电动机群 速系统 转速开环恒压频比控制的同步电动机群 调速系统，是一种最简单的他控变频调速 单 他 变 系统 多用 化纺 系统，多用于化纺工业小容量多电动机拖 小容 多 动机 动系统中。 这种系统采用多台永磁或磁阻同步电动 机并联接在公共的变频器上，由统一的频 率给定信号同时调节各台电动机的转速。 率给定信号同时调节各台电动机的转速
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
1）系统组成
多台同步电动机的恒压频比控制调速系统
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
2）系统控制 多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共 的电压源型PWM变压变频器上，由统 变压变频器上 由统一的 的 频率给定信号 f * 同时调节各台电动机的转 速。 PWM变压变频器中，带定子压降补偿的恒 变压变频器中 带定子压降补偿的恒 压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒 定 缓慢地调节频率给定 f * 可以逐渐地同 定，缓慢地调节频率给定 时改变各台电机的转速。
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
（6）由于同步电动机转子有独立励磁，在 极低的电源频率下也能运行 因此 在同 极低的电源频率下也能运行，因此，在同 样条件下，同步电动机的调速范围比异步 电动机更宽。 电动机更宽 （7）异步电动机要靠加大转差才能提高转 矩，而同步电机只须加大功角就能增大转 矩 同步电动机比异步电动机对转矩扰动 矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动 具有更强的承受能力，能作出更快的动态 响应。 哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
《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
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02
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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
电工技术基础：控制三相交流电动机
电工技术基础：控制三相交流电动机引言在现代工业领域中，三相交流电动机广泛应用于各类机械设备中，如泵、风机、压缩机等。
掌握控制三相交流电动机的基本知识和技术，对于确保工业设备的正常运行和提高生产效率至关重要。
本文将介绍控制三相交流电动机的基础原理和常用的控制方法。
一、三相交流电动机的基本原理三相交流电动机是一种将电能转换为机械能的装置。
它由定子和转子两部分组成。
其中，定子上绕有三相绕组，通过定子绕组中的电流在旋转磁场的作用下，使转子旋转。
三相交流电动机的基本原理可以归结为两个关键概念：磁场旋转和感应电动机原理。
•磁场旋转：三相交流电动机的定子绕组通电后，产生的磁场会随着电流的变化而旋转。
这个旋转的磁场与转子磁铁产生相互作用，从而导致转子旋转。
•感应电动机原理：根据法拉第电磁感应定律，当导体（转子）在变化的磁场中移动时，会在导体中产生感应电动势。
这个感应电动势将导致转子上产生感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用，从而推动转子旋转。
二、三相交流电动机的控制方法控制三相交流电动机有多种方法，常见的包括直接启动、自耦变压器启动、起动器控制和变频调速等。
下面将对这些方法一一进行介绍。
1. 直接启动直接启动是最简单的一种控制方法，它适用于小型电动机和起动负载不大的情况。
直接启动的主要步骤如下：•通过接线将电动机的三相绕组与电源连接。
•打开电源开关，给电动机供电。
•电动机直接启动，并开始工作。
然而，直接启动可能会对电网和电动机本身造成较大的冲击。
因此，在大型电动机和重载起动的情况下，需要采用更加先进的控制方法。
2. 自耦变压器启动自耦变压器启动是一种减小启动冲击的方法。
它通过引入自耦变压器来减小启动时的电压冲击。
自耦变压器启动的主要步骤如下：•通过接线将电动机的三相绕组、自耦变压器和电源连接。
•打开电源开关，给电动机和自耦变压器供电。
•首先，通过自耦变压器将电动机的起动电压减小为较低的值。
•待电动机达到正常转速后，通过切换开关去除自耦变压器，使电动机工作于额定电压下。
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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
第一代、第二代、第三代等等
Industrial
Communications Computer Consumer Car
Total Solution
IGCT
iPowIR Total Solution
集成化智能化
PI-IPM
IGBT
IPM BBI
双极性自关断器件
GTO
DirectFET
Switching
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：
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 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； （3）E2还可以用来调节异步电动机的功率因 数。
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 。
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.
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。
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 （3）同步电机的变极调速 后两种极对数改变有限，调速范围不大。
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
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。
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。
（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。
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
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％。
（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。
（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。
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
FlipFET MOS+IC+… Controller
LDO
MOSFET Drive IC
BJT
晶闸管
Power Electronics
Power Management
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
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。