现代电机调速 152149 DTC Control of PMSM MM
现代电机控制技术2
r Lr ir
(2-27)
24/277
可将式(2-26)和式(227)表示为图2-3的形 式。 实际上，r已经计及 了链过转子绕组的全 部磁通，可以将ψr理 解为是转子绕组的全 (净)磁链。
图2-3 气隙磁场与转子漏磁场
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现假定转子磁链矢量ψr的旋转速度是变化的， 但幅值始终保持恒定，可将图2-3表示为图24a的形式。 在图2-4a中，转子磁场相对转子的旋转速度为 转差速度ωf ，ωf=ωs-ωr，也可看成转子磁场静 止不动，而转子以转差速度ωf 相对转子磁场顺 时针方向旋转。 因转子磁场幅值恒定，所以在各导条中只能 产生运动电动势，而不会感生变压器电动势。 图2-4a中，将转子磁场轴线定义为M轴，T轴 超前M轴90o电角度，MT轴系随ψr同步旋转。
29/277
在图2-4a中，因为转子磁场在空间为正弦分布， 所以各导条中运动电动势大小在空间上呈正弦 分布，同样各导条电流大小在空间上也呈正弦 分布。 由于各导条中电流与运动电动势在时间上没有 滞后，因此导条中电流与运动电动势的空间分 布在相位上保持一致，如图2-4b所示。 于是由各导条电流构成的转子磁动势矢量便始 终与转子磁场轴线保持正交。 即使在动态情况下，转差速度发生变化时，这 种正交关系也不会改变。
3 p Er Te 2 4 f s f R r
2
(2-8)
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但是，由图1-36可知，这必须依靠控制外加电 压Us来达到控制Er的目的，显然是非常困难的。 另一种方式是通过控制励磁电流来达到控制转 子磁场的目的，因为任何磁场都是由相应的磁 动势，也就是由电流产生的。 同式(1-184)一样，可以写出
现代交流调速系统-第6章
1 T2 p sd 1 T2 pLs isd s sT2 Ls isq
1 T2 p sq s sT2 sd Ls isd
Tem p n sd i sq
如果保持ψsd恒定，转矩直接与轴电流分量成正比，从而可以 实现瞬时的转矩控制。定子磁链控制时，必须消除与isd有关的耦 合项的影响，因而需设计一个解耦器，使isd与isq实现动态的解耦控 制。 定子磁链定向矢量控制的优点： 定子方程简单，有利于定子磁链观测器的实现 动静态性能好，控制系统结构相对简单些。
在矢量控制系统中，无论采用直接磁链定向还是间接磁链定向矢 量控制，都要求准确地把握电机的参数。对于的闭环矢量控制系统， 设转子磁链观测器采用静止（α，β）坐标系下i-n的模型，则实际转 子磁链的幅值和相位满足：
r r2 r2
r r
Lm 1 s s T2 2
u u
s
Rs i s dt Ls i s Rs i s dt Ls i s
s
其运算框图如图6-3所示。
i s (i s ) u s (u s )
R s L s p Lr Lm p
图 6-3 u i 模型法转子磁链观测器
r ( r )
§6.5 异步电机矢量控制存在的问题
矢量控制技术在异步电机变频调速系统中得到了普遍应用的同 时，依然存在着其控制本身所固有的缺陷： 矢量控制严重依赖于电机参数； 矢量控制在电机低速运行时的动静态性能一直不是很好； 矢量控制的结构较为复杂，转矩控制的动态响应速度不快； 矢量控制技术会有几个方面的问题有待进一步解决： 应解决电机参数的在线自校正问题，发展具有参数自适应能力的 矢量控制技术。 无速度传感器矢量控制技术，在速度观测精度和对电机参数的敏 感性方面有待进一步提高；另外，有待进一步扩大速度观测的范围， 以提高调速比。 有待构建交流调速领域统一的硬件发展平台，有待进一步提高变 频调速系统的控制精度。
电动机调速控制ppt
串级调速
通过改变转子回路的电阻 或电抗来调节转速，适用 于大中型电动机。
滑差调速
通过改变转子与定子之间 的滑差来调节转速，适用 于中小型电动机。
步进电动机调速
脉冲频率控制
通过改变输入脉冲的频率来调节 转速，实现精确控制。
步进角控制
通过改变步进角的大小来调节转 速，适用于高精度定位控制。
电流控制
通过改变驱动电流的大小来调节 转速，适用于大负载和低转速场
详细描述
通过改变电动机输入电源的频率，可以改变电动机的同步转 速，从而实现调速。变频调速具有调速范围广、调速精度高 、动态响应快等优点，是现代电力传动中最重要的调速方式 之一。
串级调速
总结词
通过在电动机转子回路中串入可调节的附加电动势，改变转子回路的电阻，实现 调速。
详细描述
在电动机转子回路中串入可调节的附加电动势或电阻，可以改变转子电流和转矩 ，从而实现调速。串级调速能够实现有级或无级调速，但设备复杂，成本较高。
06
电动机调速的未来发展
数字化控制技术的发展
数字化控制技术
随着微处理器和数字信号处理器的广泛应用，电动机的调速控制越来越依赖于数字化技术。数字化控 制技术具有高精度、高可靠性、易于实现复杂控制算法等优点，为电动机调速控制带来了新的发展机 遇。
智能控制算法
数字化控制技术的发展为智能控制算法的应用提供了可能。例如，模糊控制、神经网络控制、预测控 制等算法在电动机调速控制中得到了广泛应用，这些算法能够提高电动机的动态响应性能和稳态精度 。
THANKS
感谢观看
合。
03
电动机调速方法
变压调速
总结词
通过改变电动机输入电压来调节其转速，实现调速。
PMSM DTC控制系统中定子磁链观测器的研究
的磁链矢量ϕ 的值就会减小并向逆时针旋转，直到重新与反电势正交。当 γ 角小于 90°时分
析方法相似。因此自适应积分器可以自动调整补偿磁链的幅值来达到消除直流偏移量的目 的。
-3-
β emf α
γ
ϕ2 ϕ2'
γ
PMSM DTC 控制系统中定子磁链观测器的研究
李钊，杨贵杰，李铁才，徐振刚
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 (150001)
E-mail：stephenlz@
摘 要：针对直接转矩控制系统定子磁链观测器中积分环节对直流偏移量的积累误差问题， 以及在低速情况下观测结果受定子电阻变化影响较大的问题，提出了一种新型的基于改进型 积分器法并对定子电阻进行补偿的定子磁链观测器，该方法结构简单，易于工程实现。 Matlab/Simulink 仿真和实验表明，采用此方法的直接转矩系统能够在较宽的速度内运行，对 直流偏移量有很好的抑制效果，并且对定子电阻的变化具有较强的鲁棒性。 关键词：直接转矩控制；定子磁链观测；改进型积分器；定子电阻补偿 中图分类号：TM351
-2-
由于电机的机电时间常数远大于电磁时间常数，使得定子磁链瞬时转速变得比转子磁链 转速大，造成定转子磁链之间夹角瞬时增加，转矩迅速增大，反之亦然。这说明了磁链运行 状态是时进时退的，这样在磁链基波信号上必然会叠加上高频信号。另外，直接转矩控制中 反电势是通过定子绕组外加电压减去电阻压降求得的，定子绕组外加电压为六个电压矢量组 成的跳变信号，而电机中由于电感的作用电流为连续值，所以它们的差反电势为非连续的跳 变信号。
ϕ1
ϕ
ϕ'
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
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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
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1）系统组成
多台同步电动机的恒压频比控制调速系统
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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。
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（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 第4章 三相感应电动机直接转矩控制
因为励磁支路 CD 的等效励磁电感 L2m Lr 数值较大，可以认为 iM 是近乎不变的，
即可认为| ψr |是近乎不变的。
8
现代电机控制技术 第4章 三相感应电动机直接转矩控制
由式(4-2)和式(4-3)，可得
ir
1
Lr
ψ r
Lm Lr
ψs
将式(4-9)代入转子电压矢量方程(2-40)，有
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第4章 三相感应电动机 直接转矩控制
现代电机控制技术 第4章 三相感应电动机直接转矩控制
第 4 章 三相感应电动机直接转矩控制
4.1 控制原理与控制方式 4.2 控制系统 4.3 空间矢量调制 4.4 直接转矩控制与矢量控制的联系和比较 4.5 直接转矩控制仿真举例
2
现代电机控制技术 第4章 三相感应电动机直接转矩控制
直接转矩控制与矢量控制不同，它是直接将定子磁链和转矩作为控 制变量，无需进行磁场定向、矢量变换和电流控制，因此更为简捷和快 速，进一步提高了系统的动态响应能力。
本章分析了直接转矩控制的基本原理，对直接转矩控制和矢量控制 进行了比较性分析，对直接转矩控制尚存在的技术问题做了简要说明。
3
现代电机控制技术课件-PPT
感应电动势 eA 和 eB 分别为
eA
d A
dt
eB
d B
dt
(1-33) (1-34) (1-35) (1-36)
在时间 dt 内，由外部电源输入铁心线圈 A 和 B 的净电能 dWe 为
dWe (eAiA eBiB )dt
( d A
dt
iA
d B
dt
iB )dt
iAd A iBd B
(1-37)
式(1-2)表明线圈 A 提供的磁动势 fA 被主磁路的两段磁压降所平
衡。此时， fA 相当于产生磁场 H 的“源”，类似于电路中的电动势。
在铁心磁路内，磁场强度 Hm 产生的磁感应强度 Bm 为
Bm Fe Hm r0Hm
(1-4)
式中， Fe 为磁导率， r 为相对磁导率， 0 为真空磁导率。
现代电机控制技术
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
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
若忽略漏磁场，则有
(1-18)
dWeAA iAd mA
(1-19)
在没有任何机械运动情况下，由电源
输入的净电能将全部变成磁场能量的增
量 dWm ，于是
dWm iAd mA
磁场能量为
(1-20)
Wm mA iAd 0
(1-21)
式(1-21)是线圈 A 励磁的能量公式，考虑
了铁心磁路和气隙磁路内总的磁场储能。
现代电机控制技术课件PPT
BB σB mB LσBiB LmBiB LBiB
式中， LσB 、 LmB 和 LB 分别为线圈 B 的漏电感、励磁电感和自感。且有
LB LσB LmB
线圈 B 产生的磁通同时要与线圈 A 交链，反之亦然。这部分相互交
链的磁通称为互感磁通。在图 1-1 中，励磁磁通mB 全部与线圈 A 交链，
现代电机控制技术
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
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
在时间 dt 内，由外部电源输入铁心线圈 A 和 B 的净电能 dWe 为
电机中常用的铁磁材料的磁导率 Fe 约是真空磁导率 0 的
2000～6000 倍。空气磁导率与真空磁导率几乎相等。铁磁材料的 导磁特性是非线性的，通 常 将 Bm f (Hm) 关 系 曲 线称为磁化曲线，如图 1-3 所示。可以看出，当 H m 达 到一定值后，随着 H m 的增 大，Bm 增加越来越慢，这 种现象称为饱和。
圈不仅励磁电感相等，且励磁电感又与互感相等。
线圈 A 的全磁链 A 可表示为 A LσAiA LmAiA LABiB
同理可得
LAiA LABiB
B LσBiB LmBiB LBAiA
LBiB LBAiA
感应电动势 eA 和 eB 分别为
eA
d A
dt
eB
d B
dt
(1-33) (1-34) (1-35) (1-36)
图 1-4 串联磁路的模拟电路图
《电机调速》课件
结语
电机调速是现代工业中不可或缺的重要手段。通过不断攀登科技的高峰，我 们可以迈入未来的辉煌！
《电机调速》PPT课件
电机在现代工业中扮演着重要的角色。常见的电机类型包括直流电机、交流 电机和步进电机等。电机调速是电机控制的重要手段。
前言
电机在现代工业中扮Байду номын сангаас着重要的角色。它们驱动各种设备，使生产和运输等工作得以顺利进行。 本节将介绍电机调速的重要性，并探讨不同类型的电机及其应用。
直流电机调速
步进电机调速
步进电机调速是一种特殊的电机控制技术。通过控制电机的脉冲信号和相序， 可以实现精确的位置控制和速度调节。
本节将介绍步进电机调速的原理和不同的调速方式，并通过实例展示其在各 个领域的应用。
电机调速的趋势
现代工业对电机调速的要求越来越高。为了提高效率和节能，不断涌现出新的调速技术和控制系统。 本节将探讨现代电机调速技术的发展趋势，包括高效节能方案和智能自适应控制系统。
直流电机调速是实现转速控制的重要手段。通过调整电机的电压、电流或电 阻，可以实现精确的转速调节。
本节将介绍直流电机调速的原理和常见的调速方法，并通过实际应用案例展 示其效果。
交流电机调速
交流电机调速是一种常见的电机控制技术。利用变频调速、电压调制或电流调制等方法，可以实现精确的转速控制。 本节将介绍交流电机调速的原理和常见的调速方法，并探讨其在实际应用中的优势和限制。
电机调速与控制技术
电机调速与控制技术电机调速与控制技术是现代工业生产中不可或缺的一项技术。
通过对电机的控制，可以实现对电机的转速、运行状态等多种参数的调整，从而满足不同工况和生产要求。
本文将围绕电机调速与控制技术，探讨其原理、应用以及未来发展趋势。
一、电机调速技术的原理1.1 电机调速的基本概念电机调速是指调节电机的运行速度，使其适应不同负载和工作要求的过程。
电机调速技术通过改变电机的输入电源频率、电压或者改变电机的接法等方式，实现电机的速度调整。
1.2 电机调速的原理分类根据电机调速的方式，可以将电机调速的原理分为电压调制方式、频率调制方式以及转差调制方式等。
1.2.1 电压调制方式电压调制方式是通过改变电机的输入电压，来达到调节转速的目的。
常见的电压调制方式有电压变压器调压、切换变压器调压和自动变压器调压等。
1.2.2 频率调制方式频率调制方式是通过改变电机的输入电源频率，来实现对电机转速的调节。
常见的频率调制方式有变频器控制、共振电压型调速和负载转速调节等。
1.2.3 转差调制方式转差调制方式是指通过在电机中加入转差器，通过人为干涉电机的转差特性，来改变电机的转速。
常见的转差调制方式有串联电抗转差控制和串联电抗－接触器转差控制等。
二、电机调速技术的应用领域2.1 工业自动化领域电机调速技术在工业自动化领域扮演着重要角色。
通过精确的电机调速控制，可以实现工业生产线的稳定运行。
例如，生产过程中需要快速加速和减速的场景，通过电机调速技术可以实现快速响应，提高生产效率。
2.2 交通运输领域电机调速技术在交通运输领域也有广泛的应用。
例如，电动汽车以及高铁列车等交通工具都采用了电机调速技术，通过精确控制电机的转速和扭矩，实现车辆的驱动和制动，提高能源利用效率，并减少污染排放。
2.3 可再生能源领域电机调速技术在可再生能源领域有重要作用。
例如，风力发电和太阳能发电等领域，通过电机调速技术可以实现风机和太阳能跟踪器的精确控制，提高能源转换效率。
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现代电机控制课程
永磁同步电机的直接转矩控制
152149姜云磊
一、六矢量的直接转矩控制
(1)仿真模型
永磁同步电机直接转矩控制的被控量为定子磁链与电磁转矩，通过对输出矢量的选择实现这两个被控对象的滞环控制。
图1-1PMSM直接转矩控制框图
图1-1所示为DTC控制控制的框图，包含如下基本部分：永磁同步电机，三相电压源型逆变器，磁链估算模块，转据估算模块，滞环控制模块，矢量选择表等构成。
图1-PMSM磁链估算模块框图
模型中采用如图1-2所示的磁链估算进行定子磁链观测，其基本原理为通过对施加在绕组上的有效电压的积分来获取磁链值，需要注意的是，由于定子磁链受到转子永磁体产生磁链的影响，因而在实际模型搭建时需要将永磁磁链作为定子磁链的初始值加以考虑。
(2)多采样速率的电机仿真方法
实际的电机系统多为数字控制系统，这类控制系统的特征是控制过程是离散的，这与Simulink仿真有一定差异，举例来说，实际控制器中(包括Dspace及Dsp)，，采样周期与控制周期多为1k到10k不等。
为了在仿真中尽可能的使得仿真的结果逼近实际，一般采用多采样速率仿真的方法，即将模型中的采样，控制，电气模型等模块设置为不同的运行步长，以实现与实际控制系统最大限度的一致。
(3)仿真波形与分析
表1-2仿真所用电机参数
参数名数值
定子电阻 1.3Ω
定子电感0.395mh
永磁磁链0.175wb
极对数4
转动惯量0.0008
直流母线电压310v
表1-2所示为仿真所使用的永磁同步电机参数，该电机为一台常规的四对极永磁同步电机。
图1-3磁链滞环宽度10%，转矩滞环宽度5%时的磁链轨迹
图1-3所示为八个基本DTC控制控制下的磁链圆轨迹，从上图中可以看出，由于可以选择的基本矢量数量有限(只有六个)，所以磁链轨迹的波动较大，但是由于受到滞环控制的调节，磁链轨迹仍然分布在正负环宽所构成的同心圆内。
图1-4估算电磁转矩与实际电磁转矩比较
图1-4所示为估算电磁转矩与实际电磁转矩的比对，由于电磁转矩本身不能直接测量，因而电磁转矩的估算对于DTC控制显得尤为重要。
通过上图的对比，可以看出本模型所构建的电磁转矩估算模块具有较好的性能。
图1-5直接转矩控制下三相电流波形
图1-5所示为直接转矩控制下三相电流波形，从仿真结果中可以看出，电流波形的正弦度并不十分理想，这是有两方面的因素造成的：其一是直接转矩控制与电流滞环控制一样，其本质上还是滞环控制的一种，天生便具有高增益、稳态时性能较差的缺点；其二是基本DTC控制中所选用的基本空间矢量数量太少，矢量的细分度不够，造成其稳态性能相对较差。
在本仿真中，电机在启动时，负载转矩为5N.m，在0.05s时，突加负载转矩到12N.m，电磁转矩的的上升存在滞后环节，不可能实时的跟随负载转矩，因而此时根据转速平衡的动力学方程，电机的转速会略有下降。
由于电机的转速调节是一个闭环调节的系统，因而在转速下降之后，电磁转矩逐渐提高实现新的转矩平衡关系，此时电磁转矩与负载转矩再次达到平衡并实现了转速的稳定。
在这一动态过程结束，电机的运行重新进入稳态，此时由于输出的电磁转矩的提高，相应的abc三相电流的幅值也由于转矩的变化而提高。
二、基于SVPWM-DTC的PMSM控制
(1)仿真模型
第一节中所述的直接转矩控制方法基于六个有效基本空间矢量，在进行滞环控制时从六个空间矢量中选择最接近需求的一个作为电压源型逆变器的输出，这种控制方法的缺点与六拍供电的电压源型逆变器类似，即矢量的细分度不够，控制方法相对粗糙。
针对这类问题，结合空间矢量将基本矢量进行线性组合的理念，SVPWM-DTC方法应运而生，这类方法的思想很简单，即通过基本矢量的线性组合来达到矢量细分的目的。
图2-1SVPMW-DTC控制方法框图
图2-2磁链与转矩估算模块
图2-3定子磁链圆轨迹
(2)仿真与波形分析
SVPWM-DTC与基本DTC控制的最主要区别体现在静态性能上，图2-4所示为相同负载情况下的三相电流波形:
图2-4SVPWM-DTC控制下三相电流波形
对二者电流波形进行FFT分析得到如图2-5所示波形。
图2-5选取了基本DTC与SVPWM-DTC控制下进入稳态后的A相电流波形进行FFT分析，以比较其静态性能，从下图可以看出，在相同的控制频率(5Khz)之下，基本DTC控制的总谐波含量THD(34.14%)要远高于SVPWM控制下(20.97%)，这一波形对比说明了在静态时，SVPWM的调制方法所产生的电流谐波成分更小，这一特性也意味着更小的转矩脉动和更低的电机损耗。
DTC-SVPWM的这一特性对于电机的发电和电动运行都有着很大的优势。
图2-5两种控制方式下相电流FFT对比。