电力电子与现代控制Power Electronic and Modern Control

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
转子磁场定wk.baidu.com控制系统（间接法）
ud1 r1id1 p d1 uq1 r1iq1 p q1 0 r2id 2 p 2
q1 1 d1 1
s1
id
1
1
Lm
2 2
Lm
2
p
iq1; 2
2
L2 r2
0 r2iq2 2s1
T
em
1.5n p
Lm L2
iq1 2
构成的转子磁场定向控制系统（间接法）为：
s1
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。
n* n
Te*m
1
iq*1
np
Lm L2
* 2
* 2
1/ Lm
id*1
uq*1
dq/
ud*1
abc 转换
ua*1 u* SPWM
b1
u* SVPWM c1
id1
1
abc/
iabc
iq1
dq 转换
Lmi1
i1
1 m
1
2
2
i2
Lmi2
AC
AC 变换器
iq*1 /id*12
1
np
ASM
速度传感器
d2 Lmid1 L2id2 L2lid2 m
q2 Lmiq1 L2iq2 L2liq2
1
m
2
1 2
i2
Lmi2
d轴
转子a轴 定子A轴
则有下述关系式成立：
可见：
s1
p 1/(m2) m /(mLm) id1
iq1; 2
L2 r2
,m
L2l L2
id1
(
p
1/
2)m /(mLm) p 1/(m2)
d轴
转子a轴 定子A轴
异步电机转子磁场间接定向控制系统的仿真
滑差角频率和转子 磁连位置角计算
仿真事例：
1、给定角频率为314rad/s，空载启动到稳态后突加200Nm负载转矩； 2、给定角频率为314rad/s，空载启动再将速度置为零。
仿真事例1
仿真事例2
q轴
转子磁场定向控制系统（直接法）
Lmi1
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
可见：
i2
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 2 电 压p 方p 程1可2 表j示j 为1 2 ：s11
i22m 1 i dddd221m jjjj iqqq2q12m L LL 12llm ii12(i 1L Lm im 2((i)1i1i2i2))
电流法又称为 I-ω模型估计法，
它利用定子电流和转速通过计算
获得转子磁链信息。
该方法极力避免了积分器的存
在，从而消除了纯积分器的影响，
但是与此相对的是引入了更多的参
数：转速ωr和转子时间常数τ2 。
转子时间常数受温度和磁链饱和的
影响是很大的，对该方法的准确性
产生了影响。
12tg1(d22q2/q22d2)
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)
异步电机的电压和磁链方程为：
ud1 r1id1 p d1 q1 1 uq1 r1iq1 p q1 d1 1 0 r2id 2 p d 2 q2s1 0 r2iq2 p q2 d 2s1
d1 L1id1 Lmid2 L1lid1 m
q1
L1iq1
Lmiq2
L1liq1
s1iq1
异步电机的电磁转矩可以表示成电流 iq1和气隙磁链的乘积，如保持气隙磁 链恒定，调节定子电流iq1可以线性的 调节电磁转矩；
调节id1的值就可改变气隙磁链大小， 但同时受iq1的影响。
Tem 1.5npiq1m
(s1)21 m 2L m m 2 iqm 1(s1)(m 1 2)20
Temm 2 43nLm p (1m1)
定子磁链 气隙磁链 转子磁链
r1
U1
L1l
L2l
I1
Lm
I2
r2 S
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
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
电压模型、电流模型和混合模型 闭环计算（观测器Observer）。
状态观测器、滑模观测器、扩展卡尔曼滤波器等。
转子磁链计算—电压模型
反电势积分法又称U-I模型估计法， 利用电机电压方程通过积分来获得转 子磁链信息。
从右式可见，该方法需要的参数主 是定子电阻和定转子漏感。具有实现 方法简单和成本低的优点，但仅适用 于高速场合。该方法存在以下的缺陷：
q 2 L m iq1 L 2iq 2
则有： d1 (ud1 r1id1)dt q1 (uq1 r1iq1)dt
d2
q2
L2
Lm L2
Lm
(ud1 r1id1)dtL1id1 (uq1 r1iq1)dtL1iq1
1 L2m
L1L2
12tg1(d22q2/q22d2)
转子磁链计算—电流模型
低速时，反电势的值和由于PWM及死 区效应的影响所引起的噪声相比相当 接近，给测量带来了误差；
电阻值随工作环境的变化而随之变 化，会引起误差；
积分器具有误差积累、直流偏移和 初始值问题。
这三方面相互影响，最终会使计
算磁链严重偏离实际值，也就失去了
在低速领域应用的可能性。
d轴
2
1 2
转子a轴
定子A轴
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。
异步电机的标量控制
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
电力电子与现代控制Power Electronic and Modern Control
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
r1
L1l
r2
L2l
S
0u1r2ri12i1jjS1112
U1
I1
Lm
I2
于忽电略压定U子1与电定阻子角r1 时频，率定 子1之磁比链。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。
d轴
ω1逆时针旋转，转子a相轴线以相对于定子A相轴线以转子角频率ωr逆时针旋转。
那么定向磁链的位置角为：1 2 (s 1 r)d t 1 dt
转子角频率ωr由转子位置传感器量测得到，而滑差角频率sω1可由电机数学模 型计算得到，两者之和即为同步角频率ω1，积分可得定向磁链的空间位置角θ1。
q轴
Tem
1.5np
Lm L2
iq1 2
1.5np
L2m L2
iq1id1转矩子为磁无场限定大向。理论上最大转
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
ud1 r1id1 p1
dq/
ud*1
abc 转换
ua*1 u*
b1 SPWM
u* c1 SVPWM
id1
1
abc/
iq1
dq 转换
iabc
AC
AC 变换器
1
磁链 计算
r
uabc &iabc
ASM
速度传感器
d轴
转子a轴 定子A轴
定向磁链的计算
定向磁磁链的计算一般需要量测以下各量： 定子电压和电流； 转子位置或转速。
定向磁链的计算可以分成两大类： 开环计算（估计器Estimator）；
d轴
转子a轴 定子A轴
A.测量法：在气隙中放置磁链检测装置直接测量定向磁链；
B.计算法：利用电机的数学模型和参数，以及测量的电压电流转速值直接计算
出定向磁链的空间位置和大小，根据结构不同又有估计器和观测器两种。
2、间接法：它是一种间接获取定向磁链位置的一种方法。其基本原理是：见上图
所示的转子磁场定向控制矢量图，d轴在空间上相对于定子A相轴线以同步角频率
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
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 p d1 q1 1 uq1 r1iq1 p q1 d1 1 0 r2id 2 p 2
i1
1 m
1
2
2
0 r2iq2 2s1
i2
Lmi2
构成的转子磁场定向控制系统（直接法）为：
n* n
Te*m
1
iq*1
np
Lm L2
* 2
* 2
1/ Lm
id*1
uq*1
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
iq1; 2
L2 r2
,
1
L2m L1L2
流iq1和定子磁链的乘积，如保持 定子磁链恒定，调节定子电流iq1 可以线性的调节电磁转矩；
id1
(
p
1/ 2 )1 /(L1) p 1/(2 )
s1iq1
在定子αβ坐标系下，异步电机的电压和磁链
方程分别为
ud1 r1id1 p d1
uq1
r1iq1
p q1
ud 2 r2id 2 p d 2 2 q2
uq2 r2iq2 p q2 2 d 2
d1 L1id1 Lm id 2
q1
L1iq1
L m iq 2
d 2 L m id 1 L 2id 2
q轴
磁场定向控制的实现
磁场定向控制的关键在于获取定向磁链的空间位 置和大小，只有在定向轴线与定向磁链重合，且保持 定向磁链幅值大小恒定，才能获得如直流电机一样的
Lmi1
i1
1 m
1
2
2
解藕控制特性。按照获取定向磁链位置的方式不同， 磁场定向控制有两种实现方法：
i2
Lmi2
1、直接法：直接检测或计算定向磁链的空间位置和大小，又有：
调节id1的值就可改变定子磁链大 小，但同时受iq1的影响。
Tem 1.5npiq11
(s1)212 L 1 2 iq1 s(s1)(12)20
Tems2
3np 4L1
(11)
气隙磁场定向控制
Lmi1
q轴
如右图所示异步电机的矢量图中，如将d轴
i1
与气隙磁链方向一致，此时有：
dm m; qm 0
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
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
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：