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1、电力电子与现代控制PowerElectronicandModernControl中国科学院研究生院中国科学院研究生院第四章：电机的控制理论和控制系统第四章：电机的控制理论和控制系统n简介 n直流电机的控制n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n电励磁和永磁同步电机的控制 1、磁场定向控制 2、直接转矩控制简介简介电机控制的任务：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：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：电机控制的关键：电机电磁转矩的控
2、制 电机的机械方程：电机控制系统的性能的好坏取决于电机电磁转矩的控制。电机控制系统的性能的好坏取决于电机电磁转矩的控制。直流电机的控制及系统直流电机的控制及系统n直流电机的数学模型：直流电机的数学模型：n可以构成直流电机的控制可以构成直流电机的控制系统为：系统为：异步电机的控制异步电机的控制n标量控制n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：鼠笼型异步电机的电磁转矩为：鼠笼型异步电机稳态等效电路图鼠笼型异步电机稳态等效电路图p忽略定子电阻时，定子磁链等于电压与定子角频率之比。p转子磁链等于转子电流与转子滑差频率之比的负
3、值。p转子磁链超前转子电流90度。p忽略定转子磁链时，定子磁链与转子磁链相等。所以，忽略时，鼠笼型异步电机的稳态电磁转矩为：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标量控制异步电机的矢量控制异步电机的矢量控制n磁场定向控制磁场定向控制 1 1、磁场定向控制的基本理论、磁场定向控制的基本理论 2 2、磁场定向控制的实现、磁场定向控制的实现 3 3、磁场定向控制系统、磁场定向控制系统 4 4、计算与仿真、计算与仿真n直接转矩控制直接转矩控制 1 1、直接转矩的基本理论、直接转矩的基本理论 2 2、直接转矩控制的实现、直接转矩控制的实现 3 3、直接转矩
4、控制系统、直接转矩控制系统 异步电机的磁场定向控制理论异步电机的磁场定向控制理论异步电机在同步旋转坐标系下的电压和异步电机在同步旋转坐标系下的电压和磁链方程为：磁链方程为：电磁转矩：电磁转矩：建立下述矢量：建立下述矢量：异步电机的电压方程可表示为：异步电机的电压方程可表示为：转子磁链转子磁链定子磁链定子磁链气隙磁链气隙磁链鼠笼型异步电机稳态等效电路图鼠笼型异步电机稳态等效电路图转子磁场定向控制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：异步电机的电压和磁链方程为：则有下述关系式成立：达到稳态时：可见：n异步电机的电磁转矩可以表示成两个电流id1和iq1的乘
5、积；n调节id1的值就可改变转子磁链大小，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；nid1称之为电机励磁电流分量，iq1为力矩电流分量。n转子磁场定向理论上最大转矩为无限大。定子磁场定向控制定子磁场定向控制异步电机的电压和磁链方程为：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：则有下述关系式成立：可见：n异步电机的电磁转矩可以表示成电流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；n调节id1的值就可改变定子磁链大小，但同时受iq1的影响。气隙磁场定向控制气隙磁场定向控制异步电机的电压和磁链方程为：如右图
6、所示异步电机的矢量图中，如将d轴与气隙磁链方向一致，此时有：则有下述关系式成立：可见：n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；n调节id1的值就可改变气隙磁链大小，但同时受iq1的影响。磁场定向控制的实现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：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：A.测量法：在气隙中放置磁链检
7、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1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r逆时针旋转。那么定向磁链的位置角为：转子角频率r由转子位置传感器量测得到，而滑差角频率s1可由电机数学模型计算得到，两者之和即为同步角频率1，积分可得定向磁链的空间位置角1。转子磁场定向控制系统（间接法）转子磁场定向控制系统（间接法）构
8、成的转子磁场定向控制系统（间接法）为：异步电机转子磁场间接定向控制系统的仿真异步电机转子磁场间接定向控制系统的仿真仿真事例：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。滑差角频率和转子滑差角频率和转子磁连位置角计算磁连位置角计算仿真事例仿真事例1仿真事例仿真事例2转子磁场定向控制系统（直接法）转子磁场定向控制系统（直接法）构成的转子磁场定向控制系统（直接法）为：定向磁链的计算定向磁链的计算定向磁链的计算可以分成两大类：定向磁链的计算可以分成两大类：n开环计算（估计器Estimator）；电压模型、
9、电流模型和混合模型n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。定向磁磁链的计算一般需要量测以下各量：定向磁磁链的计算一般需要量测以下各量：n定子电压和电流；n转子位置或转速。转子磁链计算转子磁链计算电压模型电压模型反电势积分法又称反电势积分法又称U-IU-I模型估计法，模型估计法，利用电机电压方程通过积分来获得转利用电机电压方程通过积分来获得转子磁链信息。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：n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
10、相当接近，给测量带来了误差；n电阻值随工作环境的变化而随之变化，会引起误差；n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。在定子在定子坐标系下，异步电机的电压和磁链坐标系下，异步电机的电压和磁链方程分别为方程分别为则有：则有：转子磁链计算转子磁链计算电流模型电流模型电流法又称为电流法又称为 I-I-模型估计法，模型估计法，它利用定子电流和转速通过计算获它利用定子电流和转速通过计算获得转子磁链信息。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r和转子
11、时间常数2。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。方法一：方法一：在定子在定子坐标系下，异步电机的电压和磁坐标系下，异步电机的电压和磁链方程分别为：链方程分别为：则有：则有：方法二：方法二：在转子在转子坐标系下，异步电机的坐标系下，异步电机的电压和磁链方程分别为：电压和磁链方程分别为：则有：则有：混合模型混合模型 电流模型和电压模型开环观测器都具有结构简单、易于实现的特点，是应用最广的两种开环观测器，这两种开环观测器的特性在很多方面可以互补，因此可以将它们联接起来使用以获得更好的计算结果。下图为用Gopinath最小阶观测器理论设计的转子磁链观测器。图中隐含的
12、磁链参考值是电流模型生成的估计值，此闭环观测器能实现两个开环观测器之问自动平滑的转换：低频时表现为电流模型的特性，高频时为电压模型的特性。校正环节校正环节转子转子下电流模型下电流模型定子定子下电压模型下电压模型异步电机转子磁场直接定向控制系统的仿真异步电机转子磁场直接定向控制系统的仿真仿真事例：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。电压模型电压模型电流模型电流模型仿真事例仿真事例1仿真事例仿真事例2异步电机的直接转矩控制异步电机的直接转矩控制n基本理论基本理论n定子磁链和电磁转矩的计算定子磁
13、链和电磁转矩的计算n直接转矩控制系统直接转矩控制系统异步电机直接转矩控制的基本理论异步电机直接转矩控制的基本理论输出电压空间矢量：输出电压空间矢量：V0V1V2 V3V4V5V6V7Sa01010101Sb00110011Sc00001111两电平电压型逆变器两电平电压型逆变器电压矢量电压矢量:8非零电压矢量非零电压矢量:6(V1V6)零电压矢量零电压矢量:2(V0,V7)在定子坐标系下，定义异步电机定子电流和磁链空间矢量为：异步电机直接转矩控制的基本理论在一个采样周期内，定子磁链增量为：如左图所示，在扇区I的一个采样周期内，电压空间矢量:nV1V2V6将导致定子磁链增加，V3V4V5使定子磁
14、链减小；nV2V3V4将引起电磁转矩增加，V1V5V6使电磁转矩减小。在其他扇区与此类似。可见通过选取不同的电压空间矢量可知直接控制异步电机的定子磁链和电磁转矩，这就是异步电机直接转矩控制的基本原理。扇区扇区1扇区扇区6扇区扇区5扇区扇区4扇区扇区3扇区扇区2假设在一个采样周期内，转子磁链未生变化，电磁转矩增量为：异步电机直接转矩控制的实现将增个空间分成六个扇区，定义将增个空间分成六个扇区，定义1,为异步电机的定子为异步电机的定子磁链和电磁转矩的误差带宽。磁链和电磁转矩的误差带宽。在扇区在扇区：1)当当 s=1时时,选取选取V2和和 V6增加定子磁链增加定子磁链;2)当当s=-1时时,选取选取
15、V3和和V5减小定子磁链减小定子磁链;3)当当Tem=1时时,选取选取V2和和V3增加电磁转矩增加电磁转矩;4)当当Tem=-1时时,选取选取V5和和V6减小电磁转矩减小电磁转矩;5)当当Tem=0时时,选取选取V0和和V7使电磁转矩保持不变。使电磁转矩保持不变。其他扇区开关矢量的选取见下表所示：其他扇区开关矢量的选取见下表所示：s=1s=1Tem=1Tem=1V2V2V3V3V4V4V5V5V6V6V1V1Tem=0Tem=0V0V0V7V7V0V0V7V7V0V0V7V7Tem=-1Tem=-1V6V6V1V1V2V2V3V3V4V4V5V5s=-1s=-1Tem=1Tem=1V3V3V4V4V5V5V6V6V1V1V2V2Tem=0Tem=0V7V7V0V0V7V7V0V0V7V7V0V0Tem=-1Tem=-1V5V5V6V6V1V1V2V2V3V3V4V4异步电机直接转矩控制系统