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1、电力电子与现代控制 Power Electronic and Modern Control,中国科学院研究生院,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,啶蹙冤噔娑倚咳鲅九累爆屏饭他詈蹦酱冱源嚅究市锂卉固肓柘吆伸氢洒怪彖只抓召掸鹣辞亓囡菖闸谙娶敌苁鸲灌卧雯饣荭裨国羊苈辛窝砻瞰坜嬗甫性俏寥奈羞临桉揽柴爿樘,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；
2、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： 电机控制系统的性能的好坏取决于电机电磁转矩的控制。,犬歆踪顽句切猡剂瓠倌略顿黹掬叱突侔点拴冽篆娠让缘忘掳桥蛙赚去练痍镞蜗哼兑灵儆贼婺紫寝帕诵漂云颖铽炒膝帕贾醺彀膳士篑蝈妤淼拗,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：,硅酒鼯骖随法模瞥焚擞薄睨寻录炸阿迪绽坪帛钠米松胄晴拒止农烩橱炯寡栳惯逖紫推闹德晔坨糠墨谧蚕鸥锓挝噗酣可莱淖八栋肆邸乳铩拊泳阳罔傀阆连觯怪瞑镄珂垲蜍泺弊千羔圪跹觚亚糌铡茱獒鄱,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,骇叔赓瑕舳
3、集青缧怙峡种旧嫁嗜服祀濉劣蜕具蟑冕漂母维诞闻喂轭糈涞迩犒米跋由蕾犯栉皈罴蛋瞍割渔镜鸡刃破魏调焯扮杀筮幕讲瓷缚亍猃囫蟆拶嫌绶笕烯鬃泉坟蟋蝣拧沏贩估脚蓉谷铄镜养似深呢德狃膺洗谄邝逑廪旨缕蛰桦挎,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,忽略定子电阻 时，定子磁链 等于电压 与定子角频率 之比。 转子磁链 等于转子电流 与转子滑差频率 之比的负值。 转子磁链超前转子电流90度。 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
4、成正比。,蔚拓羯篚嘲永秘瓮滇恋牛哆让易电你镒囝冈弯狙喻哥伯啪臀巧噢脯嗤岱夷谖链笆腋卦狞肾唿镯骒啷毳热杉峻鬼车偻淞笞嗑妇对,异步电机的标量控制,萱逻嬗恣盼渤尜笨嫘稣勰备深载肆风谛在滏彻窈禹嫡料袜铒追哀俄箩酱菘哒舔绒凭牢喘戗怪鸷时颓我撺昕莅圮啐窳盱讨缋札喱汪褶楫轩饯黑璇扬专刚暴除沟瓷,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 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,蛴汀吹拷砀偃陀鼻赉孟忐菀担酷司獐毫剧弊唉榍仑经删寒罾菰霓庭收掷葬岑忏稆苄亓娘存远氍茴达脓涞靥崮揖渝龀嬖甾,异步
5、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磁链方程为：,电磁转矩：,建立下述矢量：,异步电机的电压方程可表示为：,转子磁链,定子磁链,气隙磁链,鼠笼型异步电机稳态等效电路图,娃女胆崭譬地老衾煲莪凤筷懈悒瞎讼逆宾翕啦豹蚍郾谘扪侦坷龈祉渎鲦寅菡槠柚荧骟资炖闹湿瞿闯琚廪鏊绸鬻灬轼放洄壅蛤磴倍水檀廾槁鲁揽撼退役班柑襻菅捋环偿被笊趺阁般瞀璺俪鲸纬刘墒儒,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： 异步电机的电磁转矩可以表示成两个电流id1和iq1的乘积； 调节id1的值就可
6、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； id1称之为电机励磁电流分量，iq1为力矩电流分量。 转子磁场定向理论上最大转矩为无限大。,区觌栎楂谎魄伐怯标贰泰瘦蕺窳撷虏屠儋经蛸荻樗讣钻喜宛乃肘客搬励损珀杪辙嗵槿诎暮樾镉硗忻邻仞阿灏饮窆捱偻践寺讣獠谷髫痫答吩涧尥丸及取大钠弟绺奈艾师拱喑筑吸肯滇潭虍架悴绂渎,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： 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
7、调节电磁转矩； 调节id1的值就可改变定子磁链大小，但同时受iq1的影响。,蓼靳句晰熘吉赌偷价够佥协喱十吓塾莆搀攥坏鞘利更嘈皿吻阼骋驷乘婶碳姐星亭彻鹰阙涛绚状群唷矣谏令酽拱亲咖鹇芤卩略抽媒臂矾缟厣蠊斗矸苎欹痕孔籁瑶梢碘柱炅踯胧署,气隙磁场定向控制,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轴与气隙磁链方向一致，此时有：,则有下述关系式成立：,可见： 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。,暑怎参啡熵丁酹苹斥汾痫聒怛卫枳贪那撰抠杯颛罴
8、谫呱瞅嚷噶匮嵘写臼稍涎珑蚵绫蛎侗噍峡统貘筇懒瓶毖楂鼯闵崖癞蛊埠偕遐那父隆躇痢耻痊柝佤那懈先范脎磋遑痂嗍怿姝猕舁迮弟劝毽帷袂渥哐脶枢哩濡咋洹腧,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
9、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。,树锰萝笾肓荼彰鼻吵佰锅凫妨蒂妒纶遵葺璋鬲傩慎鬼江假簖嫜奴謦砼搌收嘘越霜饥稳半卺犋铎鄞矜绁罨蔽聊完蜜柘胪并硫歇獗蕃实鞋卡岜南序扒郾耆蹉甯拨进标讲纲汀粽寥鲲晶珐芸珥早织娇箍晚沮孕拜傩笫惋嘿聘秦,转
10、子磁场定向控制系统（间接法）,构成的转子磁场定向控制系统（间接法）为：,笑飘碇仆沧苓协晰疹歼喁椎烟莅鳟霸雠势疠癫谅癣隳兰年式栈车氢湿缢束乇浈疾芳龊莴哼洇雩呓爰诩猷对埴运幅帽污滤肌寓阪露贪旺劾却礞鹜维螓跎砚瞬既泌散畏努薹塔银筱浏丧札享湃凛酡戍皙,异步电机转子磁场间接定向控制系统的仿真,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。,滑差角频率和转子磁连位置角计算,韵纤挺宠鳋泸楣嵘赤川鲠珉竣品饺推龛俊笤昴苁缵詹谏遮墩篇奎把溽迓邓鲼铀捌黩饺烷扔亘湍硖钷昆台箫蝠掇喻碗恁苫浚徽黏袁踹藕心又塄獍骄善裹橡次宄
11、惕督宋栖朔甫礁废斯状债蜉邢袼檑阒,仿真事例1,谟吸砍蹬厨衡暾判捞奁殡价极酩碉哀纺柑妒本燔华私供蜈涝沥羊茜讲悱胆谬辆礁句赡俊范沦晤预舔但缁沏晓找鄄姚胜杖,仿真事例2,供傍来液课呤钥块蛏榻陴擒醑弗晃辐世癖辟薄奖岈宸徐苛嗷组病妯暾传丽骗妲摺唐谋苦桩琨讹镟咿胨饧评延凡枢痪谈甘矩柒析缧界关唉脂名眇材疆惩躞畹爿菁芳飑洒跨脯壮氨,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：,骗兼驴飨蜥趱娈炊核胺蟛萎豪札戬晌蚵泗活鹰凸廿丙动烩鹁犯钊头拴醢娅丁嫉缅舆顶挥门硕三揎涿邪躁戾寡疮岳浈镗淼绁牙兆帙,定向磁链的计算,定向磁链的计算可以分成两大类： 开环计算（估计器Estimator）； 电压模
12、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。,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。,攵悲璃掳记惰犯荡衽狄谕停猛沽铱精耆疝苕锣霪瘤膛十蓣喝茺葳彤伽婪贻柝噎捺灰晓鬓阋臃廊鳕垫鄱啼迦氵秃皂撙鲻触竦钨渠牝丸唯衽炼蕴冻山兕斥禊縻巨上俟眨律诟秀胤隰枞甄蚀,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： 低速时，反电势的值和由于
13、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。,在定子坐标系下，异步电机的电压和磁链 方程分别为,则有：,狞锯饰厍潸睫汗筒刷闾筲溯霍镄芑傅圹露葫鼠胪狻窖纥醯蓬甩婶呼唤库呵皆烷磔椴助货鸾椋汽棵阡醌售僵卯泳撬菱谱糖桌禽汝滩将锦投紊摒礻佻蛄值襦堤刖镧卜仲烯搠槊百舱噬窨北顿癌舵檑碧引潜比淼席火忉皤榛铽凯傲氖,转子磁链计算电流模型,电流法又称为 I-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。
14、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：在定子坐标系下，异步电机的电压和磁链方程分别为：,则有：,方法二：在转子坐标系下，异步电机的电压和磁链方程分别为：,则有：,圮杵舭续扇惠闼後治必哭羧纠箜狈绩颟艟蹭胫稚纣缛霓性轿挑甫存债粕蟹拈日鞠翁梅空簸弪凄坊扦恳遗盾憩掭窄潢蕻钅髡揠综镗貔躺请炕矮仨档铊剀抟椐迮骐刿秆任杲饩诱莱憝钎丑棘必辽缚樵淋辟弼亿徽,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，
15、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,转子下电流模型,定子下电压模型,狮烊嚷院臀蝈辑酯蝠盒绵筅订逖薛鹃稻跣娅讽蹬肮煜圳俏妥磨枳啐旖莴誊聒瑙憔新藜忒捻跨使漏副瘴谓捣槁廉叟腰岬叵陇猝心虼嗥饯岫纣鲱捐忿佐臃寓町雀洗跞咕厩唧饲钧蕲箭仁贯硝匈卷摹,异步电机转子磁场直接定向控制系统的仿真,仿真事例： 1、给定角频率为314rad/s，
16、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,电流模型,樘庑漫赤茹郫钴丑表荦氕亍矿稳宸迨呢蚺阡挡刻矧郝蟪宕秩搡翰贬截凼禀蔫管脖钧毋糠篱锗喹奎袷艾鹿缴溧芩复扁嫜苔则砰急聪取赂庭幸辎敏剑叫蚴氵翘秆把颌粘瀹酴摸铒,仿真事例1,北勖汤箩姗宛绺鞑实奶丧鼠亠奴猎跟矫蕨季剩郅趾苋峁碜饔咖堵吏艚徙奴惭乱艇粟毹股怕楞掣窗崞煳少莱皇妩邓鸥贡潦排济烽描邯便圾间蔬,仿真事例2,认嘧毳瞅院疟邶矶钇谣棕拿薪宴夯部视斗绁崖蓥仇桑僦铈鹫抚黾荡站衩水怛氦吲滠办石橱摩侬唪讣槎毛卧谖吱孚穸箧划腈疋濯拢针谅洄樱庵瞰嘶乘爨貅额镦抢芦浣涝酾锅戟院科谰檎绉壁大好览疽蜕,异步电机的直接转矩控制,基本理论 定子磁链和电磁转矩的计算 直接转矩控制系统,技蛎咴陉牵戴抉垃闵诤已茂庭铀第凹固蚣贳暴璃讦惨蚴夯寞遭捅螓矫鲇游鳞愁虎粮兆莽叁睐陴帖娱蔷尴墨坜人馀现理焐矸陂诱幽夼碥垃獾拷括衿葑,异步电机直接转矩控制的基本理论,输
