异步电机几种主要控制方法的对比分析 近些年来，随着电力电子、计算机控制以及矢量控制等技术的不断发展，交流调速获得了巨大的技术支持，交流调速系统已经取代了直流调速系统。交流异步电机调速控制系统大致可分为两大类，一类是标量控制系统，主要是变频调速系统，包括恒压频比控制（V/F 控制）和转差频率控制。另一类是矢量控制系统，包括转子磁场定向矢量控制（VC ）、转差频率矢量控制、直接转矩控制（DTC ）和无速度传感器矢量控制。 1 标量控制 1.1 恒压频比控制( V/F) 交流异步电机调速时，总是希望保持每极磁通量m Φ为额定值不变，这样铁芯才能工作在最经济状态。电源频率和电机极对数决定异步电动机的同步转速，即在改变电源频率时，可以改变电机的同步转速，这时只有控制电源电压与变化的频率的比值为恒定( V/F 恒定) ，才能确保电动机的磁通m Φ基本恒定。电动机定子的感应电动势： m N 111K 44.4Φ=N f E g （1） 式中Eg —气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势有效值; 1f —电源频率; 1N —定子每相绕组串联匝数; 1N K —基波绕组系数; m Φ—每极气隙磁通量。 由式(1)可知，在控制电动机频率时，保持1/f E g 1恒定，就可以维持磁通恒定。有三种不同方式的电压—频率协调控制。 (1) 恒压频比=11/f U 控制,1U 为定子端电压，这种方式最容易实现，能够满足一般调速要求，其缺点是低速带载能力差，需要对定子压降进行补偿。 (2) 恒1/f E g 控制，g E 是气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势，它以对恒压频比实行电压补偿为目标，稳态调速性能优于恒压频比11/f U 控制。这种控制方式的缺点是机械特性非线性，产生转矩的能力不强。 (3) 恒1/f E r 控制，r E 是气隙磁通在转子每相绕组中感应电动势，这种控制方式可以得到和直流励电动机一样的机械特性，从而使高性能调速得以实现。但是它的控制系统比较复杂。
1.运动控制系统是由电动机、功率放大与变换装置、控制器及相应的传感器等构成，交流调速系统取代 直流调速系统已成为不争的事实。 2.V-M系统：晶闸管整流器—电动机调速系统；SPVWM：电压空间矢量PWM控制 3.直流PWM调速系统：脉宽调整变换器—直流电动机调速系统； 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速 4.泵升电压：当系统工作在逆变状态时，会对滤波电路中滤波电容进行充电，使电容两端电压升高 5.静特性：表示闭环系统电动机转速与负载电流（转矩）间的稳态关系 6.有静差调速系统：在比例控制调速系统中，存在扰动引起的稳态误差； 7.无静差调速系统：对于积分控制和比例积分控制系统，由阶跃扰动引起的稳态误差为0； 8.电流截止负反馈：当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反 馈起作用控制转速。 9.准时间最优控制：在设备物理上的允许条件下，实现最短时间的控制； 10.双闭环调速系统：在电流、转速反馈控制系统中，从闭环结构上看，由电流环在里面构成的内环和由 转速环在外面构成的外环，两个闭环构成的控制系统称作双闭环调速系统； 11.可逆调速系统：可以实现电机正反转，具有四象限运行功能的调速系统称为可逆调速系统； 12.环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生 不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流 （1）静态环流——两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。 瞬时脉动环流——两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。 （2）动态环流——仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。 两种抑制环流方法：（1）只要实行α≥β配合控制就能保证消除直流平均环流。 （2）可在环流回路中串入环流（均衡）电抗器，抑制瞬时脉动环流 13.双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： （1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 14.转差频率控制系统调速：在转差率s 很小的范围内，只要能够维持气隙磁通φm不变异步电机的转矩 就近似与转差角频率ωs成正比，即在异步电机中，控制转差率就代表了控制转矩。 15.脉冲宽度调制（PWM）：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过 控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的 16.SPWM 控制方式：SPWM 即以正弦波作为调制信号对载波信号进行调制后，产生一组等幅而脉冲宽 度正比干正弦波的矩形脉冲。将该组脉冲作为逆变器开关元件的控制信号，从而在逆变器负载上(多为异步电动机)得到与控制信号波形相同，等效于正弦波的驱动电压。 17.电压空间矢量PWM（SVPWM）的基本思想：按空间矢量的平行四边形合成法则，用相邻的两个有效 工作矢量合成期望的输出矢量。 18.电流截止负前反馈的作用：(1)限流保护（过载自动保护）;(2)加速起动过程。 载流环节的物理实现方法：(1)比较电压法;(2)稳压管法;(3)封锁运放法 19.PID 控制器各环节的作用是： (l) 比例环节P：成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦出现，控制器立即产生控制作用，以便减少偏差，保证系统的快速性。 (2) 积分环节I：主要用于消除静差，提高系统的控制精度和无差度。 (3) 微分环节D：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得过大之前，在系统中引入一个早期修 正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。 20.反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）。
1． 闭环调速系统对于闭环系统前向通道中的扰动具有抑制作用，而对于反馈通道中的扰动 则无能为力。所以，在转速单闭环调速系统中，对于电动机励磁的波动，系统有抑制作用；对于测速发电机励磁的波动系统无抑制作用。 2． 在V-M 开环调速系统中，突加负载后又进入稳定运行时，转速n 减小，电压0d U 不变； 在转速单闭环有静差调速系统中，突加负载又进入稳定运行时，转速n 减小，电压0d U 增加；在转速单闭环无静差调速系统中，突减负载又进入稳定运行时，转速n 不变，电压0d U 增加。（可用增加、减小、不变表示） 3． 转速、电流双闭环调速系统中，调节转速调节器的限幅值可以调节系统最大电流；调节电流调节器的限幅可以调节UPE 的最大输出电压。 4． 转速、电流双闭环调速系统中，转速调节器ASR 、电流调节器ACR 均为PI 调节器ASR 的输入n U ?=0，输出* i U =dN I β。电流调节器ACR 的输入i U ?=0，输出c U =* (/)/e n dN s C U I R K α+。 5． 数字测速方法有T 、M 及M/T 三种，其中T 适应于高速；M 适应于低速；M/T 具有M 和T 的优点。 6． 在对系统静态性能要求不太高的场合，为节约成本，可采用电机电枢电压反馈代替转速 反馈实现转速的控制，构成电压反馈调速系统，该系统对电机电枢电阻变化无调节作用；对电力电子装置内阻的变化有调节作用；对电压反馈系数的变化无调节作用。 二、系统的开环对数副频特性渐近线（伯德图）如下图所示，定性说明中频段、低频段、高频段和截止频率c ω（或称剪切频率）与闭环系统稳定性、稳态精度和动态响应的关系。 答：低频段的斜率陡、增益大，系统的稳态精度高；中频段以-20db/dec 的斜率穿越0db 线，而且这一斜率能够覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；高频段衰减越快，即高频特性负分贝值低，说明系统抗高频干扰的能力强；截止频率c ω越大，则系统的快速性越好。
§3.6 异步电动机的矢量控制 异步电动机的磁场定向控制是从70年代发展起来的一种新的控制技术。 定义：异步电动机的磁场定向控制是把定子电流做为具有垂直分量的空间分量来处理的，因此又称为矢量控制。 目的：通过这种控制技术能使异步电动机得到和直流电动机相同的调速特性 一． 磁场定向控制的基本思想 基本思想；把交流电动机的转矩控制模拟成直流电动机的转矩控制 在任何电力拖动的控制系统，电动机产生的电磁转矩 e T 作用在电动机轴上的负载转矩（包括电动机的空载转矩0M ）L T 以及惯性转矩dt J m /ω? 三者之间的关系都由转矩平衡方程式决定，即： dt J T T m L e /ω?=- 设L T 及 J 均为常数，那么在动态过程中电动机速度 m ω 的变化规律完全取决于对电动机的电磁转矩e T 的控制。举例如下： 起动和制动的过程中，如果控制电动机的电磁转矩 e T 使其保持在最大允许值，就能使电动机以最大的恒加速度或恒减速度运行，从而缩短了起、制动的时间。 在突加负载时，只要能迅速地使电动机的电磁转矩 e T 增加，就可以使动态速降减小，缩短速度的恢复时间。由此可见调速系统动态性能的好坏完全取决于在动态过程中电动机的转矩 是否能
很方便、很准确地被调节和控制。 由于结构上的特点，他励直流电动机的电磁转矩 T很容易控 e 制。其工作原理可用下图来表示。 在励磁绕组f中通以励磁电流 i则通过电刷及换相器流入 f 电枢绕组。由于电刷和换相器的作用，使得电枢绕组虽然在转动但它产生的电枢磁场在空间是固定不动的。因此可用一个等效的静止绕组来代替实际的电枢绕组。这个等效静止绕组的轴线与励磁绕组轴线垂直，绕组中通过电枢电流 i，产生的磁场与实际电枢绕组产 a 生的磁场相同，并且由于实际电枢绕组在旋转，因此等效静止绕组中有一感应电势 e，这样，就可以用下图的等效模型来代替实际 a 的他励直流电动机。 励磁绕组中通入的励磁电流产生主极磁通φ，电枢绕组电流 i与φ a 作用产生电磁转矩 T。无论电机处于稳态或动态，它产生的电磁转 e
基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制仿真 姓名： 学号：
基于MATLAB永磁同步电动机矢量控制 1 永磁同步电动机的简介 永磁同步电动机（PMSM）的转子采用永久磁钢励磁，目前多采用钐钴合金等稀土永磁材料。由于无需电流励磁，不要电刷和滑环，因此体积小、结构简单、使用方便、可靠性高，同时具备同步电动机功率因素高、无转差损耗等特点。永磁同步电动机转子结构灵活多样，不用的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据需要使用不同的转子结构形式，其在一定的功率范围内，可以比电磁式同步电动机具有更小的体积和重量。永磁同步电动机的分类也多种多样，按工作主磁场的方向不同分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同可分为内转子式和外转子式；按供电频率控制方式的不同可分为他控式和自控式；按反电动势波形的不同，可分为正弦波永磁同步电动机和梯形波永磁同步电动机。本为主要研究正弦波永磁同步电动机矢量控制调速系统，因此以下的永磁同步电动机均指正弦波永磁同步电动机。 2 永磁同步电动机的数学模型 永磁同步电动机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场互相作用所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。当定子电流的频率固定时，转子的转速也是固定的，并且与该频率成正比: f P n （2-1） ( min) 60r / / m
其中n 是同步转速，f 是定子电流频率，Pm 是永磁同步电动机极对数。改变电机转速需要变化定子电流频率，也就是要采用变频器对永磁同步电动机供电。同时为了防止失步，必须保证电机转子的角频率与定子电源频率同步。根据交流电机矢量控制原理，为了找出电机的控制规律，建立易于实现控制的数学模型，需要建立一个与永磁同步电动机转子同步旋转的d-q 坐标系，让d 轴与转子磁极重合，把永磁同步电动机定子的各参量都转化到d-q 旋转坐标系下。 假设电机是线性的，电机参数不随温度等外界条件变化而变化，忽略磁滞、涡流损耗，并认为转子无阻尼绕组，那么基于d-q 坐标系下的永磁同步电动机定子磁链方程为: d d d i L ψψ+= q q q i L =ψ （2-2） 式中，r ψ为转子磁钢在定子上的耦合磁链，d L q L 分别为永磁 同步电动机的直、交轴主电感;， d i , q i 分别为定子电流矢量的直(d) 轴、交(q)轴分量。 在d-q 坐标系下，定子电压方程为： q d d s d p i r u ωψψ-+= d q q s q p i r u ωψψ++= （2-3） 式中ω为转子角频率，P 为微分算子。由式(2-2)和式(2-3)可得 r q q d d d s d p i L pi L i r u ψω+-+= r d d q q q s q i L pi L i r u ωψω+++=
专业资料 电机简要学习手册 2015-2-3
一、直流电机原理与控制方法 1直流电机简介 直流电机（DM）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能 （直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械 能互相转换的电机。当它作电 动机运行时是直流电动机，将 电能转换为机械能；作发电机 运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。 直流电机由转子（电枢）、定子（励磁绕组或者永磁体）、换向器、电刷等部分构成，以其良好的调速性能以至于在矢量控制出现以前基本占据了电机控制领域的整座江山。但随着交流电机控制技术的发展，直流电机的弊端也逐渐显现，在很多领域都逐渐被交流电机所取代。但如今直流电机仍然占据着不可忽视的地位，广泛用于对调速要求较高的生产机械上，如轧钢机、电力牵引、挖掘机械、纺织机械，龙门刨床等等，所以对直流电机的了解和研究仍然意义重大。
2 直流电动机基本结构与工作原理 2.1 直流电机结构 如下图，是直流电机结构图，电枢绕组通过换向器流过直流电流与定子绕组磁场发生作用，产生转矩。定子按照励磁可分为直励，他励，复励。电枢产生的磁场会叠加在定子磁场上使得气隙主磁通产生一个偏角，称为电枢反应，通常加补偿绕组使磁通畸变得以修正。 2.2 直流电机工作原理 如图所示给两个电刷加上直流电源，如上图（a）所示，则有直流电流从电刷A 流入，经过线圈abcd，从电刷B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和 cd收到电磁力的作用， 其方向可由左手定则判 定，两段导体受到的力 形成了一个转矩，使得 转子逆时针转动。如果
转子转到如上图（b）所示的位置，电刷A 和换向片2接触，电刷B 和换向片1接触，直流电流从电刷A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B 流出。 此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 发电机的原理则是电机的逆过程：原动机提供转矩，利用法拉第电磁感应产生直流电流。 如下图，比较清晰的说明了直流电动机的原理。 3直流电机重要特性 如下图，更加清晰的揭示了直流电机电流电压与转速转矩之间的关系。 我们可以得到直流电机的四个基本方程：
第七章异步电动机动态模型调速系统 内容提要:异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得良好的调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。矢量控制和直接转矩控制是两种基于动态模型的高性能的交流电动机调速系统，矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，得到等效直流电动机模型，然后按照直流电动机模型设计控制系统；直接转矩控制系统利用转矩偏差和定子磁链幅值偏差的符号，根据当前定子磁链矢量所在的位置，直接选取合适的定子电压矢量，实施电磁转矩和定子磁链的控制。两种交流电动机调速系统都能实现优良的静、动态性能，各有所长，也各有不足之处。 本章第8.1节首先导出异步电动机三相动态数学模型，并讨论其非线性、强耦合、多变量性质，然后利用坐标变换加以简化，得到两相旋转坐标系和两相静止坐标系上的数学模型。第8.2节讨论按转子磁链定向的基本原理，定子电流励磁分量和转矩分量的解耦作用，讨论矢量控制系统的多种实现方案。第8.3节介绍无速度传感器矢量控制系统及基于磁通观测的矢量控制系统。第8.4节讨论定子电压矢量对转矩和定子磁链的控制作用，介绍基于定子磁链控制的直接转矩控制系统。第8.5节对上述两类高性能的异步电动机调速系统进行比较，分析了各自的优、缺点。第8.6节介绍直接转矩控制系统的应用实例。 8.1 交流异步电动机动态数学模型和坐标变换 基于稳态数学模型的异步电动机调速系统虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但对于轧钢机、数控机床、机器人、载客电梯等动态性能高的对象，就不能完全适用了。要实现高动态性能的调速系统和伺服系统，必须依据异步电动机的动态数学模型来设计系统。 8.1.1 三相异步电动机数学模型 在研究异步电动机数学模型时，常作如下的假设： （1）忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差120°电角度，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布； （2）忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； （3）忽略铁心损耗； （4）不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的，都可以等效成三相绕线转子，并折算到定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数都相等。三相异步电动机的物理模型如图8-1所示，定子三相绕组轴线A、B、C在空间是恒定的，转子绕组轴线a、b、c随转子旋转，以A轴为参考坐标轴，转子a轴和定子A轴
转子磁链定向矢量控制策略 转子磁场定向的矢量控制方式目前应用较普遍。将转子磁链的方向定义为m 轴的方向，垂直于m 轴的方向定义为t 轴方向。这时，将以转子磁场进行定向时的m 轴也称为d 轴，t 轴称为q 轴。在异步电机运行过程中假如保持励磁电流恒定，则输出的转矩仅与转矩电流成正比。它的优点是解耦了磁链与转矩，使得控制上较为接近于直流电机的控制，实现了人们最初的设想。 矢量控制的磁链取得方法有间接或直接，也称间接磁场定向和直接磁场定向，它们的区别在于： ①间接磁场定向 间接磁场定向的矢量控制是根据异步电机的数学模型，及各个坐标系下的电机方程，通过计算得到其固有关系式，引入电机参数进行计算，估计磁链的幅值与相角，其缺点是受电机参数的准确性影响较大，且在电机运行过程中，电机参数发生变化需要进行相应的调整，其优点是不需要受到特殊硬件检测设备的制约，节约成本，提高应用性。 ②直接磁场定向 直接磁场定向的矢量控制是运用直接方式，获取磁链的位置、幅值，需安装磁链传感器，而在一些场合，安装磁链传感器很难做到。随着DSP 不断更新升级，使在较短时间内完成运算估算磁链已越来越可行，因此直接磁链观测器越来越多地受到人们重视。其缺点是对仪器的精度要求很高，优点是基本不受转子时间常数影响。如果观测的精度足够高，那么进行矢量控制的准确度就会极为简便。 1.三相异步电动机动态数学模型 在以转子磁场定向的同步旋转坐标系dq 轴下，异步电动机的动态数学模型为 （1） 电压方程为 sd sd s s e s m e m sq sq e s s s e m m rd rd m s m r r s rq rq s m m s r r r u i R L p L L p L u i L R L p L L p u i L p L R L p L u i L L p L R ωωωωωωωω+--????????????+??????=??????-+-???????????????? (1-1) 式中，u sd 、u sq 、u rd 、u rq 、i sd 、i sq 、i rd 、i rq 分别为定子电压、转子电压、定子电流、转子 电流、在dq 轴上的分量；ωs 为转差角速度，即ωs =ωe -ωr ；ωe 为同步角速度；ωr 为转子角速度。由于这里只考虑鼠笼型三相异步电动机，因此在式(1-1)所示的电压方程中第三、第四行内的转子电压分量u rd 、u rq 均为0。 （2） 磁链方程为 sd sd s m sq sq s m rd rd m r rq rq m r 0000000 i L L i L L i L L i L L ψψψψ???? ???????????? ??=?????????????????????? (1-2) 式中，L s 、L r 为定子和转子的自感；L m 为定转子互感。
按照转子磁链定向旳矢量控制系统仿真 1.矢量控制技术概述 异步电机旳动态数学模型是一种高阶、非线性、强耦合旳多变量系统，其控制十分复杂。矢量控制实现旳基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对机旳励磁电流和转矩电流进行控制，从而到达控制异步电动机转矩旳目旳。将异步电动机旳异步电动定子电流矢量分解为产生磁场旳电流分量(励磁电流) 和产生转矩旳电流分量(转矩电流) 分别加以控制，并同步控制两分量间旳幅值和相位，即控制定子电流矢量，因此称这种控制方式称为矢量控制方式。 ω 图1 带转矩内环节磁链闭环旳矢量控制系统构造图 2.几种关键问题： ●转子磁链函数发生器 根据电机旳调速范围和给定旳转速信号，在恒转矩范围内恒磁通调速、转子磁通保持额定磁通；在恒功率范围内弱磁调速，转子磁通随转速指令旳增大而减小。 转子磁链函数发生器用来产生磁链大小信号。这里采用下面旳曲线。转子磁链旳幅值一般为1。 ●转子磁链旳观测与定向 转子磁链旳观测模型重要有二种：
（1） 在两相静止坐标系上旳转子磁链模型 电机旳定子电压和电流由传感器测得后，通过3S/2S 变换，再根据异步电机在两项静止坐标系下旳数学模型，计算转子磁链旳大小。 ()r αm s αr r βr 1 1 L i T T p ψωψ= -+ ()r βm s βr r αr 1 1 L i T T p ψωψ= ++ （2） 按磁场定向两相旋转坐标系上旳转子磁链模型 三相定子电流 iA 、 iB 、iC 经3/2变换变成两相静止坐标系电流 is α 、 is β ，再经同步旋转变换并按转子磁链定向，得到M ，T 坐标系上旳电流 ism 、ist ，运用矢量控制方程式 m st 1s r r L i T ωωωψ-== m r sm r 1L i T p ψ= + 可以获得 ψr 和 ωs 信号，由ωs 与实测转速 ω 相加得到定子频率信号ω1，再经积分即为转子磁链旳相位角ϕ ，它也就是同步旋转变换旳旋转相位角。 电磁转矩旳观测 根据异步电机在不一样坐标系下旳模型，可以得到多种电磁转矩旳体现形式，由这些体现形式可以得到转矩观测器旳体现： p m e st r r n L T i L ψ= 3. 建模与仿真 运用Simulink/Powersystem 工具箱，搭建按照转子磁链定向旳矢量控制调速系统旳模型如图：
三相永磁电机的矢量控制 永磁同步电机常用于各种位置控制系统，而矢量控制采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念实现了交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速获得了可以和直流调速相媲美的动态和静态性能。本文就是对所学的三相永磁电机矢量控制的总结。 1. 永磁同步电机的结构 1.1 永磁同步电机的定义 同步电机的定子绕组做成三相正弦分布绕组，当用永磁体替代转子，在定子绕组中通入三相对称交流电时，就能产生恒定电磁转矩，同时在定子绕组中感应出正弦反电势波。我们把这类同步电机称之为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）。如果将采用集中绕组的电励磁直流电动机的转子改变成定子，通入三相方波对称电流时，也能产生恒定电磁力矩此时定子绕组感应的反电势波形是梯形，我们称之为无刷直流电动机（The Brushless DC Motor，简称BLDC）。如图1就是永磁同步电机结构示意图。 图1. 永磁同步电机结构示意图 1.2 永磁同步电机的特点 永磁同步电动机由于其空载气隙磁通密度空间分布接近正弦形，减少了气隙磁场的谐波分量，从而减少了由谐波磁场引起的各种损耗和谐波转矩以及由谐波
转矩引起的电磁振动，提高了电机的效率，并且使得电机在运行时转动更加平稳，噪声也得到了降低。同时，正弦波永磁同步电动机可根据多种矢量控制方法来构成变频调速系统，实现高性能、高精度的传动。 与交流异步电机相比，永磁同步电机具有下列优点：由于没有笼型转子，稀土永磁同步电机与异步电动机相比，具有较低的惯性，对于一定的电动机转矩就有较快的响应，即转矩/惯性比异步电动机的高；永磁同步电动机无转子损耗，所以效率更高；异步电动机需要定子励磁电流，而永磁同步电动机已存在于转子，对于同等容量输出，异步电动机效率低,需要更大功率的整流器、逆变器；异步电动机控制要比永磁同步电动机复杂；永磁同步电动机功率密度较高。 永磁同步电机是一个多变量、非线性、高祸合的系统，其输出转矩与定子电流不成正比，而是复杂的函数关系，因此要得到好的控制性能，必需进行磁场解祸，这种特点恰好适于应用矢量变换控制技术。而且在永磁同步电机的矢量控制过程中没有感应电机中的转差频率电流而且受转子参数的影响小，所以在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。 1.3 永磁电机转子结构分类 永磁同步电机的种类根据永磁体在转子上安装的位置不同可以分为两类面装式和内埋式，而面装式又可分为面装凸出式、面装嵌入式，如图2所示。对于稀土永磁电机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近，所以面装凸出式在电磁性能上属于隐极转子结构，面装嵌入式相邻的两个永磁磁极间有磁导率很大的永磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构；面装凸出式结构的永磁电机结构简单、制造成本低、转动惯量小，在正弦波永磁电机中得到了广泛应用。内埋式转子结构是将永磁体装在转子铁心内部，特点是机械强度高、磁路气隙小；与面装式转子相比，更适用于弱磁运行。为了便于控制，永磁同步电机的定子绕组一般都采用短距分布绕组，气隙磁场设计为正弦波，以产生正弦波反电势。 图2. 永磁同步电机转子结构分类
一、填空题（每空2分，共20分） 1. 运动控制系统由电动机、、控制器以及检测与反馈四个部分组成。 2. 直流调速系统稳态性能指标主要包含和静差率。 3.开环调速系统中电动机产生静态速降是因为电枢电阻压降，而加入转速负反馈的调速 系统减少静态速降的实质在于。 4.闭环调速系统的静特性是指闭环系统电动机的与负载电流间的稳态关系。 5. 数字测速的三种方法中，通过测出旋转编码器两个输出脉冲之间间隔时间进行转速计 算的方法是。 6. α=β配合控制有环流可逆直流调速系统采用α=β配合控制的目的是消除。 7. 逻辑控制无环流可逆调速系统中无环流逻辑控制环节（DLC）工作的依据信号有转矩 极性鉴别信号和。 8. 坐标变换中3/2变换是指。 9. 异步电动机的动态数学模型由、电压方程、转矩方程和运动方程组成。 10.位置伺服系统的主要任务是。 二、选择题（每题仅有1个正确答案，每题2分，共20分） 1.直流电动机调速方法中，能够实现较大范围内平滑无级调速的方法是（） A.调压调速 B.弱磁调速 C.电枢回路串电阻调速 D.以上均不对 2.转速单闭环有静差调速系统中，下列参数变化不能够被闭环系统所抑制的是( ) A.放大器的放大倍数 B.供电电网电压 C.电动机励磁电流 D.转速反馈系数 3.无静差直流调速系统实现转速无静差的原因在于调节器中包含（） A.比例环节 B.积分环节 C.微分环节 D.以上皆不对 4.双闭环直流调速系统起动过程中转速调节器和电流调节器均不饱和的阶段是（） A.电流上升阶段 B.恒流升速阶段 C.转速调节阶段 D.以上皆对 5.关于转速调节器ASR作用说法错误的一项是（） A. 使转速快速跟随给定电压的变化 B. 对负载变化起抗扰作用 C. 对电网电压波动起抗扰作用 D. 输出限幅决定电动机允许的最大电流 6.关于典型Ⅰ型系统和典型Ⅱ型系统特点说法正确的是（） A.典型Ⅰ型系统跟随性能好，典型Ⅱ型系统跟随性能好； B.典型Ⅰ型系统跟随性能好，典型Ⅱ型系统抗扰性能好； C.典型Ⅰ型系统抗扰性能好，典型Ⅱ型系统抗扰性能好； D.典型Ⅰ型系统抗扰性能好，典型Ⅱ型系统跟随性能好； 7.从调速过程中转差功率是被消耗还是得到利用，异步电动机变压变频调速属于（） A.转差功率消耗型 B.转差功率馈送型
转子磁链控制原理(一) 转子磁链控制原理 引言 转子磁链控制是一种常用于电机驱动系统中的控制方法。它通过改变电机转子上的永磁体磁链的大小和方向，实现对电机速度、力矩和位置的精确控制。本文将从浅入深地介绍转子磁链控制的原理及其在电机控制领域的应用。 什么是磁链？ 磁链是指单位时间内通过单位面积的磁通量。在电机中，磁链是由永磁体产生的磁场在转子上形成的环状磁场。它决定了电机的磁场强度和转子受力的大小。 传统控制方法的不足 传统的电机控制方法如直流电阻调速和感应电机矢量控制，都存在一定的局限性。直流电阻调速方法简单直观，但无法实现高性能的电机控制。而感应电机矢量控制方法虽然能够实现较高的控制精度，但它会引起许多参数不确定性和计算复杂性，且效果受电机参数变化的影响较大。
转子磁链控制通过控制转子磁链的大小和方向，实现对电机速度、力矩和位置的精确控制。它的基本原理如下： 1.通过在转子上安装感应线圈，测量转子磁链的大小和方向； 2.利用电流反馈控制方法，使转子上的永磁体磁链保持在所需的大 小和方向； 3.根据转子磁链的变化，调整电机的控制信号，实现对电机运行状 态的精确控制。 转子磁链控制的优势 转子磁链控制方法在电机控制领域具有许多优势： •高控制精度：通过精确控制转子磁链的大小和方向，可以实现电机的高精度控制，提供更加稳定的运行性能。 •可调节性强：转子磁链控制方法可以根据具体需求灵活调整控制参数，适配不同的工作场景，提供更大的控制调节范围。 •抗干扰能力强：由于转子磁链控制方法对电机参数变化的容忍度较高，可以有效降低外部干扰对电机控制的影响。 •响应速度快：由于转子磁链控制方法通过直接改变磁链大小和方向实现控制，响应速度较快，减小了控制延迟。
现代电力传动系统 题目异步电动机采用电流滞环控制型 PWM控制技术的矢量控制系统 学院 专业班级 学号 姓名 指导教师
摘要 异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，由磁链方程、电压方程、转矩方程和运动方程组成，为非线性，所以控制起来极为不便。异步电机的模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。如果把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。本文研究了按转子磁链定向的矢量控制系统的电流闭环控制的设计方法，通过坐标变换，在按转子磁链定向同步旋转正交坐标系中，得到等效的直流电动机模型，然后仿照直流电动机的控制方法控制电磁转矩与转速，将转子磁链定向坐标系中的控制量反变换得到异步电动机所需的三相定子电流，然后利用电流滞环跟踪PWM控制技术，在三相定子坐标系中完成电流闭环控制，实现对异步电动机转速控制，完成按转子磁链定向矢量控制系统的设计，并用MATLAB进行仿真。 关键字：异步电动机、直流电动机、电流滞环跟踪PWM控制、MATLAB仿真
目录 摘要 (11) 第1章绪论 (22) 1.1 课题研究背景及现状 (22) 1.2 交流调速系统发展概况 (33) 1.3课题研究的主要内容 (55) 第2章异步电动机的数学模型及矢量控制原理 (66) 2.1整体方案设计原理 (66) 2.2仿真模型各个模块介绍 (77) 2.2.1坐标变换 (77) 2.2.2两相静止-旋转正交变换（2s/2r变换） (88) 2.2.3旋转角度的计算 (99) 2.2.4磁链的计算 (99) 2.2.5 转速调节器（ASR） (1010) 2.2.6 转子磁链调节器（APR） (1111) 2.3异步电动机矢量控制原理 (1111) 第3章电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制技术 (1313) 3.1电流滞环跟踪控制原理 (1313) 3.2 滞环宽度分析 (1414) 3.3电流滞环跟踪控制的特点 (1515) 3.4电流滞环控制型PWM变频器 (1616) 第4章仿真模型搭建与结果分析 (1717) 4.1电机参数的设定 (1717) 4.2仿真结果 (1818) 致谢 (2020) 参考文献 (2121) 第1章绪论 1.1课题研究背景及现状 自从电气化时代开始以来，电动机就成为重要的动力来源。直流电机拖动系统和交流电机拖动系统在19世纪中期先后诞生。直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦，这样可以根据调速性能的要求，按照经典控制理论的方法独立设置调节器，分别对励磁磁场和转矩进行控制，因此直流调速系统会有良好的调速性能，调速平滑且易于控制，在高性能电气传动领域一直占据主导地位。
黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训 电气工程专业2013年作业 说明： 初级职称学员“专业课作业一”为填空题1-6题；“专业课作业二”为问答题1-3题.中、高级职称学员“专业课作业”为问答题全部；同时提交3000字左右“学习心 得”一篇. 所有学员均需按要求提交“公需课作业”. 作业提交时间：以网站通知为准. 一．填空： 1、常见的交流调速方法有：（降电压调速）（转差离合器调速）（转子串电阻调速）（绕线电机串级调速或双馈电机调速）（变极对数调速）（变压变频调速）. 2、按照交流异步电机的原理,从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是（拖动负载的有效功率）,称作（机械功率）；另一部分是（传输给转子电路的转差功率,与转差率S成正比）. 3、从能量转换的角度上看,转差功率是否增大,是消耗掉还是得到回收,可以把异步电机的调速系统分成三类：（转差功率消耗型调速系统）；（转差功率馈送型调速系统）；（转差功率不变型调速系统）. 4、转差功率消耗型调速系统的全部转差功率都转换成（热能消耗在转子回路中）.在恒转矩负载时,该调速系统是以增加（转差功能）的消耗来换取（转速）降低的.属于这一类的三种调速方法有：（降电压调速）（转差离合器调速）（转子串电阻调速）. 5、在转差功率馈送型调速系统中,除转子铜损外,大部分转差功率在转子侧通过（变流装置）馈出或馈入,转速越低,（能馈送的功率越多）；属于这一类的调速方法是（绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速）. 6、在转差功率不变型调速系统中,转差功率只有（转子铜损）,而且无论转速高低,转差功率（基本不变）,因此效率(更高);属于此类的调速方法有（变极对数调速）和（变压变频调速）这两种.二：问题答 1、对于恒转矩负载,为什么调压调速的调速范围不大电动机机械特性越软,调速范围 越大吗 答：带恒转矩负载工作时,普通笼型异步电动机降压调速时的稳定工作范围为0〈s 〈sm,sm本来就不大,因此调速范围也不大.降压调速时,机械特性变软,但sm不变,故调速范围不变. 2、异步电动机变频调速时,为何要电压协调控制在整个调速范围内,保持电压恒定是 否可行为何在基频以下时,采用恒压频比控制,而在基频以上保持电压恒定 答：因为定子电压频率变化时,将导致气隙磁通变化,影响电动机工作.在整个调速范 围内,若保持电压恒定,则在基频以上时,气隙磁通将减少,电动机将出力不足；而在基频以下时,气隙磁通将增加,由于磁路饱和励磁电流将过大,电动机将遭到破坏.因此保持电压恒定不可行.在基频以下时,若保持电压不变,则气隙磁通增加,由于磁路饱和,
学号： 课程设计 题目异步电机矢量控制Matlab仿真实验 （矢量控制部分） 学院 专业 班级 姓名 指导教师 2015 年 1 月7 日
目录 1 设计任务及要求 (1) 2 异步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统基本原理 (1) 2.1异步电动机矢量控制的基本思想 (1) 2.2异步电动机矢量控制系统具体分析 (2) 2 坐标变换 (3) 2.1 坐标变换基本思路 (3) 2.2 三相——两相坐标系变换 (4) 2.3 静止两相——旋转正交变换 (5) 3 转子磁链计算 (6) 4 矢量控制系统设计 (7) 4.1 矢量控制系统的电流闭环控制方式思想 (7) 4.2 异步电动机矢量控制MA TLAB系统仿真系统设计 (8) 4.3 PI调节器设计 (10) 5 仿真结果 (11) 5.1 电机定子侧的电流仿真结果 (11) 5.2 电机输出转矩仿真结果 (12) 5.3 电机的转子速度及转子磁链仿真结果 (12) 心得体会 (14) 参考文献 (15)
摘要 异步电动机具有非线性、强耦合、多变量的性质，要获得高动态性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律。异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，需要用一组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。如果把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。 矢量控制系统是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得与直流电机相媲美的控制效果。本文研究了按转子磁链定向矢量控制系统的电流闭环控制的设计方法。并用MATLAB进行仿真。 关键词：异步电动机矢量控制电流闭环 MATLAB仿真
转速、磁链闭环控制的矢量控制系统原理分析及 MATLAB仿真 摘要 因为异步电动机的物理模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电机的调速方案。需要用一组非线性方程组来描述，所以控制起来极为不便。异步电机的物理模型之所以复杂，关键在于各个磁通间的耦合。如果把异步电动机模型解耦成有磁链和转速分别控制的简单模型，就可以模拟直流电动机的控制模型来控制交流电动机。 矢量控制系统通过矢量变换和按转子磁链定向，等到等效的电动机模型，然后模仿出直流电动机控制策略设计控制系统。直接矢量控制就是一种优越的交流电机控制方式，它模拟直流电机的控制方式使得交流电机也能取得及直流电机不相上下的控制效果。本文研究了矢量控制系统中磁链调节器的设计方法。并用MATLAB最终得到了仿真结果。 关键词：矢量控制，非线性，MATLAB仿真 Speed and flux vector control system for closed-loop control theory analysis and MATLAB simulation ABSTRACT
Because asynchronous motor's physical model is a higher order, the misalignment, the close coupling many-variable system, needs to use a group of nonlinear simultaneous equation to describe, therefore controls extremely inconveniently. The reason that asynchronous machine's physical model is complex, the key lies during each magnetic flux the coupling. If becomes the asynchronous motor model decoupling has the simple model which the flux linkage and the rotational speed control separately, may simulate direct current motor's control model to control the motor. The direct vector control is one superior alternating current machine control mode, it simulates direct current machine's control mode to enable the alternating current machine also to obtain the control effect which compares favorably with the direct current machine. This article has studied in the vector control system the flux linkage regulator's design method. And obtained the simulation result finally with MATLAB.
交流调速原理及应用 第一单元 交流调速的原理 ——异步电机变压变频调速系统（VVVF 系统） 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统.由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能,可与直流调速系统媲美,因此现在应用面很广. 第一节 变压变频调速的基本控制方式 定子每相电动势 m N s 1g S 44.4Φk N f E = 只要控制好 E g 和 f 1 ，便可达到控制磁通F m 的目的，对此,需要考虑基频(额定频率）以下和基频以上两种情况。 1、基频以下调速 要保持 F m 不变，当频率 f 1 从额定值 f 1N 向下调节时，必须同时降低 E g ，使 常值=1 f E g 即采用恒值电动势频率比的控制方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 U s ≈ E g ，则得 常值=1 f U s 这是恒压频比的控制方式。
但是，在低频时 U s 和 E g 都较小,定子阻抗压降所占的份量就比较显著,不再能忽略。这时，需要人为地把电压 U s 抬高一些，以便近似地补偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图1中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 2、基频以上调速 在基频以上调速时,频率应该从 f 1N 向上升高,但定子电压U s 却不可能超过额定电压U sN ，最多只能保持U s = U sN ，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图2所示。 如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行,则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下,磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低,基本上属于“恒功率调速”。 第二节 异步电动机电压－频率协调控制时的机械特性 1、 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性 当定子电压U s 和电源角频率w 1恒定时，异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式T e = f (s ) 如下：2'lr ls 2122'r s ' r 12 1s p e )()(3L L s R sR R s U n T +++⎪⎪⎭ ⎫ ⎝⎛=ωωω 当s 很小时，转矩近似与s 成正比，机械特性T e = f (s ）是一段直线。当s 接近于1时，转矩近似与s 成反比,机械特性T e = f （s ）是一段双曲线。当s 为以上两段的中间数值时,机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图3所示.