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现代电机控制技术
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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
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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
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a) 三相绕组由逆变器供电
b) 电子开关VT1、VT2、VT6闭合时的电路
图1-29 定子电压矢量 c) 电压矢量us1的构成
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a) 正弦分布磁动势波
b) 正弦分布磁场
图1-30 A相绕组产生的正弦分布磁场
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1.1 电磁转矩
1.1.1 磁场与磁能 1.1.2 机电能量转换 1.1.3 电磁转矩生成 1.1.4 电磁转矩控制
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图1-1 双线圈励磁的铁心
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磁压降
磁压降
磁路的 磁动势
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铁心磁路 主磁通
铁心磁 路磁阻
气隙 磁通
气隙磁 路磁阻
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构控制 滑模变结构控制是由前苏联学者在20世纪50年代提
出的一种非线性控制策略，它与常规控制方法的根本区 别在于控制律的不连续性，即滑模变结构控制中使用的 控制器具有随系统“结构”随时变化的特性。其主要特 点是，根据性能指标函数的偏差及导数，有目的的使系 统沿着设计好的“滑动模态”轨迹运动。这种滑动模态 是可以设计的，且与系统的参数、扰动无关，因而整个 控制系统具有很强的鲁棒性。早在1981年，Sabonovic等 人就将滑模变结构控制策略引入到了异步电动机调速系 统中，并进行了深入的研究，以后又出现了不少关于异 步电动机滑模变结构控制的研究成果。但是滑模变结构 控制本质上不连续的开关特性使系统存在“抖振”问题 ，其主要原因是：
2024年3月16日1时15分
Kanellakopoulos等人最早把反步设计控制方法应用于异步 电动机调速领域，继而在交流调速领域又出现了结合滑模控制 的反步设计控制方法、带有各种参数自适应律的反步设计控制 方法、带有磁链观测器的反步设计控制方法、使用扩张状态观 测器对不确定性进行补偿的反步设计控制方法等。
2024年3月16日1时15分
2）这些逆系统控制方法只是实现了转速 和磁链的解耦控制，没有实现转矩和磁链的解 耦控制，从而影响系统性能的进一步提高。
3）这些逆系统控制方法是基于精确数学 模型提出来的，当电动机参数发生变化后，对 调速系统的动、静态性能会产生什么影响，在 相关文献中都没有进行讨论。
4）现有的逆系统控制方法的实现前提是 ，对调速系统中各个状态变量都能进行准确的 观测。但是，实际上各个状态变量的观测值存 在的估计误差对系统的性能和系统的稳定性的 影响，在相关文献中都没有进行讨论。
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8.H∞控制 在鲁棒控制中，最具有代表性的控制方法是

（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
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
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。
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
（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

因此，对于转子磁场而言，转子各线圈就相当于一个无漏电感的转子电路，
各导条中电流必然与运动电动势方向一致，且在时间上不再存在滞后问题。在 转子磁场作用下，转子笼型绕组表现出的这种无漏电感的特性是构成基于转子 磁场矢量控制的物理基础。
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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。
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由图 2-1，可得
IsM
Is
Lr Lm
Ir
L2m Lr
IsM
Lm Lr
(Lm Is
Lr Ir )
Lm Lr
Ψ r
(2-10)
于是有
Ψr LmIsM
(2-11)
式(2-11)为转子磁链方程。 IsM 为定子电流中建立转子磁场的励磁分量，通过
控制 IsM 恒定，可以保持转子磁链不变。
由图 2-1，可得
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。因为转子磁场幅值恒定，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。运动于 N 极下的各导条中的电动 势方向一律向里，运动于 S 极下的各导条中的电动势方向一律向外。图 2-4a 中，将转子磁场轴线定义为 M 轴，T 轴超前 M 轴 90°电角度，MT 轴系

式中，ψAA是线圈A中电流iA产生的磁场链过自 身线圈的磁链，称为自感磁链。
定义
LALALmA
(1-14)
式中， LA称为自感，由漏电感LσA和励磁电感 LmA两部分构成。
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这样，通过电感就将线圈A产生磁链的能力表 现为一个集中参数。电感是非常重要的参数。
磁场能量分布在磁场所在的整个空间，单位体
LABNANB
(1-30)
同理，定义线圈A对线圈B的互感LAB为
同样，有
LBA
mBA
iA
(1-31)
LBA NANB
(1-32)
由式(1-30)和式(1-32)，可知，线圈A和线圈B 的互感相等，即
L AB L B AN A N B
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在图1-1中，当电流iA和iB方向同为正时，两者 产生的励磁磁场方向一致，因此两线圈互感为 正值，若改变的iA或iB正方向，或者改变其中 一个线圈的绕向，则两者的互感便成为负值。
如果，NA=NB，则有LmA=LmB=LAB=LBA，即， 两线圈不仅励磁电感相等，而且励磁电感与互 感也相等。
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线圈A和B的全磁链ψA和ψB可表示为
A L A i A L m i A A L A i B B L A i A L A i B B (1-33)
B L B i B L m i B B L B i A A L B i B L B i A A (1-34)
B B B m L B B i B L m i B B L B i B
式中，LδB、LmB和LB分别为线圈B的漏电感、
励磁电感和自感。且有 LB=LδB+LmB

主磁极基波磁场轴线为d 轴， 将d轴旋转90°为q轴; 电枢绕组产生的基波磁场轴 线与q轴一致。 绕组旋转，磁场轴线固定旋 转绕组称为换向器绕组。
图2-4两极直流电机
在直流电机动态分析中， 常将这种换向器绕组等效为 一个“伪静止线圈”
“伪静止线圈”与换向器绕组从机电能 量转换角度看是等效的。 对实际的换向器绕组而言，当q轴磁场 变化时会在电枢绕组内感生变压器电动势， 同时它又在旋转，还会在d轴励磁磁场作用 下，产生运动电动势。 这种实际旋转而在空间产生的磁场却 静止不动的线圈称之为伪静止线圈，它完 全反映了换向器绕组的特性，可以由其等 效和代替实际的换向器绕组。
(i A , i B , r ) Wm te r
公式说明:
1.
2.
当转子因微小位移引起系统磁共能发生变化时，会受到电磁 转矩的作用; 转矩方向应为在恒定电流下倾使系统磁共能增加的方向.
磁能和磁共能之和为 Wm Wm iA d iBd A di Bdi 0 0 0 0
图2-5 伪静止线圈
直流电机等效模型
d轴为励磁绕组轴线.
q轴为换向器绕组轴线， 即“伪静止线圈”， 其轴线在空间固定不动. 当q轴磁场变化时会在 线圈内感生变压器电动势.
q轴线圈又是旋转的， 会在d轴励磁磁场作用下 产生运动电动势.
图2-6 直流电机的等效模型

电磁转矩：te iAiBM AB sin r if ia Lmf
绕组A、B交链的自感、互感磁链为：
A LA iA LAB ( r )iB
B LBiB LAB ( r )iA
线圈A和B产生感应电动势
d A d eA [ LA iA LAB ( r )iB ] dt dt diA diB LAB ( r ) d r [ LA LAB ( r ) iB ] dt dt r dt

而若保持 ψs 的幅值不变，就可以快速地改变和控制电磁转矩，但是电磁转
矩 te 和负载角 sr 间呈显了非线性关系。
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4.1.2 定子电压矢量作用与定子磁链轨迹变化
在定子三相轴系中，定子电压矢量方程为
us

Rs is

dψ s dt
(4-11)
若忽略定子电阻的影响，则有
us

dψ s dtΒιβλιοθήκη 可近似地表示为现代电机控制技术
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
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对电动机的控制归根结底是要实现对电磁转矩的有效控制。在感应 电动机矢量控制中，基本的控制思想是将定子电流作为控制变量，通过 控制定子电流励磁分量来控制转子磁场、气隙磁场或者定子磁场，在此 基础上，通过控制定子电流转矩分量来控制电磁转矩。为此，先要进行 磁场定向，然后通过矢量变换，将磁场定向 MT 轴系中的定子电流励磁 分量和转矩分量变换为 ABC 轴系中的三相电流。总之，是通过控制定 子电流来间接控制电磁转矩。在这一过程中，磁场定向、矢量变换和定 子电流控制是必不可少的。
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式(4-5)表明，电磁转矩决定于ψs 和ψ r 的矢量积，即决定于两者幅值 和其间的空间电角度。若 ψs 和 ψr 保持不变，电磁转矩就仅与负载角有 关。由式(4-5)，可得
dte
d sr
p0
Lm LsLr
ψs
ψr
cos sr
(4-6)
通常， sr 的值较小，可见 sr 对电磁转矩的调节和控制作用是明显的。于

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就转矩控制而言，控制转子磁链ψr恒定，就相 当于将三相感应电动机等效为他励直流电动机， 可以获得与直流电动机相同的线性机械特性。 可以仿效基于气隙磁场的控制方法，通过控制 Er/fs常值来保持ψr恒定。由式(2-3)，可得
Er r s 2f s Er
(2-7)

将式(2-7)代入式(2-6b)，则有

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2.1.2 转矩控制动态分析


下面仍以转子为笼型结构的三相感应电动机为 例，从转矩生成角度来分析基于转子磁场的瞬 态转矩控制。 由图1-32可知，转子磁场为气隙磁场与转子漏 磁场的合成磁场，以磁链矢量表示，即有 r g r (2-26)
转子漏磁场是由转子各导条电流产生的，漏磁 场轴线与转子电流矢量方向一致，即有
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由图2-1，可得
Lm Lm E r j s r Lr Lr
(2-12) (2-13)
s r E r




式(2-11)和式(2-13)表明，图2-1中的Ψr和Er仍 为图1-36中的转子磁链和转子电动势，只不过 由于等效电路的转换才减少为(Lm/Lr)Ψr和 (Lm/Lr)Er。 由图2-1，可知 Lr (2-14) I sT Ir
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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。

2020年3月19日2时2分
Kanellakopoulos等人最早把反步设计控制方法应用于异步 电动机调速领域，继而在交流调速领域又出现了结合滑模控制 的反步设计控制方法、带有各种参数自适应律的反步设计控制 方法、带有磁链观测器的反步设计控制方法、使用扩张状态观 测器对不确定性进行补偿的反步设计控制方法等。
虽然矢量控制和直接转矩控制使交流电动机变频调 速系统的性能获得了很大程度的提高，但是，依然存在 着一些缺点。而现代控制理论的发展为解决矢量控制和 直接转矩控制中存在的问题提供了一个新的途径，出现 了许多具有应用前景的新型交流调速系统控制方法，其 中主要包括以下几种控制方法。
2020年3月19日2时2分
2020年3月19日2时2分
2）这些逆系统控制方法只是实现了转速 和磁链的解耦控制，没有实现转矩和磁链的解 耦控制，从而影响系统性能的进一步提高。
3）这些逆系统控制方法是基于精确数学 模型提出来的，当电动机参数发生变化后，对 调速系统的动、静态性能会产生什么影响，在 相关文献中都没有进行讨论。
4）现有的逆系统控制方法的实现前提是 ，对调速系统中各个状态变量都能进行准确的 观测。但是，实际上各个状态变量的观测值存 在的估计误差对系统的性能和系统ห้องสมุดไป่ตู้稳定性的 影响，在相关文献中都没有进行讨论。
2020年3月19日2时2分
1）对于参数自校正控制缺少全局稳定性证明。 2）参数自校正控制的前提是参数辨识算法的收 敛性，如果在交流调速系统运行的一些特殊的工况 下，不能保证参数辨识算法的收敛性，则难以保证 整个自适应交流调速控制处于正常的工作状态。 3）对于模型参考自适应控制，未建模动态的存 在可能造成自适应控制系统的不稳定。 4）辨识和校正都需要一个过程，对于较慢的参 数变化尚可以起到校正作用，如校正因温度变化而 影响的电阻参数变化，但是对于较快的参数变化， 如因集肤效应引起的电阻变化、因饱和作用产生的 电感变化等，就显得无能为力了。

（5） 功能强， 体积小， 重量轻。 由于PLC产品是 以微型计算机为核心的， 所以具有许多计算机控制系 统的优越性。 以日本三菱公司的FX2N-32MR小型可编 程控制器为例， 该PLC的外型尺寸是87 mm×40 mm×90 mm， 重量0.65 kg， 内部包含各类继电器 3228个， 状态寄存器1000个， 定时器256个， 计数器 241个， 数据寄存器8122个， 耗电量为150 W， 其应 用指令包括程序控制、 传送比较、 四则逻辑运算、 移 位、 数据（包括模拟量）处理等多种功能， 指令执行 时间为每步小于0.1 μs， 无论在体积、 重量上， 还是 在执行速度、 控制功能上， 都是常规继电器控制系统 所无法相比的。
图11-1 PLC的硬件结构图
1． PLC基本单元 PLC基本单元是以CPU为核心的一台工业控制专用
微机系统， 主要由CPU、 存储器和I/O接口电路组成。
CPU的功能是： （1） 接收编程器、 PC机或其他外围设备输入的用 户程序、 数据等信息。 （2） 扫描接收现场输入信号， 并存入指定内部继 电器或寄存器。 （3） 读取、 解释用户程序， 执行用户控制程序， 获得正确的逻辑运算或算术运算结果。
控制软件。
图11-4为三菱FX2N小型PLC产品主机及扩展单元 示意图。 图中FX2N-32MR为基本单元， 带有32个I/O 点（16入16出）， M表示主机， R表示该单元为继电 器输出型； FX2N-32ER为32点开关量扩展单元， E表 示该单元为扩展单元； FX2N-2AD为两路模拟量输入 扩展单元； FX2N-2DA为两路模拟量输出扩展单元。 PLC产品的扩展单元种类很多， 扩展单元的功能及与 主机的配合细节可查阅有关手册。
现代可编程控制器产品具有如下技术特点：