《现代电机控制技术》
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现代交流电机控制技术基础
现代交流电机控制技术基础
控制科学与工程系自动化研究所 沈安文 87541547（O） shenanwn@
第一章 概 论
1.1 交流电机调速技术的发展
1.需要对电机进行调速
A：运行、生产、工艺的需要
高质量的生活，需要高性能的电机调速； B：节能的需要。
2.需要对交流电动机进行调速 A：长期以来，电机调速以直流电机为主 20世纪70年代以前，凡是要求调速范围广速度 控制精度高和动态响应性能好的场合，几乎全 都采用直流电动机调速系统。 原因： 直流电动机易于控制，改变电机的输入电压 或励磁电流，就可在范围内实现无级调速。 交流电机的电流和转矩特性不是固定的，不 易控制 。
E：微电子技术发展极大促进了交流电机调速 技术的发展和应用。
模拟和数字电子技术、集成电路、大规模和超 大规模集成电路、单板机、单片机、 DSP、专 用芯片等等
F：电力电子技术发展为交流电机调速发展和 应用打下坚实的基础 第一代、第二代、第三代等等
Industrial
Communications Computer Consumer Car
iPowIR
Total Solution
PI-IPM IPM
IGCT
Total Solution
Switching Controller LDO
集成化智能化
BBI GTO BJT
DirectFET
IGBT FlipFET
MOS+IC+…
Drive IC
双极性自关断器件
MOSFET
晶闸管
Power Management
B：直流电机存在严重缺陷：机械接触式换向器
直流电动机致命的弱点：机械式换向器 它给直流传动的应用带来了限制： （1）换向器表面线速度及换向电流、电压有 一极限容许值，约束了单台电机的转速和功率 上限，超过这一极限时就只能采取多电枢方案， 这就增加了电机制造的难度和成本以及调速控 制系统的复杂性。有些特高转速和特大功率的 场合则根本无法用直流电机方案来实现。
现代电机控制技术第3章三相永磁同步电动机矢量控制课件
用于矢量控制的 PMSM，要求其永磁励磁磁场在气隙中为正弦分布，这也 是 PMSM 的一个基本特征。
2
PMSM 的转子结构，按永磁体安装形式分类，有面装式、插入式和内装式三 种，如图 3-1、图 3-2 和图 3-3 所示。
图 3-1 面装式转子结构
图 3-2 插入式转子结构
图 3-3 内装式转子结构
(3-2) (3-3)
A LA LAB LAC iA fA
B LBA LB LBC iB fB
C
LCA
LCB
LC
iC
fC
(3-4)
式中， fA 、 fB 和 fC 分别为永磁励磁磁场链过 ABC 绕组产生的磁链。 11
同电励磁三相隐极同步电动机一样，因电动机气隙均匀，故 ABC 绕组
Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
Ls Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
1 2
Lm1
Ls Lm1
iA iB iC
fA fB fC
式中， A
(Ls
Lm1 )iA
1 2
Lm1
(iB
iC ) fA
。
(3-7)
12
若定子三相绕组为 Y 接，且无中线引出，则有iA iB iC 0 ，于是
将矢量图直接转换为 A 相绕组的相量图，或者反之。这一结论同样适用 于
PMSM，因此可将图 3-9a 所示的矢量图直接转换为 A 相绕组的相量图，如图
3-9b 所示。
17
a) 稳态矢量图
b) 相量图
图3-9 面装式PMSM矢量图和相量图
18
此时，可将式(3-17)直接转换为
U s Rs Is jωs Ls Is jωsΨ f Rs Is jωs Ls Is jωs Lm If Rs Is jωs Ls Is E0
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PMSM 的转子结构，按永磁体安装形式分类，有面装式、插入式和内装式三 种，如图 3-1、图 3-2 和图 3-3 所示。
图 3-1 面装式转子结构
图 3-2 插入式转子结构
图 3-3 内装式转子结构
(3-2) (3-3)
A LA LAB LAC iA fA
B LBA LB LBC iB fB
C
LCA
LCB
LC
iC
fC
(3-4)
式中， fA 、 fB 和 fC 分别为永磁励磁磁场链过 ABC 绕组产生的磁链。 11
同电励磁三相隐极同步电动机一样，因电动机气隙均匀，故 ABC 绕组
Lm1
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1 2
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式中， A
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iC ) fA
。
(3-7)
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若定子三相绕组为 Y 接，且无中线引出，则有iA iB iC 0 ，于是
将矢量图直接转换为 A 相绕组的相量图，或者反之。这一结论同样适用 于
PMSM，因此可将图 3-9a 所示的矢量图直接转换为 A 相绕组的相量图，如图
3-9b 所示。
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a) 稳态矢量图
b) 相量图
图3-9 面装式PMSM矢量图和相量图
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此时，可将式(3-17)直接转换为
U s Rs Is jωs Ls Is jωsΨ f Rs Is jωs Ls Is jωs Lm If Rs Is jωs Ls Is E0
现代直线电机关键控制技术及其应用研究
现代直线电机关键控制技术及其应用研究现代直线电机是一种新型的电动机，它具有速度快、精度高、动态响应快的特点，已被广泛地应用于各种自动化设备中。
而直线电机的应用，关键在于精准控制。
本文将介绍现代直线电机关键控制技术及其应用研究。
一、直线电机控制技术分类直线电机控制技术主要包括传统控制和先进控制两种：1. 传统控制传统控制是传统的电机控制方式，主要包括电流控制、速度控制和位置控制。
其中，电流控制是最基本的控制方式，是保障直线电机正常运行必不可少的一步。
速度控制和位置控制则是在电流控制的基础上，进一步掌控直线电机的变化。
传统控制经过多年的发展，已经成为较为成熟的技术，得到广泛的应用。
2. 先进控制先进控制是随着电器技术和计算机技术的飞速发展而涌现的，主要包括矢量控制、模型预测控制和自适应控制。
这些控制方式相比传统控制具有更高的精度和响应速度，而且在频繁变化的工况下，表现出更优异的性能。
不过，由于这些控制需要大量的计算机计算和算法研究，所以并未得到广泛的应用。
二、控制算法设计为了更加充分地利用直线电机的性能，现代直线电机采用了多种控制算法。
FOC（Field-Oriented Control）控制是一种基于矢量分析的控制方法，它可以使电机转矩与转速几乎独立地进行控制。
这种控制方法因其高精度、高转速、低功耗等特点而被广泛应用于直线电机的控制。
MPC（Model Predictive Control）控制是一种模型预测控制方法，它应用于直线电机时，可以根据模型预测电机的输出，从而得出控制策略。
由于该算法考虑到了系统的物理模型，因此可以获得更准确和更精细的控制。
3. ADRC 控制ADRC（Active Disturbance Rejection Control）控制是一种对干扰项具有强抗干扰特性的自适应控制方法，它经常应用于直线电机的控制。
该算法使用了反馈线路，使控制系统能够检测到干扰项并进行抵制，因此可以有效提高控制效果。
现代电机控制技术的发展现状与展望
现代电机控制技术的发展现状与展望摘要:本文介绍了现代电机控制技术的发展现状,包括各种现代电机控制系统的基本模式、组成模块和关键技术进行了系统介绍,最后对未来电机控制技术的发展方向进行了展望。
关键词:电机;新材料;矢量控制;直接转矩控制;发展与展望引言电机是把电能转换成机械能的设备,它在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业领域中都有着广泛的应用。
随着现代电力电子技术的飞速发展,现代电机控制技术正朝着小型化和智能化的方向发展。
1.电机的基本结构及分类普通电机主要由定子、转子、端盖、风扇、罩壳、机座和接线盒等组成。
以图1所示的最常见的三相鼠笼式电机为例,其主要由定子和转子构成,定子是静止不动的部分,转子是旋转部分,在定子与转子之间有一定的气隙。
定子由铁心、绕组与机座三部分组成。
转子由铁心与绕组组成,转子绕组有鼠笼式和线绕式。
图2所示即为三相线绕式电机转子结构示意图,值得一提的是鼠笼式与线绕式两种电机虽然具有不同的结构,但是工作原理却是相同的。
电机按其工作电源种类的不同可划分为直流电机和交流电机两种,常见直流电机按结构及工作原理可进一步划分无刷直流电机和有刷直流电机,常见交流电机按结构及工作原理的不同也可以进一步划分为单相电机和三相电机。
这些电机也因为其结构和工作原理的不同而具有不同的特性。
2.无刷直流电机控制技术的发展现状与展望自1978年,MAC经典无刷直流电机及其驱动器推出之后,国际上对无刷直流电机进行了深入的研究,先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。
三十多年以来,随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展,无刷电机得到了长足的发展。
2.1.各组成部分发展状况2.1.1.电机本体无刷直流电机在电磁结构上和有刷直流电机基本一样,但它的电枢绕组放在定子上,转子采用的重量、简化了结构、提高了性能,使其可靠性得以提高。
无刷电机的发展与永磁材料的发展是分不开的,基本上经历了铝镍钴,铁氧体磁性材料和钕铁硼三个发展阶段。
现代交流电机控制技术C10交流电机的先进控制技术
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。
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。
基于现代控制理论的电机控制技术
基于现代控制理论的电机控制技术第一章前言电机广泛应用于现代工业生产与日常生活中，而电机控制技术对于电机的高效、可靠运行至关重要。
传统的电机控制技术由于其局限性已经不能满足现代化高质量、高精度、高效率的要求。
现代控制理论在电机控制方面的应用，能够显著提高电机的运行性能，提高其效率，实现降低能耗、降低成本、提高产品品质等目标。
本文将从现代控制理论在电机控制技术中的应用进行讲述。
第二章传统电机控制技术的局限性传统的电机控制技术主要以控制电机的电压与电流为主，此方法有以下缺点：1. 传统的电机控制技术对于电机的特性如转速、转矩、功率等无法进行精准控制，控制范围较窄，因此无法满足电机的高效率、高精度、高品质的要求。
2. 传统的电机控制技术受到环境变化的干扰较大，多数情况下控制精度较低。
3. 在需要对电机的工作条件进行实时检测和控制时，传统的电机控制技术缺乏相应的硬件设备，难以达成实时检测的目的。
第三章现代控制理论在电机控制中的应用现代控制理论的出现大大提高了控制系统的精度和控制范围。
利用现代控制理论可以对电机进行精确控制，进而获得较好的运行效果与产品质量。
1. 模型预测控制模型预测控制是一种基于数学模型的控制方法，通过建立电机控制模型，将所要控制的电机运动状态预测到未来时刻，再根据模型预测进行控制。
此方法具有优秀的精度和控制范围，对电机的控制及特性调整具有综合性能及实时性。
2. 自适应控制自适应控制是一种基于反馈控制的技术，通过不断检测电机的状态并反馈给控制器，调整控制器的控制参数，从而实现动态在线控制。
此方法适用于电机变化较大的情况下，能够保证控制精度稳定性。
3. 模糊控制模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制方法，将模糊逻辑的控制思想应用于电机控制领域，具有较好的适应性和鲁棒性。
在电机控制中，模糊控制可以有效的解决环境变化时控制精度下降等问题。
第四章结论现代控制理论的应用在电机控制领域中，具有许多优点，对于提高电机的运行效率和产品品质都有显著的作用。