电机控制技术课件-第八章
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电机控制器基础知识PPT课件
转自惯量 速度范围
低。因为永磁体设置在转子上，改善了动 转自惯量高，限制了动态特性 态响应 比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制 比较低，存在电刷给予的机械限制
电气噪声
制造价格 控制
控制要求
低
电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干
扰
比较高
低
复杂和价格贵
简单和价格不贵
为了使电动机运转必须要有控制器，但同 对于一个固定的速度而言，不需要控制
、T6。
在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向
连续旋转。
转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁
场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导
通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这
种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一
碳刷电机：运转速度及干手时间要远低于无刷电机。
4、节能方面：
相对而言，无刷电机的耗电量只是碳刷的1/3。
5、日后维修方面
碳刷电机磨损后，不仅更换碳刷，还更换转齿等电机周边的附件，成本要高出
很多。最主要的是，整体的功能将会受到影响。
6、噪音及使用寿命
碳刷电机所发出的噪音要比无刷电机的高的多，而且随着日后的碳刷磨损，有
种工作方式。
16
2．无刷直流电动机与输出开关管换流信号
无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传
感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电
平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，
因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电
电机控制技术-课件
电机控制技术
广西科技大学电气与信息工程学院
引言
主要讲授内容 第1章 概述 第4章 控制电机的原理及特性 第5章 直流传动控制系统 第6章 交流传动控制系统 第7章 同步发电机的励磁控制 第8章 电动机智能控制技术与应用
第9章 高效电动机与电动机传动系统节 能技术及其应用
发 电 机测速发电机小直流电机异步电动机发电机自整角机步 进 电 机伺服电机直流电动永磁无刷直流电
第 电机控制系统分类和特点： 一 1、直流电动机控制系统（直流调速系统） 章 2、异步电动机控制系统（矢量变换控制系统、
转差频率矢量控制系统、直接转矩控制系统、空 间矢量控制系统、智能控制系统）
概 3、同步电动机控制系统（电励磁同步电动机 述 控制系统、永磁无刷直流电动机控制系统、永磁
同步电动机控制系统） 4、变磁阻电动机控制系统（步进电动机控制系
GD2 (1 )GDd2 其中一般取 0.2 ~ 0.3
小结：折算遵循等效原则，即保持折算前后 两个系统传送的功率、储存的动能相同；同 时，平衡工作点的选择方式为折算到电动机 轴，或者折算到工作机械。对于某些线性运 动的工作机械，如电动汽车，还应对旋转运 动与直线运动之间物理量转换进行折算，折 算时，涉及的物理量有转矩（力）、转速 （速度）及转动惯量（质量）。
电动机控制系统的发展： （1）主传动系统：机械系统（如齿轮变速箱）、
概 机械与电气联合系统 全电气系统。 述 （2）控制电路：模拟电路 全数字电路
（3）控制策略：低效有级、无级控制 高效无 级控制、智能控制 （4）电力电子控制器件的发展。
1.6 电机控制系统设计
第 提高电机控制系统性能的措施： 一 （1）新型功率控制器件和PWM技术应用。 章 （2）矢量变换控制技术与现代控制理论应用。
广西科技大学电气与信息工程学院
引言
主要讲授内容 第1章 概述 第4章 控制电机的原理及特性 第5章 直流传动控制系统 第6章 交流传动控制系统 第7章 同步发电机的励磁控制 第8章 电动机智能控制技术与应用
第9章 高效电动机与电动机传动系统节 能技术及其应用
发 电 机测速发电机小直流电机异步电动机发电机自整角机步 进 电 机伺服电机直流电动永磁无刷直流电
第 电机控制系统分类和特点： 一 1、直流电动机控制系统（直流调速系统） 章 2、异步电动机控制系统（矢量变换控制系统、
转差频率矢量控制系统、直接转矩控制系统、空 间矢量控制系统、智能控制系统）
概 3、同步电动机控制系统（电励磁同步电动机 述 控制系统、永磁无刷直流电动机控制系统、永磁
同步电动机控制系统） 4、变磁阻电动机控制系统（步进电动机控制系
GD2 (1 )GDd2 其中一般取 0.2 ~ 0.3
小结：折算遵循等效原则，即保持折算前后 两个系统传送的功率、储存的动能相同；同 时，平衡工作点的选择方式为折算到电动机 轴，或者折算到工作机械。对于某些线性运 动的工作机械，如电动汽车，还应对旋转运 动与直线运动之间物理量转换进行折算，折 算时，涉及的物理量有转矩（力）、转速 （速度）及转动惯量（质量）。
电动机控制系统的发展： （1）主传动系统：机械系统（如齿轮变速箱）、
概 机械与电气联合系统 全电气系统。 述 （2）控制电路：模拟电路 全数字电路
（3）控制策略：低效有级、无级控制 高效无 级控制、智能控制 （4）电力电子控制器件的发展。
1.6 电机控制系统设计
第 提高电机控制系统性能的措施： 一 （1）新型功率控制器件和PWM技术应用。 章 （2）矢量变换控制技术与现代控制理论应用。
电机与电气控制技术PPT课件
磁滞损失：磁滞现象引起铁芯发热， 造成的损失。
涡流损失：交变磁通在铁芯中产生 的感应电流（涡流），
造成的损失。
为防止涡流损失，铁芯一
般由一片片导磁材料叠合
P2 P1 PCU PFE 而成。
P1
P1 第33页/共160页
3 变压器的外特性
副边输出电压和输出电流的关系。即：
U2 f (I2)
第8页/共160页
总磁动 在非均匀磁路（磁路的材料或截面积不同，或磁场强度不等）中， 势等于各段磁压降之和。
NI HL
总磁动势
I
例：
N
l0
NI HI H0l0
l
第9页/共160页
二. 磁路的欧姆律：
对于均匀磁路
NI HL B L L I S
令：
Rm
l
s
Rm 称为磁阻
则： F NI L Rmφ S
与磁场方向相垂直的单位面积上通过的磁通（磁力线）。
B S
B 的单位：特斯拉（Tesla）
1 Tesla = 104 高斯
单位：韦伯
第3页/共160页
二、磁导率
：表征各种材料导磁能力的物理量
真空中的磁导率(
)为0常数
0 4 107 （亨/米）
一般材料的磁导率 和真空中的磁导率之比，
称为这种材料的相对磁导率
A
*
X *
a x
A
*
X
a
x
*
第35页/共160页
线圈的接法 电器使用时两种电压（220V/110V）的切换：
1
*
3
*
2
4
220V： 联结 2 －3
110V： 联结 1 －3，2 －4
电机与电气控制(第4版)课件全套 第1--5篇 直流电机及拖动---电气控制技术
第5章 三相变压器
内容提要 三相变压器的磁路结构及特点。 三相变压器的电路系统。 判断绕组极性的方法。 电力系统常采用多台变压器并联运行的意义，以及变压器并联运行的条件。
第6章 其他用途的变压器
内容提要 自耦变压器的结构特点、电磁关系、容量以及使用时的注意事项。 仪用互感器的结构特点、工作原理以及互感器与被测线路的连接方法、使用中的注意事项。 电弧焊工艺对电焊变压器的要求；电焊变压器应具有急剧下降的外特性；其输出电流I2在一定 范围内应具有可调性；为实现I2可调所采用的方法不同，便有不同的电焊变压器。这些电焊压器 均有着不同的结构特点。
第4章 单相变压器
内容提要 变压器的用途和结构。 变压器的运行原理。 阐述分析变压器运行的三种方法—电磁平衡关系、等值电路和向量图。 变压器参数的测定。 衡量变压器运行性能的重要标志是外特性和效率特性。掌握这些知识为选择、使用、维护变 压器奠定基础。
3．变压器的效率特性 当变压器电源电压和功率因数一定时，效率 随负载电流 （即负载系数 ）的变化关 系 称为变压器的效率特性，其变化规律如图4.29所示。
第1章 直流电机原理
内容提要 本章主要讲述直流电动机的基本工作原理；直流电动机的结构以及各部件的作用，重点介
绍能量转换的核心部件—电枢绕组不同形式的连接规律和特点。 感应电势和电磁转矩的计算。 直流电动机不同励磁方式的特点。 直流电机的磁场以及改善换向的方法。
1.1 直流电机基本工作原理
（4）单叠绕组和单波绕组的应用。
1.3.2 直流电机的磁场
1．直流电动机的分类 （1）直流他励电动机。 （2）直流并励电动机。 （3）直流串励电动机。 （4）直流复励电动机。
3．改善换向的方法 产生火花的电磁原因是换向元件K中出现了附加电流 ，因此要改善换 向，就得从减小甚至消除附加电流 着手。
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三、直流电机的电枢绕组和磁场
对于小容量电机，电枢直径小，电枢铁心外圆不宜开 太多槽时，往往在一个槽的上层和下层各放两个元件边， 即把一个实槽当成u个虚槽使用。虚槽数与实槽数Z之间的 关系为
Z u u Z S K( 3 5 )
为分析方便起见，本书中均设u=1。
三、直流电机的电枢绕组和磁场
节距
二、直流电机的基本结构与铭牌
直流电机主要系列介绍
为了满足各行各业对产品的不同要求，生产厂将产品 制成不同型号系列。所谓系列就是指产品的结构和形状基 本相似，而某种性能参数例如容量则按一定等级递增的一 系列产品。对于电机来说，系列产品的电压、转速、机座 号和铁心长度都有一定的等级。 型号
它表示电机的类别。例如：Z2—12 的含义为 Z：直 流；2：设计序号；1：铁心长度；2：机座号
二、直流电机的基本结构与铭牌
4）电刷装置 电刷装置用以引入 或引出直流电压和直流电流。电 刷装置由电刷、刷握杆和刷杆座 等组成。电刷放在刷握内，用弹 簧压紧，使电刷与换向器之间有 良好的滑动接触，如图3-7所示， 刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆 环形的刷杆座上，相互之间必须 绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内 盖上，圆周位置可以调整，调好 以后加以固定。
二、直流电机的基本结构与铭牌
(4) ZD型系列电机主要用于需要广泛调速并具有较大 过载能力的场所，如大型机床、卷扬机、起重设备等。
(5) ZQD型系列是直流牵引电动机， 用于牵引车辆。
三、直流电机的电枢绕组和磁场
直流电机的电枢绕组
➢ 直流电枢绕组的基本知识
电枢绕组元件 电枢绕组元件由绝缘铜线绕制而成，每个元件有两个
换向器和电刷的作用，在电刷A、B两端输出的电动势是方向不 变的直流电动势。若在电刷A、B之间接上负载，发电机就能向
电机控制技术项目8-PPT课件
电动机也可采用磁场控制，即磁场绕组加控制电压 ，改变励磁电压的大小和方向，就能改变电动机的转速 与转向。可见，电磁式直流伺服电动机有电枢控制和磁 场控制两种控制转速的方式，而对永磁式直流伺服电动 机来讲，则只有电枢控制一种方式。
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
电枢控制的主要优点为，没有控制信号时，电枢电 流等于零，电枢中没有损耗，只有不大的励磁损耗。磁 场控制的性能较差，其优点是控制功率小，仅用于小功 率电动机中。自动控制系统中多采用电枢控制方式。
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
三）直流测速发电机的型号 直流测速发电机的型号由下列3部分组成。 1． 机座号 机座号用电机机壳外径的尺寸数值（以毫米为单位
）表示。如表8-1。 表8-1 机座号及机壳外径
机座号
机壳外径／ mm
机座号
机壳外径 /mm
12 16 20
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
（一）基本结构及原理 直流测速发电机的定、转子结构与普通小型直流发 电机相同。直流测速发电机的工作原理与一般直流发电 机相同，图8-１所示为直流测速发电机的外形及原理图 。励磁绕组中流过直流电流时，产生沿空间分布的恒定 磁场，电枢由被测机械拖动旋转，以恒定速度切割磁场 ，在电枢绕组中感生电动势，从电刷两端引出的直流电 动势为
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
当转子旋转时，转子绕组中除产生如上所述的变压 器电动势 外，还因切割励磁磁通 而感生速率电动势 和 短路电流 。若忽略转子漏抗的影响， 与 同方向，如图 8-5（ｂ）所示。 为交变电动势，其交变频率与励磁磁 通的脉振频率 相同，电动势的大小为
பைடு நூலகம்
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
电枢控制的主要优点为，没有控制信号时，电枢电 流等于零，电枢中没有损耗，只有不大的励磁损耗。磁 场控制的性能较差，其优点是控制功率小，仅用于小功 率电动机中。自动控制系统中多采用电枢控制方式。
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
三）直流测速发电机的型号 直流测速发电机的型号由下列3部分组成。 1． 机座号 机座号用电机机壳外径的尺寸数值（以毫米为单位
）表示。如表8-1。 表8-1 机座号及机壳外径
机座号
机壳外径／ mm
机座号
机壳外径 /mm
12 16 20
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
（一）基本结构及原理 直流测速发电机的定、转子结构与普通小型直流发 电机相同。直流测速发电机的工作原理与一般直流发电 机相同，图8-１所示为直流测速发电机的外形及原理图 。励磁绕组中流过直流电流时，产生沿空间分布的恒定 磁场，电枢由被测机械拖动旋转，以恒定速度切割磁场 ，在电枢绕组中感生电动势，从电刷两端引出的直流电 动势为
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
当转子旋转时，转子绕组中除产生如上所述的变压 器电动势 外，还因切割励磁磁通 而感生速率电动势 和 短路电流 。若忽略转子漏抗的影响， 与 同方向，如图 8-5（ｂ）所示。 为交变电动势，其交变频率与励磁磁 通的脉振频率 相同，电动势的大小为
பைடு நூலகம்
分析控制电机在雷达天线系统中的应用
第8章 控制电机 《电机学(少学时)》课件
(3)三相六拍运行
图8-17 转子为永磁式的 步进电动机
(3)三相六拍运行
(3)三相六拍运行
图8-18 步进电动机的矩角特性
a) =f( ) b) -π到π
—定子1
—转子1号、2号和Q号齿
8.4 测速发电机
1.直流测速发电机 2.同步测速发电机和脉冲测速发电机 3.交流异步测速发电机
1.直流测速发电机
8.6 自整角机
图8-32 自整角机的变压器式运行
8.6 自整角机
图8-33 两台自整角机和一台差动式自整角机组成的同步联系装置 a)装置的接线图 b)差动式接收机中由定子电流所产生的磁动势
1— →∞时 2—电感负载
3.交流异步测速发电机
8.5 旋转变压器
图8-25 旋转变压器示意图
8.5 旋转变压器
8.5 旋转变压器
图8-26 正弦旋转变压器 a)空载时 b)负载时
8.5 旋转变压器
8.5 旋转变压器
8.5 旋转变压器
8.5 旋转变压器
图8-27 旋转变压器中交轴磁场的补偿 a)二次侧补偿 b)一次侧补偿
第8章 控制电机 《电机学（少学时 ）》课件
第8章 控制电机
8.1 控制电机的特点和分类 8.2 伺服电动机 8.3 步进电动机 8.4 测速发电机 8.5 旋转变压器 8.6 自整角机
8.1 控制电机的特点和分类
1.控制电机的特点 2.控制电机的分类
1.控制电机的特点
(1)高可靠性 由于控制电机的可靠性，在很大程度上决定着整 个控制系统的可靠性，所以控制电机在机械上应有较强的抗冲 击能力、防爆或密封性好，尽可能做到无刷、无滑动触点，电 磁干扰小、抗干扰能力强，噪声小。 (2)高精度 由于控制电机的精度直接决定着整个系统的精度， 为此要求在测量、信号传递或转换时，具有较高的分辨能力(对 机械转角信号达到角秒级，线性位移信号达到微米级，对电气 信号达到毫伏级)；各种特性具有良好的线性度；尽量小的静态 和动态误差，能降低或消除环境温度、电源频率变化等因素对 各种特性的影响。 (3)高灵敏度 即具有快速的响应能力。
电机现代控制技术PPT课件
5.学时分配：28学时理论教学.
6.考 试： 撰写并打印3000字以上小论文. 课堂平时考查. 无故缺课2次不评优.
论文要求：撰写格式规范； 论文内容与课程内容相关. 见示例.
异步电动机相量图
U1 E1 4.44 f1Nm k N1
第一章 电机控制技术发展现状与发展趋势
Variable Voltage And Variable Frequency;
设想，在s轴上安置一个单轴线圈s，其作用结果相当于三相定 子绕组的作用结果，与s轴一道旋转，通入正向电流is后，产生 的正弦分布磁场即为定子旋转磁场.
再将转子中分布励磁绕组等效为集中励磁绕组f，通入励磁电 流if后能够产生与原转子绕组相同的正弦分布励磁磁场.
用单轴线圈s代替定子三相绕组；用线圈f代替了转子绕组. S或f 线圈作用的结果与定子三相绕组和转子励磁绕组产生磁场和感 应电动势的作用的结果相同.
*机电装置能量方程： 电源输入的电能＝耦合电磁场内储能的增加＋能量损耗＋输出的机械能
*考虑各种损耗后 ： 输入的电能－电阻能量损耗＝耦合电磁场内储能的增加
＋相应的介质能量损耗 ＋输出的机械能＋机械能量损耗
*即能量守恒： 输入的净电能=耦合场吸收的总能量+机械能的总能量
*能量的微分形式 ： dWe dWm dWmech
图2.9 三相凸极同步电机结构 图2.10 三相凸极同步电机等效模型
总电磁转矩为
te
isif
Lm
sin
1 2
(Ld
Lq
)is2
sin
2
4. 三相异步电动机的电磁转矩与等效模型
iAd LAiA LAB r iB iBd LBiB LAB r iA
AdiA
6.考 试： 撰写并打印3000字以上小论文. 课堂平时考查. 无故缺课2次不评优.
论文要求：撰写格式规范； 论文内容与课程内容相关. 见示例.
异步电动机相量图
U1 E1 4.44 f1Nm k N1
第一章 电机控制技术发展现状与发展趋势
Variable Voltage And Variable Frequency;
设想，在s轴上安置一个单轴线圈s，其作用结果相当于三相定 子绕组的作用结果，与s轴一道旋转，通入正向电流is后，产生 的正弦分布磁场即为定子旋转磁场.
再将转子中分布励磁绕组等效为集中励磁绕组f，通入励磁电 流if后能够产生与原转子绕组相同的正弦分布励磁磁场.
用单轴线圈s代替定子三相绕组；用线圈f代替了转子绕组. S或f 线圈作用的结果与定子三相绕组和转子励磁绕组产生磁场和感 应电动势的作用的结果相同.
*机电装置能量方程： 电源输入的电能＝耦合电磁场内储能的增加＋能量损耗＋输出的机械能
*考虑各种损耗后 ： 输入的电能－电阻能量损耗＝耦合电磁场内储能的增加
＋相应的介质能量损耗 ＋输出的机械能＋机械能量损耗
*即能量守恒： 输入的净电能=耦合场吸收的总能量+机械能的总能量
*能量的微分形式 ： dWe dWm dWmech
图2.9 三相凸极同步电机结构 图2.10 三相凸极同步电机等效模型
总电磁转矩为
te
isif
Lm
sin
1 2
(Ld
Lq
)is2
sin
2
4. 三相异步电动机的电磁转矩与等效模型
iAd LAiA LAB r iB iBd LBiB LAB r iA
AdiA
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08 电机智能控制技术
8.3 电机的模糊控制
(3) 语言值：就是元素可以接受的值的符号表示。 在语言系统中，以实数域(-∞ ，+∞ ) 或其子集为论域的口语化量词，如“大”、“小”、“长”、“短”或“非常大”、“不 太大”、 “稍重”等都称为语言值。
(4) 模糊集合：论域E中的任一个子集用隶属度表示，隶属度取0到1之间的任意 值，这个子集称为模糊集合。
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第八章 电机智能控制技术
1 概述 2 电机智能控制硬件基础 3 电机的模糊控制 4 电机的神经网络控制 5 电机的模糊神经网络控制
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08 电机智能控制技术
8.2 电机智能控制硬件基础
8.2.1 电机集成控制芯片
• 电机控制器电路集成化是发展趋势，是设计低成本、高性能电机控制系统的基础 ，也是实现智能控制的基础。
• 特点：集成度高，内部集成了A/D转换器、数字输入/输出、串口通信、CAN总线 控制器、PWM信号输出等接口电路 ；运行速度快。
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08 电机智能控制技术
8.2 电机智能控制硬件基础
8.2.2 其它主要外围电路
1、信号检测与转换
•检测信号分为电量和非电量两大类： •电量信号：电流、电压、电荷量和电功率等。 •非电量信号：位置、速度、加速度、温度、力或转矩、振动和噪音等。它们的检测通 常需要根据物理学原理利用传感器将非电量信号转换成电信号后再进行检测。
•特点：与普通IGBT相比，由于IPM不需设置专门的驱动电路、故障检则及保护电路，使 电路结构大为简化，使用起来方便，减少了系统的体积以及开发时间，调试方便简单，而 且可靠性高；减少了连接线， 因此功率器件能可靠导通与关断，不易受到干扰；保护电 路已由元件生产厂家放置在功率模块里面，且已调整好， 因此故障保护也相当可靠。IPM 的通态损耗和开关损耗都比较低，散热器的尺寸减小，整个系统的尺寸更小。
Page. 13
08 电机智能控制技术
8.2 电机智能控制硬件基础
M法：也称为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信 号计数来测量速度，适用于测量高转速。例如，光电编码器是N线的，则每旋转一周可以 有4N个脉冲，在Tc内计数器记录的脉冲数为M1，则电机的转速为
n 15M1 NTc
n 15M1 fclk NM 2
（8-3）
采用M/T法具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速优点，能覆盖较广的 转速范围，测量精度高，在电机控制中应用十分广泛。
Page. 15
08 电机智能控制技术
8.2 电机智能控制硬件基础
2、智能功率驱动芯片(IPM)
•先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片、优化的栅极驱动电路及多种保 护电路集成在同一模块内。
Page.Leabharlann 2008 电机智能控制技术
8.3 电机的模糊控制
模糊系统结构：
知识库 数据库 规则库
r+ _
e 模
计算偏差及其
糊
变化
化
d (e)
dt
生成控制规则
去u
模
过程或设
y
糊
备
化
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08 电机智能控制技术
8.3 电机的模糊控制
8.3.2 电机的模糊控制系统设计
• 以异步电机直接转矩控制为例，设计步骤如下:
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08 电机智能控制技术
8.3 电机的模糊控制
2、模糊化
输入变量的清晰值在模糊化时，分为连续变量离散化和离散化变量模糊化两 步。最终把每个变量的量化论域分为几段，并通过几个模糊集表示。
输出变量不需要模糊化，因为这些开关状态和相应的电压空间矢量都是清晰 的，所以不需要模糊隶属函数。在二点式逆变器中，可能有8个不同的开关状态 ，而这里其实只有7种电压空间矢量。
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08 电机智能控制技术
8.2 电机智能控制硬件基础
1、微控制器芯片
• 应用:一些精度要求不很高的电机控制系统 • 特点：采用标准的8位或16位CPU核，在微控制器中集成了脉宽调制器(PWM)、
A/D转换器和SPI串行接口等外围电路 。
2、数字信号处理器芯片
• 应用：主要用于高档工业电机控制中，但近年来，随着其价格不断地降低，在电 机的控制领域中逐渐用DSP代替MCU。
3、确定模糊规则
模糊控制器中，每一条控制规则都可以用模糊输入变量eψ、eT、θ和输出控制 变量uv 表示。
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08 电机智能控制技术
8.3 电机的模糊控制
4、模糊推理与算法 模糊推理是指模糊控制器中，根据输入模糊量由模糊控制规则求解模糊关系
（2）应用智能控制方法的新型控制策略
由于交流传动系统具有较明确的数学模型，所以在交流传动中引入智能控制方法，是 为了充分利用智能控制具有解决非线性、变结构、自寻优等的能力来克服交流传动系统变 参数、非线性等不利因素，从而提高系统的鲁棒性。
（3）研究高性能的无速度传感器控制策略
对于交流电动机来说，采用高性能的无速度传感器控制策略，可以提高转速估计精度， 增强系统抗参数变化和自适应能力，降低系统的复杂性。
第八章 电机智能控制技术
第八章 电机智能控制技术
1 概述 2 电机智能控制硬件基础 3 电机的模糊控制 4 电机的神经网络控制 5 电机的模糊神经网络控制
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第八章 电机智能控制技术
1 概述 2 电机智能控制硬件基础 3 电机的模糊控制 4 电机的神经网络控制 5 电机的模糊神经网络控制
(5) 隶属函数：元素 ei 隶属于论域E中一个子集的程度。这种隶属程度在闭区间 [0，1] 的取值大小来反映：愈接近于1，隶属于该子集的程度愈高；反之，愈接近于 0，隶属于该子集的程度愈低。
(6) 模糊集合的基本运算：模糊集合也有交、并、补等基本运算。
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08 电机智能控制技术
8.3 电机的模糊控制
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08 电机智能控制技术
8.2 电机智能控制硬件基础
（2）电压检测
•主要检测方法：直接测量和电阻分压法、电压互感器法和霍尔效应电压传感器法。当测 量电压较小时，可以直接输入放大器缓冲后测量。当电压较高时，则需要采用电阻分压后 测量。对于交流高压，通常采用电压互感器。其优点是电气隔离，测量简单，但在测量动 态或低频信号时精度不高。
(9) 模糊化：即把清晰量变换为模糊集。
(10) 模糊关系：除了普通关系外，还有模糊关系。前者只表示事物(元素) 间是否存在联 系，后者则表示事物（元素）间对于某种模糊概念上的联系程度。
(11) 去模糊化：就是从输出论域中确定的模糊控制作用的空间映射到非模糊（清晰）控 制作用的空间中去。常用的去模糊化方法有：最大值法，最大值平均法，重心法。
1、选择模糊变量
模糊控制器是依据模糊状态变量来选择逆变器的开关状态的，因此，模糊控 制器选择了3输入1输出的结构，即它有3个模糊输入变量和1个输出控制变量。3 个输入变量分别是定子磁链值的偏差eψ 、转矩偏差eT、定子磁链与参考轴之间的 磁通角θ；输出控制变量是逆变器的开关状态控制量uv，这相当于是所要加到电 机端子上去的电压空间矢量。
• 用于电机控制的集成电路可分为三大类：电机控制专用集成电路(ASIC)、专门为电 机控制设计的微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）。
• 具有更高速、集成度高的功能模块的电机专用DSP是电机控制微处理器的方向。直 接集成FPGA、CPLD等大规模逻辑器件，将两者的优势相结合，设计混合式 CPU/DSP也是发展方向之一。
•在电机控制系统中，常用的检测信号主要有电流、电压、温度、转子位置、转速和转矩 等物理量。下面简单介绍相关的检测电路和方法。
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8.2 电机智能控制硬件基础
（1）电流检测
主要检测方法：电阻法、电流互感器法和霍尔效应电流传感器法。
•电阻法：利用电流流过电阻后会产生电压降，检测该电压降可获得流过电阻的电流大小。 电阻法的优点是元器件成本低，电路简单，响应速度快等，通常在小电流情况下使用；其 缺点是电阻上消耗能量，且电阻受温度的影响，影响检测精度。图8-1(a)利用电阻上的电 压直接通过放大器来采样电阻两端的电压输出。图8-1(b)是经过阻容滤波后采样电压，可 以减少高频信号的影响。
（3）温度检测
•主要检测方法：接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量是利用温敏元件和温度传 感器，如热电偶、温度计和热敏电阻等；非接触式测量是利用物体的热辐射、色谱等，如 红外测温、光纤光栅测量和图像测温等。在电机控制中温度的检测主要是接触式测量。
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8.2 电机智能控制硬件基础
可以预测在未来几十年中，智能控制将在传动控制领域中发挥引 领时代新潮流的作用。
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8.1 概述
• 高性能电机控制系统主要研究方向:
（1）抑制参数变化和扰动的新型非线性控制策略 从本质上看，异步电动机是一个非线性多变量系统，应该在非线性控制理论的基础上
研究其控制策略，才能真正揭示问题的本质。
图8-1 电阻法测电流原理
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8.2 电机智能控制硬件基础
•电流互感器法：
利用电流互感器来检测，它类似于变压器，利用交流电电磁感应原理测量电流， 适用于高压大电流检测，在测量动态或低频信号时精度不高。
•霍尔效应电流传感器法：
是应用较多的一种方法。利用霍尔效应和磁场平衡原理设计的精密电流检测元 件，主要由被测导体、聚磁环、线圈、霍尔元件、放大器驱动器和测量电阻等组成 。优点是可以实现电气隔离，而且可以测直流和交流电流值，精度高；缺点是价格 较高，需要额外的恒压直流电源。
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8.3 电机的模糊控制
(3) 语言值：就是元素可以接受的值的符号表示。 在语言系统中，以实数域(-∞ ，+∞ ) 或其子集为论域的口语化量词，如“大”、“小”、“长”、“短”或“非常大”、“不 太大”、 “稍重”等都称为语言值。
(4) 模糊集合：论域E中的任一个子集用隶属度表示，隶属度取0到1之间的任意 值，这个子集称为模糊集合。
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1 概述 2 电机智能控制硬件基础 3 电机的模糊控制 4 电机的神经网络控制 5 电机的模糊神经网络控制
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8.2 电机智能控制硬件基础
8.2.1 电机集成控制芯片
• 电机控制器电路集成化是发展趋势，是设计低成本、高性能电机控制系统的基础 ，也是实现智能控制的基础。
• 特点：集成度高，内部集成了A/D转换器、数字输入/输出、串口通信、CAN总线 控制器、PWM信号输出等接口电路 ；运行速度快。
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8.2 电机智能控制硬件基础
8.2.2 其它主要外围电路
1、信号检测与转换
•检测信号分为电量和非电量两大类： •电量信号：电流、电压、电荷量和电功率等。 •非电量信号：位置、速度、加速度、温度、力或转矩、振动和噪音等。它们的检测通 常需要根据物理学原理利用传感器将非电量信号转换成电信号后再进行检测。
•特点：与普通IGBT相比，由于IPM不需设置专门的驱动电路、故障检则及保护电路，使 电路结构大为简化，使用起来方便，减少了系统的体积以及开发时间，调试方便简单，而 且可靠性高；减少了连接线， 因此功率器件能可靠导通与关断，不易受到干扰；保护电 路已由元件生产厂家放置在功率模块里面，且已调整好， 因此故障保护也相当可靠。IPM 的通态损耗和开关损耗都比较低，散热器的尺寸减小，整个系统的尺寸更小。
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8.2 电机智能控制硬件基础
M法：也称为测频法，其测速原理是在规定的检测时间Tc内，对光电编码器输出的脉冲信 号计数来测量速度，适用于测量高转速。例如，光电编码器是N线的，则每旋转一周可以 有4N个脉冲，在Tc内计数器记录的脉冲数为M1，则电机的转速为
n 15M1 NTc
n 15M1 fclk NM 2
（8-3）
采用M/T法具有M法测速的高速优点，又具有T法测速的低速优点，能覆盖较广的 转速范围，测量精度高，在电机控制中应用十分广泛。
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8.2 电机智能控制硬件基础
2、智能功率驱动芯片(IPM)
•先进的混合集成功率器件，由高速、低功耗的IGBT芯片、优化的栅极驱动电路及多种保 护电路集成在同一模块内。
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8.3 电机的模糊控制
模糊系统结构：
知识库 数据库 规则库
r+ _
e 模
计算偏差及其
糊
变化
化
d (e)
dt
生成控制规则
去u
模
过程或设
y
糊
备
化
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8.3 电机的模糊控制
8.3.2 电机的模糊控制系统设计
• 以异步电机直接转矩控制为例，设计步骤如下:
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8.3 电机的模糊控制
2、模糊化
输入变量的清晰值在模糊化时，分为连续变量离散化和离散化变量模糊化两 步。最终把每个变量的量化论域分为几段，并通过几个模糊集表示。
输出变量不需要模糊化，因为这些开关状态和相应的电压空间矢量都是清晰 的，所以不需要模糊隶属函数。在二点式逆变器中，可能有8个不同的开关状态 ，而这里其实只有7种电压空间矢量。
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8.2 电机智能控制硬件基础
1、微控制器芯片
• 应用:一些精度要求不很高的电机控制系统 • 特点：采用标准的8位或16位CPU核，在微控制器中集成了脉宽调制器(PWM)、
A/D转换器和SPI串行接口等外围电路 。
2、数字信号处理器芯片
• 应用：主要用于高档工业电机控制中，但近年来，随着其价格不断地降低，在电 机的控制领域中逐渐用DSP代替MCU。
3、确定模糊规则
模糊控制器中，每一条控制规则都可以用模糊输入变量eψ、eT、θ和输出控制 变量uv 表示。
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8.3 电机的模糊控制
4、模糊推理与算法 模糊推理是指模糊控制器中，根据输入模糊量由模糊控制规则求解模糊关系
（2）应用智能控制方法的新型控制策略
由于交流传动系统具有较明确的数学模型，所以在交流传动中引入智能控制方法，是 为了充分利用智能控制具有解决非线性、变结构、自寻优等的能力来克服交流传动系统变 参数、非线性等不利因素，从而提高系统的鲁棒性。
（3）研究高性能的无速度传感器控制策略
对于交流电动机来说，采用高性能的无速度传感器控制策略，可以提高转速估计精度， 增强系统抗参数变化和自适应能力，降低系统的复杂性。
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(5) 隶属函数：元素 ei 隶属于论域E中一个子集的程度。这种隶属程度在闭区间 [0，1] 的取值大小来反映：愈接近于1，隶属于该子集的程度愈高；反之，愈接近于 0，隶属于该子集的程度愈低。
(6) 模糊集合的基本运算：模糊集合也有交、并、补等基本运算。
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（2）电压检测
•主要检测方法：直接测量和电阻分压法、电压互感器法和霍尔效应电压传感器法。当测 量电压较小时，可以直接输入放大器缓冲后测量。当电压较高时，则需要采用电阻分压后 测量。对于交流高压，通常采用电压互感器。其优点是电气隔离，测量简单，但在测量动 态或低频信号时精度不高。
(9) 模糊化：即把清晰量变换为模糊集。
(10) 模糊关系：除了普通关系外，还有模糊关系。前者只表示事物(元素) 间是否存在联 系，后者则表示事物（元素）间对于某种模糊概念上的联系程度。
(11) 去模糊化：就是从输出论域中确定的模糊控制作用的空间映射到非模糊（清晰）控 制作用的空间中去。常用的去模糊化方法有：最大值法，最大值平均法，重心法。
1、选择模糊变量
模糊控制器是依据模糊状态变量来选择逆变器的开关状态的，因此，模糊控 制器选择了3输入1输出的结构，即它有3个模糊输入变量和1个输出控制变量。3 个输入变量分别是定子磁链值的偏差eψ 、转矩偏差eT、定子磁链与参考轴之间的 磁通角θ；输出控制变量是逆变器的开关状态控制量uv，这相当于是所要加到电 机端子上去的电压空间矢量。
• 用于电机控制的集成电路可分为三大类：电机控制专用集成电路(ASIC)、专门为电 机控制设计的微控制器（MCU）和数字信号处理器（DSP）。
• 具有更高速、集成度高的功能模块的电机专用DSP是电机控制微处理器的方向。直 接集成FPGA、CPLD等大规模逻辑器件，将两者的优势相结合，设计混合式 CPU/DSP也是发展方向之一。
•在电机控制系统中，常用的检测信号主要有电流、电压、温度、转子位置、转速和转矩 等物理量。下面简单介绍相关的检测电路和方法。
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（1）电流检测
主要检测方法：电阻法、电流互感器法和霍尔效应电流传感器法。
•电阻法：利用电流流过电阻后会产生电压降，检测该电压降可获得流过电阻的电流大小。 电阻法的优点是元器件成本低，电路简单，响应速度快等，通常在小电流情况下使用；其 缺点是电阻上消耗能量，且电阻受温度的影响，影响检测精度。图8-1(a)利用电阻上的电 压直接通过放大器来采样电阻两端的电压输出。图8-1(b)是经过阻容滤波后采样电压，可 以减少高频信号的影响。
（3）温度检测
•主要检测方法：接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量是利用温敏元件和温度传 感器，如热电偶、温度计和热敏电阻等；非接触式测量是利用物体的热辐射、色谱等，如 红外测温、光纤光栅测量和图像测温等。在电机控制中温度的检测主要是接触式测量。
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可以预测在未来几十年中，智能控制将在传动控制领域中发挥引 领时代新潮流的作用。
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8.1 概述
• 高性能电机控制系统主要研究方向:
（1）抑制参数变化和扰动的新型非线性控制策略 从本质上看，异步电动机是一个非线性多变量系统，应该在非线性控制理论的基础上
研究其控制策略，才能真正揭示问题的本质。
图8-1 电阻法测电流原理
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8.2 电机智能控制硬件基础
•电流互感器法：
利用电流互感器来检测，它类似于变压器，利用交流电电磁感应原理测量电流， 适用于高压大电流检测，在测量动态或低频信号时精度不高。
•霍尔效应电流传感器法：
是应用较多的一种方法。利用霍尔效应和磁场平衡原理设计的精密电流检测元 件，主要由被测导体、聚磁环、线圈、霍尔元件、放大器驱动器和测量电阻等组成 。优点是可以实现电气隔离，而且可以测直流和交流电流值，精度高；缺点是价格 较高，需要额外的恒压直流电源。