《现代电机控制技术》王成元共150页
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
3
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
0
1
2
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
5
图1-1 双线圈励磁的铁心
6
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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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《现代电机控制技术(第2版)》第5章 三相永磁同步电动机直接转矩控制
ψs Lsis ψf (5-1) 电磁转矩的生成可看
成是两个磁场相互作用的 结果，可认为是由转子磁
图 5-1 面装式 PMSM 中的定子电流和磁链矢量
4
场与电枢磁场相互作用生成的。
由式(3-19)，可得
te
p0ψf
is
p0
1 Ls
ψf
(Lsis )
(5-2)
因为电枢磁场和转子磁场分别是定、转子独立励磁磁场，所以可将式（5-2）
te
p0
1 Ls
ψf
(Lsis
ψf
)
1 p0 Ls ψf ψs
根据式(5-4)，可进行直接转矩控制。
(5-4)
将式(5-4)表示为
te
p0
1 Ls
f
s
sin sf
(5-5)
在式(5-5)中，转子磁链矢量 ψf 的幅值不变，若能控制定子磁链矢
量 ψs 的幅值为常值，电磁转矩就仅与 sf 有关，sf 称负载角，通过控
(5-28)
ψs
2 D
2 Q
(5-29)
s
arcsin Q
ψs
(5-30)
式中， iD 和 iQ 由定子三相电流 iA、iB 和 iC 的检测值经坐标变换后求
得，uD 和 uQ 可以是检测值，也可直接由逆变器开关状态，利用式(4-41)
和式(4-42)求得。
22
2．电流模型
电流模型是利用式(5-16)和式(5-17)来获取 ψd 和 ψq 。 但这两个方程是以转子 dq 轴系表示的，必须进行坐标变换， 才能由 iD 和 iQ 求得 id 和 iq，这需要实际检测转子位置。
图 5-2 中，定子 磁链矢量 ψs 为
现代电机控制技术
现代电机控制技术
现代电机控制技术是电力驱动的系统的核心部分，能够满足现代电机多种要求。
由于发展迅速，越来越多的机械设备被自动化，越来越依赖电机的控制，电机的控制技术有着极其重要的作用。
本文主要介绍现代电机控制技术的基础：
1. 马达控制原理：马达控制通过电源和传动系统来控制电机，由于电源传输的能量可以控制电机驱动的机械元件，所以可以控制机械设备的运动状态。
2. 机器控制内容：机器控制是采用数字化电机控制系统来控制机械设备的运动状态。
它是将电机的控制信号与机器设备的动作联系起来，使机械设备可以根据电源传输的能量实现控制。
3. 电力控制：电力控制是指在指定的电流或功率中对电机进行控制，以实现特定的动作。
它通常是指根据电机控制信号调整电机输出参数，实现电机控制的能力。
4. 电源信号控制：电源信号控制是指用电源传输的信号来控制电机的运动状态，可以实现电机的高精度控制。
综上所述，现代电机控制技术已经发展得相当成熟，取得了很大的成就，它深刻地改变了机械设备的结构，并有效地提升了机械设备的性能，为各种机械设备的自动化提供了有力的支持。
电机驱动相关的书籍
电机驱动相关的书籍
以下是一些与电机驱动相关的书籍推荐：
1. 《电机与拖动基础》（第五版），主编：李发海、王岩，科学出版社
这本书系统地介绍了电机与拖动的基本理论和分析方法，内容包括直流电机、变压器、交流电机和控制电机的工作原理、结构特点、电磁关系和能量关系，着重分析了直流电机和交流电机的机械特性以及起动、调速和制动的原理、方法及相关计算。
2. 《现代电机控制技术》，作者：王成元、夏长亮，机械工业出版社
本书以异步电动机和永磁同步电动机为主要对象，系统地介绍了现代电机控制系统的基本理论、基本分析方法和设计方法。
内容包括异步电动机、永磁同步电动机的数学模型，矢量控制、直接转矩控制、智能控制等现代控制策略，以及无速度传感器控制技术等。
3. 《电机驱动与控制》，主编：王坚、汤天浩，高等教育出版社
本书以电动机为被控对象，系统地介绍了电动机的驱动与控制技术。
内容包括直流电动机、交流电动机、步进电动机、无刷直流电动机、永磁同步电动机等的工作原理、特性及控制方法。
4. 《电机驱动与控制专用集成电路及应用》，主编：王志强、沙占友，机械工业出版社
本书详细介绍了电机驱动与控制专用集成电路的原理及应用，内容包括直流电机驱动与控制集成电路、步进电机驱动与控制集成电路、
无刷直流电机驱动与控制集成电路、交流电机驱动与控制集成电路等。
这些书籍涵盖了电机驱动的基础理论、控制技术和应用案例等方面的知识。
现代电机控制技术
（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
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
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
哈尔滨工业大学电磁驱动与控制研究所
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
《现代电机控制技术(第2版)》第2章 三相感应电动机矢量控制
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。
•21
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。
•9
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
电机现代控制技术
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
《电机现代控制技术》课程教学大纲(本科)
《电机现代控制技术》课程教学大纲课程编号：08128111课程名称：电机现代控制技术英文名称：Modern control technology of electric machine课程类型：专业课课程要求：选修学时/学分：32/2 （讲课学时：28 实验学时：2 上机学时：0）适用专业：自动化一、课程性质与任务1．课程性质：《电机现代控制技术》是自动化专业的专业课，是电机控制类课程的延伸和深入，是一门基础知识综合应用能力要求较高且专业性强的专业方向课程。
2．课程任务：开拓学生的视野，培养和提高学生综合应用基础知识以及学习、掌握新理论和新技术的能力。
交流感应电机和永磁同步电机的矢量控制是目前电气传动领域电机控制技术的核心关键技术，也是从事与电机控制相关课题研究必不可少的现代控制技术。
通过这门课程的学习，要使学生较为全面、系统、深入的掌握交流感应电机和永磁同步电机矢量控制技术的基本理论和实现方法；要培养学生对知识的系统理解和综合应用能力；同时还要让学生知道矢量控制和直接转矩控制等技术仍在不断完善和发展；要注重培养学生分析问题、解决问题的能力。
二、课程与其他课程的联系本课程是自动化专业大学本科四年级学生的专业选修课，是对《电工基础》、《电机学》、《电机与拖动》、《自动控制原理》、《电力电子技术》、《直流调速系统》等专业基础课和专业课程知识的综合应用和延伸。
三、课程教学目标课程学习的总体目标：不仅要使学生能够正确了解电机矢量控制的基本理论和实现方法，掌握矢量控制系统设置、调试和使用，还要使学生能够更加系统、深入的了解矢量控制技术的本质、核心关键技术和实现方案分析，为将来从事电机矢量控制系统的设计和产品开发打下坚实的理论基础。
1．通过本课程的学习，理解磁场能量以及机电能量转换的条件，掌握电磁转矩的生成和控制方法，进而更深入理解直流、交流电机的电磁转矩生成机理及电磁转矩数学模型。
学习新知识——定、转子的磁动势矢量、电流矢量、电压矢量及磁链矢量，掌握电磁转矩的矢量表达式以及电磁转矩的矢量控制基本原理，建立空间矢量和矢量控制的基本概念；达成毕业要求1.1，1.2，1.4 。
现代电机控制技术ppt课件
通入等效励磁电流if后，在气隙中产生的正 弦分布的励磁磁场与两个永磁体相同。
f Lmfif Lmf为等效励磁电感，如图3-
6b。
;
11
将永磁体磁场轴线定义为d轴，q轴顺着旋 转方向超前d轴90°。
另有
d dtψfejr
dψf ejr j dt
rψf
;
23
等式右边第一项是变压器电动势项，因ψf 为恒值，故为零；
第二项是运动电动势项，是因转子磁场旋 转产生的感应电动势，通常又称为反电动 势。
定子电压的矢量方程式
us RsisLs ddistjrψf
;
24
其等效电路如图3-8(p109)，图中，e0 jrψf 为感应电动势矢量。
Lm称为等效励磁电感
Lm Lf
对于内装式的有
Lmd Lmq
;
13
;
14
2 面装式三相永磁同步电动机的矢量 方程
定子磁链和电压矢量方程
三相绕组的电压方程
uA
RsiA
dA
dt
uB
RsiB
dB
dt
uC
RsiC
dC
dt
式中，ψA、ψB、ψC分别为A、B、C相绕 组的全磁链。
;
15
A LA LAB LACiA fA BLBA LB LBCiBfB C LCA LCB LC iC fC 式中，ψfA、ψfB、ψfC分别为永磁励磁磁 场链过A、B、C绕组产生的磁链。
;
38
定子磁场在dq轴方向上的分量分别为
d Ldid f
《现代电机控制技术》王成元
(1-8c)
图 1-1 中， 因为主磁通 mA 是穿过气隙后而闭合的， 它提供了 气隙磁通，所以又将 mA 称为励磁磁通。
12
现代电机控制技术
第1章 基础知识
定义线圈 A 的励磁磁链为
mA mA N A
由式(1-7)和式(1-9)，可得
(1-9)
mA
iA
N A N B Λδ
(1-31)
由式(1-29)和式(1-31)可知
LAB LBA N A N B Λδ
亦即线圈 A 和 B 的互感相等。 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 iA 或 iB 的正方向，或者改变其 中一个线圈的绕向，则两者的互感便成为负值。 值得注意的是，如果 NA=NB，则有 LmA= LmB= LAB= LBA，即两线 圈不仅励磁电感相等，且励磁电感又与互感相等。
lm
； Λδ 为气隙磁路
0 S
。
将式(1-8a)写为
δ Λmδ f A
式中， Λmδ
Λm Λδ Λm Λδ
(1-8b)
1 Rmδ
11
， Λmδ 为串联磁路的总磁导， Λmδ
。
式(1-8b)为磁路欧姆定律的另一种表达形式。
现代电机控制技术
第1章 基础知识
式(1-7)表明，作用在磁路上的总磁动势恒等于闭合磁路内各 段磁压降之和。 对图 1-1 所示的磁路而言，尽管铁心磁路长度比气隙磁路长 得多，但由于 Fe 0 ，气隙磁路磁阻还是要远大于铁心磁路的 磁阻。对于这个具有气隙的串联磁路，总磁阻将取决于气隙磁路 的磁阻，磁动势大部分将降落在气隙磁路中。 在很多情况下，为了问题分析的简化，可将铁心磁路的磁阻 忽略不计，此时磁动势 f A 与气隙磁路磁压降相等，即有
有现代电机控制技术王成元课后答案
第二章1.为什么直流发电机电枢绕组元件的电势是交变电势而电刷电势是直流电势?P252.如果图2-1中的电枢反时针方向旋转，试问元件电势的方向和A 、B 电刷的极性如何?P73.为了获得最大的直流电势，电刷应放在什么位置?为什么端部对称的鼓形绕组(见图2-3)的电刷放在磁极轴线上?P9-104.为什么直流测速机的转速不得超过规定的最高转速?负载电阻不能小于给定值?P235.如果电刷通过换向器所连接的导体不在几何中性线上，而在偏离几何中性线α角的直线上，如图2-29所示，试综合应用所学的知识，分析在此情况下对测速机正、反转的输出特性的影响。
(提示：在图中作一辅助线。
)正反向特性不一致。
6.具有16个槽，16个换向片的两极直流发电机结构如图2-30所示。
(1)试画出其绕组的完整连接图；(2)试画出图示时刻绕组的等值电路图；(3)若电枢沿顺时针方向旋转，试在上两图中标出感应电势方向和电刷极性；(4)如果电刷不是位于磁极轴线上，例如顺时针方向移动一个换向片的距离，会出现什么问题?第三章1.直流电动机的电磁转矩和电枢电流由什么决定?答直流电动机的电枢电流不仅取决于外加电压和本身的内阻，而且还取决于与转速成正比的反电势（当Ø=常数时）根据转矩平衡方程式，当负载转矩不变时，电磁转矩不变；加上励磁电流If 不变，磁通Φ不变，所以电枢电流Ia 也不变，直流电动机的电磁转矩和电枢电流由直流电动机的总阻转矩决定。
2.如果用直流发电机作为直流电动机的负载来测定电动机的特性(见图3-33)，就会发现，当其他条件不变，而只是减小发电机负载电阻RL 时，电动机的转速就下降。
试问这是什么原因?3.一台他励直流电动机，如果励磁电流和被拖动的负载转矩都不变，而仅仅提高电枢端电压，试问电枢电流、转速变化怎样?答：最终电枢电流不变，转速升高4.已知一台直流电动机，其电枢额定电压Ua =110V ，额定运行时的电枢电流Ia =0.4A ，转速n =3600r/m in ,它的电枢电阻Ra =50Ω，空载阻转矩T 0=15m N ·m 。