电机现代控制技术
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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
优点1：高精度 优点2：高速和高加（减）速度 优点3：高动态响应 优点4：高机械刚度和可靠性
不足：负载扰动；发热；隔磁.
二 . 不断发展的各种控制策略
自适应控制 （model reference adaptive control ） 滑模变结构控制（sliding mode control, SMC） 最优控制系统（optimal control ） H ∞控制 模糊控制 （Fuzzy control） 人工神经网络（Artificial Neural Networks, ANN） 遗传算法GA(Genetic Algorithm) 专家控制系统（expert contol system）
m
mA
0
A
2. 磁共能：以电流为自变量积分，则有 3. 二者关系如图所示
mAdi Wm
0
iA
4.磁能和磁共能之和
iA mA Wm Wm
5. 能量守恒
*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：
当转子磁场轴线与励磁场轴线一致或相反(或)时，电磁转矩 为零。 只有在转子磁场作用下，使气隙磁场轴线发生偏移时，才会 产生电磁转矩。 气隙磁场的“畸变”是转矩生成的必要条件。 转子在运动中将电能转化为机械能。
电磁转矩作用的方向为力求减小和消除气隙磁场的畸变的方 向。
2. 直流电机的电磁转矩与等效模型
旋转变压器；光电编码器；测速发电机；磁性编码器
3. 直接转矩控制技术 （Direct Torque Control）
德国鲁尔大学的Depenbrock（85年）教授首次提出的异步电机直接自控制理论
日本学者I. Takahashi（87年）又提出了异步电机直接转矩控制方法
优点： 省掉了矢量控制的坐标变换和为解耦而进行的数学模型处理。 直接取决于转矩的实际状况，就能够实现调速控制。 系统结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩 响应迅速，是一种具有高动态性能的新型交流伺服驱动方式。
dWe dWm dWmech dWm tedr 转子旋转时：
t e d r dWe dW m W m (i A d A i B d B ) (i A d A i B d B d r ) r W m d r r
Wm ( A , B , r ) te r
与此同时，转子在耦合场中运动将产生电磁转矩， 运动电动势和电磁转矩构成了一对机电耦合项，是 机电能量转换的核心部分。 即产生电磁转矩必须存在运动电动势；存在运动电 动势才能产生电磁转矩。 电机作为一种机电装置，正是运动电动势和电磁转 矩构成了一对机电耦合项。
二、 电机的电磁转矩
1. 电磁转矩生成 将公式 dW t d
电机现代控制技术
1.教学参考书：
《现代电机控制技术》王成元，机工出版社 2009 《电机现代控制技术》王成元，机工出版社 2008 《矢量控制交流伺服驱动电动机》 王成元，机工出版社 2002 《电机学》辜承林 ，华中理工大学出版社，2006
2. 教学对象： 电机专业方向（电气工程及其自动化专业） 3. 课程性质：专业选修课. 4. 主要内容： 电机矢量控制技术与直接转矩控制技术. 5.学时分配：28学时理论教学.
主要不足：转矩脉动
图：直接转矩控制简化框图
图 6-6 滞环比较控制
直接转矩控制技术应用在永磁同步电机上 的研究滞后将近十年。
大约在97年，国内展开DTC相关研究。 目前，多以理论研究为主，没有形成批量 产品。
直接驱动技术
直接驱动(Diret Drive， DD)方式在电气传动中早已有之， 例如磁悬浮列车等，但在 高性能机电一体化装置中，采用 直接驱动的传动方式还是近十几年的事情。 典型的应用是数控机床、机器人和工业自动化生产线。 以数控机床为例，基本传动方式“旋转电机+滚珠丝杠”。 受精 度和动态性能两个方面制约。 直接驱动（零传动）能够适应和具有满足这种要求的能力，
因此dt内磁能变化：由绕组A和B中变压器电动势 从电源所吸收的全部电能，和运动电动势从电源 所吸收电能的二分之一；
由运动电动势吸收的另外二分之一电能则成为转 换功率，这部分功率由电能转换为了机械功率。
由此可见：
产生感应电动势是耦合场从电源吸收电能的必要条 件；
产生运动电动势是通过耦合场实现机电能量转换的 关键。
Tem I d I q
交流电动机
借助于坐标变换数学方法，磁通分量和转矩分量解耦，仿 照直流电动机的控制，就是异步电动机矢量控制的基本思 想. 1971年，德国学者F.Blaschke提出了交流电动机矢量变换控制
给定
+ 反馈
速度 转矩计算
2/3变换
逆变器
电机
解耦
3/2变换
图：矢量控制简化框图
矢量控制的不足： 为解决矢量控制的磁场定向与坐标变换，需要准确地检测或 运算出转子磁通矢量的位置和幅值，才能实现对磁场和转矩 的解耦控制。
在dt时间内由磁场储能转换的机械能为：
LAB ( r ) dW mech t e d r i A i B d r r
在dt时间内耦合磁场吸收的总能量为：
LAB ( r ) dWm dWe dWmech A diA B diB iA iB d r r
iA A iB B
A
B
iA
iB
磁路为线性（或忽略磁阻影响），则有
1 1 Wm Wm iA A iB B 2 2
Wm Wm
1 1 2 2 LA iA LAB (r )iA iB LBiB 2 2
代入求取电磁转矩
LAB ( r ) t e iA iB i A i B M AB sin r r
d B d eB [ LBiB LAB ( r )iA ] dt dt diB di A LAB ( r ) d r [ LB LAB ( r ) iA ] dt dt r dt
第一项和第二项是当θr =常值，即绕组A和B相 对静止时，由电流变化所引起的感应电动势， 称为变压器电动势. 第三项是因转子运动使绕组A和B相对位置发生 位移(θr变化)而引起的感应电动势，称为运动电 动势.
在dt时间内，由电源输入绕组A和B的净电能为：
dWe (iA eA iBeB )dt i Ad A iB d B LAB ( r ) A diA BdiB 2iAiB d r r i Ad LAi A LAB r iB iB d LB iB LAB r i A
公式表明: 1. 当转子因微小角位移引起系统磁能变化时，转子 上将受到电磁转矩作用. 2. 电磁转矩方向应为在恒磁链下倾使系统磁能减小 的方向。
用磁共能表示：
t e d r dWe dWm ) (iA d A iB d B ) d(iA A iB B Wm ( A diA B diB ) dWm
电机现代控制技术
1. 矢量控制技术 2. 直接转矩控制技术 3. 无传感器控制技术 4. 直接驱动技术 5. 控制策略及智能控制
第二章 机电能量转换与电机的电磁转矩
一. 电机中机电能量转换 1. 磁能（磁场储能）：线圈通电励磁，磁通从0增长，磁链 由0增长，磁场产生的总能量 W i d
te f ia
公式表明，当励磁电流if为恒定时，电磁转矩大小仅 与转子电流ia成正比; 若控制主极磁场不变，电磁转矩便仅与转子电流有关. 从机电能量转换角度看：转子绕组产生运动电动势， 转子绕组吸收电能，将电能转换为机械能. 转子成为能量转换的“中枢”，所以通常又将转子称 为电枢.
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
6. 机电装置 磁场轴线S 转子绕组轴线 r 7. 电机中的机电能量转换 磁能与磁共能 Wm Wm ( A , B , r ) Wm (iA , iB , r ) Wm 磁能变化
dWm Wm Wm Wm d A d B d r A B r
磁共能变化
dWm
Wm Wm Wm diA diB d r iA iB r Wm A diA B diB d r r
转子静止不动时： dWe dWm iA d A iB d B
一. 电机控制技术
1. 恒压频比控制
思路 :
U1 E1 4.44 f1 Nm k N1
优点：调节V/F的比值，磁通恒定，开环控制，简单. 易于实现, 控制 成本低. 缺点：控制精度也低. 动态性能较差.
2. 矢量控制技术 vector control
直流电动机
TM CT I a
Tem CM I 2 cos 2
mech e
r
LAB ( r ) iA iB d r r
改写
te
1 1 1 ( LmBiB )(M ABiA ) sin r ( LmBiB )(LmA iA ) sin r mB mA sin r LmB LmB LmB
电磁转矩就是定子励磁磁场和转子磁场 相互作用的结果。 转子磁场对气隙磁场的影响，决定了电 磁转矩的生成和机电能量转换过程。
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 f1 Nm 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; Servo control
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
优点1：高精度 优点2：高速和高加（减）速度 优点3：高动态响应 优点4：高机械刚度和可靠性
不足：负载扰动；发热；隔磁.
二 . 不断发展的各种控制策略
自适应控制 （model reference adaptive control ） 滑模变结构控制（sliding mode control, SMC） 最优控制系统（optimal control ） H ∞控制 模糊控制 （Fuzzy control） 人工神经网络（Artificial Neural Networks, ANN） 遗传算法GA(Genetic Algorithm) 专家控制系统（expert contol system）
m
mA
0
A
2. 磁共能：以电流为自变量积分，则有 3. 二者关系如图所示
mAdi Wm
0
iA
4.磁能和磁共能之和
iA mA Wm Wm
5. 能量守恒
*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：
当转子磁场轴线与励磁场轴线一致或相反(或)时，电磁转矩 为零。 只有在转子磁场作用下，使气隙磁场轴线发生偏移时，才会 产生电磁转矩。 气隙磁场的“畸变”是转矩生成的必要条件。 转子在运动中将电能转化为机械能。
电磁转矩作用的方向为力求减小和消除气隙磁场的畸变的方 向。
2. 直流电机的电磁转矩与等效模型
旋转变压器；光电编码器；测速发电机；磁性编码器
3. 直接转矩控制技术 （Direct Torque Control）
德国鲁尔大学的Depenbrock（85年）教授首次提出的异步电机直接自控制理论
日本学者I. Takahashi（87年）又提出了异步电机直接转矩控制方法
优点： 省掉了矢量控制的坐标变换和为解耦而进行的数学模型处理。 直接取决于转矩的实际状况，就能够实现调速控制。 系统结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩 响应迅速，是一种具有高动态性能的新型交流伺服驱动方式。
dWe dWm dWmech dWm tedr 转子旋转时：
t e d r dWe dW m W m (i A d A i B d B ) (i A d A i B d B d r ) r W m d r r
Wm ( A , B , r ) te r
与此同时，转子在耦合场中运动将产生电磁转矩， 运动电动势和电磁转矩构成了一对机电耦合项，是 机电能量转换的核心部分。 即产生电磁转矩必须存在运动电动势；存在运动电 动势才能产生电磁转矩。 电机作为一种机电装置，正是运动电动势和电磁转 矩构成了一对机电耦合项。
二、 电机的电磁转矩
1. 电磁转矩生成 将公式 dW t d
电机现代控制技术
1.教学参考书：
《现代电机控制技术》王成元，机工出版社 2009 《电机现代控制技术》王成元，机工出版社 2008 《矢量控制交流伺服驱动电动机》 王成元，机工出版社 2002 《电机学》辜承林 ，华中理工大学出版社，2006
2. 教学对象： 电机专业方向（电气工程及其自动化专业） 3. 课程性质：专业选修课. 4. 主要内容： 电机矢量控制技术与直接转矩控制技术. 5.学时分配：28学时理论教学.
主要不足：转矩脉动
图：直接转矩控制简化框图
图 6-6 滞环比较控制
直接转矩控制技术应用在永磁同步电机上 的研究滞后将近十年。
大约在97年，国内展开DTC相关研究。 目前，多以理论研究为主，没有形成批量 产品。
直接驱动技术
直接驱动(Diret Drive， DD)方式在电气传动中早已有之， 例如磁悬浮列车等，但在 高性能机电一体化装置中，采用 直接驱动的传动方式还是近十几年的事情。 典型的应用是数控机床、机器人和工业自动化生产线。 以数控机床为例，基本传动方式“旋转电机+滚珠丝杠”。 受精 度和动态性能两个方面制约。 直接驱动（零传动）能够适应和具有满足这种要求的能力，
因此dt内磁能变化：由绕组A和B中变压器电动势 从电源所吸收的全部电能，和运动电动势从电源 所吸收电能的二分之一；
由运动电动势吸收的另外二分之一电能则成为转 换功率，这部分功率由电能转换为了机械功率。
由此可见：
产生感应电动势是耦合场从电源吸收电能的必要条 件；
产生运动电动势是通过耦合场实现机电能量转换的 关键。
Tem I d I q
交流电动机
借助于坐标变换数学方法，磁通分量和转矩分量解耦，仿 照直流电动机的控制，就是异步电动机矢量控制的基本思 想. 1971年，德国学者F.Blaschke提出了交流电动机矢量变换控制
给定
+ 反馈
速度 转矩计算
2/3变换
逆变器
电机
解耦
3/2变换
图：矢量控制简化框图
矢量控制的不足： 为解决矢量控制的磁场定向与坐标变换，需要准确地检测或 运算出转子磁通矢量的位置和幅值，才能实现对磁场和转矩 的解耦控制。
在dt时间内由磁场储能转换的机械能为：
LAB ( r ) dW mech t e d r i A i B d r r
在dt时间内耦合磁场吸收的总能量为：
LAB ( r ) dWm dWe dWmech A diA B diB iA iB d r r
iA A iB B
A
B
iA
iB
磁路为线性（或忽略磁阻影响），则有
1 1 Wm Wm iA A iB B 2 2
Wm Wm
1 1 2 2 LA iA LAB (r )iA iB LBiB 2 2
代入求取电磁转矩
LAB ( r ) t e iA iB i A i B M AB sin r r
d B d eB [ LBiB LAB ( r )iA ] dt dt diB di A LAB ( r ) d r [ LB LAB ( r ) iA ] dt dt r dt
第一项和第二项是当θr =常值，即绕组A和B相 对静止时，由电流变化所引起的感应电动势， 称为变压器电动势. 第三项是因转子运动使绕组A和B相对位置发生 位移(θr变化)而引起的感应电动势，称为运动电 动势.
在dt时间内，由电源输入绕组A和B的净电能为：
dWe (iA eA iBeB )dt i Ad A iB d B LAB ( r ) A diA BdiB 2iAiB d r r i Ad LAi A LAB r iB iB d LB iB LAB r i A
公式表明: 1. 当转子因微小角位移引起系统磁能变化时，转子 上将受到电磁转矩作用. 2. 电磁转矩方向应为在恒磁链下倾使系统磁能减小 的方向。
用磁共能表示：
t e d r dWe dWm ) (iA d A iB d B ) d(iA A iB B Wm ( A diA B diB ) dWm
电机现代控制技术
1. 矢量控制技术 2. 直接转矩控制技术 3. 无传感器控制技术 4. 直接驱动技术 5. 控制策略及智能控制
第二章 机电能量转换与电机的电磁转矩
一. 电机中机电能量转换 1. 磁能（磁场储能）：线圈通电励磁，磁通从0增长，磁链 由0增长，磁场产生的总能量 W i d
te f ia
公式表明，当励磁电流if为恒定时，电磁转矩大小仅 与转子电流ia成正比; 若控制主极磁场不变，电磁转矩便仅与转子电流有关. 从机电能量转换角度看：转子绕组产生运动电动势， 转子绕组吸收电能，将电能转换为机械能. 转子成为能量转换的“中枢”，所以通常又将转子称 为电枢.
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
6. 机电装置 磁场轴线S 转子绕组轴线 r 7. 电机中的机电能量转换 磁能与磁共能 Wm Wm ( A , B , r ) Wm (iA , iB , r ) Wm 磁能变化
dWm Wm Wm Wm d A d B d r A B r
磁共能变化
dWm
Wm Wm Wm diA diB d r iA iB r Wm A diA B diB d r r
转子静止不动时： dWe dWm iA d A iB d B
一. 电机控制技术
1. 恒压频比控制
思路 :
U1 E1 4.44 f1 Nm k N1
优点：调节V/F的比值，磁通恒定，开环控制，简单. 易于实现, 控制 成本低. 缺点：控制精度也低. 动态性能较差.
2. 矢量控制技术 vector control
直流电动机
TM CT I a
Tem CM I 2 cos 2
mech e
r
LAB ( r ) iA iB d r r
改写
te
1 1 1 ( LmBiB )(M ABiA ) sin r ( LmBiB )(LmA iA ) sin r mB mA sin r LmB LmB LmB
电磁转矩就是定子励磁磁场和转子磁场 相互作用的结果。 转子磁场对气隙磁场的影响，决定了电 磁转矩的生成和机电能量转换过程。
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 f1 Nm 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; Servo control