電機現(xiàn)代控制技術(shù)

1、1.教學(xué)參考書： 現(xiàn)代電機控制技術(shù)現(xiàn)代電機控制技術(shù)王成元，機工出版社 2009 電機現(xiàn)代控制技術(shù)電機現(xiàn)代控制技術(shù)王成元，機工出版社 2008 矢量控制交流伺服驅(qū)動電動機矢量控制交流伺服驅(qū)動電動機 王成元，機工出版社 2002 電機學(xué)電機學(xué)辜承林 ，華中理工大學(xué)出版社，2006 111144. 4NmkNfEU111144. 4NmkNfEUaTMICT22cosICTMem1971年，德國學(xué)者F.Blaschke提出了交流電動機矢量變換控制 qdemIIT速度轉(zhuǎn)矩計算2/3變換逆變器電機+3/2變換解耦給定反饋矢量控制的不足：為解決矢量控制的磁場定向與坐標(biāo)變換，需要準(zhǔn)確地檢測或運算出轉(zhuǎn)子磁通矢

2、量的位置和幅值，才能實現(xiàn)對磁場和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。 圖：矢量控制簡化框圖 旋轉(zhuǎn)變壓器；光電編碼器；測速發(fā)電機；磁性編碼器德國魯爾大學(xué)的Depenbrock（85年）教授首次提出的異步電機直接自控制理論日本學(xué)者I. Takahashi（87年）又提出了異步電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法 優(yōu)點：省掉了矢量控制的坐標(biāo)變換和為解耦而進(jìn)行的數(shù)學(xué)模型處理。直接取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，就能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，是一種具有高動態(tài)性能的新型交流伺服驅(qū)動方式。主要不足：轉(zhuǎn)矩脈動圖：直接轉(zhuǎn)矩控制簡化框圖mA 0 AmdiWA 0 mAmdiiWmAAmmiWWmechmeW

3、WWddd),(),(rBAmmrBAmmiiWWWWrrmBBmAAmmddddWWWWrrmBBAArrmBBmAAmmddd ddddWiiWiiWiiWWBBAAmeddddiiWWremmechmedddddtWWWWrrmrrmBBAABBAAmered )ddd()dd( dddWWiiiiWWtrrBAme),(WtmBBAAmBBAABBAAmered)dd( )(d)dd( dddWiiWiiiiWWtrrBAme),(iiWtBBAA 0 0 0 BA 0 BAmm ddddAABBiiiiiiWWii 2121BBAAmmiiWW2BBBAAB2AAmm21)(21iL

4、iirLiLWWrABBArrABBAesin)(MiiLiitBrABAA)(iLiLAArABBB)(iLiLBdd)(dd)(dd )(dd ddrrrABBBrABAABrABAAAAtLitiLtiLiLiLttedd)(dd)(dd )(dddrrrABArABBBArABBBBBtLitiLtiLiLiLdtteA rrrABBABAABBAAed)(2ddd)(dLiiiiiLiLdiiLiLdididiteieiWBArABBBBBrABAAABBAArrrABBAremechd)(ddLiitWrrrABBABBAAmechemd)(dddddLiiiiWWWrrrABBA

5、remechd)(ddLiitWrmAmBmBrABmBmBrABmBmBesin1sin)(1sin)(1LiLiLLiMiLLtmAAB圖2-4兩極直流電機 主磁極基波磁場軸線為d 軸，將d軸旋轉(zhuǎn)90為q軸;電樞繞組產(chǎn)生的基波磁場軸線與q軸一致。繞組旋轉(zhuǎn)，磁場軸線固定旋轉(zhuǎn)繞組稱為換向器繞組。 在直流電機動態(tài)分析中，常將這種換向器繞組等效為一個“偽靜止線圈” 圖2-5 偽靜止線圈 “偽靜止線圈”與換向器繞組從機電能量轉(zhuǎn)換角度看是等效的。 對實際的換向器繞組而言，當(dāng)q軸磁場變化時會在電樞繞組內(nèi)感生變壓器電動勢，同時它又在旋轉(zhuǎn)，還會在d軸勵磁磁場作用下，產(chǎn)生運動電動勢。 這種實際旋轉(zhuǎn)而在空間產(chǎn)生

6、的磁場卻靜止不動的線圈稱之為偽靜止線圈，它完全反映了換向器繞組的特性，可以由其等效和代替實際的換向器繞組。圖2-6 直流電機的等效模型d軸為勵磁繞組軸線.q軸為換向器繞組軸線，即“偽靜止線圈”，其軸線在空間固定不動.當(dāng)q軸磁場變化時會在線圈內(nèi)感生變壓器電動勢.q軸線圈又是旋轉(zhuǎn)的，會在d軸勵磁磁場作用下產(chǎn)生運動電動勢.mfafrABBAesinLiiMiitafeit圖2.2 機電裝置圖2.7 三相隱極同步電動機結(jié)構(gòu) 定子繞組A改造為三相對稱繞組A-X、B-Y和C-Z；繞組B改造為嵌入轉(zhuǎn)子槽中的分布繞組 兩個磁場軸線間的電角度為，大小決定于定子旋轉(zhuǎn)磁場速度s和轉(zhuǎn)子速度r。產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩 si

7、nsinsfmfseiLiit圖2.9 三相凸極同步電機結(jié)構(gòu) 圖2.10 三相凸極同步電機等效模型總電磁轉(zhuǎn)矩為 2sin)(21sin2sqdmfseiLLLi it圖2.11 三相感應(yīng)電動機的結(jié)構(gòu)圖 圖2.12 三相感應(yīng)電動機的等效物理模型srmrsesinLiit附圖 電動機及其負(fù)載 圖3-1 三相感應(yīng)電動機軸向斷面與空間復(fù)平面空間復(fù)平面上，空間矢量 jeRr還可表示為 sinjcosRRr或直角坐標(biāo)系中bajr圖3-2 A相繞組產(chǎn)生的磁場)(21AstiNF在氣隙圓周上的分布 基波磁動勢的幅值 )(214)(ASAtiNtFAf)(AAtFf120jBB)( etFf240jCC)( e

8、tFf基波分量的幅值 )(214)(As1SAtikNtF)(214)(Bs1SBtikNtF)(214)(Cs1SCtikNtF通過控制三相電流(時間變量)控制三相繞組的基波磁動勢(空間矢量)這為實現(xiàn)矢量控制奠定了基礎(chǔ))()()( e )(e )()( C2BA240jC120jBACBAstFataFtFtFtFtFffff0a2aSf的運動軌跡決定于 、 、 的變化規(guī)律. )(Ati)(Bti)(Cti圖3-4 定子合成磁動勢矢量fs及其運動軌跡在正弦穩(wěn)態(tài)下，定子三相電流瞬時值 )cos(2)(1ssAtIti)120cos(2)(1ssBtIti)240cos(2)(1ssCtIti)

9、cos( )cos(2214)(111s1sAAtFtIkNtFsssf則磁動勢j1201s1Be )120cos(tFfj2401s1Ce )240cos(tFf用空間矢量表示合成磁動勢則有 )j(1s1s23teFf)()()(214C2BA1sstiataitikNsf動態(tài)情況下，控制定子三相電流可以控制磁動勢運動軌跡或反之rjc2bare)()()(tFataFtFf圖3-5 轉(zhuǎn)子三相繞組軸線構(gòu)成的abc軸系 )(214)(r1ratikNtFa)(214)(br1rbtikNtF)(214)(cr1rctikNtF正弦穩(wěn)態(tài)下，轉(zhuǎn)子三相電流瞬時值 )cos(2)(2fratIti)12

10、0cos(2)(2frbtIti)240cos(2)(2frctIti轉(zhuǎn)子三相合成磁動勢 )( j2)( j2r2s2fre23e23tttFFf)()()(c2baabcrtFataFtFf)j(2abcr2fe23tFfabcrfrf是由轉(zhuǎn)子觀測到的，它相對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為轉(zhuǎn)差頻率f 是從定子觀測到的，它相對定子的旋轉(zhuǎn)角速度為s。rjabcrreff 關(guān)系式：圖3-6 定、轉(zhuǎn)子電流矢量與單軸線圈三相合成磁動勢矢量sf 與單軸線圈產(chǎn)生的磁動勢矢量相同 sf)(21423214C2BAs1sss1ssiaaiikNkNif)(32C2BAsiaaiii定義定子電流空間矢量 rjc2bare

11、)(32iaaiii)(32c2bariai aii轉(zhuǎn)子實際電流 等效的靜止轉(zhuǎn)子中的電流，也就是經(jīng)轉(zhuǎn)子頻率歸算后的電流.定、轉(zhuǎn)子三相繞組等效為旋轉(zhuǎn)的單軸線圈；產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相同；相當(dāng)于用兩個旋轉(zhuǎn)的定、轉(zhuǎn)子單軸線圈分別代替了定、轉(zhuǎn)子三相繞組。 )( jss1se3tIi)( jrr2se3tIi)(32C2BAsuaauuu三相繞組由逆變器供電 VT1、VT2、VT6閉合時的電路電壓矢量us1的構(gòu)成圖3-7 定子電壓矢量)(32C2BAsaarjc2bare )(32aagsrsmsss)(iiiLLgrrsmrrr)(iiiLLrgsgrsmg)(ii LcbaCBAccbcacCcBcAbc

12、bbabCbBbAacabaaCaBaACcCbCaCCBCAcBBbBaBCBBAAcAbAaACABAcbaCBA iiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL三相感應(yīng)電動機自感、互感磁鏈 圖3-8 感應(yīng)電機的物理模型 以不同空間矢量表示的電磁轉(zhuǎn)矩方程 rsgrrmsme)(iiiipLLptrgsgme1Lptssgssmrmsrme)(iiiiiipLLppLtsggme1 Lptsssrmsssrme)(iiiiiipLLppLtrrrrrsmrsme)(iiiiiipLLppLt332211iuiuiuK K* *k ku ui i33221

13、1iuiuiu k k* * k ku ui ik kC C k kk k* *k k * *k k k kk k* * k kk kk k* *k ku uC CC Ci iu uC C) )i iC Cu ui i (232123210132/ABC/ABCC C)120sin()120sin(sin)120cos()120cos(cos320000A AB BC C/ /d dq qC Cdq旋轉(zhuǎn)到靜止三相坐標(biāo)系A(chǔ)BC有 )120sin()120cos()120sin()120cos(sincos320000d dq q/ /A AB BC CC C（3）靜止兩相/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換 co

14、ssinsincos/ /M MT TC CcossinsincosM MT T/ /C C圖圖4-1 三相感應(yīng)電動機物理模型三相感應(yīng)電動機物理模型tiRuddAAsAtiRuddBBsBtiRuddCCsC定子電壓矢量方程tRddssssiutiRuddaaratiRuddbbrbtiRuddccrc轉(zhuǎn)子電壓矢量方程tRddabcrabcrrabcriuABC軸系表示的轉(zhuǎn)子電壓矢量方程 rrrrrrjddiutR jeddssjssssiutRs jeddssjssssiutRs jeddssjssssiutRsrrsjrrr)j(edd 0 ritRrsjrrrjedd1 0 ritssR

15、 jsssssiuRrsrrj 0 isRsiMiTi圖圖4-3 靜止靜止ABC軸系與靜止軸系與靜止DQ軸系軸系CBAQD232321210132iiiiiABC軸系到(DQ)軸系的等效變換，僅是一種相數(shù)的變換 )in(3)cos(31sS1sSQDtsItIiis1s11N 2323IKpFFN)in(3)cos(31sS1sSQDtsItIii)in(3)cos(31sS1sSQDtsItIii)in(3)cos(31sS1sSQDtsItIii)(cos 21sAtIis)(cos 21sAtIis)120(cos2o1sBtIis)402(cos 2o1sCtIis)402(cos 2

16、o1sCtIiss1ss1ss1s11N 2323N23 22N 22IKpIKpIKpFFNNNQDMMMMTMcossinsincosiiii)sin(3),cos(31Q1DtIitIisSsS)in(3)cos(301s01sTMsIIii即通過DQ軸系到任意同步旋轉(zhuǎn)MT軸系的變換，已將定子二相繞組中的對稱正弦電流變換為了MT軸系定子二相繞組中的恒定直流。靜止ABC軸系靜止DQ軸系，“相數(shù)變換”；靜止（DQ）軸系同步旋轉(zhuǎn)MT軸系，“頻率變換”；三相感應(yīng)電動機變換為了等效的直流電動機。 圖4-4 靜止DQ軸系與任意同步旋轉(zhuǎn)MT軸系 圖4-5 MT旋轉(zhuǎn)軸系的磁場定向圖4-6 定子MT軸系換

17、向器繞組mmMsMiLiLtmTsTiLiLtmTsTiLiLmrMmmiLiL0trTmtiLiLtmTMrrfmfrrmmmsssssmsmssssTM00000iiiiRLLpLRpLpLLpLRLLpLLpLRuuMssMsMssMsjiupRMrfMrMrrj0ipR0Msp0Mrp)(jMrmMsssMssMsiiiuLLR)(j0MrrMsmfMrriiiLLRMrmrMsr2msMsr2mssMssMsjjiiiiuLLLLLLLRMrmrMsmfMrrj0iiiLLLRMr2msMsr2mssMssMsj)(jiLLLLLRiiuMr2msMrmrr2rmj0iLLLLsRL

18、Li用等效電路表示上式：用等效電路表示上式： 0mifrmrT)(LTLRLRLLiLLimfrrrfrrmrtmrmrrrrmM)1 ()1 (1ipTpTLiTrrmeiLLpiLLpipttmrmtmTMr2meiiLLpt MTrf1iiT )(DssDmrdipLRupLL)(QssQmrqipLRupLLFig. 電壓電壓-電流模型電流模型（注：此處（注：此處dq即是靜止即是靜止軸系）軸系）2q2drrdMarccos（低速時不適合使用電壓-電流模型） )(11qrrDmrdTiLpT)(11drrQmrqTiLpTFig. ABC軸系下的電流-轉(zhuǎn)速模型（電流-轉(zhuǎn)速模型適合于低速情

19、況 ）磁場定向MT軸系表示的轉(zhuǎn)子電壓矢量方程 MrfMrMrrjdd0itRa) 定子三相電流和轉(zhuǎn)速的實測值作為輸入 b) 定子三相電流和轉(zhuǎn)子位置的實測值作為輸入 Fig. 由由MT軸系給出的電流軸系給出的電流-轉(zhuǎn)速模型轉(zhuǎn)速模型Fig. 由電壓源逆變器饋電和直接磁場定向的伺服系統(tǒng)Fig. 由電流可控電壓源逆變器饋電和直接磁場定向的伺服系統(tǒng) *mri*Mi*mri*Mi*et*et*mr*e2mr*T1itLLPi *T*Mrr*mr*Tr*f)1(11iipTTiiT2*T2*M*siii*Mi*Ti*f*si和給定后，也就惟一確定了和 當(dāng)這就是通過轉(zhuǎn)差頻率控制實現(xiàn)間接磁場定向的基本原理。所以

20、，常將這種間接磁場定向方式稱為轉(zhuǎn)差頻率法。Fig. 由電壓源逆變器饋電和間接磁場定向的伺服系統(tǒng)Fig. 由電流可控電壓源逆變器饋電和間接磁場定向的伺服系統(tǒng)a) 直角坐標(biāo) b) 極坐標(biāo)CBAiiiii)34sin()32sin(sin)34cos()32cos(cos32MMMMMMTMFig. 3/2矢量變換模塊矢量變換模塊TMMMMMMM)34sin()34cos()32sin()32cos(sincos32iiiiiCBAFig. 2/3矢量變換模塊矢量變換模塊圖圖1 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線 圖圖2 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線 圖圖3 相電流曲線相電流曲線 圖圖4 線電壓曲線線電壓曲線圖5

21、-1 面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 圖5-2 插入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 圖5-3 內(nèi)裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu) 相當(dāng)于電勵磁隱極同步電機 相當(dāng)于電勵磁凸極同步電機 相當(dāng)于電勵磁凸極同步電機圖圖5-4 二極面裝式二極面裝式PMSM結(jié)構(gòu)簡圖結(jié)構(gòu)簡圖 圖圖5-5 二極插入式二極插入式PMSM結(jié)構(gòu)簡圖結(jié)構(gòu)簡圖 電勵磁電機交軸（q）氣隙大，磁導(dǎo)小，交軸電抗小. qdxx 永磁電機直軸（d）氣隙大，磁導(dǎo)小，直軸電抗小 qdxx 對于內(nèi)裝式和插入式對于內(nèi)裝式和插入式PMSM，因直軸氣隙大、磁路的磁導(dǎo)要小于交軸磁路的磁導(dǎo)，因直軸氣隙大、磁路的磁導(dǎo)要小于交軸磁路的磁導(dǎo). 面裝式面裝式PMSM，dq氣隙相等，交直軸電抗相等氣隙相等，交直軸電抗相等.

22、圖圖5-6）a. 轉(zhuǎn)子等效勵磁繞組轉(zhuǎn)子等效勵磁繞組 圖圖5-6）b. 物理模型物理模型圖5-6b相當(dāng)于將面裝式PMSM等效為了一臺電勵磁三相隱極同步電動機，惟一的差別是電勵磁同步電動機的轉(zhuǎn)子勵磁磁場可以調(diào)節(jié)，而面裝式PMSM的永磁勵磁磁場不可調(diào)節(jié) 圖圖5-7a) 插入式轉(zhuǎn)子等效勵磁繞組插入式轉(zhuǎn)子等效勵磁繞組 圖圖5-7b) 插入式插入式PMSM物理模型物理模型32fCfBfACBAmsCBA)(iiiLL上式兩端同乘系數(shù) 以及（1 a ）得定子磁鏈?zhǔn)噶糠匠?fsssi L2a)(32)(32)(32fC2fBfAfC2BAsC2BAsaaaaiaaiiittLRssddddfsssiiu定子電

23、壓矢量方程 定子電流、磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量 frssssjddiiutLRs定子電壓相量方程 )(1 sinsmfmsfsfeiiLLppipt1）電磁轉(zhuǎn)矩可看成是由電樞反應(yīng)磁場與永磁勵磁磁場相互 作用的結(jié)果；2）大小決定于兩個磁場的幅值和相對位置；3）由于永磁體磁鏈幅值恒定，因此電磁轉(zhuǎn)矩決定于電樞反應(yīng) 磁場的幅值和相對永磁體磁鏈的相位角；4）正是存在電樞反應(yīng)使氣隙磁場發(fā)生畸變，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。圖圖5-12 同步旋轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)dq軸系軸系qqrdddsdddiLtiLiRu)(ddfddrqqqsqiLtiLiRuqqfddqddqsjjiLiL5.1.3 插入式三相永磁同步電動機矢量方程插

24、入式三相永磁同步電動機矢量方程 圖圖5-12 同步旋轉(zhuǎn)同步旋轉(zhuǎn)dq軸系軸系2. 電磁轉(zhuǎn)矩方程)(qdqdqfeiiLLipt電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程一般表達(dá)式電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程一般表達(dá)式 ssei pt面裝式面裝式PMSM電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程表達(dá)式電磁轉(zhuǎn)矩矢量方程表達(dá)式 sfei ptffqfsfsfe sinippipti面裝式面裝式PMSM弱磁控制弱磁控制(id0)CBArrrrrrCBArrrrqd)34sin()32sin(sin)34cos()32cos(cos32 2323212101cossinsincos32iiiiiiiiqdrrrrrrCBA)34sin()34cos()32sin()32cos(sincos32iiiii由位置、速度和轉(zhuǎn)矩控制環(huán)構(gòu)成的串級控制結(jié)構(gòu) 圖5-24 可獲得最大轉(zhuǎn)矩/電流比的定子電流矢量軌跡dnqnen1 iit 永磁同步電動機控制系統(tǒng)的仿真模型的整體設(shè)計框圖永磁同步電動機控制系統(tǒng)的仿真模型的整體設(shè)計框圖srrsrsmrsrsrsmsrrsmesin )sin( LLLpLLLpLLLpt 電磁轉(zhuǎn)矩決定于 和 的矢