电机的控制理论与控制系统

电力电子与当代控制

PowerElectronicandModernControl中国科学院硕士院电机的控制理论与控制系统第1页第四章：电机控制理论和控制系统介绍直流电机控制异步电机控制

1、标量控制2、矢量控制：磁场定向控制和直接转矩控制电励磁和永磁同时电机控制

1、磁场定向控制2、直接转矩控制电机的控制理论与控制系统第2页介绍电机控制任务：采取电力电子装置，经过对电机系统机械特征控制，使电机按照预定方式或轨迹运行。电机控制类型：位置、速度和力矩控制；开环控制和闭环控制；标量和矢量控制。电机控制关键：电机电磁转矩控制电机机械方程：

电机控制系统性能好坏取决于电机电磁转矩控制。电机的控制理论与控制系统第3页直流电机控制及系统直流电机数学模型：能够组成直流电机控制系统为：电机的控制理论与控制系统第4页异步电机控制标量控制矢量控制1、磁场定向控制2、直接转矩控制电机的控制理论与控制系统第5页异步电机标量控制稳态时，鼠笼型异步电机电压方程为：鼠笼型异步电机电磁转矩为：鼠笼型异步电机稳态等效电路图

忽略定子电阻时，定子磁链等于电压与定子角频率之比。转子磁链等于转子电流与转子滑差频率之比负值。转子磁链超前转子电流90度。忽略定转子磁链时，定子磁链与转子磁链相等。所以，忽略时，鼠笼型异步电机稳态电磁转矩为：如控制订子磁链幅值恒定，则稳态电磁转矩与滑差频率成正比。电机的控制理论与控制系统第6页异步电机标量控制电机的控制理论与控制系统第7页异步电机矢量控制磁场定向控制1、磁场定向控制基本理论2、磁场定向控制实现3、磁场定向控制系统4、计算与仿真直接转矩控制1、直接转矩基本理论2、直接转矩控制实现3、直接转矩控制系统电机的控制理论与控制系统第8页异步电机磁场定向控制理论异步电机在同时旋转坐标系下电压和磁链方程为：电磁转矩：建立下述矢量：异步电机电压方程可表示为：转子磁链定子磁链气隙磁链鼠笼型异步电机稳态等效电路图

电机的控制理论与控制系统第9页转子磁场定向控制如右图所表示异步电机矢量图中，如将d轴与转子磁链方向一致，此时有：异步电机电压和磁链方程为：则有下述关系式成立：到达稳态时：可见：异步电机电磁转矩能够表示成两个电流id1和iq1乘积；调整id1值就可改变转子磁链大小，假如保持id1不变，调整iq1值就能够线性改变电机电磁转矩值；id1称之为电机励磁电流分量，iq1为力矩电流分量。转子磁场定向理论上最大转矩为无限大。电机的控制理论与控制系统第10页定子磁场定向控制异步电机电压和磁链方程为：如右图所表示异步电机矢量图中，如将d轴与定子磁链方向一致，此时有：则有下述关系式成立：可见：异步电机电磁转矩能够表示成电流iq1和定子磁链乘积，如保持定子磁链恒定，调整定子电流iq1能够线性调整电磁转矩；调整id1值就可改变定子磁链大小，但同时受iq1影响。电机的控制理论与控制系统第11页气隙磁场定向控制异步电机电压和磁链方程为：如右图所表示异步电机矢量图中，如将d轴与气隙磁链方向一致，此时有：则有下述关系式成立：可见：异步电机电磁转矩能够表示成电流iq1和气隙磁链乘积，如保持气隙磁链恒定，调整定子电流iq1能够线性调整电磁转矩；调整id1值就可改变气隙磁链大小，但同时受iq1影响。电机的控制理论与控制系统第12页磁场定向控制实现磁场定向控制关键在于获取定向磁链空间位置和大小，只有在定向轴线与定向磁链重合，且保持定向磁链幅值大小恒定，才能取得如直流电机一样解藕控制特征。按照获取定向磁链位置方式不一样，磁场定向控制有两种实现方法：1、直接法：直接检测或计算定向磁链空间位置和大小，又有：

A.测量法：在气隙中放置磁链检测装置直接测量定向磁链；

B.计算法：利用电机数学模型和参数，以及测量电压电流转速值直接计算出定向磁链空间位置和大小，依据结构不一样又有预计器和观察器两种。2、间接法：它是一个间接获取定向磁链位置一个方法。其基本原理是：见上图所表示转子磁场定向控制矢量图，d轴在空间上相对于定子A相轴线以同时角频率ω1逆时针旋转，转子a相轴线以相对于定子A相轴线以转子角频率ωr逆时针旋转。那么定向磁链位置角为：转子角频率ωr由转子位置传感器量测得到，而滑差角频率sω1可由电机数学模型计算得到，二者之和即为同时角频率ω1，积分可得定向磁链空间位置角θ1。电机的控制理论与控制系统第13页转子磁场定向控制系统（间接法）组成转子磁场定向控制系统（间接法）为：电机的控制理论与控制系统第14页异步电机转子磁场间接定向控制系统仿真仿真事例：1、给定角频率为314rad/s，空载开启到稳态后突加200Nm负载转矩；2、给定角频率为314rad/s，空载开启再将速度置为零。滑差角频率和转子磁连位置角计算电机的控制理论与控制系统第15页仿真事例1电机的控制理论与控制系统第16页仿真事例2电机的控制理论与控制系统第17页转子磁场定向控制系统（直接法）组成转子磁场定向控制系统（直接法）为：电机的控制理论与控制系统第18页定向磁链计算定向磁链计算能够分成两大类：开环计算（预计器Estimator）；电压模型、电流模型和混合模型闭环计算（观察器Observer）。状态观察器、滑模观察器、扩展卡尔曼滤波器等。定向磁磁链计算普通需要量测以下各量：定子电压和电流；转子位置或转速。电机的控制理论与控制系统第19页转子磁链计算—电压模型

反电势积分法又称U-I模型预计法，利用电机电压方程经过积分来取得转子磁链信息。从右式可见，该方法需要参数主是定子电阻和定转子漏感。含有实现方法简单和成本低优点，但仅适合用于高速场所。该方法存在以下缺点：低速时，反电势值和因为PWM及死区效应影响所引发噪声相比相当靠近，给测量带来了误差；电阻值随工作环境改变而随之改变，会引发误差；积分器含有误差积累、直流偏移和初始值问题。这三方面相互影响，最终会使计算磁链严重偏离实际值，也就失去了在低速领域应用可能性。在定子αβ坐标系下，异步电机电压和磁链方程分别为则有：电机的控制理论与控制系统第20页转子磁链计算—电流模型

电流法又称为I-ω模型预计法，它利用定子电流和转速经过计算取得转子磁链信息。该方法极力防止了积分器存在，从而消除了纯积分器影响，不过与此相正确是引入了更多参数：转速ωr和转子时间常数τ2。转子时间常数受温度和磁链饱和影响是很大，对该方法准确性产生了影响。方法一：在定子αβ坐标系下，异步电机电压和磁链方程分别为：则有：方法二：在转子αβ坐标系下，异步电机电压和磁链方程分别为：则有：电机的控制理论与控制系统第21页混合模型电流模型和电压模型开环观察器都含有结构简单、易于实现特点，是应用最广两种开环观察器，这两种开环观察器特征在很多方面能够互补，所以能够将它们联接起来使用以取得更加好计算结果。下列图为用Gopinath最小阶观察器理论设计转子磁链观察器。图中隐含磁链参考值是电流模型生成预计值，此闭环观察器能实现两个开环观察器之问自动平滑转换：低频时表现为电流模型特征，高频时为电压模型特征。校正步骤转子αβ下电流模型定子αβ下电压模型电机的控制理论与控制系统第22页异步电机转子磁场直接定向控制系统仿真仿真事例：1、给定角频率为314rad/s，空载开启到稳态后突加200Nm负载转矩；2、给定角频率为314rad/s，空载开启再将速度置为零。电压模型电流模型电机的控制理论与控制系统第23页仿真事例1电机的控制理论与控制系统第24页仿真事例2电机的控制理论与控制系统第25页异步电机直接转矩控制基本理论定子磁链和电磁转矩计算直接转矩控制系统电机的控制理论与控制系统第26页异步电机直接转矩控制基本理论输出电压空间矢量：V0V1V2V3V4V5V6V7Sa01010101Sb00110011Sc00001111两电平电压型逆变器电压矢量:8非零电压矢量:6(V1~V6)零电压矢量:2(V0,V7)电机的控制理论与控制系统第27页在定子αβ坐标系下，定义异步电机定子电流和磁链空间矢量为：异步电机直接转矩控制基本理论在一个采样周期内，定子磁链增量为：如左图所表示，在扇区I一个采样周期内，电压空间矢量:V1V2V6将造成定子磁链增加，V3V4V5使定子磁链减小；V2V3V4将引发电磁转矩增加，V1V5V6使电磁转矩减小。在其它扇区与这类似。可见经过选取不一样电压空间矢量可知直接控制异步电机定子磁链和电磁转矩，这就是异步电机直接转矩控制基本原理。扇区1扇区6扇区5扇区4扇区3扇区2假设在一个采样周期内，转子磁链未生改变，电磁转矩增量为：电机的控制理论与控制系统第28页异步电机直接转矩控制实现将增个空间分成六个扇区，定义ζ1,ζ为异步电机定子磁链和电磁转矩误差带宽。在扇区Ⅰ：1)当△ψs=1时,选取V2和V6增加定子磁链;2)当△ψs=-1时,选取V3和V5减小定子磁链;3)当△Tem=1时,选取V2和V3增加电磁转矩;4)当△Tem=-1时,选取V5和V6减小电磁转矩;5)当△Tem=0时,选取V0和V7使电磁转矩保持不变。其它扇区开关矢量选取见下表所表示：

ⅠⅡ