1、電力電子與現(xiàn)代控制Power Electronic and Modern Control中國(guó)科學(xué)院研究生院中國(guó)科學(xué)院研究生院第四章：電機(jī)的控制理論和控制系統(tǒng)第四章：電機(jī)的控制理論和控制系統(tǒng)n簡(jiǎn)介 n直流電機(jī)的控制n異步電機(jī)的控制n 1、標(biāo)量控制n 2、矢量控制：磁場(chǎng)定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制n電勵(lì)磁和永磁同步電機(jī)的控制n 1、磁場(chǎng)定向控制n 2、直接轉(zhuǎn)矩控制簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 電機(jī)控制的任務(wù)：采用電力電子裝置，通過(guò)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)電機(jī)控制的任務(wù)：采用電力電子裝置，通過(guò)對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性的控制，使電機(jī)按照預(yù)定的方式或軌跡運(yùn)行。械特性的控制，使電機(jī)按照預(yù)定的方式或軌跡運(yùn)行。 電機(jī)控制的類(lèi)型：位置、速度和力矩控制

2、；開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)電機(jī)控制的類(lèi)型：位置、速度和力矩控制；開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制；標(biāo)量和矢量控制?？刂?；標(biāo)量和矢量控制。 電機(jī)控制的關(guān)鍵：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制電機(jī)控制的關(guān)鍵：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制 電機(jī)的機(jī)械方程：電機(jī)的機(jī)械方程： 電機(jī)控制系統(tǒng)的性能的好壞取決于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。電機(jī)控制系統(tǒng)的性能的好壞取決于電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的控制。),(,0remrrrrrploademiufTdtBdtdnJTT直流電機(jī)的控制及系統(tǒng)直流電機(jī)的控制及系統(tǒng)n 直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型：直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型：n 可以構(gòu)成直流電機(jī)的控制可以構(gòu)成直流電機(jī)的控制系統(tǒng)為：系統(tǒng)為：JTiMiJTTdtdiMiTdtdiLiruMidtdiLiru

3、loadafdloademrafdemfdfdfdfdfdfdaaaaa異步電機(jī)的控制異步電機(jī)的控制n標(biāo)量控制n矢量控制n 1、磁場(chǎng)定向控制 n 2、直接轉(zhuǎn)矩控制異步電機(jī)的標(biāo)量控制異步電機(jī)的標(biāo)量控制2122111110jSirji ru穩(wěn)態(tài)時(shí)，鼠籠型異步電機(jī)的電壓方程為：鼠籠型異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：鼠籠型異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖鼠籠型異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖)(5 . 1)(5 . 1)(5 . 1)(5 . 121212212111112121qddqmpqddqpqddqpqddqmpemiiLLniiniiniiiiLnTp忽略定子電阻 時(shí)，定子磁鏈 等于電壓 與定子角頻率 之比。p轉(zhuǎn)子磁鏈

4、 等于轉(zhuǎn)子電流 與轉(zhuǎn)子滑差頻率 之比的負(fù)值。p轉(zhuǎn)子磁鏈超前轉(zhuǎn)子電流90度。p忽略定轉(zhuǎn)子磁鏈 時(shí)，定子磁鏈與轉(zhuǎn)子磁鏈相等。1rllLL21,1121S1U1i所以，忽略 時(shí)，鼠籠型異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩為：llLLr211,12121S5 . 15 . 1ppemninT如控制定子磁鏈的幅值恒定，則穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩與滑差頻率成正比。異步電機(jī)的標(biāo)量控制異步電機(jī)的標(biāo)量控制異步電機(jī)的矢量控制異步電機(jī)的矢量控制n 磁場(chǎng)定向控制磁場(chǎng)定向控制n 1 1、磁場(chǎng)定向控制的基本理論、磁場(chǎng)定向控制的基本理論n 2 2、磁場(chǎng)定向控制的實(shí)現(xiàn)、磁場(chǎng)定向控制的實(shí)現(xiàn)n 3 3、磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)、磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)n 4 4、計(jì)算與

5、仿真、計(jì)算與仿真n 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制n 1 1、直接轉(zhuǎn)矩的基本理論、直接轉(zhuǎn)矩的基本理論n 2 2、直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)、直接轉(zhuǎn)矩控制的實(shí)現(xiàn)n 3 3、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)、直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 異步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制理論異步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制理論)(5 . 11111qddqpemiinT122222111111sjpirujpiru122222122222111111111111spiruspirupi rupi rudqqqqddddqqqqddd2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL異步電機(jī)在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓和異步電機(jī)在同步旋

6、轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓和磁鏈方程為：磁鏈方程為：電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩：222111222111qdqdqdqdjiiijiiijuuujuuu)()()(2122222212111111iiLiLjiiLjiiLiLjmlqdmqmdmmmlqd建立下述矢量：建立下述矢量：異步電機(jī)的電壓方程可表示為：異步電機(jī)的電壓方程可表示為：轉(zhuǎn)子磁鏈轉(zhuǎn)子磁鏈定子磁鏈定子磁鏈氣隙磁鏈氣隙磁鏈?zhǔn)蠡\型異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖鼠籠型異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路圖轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制0;222qd如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈方向一致，此時(shí)有：21222122212215 . 11;qmpemmdqmiL

7、LnTLpirLiLs022122221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：則有下述關(guān)系式成立：達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)：1122212222111212215 . 15 . 111dqmpqmpemmmddqqmiiLLniLLnTLLpiiiiLs可見(jiàn)：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成兩個(gè)電流id1和iq1的乘積；調(diào)節(jié)id1的值就可改變轉(zhuǎn)子磁鏈大小，如果保持id1不變，調(diào)節(jié)iq1的值就可以線(xiàn)性的改變電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的值；id1稱(chēng)之為電機(jī)勵(lì)磁電流分量，iq1為力矩電流分量。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向理論上最大轉(zhuǎn)矩為無(wú)限大。1222222111111111

8、11100sirpirpi rupi ruqddqqqqddd定子磁場(chǎng)定向控制定子磁場(chǎng)定向控制0;111qd異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與定子磁鏈方向一致，此時(shí)有：1121111212122221111215 . 1)/(1)/()/1(1,;)/()/(1qpemqdmqdinTpisLpiLLLrLiiLps221222122111121110qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL則有下述關(guān)系式成立：可見(jiàn)：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成電流iq1和定子磁鏈的乘積，如保持定子磁鏈恒定，調(diào)節(jié)定子電流iq1可以線(xiàn)性的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；調(diào)節(jié)

9、id1的值就可改變定子磁鏈大小，但同時(shí)受iq1的影響。122221222211111111100spirspiri rupi rudqqqddqqdd0)(1)(1)(221121221siLsqs) 11(4312LnTpsem氣隙磁場(chǎng)定向控制氣隙磁場(chǎng)定向控制0;qmmdm異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程為：如右圖所示異步電機(jī)的矢量圖中，如將d軸與氣隙磁鏈方向一致，此時(shí)有：mqpemmqmmmdlmqdmmmminTpisLpiLLrLiiLps1211212222211215 . 1)/(1)/()/ 1(,;)/()/(1則有下述關(guān)系式成立：可見(jiàn)：異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示成電流iq1和氣隙磁鏈

10、的乘積，如保持氣隙磁鏈恒定，調(diào)節(jié)定子電流iq1可以線(xiàn)性的調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；調(diào)節(jié)id1的值就可改變氣隙磁鏈大小，但同時(shí)受iq1的影響。122221222211111111111100spirspirpirupirudqqqdddqqqqddd222212222212112111112111qlqqmqmdlddmdqlqmqqmdldmddiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiLiL) 11(432mmpmemLnT0)(1)(1)(22112221mqmmmmsiLs磁場(chǎng)定向控制的實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向控制的實(shí)現(xiàn) 磁場(chǎng)定向控制的關(guān)鍵在于獲取定向磁鏈的空間位置和大小，只有在定向軸線(xiàn)與定向磁鏈重合，且保持定

11、向磁鏈幅值大小恒定，才能獲得如直流電機(jī)一樣的解藕控制特性。按照獲取定向磁鏈位置的方式不同，磁場(chǎng)定向控制有兩種實(shí)現(xiàn)方法：dtdtsr1121)(1、直接法：直接檢測(cè)或計(jì)算定向磁鏈的空間位置和大小，又有： A.測(cè)量法：在氣隙中放置磁鏈檢測(cè)裝置直接測(cè)量定向磁鏈； B.計(jì)算法：利用電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和參數(shù)，以及測(cè)量的電壓電流轉(zhuǎn)速值直接計(jì)算 出定向磁鏈的空間位置和大小，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同又有估計(jì)器和觀(guān)測(cè)器兩種。2、間接法：它是一種間接獲取定向磁鏈位置的一種方法。其基本原理是：見(jiàn)上圖所示的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制矢量圖，d軸在空間上相對(duì)于定子A相軸線(xiàn)以同步角頻率1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子a相軸線(xiàn)以相對(duì)于定子A相軸線(xiàn)以轉(zhuǎn)子角頻率r逆

12、時(shí)針旋轉(zhuǎn)。那么定向磁鏈的位置角為： 轉(zhuǎn)子角頻率r由轉(zhuǎn)子位置傳感器量測(cè)得到，而滑差角頻率s1可由電機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到，兩者之和即為同步角頻率1，積分可得定向磁鏈的空間位置角1。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)間接法）轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)間接法）122222211111111111100sirpirpirupiruqddqqqqddd21222122212215 . 11;qmpemmdqmiLLnTLpirLiLs構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)間接法為：異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間接定向控制系統(tǒng)的仿真異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)間接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：仿真事例：1、給定角頻率為、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)后

13、突加，空載啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩；負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)再將速度置為零。，空載啟動(dòng)再將速度置為零?；罱穷l率和轉(zhuǎn)子滑差角頻率和轉(zhuǎn)子磁連位置角計(jì)算磁連位置角計(jì)算仿真事例仿真事例1仿真事例仿真事例2轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)直接法）轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)直接法）122222211111111111100sirpirpi rupi ruqddqqqqddd構(gòu)成的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)直接法為：定向磁鏈的計(jì)算定向磁鏈的計(jì)算定向磁鏈的計(jì)算可以分成兩大類(lèi)：定向磁鏈的計(jì)算可以分成兩大類(lèi)：開(kāi)環(huán)計(jì)算估計(jì)器開(kāi)環(huán)計(jì)算估計(jì)器EstimatorEstimator）；）； 電

14、壓模型、電流模型和混合模型電壓模型、電流模型和混合模型閉環(huán)計(jì)算觀(guān)測(cè)器閉環(huán)計(jì)算觀(guān)測(cè)器ObserverObserver）。）。 狀態(tài)觀(guān)測(cè)器、滑模觀(guān)測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器等。狀態(tài)觀(guān)測(cè)器、滑模觀(guān)測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器等。定向磁磁鏈的計(jì)算一般需要量測(cè)以下各量：定向磁磁鏈的計(jì)算一般需要量測(cè)以下各量：定子電壓和電流；定子電壓和電流；轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子位置或轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算電壓模型電壓模型 反電勢(shì)積分法又稱(chēng)U-I模型估計(jì)法，利用電機(jī)電壓方程通過(guò)積分來(lái)獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。 從右式可見(jiàn)，該方法需要的參數(shù)主是定子電阻和定轉(zhuǎn)子漏感。具有實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單和成本低的優(yōu)點(diǎn)，但僅適用于高速場(chǎng)合。該方法存在以下的缺陷

15、：低速時(shí)，反電勢(shì)的值和由于PWM及死區(qū)效應(yīng)的影響所引起的噪聲相比相當(dāng)接近，給測(cè)量帶來(lái)了誤差；電阻值隨工作環(huán)境的變化而隨之變化，會(huì)引起誤差；積分器具有誤差積累、直流偏移和初始值問(wèn)題。 這三方面相互影響，最終會(huì)使計(jì)算磁鏈嚴(yán)重偏離實(shí)際值，也就失去了在低速領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。22222222222211111111dqqqqdddqqqdddpirupirupi rupi ru在定子在定子坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為方程分別為2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL則有：則有：dti rudti ruqqq

16、ddd)()(1111111111111221111122)()(qqqmqdddmdiLdti ruLLiLdti ruLL2121LLLm)/(221122222dqqdtg轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算電流模型電流模型 電流法又稱(chēng)為 I-模型估計(jì)法，它利用定子電流和轉(zhuǎn)速通過(guò)計(jì)算獲得轉(zhuǎn)子磁鏈信息。 該方法極力避免了積分器的存在，從而消除了純積分器的影響，但是與此相對(duì)的是引入了更多的參數(shù)：轉(zhuǎn)速r和轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)2 。轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)受溫度和磁鏈飽和的影響是很大的，對(duì)該方法的準(zhǔn)確性產(chǎn)生了影響。22222222222211111111dqqqqdddqqqdddpirupirupi rupi ru方法一：在

17、定子方法一：在定子坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為：壓和磁鏈方程分別為：2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL則有：則有：2222222222dqqqddirpirp)/(221122222dqqdtg2222122222212211dqqmqqddmdiLpiLp方法二：在轉(zhuǎn)子方法二：在轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的坐標(biāo)系下，異步電機(jī)的電壓和磁鏈方程分別為：電壓和磁鏈方程分別為：2212221221112111qqmqddmdqmqqdmddiLiLiLiLiLiLiLiL則有：則有：2222222212111

18、1121111qqqddddqqqqdddpirupirupi rupi ru2212222221222211qqmqqddmddiLirpiLirp)/(221222222dqqdtg混合模型混合模型 電流模型和電壓模型開(kāi)環(huán)觀(guān)測(cè)器都具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，是應(yīng)用最廣的兩種開(kāi)環(huán)觀(guān)測(cè)器，這兩種開(kāi)環(huán)觀(guān)測(cè)器的特性在很多方面可以互補(bǔ)，因此可以將它們聯(lián)接起來(lái)使用以獲得更好的計(jì)算結(jié)果。 下圖為用Gopinath最小階觀(guān)測(cè)器理論設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子磁鏈觀(guān)測(cè)器。圖中隱含的磁鏈參考值是電流模型生成的估計(jì)值，此閉環(huán)觀(guān)測(cè)器能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)開(kāi)環(huán)觀(guān)測(cè)器之問(wèn)自動(dòng)平滑的轉(zhuǎn)換：低頻時(shí)表現(xiàn)為電流模型的特性，高頻時(shí)為電壓模型的特性。rss

19、Ussis2s2sI2su2rrsir校正環(huán)節(jié)校正環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子下電流模型下電流模型定子定子下電壓模型下電壓模型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向控制系統(tǒng)的仿真異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)直接定向控制系統(tǒng)的仿真仿真事例：仿真事例：1、給定角頻率為、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)后突加，空載啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)后突加200Nm負(fù)載轉(zhuǎn)矩；負(fù)載轉(zhuǎn)矩；2、給定角頻率為、給定角頻率為314rad/s，空載啟動(dòng)再將速度置為零。，空載啟動(dòng)再將速度置為零。電壓模型電壓模型電流模型電流模型仿真事例仿真事例1仿真事例仿真事例2異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制異步電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制n 基本理論基本理論n 定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)

20、矩的計(jì)算n 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論輸出電壓空間矢量：輸出電壓空間矢量：)(323432jcjbadcseSeSSVVV0V1V2 V3V4V5V6V7Sa0101010Sb0011001Sc0000111兩電平電壓型逆變器兩電平電壓型逆變器電壓矢量電壓矢量:8非零電壓矢量非零電壓矢量:6(V1V6)零電壓矢量零電壓矢量:2 (V0, V7)在定子坐標(biāo)系下，定義異步電機(jī)定子電流和磁鏈空間矢量為：dtiRVsss)(s異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本理論)(323432jcjbaseieiii在一個(gè)采樣周期內(nèi)，定子磁鏈增量為：sssTV如左圖所示，在扇區(qū)I的一個(gè)采樣周期內(nèi)，電壓空間矢量:V1V2V6將導(dǎo)致定子磁鏈增加，V3V4V5使定子磁鏈減??；V2V3V4將引起電磁轉(zhuǎn)矩增加，V1V5V6使電磁轉(zhuǎn)矩減小。在其他扇區(qū)與此類(lèi)似。 可見(jiàn)通過(guò)選取不同的電壓空間矢量可知直接控制異步電機(jī)的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩，這就是異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原