现代电机控制技术复习资料.doc

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1、，由1. 机电能量转换： 时间内磁能的变化 绕组 A 和 B 中变压器电动势从电源所吸收的全部电能加之运动电动势从电源所吸收电能的 一半所组成；由运动电动势吸收的另外一半电能成为转换功率，成为机械功率。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。转子在耦合场中运动产生电磁转矩，运动电动势和电磁转矩构成一对机电耦 合项，是机电能量转换的核心部分。2. 磁阻转矩：。当转子凸极轴线与定子绕组轴线重合，此时气隙磁导最大，定义此时定子绕组的自感为直轴电感 ；当转子交轴与定子绕组轴线重合， 此时气隙磁导最小，定义此时定子绕组的自感为交轴电感 ；因此

2、在转子旋转过程中，定 子绕组的自感将发生变化。由于转子运动使气隙磁导发生变化而产生的电磁转矩称为磁阻 转矩。转子励磁产生的电磁转矩称为励磁转矩。3. 直流电机电磁转矩： 主磁极基波磁场轴线定义为 d（直）轴， d 轴反时针旋转 90 定义为 q（交）轴。直流电动机的电枢绕组又称为换向器绕组，其特征：电枢绕组本来是旋转的， 但在电刷和换向器的作用下，电枢绕组产生的基波磁场轴线在空间却固定不动。在动态分 析中，常将换向器绕组等效为一个单线圈，若电刷放在几何中性线上，单线圈的轴线就被 限定在 q 轴，称为 q 轴线圈。因 q 轴磁场在空间是固定的，当 q 轴磁场变化时会在电枢绕 组内感生变压器电动势

3、； 同时它又在旋转， 在 d 轴励磁磁场作用下， 还会产生运动电动势， q 轴线圈为能表示出换向器绕组这种产生运动电动势的效应，它应该也是旋转的。这种实 际旋转而在空间产生的磁场却静止不动的线圈具有伪静止特性，称为伪静止线圈，它完全 反映了换向器绕组的特征，可以由其等效和代替实际的换向器绕组。电磁转矩 ， 控制 不变，改变 即改变 ，线性控制良好。转子产生运动电动势，不断吸收电能，同时 将电能转换为机械能，此时转子成为了能量转换的“中枢” ，因此称为电枢。4. 三相异步电机电磁转矩： 其运行原理是定子三相绕组通入三相对称正弦电流，将会 在气隙中产生正弦分布的两极旋转磁场，当转子静止不动时，由电

4、磁感应原理，定子旋转 磁场将在转子绕组中感生出三相对称正弦电流，其同样会在气隙中产生两极旋转磁场，旋 转速度和方向与定子旋转磁场相同，但存在相位差，定、转子旋转磁场相互作用产生电 磁转矩，若其大于负载转矩，转子将开始旋转，而转子速度总是小于定子旋转磁场速度， 否则转子绕组不会感生电流， 电磁转矩也将消失，所以称为异步电机。 当转子速度稳定于 与定子旋转磁场的转速差为 ，可用转差率 s 表示这种速度差，即气隙旋转磁场在转子绕组中感生的三相对称电流频率为称为转差频率5. 磁动势矢量： 通过控制三相电流（时间变量）能控制三相绕组的基波磁动势波（空间矢 量）。 运动轨迹圆形，圆的半径是每相基波磁动势最

5、大幅值的 倍。，其，根据上式能够完成矢量图的绘制。 和 是定、转子漏磁链矢量， 和6. 三相感应电机定、转子磁链：中 ， ， ，是气隙磁链矢量， 和 是定、转子磁链矢量，是定、转子励磁磁链矢量7. 矢量控制： 其核心是直接控制产生转矩的各空间矢量，不仅在稳态下，在动态下也能严 格地控制各矢量在空间复平面内的幅值和相位，因而可以精确地控制转矩。所以矢量控制 是一种以动态控制为出发点，追求动态控制品质的现代控制技术。8. 基于转子磁场的转矩控制： 对于三相感应电动机， 采用 T-I 等效电路消除了转子回路中的 漏电感，将 分解为一个产生转子磁场的励磁分量 ，和一个产生电磁转矩的转矩分量 。可在空间

6、分解成无数对分量 和 ，其中只有一个特定轴系，此轴系的 M 轴应与转子磁 链矢量 始终取得一致，此时 才会是产生 的真实励磁电流。通常，将此称为 MT 轴系 沿转子磁场定向，简称磁场定向，将此时的 MT 轴系称为转子磁场定向 MT 轴系。9. 坐标变换和矢量变换： 静止 ABC 轴系到静止 DQ 轴系：为满足功率不变约束，设定 DQ 轴系中定、转子绕组有效匝数均为 ABC 轴系每相绕组有效匝数的 倍。磁动势等 效是坐标变换的基础和原则。仅是一种相数变换。静止 DQ 轴系到任意同步旋转 MT 轴 系：能够将定子两相绕组中的对称正弦电流变换为 MT 轴系定子两相绕组中的恒定直流， 是一种频率变换，

7、 它起到了电刷和换向器同样的作用， 故又称换向器变换。 经过这种变换， 将定、转子绕组变换为换向器绕组，并最终等效为直流电动机，因此极大地提高了三相感 应电动机的转矩控制水平。10. 论述三相感应电机矢量变换： 相数变换，由静止三相 ABC 轴系变换到静止两相 DQ 轴系。频率变换，由静止 DQ 轴系变换到任意同步旋转的 MT 轴系。频率变换的变换 矩阵相当于一台变频器， 这种变换起到电刷和换向器同样的作用， 称为换向器变换， 将 DQ 轴系下定、转子绕组同时变换为换向器绕组，使三相感应电机最终等效为直流电动机，因 此极大地提高了三相感应电动机的转矩控制水平。11. 转子磁场定向： 约束条件是

8、转子磁场在 T 轴方向上的分量为 0。 MT 轴系沿转子磁场定 向，可称为基于转子磁场定向的矢量控制或磁场定向控制（ FOC）。磁场定向分为直接和间 接磁场定向，对应地矢量控制为直接和间接矢量控制。直接磁场定向：它是通过磁场检测 或运算确定转子磁链矢量的空间位置。直接检测磁场，方法简单，但由于定、转子齿槽影 响，检测信号脉动大，实际难以应用，通常是通过运算估计出转子磁链矢量，又称为磁链 观测法。间接磁场定向： 不需要观测转子磁链矢量实际位置， 通过控制转差频率实现定向， 又称为转差频率法。12. 永磁同步电机（ PMSM ）模型： 按永磁体安装形式分为面装式、插入式和内装式。面装 式 PMSM

9、 等效为电励磁三相隐极同步电动机；插入式 PMSM 等效为电励磁三相凸极同步 电动机。13. 面装式 PMSM 矢量控制弱磁原理： PMSM 转子励磁不可调节，为实现弱磁，利用磁 动势矢量 使其对永磁体产生去磁作用。 若控制电流矢量与励磁磁场夹角大于 90 ， 便 会产生直轴去磁分量 ，对永磁体产生去磁作用。若同时考虑 和 作用，就可在 dq 轴 系内将面装式 PMSM 等效为他励直流电动机， dq轴磁场不存在耦合，所以通过控制 和 能 独立地进行弱磁和转矩控制，实现了两种控制的解耦。14. 面装式 PMSM 和三相感应电机矢量控制比较： 面装式 PMSM 只需将定子三相绕组变 换为换向器绕组

10、，而三相感应电机必须将定、转子绕组同时变换为换向器绕组。对于三 相感应电机，采用直接磁场定向时，电机运行参数的变化严重影响估计的精确性，采用间 接磁场定向也摆脱不了转子参数的影响； 而PMSM 可通过传感器直接观测到转子磁场轴线 位置，容易实现且不受参数变化影响。三相感应电机运行原理基于电磁感应，机电能量 转换在转子中完成，使转矩控制复杂；三相同步电机运行原理依靠定、转子双边励磁，机 电能量转换在定子中完成，转矩控制比感应电机简单， PMSM 的转子磁场由永磁体提供， 若不采用弱磁，则省去了励磁控制，使控制系统更简单。15. 谐波转矩产生的原因： 为产生恒定电磁转矩，要求 PMSM 的电动势和

11、电流为正弦波， 但永磁励磁磁场在空间分布不可能是完全正弦的，感应电动势波形也可能畸变；由逆变器 馈入的定子电流，尽管调制后可以逼近正弦波，但其中还含很多谐波，所以会产生谐波转 矩。16. 纹波转矩及削弱方法： 将因感应电动势和电流波形畸变引起的谐波转矩称为纹波转矩。 为消除，首先使永磁体产生的励磁磁场尽量按正弦分布，以降低谐波幅值；其次绕组采用 短距和分布绕组。17. 齿槽转矩及削弱方法： 将因定子开槽引起的齿谐波磁场产生的谐波转矩称为齿槽转矩 为消除，合理选择永磁体宽度和齿槽宽度比，可减小气隙磁导变化；定子斜槽和转子斜极 可以有效削弱齿槽转矩，对于永磁体，转子斜极比较困难，可以采用多块永磁体

12、连续移位 的措施。18. 直接转矩控制的对象： 它直接将定子磁链和转矩作为控制变量，提高了系统的动态响应 能力。19. 定子电压矢量控制电磁转矩：，其中 ， 。通过控制 可以控制 的幅值（增大或减小） ，通过控制 可以控制 的旋转速度（方向和大 小）。若使 的旋转速度大于 的旋转速度，则会增大负载角 ，否则会使其减小，于是 通过控制 和 就可以控制 和 ，也就控制了电磁转矩。20. 滞环比较（砰砰）控制： 逆时针方向旋转拉大负载角，增大电磁转矩。 1 到 8 种开关状 态：100、110、010、011、001、101、111、000。零电压矢量能缓和电磁转矩的剧烈变化， 以减小转矩脉动。21

13、. 空间适量调制（ SVPWM ）出现背景和概念： 滞环比较控制中每个周期只能选择一个开 关电压矢量来同时控制 的幅值和旋转速度，切向和径向矢量不一定是所预期的电压矢量， 导致磁链和转矩控制偏差大；滞环比较器无法区别偏差大小，也无法考虑转速变化影响， 综上， SVPWM 提供了有效的解决途径。常规直接转矩控制在一个采样周期内只能选择一 个开关电压矢量，但若将一个采样周期分为几个时间段，每个时间段选择一个，便可以在 一个周期内组合成多个不同的电压矢量，这扩大了电压矢量的选择范围，使之能够选择到 更合适的电压矢量，这种控制方法即为 SVPWM 。22. 三相感应电机的直接转矩和转子磁场矢量控制比较

14、： 直接转矩控制直接选定子磁链矢 量为控制变量， 是在 ABC 轴系内进行的， 因此无需进行磁场定向和矢量变换， 所以更为直 接和简捷；另外，还可以利用切向电压分量改变负载角的变化速率，能够快速控制转矩， 这可以提高系统的快速性。 然而，正是因为直接转矩控制是在 ABC 轴系内进行的一种直接 控制方式，所以不能像转子磁场定向那样实现解耦和线性控制。 转子磁场定向转矩控制， 通过控制励磁电流控制转子磁链， 控制转矩电流控制电磁转矩， 两者间可以实现解耦控制。 并且解决了三相感应电机转矩生成和控制中存在的强耦合和非线性问题，使转矩控制可以 与他励直流电机相媲美。但是，这种控制只有在沿转子磁场定向的

15、 MT 轴系中才能实现， 为此必须先进行磁场定向，然后进行矢量变换，将励磁电流和转矩电流变换为三相电流。23. 三相感应电机的直接转矩和定子磁场矢量控制比较： 对电磁转矩控制的实质是对电机内 磁场的控制。直接转矩控制直接以定子磁场为控制变量，对转矩控制而言，似乎较直接， 其实不然。因为磁场是由电流建立的，控制磁场的实质是控制建立磁场的电流，从这一角 度看，矢量控制对转矩的控制才更为直接，只要能快速准确地控制电流，就相当于快速准 确地控制转矩。定子磁场定向矢量控制和直接转矩控制虽然都利用了定子电压分量方程， 但是却都利用电压分量来控制电流分量。在沿定子磁场定向的 MT 轴系内，无论采用直接 转矩

16、控制还是矢量控制，都不能改变电机转矩控制的非线性特性。24. 面装式 PMSM 直接转矩控制原理： 。由上式知，转子磁链矢量 幅值不变，若能控制定子磁链矢量 幅值为常值，电磁转矩就仅与负载角 有关， 通过控制 可以控制电磁转矩，这就是 PMSM 直接转矩控制基本原理。25. 面装式 PMSM 直接转矩控制弱磁原理： 通过控制定子磁链实现弱磁。 若保持 不变，在电压极限 约束下，转速 受到限制，可达到最大速度 ， 称为转折速度，此时若要再提高转速，就要减小定子磁链 ，也就需要弱磁控制，可令 指令值 与转速反比例地减小，即有 ，其中 ，当 ，说明 弱磁是从转速达到转折速度 时开始的；当 ，说明实际弱磁点是提前开始的。26. 面装式 PMSM 直接转矩和转子磁场矢量控制比较： 控制变量不同。直接转矩控制选 择了 和 为控制变量，可以直接由 控制 的幅值和速度，进而直接控制转矩； 转子磁 场矢量控制选择 和 为控制变量。控制过程不同。直接转矩控制在 ABC 轴系内进行， 不需要坐标变换，使系统简化；转子磁场矢量控制是在沿转子磁场定向的 dq 轴系内进行， 需要矢量变换。控制结果不同。直接转矩控制是非线性控制，转矩控制和定子磁链控制 间存在耦合；转子磁场矢量控制将 PMSM 变换为等效的直流电动机， 有效解决了转矩控制 的非线性和耦合问题，是一种线性控制。