1、阿牛的现代电机控制技术作业阿牛的现代电机控制技术作业一、论述PMSM转矩生成及其控制 要求: 1(面装式PMSM定子磁场矢量方程为，说明PMSM内存在哪三个正,Li，sssf弦分布磁场，为什么可以其中任何两个磁场相互作用来表达电磁转矩生成，试分别推导其相应的电磁转矩矢量方程。 ,答:在面装式PMSM中，存在由永磁体产生的励磁磁场，由定子电流矢f量i产生的电枢磁场Li和由两者合成而得的定子磁场。转矩生成的本质就ssss是两个磁场相互作用生成的，所以PMSM中的电磁转矩可以由任何两个磁场的相互作用来表示。 电磁转矩可以看成是由转子磁场与电枢磁场相互作用生成的，其表达式为: 1t,p,，i= ，p,
2、，LiefsfssLs电磁转矩也可以看成是定子磁场与电枢磁场相互作用生成的，其表达式为:11 ，t,p,，L，L,p,，LiiiefsssssssLLss电磁转矩也可以看成由转子磁场与定子磁场相互作用生成的，其表达式为: 11。 tpLp，,，i，,，,esssffsLLss其相应的推导过程如下: 电磁转矩t，机械角速度，机械功率P以及机械能W之间有如下的关系，ermm即 dWmte,r,Pm, (1) dt由式(1)可以推导出电磁转矩矢量表达式。为此可先推导机械能量dW 的m方程。 根据机-电能量转换原理，向电动机输入的电能We应包括以下几个部分的能量，即 W=W+W+W(2) erfm 式
3、中，W为定、转子损耗掉的能量;W为磁场储能。于是有 rfdW=dW+dW+dW(3) erfm 下面推导式(3)右端三项的表达式。 假定定子没有零序分量，则有 dWe=Re(ui+ui)dt (4) ssrrW中应该包括定、转子绕组的电阻损耗，磁性材料中的磁滞和涡流损耗、风耗r1 以及摩擦损耗等。若只考虑定、转子电阻损耗，则有 dWr=Re(Ri+Ri)dt (5) ssrr磁场储能的变换率为 dWf,Re(ui，ui)dt (6) sesrerdt式中u和u分别是定子和转子绕组中感应出的变压器电压矢量。即有 sered,su, (7) sedtd,ru, (8) redt将式(7)和式(8)
4、带入式(6)得 d,sd,rdWf,Re(i，i)dt (9) srdtdt于是磁场储能 Wf,Re(i,，i,) (10) ssrr将式(4)(5)和(9)带入(3)式得 dWd,sd,r，22m,ui，ui,Ri，Ri,i，idt Re()Re()Re()ssrrssrrsr,dtdtdt，dsdr,，22uiRiiuiRii =Re(),Re()Re(),Re() (11) sssssrrrrr,dtdt，由定子电压矢量可知，上式右端第一个括号内的表达式为零，式子中的第二个括号内的表达式实际上是转子的机械功率，可推导出 p,R(,jw,i),w,，i (12) merrrrrr由式(12
5、)可得电磁转矩为 wr (13) te,i,p,irrrr,r根据作用反作用的原理可将式(13)写成 te,p,，i ss综上所述，可以用其中任何两个磁场相互作用来表达电磁转矩生成。 2(说明以不同的两个磁场相互作用来表达转矩生成时，可以采用不同的方式来控制电磁转矩(矢量控制还是直接转矩控制，对矢量控制而言，是以转子磁场定向还是以定子磁场定向)，并对这三种控制方式的优缺点进行简要分析。 答:以转子磁场与电枢磁场相互作用来表达转矩生成时，可进行基于转子磁2 场定向的矢量控制;以定子磁场与电枢磁场相互作用来表达转矩生成时，可进行基于定子磁场定向的矢量控制;以转子磁场与定子磁场相互作用来表达转矩生成
6、时，可进行直接转矩控制。 基于转子磁场定向的矢量控制的优点有: (1)实现了MT分量的完全解耦，变为线性化; (2)控制品质好。 基于转子磁场定向的矢量控制的缺点有: (1)需要时刻检测转子主磁极位置，增加了系统的复杂性; (2)影响伺服系统的快速性。 基于定子磁场定向的矢量控制的优点有: (1)直接控制定子电流，受转子参数影响小; 2)可直接计算磁链矢量。 (基于定子磁场定向的矢量控制的缺点有: (1)控制系统复杂; (2)控制系统快速性低。 直接转矩控制的优点有: (1)控制系统简单; (2)动态响应快，动态性能好; (3)电机参数影响小。 直接转矩控制的缺点有: (1)静差精度低; (2
7、)转矩脉动大，低速性能差，冲击电流大。 3(说明为什么基于转子磁场定向的矢量控制可以将PMSM变换(等效)为一台他励直流电动机。 答:基于定子磁场定向的矢量控制的转矩矢量的表达式是t,p,isin,p,，ii，在dq轴系内通过控制的幅值和相位，就可以控制efsfss:iiii,90电磁转矩。而又可以看成两个电流分量和，当控制电角度时，则qdss,i和在空间正交，定子电流全部为转矩电流，而且在dq轴系内和始终相ffs对静止，从转矩生成的角度，可将PMSM等效为一台他励直流电动机。 4(说明为什么插入式和内装式PMSM会产生磁阻转矩，在基于转子磁场定向矢量控制中磁阻转矩是如何控制的,在基于滞环比较
8、的直接转矩控制中磁阻转矩是如何控制的, LL,答:由于插入式和内装式PMSM中，产生磁阻转矩。在基于转子磁qd3 场定向矢量控制中引入闭环控制，通过检测转子位置来控制磁阻转矩。在基于滞环比较直接转矩控制中引入自适应控制磁阻转矩，通过滞环比较方式将其偏差控制在一定范围内。 5(说明为什么基于滞环比较的直接转矩控制可以不依赖电机数学模型(定子磁链和转矩估计除外)。 答:因为基于滞环比较的直接转矩控制是利用电磁转矩生成原理直接控制电磁转矩的相位和幅值，所以可以不依赖电机数学模型。 6(说明直接转矩控制(采用滞环比较控制方式)低速运行转矩脉动原因。 答:当直接转矩控制采用滞环比较控制方式时，将MT轴系
9、沿定子磁场方向d,s定向，再将ABC轴系的定子电压矢量方程式变换到MT轴系，uR,i，sssdtM,dMMs则可得， u,Ri，j,sssssdtd,M,u,Ri，,其电压分量方程为，(=,)。 uR,i，sTsTsMMMMsdt,可将上式表示为如图1所示的T轴电压方程等效电路。图中,为M轴sM,磁链,()在T轴产生的运动电动势。当控制恒定时，外加电压u将主,sMTs,要决定于定子磁链矢量的旋转速度，也就直接与电动机转速无关。在滞环ssu比较控制中，电动机低速运行时，若在时间内，作用的u()过大，会产,tsnT生较大的电流i。由于在沿定子磁场定向的MT轴系中，,=0，T轴方向上不TTi存在磁场
10、， 变化不受任何阻尼作用，因此形成了冲击电流，与此同时将会引T起准据脉动 i T, sMUT 图1 T轴电压方程等效电路 二、试对PMSM转子磁场定向矢量控制与直接转矩控制进行比较分析。 要求: 1(说明基于转子磁场定向的矢量控制()，控制的是电枢磁场;而对t,p，iefs4 于直接转矩控制()而言，控制的是定子磁场。 t,p，efs答:基于转子磁场定向的矢量控制，由式，可以看出在动态短暂t,p，iefs过程中可认为转子磁链矢量是不变的，极对数p也不变，此时可通过控制i来sf控制t，即控制的是电枢磁场;而对于直接转矩控制()而言，在动t,p，efse态短暂过程中可认为转子磁链矢量是不变的，极对
11、数p也不变，此时可通过f来控制t，即控制的是定子磁场。 控制es2(说明控制定子磁场，实质上也是在控制电枢磁场()。 ,Li，ssssf答: ，在动态短暂过程中可认为转子磁链矢量是不变的，,Li，sssff由此可通过控制Li来控制。因此，控制定子磁场，实质上也是在控制电枢ssssLi磁场。 ss3(以面装式PMSM为例，说明基于转子磁场定向矢量控制与直接转矩控制的内在联系。 答:PMSM直接转矩控制基本原理是通过调节负载角来控制电磁转矩，而Li调节负载角实际上是在改变(不计定子漏磁，就是交轴电枢反应磁场)，而qqi这个电枢反应磁场是依靠交轴电流建立起来的，所以PMSM直接转矩控制的qiii实质
12、实际是通过控制交轴电流控制转矩。矢量控制的基本原理是将和直接qqdii作为控制变量，通过控制转矩，通过控制(弱磁)。基于转子磁场定向矢,qds量控制运用矢量(坐标)变换(实为换向器变换)将dq轴系放在转子上，以永tpi,i磁励磁磁场的轴线为d轴，使，令=0，实际仍然是通过控,:90efqdi制交轴电流控制转矩。由此可看出，对电磁转矩控制而言，两种控制方式最终qLi都是在控制交轴电枢磁场()，实际上都是在控制交轴电流i，只是控制方式qsq不同。 4(说明在控制方式上，为什么前者需要进行磁场定向和矢量变换(坐标变换)，而后者却不用磁场定向，也不用矢量变换(可在ABC轴系内，直接利用定子电压矢量来控
13、制定子磁链矢量)。 ussii答:在PMSM中，可通过控制同步旋转dq轴系中的两个坐标分量和来qdi控制的幅值和相位，dq坐标在转子上，转子励磁磁场轴线即为d轴。对于给定sii的和坐标分量值，可以采用矢量变换，也可采用坐标变换，将其转换为三相qdj,r电流指令值，前者利用变换因子，后者利用如下变换式，即 e5 ，,cossin,rr，iA,，i222,d, i,cos()sin(),Brr,i333,q,，,i,C，22,cos()sin()，,，rr,33，,为实现上述变换，就要随时取得转子位置信息。综上，前者需要进行磁场r定向和矢量变换(坐标变换); 而直接转矩控制是直接将转矩检测值与转矩
14、给定值进行滞环比较，根据比较结果选择开关电压矢量，开关电压矢量可以直接控制定子磁链矢量的速度，也就实现了对转矩的直接控制。在直接转矩控制中，不用磁场定向，也不用矢量变换，,()uRidtRissss,ss因为，当电机高速旋转时，可忽略，因而可在ABC轴系uss内，直接利用定子电压矢量来控制定子磁链矢量。 5(说明为什么前者可以实现对转矩的线性控制，而后者是一种非线性控制。 于转子磁场定向矢量控制运用矢量(坐标)变换(实为换向器变换)答:基i将dq轴系放在转子上，以永磁励磁磁场的轴线为d轴，使，令=0，,:90dtpi,，在动态短暂过程中可认为转子磁链矢量是不变的，极对数p也不efqfi变，此时
15、可通过控制来控制，因此可以实现对转矩的线性控制。 q而在直接转矩控制中，不用磁场定向，也不用矢量变换，,()uRidt，ssss,Ri当电机高速旋转时，可忽略，可在ABC轴系内，直接利用定子电压矢量来usssRiRi控制定子磁链矢量，当电机不是高速旋转时，不可忽略，和共同控ussssss制定子磁链矢量，易产生转矩脉动。基于滞环比较的直接转矩控制可以不依s赖电机数学模型(定子磁链和转矩估计除外)，无法实现对定子电流的准确控制，也就难保证对转矩的精确控制，因此是一种非线性控制。 6(两种控制的本质区别是什么, 答:基于转子磁场定向矢量控制运用矢量(坐标)变换(实为换向器变换)i可在dq轴系内将PM
16、SM变换(等效)为一台他励直流电动机，即令=0，,:90dtpi,则。它将dq轴系放在转子上，以永磁励磁磁场的轴线为d轴，由于永efq磁体位置在物理上是显性的，其磁场轴线容易观测，所以给分析和控制带来很大方便。 而在直接转矩控制中，却不能做到这一点，仍是在ABC轴系对PMSM的直,()uRidt接控制。它不用磁场定向，也不用矢量变换，当电机高速旋ssss,6 Ri转时，可忽略，可在ABC轴系内，直接利用定子电压矢量来控制定子磁usssRiRi链矢量，当电机不是高速旋转时，不可忽略，和共同控制定子磁链ussssss矢量，易产生转矩脉动。 s7.对两种控制系统(伺服系统)的比较:A(复杂程度 B(
17、控制精度 C(快速性(动态响应能力) D(转矩脉动大小，且简要解释原因。 ii答:矢量控制的基本原理是将i和直接作为控制变量，通过控制转矩，qqd通过量变换(坐标变换)，因而较复杂，快速性(动态响应能力)也没有直接转i的准确控制，又由于它随时矩控制好。通过确定转子的q轴电压能够保证电流q检测转子位置并进行坐标变换，可以连续得到需要的定子三相电压，因此对转矩的控制是一种连续精确的控制，通过适当的控制可使转矩脉动较小。其中基于转子磁场定向矢量控制运用矢量(坐标)变换(实为换向器变换)可在dq轴系内tpi,i将PMSM变换(等效)为一台他励直流电动机，即令=0，则，,:90efqd它结合了矢量控制与
18、直流电机的双重优点，可以实现对转矩的线性控制，控制比较简单。 直接转矩控制不用磁场定向，不采用电流调节器和坐标变换，可在ABC轴系内直接利用定子电压矢量来控制定子磁链矢量，因而不像矢量控制那样uss复杂，能够提高系统的快速性，但它是以降低转矩控制精度为代价的。它只是提供了开关电压矢量的选择原则，实际确定的定子开关电压矢量很难满足所需的电压要求，不能实现对定子电流的准确控制，也就难保证对转矩的精确控制。又由于,()uRidt，可知低速运行时会产生较大的转矩脉动，会产生一些问题。 ssss,三、请将PMSM传统变频调速与矢量控制进行比较分析。 1(说明传统变频调速的基本原理和控制方式。 答:基本原
19、理:PMSM转速n，频率f和极对数p之间有如下不变的关系，即n,60fp，只要改变频率f即可改变电动机的转速。 V控制方式:控制 F,设电动机的气隙磁通用表示，励磁电流感应电势和气隙磁通之间M有如下关系 ,MIM ,j2fMI,M ,因此，为了使气隙磁通在整个调速过程中保持不变，改变电源频率的同f7 E时改变感应电动势，使其满足 E,常值 F实际定子阻抗上压降与定子电压相比很小时，由于V?E,所以，只要控制电源电压和频率，使得 V,常值。 F2.传统变频调速系统为什么可以采用开环控制, 答:采用V/F控制，可以对变频器输出的电压和频率同时进行控制，从而在保持不变的磁通下，得到所需的转矩特性。
20、3.说明传统变频调速系统在动态情况下不能严格控制转子速度的根本原因。 答:传统变频调速系统的控制方式是V/F形式，它是一种开环控制方式，在动态情况下，转子速度的速度不能反馈，再由于存在外部扰动，转子速度受到干扰后不能严格跟踪给定。 4.说明矢量控制与传统变频调速比较本质上的不同。 答:传统变频调速的控制方式是开环控制，当电动机在额定转速以下调速时，其带负载能力将下降。矢量控制是闭环控制，使异步电动机变频速后的机械特性以及动态性能达到和直流电动机调压时的调速性能相媲美。 5.说明为什么矢量控制必须检测转子位置。 答:通过检测转子的位置，知道了转子的相位，可以进行三相轴系ABC,r到旋转轴系dq的
21、变换， ，22,coscos,cos，,rrr,33,ii，,dA222,iq,sin,sin,sin,，,i,rrrB,333,ioi,C，111,222， 6.说明为什么将传统变频调速称为他控式控制，而将矢量控制称为自控式控制。 答:传统变频调速，属于开环控制，当输出和给定之间有差时，需要人为进行调节，使输出跟踪给定，所以称为他控式控制，而矢量控制采取闭环方式，通过反馈输出，和给定进行比较后，自我进行调节，所以成为自控式控制。 8 心得体会 现代电机控制技术这门课上完了，对于老师教的知识点，不能说我全部都会，但确实是受益匪浅。王老师很敬业，他每次都会在下午一点左右就到达教因此，我也会提前去
22、记笔记。 王老师最开始并没有立即进入到矢量控制的章节讲解，而是讲了一些基础知识，这些基本概念，我本以为很简单，但是经过老师的详细分析，这才让我印象更加深刻。从而，我知道，对于知识，要知其然，并知其所以然。 讲完基础知识，大家对这门课有了一定的认识，老师就给我们讲解直流电机、感应电机、同步电机的结构，后续章节就讲了对这些电机的矢量控制。老师讲课的重点在于电机转矩的生成和矢量控制，就转矩的生成而言，又从磁场观点、电磁感应观点、能量转换观点等方面入手，达到举一反三的效果。 王老师很懂学生的心思，知道这门课要学好，不是讲完课、立马考试就行的，而是给了我们一个暑假的时间，让我们有时间去琢磨每个问题，从而
23、把知识点吃透、消化，并能熟练运用到所需要的场合。 上完这个课，很多同学被老师讲课的那种严谨的致学精神所打动，都觉得像王老师这样孜孜不倦的好老师不多见。是的，老师虽已头发花白，但依然精神矍铄，他讲课的语调铿锵有力，老师不为名不为利，只为学生能多学点知识、成为有用之才。他无私奉献的精神感染了我、感染了上他课的每一个学生，大家知道，上了王老师的课就没白来工大当工科的研究生。 我资质平平、比较愚笨，不能将老师教的知识全部学以致用，但我不会停止学习的脚步，作为电气工程的学生，我热衷于对电机的控制的研究，所以，尽管课程学完了，我还是会继续学习，争取能把学到的知识点运用到我今后的论文中，如果那样的话，这门课真的就发挥它的的价值了。 最后，感谢一学期以来，老师辛勤的教书，给我们传递知识，让我学到了很多，我知道我的作业写得不够好，没有将老师讲的知识全部运用到，我感到很羞愧，我会继续努力学好这门课的，一定不辜负老师的教诲与恩德。祝愿老师您身体健康，万事如意。 9
