同步磁阻电机及其控制技术的发展和应用
摘要：本文简单介绍了同步磁阻电机(SynRM)的运行原理。追溯同步磁阻电机的发展历史，总结了同步磁阻电机的结构和运行特点。根据同步磁阻电机的特点结合目前国内外研究现状讨论了同步磁阻电机现有的几种高性能控制方法。最后根据同步磁阻电机当前的研究进展结合其取得的优越性能介绍了其在电动汽车和高速发电等领域的应用。
关键词:同步磁阻电机
1同步磁阻电机的原理
SynRM 运行原理与传统的交、直流电动机有着根本的区别，它不像传统电动机那样依靠定、转子绕组电流产生磁场相互作用形成转矩，而遵循磁通总是沿着磁阻最小路径闭合的原理，通过转子在不同位置引起的磁阻变化产生的磁拉力形成转矩。
SynRM 在dq 轴系下的电压、磁链、电磁转矩和机械运动方程为：
电压方程：
(1)磁链方程：
(2)
电磁转矩方程：
(3)
Ld、Lq为绕组d、q轴电感；Rs为定子绕组相电阻；ωr为转子电角速度；ψd、ψq为定子d、q 轴磁链，p n为电机极对数；β为电流综合矢量与d轴之间的夹角[1]。
2同步磁阻电机的发展历史
早在二十世纪二十年代Kostko J K等人提出了反应式同步电机理论[2]，M．Doherty 和Nickle 教授提出磁阻电机的概念，此后国外关于许多专家和学者对同步磁阻电机的的能、转子结构和控制方法进行较深入研究。早期的同步磁阻电机由一个无绕组凸级转子和一个与异步电机类似的定子组成。在转子轭q轴方向加上两道气隙, 以增加q 轴磁阻。利用d -q 轴的磁阻差来产生磁阻转矩。转子周边插上鼠笼条以产生异步起动转矩。然而, 由于该异步转
矩的作用, 又将引起转子震荡而难以保证电机正常运行。六十年代初, 出现了第二代同步磁阻电机它利用块状转子结构来增加d-q 轴磁阻差, 同时不用鼠笼条来起动转矩, 而直接靠逆变器变频来起动, 从而减轻了转子震荡现象[3]。然而, 为产生足够的磁阻转矩, 需要定子侧有较大的励磁电流, 致使该电机功率因素和效率都很低, 从而影响了该种电机的推广使用。为尽可能增大d-q 轴磁阻差, 同时减小励磁电流, 增大功率因素, 在七十年代初期产生了第三代同步磁阻电机, 采用轴向多层迭片结构, 以获得最大的d 轴电感和最小q 轴电感, 而得到最大磁阻转矩[4]。采用该转子结构后, d-q 轴电感之比可以达到20, 其输出功率可以达到同尺寸大小的异步电机输出功率。1991 年美国威斯康星大学T.A.Lipo教授对同步磁阻电机的转子结构进行进一步优化，发表文章提出SynRM 在交流调速驱动系统中替代异步电动机的可能性的问题[5,6]。1993 年英国的https://www.doczj.com/doc/268252652.html,ler 教授指导的课题组对SynRM 不同转子结构的磁路进行了分析和研究，试图寻找更优化的转子结构提高电机的凸极率，并重点对轴向叠片转子结构SynRM 转子叠片层数、绝缘占有率进行了优化，得到优化后的样机在最大转矩电流比控制时功率因数为0.7 左右[7,8]。文献[9]对冲片叠压式SynRM 转子空气层做了较为深入的分析，通过有限元和仿真实验设计优化了转子结构，主要分析了转子空气层含有率、位置、个数，转子气隙以及电机饱和对电机电磁参数的影响，指出了空气层含有率、转子气隙、电机饱和对电机性能影响较大，同时优化后的样机其功率因数为0.72，对SynRM的电磁设计与分析具有很好的参考价值。文献[10]对冲片叠压式SynRM 三种转子结构的磁场分布进行了分析和比较，指出转子空气层之间的连接处将会给d 轴磁通提供较小磁阻磁路，去掉转子空气层之间的连接处将明显提高电机的功率因数。文献[11,12]提出了采用有限元和罚函数法，通过比较冲片叠压式SynRM 凸极率和交、直轴电感差值，自动ACAD 绘图、剖分和数据存储来快速优化转子结构提高电机力能指标的方法。
我国对SynRM 的研究起步较晚。1994 年，华中科技大学辜承林教授指导的课题组设计制作出国内第一台两极的ALA 转子样机，其样机的凸极率和功率因数分别达到了11和0.85 左右，但其结构加工较复杂[13-17]。文献[18]根据能量平衡的观点，以异步电机为参照，分析了SynRM交、直轴电感以及凸极率对电机性能的影响，并指出对于确定的凸极率理论上有最大的功率因数与之对应，反之对于确定的功率因数理论上有最小的凸极率与之对应。在SynRM 设计时凸极率应根据电机的过载能力和功率因数的要求而正确选择，单纯追求增大凸极率是不适当的。指出在电机应用中，功率因数小于0.85且容量较小时，SynRM 可与异步电机匹敌。文献[19]介绍了SynRM 的结构及仿真设计。电机转子采用栅格叠片结构，驱动控制器采用电流矢量控制方式，指出SynRM 与感应电动机相比，具有效率高、功率密度大等优点；与永磁同步电动机相比，在同等功率条件下大大降低了电机的成本，同时拓宽了电机的使用范围，提高了电机运行的可靠性。
2011年ABB公司在同步磁阻电机转子设计方面取得突破性进展，如今已经有了应用于工业应用中的商业化产品。
3同步磁阻电机的性能特点
3.1相比于传统电机的优点
与传统直流电动机相比，SynRM 没有电刷和滑环，维修简单方便。与异步机相比，SynRM 转子上没有绕组，则没有转子铜耗，基本上不存在转子发热问题，提高了电机的运行效率和安全性，另外由于转子上没有阻尼绕组电机响应不受转子时间常数的限制，动态响应速度快。与开关磁阻电机相比，SynRM可以做到转子表面光滑、磁阻变化较为连续，避免了开关磁阻电机运行时转矩脉动和噪声大的问题。由于磁阻正弦变化使得矢量控制能够被用于同步磁阻电机以便于取得很好的控制性能。与永磁同步电机相比，SynRM 转子上没有
永磁体，成本更低，无弱磁难高速性能好，调速范围宽，不存在高温失磁的问题，可以在高温的极端环境中应用。同步磁阻电机的交直轴磁阻差异大 ，旋转时磁阻的变化包含了位置信息，可利用其进行无位置传感器控制，使得其相对于永磁同步电机的无位置传感器控制更为灵活[1]、[20]。
3.2同步磁阻电机存在的问题
尽管同步磁阻电机有诸多的优点，但是它的缺点也同样明显，目前还存在着许多亟待研究解决的问题[20-21]。
(1) 转子上无启动绕组，难以直接在线启动；
(2) 同步磁阻电机运行时必须通入励磁电流，使得其功率因数受到限制。
(3) 同步磁阻电机的交直轴磁路饱和不仅受到同轴电流影响而且受到相正交的轴的电流影响，使得同步磁阻电机的控制面临一些特殊的问题。
(4) 电机在运行的过程中存在一个不稳定区间，而变频器中的谐波成份会对电机的运行产生扰动，使电机在微小的时间段内产生转差。
4 同步磁阻电机的控制方法
为了获得较好的控制性能取得较高的控制精度同步磁阻电机的控制主要通过矢量控制和直接转矩控制。为了减小控制成本，发挥同步磁阻电机低成本的优势以及在特殊的应用场合为了达到提高系统的安全可靠性，去掉位置传感器的要求，同步磁阻电机的无传感器控制得到了深入的研究。同步磁阻电机控制方案面临的两大问题，一方面表现为需要位置传感器。另一方面，同步磁阻电机因其磁路不同，磁饱和对d 轴与q 轴的影响差别很大，d 轴电感随电流而变化。如对d 轴电感作线性化处理将产生很大的误差。
4.1同步磁阻电机矢量控制
同步磁阻电机的矢量控制其主要的控制参数是定子电流矢量与 D 轴的夹角θ，基本的控制方法有
（1）最大转矩控制（MTC ）：当 /4θπ= 时，每安培电流能得到最大的转矩
（2）最大转矩变化率控制（MRCTC ）：当
1tan θξ-=可以实现最大转矩变化率控制，MRCTC 控制有着比 MTC 法更快的转矩变化率，但是当ξ 值很大时候 MRCTC 控制能得到的最大转矩很小。
（3） 最大功率因数控制（MPFC ）：由于功率因数直接关系到变频器的输出功率，故
好的系统要求有高的功率因数。当
=tan θ-时，最大功率因数控制得以实现 （4） 感应轴恒电流控制（CCIAC ）：D 轴电流保持不变，操作Q 轴电流以控制转矩。根据研究 CCIAC 法在低速的时候转矩变化响应比较快，但是随着速度的提高，转矩的响应速度下降，但是这种控制方法和永磁电机控制几乎一样，控制策略相对简单，易于实现。
其中 ξ =Ld /Lq 。可以看出，在最大功率因数控制（MPFC ）和最大转矩变化率控制（MRCTC ）中ξ 值的大小直接影响电机的各个性能，是控制的关键要素，而且这两种方法对于ξ 的变化都很敏感。但是Ld 和Lq 的值在电机运行期间，特别是饱和时会产生较大变化，不容易测准[22]。
基于以上这些基本的控制方法及其特点，关于同步磁阻电机矢量控制很多学者进行了深
入的研究。文献[23]介绍了一种同步磁阻电机的精确恒电流角控制技术。用有限元计算结果精确解耦d、q轴电流，并构建了基于TMS 320F240 芯片的数字控制系统。文献[24]提出了一种使同步磁阻电机获得最高效率的定子磁链定向矢量控制方案。考虑到电机低速运行时主要是铜损，高速运行时铁损又成为主要问题，而在给定速度和转矩下，电机损耗仅是定子磁链幅值的函数。通过实验可找出电机的最优运行点，电机在最优运行点附近具有最高效率。文献[25]提出了一种保持转矩与电流之比为最大值的矢量控制方案，当转矩与电流之比为最大值时铜损最小、效率最高。通过分析矢量控制下转矩和d轴电流的简单关系，在控制方案中通过转矩计算d轴电流的给定值。实验证明，在可接受的速度响应下，该方案能使定子电流最小，效率最高。文献[26]分析同步磁阻电机矢量控制系统磁饱和的影响，通过实测d、q 轴电流计算出d轴电流的优化值，对该优化值与实际值的偏差实行比例积分控制。采用这种控制方法能在相同运行条件下使定子电压和电流减小，从而提高电机效率和功率因数。文献[27]考虑同步磁阻电机电感和转矩依赖电机电流的非线性特点，把转矩特性分解成电流幅值和电流相位分别与最大转矩之间的关系，并把这两种关系用线性函数逼近，在实时控制时通过这两种线性函数计算d轴和q轴电流的参考值。与恒电流角控制相比，该方案具有更高的功率因数和效率。
4.2同步磁阻电机无位置传感器控制
同步磁阻电机的矢量控制依赖于转子位置信息，位置检测的准确性直接影响矢量控制的控制性能。然而高精度的位置传感器价格昂贵不利于减小成本，而且光电码盘，旋转变压器等位置传感器都对于应用场合有一定要求，会降低整个系统的可靠性。为此对于同步磁阻电机实现无位置传感器控制显得尤为重要。
在永磁同步电机的无位置传感器控制中位置估测技术有了广泛而深入的研究，这些研究对于同步磁阻电机的转子位置估测有很大的借鉴意义。将各种位置检测方法、适用范围以及优缺点可列成表1的形式[28]。
问题：1、宽调速范围内能够稳定运行且易于工程实现的无位置传感器控制方法2、减小电机系统参数以及负载变化对位置检测的影响。
目前国外关于同步磁阻电机无位置传感器控制的研究主要有：Kreindler, L.提出了通过定子电压三次谐波估测转子位置的方法，然而这种方法的低速表现差，最低频率只能到达2.7Hz[29]。Lagerquist, R., Boldea, I., 和Miller, T. J. E等人通过计算匝链磁通预估转子的位置实现同步磁阻电机无位置控制[30]，然而这种方法不适用于低速运行状态。为了提高低速性能，一些学者尝试用定子电流过零检测预测转子位置。但是你由于一个电周期只有6个过零点，需要使用外推算法才能获得连续的位置信息，而外推算法必然产生估计误差[31-32]。另一些学者提出来通过定子电流变化率测转子的位置，这种方法在低速情况下能取得较好的效果，然而随着转速的提高估测效果变差，需要提供一个关于转速和初始电流信号的补偿量，由于转速对于这种方法估测效果的影响是非线性的所以补偿起来很困难[33]。为了在宽调速范围实现无位置控制，台湾东南科技大学的林明灿等基于同步磁阻电机的动态模型提出了一种转子位置估测器。通过使用逆变器的零矢量使得定子电流变化率不受反电势的影响[34]。然而这种方法，需要一个低通滤波器对速度估算值进行滤波，滤波导致了延时。文献[35]对2001年之前的同步磁阻电机无传感器控制技术进行了总结。将其主要归为4类：1、基于定子电压和电流测量的负载角控制。2、定子磁链位置观测，这种方法通过定子电压积分或者提取电子电压三次谐波分量得到定子电压磁链信息，在低速时由于反电势很小这种方法将不再适合。3、基于转矩闭环的直接转矩控制。同样会存在低速时不准确的问题。4、相电感变化检测。这种方法不受速度的影响但是收到磁路饱和的影响较大。日本东方马达公司的松本建健和哈尔滨工业大学程树康教授等人提出了一种基于PWM载波频率成份的同步磁阻电机无位置传感器控制方法。在推导无位置传感器相关公式的基础上，构建了无位置传感器控制系统，并利用DSP实现了对同步磁阻电动机的基础上，构建了无位置传感器控制系统，并利用DSP实现了对同步磁阻电动机的无传感器控制。实验结果表明该方法能够准确地估计出同步磁阻电动机的位置,但是电机负载时由于磁路饱和的影响在位置估测时产生了6次谐波干扰[36]。台湾大学Wei, Ming-Yen、刘天华等人提出了双电流变化率位置估测方法，使得转子位置的估测不受电机参数的影响，通过实验证明了理论的可行性[37]。越来越多的学者考虑到单一方法的局限性，开始研究将几种位置估测方法结合形成混合无位置传感器控制方法。斯坦陵布什大学的科英布拉大学的学者将高频电流注入法和磁链观测法相结合的方法并且提出算法在两种方法之间平滑过渡，取得了整个调速范围的无传感器控制的较好效果[38]。
4.3 直接转矩控制
和传统的矢量控制相比，直接转矩控制直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，转矩的
动态响应快，不需要转子位置信息。除定子电阻外，不依赖于容易变化的其它电机参数，因而还对电机参数有较好的鲁棒性。直接转矩控制算法的这些优点，非常适用于同步磁阻电机。因此研究同步磁阻电机的直接转矩控制技术是一项非常具有实际意义的工作。
University Politehnica of Timisoara 的ION BOLDEA LOR′AND J′A NOSI和Aalborg University的FREDE BLAABJERG等人研究了常规直接转矩控制和电压空间矢量直接转矩控制相结合的同步磁阻电机控制技术，实现了负载波动时转矩快速跟踪，使得稳态情况下输出电流和转矩波动减小，但是他们的方法需要依赖于准确的转子位置信号进行坐标变换[39]。SHaghbin, 研究了逆变器开关模式对同步磁阻电机直接转矩控制性能的影响，引入零电压矢量减小转矩的模式能得到更好的控制性能[40]. MACCON GmbH 公司的Simon Wiedemann等人将DTC, DTC-SVM和FOC控制策略应用于同步磁阻电机时的相电流谐波、稳态转矩波动、转矩动态响应等方面进行了对比分析。通过Simulink仿真说明DTC-SVM相比于DTC和FOC应用于同步磁阻电机能够取得更小的谐波电流、更小的转矩波动和更好的动态转矩响应性能[41]。
华中科技大学辜承林教授课题组对ALA转子同步磁阻电机直接转矩控制进行了深入的研究通过四极ALA 转子电机的大量实验，证实了在直接转矩控制方式下，这种新型电机具有的良好起动特性、动态性能和快速响应能力；通过四极ALA 转子电机和两极ALA 转子电机的对比实验，验证了直接转矩控制方案对这类电机的适应性。通过ALA 转子电机在直接转矩控制方式下带机械阻尼器和不带机械阻尼器的对比实验，证实直接转矩控制方案能解决开环起动振荡和异步运行问题，电机不必借助阻尼器即可顺利完成起动和加减载过程[20]。2012年他们基于dSPACE平台实现了ALA转子电机的SVM-TDC控制，使得其转矩和磁链脉动减小[42]。
5同步磁阻电机的应用
随着电力电子技术的发展和永磁材料性能的提高在对控制性能要求较高的场合永磁同步电机得到了广泛的应用。但永磁同步电机存在温度限制过于严格，过载能力较差，难以弱磁控制等缺点。同时近几年来稀土资源消耗过快，未来极有可能面临紧缺，将阻碍永磁同步电机的发展。同步磁阻电机，转子上没有永磁体，成本更低，无弱磁难、高温失磁的问题，国内外许多单位对其进行了研究，以期待它在某些应用场合能够替代永磁同步电机的功能。几十年来的研究使得同步磁阻电机的本体结构得到了优化，凸极比可以提升到20以上，矢量控制和直接转矩控制等高性能控制算法结合一些先进的控制策略被应用于同步磁阻电机提升了同步磁阻电机的运行性能，使得它成为高性能的交流伺服电机产品之一。
5.1 同步磁阻电机在电动汽车中的应用
意大利帕多瓦大学的Morandin, M.等人提出将同步磁阻电机应用于电动汽车，以实现在气动时获得大转矩并且在发电运行时有很宽的调速范围。他们呢将一个由三相逆变器供电的同步磁阻电机直接连到电池组，将同步磁阻电机原型机放在一个混合试验台做实验验证了它的性能。实验结果显示在综合起动发电系统的所有工作点直流侧电压能够保持稳定，而且由于同步磁阻电机超强的过载能力和容错能力以及很宽的恒功率速度区，使得它非常适合在电动汽车中作为起动/发电机运行[43]。科英布拉大学的A. P. Gon?alve等人提出一种高性能的同步磁阻电机用于电动汽车牵引系统，应用考虑磁路饱和的最大转矩电流比控制在矢量控制方法中取得了很高的效率和动态性能[44]。俄亥俄州立大学蔡海伟等人的文章提出通过同步磁阻电机优化设计证明在电动汽车和电力牵引系统中取消永磁体的可行性。以一个典型的稀土永磁IPM电机作为基准，以提高转矩输出和减小转矩波动为目标对转子的叠压和磁路进行优化。实验结果表明经过优化后的同步磁阻电机能够达到基准IPM电机接近的性能
[45]。
5.2 同步磁阻电机作为发电机运行
东京工业大学的Fukao, T.等人在1986年提出了一种高速磁阻发电机系统，通过实验得到这种同步磁阻电机在24000rpm时发电效率达到85%，输出功率超过1.5KW[46]。Univ.,Cookeville 的Ojo, O.d等人在1994年提出将同步磁阻电机与高速涡轮机直接相连的发电机系统应用于飞机舰船等[47]。Univ. de La Frontera的Moncada, R.H等人在不考虑磁链饱和的情况下对Ld的影响的情况下，对同步磁阻电机建模。分析了同步磁阻电机作为发电机运行的原理，指出Id和Iq异号时发电。分析了同步磁阻电机作为发电机运行的几个限制条件。包括最大定子电流和最大磁链限制，无功功率限制，得到了发电机运行的运行区图（电流）。接着分析了不同速度区的控制策略。基速以下用最大功率电流比控制、或者为了避免磁链饱和用恒磁链控制（主要考虑铁损使电机工作在高效状态)；当电压达到额定电压时转换为弱磁控制；高速时转换为最大功率电压比控制，使电机发出更多的电能。并且仿真验证了他们的分析[48]。Chalmers University of Technology的P. Roshanfekr等人将相同体积的同步磁阻电机和一个5MW的IPM电机在风力发电的应用中进行对比，发现同步磁阻电机可以发出IPM电机74%的功率电能，并且重量只有它的80%。而且在额定功率时同步磁阻发电机的效率高达98.7%，很接近于IPM电机[49]。
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第2章永磁同步电机结构及控制方法 2.1 永磁同步电机概述 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它以永磁体提供的磁通替代后的励磁绕组励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。因而它是近年来研究得较多并在各个领域中得到越来越广泛应用的一种电动机。 永磁同步电动机分类方法比较多：按工作主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式；按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式；按转子上有无起绕组，可分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(既可用于调速运行又可在某以频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机)；按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。异步起动永磁同步电动机用于频率可调的传动系统时，形成一台具有阻尼(起动)绕组的调速永磁同步电动机。 永磁同步伺服电动机的定子与绕组式同步电动机的定子基本相同。但根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图 2-1(a)。因为永磁材料的磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴(q 轴)、直轴(d 轴)上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永磁铁安装在转子轴的内部，如图 2-1(b)，因此交轴的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 为了使永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转子的转速和位置。
关于1.5KW永磁同步电机控制器的初步方案 基于永磁同步电机自身的结构特点，要实现对转速及位置的伺服控制，采用矢量控制算法结合SVPWM技术实现对电机的精确控制，通过改变电机定子电压频率即可实现调速，为防止失步，采用自控方式，利用转子位置检测信号控制逆变器输出电流频率，同时转子位置检测信号作为同步电机的启动以及实现位置伺服功能的组成部分。 矢量控制的基本思想是在三相永磁同步电动机上设法模拟直流 电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流iq分量，并使两分量互相垂直，彼此独立。当给定Id=0，这时根据电机的转矩公式可以得到转矩与主磁通和iq乘积成正比。由于给定Id=0，那么主磁通就基本恒定，这样只要调节电流转矩分量iq就可以像控制直流电动机一样控制永磁同步电机。 根据这一思想，初步设想系统的主要组成部分为：主控制板部分，电源及驱动板部分，输入输出部分。 其中主控制板部分即DSP板，根据控制指令和位置速度传感器以及采集的电压电流信号进行运算，并输出用于控制逆变器部分的控制信号。 电源和驱动板部分主要负责给各个部分供电，并提供给逆变器部分相应的驱动信号，以及将控制信号与主回路的高压部分隔离开。 输入输出部分用来输入控制量，显示实时信息等。
原理框图如下： 基本控制过程：速度给定信号与检测到的转子信号相比较，经过速度控制器的调节，产生定子电流转矩分量Isq_ref，用这个电流量作为电流控制器的给定信号。励磁分量Isd_ref由外部给定，当励磁分量为零时，从电机端口看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机，磁通基本恒定，简化了控制问题。另一端通过电流采样得到三相定子电流，经过Clarke变换将其变为α-β两相静止坐标系下的电流，再通过park变换将其变为d-q两相旋转坐标系下电流Isq，Isd，分别与两个调节器的参考值比较，经过控制器调节后变为电压信号Vsd_ref 和Vsq_ref，再经过park逆变换，得到Vsa_ref和Vsb_ref作为SVPWM
电机控制应用场景与发展趋势 电机控制是指，对电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制，根据不同电机的类型及电机的使用场合有不同的要求及目的，对于电动机，通过电机控制，达到电机快速启动、快速响应、高效率、高转矩输出及高过载能力的目的。 行业发展到现在，要求把效率提得更高，这时候对马达的控制或驱动要求的精度就会高。据李志林介绍，原来我们很多家用产品，像空调、风扇或家里所有电器的风机，要么就是不用，要么就是全速运转，这种耗能驱动是粗放型的驱动。现在要求我们的控制要更精密，更节约能源，因为行业到了电机必须提升效率的转折点。 关于马达控制，目标就是提高效率。有了更优异的性能，在负载发生变化的时候，马达的响应提高了，能耗就能降下来。在便携式应用里，电池的使用寿命会更长，还会有更紧凑的外形设计和更少的能耗。 李志林表示，TI正尝试通过嵌入式智能技术控制功能来提高效率，有几种方法： 1、增加电机的控制算法。 2、采用数字速度及转矩控制环路，把原来粗放型控制的精度再提高。用智能模式还可以节约成本，加速产品上市的进程。 电机行业的趋势是无刷DC马达 谈及电机的技术趋势，李志林介绍到有刷DC马达是目前为止用的最好的电机，它的好处是控制起来非常简单，转子的转动惯量比较小。它将电刷固定在定子上，有两个探刷，让它接触转子上分成不同区域的转子上的线圈接线。这种架构有个不好的地方，它的电刷在每次换向的时候与转子换向器接触的时候会打滑，因为它有时候会绝缘，有时候会接触，会有火花。同时探刷与换向片会有摩擦，会有火花，所以有些应用是不能用的，它控制的精度比较有限。 而无刷的DC马达把永磁体在转子上，绕组在定子上，因此该电机没有电刷或转向器，这是目前应用最多，也是未来家电应用的趋势。 电机能源效率水平的提高对于能源节约、环境保护具有重要意义，各国纷纷制定了电机能效标准，并颁布法令强制执行。从长期发展趋势来看，低效、耗能的普通电机将逐步被环保、节能的高效电机所取代。 TI的电机发展方向 关于TI在电机方面未来的发展方向，李志林介绍会朝以下几个方向走： 1、嵌入式控制，比如无刷马达转的时候，我们会对转向，相位的侦测，有刷马达是通过探刷换相的，TRBC没有传感器，这时候侦测和控制功能都放在我们芯片内部。
题目：开关磁阻电机
开关磁阻电机 学习《特种电机及其控制》这门课程，这要介绍了无刷直流电机及其控制、开关磁阻电机及其控制系统、步进电机及其控制，其中我最感兴趣的开关磁阻电机。下面我将对我所了解的开关磁阻电机做一总结。 一、发展背景 开关磁阻电机是80年代初随着电力电子、微电脑和控制技术的猛烈发展而发展起来的一种新型调速驱动系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出优点，成为直流电机调速系统、交流电机调速系统和无刷直流电机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业界的广泛关注，目前开关磁阻电机已开始应用于工业、航空业和家用电器等各个领域。 开关磁阻电机的基本概念可追溯到19世纪40年代，1842年，英国的Aberdeen和Dafidson用两个U型电磁铁制造了由蓄电池供电的机车电动机。20世纪60年代，大功率晶闸管的出现为SR电机的研究发展提供了重要的物质条件。1967年，英国的Leeds大学开始对SR电机进行深入研究；直到1970年左右，研究结果表明：SR电机可以在单相电流下四象限运行，功率变换器无论是用晶体管还是用普通晶闸管，所需开关数都是最少的；电动机成本也明显低于同容量的感应电动机。20年代70年代初，美国福特公司研制出最早开关磁阻电机的调速系统，其结构为轴向气隙电动机，具有电动机和发电机运行状态和较宽范围调速的能力，适合于蓄电池供电的电动车辆的转动。1980年Leeds大学的Lawrenson教授及其同事总结出了自己的研究成果，发表了题为“Variable--Speed Switched Reluctance Motors”的论文，系统阐述了开关磁阻电机的基本原理与设计特点，并得出了新型磁阻电机的单位出力可以与交流感应电机相媲美甚至还略占优势的结论。1983年英国TASC公司推出了Oulton系列通用SRD调速产品，问世不久便受到了各国电气传动界的广泛重视。从1984年开始，我国许多单位先后开展了SRD研究，在借鉴国外经验的基础上，我国SR电机的研究发展很快。2000年，国内100KW以上的SR电机已应用于煤矿的采煤机，目前已将180KW的SR电机应用于地铁机车的牵引，应形成一些SRD系列商品，最
考试题型： 一、选择题（30分）； 二、判断题（20分）； 三、问答题（15分）； 四、计算题（15分）； 五、设计（电路图）（20分）。 一、选择题（30） 1、一台他励直流电动机拖动恒转矩负载，当电枢电压降低时，电枢电流和转速将( 3 )。 (1)电枢电流减小、转速减小 (2)电枢电流减小、转速不变(3)电枢电流不变、转速减小 (4)电枢电流 不变、转速不变 2、一台直流发电机由额定运行状态转速下降为原来的50%，而励磁电流和电枢电流保持不变，则( 1 )。 (1)电枢电势下降50% (2)电磁转矩下降50% (3)电枢电势和电磁转矩都下降50% (4)端电压下降50% 3、一台直流电动机起动时，励磁回路应该( 3 )。 (1)与电枢回路同时接入 (2)比电枢回路后接入 (3)比电枢回路先接入(4)无先后次序 4、定子三相绕组中通过三相对称交流电时在空间会产生( 2 )。 (1) 气隙磁场 (2)旋转磁场 (3)对称磁场 (4) 脉动磁场 5、热继电器是利用( 1 )来切断电路的保护电器。 (1) 电流的热效应 (2) 电流的磁效应 (3) 电压的热效应 (4) 速度 6、交流接触器上的短路环的作用是减少吸合时产生的( 1 )。 (1) 振动(2)热量 (3)磁场 (4)电流 7、长期带额定负载运行的交流接触器，其额定电流通常选( 3 )。 (1)小于负载额定电流 (2)等于负载额定电流(3)负载额定电流的1.3—2倍 (4)愈大愈好 8、已知一台异步电动机的额定转速n=970r/min，则该电动机的额定转差率SN为（ 3 ） （1） 0.01 （2） 0.02 （3） 0.03 （4） 0.04 9、一般对于经常起动的电动机来说，如果它的容量( 1 )就可以直接起动。 （1）小于供电变压器容量的20％（2）大于供电变压器容量的20％（3）等于供电变压器的容量（4）小于供电变压器容量的50％ 10、熔断器是用于供电线路和电气设备( 3 )保护的电器 (1) 过载 (2) 过流(3) 短路 (4) 过压 1、原理图中，各电器的触头都按 ( B ) 时的正常状态画出。 A.通电 B. 没有通电或不受外力作用 C.受外力 D 动作 2、热继电器是对电动机进行（C ）保护的电器。 A．过流 B. 短路 C. 过载 D 过压 3、三相异步电动机有一相断路而成单相运行时，则 ( A ) A 电流变大而输出转矩变小 B 电流和输出转矩都变大 C 电流和输出转矩都不变 D电流和输出转矩都变小 4、直流电动机的几种人为机械特性中，哪种的硬度不变？（ B ） A 电枢串电阻的人为机械特性 B 改变电枢电压的人为机械特性 C 减弱磁通的人为机械特性 D 以上三种都不是 5、下面对异步电动机降低定子电压的人为机械特性的描述，哪种是正确的？（C ） A 最大转矩Tm不变，临界转差率Sm不变B最大转矩Tm不变，临界转差率Sm变大 C 最大转矩Tm降低，临界转差率Sm不变 D 最大转矩Tm降低，临界转差率Sm变小
伺服电机控制技术的发展应用 摘要：伺服电机，准确的说：伺服系统是一类控制发动机转速，转角以及转速，然后将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求的一个系统，它的核心是控 制器，控制对象为伺服电机，以机械运动为驱动设备，执行机构是电力电子功率 表变换装置，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。本文主要 对伺服电机控制技术的发展应用进行探讨。 关键词：伺服电机；自动控制；应用 在工业4.0的新时期，人类对工业自动化的需求不断上升。在工业生产中所 需要进行的控制、组装、拼合、检测、校验、调度、优化和决策等各个环节，均 有提高产能、降低损耗、确保安全和保证质量的需要。工业自动化正是为实现上 述需求应运而生的一类综合性高新技术。在工业革命3.0时代，以电子计算机技 术应用为代表的高新技术极大推动了工业自动化的进程，伺服技术也承接着工业 革命3.0的浪潮飞速发展，在机械、电器、电子、石化、冶金、电力、交通、印刷、汽车、食品等行业起到巨大的促进作用。 与此同时，随着应用范围的不断扩大，伺服技术也得到长足的发展。狭义的 伺服技术仅限在电力电子技术、电机制造技术、大规模集成电路和微处理技术等 传统工业生产领域，而广义的伺服技术应用于传统与新型的各个行业。 1.伺服电机 当前在工业控制领域广泛使用的伺服电机是交流伺服电机，其主要包括转子 和定子两个组成部分。其中，转子部分的结构形式包括鼠笼形转子和非磁性杯行 转子两种形式。而常用的定子结构则是与旋转变压器的定子结构类似，通过在定 子铁心中设置相互垂直的两相绕组构成。根据转子结构的不同，可以将交流伺服 电机分为两种形式。其中，鼠笼转子交流伺服电机由转子铁心、轴和转子绕组构成；而非磁性杯形转子交流伺服电机的内定子则由环形的钢片叠放而成。 从当前市场应用情况来看，通常广泛使用鼠笼形转子伺服电机。这主要是因 为非磁性杯形转子工作过程中惯量小，轴承的摩擦阻转矩较小，而且转子之间不 存在齿槽，使得电机工作过程中没有齿槽啮合的现象，从而使得其转矩和输出功 率都较小。另外，杯形转子伺服电机的制造工艺复杂，可靠性相对较低，主要用 于十分平稳的场合。因此，本文以广泛应用的鼠笼形转子伺服电机为对象进行讨论。 2.伺服控制系统 2.1开环伺服系统 开环伺服系统不设置检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按装 置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电 机作为驱动器件，精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到 限制。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。所以开 环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型设备。 2.2半闭环伺服系统 半闭环伺服系统采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发 电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线 性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。定位精度与机械传动装置的
电机与控制技术复习题 一、填空题 1.直流电机具有可逆性，既可作发电机运行，又可作电动机运行。作发电机运行时，将机械能变成直流电能输出，作电动机运行时，则将电能变成机械能输出。 2.直流电动机根据励磁方式的不同可分为串励电动机、并励电动机、他励电动机和复励电动机。 3.直流电动机的机械特性是指电磁转矩与转速之间的关系。 4.自动空气开关常有的脱扣器有过电流脱扣、热脱扣、欠压脱扣。 5.时间继电器按延时方式可分为断电延时型和通电延时型。 6.直流电动机的电气制动按其产生电磁制动转矩的方法不同可分为再生制动、电阻制动、反接制动。 7.变压器的三大作用是改变电压、改变电流和变换阻抗。 8.直流电动机通常采用的起动方法有两种，即降低电源电压起动和在电枢回路中串电阻起动。 9.刀开关又称闸刀开关，在电路中起电源引入用，当和断路器配合使用时，接通电路应 先合刀开关后合断路器；分断电路时应先分断断路器后分断刀开关。 10.一台单相变压器，若一、二侧的匝数比为6，二次侧阻抗等于 5 欧姆，则反映到一次侧的等效阻抗为180 欧姆，一二次电流比为1/6 。 11.某三相异步电动机极对数P 为 3 ，接工频 380V 交流电源时，旋转磁场的转速为 __1000_____rpm 。 12. 并励直流电动机，当电源反接时，其中I a的方向反相，转速方向不变。 13. 变压器的一次和二次绕组中有一部分是公共绕组的变压器是自耦变压器。 14. 如将额定电压为220/110V 的变压器的低压边误接到220V 电压，则激磁电流将增大，变压器将烧毁。 15. 按异步电动机转子的结构形式,可把异步电动机分为_绕线式 _和 _笼型等类。 16 某步进电机采用 6 拍供电，电源频率为400HZ，转子齿数为40 齿，则步距角为° ____, 转速为 __100r/min____ 。 17. 交流伺服电动机常用的控制方式有幅值控制方式、相位控制方式、和幅值－相位控制方式。 18. 直流电机的换向极数安装在两相邻主磁极之间，其作用是改善换向。 19. 变压器的电磁感应部分包括电路和磁路两部分。 20. 热继电器在电路中作为_过载保护，熔断器在电路中作为 _短路 _保护。 电磁机构一般由感受部分、执行部分、灭弧机构等构成 二、选择题 1.下列电器中不能实现短路保护的是B。
Journal of Electrical Engineering 电气工程, 2016, 4(1), 55-62 Published Online March 2016 in Hans. https://www.doczj.com/doc/268252652.html,/journal/jee https://www.doczj.com/doc/268252652.html,/10.12677/jee.2016.41008 Speed Control Strategy of Switched Reluctance Motor Zhou Du1,2, Dingxiang Wu2,3, Lijun Tang1,2 1School of Physics and Electronic Sciences, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 2Hunan Province Higher Education Key Laboratory of Modeling and Monitoring on the Near-Earth Eletromagnetic Environments, Changsha Hunan 3Billion Set Electronic Technology Co, Ltd., Changsha Hunan Received: Mar. 1st, 2016; accepted: Mar. 19th, 2016; published: Mar. 24th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/268252652.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Aimed at research on starting mode and speed control of switched reluctance motor speed control system, a two-phase starting is adopted to start the electric, in order to increase the torque and reduce the torque ripple. A fuzzy adaptive PID control algorithm is proposed, and a switched re-luctance motor speed control system with STM32 + FPGA as the main controller is designed, ap-plying current chopping in low speed and angle position control mode in high speed, which has a certain effect on solving the problems of high overshoot, slow dynamic response and low accuracy. The experimental results show that the precision of the system speed is within 10 r/min, and the maximum overshoot is 15 r/min. Keywords Switched Reluctance Motor, Torque Ripple, Fuzzy Adaptive Tuning PID 开关磁阻电机速度控制 杜舟1,2，吴定祥2,3，唐立军1,2 1长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南长沙 2近地空间电磁环境监测与建模湖南省普通高校重点实验室，湖南长沙 3长沙亿旭机电科技有限公司，湖南长沙
电机调速控制技术发展现状及对比分析
目录 1不同电动机调速系统发展及对比 (2) 1.1 异步电机驱动系统 (2) 1.2无刷永磁同步电机驱动系统 (3) 1.3 新一代电机驱动系统 (4) 1.4 不同电机调速系统性能对比 (6) 2 永磁同步电机控制策略的发展现状 (7) 2.1 交流电机调速原理 (7) 2.2 电机调速方式 (8) 3 DTC技术的发展现状 (20)
电机调速控制是电机技术、电力电子技术、传感器技术、微电子技术、自动控制技术等多学科的交叉应用技术。这些学科的发展促进了运动控制技术的发展。其构成结构如图1所示。近十年来，主要发展交流异步电机和无刷永磁电机系统。与原有的直流牵引电机系统相比，具有明显优势，其突出优点是体积小，质量轻（其比质量为 0.5-1.0kg/Kw）、效率高、基本免维护、调速范围广。其研究开发现状和发展趋势如下。 图1.电机运动控制构成要素结构图 1不同电动机调速系统发展及对比 1.1 异步电机驱动系统 异步电机其特点是结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，低转矩脉动，低噪声，不需要位置传感器，转速极限高。异步电机矢
量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品（尤其在美国），但已被其它新型无刷永磁牵引电机驱动系统逐步取代。 最大缺点是驱动电路复杂，成本高；相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。 1.2无刷永磁同步电机驱动系统 无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场 结构，由于具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，在电动车辆牵引电机中是强有力的竞争者，已在国内外多种电动车辆中获得应用。 1)、内置式永磁同步电机 内置式永磁同步电机也称为混合式永磁磁阻电机。该电机在永磁转矩的基础上迭加了磁阻转矩，磁阻转矩的存在有助于提高电机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。内置式永磁同步电机驱动系统的设计理论正在不断完善和继续深入，该机结构灵活，设计自由度大，有望得到高性能，适合用作电动汽车高效、高密度、宽调速牵引驱动。这些引起了各大汽车公司同行们的关注，特别是获得了日本汽车公司同行的青睐。当前，美国汽车公司同行在新车型设计中主要采用内置式永磁同步电机。
2010－20XX年度第二学期《电机与控制技术》期末试题 班别：姓名：座号：评分： 一、填空题：（每空1分，共20分） 1、常用的低压电器是指工作电压在交流 V以下、直流 V以下的电器。 2、低压开关主要用于、以及和电路。 3、熔断器用于保护，热继电器用于保护，它们都是利用 来工作的。 4、触头系统按功能不同可分为和两类。 5、接触器可用于频繁通断电路，又具有保护作用。 6、画原理图时，控制电路、信号电路、照明电路要跨接在相电源线之间，依次画在主电路的侧，且电路中的耗能元件要画在电路的方，而电器的触头画在耗能元件的方。 7、降压启动是指利用启动设备将适当降低后加到电动机的定子绕组上进行启动，待电动机启动运转后，再使其恢复到正常运转。 二、选择题：（每小题1分，共10分） 1、低压开关一般为。 ａ、非自动切换电器ｂ、自动切换电器ｃ、半自动切换电器 2、功率小于电动机的控制电路仍可以采用HK系列刀开关。 ａ、5.5千瓦ｂ、7.5千瓦ｃ、10千瓦 3、HH系列刀开关采用贮能分合闸方式主要是为了。 ａ、操作安全、方便ｂ、减小机械磨损ｃ、缩短通断时间 4、用于电动机直接启动时，可选用额定电流等于或大于电动机额定电流的三极刀开关。 ａ、1倍ｂ、3倍ｃ、5倍 5、熔体的熔断时间与。
ａ、电流成正比ｂ、电流的平方成正比ｃ、电流的平方成反比 6、熔断器过载动作的物理过程体现了过载保护特性。 ａ、定时ｂ、瞬时ｃ、延时 7、熔断器的最小熔化电流必须额定电流。 ａ、等于ｂ、小于ｃ、大于 8、交流接触器短路环的作用是。 a、消除铁心振动 b、增大铁心磁通 c、减缓铁心冲击 9、交流接触器发热是主要的。 a、线圈 b、铁心 c、触头 10、热继电器主要用于保护电动机的。 a、短路 b、过载 c、温升过高 三、判断题：（每小题1分，共10分） 1、刀开关安装时，手柄要向上装。接线时，用电器接在上端，下端接电源线。（） 2、热继电器和过电流继电器在起过载保护作用时可相互替代。（） 3、欠电压继电器和零电压继电器的动作电压是相同的。（） 4、接触器除通断电路外，还具备短路和过载的保护功能。（） 5、所谓触头的常开的常闭，系指电磁系统通电动作后的触头状态。（） 6、接触器的电磁线圈通电时，常开触头首先闭合，继而常闭触头断开。（） 7、熔体的熔断时间与电流的平方成正比关系。（） 8、在装接RL1系列熔断器时，电源线应接在上接线座。（） 9、在同样电参数下，直流电弧要比交流电弧容易熄灭。（） 10、银质触头表面氧化膜对接触性能影响较大。（） 四、问答题：（每小题5分，共10分） 1、什么是过载保护？为什么电动机要采取过载保护？熔断器能否代替热电器来实现过载保护？为什么？
开关磁阻电机驱动系统的运行原理及应用（二） （低轴阻发电机参考资料） 1 引言 开关磁阻电机驱动系统(SDR)具有一些很有特色的优点:电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护，启动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好，在宽广转速和功率访问内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。这使得SR电机系统在家用电器、通用工业、伺服与调速系统、牵引电机、高转速电机、航空航天等领域得到广泛应用。 SR电机是一种机电能量转换装置。根据可逆原理，SR电机和传统电机一样，它既可将电能转换为机械能—电动运行，在这方面的理论趋于成熟;也可将机械能转换为电能—发电运行，其内部的能量转换关系不能简单看成是SR电动机的逆过程。本文将从SR电机电动和发电运行这两个角度阐述SR电机的运行原理。 2 电动运行原理 2.1 转矩产生原理 控制器根据位置检测器检测到的定转子间相对位置信息，结合给定的运行命令(正转或反转)，导通相应的定子相绕组的主开关元件。对应相绕组中有电流流过，产生磁场;磁场总是趋于“磁阻最小”而产生的磁阻性电磁转矩使转子转向“极对极”位置。当转子转到被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合(平衡位置)时，电磁转矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当
前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动;这样，控制器根据相应的位置信息按一定的控制逻辑连续地导通和关断相应的相绕组的主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运行;再根据一定的控制策略控制各相绕组的通、断时刻以及绕组电流的大小，就可使系统在最隹状态下运行。 图1 三相sr电动机剖面图 从上面的分析可见，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流方向无关，而仅取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电机的转向也发生改变。为保证电机能连续地旋转，位置检测器要能及时给出定转子极间相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，使srm能产生所要求的转矩和转速，达到预计的性能要求。 2.2 电路分析
永磁同步电机矢量控制 1 引言 永磁同步电机(PMSM)体积小，重量轻，转子无发热问题，具有损耗低、电气时间常数小、响应快等特点，因此在高控制精度与高可靠性等方面显示出优越的性能，永磁同步电动机调速系统正在成为近代交流调速领域中研究的一个热门课题。 2 基本原理 (1) PMSM 的数学模型 dq0 坐标系中，永磁同步电动机的基本电压方程通常可以表示为 d s d d q q s q q d u R i p u R i p ψωψψωψ=+-=++ 式中u d ，u q 为定子电压的直、交轴分量；R s 为定子绕组电阻；p 为微分算子；ω为电动机转子角频率。 定子磁链方程为 d d d f q q q L i l i ψψψ=+= 式中ψd ，ψq 为转子坐标系下直、交轴磁链；L d ，L q 为PMSM 的直轴、交轴电感；i d ，i q 为定子电流的直、交轴分量；ψf 为转子磁钢在定子上的耦合磁链。 永磁同步电机的转矩方程为 ()()33 22 e m d q q q m f q d q d q T p i i p i L L i i ψψψ??= -=+-?? 式中p m 为永磁同步电机的极对数。 (2) PMSM 的转子磁场定向控制策略 PMSM 的电磁转矩基本上取决于定子交轴分量和直轴电流分量，在矢量控制下，采用按转子磁链定向(i d =0)控制策略，使定子电流矢量位于q 轴，而无d 轴分量，既定子电流全部用来产生转矩，此时，PMSM 的电压方程可写为： d q q s q q d u u R i p ωψψωψ==++ 电磁转矩方程为： 3 2 e m f q T p i ψ= 此种控制方式最为简单，只要准确地检测出转子空间位置(d 轴)，通过控制逆变器使三相定子的合成电流(磁动势)位于q 轴上，那么，PMSM 的电磁转矩只与定子电流的幅值成正比，即控制定子电流的幅值就能很好地控制电磁转矩，此时PMSM 的控制就类似于直流电机的控制。图1给出PMSM 调速控制系统原理框图。
开关磁阻电机控制系统软件设计 开关磁阻电机SRM（Switched Reluctance Motor）是随着电力电子、微电脑和控制技术的迅猛发展而出现的一种新型调速系统，具有结构简单、运行可靠及效率高等突出优点，成为交流、直流和无刷直流电动机调速系统强有力的竞争者，引起各国学者和企业的广泛关注。 1 基本控制策略 开关磁阻电机基本控制策略主要包括电流斩波控制（CCC）、电压PWM 控制、角度位置控制（APC）三种控制策略。 电流斩波控制的优点是可限制电流峰值的增长，保护开关器件的安全，并起到良好有效的调节效果，因此适用于低速调速系统。当相电流超过约定的上限电流值时，则主开关关断，当相电流低于约定的下限电流值时，则组合开关开通，从而实现电流斩波控制效果。 电压PWM控制是通过调整占空比，来调节相绕组的平均电压，以改变相绕组电流的大小，从而实现转速和转矩的调节，电压PWM控制的特点是通过调节相绕组电压的平均值，进而能间接地限制和调节相电流，因此既能用于高速调速系统，又能用于低速调速系统，而且控制也较简单。 角度位置控制是指对开通角和关断角的控制。它的实质就在于输入电压保持不变而通过改变主开关的开通角和关断角来调节电流，以达到调节电机转矩的目的。角度控制的优点是转矩调节范围较大，可允许多相同时通电，以增加电机输出转矩，可实现效率最有控制和转矩
最优控制。 为了实现开关磁阻电机良好的调速性能，该软件设计采用以下组合控制策略，即电机基速以下运行时，采用电流斩波控制方式；在中低速下，采用电压PWM控制方式；而在高速运行时，采用角度位置控制方式。 2 软件设计 软件采用前后台系统作为软件框架，分为主程序和中断程序两部分，相较于现有控制系统软件设计中的多中断程序，该软件设计仅采用了一个定时中断，是程序更简洁，增加了程序的可读性及可移植性，同时也有利于程序的进一步扩充与完善。现有控制系统软件中多数使用多中断设计，其中包括计算电机转速使用的捕获中断，获取电机位置使用一路或两路外部中断，电流采样时使用的DMA中断，以及一至两个定时中断，这些中断不仅增加了程序的复杂性，同时也降低了软件的可靠性。 在软件设计中，重点和难点就是如何获得较好的斩波效果，而软件设计的好坏直接影响了斩波效果的好坏。在现有的软件设计中，一般是将各相电流通过ADC采样，再经DMA通道传输，同时产生一个DMA 中断，然后在一个定时中断（定时中断时间一般为50us至100us）中实现电流斩波。而这种设计会产生两个问题。其一，因为要实现其他功能，定时中断时间不能进一步缩短，而这对电流斩波而言，时间间隔又太长，以50us为例，电流可能会在50us的时间中上升40A。其二，DMA中断优先级要高于定时中断，这可能会导致定时中断的执
《电机及控制技术》教学大纲课程名称：电机及控制技术 课程类别：岗位核心能力课程 学分：6 学时：80（8学时/周，10周） 适用专业：电气自动化、工业控制、电机电器技术专业 一、课程性质与任务 课程的性质：本课程是根据学生认知规律和职业成长规律，以学生获得职业行动能力为目标，将工业自控设备操作员、工艺员、维护员、检修员、试验员所从事的机电设备的操作维护、检修、试验、故障排除等工作按照由简到繁、分层递进的思路，把人文素质培养和职业能力训练结合到项目载体中而设置的一门理实一体化的职业岗位核心能力课程。 课程的任务：为了提高学生选择、使用和维护变压器、电机及电气控制设备的能力；使学生理解变压器、电机的结构、基本工作原理，机械特性及运行特性，熟悉继电器——接触器控制电路的基本环节；掌握常用机床的电气控制的结构、原理及控制系统的设计、检修方法；熟悉新型电机、电器及电气控制设备的分析调试维护方法，培养学生分析生产实际问题和解决实际问题的能力，培养学生的团队协作、勇于创新、敬业乐业的工作作风。 二、教学目标 1、知识目标 ●熟悉常用变压器、电机、低压电器的工作原理、结构和使用方法； ●理解常用电动机的基本工作特性、机械特性； ●掌握电动机的起动、调速、制动的原理和方法； ●具有对电力拖动装置进行选择和简单计算的能力； ●具有对继电器——接触器控制典型电路工作原理及线路分析的能力。 ●具有设计较为简单的电气控制设备控制线路的能力。 ●掌握典型机床电气线路结构、工作原理，并初步具有理解安装、调试和
维护的方法能力。 2、能力目标 ●具有选择、使用、维护常用电机、变压器的专业技能； ●具有整定和选用常用低压电器的专业技能； ●利用电动机的起动、调速、制动的原理，能分析和排除控制线路故障的 专业技能； ●能利用基本控制环节进行一般电气控制系统的设计和安装的专业技能； ●具有对一般机床进行维修的专业技能； ●具有搜集专业资料、阅读资料和利用资料的专业能力； ●具有一定的自学和创新能力，具备作为电类专业人员必备的基本专业技 能。 3、素质目标 ●培养学生良好的分析问题和解决问题的专业素养； ●培养学生沟通协作、自主学习、模范带头、实干巧干、开拓创新、敬业 乐业的工作作风。 ●培养学生勤于思考、刻苦钻研、事实就是、勇于探索的良好品质。 ●培养电机及控制技术对应职业岗位必备的质量意识、守时意识和规范意 识，以提高学生的综合素质。 三、与前后课程的联系 1．与前续课程的联系 《电气安装的规划与实施》、《电工基础》培养了学生基本电路的分析、计算能力和常用电工仪器仪表的使用能力。 2．与后继课程的关系 为学生后续学习《电力电子技术及应用》、《PLC控制系统设计与维护》、《工业控制系统的运行与维护》等提供了必要的基础知识和专业技能。 四、教学内容与学时分配 为使学生掌握变压器、电动机的维护与检修及继电控制系统的运行维护等所需的知识与技能，本课程以变压器、直流电动机、三相异步电动机、运料小车电
开关磁阻电机 一、概述 开关磁阻电动机结构简单、可靠性高、恒转矩、恒功率而且调速性能好(覆盖功率范围10W～5MW的各种高、低速驱动调速系统)、价格便宜、鲁棒性好等优点引起了各国电气传动界的广泛重视，由其构成的调速系统兼有直流传动和普通交流传动的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无级调速系统。这种新型调速系统使开关磁阻电机存在许多潜在的领域，在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用。 开关磁组电机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在： (1) 电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。 (2)功率电路简单可靠。 (3)系统可靠性高。 (4)起动转矩大，起动电流低。典型产品的数据是：起动电流为额定电流的15％时， 获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定电流的30％时，起动转矩叮 达其额定转矩的250％。 (5)适用于频繁起停及正反向转换运行。 (6)可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少 有四种：相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。 (7)效率高，损耗小。以3kw SRD为例，其系统效率在很宽范围内都是在87％ 以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。 (8)可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。 二、开关磁阻电动机的结构 图1-1开关磁阻电机结构图
典型的三相开关磁阻电动机的结构如图1-1所示。其定子和转子均为凸极结构，图示电机的定子有8个极，转子有6个极。定子极上套有集中线圈，两个空间位置相对的极 上的线圈顺向串联构成一相绕组，图2-1中只画出了A相绕组；转子由硅钢片叠压而成，转子上无绕组。该电机则称三相8/6极开关磁阻电动机。在结构形式及工作原理上，开关磁阻电动机与大步距反应式步进电机并无差别；但在控制方式上步进电机应归属于他控式变频，而开关磁阻电动机则归属于自控式变频；在应用上步进电机都用作“控制电机”而开关磁阻电机则是拖动用电机，因此电机设计时所追求的目标不同而使电机的设计参数不同。 与反应式步进电动机相似，开关磁阻电动机是双凸极可变磁阻电动机。图1-1给出了以8/6极开关磁阻电机为例的结构原理图，图中仅给出了一相的绕组及外围功率开关电路，从这个结构原理图中可以清晰的看到，开关磁阻电动机是双凸极结构，其转子上没有任何形式的绕组，也无永磁体，而定子上只有简单的集中绕组，其中径向相对的两个绕组构成一相。电动机每一相中流过的电流是由外围功率开关电路中的开关根据转子位置的变化，进行相应的通断而获得的。 图1-1中给出的开关磁阻电动机是四相的，通常情况下开关磁阻电动机可以设计成多种不同相数的结构，如两相、三相、四相或更多相，当相数增加时其结构将变得更复杂，相应的外围电路所使用的器件也相应增加。开关磁阻电动机极数的设计也有多种形式，但是定、转子极数和相数要遵循一定的关系。即定子极数应为相数的2倍或2的整数倍； 而转子极数应不等于定子极数且一般转子极数少于定子极数但都是偶数极[2]。由于开关磁阻电动机相数与极数的设计，低于三相的电动机没有自起动能力，对于有自启动、四象限运行要求的驱动场合，应选用表1-1所对应的定、转子极数组合方案。 表2-1 开关磁阻电动机各种方案
永磁交流同步电机矢量控制理论基础 0、失量控制的理论基础是两个坐标系变换，这是每一个学习过交流调速的人应 该熟记的两种变换。介于目前市面上流行的各类书籍的这一部分总有些这里那里的问题（也就是错误）。为了自己不被误导，干脆自己推导一边，整理如下。所有的推导针对3相永磁同步电机的矢量控制。 1、永磁交流同步电机的物理模型。 首先看几张搜集的图/照片，图1~7： 现分别说明如下： a.图1~3可以看出电机定子的情况。我和大家都比较熟悉圆圈中间加个“叉” 或者“点”的定子，通过这几张图应该比较清楚地认识定子的结构了。 b.图1中留出4个抽头，其中一个应该是中线，但是，在伺服用的永磁同步 电机，只连接3根线的。 c.图2是一个模型，红蓝黄三色代表三相绕组，在定子齿槽中上下穿梭，形 成回路的。 d.定子绕线连接可以从图7很清楚地看到，从A进入开始，分别经过1（上）， 7（下），2（上），8（下），14（上），8（下），13（上），7（下），
13（上），19（下），14(上)，20（下），2（上），20（下），1（上）， 19（下）然后到X。一相绕组经过8个齿槽，占全部齿槽的1/3，每个齿 槽过两次，但每次方向是相同的。最后上上下下的方向如同图6所示。 e.三相绕组通电后，形成如同图6所示的电流分布，每相邻的6根是电流同 方向的。这样，如果把1和24像纸的里面拉，将这一长排围城一个圆， 则，1和7之间向里形成N（磁力线出）极的中心，12和13之间形成S （磁力线入）极的中心。这里，个人认为图6中的N、S分段有些错误， 中心偏移了，不知道是不是理解错误，欢迎指正，这图是我找的，不是我 画的，版权不属我：）。 f.同极磁场的分布有中心向两侧减弱的，大家都说是正弦分布，我是没分析 过，权且认同吧，如图5所示。 g.如图1同步电机的运转就是通过旋转定子磁场，转子永磁磁极与定子的磁 极是对应的N、S相吸，可以同步地运行。 h.实际电机定子槽数较多，绕线方式也有不同。旋转磁场的旋转是通过如图 6中的一个磁极6个齿槽一起向右/左侧移位 2、永磁同步电机数学模型 这才是本文的重点。学习这部分，先不要考虑电机，直接死记两种变换。 这两个变换都是定子侧的电流旋转，旋转的原则是，不论怎么变换都是其实都是一种假想的坐标系，一种变换游戏，都只有原始的三相绕线，通三相电流。 变换的目的是从中找出另外一个与电机转矩又直接关系的“状态量”——转矩电流，来控制转矩。实际矢量控制时，这一切变换都是在计算机里完成，最后又通过控制三相电流的，但此时的三相电流给定值可以保证这个“状态量”是我想要的那个数值。为什么非要变换？因为要对电机进行控制（速度控制），使电机按照你的意图运转，必须控制加到电机转子上的转矩，而转矩与三相电流之间的直接对应关系是没法直接写出来的，（如同质量与重量之间的关系，速度与位移之间的关系这么简单）。只有通过变换，才可以清楚地找出这个对应关系，其实， 图8定子静止三相到静止两图9 静止两相到旋转两相的变换
福建工程学院 研究生课程论文 课程名称电机及其系统分析教师姓名 研究生姓名 研究生学号 研究生专业电气工程 研究方向电力工程 年级一年级 所在学院信息学院 日期2016年01 月13日
评语
矢量控制技术的发展以及在应用中的改善 摘要：电机在很多场合得到了广泛的使用，因为它具有的独特优点，例如它为现代运动控制系统提供了一种具有诸多优点和适用广泛的装置。异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。在上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke 首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩问题。矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。 关键词：矢量控制,异步电机,解耦 ABSTRACT:In many occasions, the motor has been widely used because it has unique advantages, such as it provides a lot of advantages and is suitable for a wide range of modern device having the motion control system. Dynamic mathematical model of the induction motor is a high order, nonlinear, strongly coupled multivariable systems. In the 1970s, Siemens engineers F.Blaschke first proposed induction motor vector control theory to solve the problem of the AC motor torque. The basic principle of vector control is achieved by measuring and controlling asynchronous motor stator current vector, based on the principle of field-oriented asynchronous motor excitation current and torque current control, respectively, so as to achieve the purpose of control of induction motor torque. Key Word ： Vector control ，Induction motor ，Decoupling 0、序言 异步电动机的数学模型是一个极其复杂的模型。总的归结起来可以异步电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统[1]。而且在研究三相异步电动机的复杂的数学模型中，我们常常会做出以下几方面的假设。第一，我们往往会忽略空间谐波。第 二、忽略磁路饱和。并且假设它们的自感和互感都是线性的。第三、忽略铁芯损耗。第四、不考虑频率和温度对绕组的影响。由于感应电动机的励磁和电枢都是同一个绕组，所以转矩和磁链之间就相对比较复杂。电磁转矩的物理表达式为 22?φCOS I C T T e = 可以知道感应电动机各个参量相互耦合，这也是感应电动机难以控制的根本原因[2]。由于矢量控制具有转矩控制的线性特性，控制效率很高，调节器的设计也比较容易实现。而且，速度的调节较宽在接近零转速时仍然可以带动额定负载运行，具有良好的起制动性能，所以矢量控制技术才会被人们慢慢的所利用[3]。异步电机数学模型的电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程如下： 电压方程：