运动控制系统试题库

目录

㈠直流调速系统（复习）

P4

㈡沟通调速系统（回首）

P9㈢沟通异步电动机变频调速的理论基础P13㈣交流异步电动机矢量变换控制P17㈤交流异步电动机直接转矩控制P20㈥PWM和SPWMP31㈦双馈调速和内反馈P36㈧绕线

转子

异步

电动

机串

级调

速系统

P42㈨无

速度传

感器

调速

系统

P46

㈩同步电机变频调速系统

P52(十一)开关磁阻电动机调速控制技术

P56十(二)双定子电机调速系统

P75(十三)直线电机调速系统

P82一、复习：直流调速系统

问题1-1：电机的分类？

①发电机（其他能→电能）直流发电机

3沟通发电机

②电动机（电能→其他能）直流电动机：有换向器直流电动机（串励、并励、复励、他励）

无换向器直流电动机（又属于一种特其他同步电动机）

沟通电动机：同步电动机

异步电动机：鼠笼式

绕线式

：伺服电机旋

转变压器

控制电机自整角机

力矩电机

测速电机

步进电机（反应式、永磁式、混淆式）

问题1-2：权衡调速系统的性能指标是哪些？

①调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin②静差率S=△nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（D大S小）时，只能

用闭环调速系统。

③和负载般配情况：

一般要求：恒功率负载用恒功率调速，恒转矩负载用恒转矩调速。

问题1-3：请比较直流调速系统、沟通调速系统的优缺点，并说明此后电力传动系统的发展的趋势.

直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现圆滑调速，起动、制动性能好，过载转矩大，可靠性高，动向性能优秀。缺点：有机械整流器和电刷，噪声大，保护困难；换向产生火花，使用环境受限；构造复杂，容量、转速、电压受限。

沟通电机调速系统（正好与直流电机调速系统相反）优点：异步电动机构造简单、牢固耐用、保护方便、造价廉价，使用环境广，运转可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。大

量被用来拖动转速基本不变的生产机械。

缺点：调速性能比直流电机差。

发展趋势：用直流调速方式控制沟通调速系统，达到与直流调速系统相媲美的调速性能；或采用同步电机调速系统.

问题1-4：直流电机有哪几种？直流电机调速方法有哪些?请从调速性能、应用途合和优缺点等方面

进行比较.哪些是有级调速？哪些是无级调速？

直流电动机中常有的是有换向器直流电动机，可分为串励、并励、复励、他励四种，无换向器直流电动机属于一种特其他同步电动机。

依照直流电机的转速nU公式，调速方法有变压调速、变电阻调速和变转差率调速。IRKe调压调速：调治电压供电电压进行调速，适应于：U≤Unom，基频以下，在必然范围内无级圆滑调速。弱磁调速：无级，合用于Φ≤Φnom，一般只能配合调压调速方案，在基频以上(即4电动机额定转速以上)作小范围的升速。

变电阻调速：有级调速。变转差率

调速：无级调速。

问题1-5：带有比率调治器的单闭环直流调速系统，若是转速的反应值与给定值相等，

则调治器的输出为（

A）

问题

A、零；

C、小于零的定值；

1-6：什么是调速范围D？什么是静差率

B、大于零的定值

D、保持本来的值不变

S，两者的关系怎样？用什么方法能够使调速系统知足

D大

S小的控制要求？

①调速范围

D=nmax/nmin=nnom/nmin

②静差率

S=△

nnom/n0*100%对转差率要求高，同时要求调速范围大（

D大

S小）时，只能

用闭环调速系统。问题

1-7：直流调速系统用的可控直流电源有：旋转变流机组（

G-M

系统）、静止可控整流器（

V-M

系统）、直流斩波器和脉宽调制变换器（

PWM）。

名词讲解1-8：G-M系统V-M系统PWMPFM

①G-M系统：沟通电动机拖动直流发电机G实现变流，由直流发电机给需要调速的直流电动

机M供电，调治G的励磁电流及改变其输出电压，进而调治M的转速。

优点：在赞同转矩范围内四象限运转。缺点：设施多，体积大，费

用高，效率低，有噪音，保护不方便。

②V-M系统：晶闸管，工作在相位控制状态，由晶闸管可控整流器V给需要调速直流电动机

M供电，调治触发装置GT的控制电压来搬动触发脉冲的相位，即可改变整流器V的输出电压，从

而调治直流电动机M的转速。

优点：经济性和可靠性提升，无需另加功率放大装置。快速性好，动向性能提升。缺

点：只赞同单向运转；元件对过电压、过电流、过高的du/dt和di/dt十分敏感；低速

时易产生电力公害：系统功率因数低，谐波电流大。PWM：脉冲宽度调制(PWM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；这样经过改变晶闸管的导通时间（即调占空比ton）便能够调治电机电压，进而进行调速。PWM调速系统优点：系统低速运转平稳，调速范围

较宽；电动机耗费和发热较小；系统快速响应性能好，动向抗扰能力强；器件工作早开关状态，主

电路耗费小，装置效率较高。PWM调速系统应用：中、小功率系统

④PFM脉冲频次调制(PFM)，晶闸管工作在开关状态，晶闸管被触发导通时，电源电压加到电

动机上；晶闸管关断时，直流电源与电动机断开；晶闸管的导通时间不变，只改变开关频次f或开关周期T（即调治晶闸管的关断时间t0ff）便能够调治电机电压，进而进行调速。5

问题1-9：哪些是控制系统的稳态性能指标、牢固性指标和动向性能指标？①稳态性能指标是：调速范围D=nmax/nmin=nnom/nmin和静差率S=△nnom/n0*100%②稳

定性指标：柏德图（对数幅频特点和对数幅频特点）

典型Ⅰ型系：对数幅频特点以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线，只有保证足够的中频带宽度，

系统就必然是牢固的，且有足够的牢固裕量。γ=90°-tg-1ωcT>45°典型Ⅱ型系统：对数幅频特点以－20dB/dec的斜率穿越零分贝线。γ=180°-180°+tg-1ωct-tg-1ωcT=tg-1ωct-tg-1ωcT③动向性能指标分跟从性能指标和抗扰性能指标：

跟从性能指标上涨时间：在典型的阶跃响应跟从过程中，输出量从零起第一次上涨到稳态值所经过的时间（有些教材定义为10%--90%）

超调量：在典型的阶跃响应跟从过程中，输出量高出稳态值的最大偏移量

与稳态值之比。

调治时间：又称过分过程时间原则上是系统从给定量阶跃变化到输出量完满牢固下来的时间。一般在阶跃响应曲线的稳态值周边，

取±5%（或±2%）的范围作为赞同误差。抗扰性能指标：动向降

落：在系统稳准时，突加一个约定的标准的扰动量，在过分过程中惹起的输出量最大降落值。

恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到输出量基本恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准量的±5%（或±2%）范围之内所需的时间。

问题1-10：转速、电流双闭环调速系统的起动过程特点是、和。

①饱和非线性控制

ASR饱和，转速环开环，恒值电流调治的单闭环系统；ASR不饱和，转速环闭环，无静差调速系统.②准时间最优控制：恒流升速可使起动过程尽可能最快.

③转速超调：只有转速超调才能使ASR退饱和.

问题1-11：转速、电流双闭环调速系统中，

转速环按典型Ⅱ型系统设计，抗扰能力强，稳态无静差。电流

环按典型Ⅰ型系统设计，抗扰能力

稍差，超调小。

问题1-12：无静差调速系统的调治器中P部份的作用是（D）

A、除去稳态误差；B、不能够除去稳态误差也不能够加快动向响应

C、既除去稳态误差又加快动向响应；D、加快动向响应6问题1-13：转子地点检测的方法有哪几种？选择其中1～2种进行阐述它们的工组原理和特点及其应用途合？

①自整角机(角位移传感器，成对应用：发送机与指令轴相连，接收机与履行轴相连)

②旋转变压器(一种特制的两相旋转电机，在定子和转子上各有两套在空间上完满正交的绕组。

当转子旋转时，输出电压与转子角呈必然的函数关系，主要作角度传感器)。

③感觉同步器(圆形感觉同步器用来测角位移，用于转台(立式车床)的角度数字显示和精准立

位。

直线式形感觉同步器用来测直线位移，安装在拥有平移运动的机床上(式车床)，用来测量刀架的位移并组成闭环系统。

④光电编码盘分增量式绝对式两种

（增量式光电编码盘实质是一个光电脉冲发生器和一个可逆计算器）

（绝对式光电编码盘则是经过读取码盘的图形来表示轴的地点，码制可选二进制、二-十进制（BCD码）、和循环码（格雷码）

同轴齿轮在电机地点检测是应用很多。

详尽工作原理见(陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.机械工业初版社)P154-163问题1-14：什么是检测误差、原理误差和扰动误差？哪些无法战胜？哪些能战胜？

①检测误差：由检测产生的误差，它取决于检测元件自己的精度，地点随动系统中常用的地点检测元件如自整角机、旋转变压器、感觉同步器等都有必然的精度等级，系统的精度不能能高于所用地点检测元件的精度。检测误差是稳态误差的主要部分，这是系统无法战胜的。

②原理误差：又称系统误差，它是系统自己的构造形式、系统特点参数和输入信号的形式决

定的，Ⅰ型系统只对地点输入是无静差的随动系统（一阶无差系统）；Ⅱ型系统对地点输入和速

度输入都是无静差的随动系统（二阶无差系统）。

③扰动误差分负载扰动、系统参数变化、噪声搅乱三种。

负载扰动（恒值负载扰动和随机性负载扰动），在抵挡负载扰动能力方面，Ⅱ型系统比Ⅰ型系统好。

系统参数变化（放大器零漂、元件老化、电源电压颠簸等）

负载扰动和系统参数变化都作用在系统的前向通道上，可经过闭环予以控制。

噪声搅乱（经检测装置混入系统，一般多为高频成分，其频谱与输入信号频谱不重叠，可滤除，但影响快速性和系统动向精度）

问题1-15：地点随动系统解决的主要问题是什么？试比较地点随动系统与调速系统的异同。

①地点随动系统解决的主要问题是实现履行机构对地点指令（给定量）的正确追踪。随动系一致般称伺服系统

②地点随动系统与调速系统的同样点：两者的控制原理同样，它们都是反应控制系统，即经过对系统的输出量与给定量进行比较，组成闭环控制。

③地点随动系统与调速系统的相异点：调速系统的给定量是恒值，不论外界扰动情况怎样，希望输出能够牢固，所以系统的抗扰性

能显得十分重要。地点随动系统中的地点指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量正确追踪给定量的变

化，输出响应的快速性、灵便性、正确性成了地点随动系统的主要特点。7地点随动系统在构造上经常比调速系统复杂一些。地点随动系统能够在调速系统的基础上增加一个地点环，地点环是地点随动系统的主要构造特点。

问题1-16：什么是串联校正、并联校正和复合控制？试举例说明它们的使用途合。

①串联校正（调治器校正），采用D校正的单地点环随动系统，能够获取较高的截止频次和对

给定信号的快速响应，构造简单。由于不使用测速机，进而除去了测速机带来的搅乱，但反过来又

使摩察、空隙等非线性因素不能够很好地碰到控制。负载扰动也必定经过地点环进行调治，没有快速

的电流环实时补偿而使动向误差增大。同时D调治器是采用比率微分超前作用来抵消调治对象中的

大惯性，属于串联校正，常会因放大器的饱和而削弱微分信号的补偿强度，还会因控对象参数变化

而丧失零极点抵消的收效。所以单地点环的随动系统仅合用于负载较轻，扰动不大，非线性因素不

太突出的场合。

②并联校正

在调速系统中引入被调量的微分负反应是一种很有效的并联校正，在随动系统中经常采用这种并联校正，有助于控制振荡、减小超调，提升系统的快速性。

在地点随动系统中转速微分负反应的并联校正比转速反应的并联校正好，由于它不需增大K1便能够保证原有的稳态精度，而快速性同样能够获取必然程度的提升，只碰到小时间常数及测速发

电机信号中噪声搅乱的限制。

③复合控制

当随动系统输入信号的各阶导数能够测量或许能够实时计算时，利用输入信号的各阶导数进行前馈控制组成前馈控制（开环控制）和反应控制（闭环控制）相联合的复合控制，也是一种提升系统稳态和动向质量指标的有效路子。

二、回首：沟通调速系统

问题2-1：沟通调速技术惹起人们宽泛重视的原因是什么?

沟通电动机优点，20世纪30年月，沟通调速系统存在问题，70年月电子技术发展，高性能沟通调速技术的不停涌现：矢量变换控制、直接转矩控制、无速度传感器控制系统、数字化技术等，

非线性解耦控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制等新的控制策略不停推进。问题

2-2：简述异步电机的工作原理。

三相异步电动机的定子通入对称三相电流产生旋转磁场→与静止的转子有相对运动产生感觉电动势→转子导体有感觉电流→转子导体带电导体在磁场中受电磁力的作用两边同时碰到电磁力的作用，产生电磁力矩→转子转动→带动生产机械运动。

→

→

问题2-3：设异步电动机运转时，定子电流的须率为f1，试问此时定子磁势F1、转子磁势F2是多少？8请画出异步动电机的等效电路，并按频次折算(折算前后磁动势不变)和绕组折算(折算前后电机内部的电磁性能和功率不变)对有关参数进行折算，最后得出T形效电路。

问题2-4：请写出异步电动机的电磁关系。定子输入功率：P1=Pm+Pcu1+Pfe定子铜耗：Pcu1=3I12R1定子铁耗：PFe=PFe1=3I12R效率=输出功率P2转子铜耗：P=3I’2R’电磁定子输入功率P1cu222功率：Pm=Pout+Pcu2机械耗费：P附加耗费：P’sf轴上输出功率：Pout=P2+PsP’f输出功率：P2

问题2-5：常用的异步电动机调速有哪些？哪些属于转差功率耗资型？哪些属于转差功率不变型？

哪些属于转差功率回馈型？

①异步电动机调速方法有：降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速、变频调速等。②

降电压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速属于转差功率耗资型

③串级调速属于转差功率回馈型

④变极调速、变频调速属于转差功率不变型。问题

2-6：变极调速方法对笼型与绕线式电动机可否都合用，为什么

?

变极调速只合适于自己具备改变极对数的笼型电动机（双速电动机、三速和四速电动机）

们能够经过改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来达成调速，绕线式电动机一般采用转子传电

阻或串级调速。

问题2-7：采用改变电动机极对数的方法调速时，改变极对数时，可否只需改变电动机定子绕组的

，它

联系方式便能够了，还需要注意什么问题？

采用改变电动机极对数的方法调速时，改变极对数时，除了需要改变电动机定子绕组的联系方式外，还应注意保持电源的相序不变，即：要对换电源端子。

如：变极前：A→0B→240℃C→480℃（120℃）

变极后：A→0B→120℃C→240℃与变极前不一致。应付换B、C两相，以保证变极前后的电源相序一致。

问题2-8：请简述沟通异步电动机变极调速的工作原理，并说明其特点和应用途合。

变极调速是经过改变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差耗费的高效调速方式。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来达成的（双速电动机、三速和四速

电动机）这种改变极对数来调速的笼型电动机，平常称为多速感觉电动机或变极感觉电动机。

9缺点：有级调速，而且调速级差大，进而限制了它的使用范围。特点：拥有较硬的机械特点，牢固性优秀；无转差耗费，效率高；接线简单、控制方便、价钱

低；有级调速，级差较大，不能够获取圆滑调速；能够与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获取

较高效率的圆滑调速特点。变极调速合适于：按2～4档固定调速变化的场合，（不需要无级调速的生产机械），如金属切削机床、起落机、起重设施、风机、水泵等。

问题2-9：晶闸管沟通调压调速系统中，对触发脉冲有何要求，为什么？

晶闸管沟通调压调速系统中，要求用宽脉冲、双窄脉冲或脉冲列触发，以保证可靠换流，防备直通。

晶闸管是半控器件，只需要用脉冲触发其导通，不需要控制其关断。

问题2-10：请简述沟通异步电动机定子调压调速的工作原理，并对三种常用的调压方法进行说明。

当改变电动机的定子电压时，能够获取一组不同样的机械特点曲线，进而获取不同样转速。调压调速的主要装置是一个能供给电压变化的电源。当前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最正确。

调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制。调压过程中转差功率以发热形式耗资

在转子电阻中，效率较低。调压调速一般合用于100KW以下的生产机械。①经过改变自耦变压

器变比，来改变电机电压，进而进行调速。②经过改变直流励磁电流来控制断念的饱和程度，改

变沟通电抗值，改变电机电压，实现降压调速。饱和，沟通电抗小，电机定子电压高。③经过控

制晶闸管的导通角，来调治电动机的端电压，进而进行调速。

问题2-11：在沟通异步电动机变压调速系统中，怎样解决调速范围小和机械特点软的问题？在沟通

异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，所以最大转矩降落好多，械特

性曲线软，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或许在绕线式电动机上串联频敏电阻。

为了扩大牢固运转范围，当调速在2：1以上的场合应采用反应控制以达到自动调治转速目的。

问题2-12：沟通调速的主要应用领域有哪些？

已普及公民经济各部门的传动领域：

⑴冶金机械①轧钢机主传动（大容量、低转速、过载能力强，交交变频调速取代直流调速。

②高炉热风炉鼓风机。

⑵机车牵引：电气机车、电动机车等（不用耗汽油、不排废气、噪声小，将燃油机车改电动机车）。

⑶数控机床：主传动（调速范围宽、静差率小）、进给传动（输出转矩大、动向响应好、定位精度高）采用沟通传动，异步电动机或同步电动机取代直流电动机。

⑷矿井提升机：交交变频电源供电（优秀的调速性能和地点控制以获取平稳、安全的制动运转，除去失控现象，提升可靠性。

⑸起重、装卸机械：环境恶劣、频频快速启动和调速。

⑹原子能及化工设施：使用条件恶劣要求调速范围宽。

⑺建筑电气设施：空调系统、电梯传动、供水系统等。

⑻纺织、食品机械：纺织卷绕机、肉类搅拌机等。

问题2-13：请简述自耦调压器调速的工作原理，并说明其优缺点。10在沟通异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，经过改变自耦变压器变比，来改变电机电压，进而进行调速。自耦调压器调速能够实现无级调速，但启动转矩也与电压平方成正比，所以只能合适空载启动或许轻载启动。自耦调压器调速构造简单，但性能指标和经济指标都不高，常用于特殊效功率场合。

问题2-14：请简述串饱和电抗器调压调速的工作原理，并说明其优缺点。

在沟通异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，经过改变直流励磁电流来控制断念的饱和程度，以改变串接在定子回路中的沟通电抗值，进而调治电机定子绕组上获取的电压，实现降压调速。如断念饱和，沟通电抗小，电机定子电压高，电机升速。反之则电机减速。

串饱和电抗器调压调速控制简单，但电磁装置太粗笨。

问题2-15：请简述晶闸管调压调速的工作原理，并说明其优缺点。画出几种晶闸管主电路的连结方

法，指出他们各自的特点。

在沟通异步电动机变压调速系统中，由于电动机的转矩与电压平方成正比，经过控制晶闸管的导通角，来调治电动机的端电压，进而进行调速。

优点：保护方便，噪声小，能够四象限运转。

缺点：电网输入电压为正弦波，但输出电压不为正弦波，谐波大，功率因素低，机械特点软。

解决方法：采用闭环系统。

①三相分支双向控制绕组Y连结：

特点：用双脉冲或许宽60°脉冲触发晶闸管SCR，输出含有奇次谐波，绕组Y连结。

如电机绕组带中线，可消取三次谐波电流，

但仍旧存在其他次谐波，产生脉动转矩和附加耗费。

与其他接法对照，此接法谐波重量最小。

②三相分支双向控制绕组△连结：特点：

用双脉冲或许宽60°脉冲触发SCR，

输出含有奇次谐波，绕组△连结。有其他的高

次谐波，产生脉动转矩和附加耗费。

③三相分支单向控制绕组Y连结：特点：每一相制用一个用晶闸管和一个二极管反并联，

能够降低成本，但各相波形不对称，输出含有偶次谐波，降低了运转性能，所以只用于小容量装置。

④三相△形双向控制绕组△连结特点：晶闸

管串接在相绕组回路中，在同样容量下，晶闸管

承受的电压高而电流小，

合适于电机绕组△连结的情况。

⑤三相零点△连结，单向控制特点：电

路简单，晶闸管放在负载后边，

能够减小电网浪涌电压对它的冲击，但由于是单向控制奇次、偶次谐波都存在，运转效率稍低。

只合适于小容量电机。11

问题

2-16：请简述转差离合器调压调速的工作原理，并说明其优缺点。

电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。

①电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。

②电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；

③磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直

流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动

机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，所以使电枢感觉产生涡流，此涡流与磁通互相作用产生转

矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，

改动转差离合器的直流励磁电流，即可改变离合器的输出转矩和转速。

电磁调速电动机的调速特点：装置构造及控制线路简单、运转可靠、维修方便；调速圆滑、无

级调速；对电网无谐影响；速度失大、效率低。本方法合用于中、小功率，要求圆滑动、短时低速

运转的生产机械。

问题2-17：请简述绕线式异步电动机转子串电阻调速的工作原理，并说明其优缺点。

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运转，

串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设施简单，控制方便，但转差功率以发热的形式耗资

在电阻上。属有级调速，机械特点较软。三、沟通异步电动机变频调速的理论基础

问题3-1：在电动机调速时，为什么要保持每极磁通量为额定值不变？对直流电机和沟通异步电机，Eg分别采用什么方法使电机每极的磁通恒定？Φm=Kf1异步电机的气隙磁链在每相定子中的感觉电动势Eg=4.44f1N1kN1Φm

若是使Eg/f1=K气隙磁链保持不变，要保持直流电机的磁通恒定，由于其励磁系统是独立的，只需对电枢反应的补偿合适，简单做到保持磁通恒定。要保持沟通异步电机的磁通恒定，必定采用恒压频比控制。

问题3-2：沟通异步电动机的恒压频比控制有哪三种方式？试就其实现难易程度、机械特点等方面

进行比较。Eg/f1=K，气隙磁链在每相定子中的感觉电动势/输入频次为恒值，机械特点非线性，难实现，加定子电压补偿的目标，改良低速性能。Tmax，m与频次没关，机械特点平行，硬度同样，类似于直流电动机的降压调速，属于恒转矩调速。U1/f1=K，定子相电压/输入频次为恒值，U1定子相电压，机械特点非线性，易实现。f1凑近额定频次时，Tmax变化不大，f1的降低，Tmax变化较大，在低速时甚至拖不动负载。实质上U1/f1=常数，由于频次很低时定子电阻耗费相对较大，UnE2/f1=K12U1/f1=K不能忽略，故必定进行定子电压补偿。U1/f1=KEg/f1=E2/f1=K，转子磁链在每相定子中的感觉电动势/输入频次带定子电K为恒值，E2转子磁链在每相定子中的感觉电动势压补偿的Tf（忽略转子电阻耗费）转子磁链恒值，机械特点线性，稳态性能和动向性能好，最难实现。这是矢量控制追求的目标。

问题3-3：沟通异步电动机变频调速系统在基速以上和基速以下分别采用什么控制方法，磁通、转矩、功率表现怎样的变化规率？并请用图形表示。φφmUnT恒磁通调速（基频以下）U1/f1=常数，并补偿定子电阻耗费。U1恒功率调速（基频以上）高升电源电压时不同样意的，0fnn在频次上调时，只能保持电压不变。频次越大，磁通就越小，近似于直流电动机的弱磁增速。

问题3-4：正弦波恒流供电时沟通异步电动机变频调速系统的机械特点有何特点？①与恒压频比控制的机械特点相像，有空载转矩点和最大转矩点，

②恒流机械特点的最大转矩与ω1没关，

恒流变频时最大转矩不变，但改变定子电流时，最大转矩与电流的平方成正比。

③由于Lσ1＜＜Lm，所以恒流机械特点的线性段

比恒压机械特点较平，而且最大转矩处很尖。

④恒流特点限制了定子电流I1，而恒压供电时随着转速n降低电流I1会不停增大。

UI1a,ω1an1aI1b,ω1b,ωI1a,ω1b

1bf0

I1>I1b,1a>ωT

ω

所以额定电流时T∣I1=cont比额定电压时T∣v1=cont小得多。但这其实不影emaxemax响恒流控制得系统担当短时过载能力。由于过载时加大定子电流，以产生更大得转矩。

问题3-5：沟通异步电动机变频调速系统的控制方式有恒磁通控制、恒功率控制和

恒电流控制三种，其中恒磁通控制又称恒转矩控制。

问题3-6：若是在沟通异步电动机变频调速系统采用恒转矩控制时，出现励磁电流急剧增加的现象

（实质上时由于电压补偿过多），致使系统不能够正常工作，应采用的解决方法有：合适增加定子电压U1和在开环系统上加电流负反应，以便限制定子励磁电流，（实质上，变

为

恒转矩负载加恒电流控制）。问题3-7：已知一台异步电动机参数以下：PN＝3KW，U1N＝380V，I1N=7.5A，nN=1450r／min，电枢绕组电阻R1＝1.5，R2＝0.823。定子漏抗1L=0.0038H，转子漏抗2L’＝0.00475H，励磁电感Lm＝0.0968H，励磁电阻Rm＝1.49，试计算：①在U1/f1=C方式控制下，f1=5Hz时U1=?②在Temax=C方式控制下，f1=5Hz时U1=?在f1=5Hz时，U1/f1=C方式控制下，Temax=?在f1=50Hz时，U1/f1=C方式控制下，Temax=?解：①U1/f1=C方式下，U1/f1=U1P/f1N=C相电压U1=（f1/f1N）×U1N=(5/50)×380/3=22伏②Temax=C方式，α=f1/f1N=(5/50)=0.12’1)/R=2×3.14[0.0038+0.00475]/1.5=1.778θ=XN/R=2πf1N(L+L122

）1γ=α[2]2=0.25711U1=γU1N=γ×220=56.5伏>22伏结论：恒转矩控制方式下，在f1较低时提升了定子电压。f1=5Hz时，U1/f1=C方式控制下，nN=1450r／min，n==1500r／min，为2对磁极电机。Temax-3P2{RU2L')]2=15.2牛顿.米5=n1}R22f11[2f(L1211f1=50Hz时，U1/f1=C方式控制下Temax-3P2{R2L')]2=100.8牛顿.米50=n1}2f1R2U[2f(L1111结论：U1/f1=C方式控制下，在f1较低时应补偿了定子绕组压降，以提升最大转矩.。

问题3-8：从构造上看，静止式变频装置分为哪两类？

间接变频装置（交-直-交变频）直接变频装置（交-交变频）

问题3-9：什么是间接变频？依照控制方式不同样，请画出三种间接变频的构造图，并说明其优缺点

先将沟通经整流装置变成直流，再经过逆变装置变成沟通，实现调压变频功能。

①三订沟通输入经晶闸管组成的可控整流变成直流实现调压，再由晶闸管组成的逆变器变换成沟通实现变频。

优点：构造简单、控制方便。

缺点：输入环节用可控整流，电压和频次较低时，电网的功率因数较小。输出环节多由晶闸

管组成的三相六拍逆变器（每周换流六次），输出的谐波较大。②三订沟通输入经二极管组成的不

控整流变成直流，尔后由直流斩波器实现调压，再由晶闸管组成的逆变器将直流变换成沟通实现变频。

优点：不控整流，输入功率因数高，控制较方便。缺点：输出环节多由晶闸管组成的三相六

拍逆变器（每周换流六次），输出的谐波较大。③三订沟通输入经二极管组成的不控整流变成直流，

尔后由PWM逆变器将直流变换成沟通实现变频调压。

优点：不控整流，输入功率因数高，控制较方便。PWM逆变器输出谐波减少。缺点：谐波减少程度取决于PWM逆变器的开关频次，开关频次受功率器件开关时间限制。

解决方法：采用全控器件，提升开关频次，组成SPWM（正弦波脉宽调制）逆变器。

问题3-10：什么是直接变频？晶闸管的触发控制角采用怎样的变化规律能获取正弦输出电压？

三订沟通输入经晶闸管组成的交-交变频器变换成沟通输出，实现变频调压。

a在0至p之间变化，输出沟通电压，两组三相可控整流电路反并联组成的可逆电路，其输

出电压和电流的方向及大小是能够随意改变的。三个单订交-交变频器互差120°工作，就组成了一个三订交-交变频器。

问题3-11：什么是变转差率调速?

在转差率s很小的范围内，只需能够保持气隙磁通φm不变异步电机的转矩就近似与转差角频次ωs成正比，即在异步电机中，控制转差率就代表了控制转矩，这就是转差频次控制的基本见解。

问题3-12：请从换能形式、换流方式、元件数量、调频范围、电网功率因数和合用途合等方面比较

交-直-交间接变频器和交-交直接变频器。比较项目交-直-交间接变频器交-交直接变频器换能形式换能，效率较换能，效率较高换流方式低电源电压换流强迫或负载谐振换流元件数量元件数量较元件数量很多调频范围少一般情况下，输出最高频频次调治范围率为宽电网频次的1/3～电网功率因数用可控整流调压时，功率因数在低压时较小；较斩波器或PWM实现调压时，功率因数低。合用途合可用于各样电力拖动装特别合适于低频大功率拖置，稳频稳压电源和不停电电动。问题3-13：请从直流回路滤波环节、输出电压波形、输出电流波形、输出阻抗、回馈制动、调速动态响应、对晶闸管的要求和合用范围等方面比较电压源和电流源交-直-交变频器。比较项目

直流回路滤波环节无功功率缓冲环节

输出电压波形

输出电流波形输出阻抗回馈制动

电压源型

电容

矩形

波决定于负载的功率因数，有较大的谐波

重量。小

须在电源侧设置反并联逆变器

电流源型

电感

决定于负载，对异步

电机负载近似为正弦矩形

波大

方便，主回路不需附加设施

15调速动向响应

对晶闸管的要求

使用范围

问题3-14：请举例说明交

电流源变频器

较慢快

关断时间要短，对耐压要求一般较低耐压高，对关断时间无特别要

多电机拖动，稳频稳压电源求单电机拖动，可逆拖动

-直-交电压源变频调速系统、交-直-交电流源变频调速系统、

-异步电动机变频调速矢量控制系统、电压型变频器的矢量控制系统、

电压型

SPWM

变频器的矢量控制系统、交

-交变频器的矢量控制系统、

问题

无速度传感器的矢量控制系统的工作原理。

3-15：异步电动机变压变频调速时，采用（B）控制方式，可获取一线性机械特点。

A、U1／f1=常值；B、Eg/f1=常值；

C、Es/f1=常值；D、Er/f1=常值

问题

3-16：一般的间接变频器中，逆变器起（

B）作用。

A、调压；

B、调频；

C、

调压与逆变；

D、调频与逆变

问题3-17：变频器从构造上看，可分为直接变频、简接变频两类，从变频电源性质看，

可分为电流型、电压型两类。

问题

3-18：转差频次控制变频调速系统的基本思想是控制（

C）。

A、电机的

调速精度；

B、电机的动向转矩；

C、电机的气隙磁通；

D、电机的定子电流

问题3-19：沟通异步电动机变频调速控制策略的研究（电气传动自动化）2003，25（5）P22~25①常例控制策略：恒压频比控制、转差频次控制、矢量控制、直接转矩控制

②现有控制策略：转子参数计算法、自适应控制、鲁棒控制非线性控制（非线性反应控制、逆控制）

智能控制（神经网络于内模复合控制、模糊于模型参照自适应复合控制、模糊于变构造复合控制、滑模/模糊/神经网络的复合控制）

③热门课题及重点技术

非线性自适应控制

智能控制器算法的合用化、双优控制、在线诊疗和容错控制）

16

问题

四、沟通异步电动机矢量变换控制

4-1：在实质系统中，怎样保证E2/f1=K

？

E2转子磁链在每相定子中的感觉电动势，（忽略转子电阻耗费）转子磁链恒值，机械特点线性，稳态性能和动向性能好，最难实现。是矢量控制追求的目标.

问题4-2：什么是矢量控制系统VCS或TCS矢量变换控制系统？请画出矢量控制系统的构想框图，

并简述其工作原理。

将异步电动机经过坐标变换能够等效成直流电动机，那么，模拟直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过坐标反变换，便能够控制异步电动机。由于进行坐标变换的是电流（代

表磁动势）的空间矢量，所以这样经过坐标变换的控制系统就叫做矢量控制系统VCS（VectorControlSystem）矢量变换控制系统TCS(Trans-vectorControlSystem)。

~给定i*i*i*iii信号*-1*i3/2等效直流控制器ii电流控制2/3i*ii+i*i异步电动机反应信号

问题4-3：三相异步电动机的数学模型包括：电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程。问题4-4：将三订沟通电机变换成两极直流电机的物理模型要经过的坐标变换有哪些？

先将静止的三相坐标A-B-C变换成静止的两相坐标α-β，再将静止的两相坐标α-β换成旋转的两相坐标d-q或极坐标(M-T)。

问题4-5：三相异步电动灵便向数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，

问题4-6：请写出Park定理。

2[Vj2j4]矢量V称为Park矢量，即空间矢量，表示合成矢量在某时刻在空间的位V=Ve3V33abec置。17三相电动势、电压、电流、磁动势、磁通均是三相电磁量，若在复平面中，它们都能用一个矢量表示三相电磁量的合成作用，则可将三维物理量变成二维物理量。

问题4-7：坐标变换有哪些？坐标变换原则有哪两种？它们各用于什么场合？

坐标变换有：

①静止的三相坐标（A-B-C）→旋转的两相坐标（d-q-0），P246

cosλ1sinλ2C3S/2R=cos(λ-120℃)1sin(λ-120℃)2Cos(λ+120℃)1sin(λ+120℃)2-1②旋转的两相坐标（d-q）→静止的三相坐标（A-B-C），C2R/3S=C3S/2R

1-1-122C3S/2s=0332-2KKK-1④静止的两相坐标（α-β-0）→静止的三相坐标（A-B-C），C=Cs2s/3S3S/2⑤静止的两相坐标（α-β）→旋转的两相坐标（d-q），C2s/2R=cosλsinλ-sinλcosλ⑥旋转的两相坐标（d-q）→静止的两相坐标（α-β）C=Cs-1i2s/2R2R/2θ=artg(iM⑦直角坐标与极坐标I=2I=i2)iiθ=artg( )或22TiiMiT由于θ在0～90℃变化时，tgθ的变化范围是0～∝，这个变化范围太大，常改用下式求θ值：θ=2artg(iT)1iM坐标变换原则有功率不变原则和空间矢量不变原则两种。功率不变原则是保持坐标变换前后的电动机功率不变，在电力拖动系统中应用很多。空间矢量不变原则是保持坐标变换前后的电流、电压、电动势等空间矢量的相位、幅值不变。

问题4-8：磁链直接检测的方法有哪些？各有何缺点？

磁链直接检测的方法有检测线圈法和磁通传感器法

①检测线圈法是在定子中布置宽度等于全极距的检测线圈，可产生正比于磁通变化的信号，经过积分求得主磁通的测量值。这种方法由于积分有漂移，硬件上不易实现，故应用不多。

②磁通传感器法是异步电动机的气隙中设置两个磁链传感器，它们分别装在与α相绕组磁轴

重合和垂直的地点，用来分别检测气隙磁链在静止坐标系中的两个重量φαm和φβm。由于这种

检测

方法必定在电机内置检测器，使用不方便，且检测的气隙磁链含有大量谐波，简单造成系统不牢固。18

问题4-9：请写出在二相静止坐标系上的转子磁链观察模型。

在二相静止坐标系上的转子磁链观察模型有电流模型观察器和电压模型观察器：

①电流模型观察器：当电机转速小于额定转速的10％，定子绕组压降不能忽略，异步电动机在静止坐标

系（－）中的电压方程为：us(Rs+Lsp0Lmp0isus=0Rs+Lsp0Lmpis0LmpLmRr+LrpLrir0-LmLmp-LrRr+Lrpir可得：0＝p（Lmis＋Lrir）＋（Lmis＋Lrir）＋Rrir0＝p（Li＋Lrir）－（Lmi＋Lir）＋Rrirmssr转子磁链可表示为：r＝Lmis＋Lrirr=Lmis＋Lrir由上述3式解出ir、ir并化简得：1（Lmis－Tr1（Lmis＋1T1Tr＝P，r=2P2r）式中：Tr—转子绕组的电磁时间常数，us—定子绕阻电压，us—定子绕阻电压，i电流，

Trr）

s—定子绕阻

is—定子绕阻电流，r—与转子绕阻匝链的磁链，r—与转子绕阻匝链的磁链。

②电压模型观察器：当电机转速在额定转速的10％以上，忽略定子绕组压降，定子回路的电压平衡方程

式为：us=ps=Lss+Lmr转子磁链能够用电感和电流表示，r=Lmis+Lrir

其中：p—微分算子us—定子电压，is—定子电流，s—定子磁链，r—转子磁链，Rs—定子绕阻电阻，Rr—转子绕阻电阻，Ls—定子绕阻全电感，Lr—转子绕阻全电感，Lm定、转子绕阻之间的互感。LLLL2LLLL2从上述两式中消去i，得：=r[u-dims]dt，rsr令：K＝rr=srsm，，KrsLmLrdtLmLrr在静止坐标系中的重量为：r=Ks[us-]dtr，s=Ks[ur-K]dt。Krdisdissdtdt问题4-10：异步电动机A、B、C、坐标系的数学模型经三相旋转/两相静止/两相旋转坐标变换，可获取d-q-o坐标系的数学模型。

问题4-11：异步电动机的等效二相模型为什么简单？

四个方程中的为0项好多，转矩和磁通分开控制(互相垂直).

问题4-12：磁链定向方法有哪些？采用M-T坐标系是按什么磁链定向？

磁链定向方法有三种：①按转子磁链φr（φ2）定向：控制性能最好，但转子磁链不易测量和控制；

②按气隙磁链φm定向：气隙磁链较易测量和控制，但控制性能不好；③按定子磁链φs（φ1）定向：定子磁链最简单测量和控制，但控制性能不好；问题4-13：按转子磁场定向和矢量控制变频调速成系统中，在（动机转矩与定子电流转矩重量成正比的关系。

C转子磁链恒定；）条件下，有电

五、沟通异步电动机直接转矩控制

名词讲解：DTCDSCSPWM原型电动机

DTC(DirectTorqueControl)或DSC（DirectSelfControl）：直接转矩控制，经过改变电机磁场对

转子的刹时转差速率，以直接控制异步机的转矩和转矩增加率，获取电机的快速响应。

SPWM：正弦波脉宽调制，将正弦半波N均分，把每一均分的正弦曲线与横轴所包围的面积用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来取代。三角波载波信号Ut与一组三相对称的正弦参照电压信

号Ura、Urb、Urc比较后，产生的SPWM脉冲序列波Uda、Udb、Udc作为逆变器功率开关器件的驱动控制信号。逆变器输出电压的基波正是调制时所要求的正弦波，调治正弦波参照信号的幅值

和频次便能够调治SPWM逆变器输出电压的幅值和频次。

原型电动机：（两相电动机），它拥有两个集中绕组，即d轴绕组（直轴绕组）和q轴绕组（交轴绕组），两个绕组互相垂直，能够对转矩和磁通进行独立控制其转子构造与直流电动机同样，有

枢和换向器等。

问题5-1：简述直接转矩控制的工作原理，并比较它与矢量控制的异同点。

①直接转矩控制技术利用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标下计算和控制沟通电动机的

转矩，它采用定子磁场定向，借助于失散的两点式调治（Band-Band控制）产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最正确控制，以获取转矩的高动向性能。它省却了复杂的矢量变换与电动机

的数学模型的简化办理，没有平常的PWM信号发生器，它的控制思想奇特，控制构造简单，控制手段直接，信号办理的物理构造明确。该控制系统的转矩响应快速，限制在一拍之内。且无超调，是一种拥有高性能的沟通调速方法。

②直接转矩控制与矢量控制的同样点是：两者都要对转矩和磁链进行控制。

③直接转矩控制与矢量控制的同样异点以下：

直接转矩控制只利用定子侧参数，而矢量变换控制是利用转子侧参数，这些参数简单受转子转速变化的影响；直接转矩控制在静止的坐标系中进行，控制运算比矢量变换控制简单；直接转矩控制对转矩进行闭环控制，正确性高，动向性好，而矢量控制则过分要求圆磁磁链和正弦波电流；直接转矩控制和直接磁链控制采用滞环，参数选择合适可填补由直接转矩控制惹起的速度降落。直

接转矩控制利用相电压矢量的见解，对逆变器的功率开关进行综合控制，开关次数少，开关耗费少。

问题5-2：请画出异步电动机的空间矢量等效电路图，并推出稳态转矩的计算公式。

在正交定子坐标系（α-β坐标系）上描绘异步电机的等效电路图，us定子电压空间矢量，is定子电流空间矢量

r转子电流空间矢量，ω电角速度（机械角速度对极对数的积）ψs定子磁链空间矢量，ψr转子磁链空间矢量异步电动机在定子坐标系下的电压方程：isRsirLσus=Rsis+sRrusψu20jwψrLmiu0=Rrir-r+jωψr定子磁链ψs=Liu，转子磁链ψr=ψs-Lσiu

定子旋转磁场供给的功率P=ωsTd=3(sisa+sisB)图5-1异步电动机的空间矢量等效电路图2其中：ωs定子频次（定子旋转磁场频次）s=-ωsψs=ωsψsa得转矩Td=3(ψsaisB–ψsBisa)sB2可得转矩T=1由is=i+ir3(ψsBψra–ψsaψ13︱ψs︱︱ψr︱sinθudL22rB)=L转矩为定子磁链与转子磁链的交叉乘积，θ磁通角（定子磁链与转子磁链之间夹角）在实质运转中，保持定子磁链的幅值为额定值，以便充分利用电动机；而转子磁链幅值由负载决定。

经过改变磁通角θ可实现异步电动机转矩的改变，经过改变转子电流可改变转子磁链，定子磁链能够以定子电压的积分来改变。

问题5-3：请画出电压型逆变器8个电压状态形成的电压空间矢量图，并说明定子磁链的运动轨迹。

电压型逆变器，为三组六个开关同一桥臂E+的两个开关互为反向：一个接通“1”，另一个断SaSbSc开“0”。0Ud------SbSa①逆变器8个电压状态：E-SaV1（100），V2（110），V3（010），V4（011），5（001），V6（101）组成正六边形的极点，V7（111），V0（000）位于正六边形的中心。图5-2电压型逆变器由相电压波形图可直接获取逆变器的各开关状态，两者的开关状态序次一致6个状态一个周期（状态1→状态6），相电压波形幅值两个：±2Ud/3和±4Ud/3②忽略定子电阻和漏感的影响，定子回B路的电压平衡方程式为：uS=eS=dψs/dtψs=us*t+ψs0，ψs0---定子磁链的初始值。V4③从电压型逆变器8个电压状态形成的电压空间矢量图可见：V5定子磁链矢量ψs的增加方向，即ψs矢头的运动方向决定于电压矢量uS的方向；C定子磁链空间矢量极点的运动方向和轨迹对应于相应的电压空间矢量的作用方向。

β

V3

V2

Aa

V1

V6

只需定子电阻压降比起定子电压足够小，图5-38个电压状态的空间矢量图

这种平衡就能获取很好地近似），在合适地时候依次给出定子电压空间矢量，则获取的定子磁链的运动轨迹依次按V1→V6运动，形成正六边形磁链。正六边形的六条边代表磁链空间矢量一个周期的运动轨迹，称区段（扇区）S1??区段（扇区）S6

s矢头的运动速率与uS的幅值US成正比；若uS=0，则ψs停止运动(V0、V7)；

若有效电压矢量依照矢量图V1→V2→V3→V4→V5→V6的序次交替作用，且作用时间相

等，则

ψs矢头的运动轨迹为一正六边形。21问题5-4：沟通异步电动机采用直接转矩控制，在正六边形的定子磁链图中怎样实现恒转矩控制和恒功率控制。

逆变器8个电压状态：V1，V2，V3，V4，V5，V6组成正六边形的极点，V7，V0位于正六边形的中心。

若改变有效电压矢量的交替作用时间，即改变ψs的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值不变，所以它们的作用时间改变后，正六边形的面积将发生变化。作用时间变短，正六边形的面积变小，

面积=Viti，磁链幅值ψs也将变小。所以能够用这种方法控制异步电动机的弱磁调速。

若在有效电压矢量的作用时期以必然规律插入零矢量（V7，V0），ψs以最大旋转速度旋转，零矢量作用时ψs停止运动。由于零矢量的插入，ψs走走停停，所以旋转速度变慢了。显然，零矢量的作用时间越长，ψs的旋转速度越慢。

若是在插入零矢量后还保持每个有效电压矢量的作用总时间不变，不难想象，正六边形的面积

将不变，即磁链矢量的幅值将不变。用这种方法能够控制异步电动机的恒磁通调速，即恒转矩调速。问题5-5：异步电动机定子磁链观察模型有几种？各用于什么场合？

①当电机转速大于额定转速的10％时，若忽略定子电阻影响，定子磁链一般采用u-i模型：s=∫(us-isRs)dt

其中，Ψs为定子磁链，us、is分别是定子电压、电流刹时空间矢量，Rs为定子电阻。

30%额定转速以上，采用u-i模型能够特别正确地确定定子磁链，而且要注意定子电阻Rs随温度变化的影响。

②当电机转速小于额定转速的10％时，定子电阻压降不能忽略，采用i-n模型，即磁链只能依照测得的定子电流和电机转速来计算定子磁链来计算。

基本公式为：Ψ1(ISLσ+Ψr)式中：Ψr为转子磁链矢量；Lσ为漏电感；LS为定子主电S=1感。LLS从式能够看出，必定第一确定转子磁链矢量Ψr才能算出定子磁链。此时Ψr的计算公式以下：Ψ1（Lmis－eT2Ψr），r＝1T2P

Ψr=1（Lmis＋eT2Ψr），1T2PΨr=22rr式中：T2=Lr/Rr—转子绕组的电磁时间常数，is—定子绕阻电流，is—定子绕阻电流，Ψr—与转子绕阻匝链的磁链，Ψr—与转子绕阻匝链的磁链，e—电机转速，P—微分算子。i-n模型受转子电阻Rr、漏电感Lσ、主电感LS变化的影响。其他还要求正确地测量角速度，地测量误差对i-n模型的结果影响很大。③u-n模型，转子方程r=Rr(Ψs-Ψ)+jωΨ，定子方程s=u-iR；磁链方程：Ψ=Li，ΨLrrsssssr=Ψs-LσirΨuSa+i’sa.iS++Sa1Ψua.iSaIaLiua+-+-+-122RSΨLΨiraraRrra

图5-4定子磁链观察的电动机模型

电流调治器“”的作用是强迫电动机模型电流和实质电动机电流相等。使电动机模型的仿真

精度大大提升了。

电动机模型综合了u-i模型和i-n模型的优点，又很自然地解决了切换问题。高

速时，电动机模型实质工作在u-i模型下，磁链实际上是定子电压、定子电流由计算获取。低速时，电动机模型实质工作在i-n模型下。

问题5-6：请画出异步电动机直接转矩控制调速系统的组成框图，并说明各模块的功能和整个

系统的工作原理。

由图可见，直接转矩控制系统由转矩闭环和磁链闭环组成，既直接进行转矩控制又直接进行磁链控制，只需用电流互感器和电压互感器检测定子电流和电子电压，尔后对转矩和磁链进行观察，

公式以下：ψaS=∫（uaS-R1ias）dtS=ψS∫1s（u’i-ReiT）dtaSTs=kS[ψas-ψi]转矩调治器ATR和磁链调治器都使用滞环两位调治，能够保持转矩在给定误差赞同范围内颠簸，达到较好的转矩控制性能。

磁链自控制DMC的最简单方案：由检测出的定子磁链，经坐标变换单元UCT（2S/3S坐标变换）获取磁链的β重量ψβa、ψβb、ψβc，经过三个施密特触发器分别把三个磁链重量与磁链给定

值ψug对照较，获取三个磁链开关信号Sψa、Sψb、Sψc，三相磁链开关信号经过开关S换相，

获取三相

电压开关信号：SUaSb、SUbSc、SUbSc，经反相后变成正确的电压状态信号SUa、SUb、SUc，直接去控制逆变器UI，输出相应的电压空间矢量，去控制产生希望的六边形磁链。T给U*ωs滞环调S0整流器23定+ψaS节器SASBS—TC换相反应转矩2S/3S逻辑逆变器坐

ic=-ia-

ib

图5-5异步电动机直接转矩控制调速系统

转矩的大小经过改变定子磁链运动轨迹的平均速度来控制（引入零矢量），采用两点式调治：

当实质转矩值和转矩给定值的差值小于-ξm，转矩调治器ATR的输出信号“TQ”变

“1”，工作电压空间矢量加到电机上，使定子磁链旋转，磁通角加大，转矩加大。当实质

转矩值和转矩给定值的差值大于+ξm，ATR的输出信号“TQ”变“0”，零电压加到电机上，定子磁链停止不动，磁通角减小，转矩减小。经过转矩直接自调治作用，使工作电压空间矢量的工作状态和零电压工作状态交替接通，控制定子磁链ψs走走停停，进而使转矩动向平衡保持在给定值的±ξm（容差）的范围内，既控制了转矩，又形成了PWM的调制过程。

问题5-7：在异步电动机直接转矩控制调速系统中有磁链调治器和转矩调治器，磁链调治器平常采

用怎样的控制方式？转矩调治器平常采用怎样的控制方式？

转矩调治器和磁链调治器都使用滞环两位调治，能够保持转矩在给定误差赞同范围内颠簸，达

到较好的转矩控制性能。完满的转矩调治器是由转矩两点式调治器和P/N调治器组成，在转矩给定值变化较大时，P/N调治器参加调治，加快调治过程。

问题5-8：在异步电动机直接转矩控制调速系统中，插入零矢量有什么作用？怎样选择零矢量？

若在有效电压矢量的作用，ψs以最大旋转速度旋转，以必然规律插入零矢量后，零矢量作用时ψs停止运动。由于零矢量的插入，ψs走走停停，所以旋转速度变慢了。若是在插入零矢量后还保持每个有效电压矢量的作用总时间不变，不难想象，正六边形的面积将不变，即磁链矢量的幅值将不变。用这种方法能够控制异步电动机的恒磁通调速，即恒转矩调速。选择零矢量的原则是：从有效电压矢量变换到零矢量使开关器件的状态变化最少。V1（100），V0（000）；V2（110），V7（1111）；V3（010），V0（000）；单数矢量插入V0，V4（011），V7（111）；V5（001），V0（000）；V6（101），V7（111）；双数矢量插入V7。依照本来作用的有效电压矢量选择不同样的零矢量能够在同样的开关器件下,显然减少开关损

耗，提升逆变器可靠性（减少直通危险），增加PWM控制的载波比，减少电动机电流的谐波重量。问题5-9：在异步电动机直接转矩控制调速系统中，转矩容差代表什么？怎样合理选择转矩容差？

24在异步电动机直接转矩控制调速系统中，由于转矩是开关两位控制，所以电磁转矩存在脉动。转矩调治器的容差愈小，电磁转矩的脉动幅度愈小，若是电磁转矩的脉动频次足够高，脉动的幅度

足够小，则由于系统机电时间常数的滤波作用，转矩脉动所惹起的转速颠簸将小到赞同的范围之内。

容差愈小，零矢量插入的次数愈高，这对开关器件的性能提出了更高的要求。

所以详尽设计时，应两者兼顾，即在开关元件赞同的情况下，尽可能减小转矩调治器的容差。

问题5-10：依照工作特点的不同样，可依照转速分为：低速范围、高速范围和弱磁范围。

问题5-11：在低速范围怎样实现异步电动机直接转矩控制？

低速范围：30%额定转速以下的转速范围，存在转速低、定子压降影响大等特点，造成一些问题：磁链波形崎变、在低定子频次（含零频）时保持转矩和磁链基本不变等问题。

其解决方案以下：用电动机模型检测计算电动机的磁链和转矩；为了改良转矩动向性能，对定子磁链空间矢量正反向变化控制；转矩调治器和磁链调治器的多功能协调工作；调治每个区段的磁

链量，圆形磁链轨迹用于15%n0以下范围，六边形磁链轨迹用于15%～30%n0范围（带有圆形磁链和六边形磁链切换的磁链三点式调治器）；每个区段上，有四个工作电压状态和两个零电压状态的使用与选择（0°电压、+60°电压、-60°电压、-120°电压的应用：0°电压制增加转矩，不影响磁通量，+60°电压、-60°电压同时影响转矩和磁通量，三者只能使定子磁链空间矢量正转；

只有-120°电压能使定子磁链空间矢量反转，在增磁调磁的同时，使定子磁链平均旋转频次为零或保持低频，解决低频和零频下的磁链调治任务）。

问题5-12：在弱磁范围怎样实现异步电动机直接转矩控制？

弱磁范围内进行的是恒功率调治，基速以上，全电压工作，没有零状态电压工作的时间，工作电压在整个区段中作用，其特点是：转速的提升，定子磁链空间矢量旋转的加快，靠的是磁链给定值的减小，即稳态弱磁；转矩的调治是靠六边形磁链给定值的动向变化调治的方法。转矩的脉动频次就是六边形磁链轨迹形成的六倍定子频次。

其解决方案以下：用电动机模型检测、计算电动机的磁链和转矩；用磁链自控制环节来确定区段；六边形磁链轨迹；用功率调治器实现恒功率调治；经过改变磁链给定值实现平均转矩的动向调治；每个区段用一个工作电压状态。

改变有效电压矢量的交替作用时间，即改变ψs的旋转速度，由于有效电压矢量的幅值不变，所以它们的作用时间改变后，正六边形的面积将发生变化。作用时间变短，正六边形的面积变小，

面积=Viti，磁链幅值ψs也将变小。所以能够用这种方法控制异步电动机的弱磁调速。问题5-13：怎样实现异步电动机直接转矩控制调速系统的数字化控制？

①数字化的积分方法一般说来，差分方程的解函数的值是经过解函数前一拍时间的值和输入函数前一拍时间的值的线性组合来确定。数字化积分方法有单步逼近积分法、近似计算的改良方法（多步逼近积分法）。

单步逼近积分法（Euler法）：yk=yk-1+hfk-1其中h为步长，f为导函数的值。它用于步长很短的

情况下，当导函数有不连续的中断点时，也能供给所需的解答。

多步逼近积分法中简单方法是：二阶的阿的达姆斯-巴斯福斯（Adams-Bashforth）积分法。yk=yk-131f），计算方法精准，且不增加计算量。在导函数不连续时可采用。+h（fk-1-k-222定子电压空间矢量是一个不连续的电压量，在采样时间内，该量保持常数，定子电流的变化很小，定子电阻压降对定子磁链的影响有关于电压状态来说特别小。由于导函数的不连续性，一般采25用Euler积分法计算定子磁链。转子磁链的导函数是连续的，在一个周期内定子磁链分段连

续，而转子磁链凑近正弦波。在高定子频次时，一般采用阿的达姆斯-巴斯福斯积分法确定转子磁链导函数的近似值。在低频范围内，一般采用信号办理器实现欧拉积分法，对确定转子磁链更好。

②数字化的数学模型（异步电动机的差分方程）：h=*T步长为频次标幺值和采样周期的乘积定子磁链：ψ=ψ+hnu-hρ(1-σ)isαk-1sαkαk-10sαk-1ψ=ψβ+hnu-hρ(1-σ)iβsβkk-10sβk-1sk-1优点：导函数的值以16位的形式能够直接加到状态变量的旧值上，而不用进一步变换。(低频)转子磁链：ψ=ψ+hψ-hψα-hnψβrαkrαk-1αk-1rk-1rk-1ψ=ψ+hψ-hψ+hnψrβkβk-1αk-1rβk-1rβk-1r(高频)转子磁链：ψ=ψ+1.5frαk-1-0.5frαk-2rαkrαk-1ψ=ψ+1.5f-0.5frβkβk-1rβk-1rβk-2r定子电流：iα=1ψ-ψαkskαr1ski=ψ-ψsβk1sβkrβk1转矩：T=2(ψisβk-ψisαk)sαksβk③逆变器模型：依照逆变器的中间直流电压和逆变器控制信号，定子电压空间矢量的重量可求得并存于表中。以便计算导函数。计算逆变器模拟电压的时间只需1μS。④DSC的数字化系统：数字化调治器程序构造正向着组件模块程序构造得方向发展。TMS3210信号办理器履行DSR/DSC控制所必需得计算，以及控制给逆变器得控制信号。I8086微办理器达成以下任务：计算机系统的用户接口、赋初值、信号办理器的控制、外面叠加调治、参数般配、数据传输。⑤计算机系统的输入输出数据：模拟量的“转速”、“直流电压”、“转矩给定值”、“转速给定值”经过I8086微办理器的A/D变换器读入。输出转速、直流电压、转矩给定、磁链给定、转矩容差、磁链容差、模型参数、开始/停止（DSR/DSC）、初始化数据和模拟记录输出经双口数据RAM送TMS3210，TMS3210输出逆变器控制信号，经最小开关系续时间监视口送出输出信号Sa、Sb、Sc。DSR状态总开关频次经双口数据RAM送I8086微办理器作为反应信号。问题5-14：沟通电机直接转矩控制策略现状与趋势（清华大学胡虎李永东《电气传动》2004年34卷3期P3-8①传统直接转矩控制策略：经过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，所以拥有构造简单、转矩

响应快以及对参数鲁棒性好等优点。磁链的控制能够采用六边形或圆形两种。在传统的直接转矩控

制中，经过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速（在无速度传感器DTC中不需要测速）

进行定子磁链观察和转矩计算，使两者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别经过各

自的滞环对照较而输出转矩和磁链的增、减信号，把这2个信号输入优化矢量开关表，在加上定子

磁链所在的扇区地点就获取了知足磁链为圆形、转矩输出跟从转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环能够设置多级，而且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频次越高，控制越精准。

直接转矩控制策拥有构造简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它倒是建立在单调

输出矢量、转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制基础上的控制方法，不能避省得造成了低速开关频次低、开关频次不固定以及转矩脉动大，限制了它在低速区得应用。针对与此国内外学者提出了各样26提升开关频次、固定开关频次以及减小转矩脉动的方法。

②无差拍(Deadbeat)空间矢量调制方法

T.G.Habetler的空间矢量调制方法

把无差拍方法应用于直接转矩控制第一是由美国人T.G.Habetler提出来的。这种方法主要针对

数字化直接转矩控制提出的，其主要思想是在本次采样周期获取转矩的给定值与反应值之差，这个差值能够用下式表示出来：T3pTS[(EE)(V*V*)]（1）4LSSdsqsdsqdqdq其中，P为极对数，TS为采用周期，Eα、Eβ为定子上的反电动势在空间电压矢量在d轴和q轴上的两个重量，Vα、Vβ为空间电压矢量在d轴和q轴上的两个重量。其他，由电机定子侧电压方程能够获取使定子磁链幅值达到给定值的所加空间电压矢量的数学式子：*2(VT)2(V*T)2（2）sqstdssdsq利用式(1)和式(2)能够联立求解出下一周期使转矩误差和磁链误差为零的空间电压矢量合成矢量，它的两个重量Vd和Vq，显然，此空间电压矢量的幅值和相位是随意的，能够经过相邻的两个基本的电压矢量合成而得。利用计算出来的空间电压矢量能够达到转矩和磁链无差拍的目的。

利用Habetler的无差拍方法，从理论上能够完满使磁链和转矩误差为零，进而除去转矩脉动，能够填补传统DTC的Bang-Bang控制的不足，使电机能够运转于极低转速下。其他，经过无差拍控

制获取的空间电压矢量能够使开关频次有关于单调矢量获取大幅度提升而且使之固定，这关于减少电压谐波和电机噪声是很有帮助的。

可是由式(1)和式(2)能够联立求解出的空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能够同时知足磁链和转矩无差拍控制。

所以作者提出了三个步骤，第一可否转矩知足无差拍，

若是不知足再看可否磁链知足无差拍，

若是还不知足就依照原有直接转矩控制矢量表来采用下一周期的单调电压矢量。

所以依照Habetler的无差拍方法最大的计算量有4个步骤，这将耗资很大的计算资源，不易实现，

其他在整个计算过程中对电机参数的依靠性比较大，这将降低控制的鲁棒性。

转矩或磁链的展望控制方法

在T·G·Habetler的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现，所以出现了一系列的简化的无差拍直接转矩控制，比较典型的是转矩追踪展望方法。

在这种方法中，分析了低速转矩脉动的情况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论，此后又进一步由基本电机方程得出转矩变化式子：LT[p(sV)sRmTep2s)Ts（3）

其中：L2LrLmRrLRrLrRsLsRr(LsLr)/，RmLmRsLrLLmLmLmLmr经过分析(3)式可知，非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化的作用是不同样的，非零电压矢量能够使转矩上涨或降落，

而零电压矢量老是使转矩降落。其他，在不同样的速度范围内两者对转矩作用产生的变化率也在变化。

在转矩展望控制方法中，电压矢量在空间的地点是固定不变的，合成在两个单调电压矢量的中间，

可是电压矢量不是作用整个采样周期，而是有必然的占空比，在一个采样周期中能够分为非零电压矢量和零电压矢量。若是使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差，以下式所示：T*TT（4）27经过求解方程能够获取除去转矩误差的电压矢量作用时间，达到转矩无差拍控制的目的。即使出现计算出来的电压矢量作用时间高出采样周期，也能够用满电压矢量来取代，所以是非常易于实现的，从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本上对称，说明转矩的脉动已经大为减少。上法认为磁链被正确控制或变化迟缓，而没有考虑磁链的无差拍控制，在文件中对磁链也进行了展望控制，在这中方法中，经过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近视获取：s*sVsTs（5）scosVk采样周期其中ΔΨ是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，θ是两者的空间角度。设第SVΨ的磁链误差为ΔΨ，那么依照公式(5)，能够获取使第k+1周期磁链误差为零的矢量作用时间SK是：以转矩控制优先为原则，依照转矩展望控制计算出来的矢量作用时间和磁链展望控制计算出来的作用时间，能够获取综合的矢量作用时间。考虑磁链的无差拍控制此后的系统控制收效，有关于纯真的转矩无差拍控制收效好，既消除了转矩脉动，又不会产生磁链畸变，而且计算量不会太大。除了上述的转矩无差拍控制方法，在文件中也采用了近似的方法，最后的电压矢量计算作用时间也基真同样，此处不详述。同Habetler的无差拍方法同样，展望方法也要用到比很多的电机参数，若是能在线实时鉴识定子电阻和转子时间常数，将大大提升控制精度。C.鉴于检测反电势的失散时间直接转矩控制(DTDTC)使用失散时间的方法进行异步电机的控制，在文件中已经有了比较详尽的介绍，首次把这种方法使用于直接转矩控制，其基本方法以下：对由电机的基本电路模型获取的电压方程和磁链方程进行失散化以下：is(k1)is(k)bVs(k)（6）

或s(k1)s(k)Tse(k)LsbVs(k)（7）

其中反电动势的计算式为：e(k1)V(k1)ais(k1)is(k)（8）sba，b的定义对转矩方程也进行失散化，并把方程(7)代入其中，同时也把方程(7)代入到磁链的幅值平方表达式中去，利用失散的转矩方程和失散的磁链幅值平方式能够求解出下一周期的空间电压矢量的增量VSx和VSy，代入方程（9）能够获取转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，并对其

进

行了限Vs(k)e(k)RsisVs（9）幅：(k)失散时间直接转矩控制能够经过差分方程，把k+1周期的所应达到的转矩和磁链递推出来，所以能够同时达到转矩和磁链的无差拍控制，从实现方式上是很合适于数字化控制的，

其他这种方法主要鉴于定子侧进行控制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，对电机参数变化的鲁棒性比较好，从实验结果来看，系统的动向响应性能是比较好的。

可是在这种方法中，需要检测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，其他，计算量也比较大。

D.鉴于几何图形的无差拍控制对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表达的转矩方程

进行失散化、此后把前两

个方程带入到转矩方程中，经过错散的转矩方程分析能够知道施加必然的电压矢量能够使转矩误差为零。

当转矩变化到平面上的一条直线上时，这条直线与转子磁链矢量方向平行。

采用同样的分析方法能够知道，施加必然的电压矢量能够使磁链误差为零。

当磁链变化到平面上的一个圆上时，这个圆与磁链圆同心。28于是利用直线和圆的交点便能够获取使转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，自然这个电压矢量碰到逆变器所能输出的电压大小的限制。把几何图形引入到无差拍控制中来是一个比较好的思路，能够获取最优的无差拍控制的电压矢

量，同时也有助于理论上的分析。但怎样把图形方式和数字化控制联合起来从实现方

式上来说还存在较大的难度。

③失散空间矢量调制(DSVM)方法无差拍的直接转矩控制从理论上能够最大化地除去转矩和磁链的

的误差，战胜了Bang-Bang控

制不精准性的缺点，可是需要比较大的计算量，而且这些计算都是与电机参数有关，简单惹起计算上的误差。所以在文件中提出了既不需要多少计算，又能提升转矩和磁链控制精度的失散空间矢量调制方法。

图1DSVM的空间电压散布情况

图2磁链2级滞环和转矩5级

滞环

在失散空间矢量调制方法中，经过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成，如图1是使用相邻的单调矢量2和单调矢量3以及零电压矢量合成出来的空间电压矢量。从图1中能够看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段，每一段由非零电压矢量或零电压矢量组成，如空间电压矢量23Z是由矢量2和矢量3以及零电压矢量各作用1/3采样周期，能够采用5段式或7段式方式合成(文中没说明)，利用这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量。细化的电压矢量能够对转矩和磁链进行更精准的控制，文件中对磁链使用了传统的2级