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绪章课程介绍
电力传动系统广泛应用于国民经济的各行各业，它在自动化领域占据重要地位。电力传动系统由控制器、电动机、负载构成。由于电动机的分类可分为直流传动系统和交流传动系统。学习电力传动技术关键是控制好电磁转矩和磁链。
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●0.1课程介绍
课程介绍
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第一章基础知识
直流传动控制简单易于实现高性能控制，是传动控制的基础。直流电动机调速方法可由其机械特性公式导出。调电压、调电阻、调励磁都可以改变转速，然而调电压调速效果最优，这就需要可控直流电源。是发电、整流或是PWM输出可控直流电压，这需要视情况而定。电力电子变换环节是传动系统中能量传递环节，也是传动控制的核心。V-M系统和PWM-M系统代表了两种不同的处理方式。
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●1.1直流调速方法
直流电动机调速方法包括调电枢电压调速、减弱励磁调速、调电阻调速等，其中调电枢电压调速平滑、无级、范围宽，特性最好。
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●1.2可控直流电源
可控直流电源可以通过直流发电、整流和PWM等方式获得，其中旋转变流机组可实现发出的直流电压可调，V-M系统可获得性能较高的、可靠的、响应迅速的可控直流电压，PWM-M系统是将恒定直流电压变成可控直流电压。
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●1.3V-M系统及其特性
V-M系统由移相触发角控制输出电压，电流有脉动，在不同情况下可能断续也可能连续。电流连续时输出机械特性为一条直线。UPE环节传递函数可用延迟环节表示，分析计算时用一阶惯性环节近似。
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●1.4PWM-M系统及其特性
PWM-M系统电流易于连续，输出机械特性为一条直线。PWM-M系统容易组成可逆系统。PWM环节传递函数可用延迟环节表示，分析计算时用一阶惯性环节近似。
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●1.5电压传感器
电压传感器
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●1.6电流传感器
电流传感器
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●1.7转速、转矩传感器
转速、转矩传感器
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第二章转速闭环控制直流传动系统
转速闭环控制直流传动系统由给定环节、调节器环节、电力电子变化环节、电动机环节、反馈环节等组成。转速控制需要调速、加减速和稳速，其稳态性能指标包含调速范围和静差率。闭环系统引入使得系统性能大大提高。调节器的引入至关重要。比例积分控制既可提高系统快速性又能实现稳态无静差。要实现良好的动态性能，需了解系统的动态数学模型。建立动态数学模型，判定稳定性，确定动态性能，如果不达标，则需要进行动态校正。
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●2.1转速控制与调速指标
生产机械要求转速控制有加减速、稳速和调速等，评判其稳态调速性能指标有调速范围、静差率和速度降落等。
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●2.2转速闭环控制直流传动系统
转速闭环直流传动系统由速度给定、速度调节器、电动机、生产机械、反馈环节等组成。分析时忽略非线性因素，求出各环节传递函数，得出传动系统传递函数。
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●2.3开环系统与闭环系统的比较
开环系统和闭环系统区别在于少了反馈环节，不用转速调节器，系统结构简单。闭环系统由于其自动调节作用，在静差率、调速范围、机械特性硬度等方面具有优势。
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●2.4反馈控制规律
采用比例控制的转速负反馈直流传动系统有三个特点：（1）被调量有静差；（2）抵抗扰动，服从给定；（3）系统精度依赖于给定和反馈检测精度。
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●2.5比例积分控制规律
比例积分控制同时兼备比例控制和积分控制的优点，能够快速响应，而且能够实现稳态无静差。其原因在于比例控制输出取决于当前状态，而积分控制取决于输入的全部历史。
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●2.6转速闭环直流传动系统动态数学模型
动态数学模型要考虑系统中随时间变化的部件，比如延迟、储能等影响，转速闭环直流传动系统动态数学模型需要特别考虑电力电子变化环节和电动机环节的传递函数与稳态时的不同。建立了动态数学模型后可分析系统稳定性和动态性能。
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●2.7转速闭环直流传动系统动态校正
动态校正可用串联校正、并联校正、反馈校正等方法。校正时可采用伯德图进行分析，根据性能与伯德图的关系进行校正。
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●2.8电流截止负反馈
电流超过一定值后会对系统产生冲击和伤害，限流是必须采取的措施。电流截止负反馈是在电流超过动作值时进行限流。其由电流检测、限制电流等环节构成。
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第三章转速电流双闭环控制直流传动系统
转速电流双闭环控制由转速和电流构成内外环，这在控制方法上实现了由单闭环设计向双闭环设计的突破。电流内环的引入，让电流负反馈起作用，不仅可以提高系统动态性能，而且可以限制电流值。双闭环系统的工程设计方法将复杂的系统设计变简单，然后提供给广大工程师们。
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●3.1转速电流双闭环直流传动系统组成
控制电流是控制系统响应性能的关键因素。根据自动控制理论，引入电流负反馈是最好的选择。将电流环当作内环，转速环作为外环，形成双闭环。与转速单闭环系统相比，不仅多了电流环，还多了电流调节器，每个调节器的输出都有了限幅电路。限幅电路的存在让转速调节器有了饱和和不饱和两种状态。
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●3.2转速电流双闭环控制直流传动系统静特性
静特性是系统在稳态时的特性，如果采用PI调节器可以达到稳态无误差。
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●3.3转速电流双闭环直流传动系统起动过程分析
起动过程是转速从0到设定值的一个严峻的过程。理想起动过程是从一开始就以最大加速度加速到速度设定值，然后进入负载电流和转矩电流相平衡的稳态。转速电流双闭环直流传动系统起动过程分为三个阶段，即电流上升、恒流升速、转速调节。其中恒流升速是主要阶段，这使得起动过程变成准时间最优控制过程。
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●3.4调节器工程设计方法与典型系统
工程设计方法是为推广工程应用而做的设计方法，旨在让更多的工程师能方便地设计和实现可实际应用的电力传动控制系统。调节器工程设计方法的基本思路是通过将实际系统化为典型系统，然后根据典型系统性能与参数的关系，设计好参数，再通过典型系统参数与原实际系统的参数关系，确定原实际系统的参数，即可完成设计。
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●3.5非典型系统典型化
非典型系统的典型化可通过多种方法来实现，具体方法有小惯性环节合并、大惯性环节近似、高阶系统降阶等。
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●3.6典型I型系统性能与参数关系
典型系统传递函数的选取原则是越简单越好，且必须考虑实际系统特性，因此典型I型系统包含一个积分环节和一个惯性环节。系统具有两个参数，即K和T，由于T是惯性时间常数，在设计时只需要考虑K和系统性能之间的关系即可。将参数K与系统性能制成简单公式和图表，为设计提供依据。
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●3.7典型Ⅱ型系统性能与参数关系
典型II型系统不仅包含一个惯性环节，同时有一个比例微分环节，这是为了保证系统稳定而有的结构。系统具有参数T、K、τ，由于T不可调节，需要调节的是另外两个参数，为便于分析，引入中间变量h-中频宽，考察h和系统性能之间的关系，然后根据h确定K、τ，完成设计。
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●3.8按工程设计方程设计电流调节器
转速电流双闭环传动系统按先内环后外环的设计思路来设计调节器，具体步骤是先计算电流内环的控制对象传递函数，然后根据性能要求将电流环校正成典型I型系统，最后根据典型I型系统性能与参数关系设计电流调节器。
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●3.9按工程设计方程设计转速调节器
转速调节器设计时先将电流内环化简成转速环的一个环节，接着求出转速环控制对象传递函数，然后校正成典型II型系统，最后根据典型II型系统性能与参数关系确定中频宽h，设计与实现转速调节器。
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第四章直流传动控制系统的数字控制
数字控制的传动系统是传动系统发展方向。数字控制将控制核心由模拟电路转为数字电路，如何实现数字测速，如何实现数字PI调机器，如何实现直流传动控制系统的数字控制，这些内容都是本章即将学习的内容。
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●4.1数字测速方法
采用数字控制时，测速需要有对应的测量方法，主要有M法、T法和M/T法。
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●4.2数字PI调节器
在调速系统中常用PI调节器，常用的有位置式PI调节器和增量式PI调节器。位置式意义明显，而增量式更易于计算和实现。
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●4.3直流传动数字控制系统
数字控制系统是当今的主流。除主电路以外，其它都用数字电路实现，这让系统具有了很强的环境适应性和可靠性。也让复杂控制策略有了实现的可能。
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第五章基于稳态模型的交流传动系统
异步电动机与直流电动机相比，其磁场的建立要复杂得多，输入到电动机定子里的电流不仅要产生磁场还要产生转矩，控制起来难度加大。要获得良好的静态、动态性能的交流传动系统，则必须了解异步电动机基本控制方式和机械特性。在此基础上，熟悉SPWM技术、SVPWM技术、转差频率控制、变频器等内容。
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●5.1异步电动机VVVF基本控制方式
异步电动机VVVF控制方式分为基频以上和基频以下。基频以下频率和电压协调变化，基频以上电压不变，减小磁通调节频率。
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●5.2异步电动机变频控制机械特性
异步电动机变频控制机械特性是针对基频以下情况，恒压频比控制机械特性、恒Eg/f控制、恒Er/f控制等机械特性。
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●5.3VVVF系统SPWM技术
SPWM技术是正弦波脉宽调制技术，采用期望正弦波为调制波，三角波载波，通过二者交点作为功率开关器件开关时刻，输出一系列等幅不等宽的脉冲，为电动机输入近似正弦波信号。
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●5.4电压空间矢量与六拍逆变器
电压空间矢量定义电压不仅有大小而且有空间位置，由电压和磁链的关系，可得控制磁链其实可以通过控制电压来获得。
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●5.5SVPWM技术
SVPWM技术是用来跟踪磁链圆，通过控制电压空间矢量，控制磁链增量，使之逼近磁链圆。功率开关器件切换时考虑最小开关损耗原则。
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●5.6基于稳态模型的VVVF系统
稳态时变频控制系统控制实现起来简单，但没有控制动态电流波形，动态性能不高。
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●5.7转差频率控制交流传动系统
通过控制转差频率来控制电磁转矩，这是转差频率控制的关键点。要实现转差频率控制，遵循两个规律，其一要求转差频率在限幅范围内，近似保证转差频率与电磁转矩成正比，其二要求气隙磁通幅值恒定。
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●5.8变频器
变频器在现代传动系统中应用广泛。变频器由主电路和控制电路组成，主电路给电能提供通路，控制电路则提供输入、控制、显示、检测等功能。
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第六章基于动态模型的交流传动系统
基于动态模型的交流传动控制是保障获得高性能交流传动控制的基石。异步电动机动态模型是一个复杂多变量、强耦合、非线性模型，坐标变换是模型简化的有效手段。矢量控制思想是将定子电流解耦出励磁分量和转矩分量，然后仿照直流传动控制思想进行控制的一种思路。直接转矩控制则针对转矩入手，引入Bang-Bang控制，获得良好的动态性能。
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●6.1异步电动机的动态数学模型
异步电动机动态数学模型包含电压方程、磁链方程、转矩方程和运动方程四大方程，是一个多变量、强耦合、非线性的模型，直接用于电机控制比较困难。
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●6.2异步电动机动态模型简化-坐标变换
简化异步电动机模型的基本思想是借鉴直流电动机模型的便利，将三相变两相，将交流变直流，将耦合变解耦，通过坐标变换的思想，在保证变换前后功率不变，磁动势不变的原则下，实现模型简化的目标。
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●6.3按转子磁链定向的矢量控制系统
矢量控制方法是交流传动控制的重要方法。它将异步电动机模型通过坐标变换，按照转子磁链定向形成MT坐标系，实现励磁电流分量和转矩电流分量解耦，然后仿照直流电动机控制方法设计控制器，再通过反变换控制电力电子变换器，实现变流。
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●6.4直接转矩控制系统
直接对转矩进行闭环控制，通过转矩和磁链的双位Bang-Bang控制，然后通过开关选择控制器控制逆变器功率开关器件的通断，进而实现异步电动机控制。