第五章思考題與習題5-1簡述永磁同步電動機矢量控制技術的含義。通過坐標變換，將定子電流變換到兩相旋轉坐標系下，分解成產生定子磁場的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，在三相交流電動機上設法模擬直流電動機的轉矩控制方式。將勵磁電流分量定位在永磁體的勵磁磁鏈上，轉矩電流分量與勵磁電流分量方向正交，彼此獨立，然后分別對其進行控制。5-2以電動汽車為例，何時會采用轉速控制，何時會采用轉矩控制？轉速控制是電動汽車電機控制的關鍵環節之一、轉速控制可以通過改變電機的電壓、頻率和電流來實現。在低速運行時，可以通過提高電機的電壓和電流來增加車輛的加速度，提高動力輸出；在高速運行時，可以通過減小電機的電壓和電流來控制車輛的速度，提高續航里程。通常情況下，轉速控制采用閉環控制方法，即根據車輛的實際速度和目標速度的差異來調節電機的轉速，使其盡可能接近目標速度。轉矩控制是電動汽車電機控制的另一個關鍵環節。轉矩控制可以通過改變電機的電流來實現。在啟動和加速階段，需要提供足夠大的轉矩來驅動車輛，而在穩定行駛和減速階段，需要減小轉矩以提高能效。轉矩控制的目標是在保證車輛安全和舒適性的前提下，實現最佳的車輛性能和能效。通常情況下，轉矩控制也采用閉環控制方法，即根據車輛的實際轉矩和目標轉矩的差異來調節電機的電流，使其盡可能接近目標轉矩。5-3永磁同步電動機矢量控制系統是如何組成的？為什么要用位置傳感器？永磁同步電動機矢量控制系統?主要由位置傳感器、電機控制器和逆變器組成。位置傳感器用于測量電機轉子的位置和角度，電機控制器根據這些信息控制逆變器輸出相應的電流和電壓，從而實現對電機的精確控制。5-4永磁同步電動機采用弱磁控制策略時，需要注意哪些事項？在進行永磁電機弱磁調整時，需要注意以下幾點：1.永磁電機的負載應在連續工作狀態下進行，以便調整的精度更高。2.應將弱磁調整后的電機性能與調整前進行比對，以確保調整結果的準確性。3.弱磁調整應在專業人員的指導下進行，以確保調整的有效性和安全性。4.弱磁調整應在正常運行狀況下進行，不能在電機故障或損壞情況下進行。5.調整時應注意避免過多弱磁量導致電機的性能下降。5-5表面式和內嵌式永磁同步電動機在控制策略上有何不同？表貼電機的控制是直接通過電源開關或變頻控制，因此其控制方式更加簡單明了，對于一些打印機、掃描儀等電子產品的電源及機器中不需要頻繁變速之類的場合比較適用。內嵌電機的控制需要通過控制器實現，因為其內部結構較為復雜，需要通過控制器的調節來實現轉速調節。通常用于一些需要頻繁變速、旋轉精度有要求的場合，如工業研磨機械、風機等。5-6畫出id=0控制策略的向量圖，并分析其特點。實現簡單?：id=0控制策略通過始終保持定子電流的d軸分量id為零，僅通過控制q軸分量iq來控制電動機的轉矩，實現起來相對簡單?。轉矩控制直接?：轉矩與定子電流的幅值成正比，通過控制iq可以直接控制電動機的轉矩，這使得轉矩控制非常直接和有效?。效率高?：對于表面式永磁同步電動機，由于Ld=Lq，不產生磁阻轉矩，id的大小與電磁轉矩無關。通過使id=0，可以減少所需的定子電流，從而降低損耗、提高效率?。功率因數較低?：采用id=0控制時，電流矢量總是滯后電壓矢量一個角度，導致電動機運行時的功率因數總是滯后的。隨著負載增加，電流iq增大，電壓矢量與電流矢量的夾角增大，電機的功率因數降低。對變頻器容量要求高?：隨著負載增加，所需的定子電壓矢量幅值也相應增大，對變頻器的容量要求較高?。適用于表面式電機?：對于表面式永磁同步電動機，由于等效氣隙大，電感Ld=Lq的值很小，上述問題并不嚴重。因此，表面式電機通常采用id=0控制?。5-7簡述PMSM直接轉矩控制的基本思想。直接轉矩控制技術是一種基于電機轉矩、電流和位置信息進行控制的方法。該方法的基本思想是通過直接測量電機的狀態變量來計算電機磁通和轉矩，從而實現對電機的精確控制。與傳統的控制方法相比，直接轉矩控制技術具有更高的動態響應性能和更好的穩態精度，可以在高速和重載情況下保持良好的電機性能。5-8對于PMSM，DTC是如何控制定子磁鏈幅值的，又是如何控制電動機的電磁轉矩？通過計算轉矩和磁鏈的幅值，并分別與給定值比較，來控制定子磁鏈的幅值及該矢量相對于磁鏈的夾角。通過轉矩和磁鏈調節器直接輸出所需的空間電壓矢量，從而達到磁鏈和轉矩直接控制的目的。5-9在一個采樣周期內，PMSM的轉矩增量與哪些因素有關？如果試圖控制轉矩增量，應如何做？5-10基于滯環比較器和開關表的DTC有哪些優點？又有哪些缺點？哪些措施可以用來改進該DTC技術的性能？DTC控制技術具有快速響應、高精度控制等優點，但也存在一些缺點。首先，它依賴于系統的采樣周期，采樣周期的不準確會影響DTC系統的控制精度。其次，DTC技術采用了開關器件和PWM技術控制，可能會對電機的波形和電網產生一定的干擾。為了更好地應用DTC技術，需要注意以下幾點。首先，要選擇合適的采樣周期，以保證控制精度。其次，要注意電機的負載特性，以便更好地控制電機的轉矩和速度。此外，還需要注意DTC技術對電機波形和電網的干擾問題。5-11SVM-DTC較基于滯環比較器和開關表的DTC有哪些優勢？又有哪些劣勢？優勢：對轉矩脈動出色的抑制能力、開關頻率固定、電流和磁鏈紋波小。劣勢：系統結構更加復雜，計算量增加，還需要調節PI參數。5-12為什么DTC無需同步旋轉變換？與矢量控制相比，DTC的最大優勢是什么？DTC利用Bang-Bang控制（滯環控制）產生PWM信號，通過控制逆變器的開關狀態來獲得高動態性能的轉矩。其基本操作是將磁鏈和轉矩的設定值與實際值的誤差傳遞給滯環比較器，經過離線運算開關表獲得合適的電機空間矢量，從而實現電機的調速控制?。這種控制方式不需要進行旋轉坐標變換，因此在控制過程中不需要同步旋轉變換?。直接轉矩控制（DTC）的最大優勢在于其快速的動態響應和相對簡單的控制結構?。

5-13異步電機DTC與永磁同步電機的DTC有何區別？永磁同步電動機的定子和轉子的運行頻率保持嚴格一致，不存在異步電動機中的“轉差”。5-14除了七段式SVPWM調制，還有哪種調制方式？與七段式調制區別在哪？五段式調制。開關次數?：七段式SVPWM的開關次數較多，而五段式SVPWM的開關次數較少。七段式SVPWM在一個采樣周期中會產生更多的開關動作，而五段式則在每個采樣周期中開關動作較少?12。諧波含量?：七段式SVPWM的諧波含量較小，而五段式SVPWM的諧波含量較大。由于七段式通過更多的開關動作來合成電壓矢量，能夠更好地減少諧波，從而獲得更平滑的電流波5-15相同的采樣頻率下，SVM-DTC和基于滯環比較器和開關表的DTC哪種開關損耗更大？為什么？在相同采樣頻率下，基于滯環比較器和開關表的DTC會產生更大的開關損耗。這主要是因為滯環控制的頻繁開關特性，而SVM-DTC通過優化矢量選擇和開關時機，有效減少了不必要的開關操作，從而降低了開關損耗。5-16簡述模型預測控制的基本思想。先由電動機模型和當前狀態預測出每個電壓矢量作用給電動機后的預測值，然后由預先定義的價值函數選擇一個使得預測值與給定值最接近的電壓矢量作為控制量，如此選擇的控制量考慮了系統的未來狀態，在誤差出現之前就對誤差進行了消除，可以獲得更好的控制性能。5-17畫出模型預測控制的原理框圖，并簡要介紹各部分。測量永磁同步電動機三相電流。將控制集中所有矢量代入預測模型，計算所有矢量作用下電流在下一時刻的預測值。計算每個預測狀態下的目標函數。選擇最小化目標函數的開關狀態。應用這種新的開關狀態。5-18與矢量控制和直接轉矩控制相比，模型預測控制的優勢在哪？劣勢又有哪些？優勢：強大的多變量控制能力；能夠處理系統約束并優化控制過程；對復雜動態和負載變化具有較好的適應性和優化能力。劣勢：高計算復雜度和實時性能要求；強依賴于精確的模型；系統設計和實現的復雜性較高。5-19簡述模型預測控制計算量大的原因，簡述如何減小計算量。 MPC的計算量大主要是因為每個控制周期內需要求解一個優化問題，而這個優化問題通常涉及到多狀態、多變量的動態系統，并且優化時域越長、約束條件越多，計算量越大。為減小計算量，可以通過簡化優化問題、使用簡化模型、選擇高效優化算法、并行計算或硬件加速等方式來降低計算復雜度，從而實現更高效的實時控制。5-20舉例說明，哪些措施可以改善FCS-MPC的性能？改善FCS-MPC性能的措施包括優化計算效率、簡化控制模型、調整預測時域、并行計算和硬件加速等。此外，精細化控制輸入的離散化、智能量化、以及自適應調整控制策略等方法也能顯著提高FCS-MPC在實際應用中的效率和性能。通過這些手段，可以有效降低計算復雜度，提升實時控制性能，尤其適用于對計算時間和實時性要求高的應用場景。5-21針對FCS-MPC存在的問題，你覺得哪些問題是可以通過價值函數予以解決的，并簡述解決思路。計算復雜度問題。利用價值函數來預評估不同控制輸入的潛在效果，避免每次都進行全面的優化。實時性問題。價值函數的估算可以提前進行。在線更新和自適應。控制策略的魯棒性。價值函數與魯棒控制相結合。自適應價值函數。5-22簡述FCS-MPTC和直接轉矩控制的區別。特點DTCFCS-MPTC控制策略直接基于電壓矢量的選擇進行轉矩和磁鏈控制基于模型預測和優化選擇最佳控制輸入計算復雜度計算簡單，實時性高計算復雜，實時性要求高開關頻率不規則，可能導致高頻噪聲和諧波相對平滑，可調，有助于減少電磁干擾和開關損耗控制精度精度有限，易受參數變化和擾動影響更精確，可以應對系統不確定性和動態變化魯棒性對擾動和參數變化敏感具有更好的魯棒性，能夠處理擾動和系統不確定性實現難度實現較為簡單，適用于中低端控制器實現較為復雜，對硬件和軟件要求高，適用于高性能控制系統5-23PMSM電源頻率為50Hz和60Hz時，10極PMSM轉速是多少？18極PMSM轉速又是多少？n=60f/p.n1=60*50/5=600r/minn1=60*60/9=400r/min5-24結合PMSM數學模型，討論PMSM非線性、強耦合和多變量的性質，并說明具體體現在哪些方面？非線性特性：由于電機的電壓、電流、轉矩與電感之間的非線性關系，PMSM在不同工作點的行為復雜，特別是在高負載或磁飽和情況下.強耦合特性：電機的iq、id電流分量、轉矩和磁場之間存在強耦合，控制輸入之間的耦合性要求更加精確的控制算法。多變量特性：PMSM作為一個多輸入多輸出系統，涉及的變量多，且這些變量之間的相互關系要求同時考慮多個控制量，以實現高效、精確的控制。5-25隱極式與凸極式PMSM的結構與電磁轉矩分別有何特點？特點SPMSMIPMSM轉子結構永磁體貼在轉子表面，結構簡單永磁體嵌入轉子槽內，結構復雜磁場分布磁場分布均勻，磁通密度低磁場不均勻，磁通密度高電磁轉矩轉矩平滑，波動較小轉矩波動較大，尤其在低轉速時適用場景高速應用，要求轉矩波動小低速高轉矩應用，電動汽車等優點結構簡單，轉矩平滑，效率較高高轉矩密度，適應低速大轉矩缺點轉矩密度較低，低速時效率較差轉矩波動大，結構復雜，成本高5-26PMSM永磁轉矩于哪些因數有關，磁阻轉矩于哪些因數有關？永磁轉矩主要由轉子永磁體的磁鏈、定子電流的qq軸分量以及轉子和定子磁場的相對位置等因素決定，通常提供穩定且較為平滑的轉矩輸出磁阻轉矩則是由于轉子和定子之間的磁阻差異引起的，主要受轉子磁阻變化、定子電流的dd軸分量以及轉子與定子相對位置等因素的影響。磁阻轉矩通常在低速、高扭矩需求時發揮作用，但其轉矩波動較大。5-27試分析PMSM結構簡單、運行可靠的原因。無刷設計：省去了易磨損的刷子和換向器，簡化了電機結構，減少了維護需求。永磁體轉子：使用永磁體代替了電磁繞組，避免了勵磁系統和滑環的復雜性緊湊高效：通過優化設計，提高了功率密度，并實現了高效能和低損耗低維護需求：沒有易損件，減少了維護成本和停機時間，延長了使用壽命高穩定性和可靠性：穩定的電磁特性和高效運行，減少了溫升和故障風險，具備較強的過載能力5-28PMSM的機械角度與電角度是什么關系？PMSM的機械角度和電角度之間的關系由電機的極對數（p）決定。電角度=機械角度*p。5-29從控制電機的角度，永磁電機較感應電機更復雜還是更簡單？為什么？永磁同步電機相比感應電機在控制上更復雜：需要精確測量轉子位置和速度，通常需要額外的傳感器或復雜的估算算法；使用復雜的控制算法，如矢量控制（FOC）或直接轉矩控制（DTC），以實現高效能、精確控制；啟動過程需要特別設計，尤其在低速或啟動過程中需要特殊控制；由于轉子上有永磁體，電機的控制系統需要精確調節定子電流的方向和幅值，確保電機在不同工況下穩定運行。5-30永磁無刷直流電動機與普通直流電動機有何區別？特點永磁無刷直流電動機普通直流電動機換向方式電子換向機械換向（電刷和換向器）效率高效，能量損失小較低，受電刷摩擦影響維護幾乎無需維護，長壽命需要定期更換電刷，較多維護控制方式需要外部電子控制器，較復雜簡單的直流電源供電噪音與振動低噪音、低振動較高的噪音和振動應用場合高效、高精度、高要求的應用對性能要求不高的簡單應用永磁無刷直流電動機（BLDC）的優勢主要體現在高效率、低維護、長壽命和低噪音等方面，而有刷直流電動機（DC）的優點則在于結構簡單、控制簡單，適用于低功率和簡單應用。5-31位置傳感器在無刷直流電動機中起到什么作用？實現精準的電子換向，確保電動機高效運行；提供實時的轉子位置反饋，優化電動機性能；避免失步、抖動，確保平穩啟動和運行；增強控制精度，使電動機響應更靈敏，適應更復雜的控制策略；保護電動機及控制系統，避免因控制錯誤而造成的損害。5-32簡述使用活兒位置傳感器控制兩相導通三相星型六狀態永磁無刷直流電動機的工作原理使用位置傳感器控制兩相導通三相星型六狀態永磁無刷直流電動機的工作原理基于實時反饋轉子位置來調整電流導通的順序和狀態。每個工作狀態下，只有兩個定子繞組導通，通過精確的換向控制，電動機能夠平穩、高效地運行。5-33試分析“反電動勢法”無位置傳感器永磁無刷直流電動機控制原理。當BLDC電動機在旋轉時，每個繞組在特定的角度位置上會產生反電動勢。控制系統通過監測定子繞組的電壓（特別是未通電的繞組）來獲得反電動勢信號。通過分析反電動勢的波形特征，控制器能夠推斷出轉子當前的位置。具體而言，當電動機的某個定子繞組通電時，另一未通電繞組會感應出反電動勢信號。由于反電動勢的波形與轉子的位置關系密切，控制器可以基于反電動勢的零交點（BEMF零交點）來推算轉子的當前位置。制器利用反電動勢的信號來確定哪個繞組應當通電，并根據轉子位置的估算值調整電流的導通狀態，從而驅動電動機平穩旋轉。5-34比較正弦波永磁同步電機和永磁無刷電機各自的優點及區別。特性正弦波永