第3章電動機轉矩轉速控制

1、2022-6-1Tianjin University of Technology1 電動機分固定磁阻和變磁阻兩大類。電動機分固定磁阻和變磁阻兩大類。 其中，其中，固定磁阻電動機固定磁阻電動機主要包括主要包括l直流電動機直流電動機l無刷直流電動機無刷直流電動機( (BLDCM)BLDCM)l永磁同步電動機永磁同步電動機( (SPMM)SPMM)l交流感應電動機。交流感應電動機。 在歷史上，最先應用于變速傳動的是在歷史上，最先應用于變速傳動的是直流電動機直流電動機。近年來，近年來，交流電動機交流電動機( (包括無刷直流電動機包括無刷直流電動機) )在許多領在許多領域已經(jīng)并且正在取代直流電動機用作變

2、速傳動。域已經(jīng)并且正在取代直流電動機用作變速傳動。交流交流感應電動機感應電動機結構簡單，在工業(yè)領域中經(jīng)常應用于常速結構簡單，在工業(yè)領域中經(jīng)常應用于常速傳動。交流感應電動機已應用于變速傳動，例如，變傳動。交流感應電動機已應用于變速傳動，例如，變頻調速。頻調速。2022-6-1Tianjin University of Technology2 在機械運動控制中，多數(shù)采用伺服電動機作為執(zhí)行器，把電能在機械運動控制中，多數(shù)采用伺服電動機作為執(zhí)行器，把電能經(jīng)過耦合磁場轉換為機械能。電動機的能量轉換關系如圖所示。經(jīng)過耦合磁場轉換為機械能。電動機的能量轉換關系如圖所示。能量轉換的能量轉換的關鍵關鍵在于耦合磁

3、場及其對電系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的作用與在于耦合磁場及其對電系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的作用與反作用。耦合磁場對電系統(tǒng)的反作用反作用。耦合磁場對電系統(tǒng)的反作用( (作用作用) )表現(xiàn)在感應電動勢上。表現(xiàn)在感應電動勢上。而對機械系統(tǒng)的作用而對機械系統(tǒng)的作用( (反作用反作用) )表現(xiàn)在電磁轉矩表現(xiàn)在電磁轉矩T Temem上。上。 2022-6-1Tianjin University of Technology3 k k表示與第表示與第k k個導體回路交鏈的磁鏈，個導體回路交鏈的磁鏈，i ik k表示第表示第k k個導體回路中流過的個導體回路中流過的電流，電流，W Wm m表示磁場同等能量，則作用于轉子的表示磁場同等

4、能量，則作用于轉子的電磁轉矩電磁轉矩為為 同時，引用著名的電磁感應定律同時，引用著名的電磁感應定律( (楞次定律楞次定律) )：一個封閉回路內的：一個封閉回路內的感應感應電動勢電動勢等于與該回路交鏈的磁鏈的時間變化率，即等于與該回路交鏈的磁鏈的時間變化率，即e ej j=d=dj j/ /dtdt。對于對于n n個個多電磁回路，可進一步表示為多電磁回路，可進一步表示為 等式右邊第一項稱為回路電感電動勢；第二項稱為切割電動等式右邊第一項稱為回路電感電動勢；第二項稱為切割電動 勢勢( (亦稱為反電動勢亦稱為反電動勢) )。2022-6-1Tianjin University of Technolo

5、gy42022-6-1Tianjin University of Technology5這類電動機的特點是磁這類電動機的特點是磁路磁阻隨轉子轉角變化路磁阻隨轉子轉角變化而改變。若激磁磁勢不而改變。若激磁磁勢不變，則轉角變化時，磁變，則轉角變化時，磁鏈隨著變化，從而產(chǎn)生鏈隨著變化，從而產(chǎn)生電磁轉矩。變磁阻電動電磁轉矩。變磁阻電動機的基本工作原理如圖機的基本工作原理如圖所示所示 根據(jù)結構和供電方式的不同，變磁阻電動機分為根據(jù)結構和供電方式的不同，變磁阻電動機分為步進電動機、步進電動機、開關和變磁阻電動機開關和變磁阻電動機。2022-6-1Tianjin University of Technolo

6、gy6 電壓平衡方程電壓平衡方程：任一回路的外加電壓等于回路電阻上的壓降與感應電：任一回路的外加電壓等于回路電阻上的壓降與感應電動勢之和。動勢之和。 其中，其中，n n為電動機內的電磁回路數(shù)。右邊第一項為回路電阻上的壓降，第為電動機內的電磁回路數(shù)。右邊第一項為回路電阻上的壓降，第二項為回路電感二項為回路電感( (包括自感和互感包括自感和互感) )上的壓降，第三項為電動機的反電動上的壓降，第三項為電動機的反電動勢。勢。 轉矩平衡方程轉矩平衡方程：電磁轉矩減去負載阻轉矩后的剩余轉矩用于加速電動機軸：電磁轉矩減去負載阻轉矩后的剩余轉矩用于加速電動機軸上的慣性負載。上的慣性負載。 式中，式中，J J為

7、電動機轉子軸上的轉動慣量；為電動機轉子軸上的轉動慣量；T TL L為電動機軸上的負載阻轉為電動機軸上的負載阻轉矩；矩；T Tm m為電動機的電磁轉矩為電動機的電磁轉矩. .2022-6-1Tianjin University of Technology7 直流電動機具有良好的控制性能、較直流電動機具有良好的控制性能、較大的啟動轉矩，還具有相對功率大和響大的啟動轉矩，還具有相對功率大和響應速度快等優(yōu)點。盡管相對交流電動機應速度快等優(yōu)點。盡管相對交流電動機而言，直流電動機結構復雜、價格較高，而言，直流電動機結構復雜、價格較高，但仍然是目前機電控制系統(tǒng)中應用最廣但仍然是目前機電控制系統(tǒng)中應用最廣泛的

8、一類電動機。泛的一類電動機。2022-6-1Tianjin University of Technology8 直流電動機的結構和基本工作原理模型如圖所示，直流電動機的結構和基本工作原理模型如圖所示，主要組成包括三部分：定子磁極主要組成包括三部分：定子磁極, ,電樞電樞, ,電刷電刷. .2022-6-1Tianjin University of Technology9直流電動機的電磁轉矩可表示為直流電動機的電磁轉矩可表示為 式中：式中：K KI I直流電動機電磁轉矩系數(shù)，直流電動機電磁轉矩系數(shù)，N Nm mA A，僅僅 與電動機本身的結構參數(shù)有關；與電動機本身的結構參數(shù)有關； i ia a電

9、樞電流，電樞電流，A A。 由式可見，當勵磁恒定不變時，直流電動機的電磁由式可見，當勵磁恒定不變時，直流電動機的電磁轉矩與電樞電流成正比。轉矩與電樞電流成正比。2022-6-1Tianjin University of Technology10 當直流電動機拖動負載時，電磁轉矩既要克服由于負載的機當直流電動機拖動負載時，電磁轉矩既要克服由于負載的機械摩擦及阻尼帶來的負載阻轉矩，又要克服由于電動機中的機械械摩擦及阻尼帶來的負載阻轉矩，又要克服由于電動機中的機械摩擦、電樞中的磁滯與渦流等產(chǎn)生的電動機阻轉矩，還要使慣性摩擦、電樞中的磁滯與渦流等產(chǎn)生的電動機阻轉矩，還要使慣性負載產(chǎn)生加速度，其轉矩平衡

10、方程式為負載產(chǎn)生加速度，其轉矩平衡方程式為式中：式中：T Temem電動機電磁轉矩，電動機電磁轉矩，N Nm m；T Td d作用于電動機軸上的阻轉矩，包括電動機阻轉矩和負載阻轉作用于電動機軸上的阻轉矩，包括電動機阻轉矩和負載阻轉矩，矩，N Nm m；J J電動機轉子及負載等效在電動機軸上的轉動慣量，電動機轉子及負載等效在電動機軸上的轉動慣量，kgkgm m2 2；電動機轉動角速度，電動機轉動角速度，fadfads s。 emddJTTdt2022-6-1Tianjin University of Technology11直流電動機電樞反電動勢直流電動機電樞反電動勢E Ea a可以認為與轉速成

11、正比，即可以認為與轉速成正比，即式中：式中：KeKe電動機反電動勢系數(shù)，電動機反電動勢系數(shù)，V Vs sradrad，僅與電動機本身的結構參數(shù)有關；僅與電動機本身的結構參數(shù)有關； 電動機轉動角速度，電動機轉動角速度，radrads s，常用轉速符號常用轉速符號 ,r ,rminmin。對于同一臺直流電動機，它們的數(shù)值相等，即對于同一臺直流電動機，它們的數(shù)值相等，即KeKeKt,Kt,因此，直流電動機的電壓平衡方因此，直流電動機的電壓平衡方程式為程式為式中：式中：uaua電樞電壓，電樞電壓，V V；iaia電樞電流，電樞電流，A A；RaRa電樞電阻，電樞電阻，；LaLa電樞電電樞電感，感，H

12、H。 aeEKddt602n2022-6-1Tianjin University of Technology12 普通的直流電動機普通的直流電動機一般作為動力部件一般作為動力部件，著重于對，著重于對啟動和運行狀態(tài)動能指標的要求；而在機電控制系統(tǒng)啟動和運行狀態(tài)動能指標的要求；而在機電控制系統(tǒng)中作為伺服元件時，則著重于特性的中作為伺服元件時，則著重于特性的高精度和快速響高精度和快速響應應。后一類直流電動機稱為直流伺服電動機。后一類直流電動機稱為直流伺服電動機。 伺服電動機伺服電動機是一種受輸入電信號控制，并作出快是一種受輸入電信號控制，并作出快速響應的電動機。堵轉轉矩與控制速響應的電動機。堵轉轉矩

13、與控制 電壓成正比，轉電壓成正比，轉速隨轉矩的增加而近似線性下降，調速范圍寬，當控速隨轉矩的增加而近似線性下降，調速范圍寬，當控制電壓為零時能立即制電壓為零時能立即 停轉。根據(jù)伺服電動機的這種停轉。根據(jù)伺服電動機的這種工作特點，其結構設計有一些特別的要求。但在基本工作特點，其結構設計有一些特別的要求。但在基本原理上，直流伺服電動機與普通直流電動機是完全相原理上，直流伺服電動機與普通直流電動機是完全相同的。同的。2022-6-1Tianjin University of Technology13靜態(tài)特性靜態(tài)特性：直流伺服電機的機械特性直流伺服電機的機械特性直流伺服電機的調節(jié)特性直流伺服電機的調節(jié)

14、特性動態(tài)特性：動態(tài)特性：直流伺服電機的方框圖描述直流伺服電機的方框圖描述2022-6-1Tianjin University of Technology14靜態(tài)時可得直流伺服電動機的轉速公式為靜態(tài)時可得直流伺服電動機的轉速公式為由上式可得直流伺服電動機的由上式可得直流伺服電動機的機械特性機械特性。2022-6-1Tianjin University of Technology15直流伺服電動機的機械直流伺服電動機的機械特性，即保持控制電壓特性，即保持控制電壓恒定時，電動機轉矩與恒定時，電動機轉矩與轉速的關系曲線，如圖轉速的關系曲線，如圖所示。所示。2022-6-1Tianjin Univers

15、ity of Technology16理想空載轉速理想空載轉速0 0為：為：轉速為零時，電動機的堵轉轉矩轉速為零時，電動機的堵轉轉矩T Tb b為為 ：機械特性硬度機械特性硬度| |tan|tan|，用理想空載轉速和堵轉轉矩定義用理想空載轉速和堵轉轉矩定義為為 ： 2022-6-1Tianjin University of Technology17直流伺服電動機的調節(jié)直流伺服電動機的調節(jié)特性，即電磁轉矩恒定特性，即電磁轉矩恒定時，電動機轉速隨控制時，電動機轉速隨控制電壓變化的關系曲線，電壓變化的關系曲線，如圖所示。如圖所示。 圖中，調節(jié)特性與橫軸的交點為電動機的始動電壓。從原點圖中，調節(jié)特性與

16、橫軸的交點為電動機的始動電壓。從原點到始動電壓點的橫坐標范圍，被稱為在某一電磁轉矩值時伺服電到始動電壓點的橫坐標范圍，被稱為在某一電磁轉矩值時伺服電動機的失靈區(qū)。失靈區(qū)的大小與電磁轉矩的大小成正比。動機的失靈區(qū)。失靈區(qū)的大小與電磁轉矩的大小成正比。2022-6-1Tianjin University of Technology18直流伺服電動機的動態(tài)特性由下列方程組描述：直流伺服電動機的動態(tài)特性由下列方程組描述：式中，式中，B B為等效在電動機軸上的粘性阻尼系數(shù)；為等效在電動機軸上的粘性阻尼系數(shù)；Td(t)Td(t)為電動機阻轉為電動機阻轉矩與負載阻轉矩之和。其余參數(shù)和變量的定義與前面相同。矩

17、與負載阻轉矩之和。其余參數(shù)和變量的定義與前面相同。2022-6-1Tianjin University of Technology19通過對上式進行拉氏變換可以獲得等價的傳遞函數(shù)方塊圖：通過對上式進行拉氏變換可以獲得等價的傳遞函數(shù)方塊圖：通過方塊圖簡化，消去中間變量，可得到以電樞電壓通過方塊圖簡化，消去中間變量，可得到以電樞電壓u ua a(t)(t)為輸入變?yōu)檩斎胱兞浚妱訖C轉速量，電動機轉速(t)(t)為輸出變量的傳遞函數(shù)：為輸出變量的傳遞函數(shù)： 2022-6-1Tianjin University of Technology20令令 - -電動機電磁時間常數(shù)電動機電磁時間常數(shù) - -電動

18、機電機電時間常數(shù)電動機電機電時間常數(shù) - -機械系統(tǒng)時間常數(shù)機械系統(tǒng)時間常數(shù)代入傳遞函數(shù)，忽略電樞電感及粘性阻尼系數(shù)，則直流代入傳遞函數(shù)，忽略電樞電感及粘性阻尼系數(shù)，則直流伺服電動機的傳遞函數(shù)可近似為伺服電動機的傳遞函數(shù)可近似為aaaLTRamatR JTK KJTB2022-6-1Tianjin University of Technology21 由此可見，直流伺服電動機通常可近似為一階慣由此可見，直流伺服電動機通?？山茷橐浑A慣性環(huán)節(jié)，其過渡過程的快慢主要取決于機電時間常數(shù)性環(huán)節(jié)，其過渡過程的快慢主要取決于機電時間常數(shù)T Tm m。為了加快系統(tǒng)響應速度，展寬系統(tǒng)頻帶，必須設為了加快系統(tǒng)響

19、應速度，展寬系統(tǒng)頻帶，必須設法減小法減小T Tm m。根據(jù)根據(jù)T Tm m的定義，通常應從以下幾方面著手：的定義，通常應從以下幾方面著手： (1) (1)設計良好的機械系統(tǒng)，以減小等效轉動慣量設計良好的機械系統(tǒng)，以減小等效轉動慣量J J； (2) (2)給電動機供電的電源內阻應盡可能小，以降低電給電動機供電的電源內阻應盡可能小，以降低電樞樞 回路的電阻回路的電阻R R。；。； (3) (3)附加速度負反饋，以加大等效反電動勢系數(shù)附加速度負反饋，以加大等效反電動勢系數(shù)K Ke e。 這些都是機電控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的技術措施。這些都是機電控制系統(tǒng)中經(jīng)常采用的技術措施。 2022-6-1Tianji

20、n University of Technology22 直流電動機的驅動電路，即直流電動機的驅動電路，即功率放大器功率放大器，是用于，是用于放大控制信號并向電動機提供必要能放大控制信號并向電動機提供必要能 量的電子裝置。量的電子裝置。它的性能將直接影響系統(tǒng)性能。功率放大器應能提供它的性能將直接影響系統(tǒng)性能。功率放大器應能提供足夠的電功率，具足夠的電功率，具 有相當寬的頻帶和盡可能高的效有相當寬的頻帶和盡可能高的效率。目前，廣泛應用的半導體功率放大器有三類：率。目前，廣泛應用的半導體功率放大器有三類：l線性型線性型l開關型開關型l晶閘管型。晶閘管型。2022-6-1Tianjin Univer

21、sity of Technology23 線性功率放大器是指放大器中的功率元件工作于線性功率放大器是指放大器中的功率元件工作于線性狀態(tài)的放大器，其輸出電壓或線性狀態(tài)的放大器，其輸出電壓或 電流同控制信號電流同控制信號成比例關系。這種放大器的優(yōu)點是線路相對簡單，電成比例關系。這種放大器的優(yōu)點是線路相對簡單，電磁干擾比較小。但磁干擾比較小。但 由于其功率元件工作在線性狀態(tài)，由于其功率元件工作在線性狀態(tài)，有大量的功率消耗在功率元件上，致使其效率很低。有大量的功率消耗在功率元件上，致使其效率很低。因此，線性功率放大器一般用于控制小功率的電動機因此，線性功率放大器一般用于控制小功率的電動機或要求電磁干擾

22、較小的系統(tǒng)中。主要有或要求電磁干擾較小的系統(tǒng)中。主要有 1 1單極性功率放大器單極性功率放大器 2. 2. 雙極性功率放大器雙極性功率放大器2022-6-1Tianjin University of Technology24這是功率放大器中最簡單的這是功率放大器中最簡單的一種，圖一種，圖3 31010是一個最簡單是一個最簡單的單極性功率放大器的原理的單極性功率放大器的原理圖。這種放大器僅具有單象圖。這種放大器僅具有單象限控制能力，即僅能提供正限控制能力，即僅能提供正的電壓和正的電流。因而它的電壓和正的電流。因而它可以使電動機很快加速，而可以使電動機很快加速，而減速只能靠摩擦力和粘滯阻減速只能靠

23、摩擦力和粘滯阻力，減速較慢。圖中力，減速較慢。圖中VDVD為續(xù)為續(xù)流二極管，以防電流急劇減小流二極管，以防電流急劇減小時電動機線圈產(chǎn)生過高的自感時電動機線圈產(chǎn)生過高的自感電動勢而擊穿晶體管。電動勢而擊穿晶體管。2022-6-1Tianjin University of Technology25 雙極性功率放大器可以輸出雙極性功率放大器可以輸出正、負兩個極性的電壓和電正、負兩個極性的電壓和電流，電動機能夠正反兩個方流，電動機能夠正反兩個方向運行。圖向運行。圖3 31212表示了表示了T T型型和和H H型兩種典型雙極性放大型兩種典型雙極性放大器的原理圖。器的原理圖。T T型放大器線路型放大器線路

24、較為簡單、成熟，因而得到廣較為簡單、成熟，因而得到廣泛的應用，但它要使用正、負泛的應用，但它要使用正、負電源供電，晶體管耐壓要求高電源供電，晶體管耐壓要求高，要能承受，要能承受2 2U Us s的電壓。的電壓。 H H橋型橋型電路較為復雜，功率元件多，一般在功率較大的系統(tǒng)中應用。電路較為復雜，功率元件多，一般在功率較大的系統(tǒng)中應用。2022-6-1Tianjin University of Technology26 開關型放大器中的功率元件工作在開關狀開關型放大器中的功率元件工作在開關狀態(tài)，它不是直接控制其輸出電壓的幅值，而是態(tài)，它不是直接控制其輸出電壓的幅值，而是通過通過控制其輸出電壓的占空

25、比控制其輸出電壓的占空比，使其輸出電壓，使其輸出電壓的平均值同控制信號成比例。這類功率放大器的平均值同控制信號成比例。這類功率放大器的突出優(yōu)點是具有很高的效率，缺點是電磁干的突出優(yōu)點是具有很高的效率，缺點是電磁干擾較大，一般應用于幾百瓦至幾十千瓦的系統(tǒng)擾較大，一般應用于幾百瓦至幾十千瓦的系統(tǒng)中。開關型功率放大器分中。開關型功率放大器分脈沖寬度調制型脈沖寬度調制型( (PWMPWM，簡稱脈寬調制型簡稱脈寬調制型) )和脈沖頻率調制型和脈沖頻率調制型兩類，也兩類，也有兩種形式混合的。脈沖頻率調制型多用于純有兩種形式混合的。脈沖頻率調制型多用于純電感性負載，如電磁線圈。電動機控制則廣泛電感性負載，如

26、電磁線圈。電動機控制則廣泛應用脈寬調制型功率放大器。應用脈寬調制型功率放大器。2022-6-1Tianjin University of Technology27脈寬調制放大器的輸出電脈寬調制放大器的輸出電壓是幅值恒定、頻率恒定壓是幅值恒定、頻率恒定、脈寬可調的波形，如圖、脈寬可調的波形，如圖3 31313所示。對圖所示。對圖3 31313所所示波形進行傅里葉級數(shù)展示波形進行傅里葉級數(shù)展 開，可得開，可得2022-6-1Tianjin University of Technology28從式從式(3(336)36)可看出，脈寬調制放大器輸出的直流分量與占空比成比可看出，脈寬調制放大器輸出的直流

27、分量與占空比成比例關系。當脈沖周期例關系。當脈沖周期T Ts s，比電動機電磁時間常數(shù)比電動機電磁時間常數(shù)TsTs小很多時，由小很多時，由于電樞電感的濾波作用和轉子慣量的平滑作用，式于電樞電感的濾波作用和轉子慣量的平滑作用，式(3(336)36)中的中的交流分量產(chǎn)生的作用很小，可以忽略不計。換言之，控制直流電交流分量產(chǎn)生的作用很小，可以忽略不計。換言之，控制直流電動機的脈寬調制電壓，可以等價為直流控制電壓。動機的脈寬調制電壓，可以等價為直流控制電壓。2022-6-1Tianjin University of Technology29 PWMPWM功率放大器和線性功率放大器一樣，也有多種電路形式

28、。功率放大器和線性功率放大器一樣，也有多種電路形式?？偟膩碚f，可以分為單極性和雙極性兩種工作方式。每種工作方總的來說，可以分為單極性和雙極性兩種工作方式。每種工作方式又可分為可逆開關放大電路和不可逆開關放大電路。式又可分為可逆開關放大電路和不可逆開關放大電路。 以以T T型雙極性開關放大器型雙極性開關放大器 為例簡介為例簡介PWMPWM功率放大器。功率放大器。如圖如圖3 31616所示，實際上它與所示，實際上它與T T型單極性開關放大器很相似型單極性開關放大器很相似，只是接了正負雙電源，因，只是接了正負雙電源，因此其輸出電壓在此其輸出電壓在- -U Us s到到+ +U Us s，之間變化。由

29、于其極性可變之間變化。由于其極性可變，故稱為雙極性工作方式。，故稱為雙極性工作方式。它可以調節(jié)電動機轉速的大小和方向。它可以調節(jié)電動機轉速的大小和方向。2022-6-1Tianjin University of Technology30 (1)(1)功率管的選擇功率管的選擇 PWM PWM放大器中的功率管選放大器中的功率管選 擇原則與線性放大器不同，擇原則與線性放大器不同， 由于其工作在高頻開關狀由于其工作在高頻開關狀 態(tài)，動態(tài)開關損耗比較大，態(tài)，動態(tài)開關損耗比較大， 一般要求選用截止頻率比一般要求選用截止頻率比 較高的晶體管，以降低開較高的晶體管，以降低開 關損耗。關損耗。 目前常用的功率器

30、件主要有三種類型：雙極結型晶體管目前常用的功率器件主要有三種類型：雙極結型晶體管( (GRT)GRT)、金金屬氧化物場效屬氧化物場效 應晶體管應晶體管( (MOSFET)MOSFET)以及絕緣柵雙極晶體管以及絕緣柵雙極晶體管(1(1GBT)GBT)。圖圖3 32020給出了三種功率元件的開關能力。給出了三種功率元件的開關能力。2022-6-1Tianjin University of Technology31 一般晶體管導通時，其導通電壓會隨電流增大而升高，尤其是一般晶體管導通時，其導通電壓會隨電流增大而升高，尤其是過流時，導通電壓會急劇升高，如圖過流時，導通電壓會急劇升高，如圖3 32121

31、所示。利用這一特性，所示。利用這一特性，可在晶體管導通時檢測其導通壓降。當它高于某一設定值時，便可在晶體管導通時檢測其導通壓降。當它高于某一設定值時，便關斷晶體管，達到保護目的。關斷晶體管，達到保護目的。 晶體管飽和導通壓降檢測保護法，可用圖晶體管飽和導通壓降檢測保護法，可用圖3 32222所示的電路實所示的電路實現(xiàn)。其中，與非門的作用是，晶體管加導通信號時，檢測才起作現(xiàn)。其中，與非門的作用是，晶體管加導通信號時，檢測才起作用，以免晶體管關斷時造成誤判。檢測后的信號與驅動信號通過用，以免晶體管關斷時造成誤判。檢測后的信號與驅動信號通過與門共同控制功率管開通與關斷。與門共同控制功率管開通與關斷。

32、2022-6-1Tianjin University of Technology32 在在PWMPWM放大器中，同一橋臂上的兩個晶體管多工作放大器中，同一橋臂上的兩個晶體管多工作在反相狀態(tài)，即當一個導通時，另一個就關斷。實際在反相狀態(tài)，即當一個導通時，另一個就關斷。實際上晶體管的開通、關斷是有延時的，且關斷延時一般上晶體管的開通、關斷是有延時的，且關斷延時一般比開通延時大，當晶體管開關控制信號跳變時，原來比開通延時大，當晶體管開關控制信號跳變時，原來關斷的晶體管將很快開通，而原來導通的晶體管卻不關斷的晶體管將很快開通，而原來導通的晶體管卻不能立即關斷。結果，在這一瞬間兩晶體管處于同時導能立即關

33、斷。結果，在這一瞬間兩晶體管處于同時導通狀態(tài)，形成短路，并可能損壞晶體管。因此，必須通狀態(tài)，形成短路，并可能損壞晶體管。因此，必須使控制信號由低變高的過程延時一段時間，以免造成使控制信號由低變高的過程延時一段時間，以免造成橋臂直通。這種延遲就是橋臂直通。這種延遲就是開通延遲開通延遲。 開通延時可通過在晶體管驅動級加延遲或在脈寬開通延時可通過在晶體管驅動級加延遲或在脈寬調制器中加死區(qū)的辦法實現(xiàn)。調制器中加死區(qū)的辦法實現(xiàn)。2022-6-1Tianjin University of Technology33PWMPWM放大器中，當電動機放大器中，當電動機制動時，電動機轉子及負制動時，電動機轉子及負載

34、存儲的能量并不是消耗載存儲的能量并不是消耗在放大器中，而是回饋到在放大器中，而是回饋到電源中。當采用整流電源電源中。當采用整流電源時，回饋的能量充到電容時，回饋的能量充到電容器中。當系統(tǒng)慣量比較大器中。當系統(tǒng)慣量比較大時，由于充電引起電容器的電壓升高幅度很大。如果不時，由于充電引起電容器的電壓升高幅度很大。如果不加處理，將產(chǎn)生過高的電壓而威脅電路的安全。因此，加處理，將產(chǎn)生過高的電壓而威脅電路的安全。因此，一般在中、小功率系統(tǒng)中，附加如圖一般在中、小功率系統(tǒng)中，附加如圖3 32323所示的放電所示的放電回路，將多余的能量在電阻只回路，將多余的能量在電阻只L L中消耗掉；在大功率系中消耗掉；在大

35、功率系統(tǒng)中，則加逆變器將能量回饋電網(wǎng)。統(tǒng)中，則加逆變器將能量回饋電網(wǎng)。2022-6-1Tianjin University of Technology34SCRSCR驅驅動器分為動器分為可逆和不可可逆和不可逆兩種電路逆兩種電路。圖。圖3 32424是由一組是由一組SCRSCR變流器變流器構成的不可逆電路。構成的不可逆電路。其中，上部三只其中，上部三只SCRSCR具有共陰極，以具有共陰極，以120120電角度相位間隔交替被導通，而具有共陽極的下部三只電角度相位間隔交替被導通，而具有共陽極的下部三只SCRSCR同樣以同樣以120120電角度相位間隔交替被導通電角度相位間隔交替被導通. . 2022

36、-6-1Tianjin University of Technology35 可逆電路可逆電路一般多采用兩組一般多采用兩組SCRSCR變流器聯(lián)結而成，其中一組變變流器聯(lián)結而成，其中一組變流器向電動機提供正向電流，流器向電動機提供正向電流，另一組向電動機提供反向電流。另一組向電動機提供反向電流。兩組變流器之間的連接可分為兩組變流器之間的連接可分為反并聯(lián)和交叉連接，如圖反并聯(lián)和交叉連接，如圖3 32 26 6所示。反并聯(lián)方案中可用一個所示。反并聯(lián)方案中可用一個交流電源向兩組變流器供電，交流電源向兩組變流器供電，但在有環(huán)流的方案中需用但在有環(huán)流的方案中需用4 4個限個限流電抗器。交叉連接方案中的兩流

37、電抗器。交叉連接方案中的兩組變流器需要各自獨立的電源供組變流器需要各自獨立的電源供電，但其環(huán)流值較小，所用電抗電，但其環(huán)流值較小，所用電抗器較少。器較少。2022-6-1Tianjin University of Technology36 直流電動機具有調速范圍寬，啟動、制動特性好等優(yōu)點，至今由直流電動機具有調速范圍寬，啟動、制動特性好等優(yōu)點，至今由直流電動機組成的調速系統(tǒng)仍為變速傳動的主要形式。采用直流電動機組成的調速系統(tǒng)仍為變速傳動的主要形式。采用PWMPWM功放的直流電動機調速系統(tǒng)的原理如圖功放的直流電動機調速系統(tǒng)的原理如圖3 32727所示。所示。2022-6-1Tianjin Uni

38、versity of Technology37 根據(jù)圖根據(jù)圖3 32727的工作原理，利用直流電動機動力學方程組的工作原理，利用直流電動機動力學方程組(3(331)31)，可畫出電流環(huán)的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖，可畫出電流環(huán)的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖3 32828所示。圖中，所示。圖中，符號。表示電流負反饋系數(shù)；符號。表示電流負反饋系數(shù)；K Ki i(i is s十十1)/1)/i is s為電流控制器傳為電流控制器傳遞函數(shù)。這里，在電動機的傳遞函數(shù)中已經(jīng)略去機械阻尼系數(shù)遞函數(shù)。這里，在電動機的傳遞函數(shù)中已經(jīng)略去機械阻尼系數(shù)B B。2022-6-1Tianjin University of Techn

39、ology38整個電流環(huán)的傳遞函整個電流環(huán)的傳遞函數(shù)方塊圖可以進一步數(shù)方塊圖可以進一步簡化為圖簡化為圖3 32929。由。由圖圖3 32929可得可得(3.40)2022-6-1Tianjin University of Technology39根據(jù)圖根據(jù)圖3 32828，電動機的電樞電流，電動機的電樞電流IaIa(s)(s)與電動機的轉速存在如下關與電動機的轉速存在如下關系式：系式：將式將式(3(340)40)代人式代人式(3(341)41)，得，得I Ia a(s)(s)U Ui i(s)(s)R Ra a(s)(s)；再代人式再代人式(3(331)31)，得電磁轉矩，得電磁轉矩 l上式上

40、式(3(342)42)表明，在電流環(huán)中，直流電動機的電磁轉矩表明，在電流環(huán)中，直流電動機的電磁轉矩T Temem。與與電樞電流電樞電流I Ia a。成正比，電樞電流成正比，電樞電流I Ia a。與輸入電壓與輸入電壓U Ui i成正比，所以，成正比，所以，輸入電壓通過電流環(huán)控制了電磁轉矩。輸入電壓通過電流環(huán)控制了電磁轉矩。(3.41)(3.42)2022-6-1Tianjin University of Technology40首先，設速度控制器為比首先，設速度控制器為比例控制器，其增益為例控制器，其增益為K Kv v。又令測速發(fā)電機的反饋系又令測速發(fā)電機的反饋系數(shù)為數(shù)為K Kf f?？紤]到電流

41、環(huán)的考慮到電流環(huán)的傳遞函數(shù)方程傳遞函數(shù)方程(3(340)40)，可以畫出速度環(huán)的傳遞函可以畫出速度環(huán)的傳遞函數(shù)方塊圖，如圖數(shù)方塊圖，如圖3 33030所示。所示。 由圖由圖3 33030容易看出，該速度調節(jié)系統(tǒng)是容易看出，該速度調節(jié)系統(tǒng)是I I型系統(tǒng)，對于階躍參考輸入，型系統(tǒng)，對于階躍參考輸入，輸出速度是無輸出速度是無 靜態(tài)誤差的。但是，由于存在負載轉矩靜態(tài)誤差的。但是，由于存在負載轉矩T Td d，輸出速度總輸出速度總是有靜態(tài)誤差的。為了克服這一缺點，速度控制器應采用是有靜態(tài)誤差的。為了克服這一缺點，速度控制器應采用PIPI控制器?？刂破鳌?022-6-1Tianjin University

42、 of Technology41 將圖將圖3 33030中的純增益中的純增益K Kv v，更換為更換為 ( (這里，符號這里，符號T Tv v， 為積分增益為積分增益) )。這樣，速度環(huán)變成了。這樣，速度環(huán)變成了型系統(tǒng)，如圖型系統(tǒng)，如圖3 33 3l l所示。所示。(1)vvvK T sT s 顯然，該系統(tǒng)對于參考輸入是二階無靜差的顯然，該系統(tǒng)對于參考輸入是二階無靜差的( (不僅對常速度輸不僅對常速度輸入無靜差，而且對等加速度輸入也無靜差入無靜差，而且對等加速度輸入也無靜差) )。同時，對于常值干。同時，對于常值干擾轉矩，該系統(tǒng)也是無靜差的。因此，采用擾轉矩，該系統(tǒng)也是無靜差的。因此，采用PI

43、PI速度控制器取代速度控制器取代P P速度控制器，可以改善系統(tǒng)的靜態(tài)速度調節(jié)精度。速度控制器，可以改善系統(tǒng)的靜態(tài)速度調節(jié)精度。2022-6-1Tianjin University of Technology42 無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的。它以電子換向電路取代了傳統(tǒng)上發(fā)展起來的。它以電子換向電路取代了傳統(tǒng)直流電動機的整流子直流電動機的整流子電刷換向器，既保持了電刷換向器，既保持了直流電動機的優(yōu)點，又避免了直流電動機因電直流電動機的優(yōu)點，又避免了直流電動機因電刷而引起的缺陷。這種電動機機械特性和調節(jié)刷而引起的缺陷。這種電動機機械特性和

44、調節(jié)特性線性度好，調速范圍寬，壽命長，維護方特性線性度好，調速范圍寬，壽命長，維護方便，可靠性高，噪聲較小，不存在換向火花，便，可靠性高，噪聲較小，不存在換向火花，不會產(chǎn)生對無線電信號的干擾，可用于直流電不會產(chǎn)生對無線電信號的干擾，可用于直流電動機不能應用的易燃、易爆場合。動機不能應用的易燃、易爆場合。2022-6-1Tianjin University of Technology43無刷直流電動機的電樞無刷直流電動機的電樞繞組位于定子上，轉子繞組位于定子上，轉子由永久磁鋼組成。它可由永久磁鋼組成。它可以分為電動機本體、電以分為電動機本體、電子換向開關電路子換向開關電路 逆變器逆變器) )、磁

45、極位置傳感器等三、磁極位置傳感器等三個基本部分，如個基本部分，如圖圖3 33232所示。所示。2022-6-1Tianjin University of Technology44無刷直流電動機的工作原理如圖無刷直流電動機的工作原理如圖3 33333所示所示 流波形如圖流波形如圖3 33434所示。圖中橫坐標為轉子所示。圖中橫坐標為轉子的電角度，等于轉子的機械角度乘以電動機的的電角度，等于轉子的機械角度乘以電動機的極對數(shù)極對數(shù)2022-6-1Tianjin University of Technology45 由于氣隙磁通密度呈梯形分布，所以在任何瞬間，通電的兩相繞由于氣隙磁通密度呈梯形分布，所

46、以在任何瞬間，通電的兩相繞組的電流與氣隙磁通的平頂部分相互作用，結果產(chǎn)生常值的電磁組的電流與氣隙磁通的平頂部分相互作用，結果產(chǎn)生常值的電磁轉矩：轉矩： (3.45) (3.45) 式中：式中：p pm m電動機極對數(shù)；電動機極對數(shù)； i i轉子磁鋼產(chǎn)生的磁通與定轉子磁鋼產(chǎn)生的磁通與定子繞組交鏈的磁鏈，為不變的常數(shù)；子繞組交鏈的磁鏈，為不變的常數(shù)； i ia a定子繞組方波電定子繞組方波電流幅值。流幅值。 并且，定子繞組中的反電動勢同氣隙磁通密度和轉子轉速成正比，并且，定子繞組中的反電動勢同氣隙磁通密度和轉子轉速成正比，也呈梯形分布，可以表示為也呈梯形分布，可以表示為2emmr at aTpiK

47、imrmrdeppdt2022-6-1Tianjin University of Technology46三相定子繞組的電壓平衡方程可以列寫如下：三相定子繞組的電壓平衡方程可以列寫如下：式中：式中：u us1s1,u,us2s2,u,us3s3定子繞組三相電壓；定子繞組三相電壓； i is1s1,i,is2s2,is,is3 3定子繞組三相電流；定子繞組三相電流； L L定子繞組自感；定子繞組自感； M M定子繞組互感；定子繞組互感； e e1 1，e e2 2，e e3 3三相定子繞組上的反電。三相定子繞組上的反電。 2022-6-1Tianjin University of Technol

48、ogy47由于三相對稱電動機中由于三相對稱電動機中i is1s1+i+is2s2+i+is3s30 0，因此，因此，M(iM(is1s1+i+is2s2) )一一MiMis3s3。于是，于是，定子電壓平衡方程組定子電壓平衡方程組可以進一步改寫為可以進一步改寫為實際運行時，三相定子繞組中只有兩相同時通電。假設三相繞組采實際運行時，三相定子繞組中只有兩相同時通電。假設三相繞組采用星形用星形( (丫丫) )接法，接法， 那么兩個通電繞組實際上是串聯(lián)的，即電流那么兩個通電繞組實際上是串聯(lián)的，即電流由正電源經(jīng)導通的上功率管流向第一相繞組，由正電源經(jīng)導通的上功率管流向第一相繞組， 到中點后，又流到中點后，

49、又流過第二相繞組，再經(jīng)過導通的下功率管抵達負電源。過第二相繞組，再經(jīng)過導通的下功率管抵達負電源。2022-6-1Tianjin University of Technology48于是，若將兩個同時于是，若將兩個同時 導通的繞組電壓相加，并以電源電壓沙導通的繞組電壓相加，并以電源電壓沙u ua a和和電源電流電源電流i ia a表示之，則有表示之，則有 （3.493.49）式中：式中：R Ra a2(R+R2(R+R0 0) )，R R0 0為導通管的內阻；為導通管的內阻；L La a2(L2(LM)M)；K Ke e2p2pm mr r。此外，轉子軸上的轉矩平衡方程為此外，轉子軸上的轉矩平衡

50、方程為 （3.503.50）這樣，便完成了無刷直流電動機的數(shù)學模型。它由方程這樣，便完成了無刷直流電動機的數(shù)學模型。它由方程(3(345)45)、(3(349)49)及及(3(350)50)組成。組成。2022-6-1Tianjin University of Technology49 無刷直流電動機調速系無刷直流電動機調速系統(tǒng)原理框圖如圖統(tǒng)原理框圖如圖3 33535所示。所示。系統(tǒng)由系統(tǒng)由變頻器、無刷直流變頻器、無刷直流電動機、位置和轉速檢測電動機、位置和轉速檢測裝置以及控制電路組成裝置以及控制電路組成?？刂齐娐钒ǖ湫偷乃俣瓤刂齐娐钒ǖ湫偷乃俣群碗娏骺刂破?、和電流控制器、PWMPWM脈寬

51、脈寬調制器以及邏輯控制單元。調制器以及邏輯控制單元。目前，實際的無刷直流電目前，實際的無刷直流電動機速度環(huán)大多數(shù)采用全動機速度環(huán)大多數(shù)采用全數(shù)字方案或者數(shù)數(shù)字方案或者數(shù)?；旌夏；旌峡刂品桨?。由無刷直流電控制方案。由無刷直流電動機組成的伺服系統(tǒng)具有動機組成的伺服系統(tǒng)具有轉矩平滑、響應快、控制精度高等特點，可適用于數(shù)控機床和機器人的伺服驅轉矩平滑、響應快、控制精度高等特點，可適用于數(shù)控機床和機器人的伺服驅動，以及對動、靜態(tài)性能要求較高的電氣傳動領域。動，以及對動、靜態(tài)性能要求較高的電氣傳動領域。2022-6-1Tianjin University of Technology50 永磁同步電動機永磁

52、同步電動機( (PMSM)PMSM)結構與無刷直流電動機結構與無刷直流電動機( (BLDCM)BLDCM)相似，如圖相似，如圖3 33232所示。定子由電工鋼片疊制所示。定子由電工鋼片疊制而成，電樞繞組通常為三相繞組，轉子由永久磁鋼構而成，電樞繞組通常為三相繞組，轉子由永久磁鋼構成磁極，同軸連接檢測轉子磁極位置的傳感器。永磁成磁極，同軸連接檢測轉子磁極位置的傳感器。永磁同步電動機采用三相正弦波電流供電，取代無刷直流同步電動機采用三相正弦波電流供電，取代無刷直流電動機的方波電流供電，消除了換向時的轉矩脈動，電動機的方波電流供電，消除了換向時的轉矩脈動，運行性能更加平穩(wěn)，靜、動特性更好。運行性能更

53、加平穩(wěn)，靜、動特性更好。2022-6-1Tianjin University of Technology51永磁交流同步永磁交流同步電動機通常采電動機通常采用三相正弦脈用三相正弦脈沖寬度調制沖寬度調制( (S SPWM)PWM)電壓供電壓供給定子繞組。給定子繞組。供電電路原理供電電路原理如圖如圖3 33636所所示。示。2022-6-1Tianjin University of Technology52 三相交流電源三相交流電源( (A A，B B，C C) )經(jīng)過整流濾波產(chǎn)生經(jīng)過整流濾波產(chǎn)生逆變器直流電源電壓。三相正弦控制信號逆變器直流電源電壓。三相正弦控制信號( (u u1 1,u,u2

54、2,u,u3 3.).)經(jīng)過經(jīng)過PWMPWM控制電路，產(chǎn)生正弦脈沖調寬信號，作為逆變控制電路，產(chǎn)生正弦脈沖調寬信號，作為逆變器功率開關管的基極驅動信號。逆變器輸出三相器功率開關管的基極驅動信號。逆變器輸出三相SPWMSPWM電壓電壓u us1s1,u,us2s2,u,us3s3供給電動機定子繞組。轉子永久磁鐵與供給電動機定子繞組。轉子永久磁鐵與定子旋轉磁場相互作用，產(chǎn)生永磁同步電動機的電磁定子旋轉磁場相互作用，產(chǎn)生永磁同步電動機的電磁轉矩。電磁轉矩與負載阻轉矩平衡時，達到同步運行轉矩。電磁轉矩與負載阻轉矩平衡時，達到同步運行狀態(tài)。狀態(tài)。2022-6-1Tianjin University of

55、 Technology53 為了對永磁同步電動機進行矢量控制，必須首先推為了對永磁同步電動機進行矢量控制，必須首先推導出它的數(shù)學模型。為此，導出它的數(shù)學模型。為此， 首先首先，在定子坐標系中，通過，在定子坐標系中，通過3 32 2變換將定子三變換將定子三相電流相電流( (i is1s1，i is2s2，i is3s3) )分解為正交的兩相電流分解為正交的兩相電流( (i ia a, ,i ib b) )； 其次其次，將定子坐標系中的兩相正交電流，將定子坐標系中的兩相正交電流( (iaia，ibib) )轉換為轉子坐標系中的兩相正交電流轉換為轉子坐標系中的兩相正交電流( (i ia a, ,i

56、iq q) )； 第三第三，在轉子坐標系中列寫定子電壓平衡方程；，在轉子坐標系中列寫定子電壓平衡方程； 最后最后，由轉子坐標系中定子與轉子永久磁鐵磁鏈，由轉子坐標系中定子與轉子永久磁鐵磁鏈正交的電流分量，乘以電磁轉矩系數(shù)，即可獲得永磁正交的電流分量，乘以電磁轉矩系數(shù)，即可獲得永磁同步電動機的電磁轉矩。同步電動機的電磁轉矩。 這樣，就完成了永磁同步電動機的數(shù)學模型。這樣，就完成了永磁同步電動機的數(shù)學模型。2022-6-1Tianjin University of Technology54主要的模型參數(shù)如下主要的模型參數(shù)如下l定子繞組的電壓平衡方程定子繞組的電壓平衡方程 直軸分量：直軸分量： (3

57、.57) 交軸分量：交軸分量： (3.58)l電磁轉矩系數(shù)電磁轉矩系數(shù)Kt 表示為表示為 (3.59)l 另外，電動機轉子軸上的轉矩平衡方程為另外，電動機轉子軸上的轉矩平衡方程為 (3.60)dddqdqqeddiLRiuL idtdiLRiuKL idtemtqTK iemddJTTdt2022-6-1Tianjin University of Technology55 根據(jù)方程根據(jù)方程(3(357)57)(3(360)60)，可以畫出永磁同步電動機的數(shù)，可以畫出永磁同步電動機的數(shù)學模型，如圖學模型，如圖3 33939所示。所示。2022-6-1Tianjin University of T

58、echnology56 如果通過控制跟轉子磁鏈同相的電壓分量如果通過控制跟轉子磁鏈同相的電壓分量u ud d，使得使得i id d00，那那么，永磁同步電動機的電壓平衡方程和電磁轉矩方程則退化為么，永磁同步電動機的電壓平衡方程和電磁轉矩方程則退化為 方程方程(3(361)61)同直流電動機的電樞電壓平衡方程及電磁轉矩方程是完全一同直流電動機的電樞電壓平衡方程及電磁轉矩方程是完全一樣的，只是電樞電流樣的，只是電樞電流iaia換成了與轉子磁鏈換成了與轉子磁鏈rr正交的交軸電流分量正交的交軸電流分量iqiq。永磁同永磁同步電動機的這種控制方式稱為步電動機的這種控制方式稱為矢量控制矢量控制。在矢量控制

59、條件下，永磁同步電動。在矢量控制條件下，永磁同步電動機與直流電動機是等價的。這時，機與直流電動機是等價的。這時，-=90-=90。等式兩邊對時間等式兩邊對時間t t取一階導數(shù)，取一階導數(shù)，可得可得11d/d/dtdtd/d/dtdt。即定子供電頻率與轉子旋轉角速度相等，電即定子供電頻率與轉子旋轉角速度相等，電動機達到同步運行。這就是動機達到同步運行。這就是“永磁同步電動機永磁同步電動機”名詞的來由。名詞的來由。2022-6-1Tianjin University of Technology57 永磁同步電動機的矢量控制方塊圖為圖永磁同步電動機的矢量控制方塊圖為圖3 34040。圖中，垂直虛。圖

60、中，垂直虛線的左邊是由計算機完線的左邊是由計算機完 成的控制器算法、旋轉坐標變換及成的控制器算法、旋轉坐標變換及3/23/2和和2/32/3坐標變換。虛線的右邊是硬件裝置，其中包括坐標變換。虛線的右邊是硬件裝置，其中包括PWMPWM脈沖調寬、脈沖調寬、逆變器及永磁同步電動機，轉子位置傳感器逆變器及永磁同步電動機，轉子位置傳感器( (R)R)與轉角與轉角數(shù)字轉數(shù)字轉換器換器( (R/D)R/D)，以及測量定子電流的霍爾傳感器。以及測量定子電流的霍爾傳感器。2022-6-1Tianjin University of Technology58 交流感應電動機具有結構簡單、運行可交流感應電動機具有結構