第1章電力拖動運動控制基礎

電力拖動

運動控制系統(tǒng)第一章電力拖動運動控制基礎第二章直流電動機調(diào)速系統(tǒng)第三章機電能量轉(zhuǎn)換基礎第四章異步電動機與調(diào)速第五章異步電動機恒壓頻比（V/F）控制第六章異步電動機矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制第七章同步電機與變頻調(diào)速第八章電力拖動在運動控制系統(tǒng)中的應用第九章電力拖動運動控制系統(tǒng)的計算機控制第一章電力拖動運動控制基礎1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程

(1-1)

式中:

Te—電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，單位為

N.m；

TL—折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩，單位為N.m；

J—拖動對象的轉(zhuǎn)動慣量，單位為

kg.m2；

ωm—電機角速度，單位為rad/s。當Te＞TL時，dn/dt>0,系統(tǒng)加速；

當Te＜TL時，dn/dt＜0,系統(tǒng)減速。不管是哪一種情況，系統(tǒng)都處于變速運動中，稱為動態(tài)。

當Te=TL時，dn/dt=0,即系統(tǒng)處于靜止或勻速運行，稱為穩(wěn)態(tài)。異步電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制比較困難，要達到好的動態(tài)性能，則需要采取一些比較復雜的控制策略。從式（1-1）可以看出，提高動態(tài)性能的關鍵有兩條：減小轉(zhuǎn)動慣量和控制動態(tài)轉(zhuǎn)矩。直流電動機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩容易控制，因而用它構(gòu)成的電力拖動系統(tǒng)動態(tài)性能優(yōu)良；永磁同步電動機兼有動態(tài)轉(zhuǎn)矩容易控制和轉(zhuǎn)動慣量小雙重優(yōu)點，因而在伺服控制系統(tǒng)中獲得了廣泛應用；1.2電力拖動系統(tǒng)的負載特性

負載特性----是指生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關系，一般可以分為以下三類：

恒轉(zhuǎn)矩負載風機負載恒功率負載1.2.1恒轉(zhuǎn)矩負載特性

TLnTLn00+n+TL+TL+n+TL-n-TL-n圖1-1反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖1-2位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性特點：負載轉(zhuǎn)矩TL恒定不變，與轉(zhuǎn)速無關。恒轉(zhuǎn)矩負載可以分為:1)反抗性（如摩擦力):負載轉(zhuǎn)矩方向與運動方向相反。2)位能性（如起重機):負載轉(zhuǎn)矩方向固定不變，與轉(zhuǎn)速方向無關。。

（1-2）

式中

K—比例常數(shù)。屬于風機類負載的生產(chǎn)設備有通風機、水泵、油泵等。風機類負載也屬于反抗性負載。

1.2.2風機類負載特性

它的特點:負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比.

式中K—比例系數(shù)。負載功率為

1.2.3恒功率負載特性它的特點:負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比。

某些機床的切削加工就具有這種特性，例如車床、刨床等，在粗加工時，切削量大，因而阻力也大，這時常開低速；在精加工時，切削量小，阻力也小，這時常開高速，就具有高、低速下功率近似不變的特性。

實際生產(chǎn)機械的負載特性可能是幾種典型特性的組合。例如在拖動位能負載的機械中，除了位能轉(zhuǎn)矩TLW

以外，傳動機構(gòu)和軸承中還產(chǎn)生摩擦轉(zhuǎn)矩TL0，因此實際負載轉(zhuǎn)矩應為對應的負載轉(zhuǎn)矩特性如圖1-5所示。提升時，負載轉(zhuǎn)矩為二者之和；下放時,負載轉(zhuǎn)矩為二者之差。又如，實際通風機除了主要是風機類負載外,其軸承還有一定的摩擦轉(zhuǎn)矩TL0，因此，實際通風機負載轉(zhuǎn)矩為與上式對應的負載特性如圖1-6所示。圖1-5實際位能負載特性圖1-6實際通風機負載特性圖1-4恒功率負載特性圖1-3通風機負載特性TLn0TLn0TLn0nTL0TLWTLTL0TLTL0TL0返回返回返回

1.3調(diào)速時的轉(zhuǎn)矩與功率1.3.1電動機允許輸出的轉(zhuǎn)矩和功率

電動機長時間工作允許輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和允許輸出的功率由電動機發(fā)熱條件決定。

下面僅以直流它勵電動機為例加以說明。直流電動機的發(fā)熱主要取決于電樞電流Ia,而額定電流IN就是電動機長時間工作所允許的電流值。根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速方程

直流調(diào)速方法nUIRKe式中

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（）；

—勵磁磁通（Wb）；

—由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。（1-1）14根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速方程

式中

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（）；

—勵磁磁通（Wb）；

—由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。

由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。（2）減弱勵磁磁通。（3）改變電樞回路電阻R。151.調(diào)電樞電壓調(diào)速(恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式)

這種方法調(diào)速時，使Φ=ΦN=常數(shù)，所以

TM=CTΦNIN=TN=常數(shù)

Pm=TMn/9550=C1n可見:調(diào)壓調(diào)速時(在額定轉(zhuǎn)速nN以下調(diào)速),

TM=常數(shù)，PM與n成正比，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。

調(diào)壓調(diào)速17工作條件：保持勵磁

=N；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過程：改變電壓UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線

2.弱磁調(diào)速(恒功率調(diào)速方式)

這時U=UN，IM=IN，則

所以

式中比例常數(shù)C3=CTC2IN，所以

可見:弱磁調(diào)速時（在額定轉(zhuǎn)速nN以上調(diào)速），PM=常數(shù)，屬于恒功率調(diào)速方式。工作條件：保持勵磁

=N

；保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。193.調(diào)阻調(diào)速調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁N

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線20根據(jù)以上分析，可以作出直流它勵電動機調(diào)速時的允許轉(zhuǎn)矩和允許功率曲線，如圖1-7所示。TMPMnTe,P

nmaxnN0恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速區(qū)恒功率調(diào)速區(qū)圖1-7直流它勵電動機調(diào)速時允許輸出的轉(zhuǎn)矩與功率曲線它們的特性配合分別如圖1-8（a）和（b）所示，在任何轉(zhuǎn)速下都滿足TM=TL，PM=PL。這樣電動機既能滿足生產(chǎn)機械的需要，本身又能得到充分利用。顯然，這樣的配合是合適的。要使電動機在任何速度下都能長時間運行，應使負載轉(zhuǎn)矩TL總是小于TM（電機允許的轉(zhuǎn)矩）。TenTMTL0Ten0TMTL(a)恒轉(zhuǎn)矩(b)恒功率圖1-8調(diào)速方式與負載類型的恰當配合1.3.2調(diào)速方式與負載類型的配合

1.恒轉(zhuǎn)矩負載配恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式和恒功率負載配恒功率調(diào)速方式它的特性配合如圖1-9所示。為使電動機在最高轉(zhuǎn)速nmax時能滿足負載的需要，應使TM|n=nmax=TL，但在其它轉(zhuǎn)速下電機總有不同程度的浪費（TM>TL，PM>PL).可以證明，在最低轉(zhuǎn)速nmin時，電動機的額定功率將是實際功率的D（調(diào)速范圍）倍。TMTeTL0nmaxnminn圖1-9恒轉(zhuǎn)矩負載配恒功率調(diào)速2.恒轉(zhuǎn)矩負載配恒功率調(diào)速方式結(jié)論：不合理。它將造成低速運行時電動機容量的浪費

它的特性配合如圖1-10所示。為了使電動機在最低轉(zhuǎn)速nmin時能滿足負載轉(zhuǎn)矩的需要，應使TM=TL|n=nmin，但在其它轉(zhuǎn)速下電動機都有浪費（TM>TL，PM>PL）

圖1-10恒功率負載配恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速TMTLnnmaxnmin0Te3.恒功率負載配恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速顯然，這種配合也是不好的，它將造成高速運行時電機容量的浪費。

4.風機類負載與兩種調(diào)速方式的配合

通風機類負載與恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速方式的特性配合如圖1-11(a)和(b)所示。圖1-11風機類負載與兩種調(diào)速方式的配合(a)(b)TeTe00nnTLTMTLTMnmaxnmax

為了使電動機在最高轉(zhuǎn)速時能滿足負載的需要，則TM|nmax=TL|nmax,但在其它轉(zhuǎn)速下電動機都有浪費（TM>TL，PM>PL），轉(zhuǎn)速越低，浪費的越多。

可以看出風機類負載與兩種調(diào)速方式的配合都是不好的。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖***1.4電力拖動運動控制系統(tǒng)中的檢測技術系統(tǒng)的組成框圖***1.4電力拖動運動控制系統(tǒng)中的檢測技術1.4.1模擬檢測技術

1直流測速發(fā)電機這種方法簡單可靠，在模擬系統(tǒng)中采用的較多。需要注意的是中間部分線性較好，但在低速端和高速端它的實際輸出偏離理想特性，如圖1-12所示。轉(zhuǎn)速(n）(U)輸出電壓理想特性實際特性圖1-12直流測速發(fā)電機的輸出特性

由于電流互感器副邊的匝數(shù)遠大于原邊，在使用時決不允許副邊開路。否則會使原邊電流完全變成激磁電流，鐵心進入高度飽和狀態(tài)，使鐵心嚴重發(fā)熱并在付邊產(chǎn)生很高的電壓，引起互感器的熱破壞和電擊穿。

電流互感器的輸出是電流，測量時，互感器副邊接一電阻R,將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。

為了安全?；ジ衅鞫蝹?cè)必須可靠接地！

由于存在電磁慣性，電流互感器檢測電流有一定的時間延遲。對快速性要求比較高的過流保護不宜采用電流互感器作電流檢測。2電流互感器圖1-13電流互感器

這種方法使用阻值很小的標準電阻r串接在被測電路中，稱之為取樣電阻，將被測電流Ix轉(zhuǎn)換成被測電壓Ux。如果得到的被測電壓很小，還需要放大處理。如果在高頻下使用，這個電阻還應該是無感的。

優(yōu)點:簡單可靠、沒有時間延遲，特別適用于過流保護。

缺點:要消耗電能，大功率下不宜采用；測得的信號沒有電隔離，給處理電路帶來不便。3取樣電阻測電流圖1-14示出了磁平衡式霍爾電流傳感器的工作原理,圖中被測電流iP產(chǎn)生的磁場集中到霍爾元件所在的空氣隙中霍爾元件的輸出VH經(jīng)放大器放大后去驅(qū)動晶體管對，晶體管對控制付邊繞組中的電流,使付邊電流is產(chǎn)生的磁場與原邊電流產(chǎn)生的磁場正好抵消。付邊電流按匝比精確的反映原邊電流,此電流經(jīng)電阻RM轉(zhuǎn)換為電壓信號供輸出。4霍爾電流電壓傳感器圖1-14磁平衡式霍爾電流傳感器（5）輸出信號與被測電路隔離，方便信號的處理?；魻栯娏鱾鞲衅髯鳛橐环N新型的電流檢測方法，正被廣泛的應用到各種電力電子設備的電流檢測中。這種霍爾電流傳感器有以下優(yōu)點：（1）由于采用磁平衡工作方式，穩(wěn)態(tài)時環(huán)中的磁通為零，因此磁路的非線性不影響測量的精度；（2）磁心采用鐵氧體等材料，電磁慣性小，測量輸出信號的時間延遲小，快速性好，不僅適合控制用，也適合過流保護用；（3）交直流均能測量，頻帶寬（DC-500kHz),即使是非正旋電流也能得到很好的測量；（4）電流測量范圍寬，從0.25A到10000A；

增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器由與電機同軸相連的碼盤、碼盤一側(cè)的發(fā)光元件與另一側(cè)的光敏元件組成。碼盤上有三圈透光細縫,如圖1-15(a)所示，第一圈與第二圈的細縫數(shù)相等，細縫位置相差90o電角度。輸出A、B、Z三路方波脈沖，A脈沖相位與B脈沖相位相差90o,如圖1-15(b)所示。1.4.2數(shù)字檢測技術

1增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器的轉(zhuǎn)速檢測原理圖1-15增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器及其輸出波形

（1）M法

如圖1-16（a）所示，在一定的采樣間隔時間Ts內(nèi)，將來自編碼器的脈沖信號計數(shù)，然后根據(jù)計數(shù)值，使用（1-5）式推算轉(zhuǎn)速n（r/min）

（1-5)其中Ts—采樣周期，單位為ms；

m—在Ts時間間隔內(nèi)所計的脈沖數(shù)；

M—碼盤每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)，由銘牌參數(shù)得到。

利用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器輸出的脈沖可以計算轉(zhuǎn)速，方法有：M法、T法和M/T法。例如，當M=1000，Ts=1ms時，計數(shù)值m=20,則利用式（1-5）計算實測轉(zhuǎn)速n=1200r/min。

如果要測低于60r/m的轉(zhuǎn)速,一種改進方法是增大采樣周期.通過簡單的計算可知,要使能測量的最低速達到nmin=1r/m,則Ts應增大到60ms.這樣,系統(tǒng)快速性大為下降.m個TsTWTWN個來自光電編碼器1-16光電編碼器測速(a)M法；(b)T法采樣周期時鐘脈沖頻率fc(a)(b)返回返回M法的缺點是低速測量受限制.由于低速時脈沖的頻率低,若在Ts內(nèi)只能采集到一個脈沖,即m=1時，由上面給出的參數(shù)計算實際速度為nmin=60r/m.這就是說低于60r/m的轉(zhuǎn)速無法測到.考慮到對測量誤差有一定的要求，實際能達到的最低測量速度還要進一步受限制.（2）T法

如圖1-16（b）所示,在兩個碼盤脈沖的間隔TW內(nèi)計數(shù)已知頻率fc的高頻脈沖的個數(shù),從而計算出TW及轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速n(r/min)的計算式為（1-6）式中fc—高頻時鐘脈沖頻率,單位為kHz；

M—碼盤每轉(zhuǎn)脈沖個數(shù)；

N—在TW時間內(nèi)所計高頻時鐘脈沖的個數(shù)。

如何能在不增加M、不改變Ts的情況下測量低速？可以考慮采用另外一種方法—T法。例如,M=1000,fc=5kHz,N=250時,按照（1-6）式計算轉(zhuǎn)速n=1.2r/min。但是,與M法相反,T法的缺點是高速測量受限制。例如,當N=1時,可測得最高轉(zhuǎn)速nmax=300r/min。改進的可能方法之一是提高時鐘脈沖的頻率fc。（3）M/T法

以上兩種方法各有優(yōu)缺點，若要在大范圍內(nèi)測量轉(zhuǎn)速時，可以在同一系統(tǒng)中分段采用這兩種方法，即在高速段采用M法，在低速段采用T法，稱之為M/T法。

增量式光電編碼器的第三圈只有一條細縫，用于產(chǎn)生定位(index)或零位(zero)

信號—Z脈沖。測量裝置或運動控制系統(tǒng)可以利用這個信號產(chǎn)生回零或復位操作，或者利用這個信號作為轉(zhuǎn)角測量的基準。

絕對式光電編碼器與增量式光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)相似。碼盤上的細縫排列方式與碼制有關，常用的碼制有二進制碼和循環(huán)碼。其中二進制碼最簡單，其碼盤圖形如圖1-18(a)所示。圖中，一圈細縫稱為一個碼道，對應于數(shù)碼的一位，外環(huán)為最低位，內(nèi)環(huán)為最高位，該圖例中共有四位，實際的絕對碼盤可以達到十幾位。如果碼道數(shù)為N，按2N對圓周分度，則碼盤的角度分辨率RQ為

(1-7)

2絕對式光電編碼器的位置檢測原理圖1-18絕對式光電編碼器二進制編碼

二進制碼盤的優(yōu)點是可以直接用于絕對位置測量,不用換算,但是這種碼盤在實際中很少采用.因為在二個位置邊界處,由于碼盤制作或光電器件排列存在不可避免的誤差造成編碼數(shù)據(jù)的大幅跳動.例如在位置0111和1000之間的交界處,可能會出現(xiàn)0~15中的任何一個十進制數(shù).因此絕對編碼器一般采用圖1-19所示的循環(huán)二進制碼盤,又稱格雷碼盤.

不難看出,碼道數(shù)N越大,角度分辨率RQ越小,測量精度越高.根據(jù)光電接收電路得到的各位脈沖(S1，S2，S3，S4)的對應關系,如圖1-18b所示,其中S1為最內(nèi)碼道,S4為最外碼道,由四個碼道讀得的二進制數(shù),可以確定電機軸的旋轉(zhuǎn)角度位置.

格雷碼的特點是相鄰二個數(shù)據(jù)之間只有一位數(shù)據(jù)在變化，因此在測量過程中產(chǎn)生的誤差最大不會超過1，誤差大為減小。格雷碼是無權碼，每位不再具有固定的權值，必須經(jīng)過一個解碼過程轉(zhuǎn)換為二進制碼，才能得到位置信息。這個解碼過程可以通過硬件解碼器或軟件譯碼實現(xiàn)。表1-1列出了4位二進制碼與格雷碼的對照表。

絕對編碼器的優(yōu)點是：即使處于靜止或關閉電源后再打開，也可得到位置信息。

缺點是結(jié)構(gòu)復雜，價格昂貴。

圖1-20示出了旋轉(zhuǎn)變壓器測量角度的原理。在定子繞組S1-S3上施加正旋電壓

u1(t)=Usinωt另一個定子繞組S2-S4空接或短路。轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組的夾角為θ，則旋轉(zhuǎn)變壓器的兩個轉(zhuǎn)子繞組的輸出分別是u1(t)=UsinωtS1S3S2S4R1u21(t)=kUsinθsinωtR3R2R4θ1-20旋轉(zhuǎn)變壓器測量角度原理u22(t)=kUcosθsinωtu21(t)=kUsinθsinωtu22(t)=kUcosθsinωt

3旋轉(zhuǎn)變壓器的測角原理（resolver）如何從u21和u22中得到轉(zhuǎn)角θ的值，這是轉(zhuǎn)角變換器的任務。

有刷旋轉(zhuǎn)變壓器通過電刷和滑環(huán)將轉(zhuǎn)子繞組中的信號引出。電刷和滑環(huán)的壽命不高，需要維護，同時接觸導電中產(chǎn)生的火花，也是產(chǎn)生電磁干擾的來源。因此，目前在工業(yè)應用中使用廣泛的是無刷旋轉(zhuǎn)變壓器。4.無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與數(shù)字轉(zhuǎn)角變換器

無刷旋轉(zhuǎn)變壓器將勵磁放在轉(zhuǎn)子繞組上，輸出信號從定子繞組引出。轉(zhuǎn)子上的勵磁繞組通過安裝在軸上的有空氣隙的環(huán)形變壓器從外部獲取正旋激勵能量，從而免去滑環(huán)和電刷。高精度sin/cos乘法器相敏解調(diào)器加減計算器壓控振蕩器控制器圖1-22無刷旋轉(zhuǎn)變壓器與數(shù)字角度轉(zhuǎn)換器感應同步器是一種電磁式的位移檢測元件，它有直線式和圓盤式二種。直線式感應同步器相當于一個展開的旋轉(zhuǎn)變壓器,由定尺和滑尺二部分組成,如圖1-23所示。圖1-23感應同步器結(jié)構(gòu)原理圖TT/4正旋繞組余旋繞組定尺滑尺正旋繞組余旋繞組TT/45.感應同步器