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1、数控技术及装备交流伺服电机控制原理第1页，共21页，编辑于2022年，星期六从从式式可可看看出出，除除转转矩矩外外，再再没没有有其其他他控控制制量量可可影影响响转转速速。快快速速准准确确地地控控制制转转矩，使转矩实际值矩，使转矩实际值Td对其给定值对其给定值Td*响应如图所示。响应如图所示。转矩转矩-转速关系是一个小惯量环节转速关系是一个小惯量环节，传递函数为，传递函数为:m转矩环等效时间常数。转矩环等效时间常数。(s)TsTdmd*+=11TdTOt*dTTO图图41转转矩矩响响应应波波型型a)小小惯惯性性b)大大惯惯性性a)b*dTdT 如果如果Td对对Td*的响应如图的响应如图4-14-
2、1b)b)所示，它是一个振荡环节，且阻尼较所示，它是一个振荡环节，且阻尼较小，无论怎样设计速度调节器都很难获得满意结果。从上述讨论小，无论怎样设计速度调节器都很难获得满意结果。从上述讨论可以看出，可以看出，调速的关键是转矩控制调速的关键是转矩控制。第2页，共21页，编辑于2022年，星期六第3页，共21页，编辑于2022年，星期六二、二、统一的电动机转矩公式统一的电动机转矩公式 电动机，无论是直流还是交流，都由定子和转子两部分组成。它们电动机，无论是直流还是交流，都由定子和转子两部分组成。它们分别产生定子磁通势矢量和转子磁能磁通势矢量（图分别产生定子磁通势矢量和转子磁能磁通势矢量（图4-3），
3、将其合成，将其合成，得合成磁通势矢量，由它产生得合成磁通势矢量，由它产生磁链矢量磁链矢量（通过通过Ns个线圈的磁力线总数）个线圈的磁力线总数），好像空间有两块磁铁，一块是固定的，另一块是可转动的。，好像空间有两块磁铁，一块是固定的，另一块是可转动的。当这两块当这两块磁铁的磁通势矢量方向一致时，不产生转矩，转子不动；若方向不一致，磁铁的磁通势矢量方向一致时，不产生转矩，转子不动；若方向不一致，它们将互相吸引，产生转矩，使转子转动。它们将互相吸引，产生转矩，使转子转动。通通 势势 矢矢 量量 图图cFsFrFcsq qrcq qrsq q图图43电电动动机机磁磁第4页，共21页，编辑于2022年，
4、星期六第5页，共21页，编辑于2022年，星期六定定子子磁磁通通势势矢矢量量：由由定定子子绕绕组组通通三三相相交交流流电电产产生生的的旋旋转转磁磁场场的的磁磁通通势势，是是由由三三个个绕绕组组的的磁磁势势的的基基波波磁磁势势合合成成的的。旋旋转转速速度度为为：n1=60f/p，n1为同步速度。为同步速度。由由于于单单相相绕绕组组的的磁磁势势是是矩矩型型分分布布，除除基基波波外外，还还有有其其他他频频率率的的谐谐波波成成分分（由由富富里里埃埃级级数数展展开开），谐谐波波磁磁势势一一般般对对电电机机运运行行带带来来不不利利，采采用用短短距距和和分分布布绕绕组组就就是是达达到到消消除除谐谐波波磁磁势
5、势这这一一目的。目的。转子磁能磁通势矢量转子磁能磁通势矢量：电机负载运行时，电机转子以低于电机负载运行时，电机转子以低于n1的同步速度的同步速度n运行，这样气隙磁势的速度与转子相差一个运行，这样气隙磁势的速度与转子相差一个速度速度n=n1-n=sn1，转子将以转子将以sn1速度切割气隙磁场，在转速度切割气隙磁场，在转子的导条中产生电流，这个电流也产生旋转的磁场。子的导条中产生电流，这个电流也产生旋转的磁场。第6页，共21页，编辑于2022年，星期六第7页，共21页，编辑于2022年，星期六转子的磁场频率为：转子的磁场频率为：f2=np/60,旋转速度为：旋转速度为：n2=n+n=n1，这这表表
6、明明转转子子的的旋旋转转频频率率落落后后于于磁磁场场旋旋转转频频率率，有有一一个个滑滑差差s。以以保保证证转转子子能能够够切切割割定定子子磁磁场场的的磁磁力力线线。但但转转子子磁磁通通势势矢矢量量与定子磁通势矢量旋转速度相同。与定子磁通势矢量旋转速度相同。由电磁场理论知道，作用在绕组上的转矩等于：由电磁场理论知道，作用在绕组上的转矩等于：式中 磁场能量（由于存在气隙，磁场能量几乎全部储存在气隙中）；从 到 的夹角。第8页，共21页，编辑于2022年，星期六式中式中B磁感应强度磁感应强度H磁场强度。磁场强度。在气隙里，在气隙里，B比例于比例于H，而而H比例于合成磁通势比例于合成磁通势 ，所以，所
7、以式中式中 合成磁通势矢量合成磁通势矢量 的数值；的数值；比例系数。比例系数。磁场能量的增量磁场能量的增量合成磁通势：合成磁通势：第9页，共21页，编辑于2022年，星期六将其代入式将其代入式 得电动机转矩公式为得电动机转矩公式为式中式中Km比例系数比例系数由于由于 和和电动机转矩公式还可以改写为电动机转矩公式还可以改写为 这是统一的电动机转矩公式，适合于各种电动机这是统一的电动机转矩公式，适合于各种电动机 从这些公式可以看出，电动机的转矩等于三个磁通势矢量从这些公式可以看出，电动机的转矩等于三个磁通势矢量F Fs s 、F Fr r和和F Fc c中任两矢量的模和它们间夹角的正弦值之积，中任
8、两矢量的模和它们间夹角的正弦值之积，即矢量平行四边形的面积即矢量平行四边形的面积。它只与这些矢量的大小与相对位置有关，而与它们的绝对位置、是否转它只与这些矢量的大小与相对位置有关，而与它们的绝对位置、是否转动无关，我们可以从便于实现出发，按任一公式控制电动机转矩。动无关，我们可以从便于实现出发，按任一公式控制电动机转矩。FcFrFrFrrscs第10页，共21页，编辑于2022年，星期六讨论：讨论：1 1、交流电机的运动原理。、交流电机的运动原理。2 2、直流电机与交流电机的磁场有什么异同？、直流电机与交流电机的磁场有什么异同？第三部分第三部分 交流伺服电机控制原理交流伺服电机控制原理第11页
9、，共21页，编辑于2022年，星期六一、交流电动机矢量控制基本概念一、交流电动机矢量控制基本概念交交流流电电动动机机的的磁磁通通势势矢矢量量Fs、Fr和和Fc都都在在空空间间以以同同步步速速度度旋旋转转，彼彼此此相相对对静静止止，欲欲控控制制转转矩矩，必必须控制任两磁通势矢量的大小和相对位置。须控制任两磁通势矢量的大小和相对位置。通通常常的的变变频频调调速速系系统统的的控控制制量量是是交交流流电电动动机机的的定定子子电电压压幅幅值值和和频频率率（电电压压控控制制型型）或或定定子子电电流流幅幅值值和和频频率率（电电流流控控制制型型），它它们们都都是是标标量量，故故称称为为标标量量控控制制系系统统
10、。在在标标量量控控制制系系统统中中，只只能能按按电电动动机机稳稳态态运运行行规规律律进进行行控控制制，不不能能控控制制任任意意两两个个磁通势矢量的大小和相对位置，转矩控制性能差。磁通势矢量的大小和相对位置，转矩控制性能差。欲欲改改善善转转矩矩控控制制性性能能，必必须须对对定定子子电电压压或或电电流流实实施矢量控制，既控制大小，又控制方向。施矢量控制，既控制大小，又控制方向。第12页，共21页，编辑于2022年，星期六交流电动机的所有矢量（磁通势、磁链、电压、交流电动机的所有矢量（磁通势、磁链、电压、电流等）都在空间以同步速度旋转，它们在定电流等）都在空间以同步速度旋转，它们在定子坐标系（静止系
11、）上的各分量，即在定子绕子坐标系（静止系）上的各分量，即在定子绕组上的物理量，都是交流量，控制和计算不方组上的物理量，都是交流量，控制和计算不方便。便。如如果果采采用用坐坐标标变变换换，使使人人从从静静止止坐坐标标系系进进入入同同步步旋旋转转坐坐标标系系，站站在在旋旋转转坐坐标标系系上上看看，电电动动机机各各矢矢量量都都变变成成了了静静止止矢矢量量，它它们们在在坐坐标标系系上上各各分分量量都都是是直直流流量量，可可以以很很方方便便地地从从统统一一转转矩矩公公式式出出发发，找找到到转转矩矩和和被被控控矢矢量量各各分分量量的的关关系系，实实时时地地算算出出转转矩矩控控制制所所需需的的被被控控矢矢量
12、量（电电压压或或电电流流等等矢矢量量）各各分分量量间间的的关关系系，实实时时地地算算出出转转矩矩控控制制所所需需的的被被控控矢矢量量的的直直流流分分量量的的值值（直直流流给定量）。给定量）。第13页，共21页，编辑于2022年，星期六由由于于这这些些被被控控矢矢量量的的直直流流分分量量在在物物理理上上不不存存在在，我我们们还还必必须须再再经经过过坐坐标标变变换换，从从旋旋转转坐坐标标系系回回到到到到静静止止系系，把把上上述述直直流流给给定定量量变变换换成成物物理理上上存存在在的的交交流流给给定定量量，在在定定子子坐坐标标系系对对交交流流量量进进行行控控制制，使使其其实实际际值值等等于于给给定值
13、。整个矢量控制过程或用下图所于框图表示：定值。整个矢量控制过程或用下图所于框图表示：第14页，共21页，编辑于2022年，星期六矢量控制的关键是静止坐标系和旋转坐标系之间的坐标矢量控制的关键是静止坐标系和旋转坐标系之间的坐标变换，变换，实现该变换的关键是实现该变换的关键是找到两坐标系之间的夹角找到两坐标系之间的夹角。（夹角实现夹角实现坐标关系）矢量控制系统分为两类矢量控制系统分为两类：1.1.按按转转子子位位置置定定向向的的矢矢量量控控制制系系统统 该该系系统统的的基基准准旋旋转转坐坐标标系系的的水水平平轴轴位位于于电电动动机机转转子子圆圆的的轴轴线线上上，随随转转子子一一起起旋旋转转，这这时
14、时静静止止和和旋旋转转坐坐标标系系之之间间的的夹夹角角就就是是转转子子位位置置角角。永永磁磁同步电动机和无换向器电动机同步电动机和无换向器电动机的矢量控制系统属于这一类的矢量控制系统属于这一类。2.2.按磁通定向的矢量控制系统按磁通定向的矢量控制系统 该系统的基准旋转坐标该系统的基准旋转坐标系的水平轴位于电动机磁通和磁链轴线上，系的水平轴位于电动机磁通和磁链轴线上，与磁场一起旋转与磁场一起旋转，这时，这时静止和旋转坐标系之间的夹角不能直接测取，需通过计算获得，静止和旋转坐标系之间的夹角不能直接测取，需通过计算获得，系统较复杂，但易维持磁链恒定，使电动机运行经济合理。通常系统较复杂，但易维持磁链
15、恒定，使电动机运行经济合理。通常的的同步电动机和异步电动机同步电动机和异步电动机矢量控制系统属于这一类矢量控制系统属于这一类。第15页，共21页，编辑于2022年，星期六旋转磁场是电机运动的根本。产生旋转磁场不一定非要旋转磁场是电机运动的根本。产生旋转磁场不一定非要三相，除单相以外，两相及多相对称绕组通以相应的平三相，除单相以外，两相及多相对称绕组通以相应的平衡电流都能够产生旋转磁场。衡电流都能够产生旋转磁场。如果使两通以直流电的绕组同时以同步转速旋转，如果使两通以直流电的绕组同时以同步转速旋转，则产生的合成磁势则产生的合成磁势F Fc c也以同速旋转。也以同速旋转。无论是多相、三相、两相异步
16、或者同步电机（直流无论是多相、三相、两相异步或者同步电机（直流电机是同步电机的特例），通以适当的电流，电机电机是同步电机的特例），通以适当的电流，电机内将只有定子和转子两个合成的磁势存在，可以进内将只有定子和转子两个合成的磁势存在，可以进一步认为，定子绕组产生旋转磁势一步认为，定子绕组产生旋转磁势F Fs s，转子绕组产转子绕组产生旋转磁势生旋转磁势F Fr r，这样，就可以把所有的电机等效成两这样，就可以把所有的电机等效成两相绕组的电机。相绕组的电机。矢量控制的目的是为了改善转矩控制特性矢量控制的目的是为了改善转矩控制特性,而最终实施是而最终实施是要落实到对定子电流要落实到对定子电流(交流交
17、流)的控制上的控制上.第四部分矢量变换原理第四部分矢量变换原理 第16页，共21页，编辑于2022年，星期六二、交流电动机的坐标系及符号规定二、交流电动机的坐标系及符号规定1.1.定子坐标系定子坐标系（R-S-TR-S-T和和 坐标系）坐标系）这两个坐标系在空间固定不这两个坐标系在空间固定不动，是静止坐标系动，是静止坐标系 第17页，共21页，编辑于2022年，星期六 2.转子坐标系转子坐标系（d-q坐标系）坐标系）转子坐标系固定在转子上转子坐标系固定在转子上，其，其d 轴位于转子外圆的轴位于转子外圆的轴轴线上，线上，q 轴超前轴超前d 轴轴90，该坐标系随转子一起在空间以转子速度旋转该坐标系
18、随转子一起在空间以转子速度旋转。同步电动机同步电动机，d轴是转子磁极（合成）的轴线，轴是转子磁极（合成）的轴线，异步电动机，异步电动机，可定义转子上任一轴线为可定义转子上任一轴线为d轴（不固定）轴（不固定）3.磁链坐标系磁链坐标系 （坐标系）坐标系）磁磁链链坐坐标标系系的的 轴轴固固定定在在磁磁链链矢矢量量上上，轴轴超超前前 轴轴90，该该坐坐标系和磁链矢量一起在空间以同步速度旋转。标系和磁链矢量一起在空间以同步速度旋转。第18页，共21页，编辑于2022年，星期六第四部分矢量变换原理第四部分矢量变换原理4、d、q变换的目的变换的目的 d-q变变换换的的实实质质：为为了了分分析析上上的的方方便
19、便和和直直观观性性，往往往往将将交交流流电电机机的的控控制制变变换换成成直直流流电电机机的的绕绕组组形形式式下下加加以以讨讨论论，在在这这一一形形式式下下讨讨论论的的控控制制结结果果，再再变变换换回回交交流电机的绕组。流电机的绕组。d、q轴轴的的选选择择：为为了了将将交交流流变变直直流流，需需要要将将d、q坐坐标标选选择择在在旋旋转转的的磁磁场场上上，因因此此直直观观来来看看，d、q轴轴坐坐标标是是与与旋旋转转磁磁场场一一起起运运动动的的，当当然然，也也可可以以认认为为d、q轴坐标不动，而定子绕组是旋转的。轴坐标不动，而定子绕组是旋转的。第19页，共21页，编辑于2022年，星期六第四部分矢量变换原理第四部分矢量变换原理三、交流电动机的空间矢量概念三、交流电动机的空间矢量概念 空间矢量：空间矢量：三个分量：三个分量：第20页，共21页，编辑于2022年，星期六三三相相交交流流电电动动机机定定子子有有三三个个绕绕组组R、S、T，分分别别流流过过定定子子电电流流，、产生三个分磁通势产生三个分磁通势 、。定子磁通势定子磁通势 是这三个分磁通势的矢量和。是这三个分磁通势的矢量和。第四部分矢量变换原理第四部分矢量变换原理如果三相电流中无零序分量（这条件通常都能满足），即如果三相电流中无零序分量（这条件通常都能满足），即 第21页，共21页，编辑于2022年，星期六