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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三部分 交流伺服电机控制原理,一、交流电机的调速原理,调速的关键是转矩控制,电动机调速的任务是控制转速，转速通过转矩来改变，从转矩到转速是一个积分环节机械惯量，即：,式中,GD,电动机和负载机械的飞轮力矩；,n,转速；,T,d,、,T,L,电动机的电磁转矩和负载转矩。,L,d,T,T,dt,dn,GD,-,=,375,2,从式可看出，除转矩外，再没有其他控制量可影响转速。快速准确地控制转矩，使转矩实际值,T,d,对其给定值,Td*,响应如图所示。,转矩-转速关系是一个小惯量环节,，传递函数为:,m,转矩环等效时间常数。,(,s),T,s,T,d,m,d,*,+,=,s,1,1,T,d,T,O,t,*,d,T,T,O,图,4,1,转,矩,响,应,波,型,a,),小,惯,性,b,),大,惯,性,a,),b,*,d,T,d,T,如果,T,d,对,T,d,*,的响应如图4-1,b),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。从上述讨论可以看出，,调速的关键是转矩控制,。,二、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。它们分别产生定子磁通势矢量和转子磁能磁通势矢量（图4-3），将其合成，得合成磁通势矢量，由它产生,磁链矢量,（,通过,Ns,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。,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，它们将互相吸引，产生转矩，使转子转动。,通,势,矢,量,图,c,F,s,F,r,F,cs,q,rc,q,rs,q,图,4,3,电,动,机,磁,定子磁通势矢量,：,由定子绕组通三相交流电产生的旋转磁场的磁通势，是由三个绕组的磁势的基波磁势合成的。旋转速度为,：,n,1,=60,f,/,p,，,n,1,为同步速度。,由于单相绕组的磁势是矩型分布，除基波外，还有其他频率的谐波成分（由富里埃级数展开），,谐波磁势,一般对电机运行带来不利，采用短距和分布绕组就是达到消除谐波磁势这一目的。,转子磁能磁通势矢量,：,电机负载运行时，电机转子以低于,n,1,的同步速度,n,运行，这样气隙磁势的速度与转子相差一个速度,n,=,n,1,-n,=,s,n1,，,转子将以,s,n1,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。,转子的磁场频率为：,f,2,=,n,p,/60,旋转速度为：,n,2,=,n,+,n,=,n,1,，,这表明转子的旋转频率落后于磁场旋转频率，有一个滑差,s,。,以保证转子能够切割定子磁场的磁力线。但转子磁通势矢量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：,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。,式中,B,磁感应强度,H,磁场强度。,在气隙里，,B,比例于,H,，,而,H,比例于合成磁通势 ，所以,式中,合成磁通势矢量 的数值；,比例系数。,磁场能量的增量,合成磁通势：,将其代入式 得电动机转矩公式为,式中,Km,比例系数,由于 和,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,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,s,、,F,r,和,F,c,中任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,。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。,F,c,F,r,F,r,F,r,rs,cs,讨论：,1、交流电机的运动原理。,2、直流电机与交流电机的磁场有什么异同？,第三部分 交流伺服电机控制原理,一、交流电动机矢量控制基本概念,交流电动机的磁通势矢量,F,s,、F,r,和,F,c,都在空间以同步速度旋转，彼此相对静止，欲控制转矩，必须控制任两磁通势矢量的大小和相对位置。,通常的变频调速系统的控制量是交流电动机的定子电压幅值和频率（电压控制型）或定子电流幅值和频率（电流控制型），它们都是标量，故称为标量控制系统。在标量控制系统中，只能按电动机稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个磁通势矢量的大小和相对位置，转矩控制性能差。,欲改善转矩控制性能，必须对定子电压或电流实施矢量控制，既控制大小，又控制方向。,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，控制和计算不方便。,如果采用坐标变换，使人从静止坐标系进入同步旋转坐标系，站在旋转坐标系上看，电动机各矢量都变成了静止矢量，它们在坐标系上各分量都是直流量，可以很方便地从统一转矩公式出发，找到转矩和被控矢量各分量的关系，实时地算出转矩控制所需的被控矢量（电压或电流等矢量）各分量间的关系，实时地算出转矩控制所需的被控矢量的直流分量的值（直流给定量）。,由于这些被控矢量的直流分量在物理上不存在，我们还必须再经过坐标变换，从旋转坐标系回到到静止系，把上述直流给定量变换成物理上存在的交流给定量，在定子坐标系对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。整个矢量控制过程或用下图所于框图表示：,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，,实现该变换的关键是,找到两坐标系之间的夹角,。（,夹角实现,坐标关系）,矢量控制系统分为两类,：,1.按转子位置定向的矢量控制系统,该系统的基准旋转坐标系的水平轴位于电动机转子,圆的,轴线上，,随转子一起旋转,，这时静止和旋转坐标系之间的夹角就是转子位置角。,永磁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,。,2.按磁通定向的矢量控制系统,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，,与磁场一起旋转,，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，系统较复杂，但易维持磁链恒定，使电动机运行经济合理。通常的,同步电动机和异步电动机,矢量控制系统属于这一类,。,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，则产生的合成磁势,F,c,也以同速旋转。,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,F,s,，,转子绕组产生旋转磁势,F,r,，,这样，就可以把所有的电机等效成两相绕组的电机。,矢量控制的目的是为了改善转矩控制特性,而最终实施是要落实到对定子电流(交流)的控制上.,第四部分矢量变换原理,二、交流电动机的坐标系及符号规定,1.定子坐标系,（,R-S-T,和 坐标系）,这两个坐标系在空间固定不动，是静止坐标系,2.,转子坐标系,（,d-q,坐标系）,转子坐标系固定在转子上,，其,d,轴位于转子外圆的,轴,线上，,q,轴超前,d,轴90,，,该坐标系随转子一起在空间以转子速度旋转,。,同步电动机,，,d,轴是转子磁极（合成）的轴线，,异步电动机，,可定义转子上任一轴线为,d,轴（不固定）,3.磁链坐标系,（坐标系）,磁链坐标系的 轴固定在磁链矢量上，轴超前 轴90,，该坐标系和磁链矢量一起在空间以同步速度旋转。,第四部分矢量变换原理,4、,d、q,变换的目的,d-q,变换的实质,：为了分析上的方便和直观性，往往将交流电机的控制变换成直流电机的绕组形式下加以讨论，在这一形式下讨论的控制结果，再变换回交流电机的绕组。,d、q,轴的选择：,为了将交流变直流,，需要将,d、q,坐标选择在旋转的磁场上，,因此直观来看,，,d、q,轴坐标是与旋转磁场一起运动的，,当然，也可以认为,d、q,轴坐标不动，而定子绕组是旋转的。,第四部分矢量变换原理,三、交流电动机的空间矢量概念,空间矢量：,三个分量：,三相交流电动机定子有三个绕组,R,、,S,、,T,，,分别流过定子电流，、产生三个分磁通势 、。,定子磁通势 是这三个分磁通势的矢量和。,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,
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