数控技术及装备c课件.ppt

1、从式可看出，除转矩外，再没有其他控制量可影响转速。快速从式可看出，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，使转矩实际值准确地控制转矩，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4-14-1b)b)所示，它是一个振荡环节，且阻所示，它是一个振荡环节，且阻尼较

2、小，无论怎样设计速度调节器都很难获得满意结果。从上尼较小，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，述讨论可以看出，调速的关键是转矩控制调速的关键是转矩控制。sTm1sm+11dTLTsTsTVRnRnRn1+速度调节器转矩控制电动机*nn控制对象图42速度环框图二、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，将其合成，

3、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，好像空间有两块磁铁，一块是固定的，另一块是可转动的。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。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电电动动机机磁磁定子磁通势矢量定子磁通势矢量：由定子绕组通三相交流电产生的旋转由定子绕组通三相交流

4、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。磁场的磁通势，是由三个绕组的磁势的基波磁势合成的。旋转速度为旋转速度为：n1=60f/p，n1为同步速度。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），频率的谐波成分（由富里埃级数展开），谐波磁势谐波磁势一般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。除谐波磁势这一目的。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，电机转子以低电机负载运行时，电机转子以

5、低于于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运行，这样气隙磁势的速度与转子相差一个速度差一个速度n=n1-n=sn1，转子将以，转子将以sn1速度切割气隙磁速度切割气隙磁场，在转子的导条中产生电流，这个电流也产生旋转的场，在转子的导条中产生电流，这个电流也产生旋转的磁场。磁场。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，这表明转子的旋转频率落后于磁场旋转频率，有一这表明转子的旋转频率落后于磁场旋转频率，有一个滑差个滑差s。以保证转子能够切割定子磁场的磁力线。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

6、矢量旋转速度相同。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：由电磁场理论知道，作用在绕组上的转矩等于：rsmdETq=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。mEsFrFq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HBEm=cF)(2cemFKE=cFcFeKrsrsrscFFFFFqcos2222+=合成磁

7、通势：合成磁通势：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 rsrSmdFFKTqsin=rsmdETq=rccrssFFqqsinsin=cscrsrFFqqsinsin=cscSmdFFKTqsin=rccmdFrFKTqsin=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

8、角的正弦值之积，中任两矢量的模和它们间夹角的正弦值之积，即矢量平行即矢量平行四边形的面积四边形的面积。它只与这些矢量的大小与相对位置有关，而与它。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。一公式控制电动机转矩。FcFrFrFrrscs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一、交流电动机矢量控制基本概念

9、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交流电动机的磁通势矢量Fs、Fr和和Fc都在空间以都在空间以同步速度旋转，彼此相对静止，欲控制转矩，必同步速度旋转，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。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，只能按电为标量控制系统。在标量控制系统中，

10、只能按电动机稳态运行规律进行控制，不能控制任意两个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。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。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、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）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

11、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。如果采用坐标变换，使人从静止坐标系进入同如果采用坐标变换，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，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，实时地算出转电流等矢量）

12、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（直流矩控制所需的被控矢量的直流分量的值（直流给定量）。给定量）。测量交流量计算被控矢量的直流控制分量交流量控制坐标变换坐标变换（静止系）（旋转系）（静止系）图46矢量控制过程框图动）（静 静）（动 由于这些被控矢量的直流分量在物理上不存在，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

13、际值等于给定值。整个矢量控行控制，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：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，坐标变换，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找到两坐标系之间的夹角的夹角。（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.按转子位置定向的矢量控制系统按转子位置定向的矢量控制系统 该系统的基准该系统的基准旋转坐标系的水平轴位于电动机转子旋转坐标系的水平轴位于电动机转子圆的圆的轴线上，轴线上，随转子随转子一起旋转一起旋转，这时静止和

14、旋转坐标系之间的夹角就是转子位，这时静止和旋转坐标系之间的夹角就是转子位置角。置角。永磁同步电动机和无换向器电动机永磁同步电动机和无换向器电动机的矢量控制系统的矢量控制系统属于这一类属于这一类。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，转坐标系的水平轴位于电动机磁通和磁链轴线上，与磁场与磁场一起旋转一起旋转，这时静止和旋转坐标系之间的夹角不能直接测，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，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

15、。通常的使电动机运行经济合理。通常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。旋转磁场是电机运动的根本。产生旋转磁场不一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。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，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、两相异步或者同步电机（直无论是多相、三相、两相异步或

16、者同步电机（直流电机是同步电机的特例），通以适当的电流，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，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可以进一步认为，定子绕组产生旋转磁势F Fs s，转，转子绕组产生旋转磁势子绕组产生旋转磁势F Fr r，这样，就可以把所有的，这样，就可以把所有的电机等效成两相绕组的电机。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矢量控制的目的是为了改善转矩控制特性,而最而最终实施是要落实到对定子电流终实施是要落实到对定子电流(交流交流)的控制上的控制上.第四部分矢量变换原

17、理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）AAATARASARTSS绕组T绕组R绕组图47交流电动机定子坐标系这两个坐标系在空间固定这两个坐标系在空间固定不动，是静止坐标系不动，是静止坐标系 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该坐标系随转子一起在空间以转子速度旋转转。同步电动机同步电动机，d轴是转

18、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）磁链坐标系的磁链坐标系的 轴固定在磁链矢量上，轴固定在磁链矢量上，轴超前轴超前 轴轴90，该坐标系和磁链矢量一起在空间以同步速度旋转。该坐标系和磁链矢量一起在空间以同步速度旋转。21121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变换的实质变换的实质：为了分析上的方便：为了分析上的方便和直观性，往往将交流电机的控制和直观性，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

19、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。果，再变换回交流电机的绕组。d、q轴的选择：轴的选择：为了将交流变直流为了将交流变直流，需要将需要将d、q坐标选择在旋转的磁场坐标选择在旋转的磁场上，上，因此直观来看因此直观来看，d、q轴坐标是轴坐标是与旋转磁场一起运动的，与旋转磁场一起运动的，当然，也当然，也可以认为可以认为d、q轴坐标不动，而定子轴坐标不动，而定子绕组是旋转的。绕组是旋转的。2q)(1磁链轴)(转子轴d)(轴定子轴 ROLS图48坐标系及它们间的夹角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

20、间矢量概念三、交流电动机的空间矢量概念 SRT图49电动机定子垂直剖面图SRTjAAAAAqO图410在复数平面上的矢量A空间矢量：空间矢量：三个分量：三个分量：jAA+=ARASATA三相交流电动机定子有三个绕组三相交流电动机定子有三个绕组R、S、T，分别流过定子电，分别流过定子电流，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sRisSisTisRFsSFsTFsFsRssRsRiNF=F120120jsSsjsSsSeiNeF=F120120jsTsjsTsTeiNeF=FssjsTjsSsRsTsSsRNeeiFFFFFFFs=+=+=120120120120jsTjsSsRseieii+=i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 0=+sTsSsRiii