1、2023-6-26.1 电动机分固定磁阻和变磁阻两大类。电动机分固定磁阻和变磁阻两大类。其中，其中，固定磁阻电动机固定磁阻电动机主要包括主要包括l直流电动机直流电动机l无刷直流电动机无刷直流电动机(BLDCM)BLDCM)l永磁同步电动机永磁同步电动机(SPMM)SPMM)l交流感应电动机。交流感应电动机。在历史上，最先应用于变速传动的是在历史上，最先应用于变速传动的是直流电动机直流电动机。近年来，近年来，交流电动机交流电动机(包括无刷直流电动机包括无刷直流电动机)在许多领在许多领域已经并且正在取代直流电动机用作变速传动。域已经并且正在取代直流电动机用作变速传动。交流交流感应电动机感应电动机结
2、构简单，在工业领域中经常应用于常速结构简单，在工业领域中经常应用于常速传动。交流感应电动机已应用于变速传动，例如，变传动。交流感应电动机已应用于变速传动，例如，变频调速。频调速。2023-6-26.2 在机械运动控制中，多数采用伺服电动机作为执行器，把电能在机械运动控制中，多数采用伺服电动机作为执行器，把电能经过耦合磁场转换为机械能。电动机的能量转换关系如图所示。经过耦合磁场转换为机械能。电动机的能量转换关系如图所示。能量转换的能量转换的关键关键在于耦合磁场及其对电系统和机械系统的作用与在于耦合磁场及其对电系统和机械系统的作用与反作用。耦合磁场对电系统的反作用反作用。耦合磁场对电系统的反作用(
3、作用作用)表现在感应电动势上。表现在感应电动势上。而对机械系统的作用而对机械系统的作用(反作用反作用)表现在电磁转矩表现在电磁转矩T Temem上。上。2023-6-26.3 k k表示与第表示与第k k个导体回路交链的磁链，个导体回路交链的磁链，i ik k表示第表示第k k个导体回路中流过的个导体回路中流过的电流，电流，W Wm m表示磁场同等能量，则作用于转子的表示磁场同等能量，则作用于转子的电磁转矩电磁转矩为为 同时，引用著名的电磁感应定律同时，引用著名的电磁感应定律(楞次定律楞次定律)：一个封闭回路内的：一个封闭回路内的感应感应电动势电动势等于与该回路交链的磁链的时间变化率，即等于与
4、该回路交链的磁链的时间变化率，即e ej j=d=dj j/dt/dt。对于对于n n个个多电磁回路，可进一步表示为多电磁回路，可进一步表示为 等式右边第一项称为回路电感电动势；第二项称为切割电动等式右边第一项称为回路电感电动势；第二项称为切割电动 势势(亦称为反电动势亦称为反电动势)。2023-6-26.42023-6-26.5这类电动机的特点是磁这类电动机的特点是磁路磁阻随转子转角变化路磁阻随转子转角变化而改变。若激磁磁势不而改变。若激磁磁势不变，则转角变化时，磁变，则转角变化时，磁链随着变化，从而产生链随着变化，从而产生电磁转矩。变磁阻电动电磁转矩。变磁阻电动机的基本工作原理如图机的基本
5、工作原理如图所示所示 根据结构和供电方式的不同，变磁阻电动机分为根据结构和供电方式的不同，变磁阻电动机分为步进电动机、步进电动机、开关和变磁阻电动机开关和变磁阻电动机。2023-6-26.6 电压平衡方程电压平衡方程：任一回路的外加电压等于回路电阻上的压降与感应电：任一回路的外加电压等于回路电阻上的压降与感应电动势之和。动势之和。其中，其中，n n为电动机内的电磁回路数。右边第一项为回路电阻上的压降，第为电动机内的电磁回路数。右边第一项为回路电阻上的压降，第二项为回路电感二项为回路电感(包括自感和互感包括自感和互感)上的压降，第三项为电动机的反电动上的压降，第三项为电动机的反电动势。势。转矩平
6、衡方程转矩平衡方程：电磁转矩减去负载阻转矩后的剩余转矩用于加速电动机轴：电磁转矩减去负载阻转矩后的剩余转矩用于加速电动机轴上的惯性负载。上的惯性负载。式中，式中，J J为电动机转子轴上的转动惯量；为电动机转子轴上的转动惯量；T TL L为电动机轴上的负载阻转为电动机轴上的负载阻转矩；矩；T Tm m为电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩.2023-6-26.7 直流电动机具有良好的控制性能、较直流电动机具有良好的控制性能、较大的启动转矩，还具有相对功率大和响大的启动转矩，还具有相对功率大和响应速度快等优点。尽管相对交流电动机应速度快等优点。尽管相对交流电动机而言，直流电动机结构复杂、价格较高，而
7、言，直流电动机结构复杂、价格较高，但仍然是目前机电控制系统中应用最广但仍然是目前机电控制系统中应用最广泛的一类电动机。泛的一类电动机。2023-6-26.8 直流电动机的结构和基本工作原理模型如图所示，直流电动机的结构和基本工作原理模型如图所示，主要组成包括三部分：定子磁极主要组成包括三部分：定子磁极,电枢电枢,电刷电刷.2023-6-26.9直流电动机的电磁转矩可表示为直流电动机的电磁转矩可表示为 式中：式中：K KI I直流电动机电磁转矩系数，直流电动机电磁转矩系数，NmNmA A，仅仅 与电动机本身的结构参数有关；与电动机本身的结构参数有关；i ia a电枢电流，电枢电流，A A。由式可
8、见，当励磁恒定不变时，直流电动机的电磁由式可见，当励磁恒定不变时，直流电动机的电磁转矩与电枢电流成正比。转矩与电枢电流成正比。2023-6-26.10 当直流电动机拖动负载时，电磁转矩既要克服由于负载的机当直流电动机拖动负载时，电磁转矩既要克服由于负载的机械摩擦及阻尼带来的负载阻转矩，又要克服由于电动机中的机械械摩擦及阻尼带来的负载阻转矩，又要克服由于电动机中的机械摩擦、电枢中的磁滞与涡流等产生的电动机阻转矩，还要使惯性摩擦、电枢中的磁滞与涡流等产生的电动机阻转矩，还要使惯性负载产生加速度，其转矩平衡方程式为负载产生加速度，其转矩平衡方程式为式中：式中：T Temem电动机电磁转矩，电动机电磁
9、转矩，NmNm；T Td d作用于电动机轴上的阻转矩，包括电动机阻转矩和负载阻转作用于电动机轴上的阻转矩，包括电动机阻转矩和负载阻转矩，矩，NmNm；JJ电动机转子及负载等效在电动机轴上的转动惯量，电动机转子及负载等效在电动机轴上的转动惯量，kgmkgm2 2；电动机转动角速度，电动机转动角速度，fadfads s。emddJTTdt2023-6-26.11直流电动机电枢反电动势直流电动机电枢反电动势E Ea a可以认为与转速成正比，即可以认为与转速成正比，即式中：式中：KeKe电动机反电动势系数，电动机反电动势系数，VsVsradrad，仅与电动机本身的结构参数有关；仅与电动机本身的结构参数
10、有关；电动机转动角速度，电动机转动角速度，radrads s，常用转速符号常用转速符号 ,r ,rminmin。对于同一台直流电动机，它们的数值相等，即对于同一台直流电动机，它们的数值相等，即KeKeKt,Kt,因此，直流电动机的电压平衡方因此，直流电动机的电压平衡方程式为程式为式中：式中：uaua电枢电压，电枢电压，V V；iaia电枢电流，电枢电流，A A；RaRa电枢电阻，电枢电阻，；LaLa电枢电电枢电感，感，H H。aeEKddt602n2023-6-26.12 普通的直流电动机普通的直流电动机一般作为动力部件一般作为动力部件，着重于对，着重于对启动和运行状态动能指标的要求；而在机电
11、控制系统启动和运行状态动能指标的要求；而在机电控制系统中作为伺服元件时，则着重于特性的中作为伺服元件时，则着重于特性的高精度和快速响高精度和快速响应应。后一类直流电动机称为直流伺服电动机。后一类直流电动机称为直流伺服电动机。伺服电动机伺服电动机是一种受输入电信号控制，并作出快是一种受输入电信号控制，并作出快速响应的电动机。堵转转矩与控制速响应的电动机。堵转转矩与控制 电压成正比，转电压成正比，转速随转矩的增加而近似线性下降，调速范围宽，当控速随转矩的增加而近似线性下降，调速范围宽，当控制电压为零时能立即制电压为零时能立即 停转。根据伺服电动机的这种停转。根据伺服电动机的这种工作特点，其结构设计
12、有一些特别的要求。但在基本工作特点，其结构设计有一些特别的要求。但在基本原理上，直流伺服电动机与普通直流电动机是完全相原理上，直流伺服电动机与普通直流电动机是完全相同的。同的。2023-6-26.13静态特性静态特性：直流伺服电机的机械特性直流伺服电机的机械特性直流伺服电机的调节特性直流伺服电机的调节特性动态特性：动态特性：直流伺服电机的方框图描述直流伺服电机的方框图描述2023-6-26.14静态时可得直流伺服电动机的转速公式为静态时可得直流伺服电动机的转速公式为由上式可得直流伺服电动机的由上式可得直流伺服电动机的机械特性机械特性。2023-6-26.15直流伺服电动机的机械直流伺服电动机的
13、机械特性，即保持控制电压特性，即保持控制电压恒定时，电动机转矩与恒定时，电动机转矩与转速的关系曲线，如图转速的关系曲线，如图所示。所示。2023-6-26.16理想空载转速理想空载转速0 0为：为：转速为零时，电动机的堵转转矩转速为零时，电动机的堵转转矩T Tb b为为 ：机械特性硬度机械特性硬度|tan|tan|，用理想空载转速和堵转转矩定义用理想空载转速和堵转转矩定义为为 ：2023-6-26.17直流伺服电动机的调节直流伺服电动机的调节特性，即电磁转矩恒定特性，即电磁转矩恒定时，电动机转速随控制时，电动机转速随控制电压变化的关系曲线，电压变化的关系曲线，如图所示。如图所示。图中，调节特性
14、与横轴的交点为电动机的始动电压。从原点图中，调节特性与横轴的交点为电动机的始动电压。从原点到始动电压点的横坐标范围，被称为在某一电磁转矩值时伺服电到始动电压点的横坐标范围，被称为在某一电磁转矩值时伺服电动机的失灵区。失灵区的大小与电磁转矩的大小成正比。动机的失灵区。失灵区的大小与电磁转矩的大小成正比。2023-6-26.18直流伺服电动机的动态特性由下列方程组描述：直流伺服电动机的动态特性由下列方程组描述：式中，式中，B B为等效在电动机轴上的粘性阻尼系数；为等效在电动机轴上的粘性阻尼系数；Td(t)Td(t)为电动机阻转为电动机阻转矩与负载阻转矩之和。其余参数和变量的定义与前面相同。矩与负载
15、阻转矩之和。其余参数和变量的定义与前面相同。2023-6-26.19通过对上式进行拉氏变换可以获得等价的传递函数方块图：通过对上式进行拉氏变换可以获得等价的传递函数方块图：通过方块图简化，消去中间变量，可得到以电枢电压通过方块图简化，消去中间变量，可得到以电枢电压u ua a(t)(t)为输入变为输入变量，电动机转速量，电动机转速(t)(t)为输出变量的传递函数：为输出变量的传递函数：2023-6-26.20令令 -电动机电磁时间常数电动机电磁时间常数 -电动机电机电时间常数电动机电机电时间常数 -机械系统时间常数机械系统时间常数代入传递函数，忽略电枢电感及粘性阻尼系数，则直流代入传递函数，忽
16、略电枢电感及粘性阻尼系数，则直流伺服电动机的传递函数可近似为伺服电动机的传递函数可近似为aaaLTRamatR JTK KJTB2023-6-26.21 由此可见，直流伺服电动机通常可近似为一阶惯由此可见，直流伺服电动机通常可近似为一阶惯性环节，其过渡过程的快慢主要取决于机电时间常数性环节，其过渡过程的快慢主要取决于机电时间常数T Tm m。为了加快系统响应速度，展宽系统频带，必须设为了加快系统响应速度，展宽系统频带，必须设法减小法减小T Tm m。根据根据T Tm m的定义，通常应从以下几方面着手：的定义，通常应从以下几方面着手：(1)(1)设计良好的机械系统，以减小等效转动惯量设计良好的机
17、械系统，以减小等效转动惯量J J；(2)(2)给电动机供电的电源内阻应尽可能小，以降低电给电动机供电的电源内阻应尽可能小，以降低电枢枢 回路的电阻回路的电阻R R。；。；(3)(3)附加速度负反馈，以加大等效反电动势系数附加速度负反馈，以加大等效反电动势系数K Ke e。这些都是机电控制系统中经常采用的技术措施。这些都是机电控制系统中经常采用的技术措施。2023-6-26.22 直流电动机的驱动电路，即直流电动机的驱动电路，即功率放大器功率放大器，是用于，是用于放大控制信号并向电动机提供必要能放大控制信号并向电动机提供必要能 量的电子装置。量的电子装置。它的性能将直接影响系统性能。功率放大器应
18、能提供它的性能将直接影响系统性能。功率放大器应能提供足够的电功率，具足够的电功率，具 有相当宽的频带和尽可能高的效有相当宽的频带和尽可能高的效率。目前，广泛应用的半导体功率放大器有三类：率。目前，广泛应用的半导体功率放大器有三类：l线性型线性型l开关型开关型l晶闸管型。晶闸管型。2023-6-26.23 线性功率放大器是指放大器中的功率元件工作于线性功率放大器是指放大器中的功率元件工作于线性状态的放大器，其输出电压或线性状态的放大器，其输出电压或 电流同控制信号电流同控制信号成比例关系。这种放大器的优点是线路相对简单，电成比例关系。这种放大器的优点是线路相对简单，电磁干扰比较小。但磁干扰比较小
19、。但 由于其功率元件工作在线性状态，由于其功率元件工作在线性状态，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，线性功率放大器一般用于控制小功率的电动机因此，线性功率放大器一般用于控制小功率的电动机或要求电磁干扰较小的系统中。主要有或要求电磁干扰较小的系统中。主要有 1 1单极性功率放大器单极性功率放大器 2.2.双极性功率放大器双极性功率放大器2023-6-26.24这是功率放大器中最简单的这是功率放大器中最简单的一种，图一种，图310310是一个最简单是一个最简单的单极性功率放大器的原理的单极性功率放大器的原理图。这种放大器仅具有单象图。
20、这种放大器仅具有单象限控制能力，即仅能提供正限控制能力，即仅能提供正的电压和正的电流。因而它的电压和正的电流。因而它可以使电动机很快加速，而可以使电动机很快加速，而减速只能靠摩擦力和粘滞阻减速只能靠摩擦力和粘滞阻力，减速较慢。图中力，减速较慢。图中VDVD为续为续流二极管，以防电流急剧减小流二极管，以防电流急剧减小时电动机线圈产生过高的自感时电动机线圈产生过高的自感电动势而击穿晶体管。电动势而击穿晶体管。2023-6-26.25 双极性功率放大器可以输出双极性功率放大器可以输出正、负两个极性的电压和电正、负两个极性的电压和电流，电动机能够正反两个方流，电动机能够正反两个方向运行。图向运行。图3
21、12312表示了表示了T T型型和和H H型两种典型双极性放大型两种典型双极性放大器的原理图。器的原理图。T T型放大器线路型放大器线路较为简单、成熟，因而得到广较为简单、成熟，因而得到广泛的应用，但它要使用正、负泛的应用，但它要使用正、负电源供电，晶体管耐压要求高电源供电，晶体管耐压要求高，要能承受，要能承受2 2U Us s的电压。的电压。H H桥型桥型电路较为复杂，功率元件多，一般在功率较大的系统中应用。电路较为复杂，功率元件多，一般在功率较大的系统中应用。2023-6-26.26 开关型放大器中的功率元件工作在开关状开关型放大器中的功率元件工作在开关状态，它不是直接控制其输出电压的幅值
22、，而是态，它不是直接控制其输出电压的幅值，而是通过通过控制其输出电压的占空比控制其输出电压的占空比，使其输出电压，使其输出电压的平均值同控制信号成比例。这类功率放大器的平均值同控制信号成比例。这类功率放大器的突出优点是具有很高的效率，缺点是电磁干的突出优点是具有很高的效率，缺点是电磁干扰较大，一般应用于几百瓦至几十千瓦的系统扰较大，一般应用于几百瓦至几十千瓦的系统中。开关型功率放大器分中。开关型功率放大器分脉冲宽度调制型脉冲宽度调制型(PWMPWM，简称脉宽调制型简称脉宽调制型)和脉冲频率调制型和脉冲频率调制型两类，也两类，也有两种形式混合的。脉冲频率调制型多用于纯有两种形式混合的。脉冲频率调
23、制型多用于纯电感性负载，如电磁线圈。电动机控制则广泛电感性负载，如电磁线圈。电动机控制则广泛应用脉宽调制型功率放大器。应用脉宽调制型功率放大器。2023-6-26.27脉宽调制放大器的输出电脉宽调制放大器的输出电压是幅值恒定、频率恒定压是幅值恒定、频率恒定、脉宽可调的波形，如图、脉宽可调的波形，如图313313所示。对图所示。对图313313所所示波形进行傅里叶级数展示波形进行傅里叶级数展 开，可得开，可得2023-6-26.28从式从式(336)(336)可看出，脉宽调制放大器输出的直流分量与占空比成比可看出，脉宽调制放大器输出的直流分量与占空比成比例关系。当脉冲周期例关系。当脉冲周期T T
24、s s，比电动机电磁时间常数比电动机电磁时间常数TsTs小很多时，由小很多时，由于电枢电感的滤波作用和转子惯量的平滑作用，式于电枢电感的滤波作用和转子惯量的平滑作用，式(336)(336)中的中的交流分量产生的作用很小，可以忽略不计。换言之，控制直流电交流分量产生的作用很小，可以忽略不计。换言之，控制直流电动机的脉宽调制电压，可以等价为直流控制电压。动机的脉宽调制电压，可以等价为直流控制电压。2023-6-26.29 PWMPWM功率放大器和线性功率放大器一样，也有多种电路形式。功率放大器和线性功率放大器一样，也有多种电路形式。总的来说，可以分为单极性和双极性两种工作方式。每种工作方总的来说，
25、可以分为单极性和双极性两种工作方式。每种工作方式又可分为可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路。式又可分为可逆开关放大电路和不可逆开关放大电路。以以T T型双极性开关放大器型双极性开关放大器 为例简介为例简介PWMPWM功率放大器。功率放大器。如图如图316316所示，实际上它与所示，实际上它与T T型单极性开关放大器很相似型单极性开关放大器很相似，只是接了正负双电源，因，只是接了正负双电源，因此其输出电压在此其输出电压在-U Us s到到+U Us s，之间变化。由于其极性可变之间变化。由于其极性可变，故称为双极性工作方式。，故称为双极性工作方式。它可以调节电动机转速的大小和方向。它可以调节电
26、动机转速的大小和方向。2023-6-26.30(1)(1)功率管的选择功率管的选择 PWM PWM放大器中的功率管选放大器中的功率管选 择原则与线性放大器不同，择原则与线性放大器不同，由于其工作在高频开关状由于其工作在高频开关状 态，动态开关损耗比较大，态，动态开关损耗比较大，一般要求选用截止频率比一般要求选用截止频率比 较高的晶体管，以降低开较高的晶体管，以降低开 关损耗。关损耗。目前常用的功率器件主要有三种类型：双极结型晶体管目前常用的功率器件主要有三种类型：双极结型晶体管(GRT)GRT)、金金属氧化物场效属氧化物场效 应晶体管应晶体管(MOSFET)MOSFET)以及绝缘栅双极晶体管以
27、及绝缘栅双极晶体管(1(1GBT)GBT)。图图320320给出了三种功率元件的开关能力。给出了三种功率元件的开关能力。2023-6-26.31 一般晶体管导通时，其导通电压会随电流增大而升高，尤其是一般晶体管导通时，其导通电压会随电流增大而升高，尤其是过流时，导通电压会急剧升高，如图过流时，导通电压会急剧升高，如图321321所示。利用这一特性，所示。利用这一特性，可在晶体管导通时检测其导通压降。当它高于某一设定值时，便可在晶体管导通时检测其导通压降。当它高于某一设定值时，便关断晶体管，达到保护目的。关断晶体管，达到保护目的。晶体管饱和导通压降检测保护法，可用图晶体管饱和导通压降检测保护法，
28、可用图322322所示的电路实所示的电路实现。其中，与非门的作用是，晶体管加导通信号时，检测才起作现。其中，与非门的作用是，晶体管加导通信号时，检测才起作用，以免晶体管关断时造成误判。检测后的信号与驱动信号通过用，以免晶体管关断时造成误判。检测后的信号与驱动信号通过与门共同控制功率管开通与关断。与门共同控制功率管开通与关断。2023-6-26.32 在在PWMPWM放大器中，同一桥臂上的两个晶体管多工作放大器中，同一桥臂上的两个晶体管多工作在反相状态，即当一个导通时，另一个就关断。实际在反相状态，即当一个导通时，另一个就关断。实际上晶体管的开通、关断是有延时的，且关断延时一般上晶体管的开通、关
29、断是有延时的，且关断延时一般比开通延时大，当晶体管开关控制信号跳变时，原来比开通延时大，当晶体管开关控制信号跳变时，原来关断的晶体管将很快开通，而原来导通的晶体管却不关断的晶体管将很快开通，而原来导通的晶体管却不能立即关断。结果，在这一瞬间两晶体管处于同时导能立即关断。结果，在这一瞬间两晶体管处于同时导通状态，形成短路，并可能损坏晶体管。因此，必须通状态，形成短路，并可能损坏晶体管。因此，必须使控制信号由低变高的过程延时一段时间，以免造成使控制信号由低变高的过程延时一段时间，以免造成桥臂直通。这种延迟就是桥臂直通。这种延迟就是开通延迟开通延迟。开通延时可通过在晶体管驱动级加延迟或在脉宽开通延时
30、可通过在晶体管驱动级加延迟或在脉宽调制器中加死区的办法实现。调制器中加死区的办法实现。2023-6-26.33PWMPWM放大器中，当电动机放大器中，当电动机制动时，电动机转子及负制动时，电动机转子及负载存储的能量并不是消耗载存储的能量并不是消耗在放大器中，而是回馈到在放大器中，而是回馈到电源中。当采用整流电源电源中。当采用整流电源时，回馈的能量充到电容时，回馈的能量充到电容器中。当系统惯量比较大器中。当系统惯量比较大时，由于充电引起电容器的电压升高幅度很大。如果不时，由于充电引起电容器的电压升高幅度很大。如果不加处理，将产生过高的电压而威胁电路的安全。因此，加处理，将产生过高的电压而威胁电路
31、的安全。因此，一般在中、小功率系统中，附加如图一般在中、小功率系统中，附加如图323323所示的放电所示的放电回路，将多余的能量在电阻只回路，将多余的能量在电阻只L L中消耗掉；在大功率系中消耗掉；在大功率系统中，则加逆变器将能量回馈电网。统中，则加逆变器将能量回馈电网。2023-6-26.34SCRSCR驱驱动器分为动器分为可逆和不可可逆和不可逆两种电路逆两种电路。图。图324324是由一组是由一组SCRSCR变流器变流器构成的不可逆电路。构成的不可逆电路。其中，上部三只其中，上部三只SCRSCR具有共阴极，以具有共阴极，以120120电角度相位间隔交替被导通，而具有共阳极的下部三只电角度相
32、位间隔交替被导通，而具有共阳极的下部三只SCRSCR同样以同样以120120电角度相位间隔交替被导通电角度相位间隔交替被导通.2023-6-26.35 可逆电路可逆电路一般多采用两组一般多采用两组SCRSCR变流器联结而成，其中一组变变流器联结而成，其中一组变流器向电动机提供正向电流，流器向电动机提供正向电流，另一组向电动机提供反向电流。另一组向电动机提供反向电流。两组变流器之间的连接可分为两组变流器之间的连接可分为反并联和交叉连接，如图反并联和交叉连接，如图32326 6所示。反并联方案中可用一个所示。反并联方案中可用一个交流电源向两组变流器供电，交流电源向两组变流器供电，但在有环流的方案中
33、需用但在有环流的方案中需用4 4个限个限流电抗器。交叉连接方案中的两流电抗器。交叉连接方案中的两组变流器需要各自独立的电源供组变流器需要各自独立的电源供电，但其环流值较小，所用电抗电，但其环流值较小，所用电抗器较少。器较少。2023-6-26.36 直流电动机具有调速范围宽，启动、制动特性好等优点，至今由直流电动机具有调速范围宽，启动、制动特性好等优点，至今由直流电动机组成的调速系统仍为变速传动的主要形式。采用直流电动机组成的调速系统仍为变速传动的主要形式。采用PWMPWM功放的直流电动机调速系统的原理如图功放的直流电动机调速系统的原理如图327327所示。所示。2023-6-26.37 根据
34、图根据图327327的工作原理，利用直流电动机动力学方程组的工作原理，利用直流电动机动力学方程组(3(331)31)，可画出电流环的传递函数方块图，如图，可画出电流环的传递函数方块图，如图328328所示。图中，所示。图中，符号。表示电流负反馈系数；符号。表示电流负反馈系数；K Ki i(i is s十十1)/1)/i is s为电流控制器传为电流控制器传递函数。这里，在电动机的传递函数中已经略去机械阻尼系数递函数。这里，在电动机的传递函数中已经略去机械阻尼系数B B。2023-6-26.38整个电流环的传递函整个电流环的传递函数方块图可以进一步数方块图可以进一步简化为图简化为图329329。
35、由。由图图329329可得可得(3.40)2023-6-26.39根据图根据图328328，电动机的电枢电流，电动机的电枢电流Ia(s)Ia(s)与电动机的转速存在如下关与电动机的转速存在如下关系式：系式：将式将式(340)(340)代人式代人式(341)(341)，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(331)(331)，得电磁转矩，得电磁转矩 l上式上式(342)(342)表明，在电流环中，直流电动机的电磁转矩表明，在电流环中，直流电动机的电磁转矩T Temem。与与电枢电流电枢电流I Ia a。成正比，电枢电流成正比，电枢电流I
36、 Ia a。与输入电压与输入电压U Ui i成正比，所以，成正比，所以，输入电压通过电流环控制了电磁转矩。输入电压通过电流环控制了电磁转矩。(3.41)(3.42)2023-6-26.40首先，设速度控制器为比首先，设速度控制器为比例控制器，其增益为例控制器，其增益为K Kv v。又令测速发电机的反馈系又令测速发电机的反馈系数为数为K Kf f。考虑到电流环的考虑到电流环的传递函数方程传递函数方程(340)(340)，可以画出速度环的传递函可以画出速度环的传递函数方块图，如图数方块图，如图330330所示。所示。由图由图330330容易看出，该速度调节系统是容易看出，该速度调节系统是I I型系
37、统，对于阶跃参考输入，型系统，对于阶跃参考输入，输出速度是无输出速度是无 静态误差的。但是，由于存在负载转矩静态误差的。但是，由于存在负载转矩T Td d，输出速度总输出速度总是有静态误差的。为了克服这一缺点，速度控制器应采用是有静态误差的。为了克服这一缺点，速度控制器应采用PIPI控制器。控制器。2023-6-26.41 将图将图330330中的纯增益中的纯增益K Kv v，更换为更换为 (这里，符号这里，符号T Tv v，为积分增益为积分增益)。这样，速度环变成了。这样，速度环变成了型系统，如图型系统，如图3333l l所示。所示。(1)vvvK T sT s 显然，该系统对于参考输入是二
38、阶无静差的显然，该系统对于参考输入是二阶无静差的(不仅对常速度输不仅对常速度输入无静差，而且对等加速度输入也无静差入无静差，而且对等加速度输入也无静差)。同时，对于常值干。同时，对于常值干扰转矩，该系统也是无静差的。因此，采用扰转矩，该系统也是无静差的。因此，采用PIPI速度控制器取代速度控制器取代P P速度控制器，可以改善系统的静态速度调节精度。速度控制器，可以改善系统的静态速度调节精度。2023-6-26.42 无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。它以电子换向电路取代了传统上发展起来的。它以电子换向电路取代了传统直流电动机的整流子直流电
39、动机的整流子电刷换向器，既保持了电刷换向器，既保持了直流电动机的优点，又避免了直流电动机因电直流电动机的优点，又避免了直流电动机因电刷而引起的缺陷。这种电动机机械特性和调节刷而引起的缺陷。这种电动机机械特性和调节特性线性度好，调速范围宽，寿命长，维护方特性线性度好，调速范围宽，寿命长，维护方便，可靠性高，噪声较小，不存在换向火花，便，可靠性高，噪声较小，不存在换向火花，不会产生对无线电信号的干扰，可用于直流电不会产生对无线电信号的干扰，可用于直流电动机不能应用的易燃、易爆场合。动机不能应用的易燃、易爆场合。2023-6-26.43无刷直流电动机的电枢无刷直流电动机的电枢绕组位于定子上，转子绕组
40、位于定子上，转子由永久磁钢组成。它可由永久磁钢组成。它可以分为电动机本体、电以分为电动机本体、电子换向开关电路子换向开关电路 逆变器逆变器)、磁极位置传感器等三、磁极位置传感器等三个基本部分，如个基本部分，如图图332332所示。所示。2023-6-26.44无刷直流电动机的工作原理如图无刷直流电动机的工作原理如图333333所示所示 流波形如图流波形如图334334所示。图中横坐标为转子所示。图中横坐标为转子的电角度，等于转子的机械角度乘以电动机的的电角度，等于转子的机械角度乘以电动机的极对数极对数2023-6-26.45 由于气隙磁通密度呈梯形分布，所以在任何瞬间，通电的两相绕由于气隙磁通
41、密度呈梯形分布，所以在任何瞬间，通电的两相绕组的电流与气隙磁通的平顶部分相互作用，结果产生常值的电磁组的电流与气隙磁通的平顶部分相互作用，结果产生常值的电磁转矩：转矩：(3.45)(3.45)式中：式中：p pm m电动机极对数；电动机极对数；i i转子磁钢产生的磁通与定转子磁钢产生的磁通与定子绕组交链的磁链，为不变的常数；子绕组交链的磁链，为不变的常数；i ia a定子绕组方波电定子绕组方波电流幅值。流幅值。并且，定子绕组中的反电动势同气隙磁通密度和转子转速成正比，并且，定子绕组中的反电动势同气隙磁通密度和转子转速成正比，也呈梯形分布，可以表示为也呈梯形分布，可以表示为2emmr at aT
42、piKimrmrdeppdt2023-6-26.46三相定子绕组的电压平衡方程可以列写如下：三相定子绕组的电压平衡方程可以列写如下：式中：式中：u us1s1,u,us2s2,u,us3s3定子绕组三相电压；定子绕组三相电压；i is1s1,i,is2s2,is,is3 3定子绕组三相电流；定子绕组三相电流；L L定子绕组自感；定子绕组自感；M M定子绕组互感；定子绕组互感；e e1 1，e e2 2，e e3 3三相定子绕组上的反电。三相定子绕组上的反电。2023-6-26.47由于三相对称电动机中由于三相对称电动机中i is1s1+i+is2s2+i+is3s30 0，因此，因此，M(iM
43、(is1s1+i+is2s2)一一MiMis3s3。于是，于是，定子电压平衡方程组定子电压平衡方程组可以进一步改写为可以进一步改写为实际运行时，三相定子绕组中只有两相同时通电。假设三相绕组采实际运行时，三相定子绕组中只有两相同时通电。假设三相绕组采用星形用星形(丫丫)接法，接法，那么两个通电绕组实际上是串联的，即电流那么两个通电绕组实际上是串联的，即电流由正电源经导通的上功率管流向第一相绕组，由正电源经导通的上功率管流向第一相绕组，到中点后，又流到中点后，又流过第二相绕组，再经过导通的下功率管抵达负电源。过第二相绕组，再经过导通的下功率管抵达负电源。2023-6-26.48于是，若将两个同时于
44、是，若将两个同时 导通的绕组电压相加，并以电源电压沙导通的绕组电压相加，并以电源电压沙u ua a和和电源电流电源电流i ia a表示之，则有表示之，则有 （3.493.49）式中：式中：R Ra a2(R+R2(R+R0 0)，R R0 0为导通管的内阻；为导通管的内阻；L La a2(LM)2(LM)；K Ke e2p2pm mr r。此外，转子轴上的转矩平衡方程为此外，转子轴上的转矩平衡方程为 （3.503.50）这样，便完成了无刷直流电动机的数学模型。它由方程这样，便完成了无刷直流电动机的数学模型。它由方程(345)(345)、(349)(349)及及(350)(350)组成。组成。2
45、023-6-26.49 无刷直流电动机调速系无刷直流电动机调速系统原理框图如图统原理框图如图335335所示。所示。系统由系统由变频器、无刷直流变频器、无刷直流电动机、位置和转速检测电动机、位置和转速检测装置以及控制电路组成装置以及控制电路组成。控制电路包括典型的速度控制电路包括典型的速度和电流控制器、和电流控制器、PWMPWM脉宽脉宽调制器以及逻辑控制单元。调制器以及逻辑控制单元。目前，实际的无刷直流电目前，实际的无刷直流电动机速度环大多数采用全动机速度环大多数采用全数字方案或者数数字方案或者数模混合模混合控制方案。由无刷直流电控制方案。由无刷直流电动机组成的伺服系统具有动机组成的伺服系统具
46、有转矩平滑、响应快、控制精度高等特点，可适用于数控机床和机器人的伺服驱转矩平滑、响应快、控制精度高等特点，可适用于数控机床和机器人的伺服驱动，以及对动、静态性能要求较高的电气传动领域。动，以及对动、静态性能要求较高的电气传动领域。2023-6-26.50 永磁同步电动机永磁同步电动机(PMSM)PMSM)结构与无刷直流电动机结构与无刷直流电动机(BLDCM)BLDCM)相似，如图相似，如图332332所示。定子由电工钢片叠制所示。定子由电工钢片叠制而成，电枢绕组通常为三相绕组，转子由永久磁钢构而成，电枢绕组通常为三相绕组，转子由永久磁钢构成磁极，同轴连接检测转子磁极位置的传感器。永磁成磁极，同
47、轴连接检测转子磁极位置的传感器。永磁同步电动机采用三相正弦波电流供电，取代无刷直流同步电动机采用三相正弦波电流供电，取代无刷直流电动机的方波电流供电，消除了换向时的转矩脉动，电动机的方波电流供电，消除了换向时的转矩脉动，运行性能更加平稳，静、动特性更好。运行性能更加平稳，静、动特性更好。2023-6-26.51永磁交流同步永磁交流同步电动机通常采电动机通常采用三相正弦脉用三相正弦脉冲宽度调制冲宽度调制(S SPWM)PWM)电压供电压供给定子绕组。给定子绕组。供电电路原理供电电路原理如图如图336336所所示。示。2023-6-26.52 三相交流电源三相交流电源(A A，B B，C C)经过
48、整流滤波产生经过整流滤波产生逆变器直流电源电压。三相正弦控制信号逆变器直流电源电压。三相正弦控制信号(u u1 1,u,u2 2,u,u3 3.).)经过经过PWMPWM控制电路，产生正弦脉冲调宽信号，作为逆变控制电路，产生正弦脉冲调宽信号，作为逆变器功率开关管的基极驱动信号。逆变器输出三相器功率开关管的基极驱动信号。逆变器输出三相SPWMSPWM电压电压u us1s1,u,us2s2,u,us3s3供给电动机定子绕组。转子永久磁铁与供给电动机定子绕组。转子永久磁铁与定子旋转磁场相互作用，产生永磁同步电动机的电磁定子旋转磁场相互作用，产生永磁同步电动机的电磁转矩。电磁转矩与负载阻转矩平衡时，达
49、到同步运行转矩。电磁转矩与负载阻转矩平衡时，达到同步运行状态。状态。2023-6-26.53 为了对永磁同步电动机进行矢量控制，必须首先推为了对永磁同步电动机进行矢量控制，必须首先推导出它的数学模型。为此，导出它的数学模型。为此，首先首先，在定子坐标系中，通过，在定子坐标系中，通过3 32 2变换将定子三变换将定子三相电流相电流(i is1s1，i is2s2，i is3s3)分解为正交的两相电流分解为正交的两相电流(i ia a,i,ib b)；其次其次，将定子坐标系中的两相正交电流，将定子坐标系中的两相正交电流(iaia，ib)ib)转换为转子坐标系中的两相正交电流转换为转子坐标系中的两相
50、正交电流(i ia a,i,iq q)；第三第三，在转子坐标系中列写定子电压平衡方程；，在转子坐标系中列写定子电压平衡方程；最后最后，由转子坐标系中定子与转子永久磁铁磁链，由转子坐标系中定子与转子永久磁铁磁链正交的电流分量，乘以电磁转矩系数，即可获得永磁正交的电流分量，乘以电磁转矩系数，即可获得永磁同步电动机的电磁转矩。同步电动机的电磁转矩。这样，就完成了永磁同步电动机的数学模型。这样，就完成了永磁同步电动机的数学模型。2023-6-26.54主要的模型参数如下主要的模型参数如下l定子绕组的电压平衡方程定子绕组的电压平衡方程 直轴分量：直轴分量：(3.57)交轴分量：交轴分量：(3.58)l电
