第1章电力拖动运动控制基础

电力拖动

运动控制系统第一章电力拖动运动控制基础第二章直流电动机调速系统第三章机电能量转换基础第四章异步电动机与调速第五章异步电动机恒压频比（V/F）控制第六章异步电动机矢量控制与直接转矩控制第七章同步电机与变频调速第八章电力拖动在运动控制系统中的应用第九章电力拖动运动控制系统的计算机控制第一章电力拖动运动控制基础1.1电力拖动系统的运动方程

(1-1)

式中:

Te—电动机的电磁转矩，单位为

N.m；

TL—折算到电动机轴上的负载转矩，单位为N.m；

J—拖动对象的转动惯量，单位为

kg.m2；

ωm—电机角速度，单位为rad/s。当Te＞TL时，dn/dt>0,系统加速；

当Te＜TL时，dn/dt＜0,系统减速。不管是哪一种情况，系统都处于变速运动中，称为动态。

当Te=TL时，dn/dt=0,即系统处于静止或匀速运行，称为稳态。异步电动机的动态转矩控制比较困难，要达到好的动态性能，则需要采取一些比较复杂的控制策略。从式（1-1）可以看出，提高动态性能的关键有两条：减小转动惯量和控制动态转矩。直流电动机的动态转矩容易控制，因而用它构成的电力拖动系统动态性能优良；永磁同步电动机兼有动态转矩容易控制和转动惯量小双重优点，因而在伺服控制系统中获得了广泛应用；1.2电力拖动系统的负载特性

负载特性----是指生产机械的负载转矩与转速之间的关系，一般可以分为以下三类：

恒转矩负载风机负载恒功率负载1.2.1恒转矩负载特性

TLnTLn00+n+TL+TL+n+TL-n-TL-n图1-1反抗性恒转矩负载特性图1-2位能性恒转矩负载特性特点：负载转矩TL恒定不变，与转速无关。恒转矩负载可以分为:1)反抗性（如摩擦力):负载转矩方向与运动方向相反。2)位能性（如起重机):负载转矩方向固定不变，与转速方向无关。。

（1-2）

式中

K—比例常数。属于风机类负载的生产设备有通风机、水泵、油泵等。风机类负载也属于反抗性负载。

1.2.2风机类负载特性

它的特点:负载转矩基本上与转速的平方成正比.

式中K—比例系数。负载功率为

1.2.3恒功率负载特性它的特点:负载转矩基本上与转速成反比。

某些机床的切削加工就具有这种特性，例如车床、刨床等，在粗加工时，切削量大，因而阻力也大，这时常开低速；在精加工时，切削量小，阻力也小，这时常开高速，就具有高、低速下功率近似不变的特性。

实际生产机械的负载特性可能是几种典型特性的组合。例如在拖动位能负载的机械中，除了位能转矩TLW

以外，传动机构和轴承中还产生摩擦转矩TL0，因此实际负载转矩应为对应的负载转矩特性如图1-5所示。提升时，负载转矩为二者之和；下放时,负载转矩为二者之差。又如，实际通风机除了主要是风机类负载外,其轴承还有一定的摩擦转矩TL0，因此，实际通风机负载转矩为与上式对应的负载特性如图1-6所示。图1-5实际位能负载特性图1-6实际通风机负载特性图1-4恒功率负载特性图1-3通风机负载特性TLn0TLn0TLn0nTL0TLWTLTL0TLTL0TL0返回返回返回

1.3调速时的转矩与功率1.3.1电动机允许输出的转矩和功率

电动机长时间工作允许输出的电磁转矩和允许输出的功率由电动机发热条件决定。

下面仅以直流它励电动机为例加以说明。直流电动机的发热主要取决于电枢电流Ia,而额定电流IN就是电动机长时间工作所允许的电流值。根据直流电动机转速方程

直流调速方法nUIRKe式中

—转速（r/min）；

—电枢电压（V）；

—电枢电流（A）；

—电枢回路总电阻（）；

—励磁磁通（Wb）；

—由电机结构决定的电动势常数。（1-1）14根据直流电动机转速方程

式中

—转速（r/min）；

—电枢电压（V）；

—电枢电流（A）；

—电枢回路总电阻（）；

—励磁磁通（Wb）；

—由电机结构决定的电动势常数。

由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：

（1）调节电枢供电电压U。（2）减弱励磁磁通。（3）改变电枢回路电阻R。151.调电枢电压调速(恒转矩调速方式)

这种方法调速时，使Φ=ΦN=常数，所以

TM=CTΦNIN=TN=常数

Pm=TMn/9550=C1n可见:调压调速时(在额定转速nN以下调速),

TM=常数，PM与n成正比，属于恒转矩调速方式。

调压调速17工作条件：保持励磁

=N；保持电阻R=Ra调节过程：改变电压UN

U

Un，n0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线

2.弱磁调速(恒功率调速方式)

这时U=UN，IM=IN，则

所以

式中比例常数C3=CTC2IN，所以

可见:弱磁调速时（在额定转速nN以上调速），PM=常数，属于恒功率调速方式。工作条件：保持励磁

=N

；保持电压U=UN；调节过程：增加电阻Ra

R

Rn，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。193.调阻调速调磁调速工作条件：保持电压U=UN

；保持电阻R=Ra；调节过程：减小励磁N

n，n0调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3调压调速特性曲线20根据以上分析，可以作出直流它励电动机调速时的允许转矩和允许功率曲线，如图1-7所示。TMPMnTe,P

nmaxnN0恒转矩调速区恒功率调速区图1-7直流它励电动机调速时允许输出的转矩与功率曲线它们的特性配合分别如图1-8（a）和（b）所示，在任何转速下都满足TM=TL，PM=PL。这样电动机既能满足生产机械的需要，本身又能得到充分利用。显然，这样的配合是合适的。要使电动机在任何速度下都能长时间运行，应使负载转矩TL总是小于TM（电机允许的转矩）。TenTMTL0Ten0TMTL(a)恒转矩(b)恒功率图1-8调速方式与负载类型的恰当配合1.3.2调速方式与负载类型的配合

1.恒转矩负载配恒转矩调速方式和恒功率负载配恒功率调速方式它的特性配合如图1-9所示。为使电动机在最高转速nmax时能满足负载的需要，应使TM|n=nmax=TL，但在其它转速下电机总有不同程度的浪费（TM>TL，PM>PL).可以证明，在最低转速nmin时，电动机的额定功率将是实际功率的D（调速范围）倍。TMTeTL0nmaxnminn图1-9恒转矩负载配恒功率调速2.恒转矩负载配恒功率调速方式结论：不合理。它将造成低速运行时电动机容量的浪费

它的特性配合如图1-10所示。为了使电动机在最低转速nmin时能满足负载转矩的需要，应使TM=TL|n=nmin，但在其它转速下电动机都有浪费（TM>TL，PM>PL）

图1-10恒功率负载配恒转矩调速TMTLnnmaxnmin0Te3.恒功率负载配恒转矩调速显然，这种配合也是不好的，它将造成高速运行时电机容量的浪费。

4.风机类负载与两种调速方式的配合

通风机类负载与恒转矩调速和恒功率调速方式的特性配合如图1-11(a)和(b)所示。图1-11风机类负载与两种调速方式的配合(a)(b)TeTe00nnTLTMTLTMnmaxnmax

为了使电动机在最高转速时能满足负载的需要，则TM|nmax=TL|nmax,但在其它转速下电动机都有浪费（TM>TL，PM>PL），转速越低，浪费的越多。

可以看出风机类负载与两种调速方式的配合都是不好的。双闭环调速系统的组成转速、电流双闭环调速系统原理图***1.4电力拖动运动控制系统中的检测技术系统的组成框图***1.4电力拖动运动控制系统中的检测技术1.4.1模拟检测技术

1直流测速发电机这种方法简单可靠，在模拟系统中采用的较多。需要注意的是中间部分线性较好，但在低速端和高速端它的实际输出偏离理想特性，如图1-12所示。转速(n）(U)输出电压理想特性实际特性图1-12直流测速发电机的输出特性

由于电流互感器副边的匝数远大于原边，在使用时决不允许副边开路。否则会使原边电流完全变成激磁电流，铁心进入高度饱和状态，使铁心严重发热并在付边产生很高的电压，引起互感器的热破坏和电击穿。

电流互感器的输出是电流，测量时，互感器副边接一电阻R,将电流信号转变成电压信号。

为了安全。互感器二次侧必须可靠接地！

由于存在电磁惯性，电流互感器检测电流有一定的时间延迟。对快速性要求比较高的过流保护不宜采用电流互感器作电流检测。2电流互感器图1-13电流互感器

这种方法使用阻值很小的标准电阻r串接在被测电路中，称之为取样电阻，将被测电流Ix转换成被测电压Ux。如果得到的被测电压很小，还需要放大处理。如果在高频下使用，这个电阻还应该是无感的。

优点:简单可靠、没有时间延迟，特别适用于过流保护。

缺点:要消耗电能，大功率下不宜采用；测得的信号没有电隔离，给处理电路带来不便。3取样电阻测电流图1-14示出了磁平衡式霍尔电流传感器的工作原理,图中被测电流iP产生的磁场集中到霍尔元件所在的空气隙中霍尔元件的输出VH经放大器放大后去驱动晶体管对，晶体管对控制付边绕组中的电流,使付边电流is产生的磁场与原边电流产生的磁场正好抵消。付边电流按匝比精确的反映原边电流,此电流经电阻RM转换为电压信号供输出。4霍尔电流电压传感器图1-14磁平衡式霍尔电流传感器（5）输出信号与被测电路隔离，方便信号的处理。霍尔电流传感器作为一种新型的电流检测方法，正被广泛的应用到各种电力电子设备的电流检测中。这种霍尔电流传感器有以下优点：（1）由于采用磁平衡工作方式，稳态时环中的磁通为零，因此磁路的非线性不影响测量的精度；（2）磁心采用铁氧体等材料，电磁惯性小，测量输出信号的时间延迟小，快速性好，不仅适合控制用，也适合过流保护用；（3）交直流均能测量，频带宽（DC-500kHz),即使是非正旋电流也能得到很好的测量；（4）电流测量范围宽，从0.25A到10000A；

增量式光电旋转编码器由与电机同轴相连的码盘、码盘一侧的发光元件与另一侧的光敏元件组成。码盘上有三圈透光细缝,如图1-15(a)所示，第一圈与第二圈的细缝数相等，细缝位置相差90º电角度。输出A、B、Z三路方波脉冲，A脉冲相位与B脉冲相位相差90º,如图1-15(b)所示。1.4.2数字检测技术

1增量式光电旋转编码器的转速检测原理图1-15增量式光电旋转编码器及其输出波形

（1）M法

如图1-16（a）所示，在一定的采样间隔时间Ts内，将来自编码器的脉冲信号计数，然后根据计数值，使用（1-5）式推算转速n（r/min）

（1-5)其中Ts—采样周期，单位为ms；

m—在Ts时间间隔内所计的脉冲数；

M—码盘每转的脉冲数，由铭牌参数得到。

利用旋转式光电编码器输出的脉冲可以计算转速，方法有：M法、T法和M/T法。例如，当M=1000，Ts=1ms时，计数值m=20,则利用式（1-5）计算实测转速n=1200r/min。

如果要测低于60r/m的转速,一种改进方法是增大采样周期.通过简单的计算可知,要使能测量的最低速达到nmin=1r/m,则Ts应增大到60ms.这样,系统快速性大为下降.m个TsTWTWN个来自光电编码器1-16光电编码器测速(a)M法；(b)T法采样周期时钟脉冲频率fc(a)(b)返回返回M法的缺点是低速测量受限制.由于低速时脉冲的频率低,若在Ts内只能采集到一个脉冲,即m=1时，由上面给出的参数计算实际速度为nmin=60r/m.这就是说低于60r/m的转速无法测到.考虑到对测量误差有一定的要求，实际能达到的最低测量速度还要进一步受限制.（2）T法

如图1-16（b）所示,在两个码盘脉冲的间隔TW内计数已知频率fc的高频脉冲的个数,从而计算出TW及转速。转速n(r/min)的计算式为（1-6）式中fc—高频时钟脉冲频率,单位为kHz；

M—码盘每转脉冲个数；

N—在TW时间内所计高频时钟脉冲的个数。

如何能在不增加M、不改变Ts的情况下测量低速？可以考虑采用另外一种方法—T法。例如,M=1000,fc=5kHz,N=250时,按照（1-6）式计算转速n=1.2r/min。但是,与M法相反,T法的缺点是高速测量受限制。例如,当N=1时,可测得最高转速nmax=300r/min。改进的可能方法之一是提高时钟脉冲的频率fc。（3）M/T法

以上两种方法各有优缺点，若要在大范围内测量转速时，可以在同一系统中分段采用这两种方法，即在高速段采用M法，在低速段采用T法，称之为M/T法。

增量式光电编码器的第三圈只有一条细缝，用于产生定位(index)或零位(zero)

信号—Z脉冲。测量装置或运动控制系统可以利用这个信号产生回零或复位操作，或者利用这个信号作为转角测量的基准。

绝对式光电编码器与增量式光电编码器的基本结构相似。码盘上的细缝排列方式与码制有关，常用的码制有二进制码和循环码。其中二进制码最简单，其码盘图形如图1-18(a)所示。图中，一圈细缝称为一个码道，对应于数码的一位，外环为最低位，内环为最高位，该图例中共有四位，实际的绝对码盘可以达到十几位。如果码道数为N，按2N对圆周分度，则码盘的角度分辨率RQ为

(1-7)

2绝对式光电编码器的位置检测原理图1-18绝对式光电编码器二进制编码

二进制码盘的优点是可以直接用于绝对位置测量,不用换算,但是这种码盘在实际中很少采用.因为在二个位置边界处,由于码盘制作或光电器件排列存在不可避免的误差造成编码数据的大幅跳动.例如在位置0111和1000之间的交界处,可能会出现0~15中的任何一个十进制数.因此绝对编码器一般采用图1-19所示的循环二进制码盘,又称格雷码盘.

不难看出,码道数N越大,角度分辨率RQ越小,测量精度越高.根据光电接收电路得到的各位脉冲(S1，S2，S3，S4)的对应关系,如图1-18b所示,其中S1为最内码道,S4为最外码道,由四个码道读得的二进制数,可以确定电机轴的旋转角度位置.

格雷码的特点是相邻二个数据之间只有一位数据在变化，因此在测量过程中产生的误差最大不会超过1，误差大为减小。格雷码是无权码，每位不再具有固定的权值，必须经过一个解码过程转换为二进制码，才能得到位置信息。这个解码过程可以通过硬件解码器或软件译码实现。表1-1列出了4位二进制码与格雷码的对照表。

绝对编码器的优点是：即使处于静止或关闭电源后再打开，也可得到位置信息。

缺点是结构复杂，价格昂贵。

图1-20示出了旋转变压器测量角度的原理。在定子绕组S1-S3上施加正旋电压

u1(t)=Usinωt另一个定子绕组S2-S4空接或短路。转子绕组与定子绕组的夹角为θ，则旋转变压器的两个转子绕组的输出分别是u1(t)=UsinωtS1S3S2S4R1u21(t)=kUsinθsinωtR3R2R4θ1-20旋转变压器测量角度原理u22(t)=kUcosθsinωtu21(t)=kUsinθsinωtu22(t)=kUcosθsinωt

3旋转变压器的测角原理（resolver）如何从u21和u22中得到转角θ的值，这是转角变换器的任务。

有刷旋转变压器通过电刷和滑环将转子绕组中的信号引出。电刷和滑环的寿命不高，需要维护，同时接触导电中产生的火花，也是产生电磁干扰的来源。因此，目前在工业应用中使用广泛的是无刷旋转变压器。4.无刷旋转变压器与数字转角变换器

无刷旋转变压器将励磁放在转子绕组上，输出信号从定子绕组引出。转子上的励磁绕组通过安装在轴上的有空气隙的环形变压器从外部获取正旋激励能量，从而免去滑环和电刷。高精度sin/cos乘法器相敏解调器加减计算器压控振荡器控制器图1-22无刷旋转变压器与数字角度转换器感应同步器是一种电磁式的位移检测元件，它有直线式和圆盘式二种。直线式感应同步器相当于一个展开的旋转变压器,由定尺和滑尺二部分组成,如图1-23所示。图1-23感应同步器结构原理图TT/4正旋绕组余旋绕组定尺滑尺正旋绕组余旋绕组TT/45.感应同步器