數(shù)控技術(shù)及裝備交流伺服電機控制原理第1頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月從式可看出，除轉(zhuǎn)矩外，再沒有其他控制量可影響轉(zhuǎn)速?？焖贉?zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)矩實際值Td對其給定值Td*響應(yīng)如圖所示。轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速關(guān)系是一個小慣量環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為:

m——轉(zhuǎn)矩環(huán)等效時間常數(shù)。(s)TsTdmd*+=s11TdTOt*dTTO圖4－1

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波型a)

小慣性

b)大慣性a)b*dTdT

如果Td對Td*的響應(yīng)如圖4-1b)所示，它是一個振蕩環(huán)節(jié)，且阻尼較小，無論怎樣設(shè)計速度調(diào)節(jié)器都很難獲得滿意結(jié)果。從上述討論可以看出，調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制。第2頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月第3頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月二、統(tǒng)一的電動機轉(zhuǎn)矩公式電動機，無論是直流還是交流，都由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。它們分別產(chǎn)生定子磁通勢矢量和轉(zhuǎn)子磁能磁通勢矢量（圖4-3），將其合成，得合成磁通勢矢量，由它產(chǎn)生磁鏈?zhǔn)噶浚ㄍㄟ^Ns個線圈的磁力線總數(shù)）

，好像空間有兩塊磁鐵，一塊是固定的，另一塊是可轉(zhuǎn)動的。當(dāng)這兩塊磁鐵的磁通勢矢量方向一致時，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子不動；若方向不一致，它們將互相吸引，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

通勢矢量圖cFsFrFcsqrcqrsq圖4－3

電動機磁第4頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月定子磁通勢矢量：由定子繞組通三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的磁通勢，是由三個繞組的磁勢的基波磁勢合成的。旋轉(zhuǎn)速度為：n1=60f/p，n1為同步速度。由于單相繞組的磁勢是矩型分布，除基波外，還有其他頻率的諧波成分（由富里埃級數(shù)展開），諧波磁勢一般對電機運行帶來不利，采用短距和分布繞組就是達(dá)到消除諧波磁勢這一目的。轉(zhuǎn)子磁能磁通勢矢量：電機負(fù)載運行時，電機轉(zhuǎn)子以低于n1的同步速度n運行，這樣氣隙磁勢的速度與轉(zhuǎn)子相差一個速度Δn=n1-n=sn1，轉(zhuǎn)子將以sn1速度切割氣隙磁場，在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條中產(chǎn)生電流，這個電流也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。第6頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月轉(zhuǎn)子的磁場頻率為：f2=Δnp/60,旋轉(zhuǎn)速度為：n2=n+Δn=n1，這表明轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率落后于磁場旋轉(zhuǎn)頻率，有一個滑差s。以保證轉(zhuǎn)子能夠切割定子磁場的磁力線。但轉(zhuǎn)子磁通勢矢量與定子磁通勢矢量旋轉(zhuǎn)速度相同。由電磁場理論知道，作用在繞組上的轉(zhuǎn)矩等于：式中——磁場能量（由于存在氣隙，磁場能量幾乎全部儲存在氣隙中）；——從到的夾角。第8頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月式中B——磁感應(yīng)強度

H——磁場強度。在氣隙里，B比例于H，而H比例于合成磁通勢，所以式中——合成磁通勢矢量的數(shù)值；——比例系數(shù)。磁場能量的增量合成磁通勢：第9頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月

將其代入式得電動機轉(zhuǎn)矩公式為

式中Km——比例系數(shù)由于和電動機轉(zhuǎn)矩公式還可以改寫為

這是統(tǒng)一的電動機轉(zhuǎn)矩公式，適合于各種電動機

從這些公式可以看出，電動機的轉(zhuǎn)矩等于三個磁通勢矢量Fs

、Fr和Fc中任兩矢量的模和它們間夾角的正弦值之積，即矢量平行四邊形的面積。它只與這些矢量的大小與相對位置有關(guān)，而與它們的絕對位置、是否轉(zhuǎn)動無關(guān)，我們可以從便于實現(xiàn)出發(fā)，按任一公式控制電動機轉(zhuǎn)矩。

FcFrFrFrθrsθcs第10頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月討論：1、交流電機的運動原理。2、直流電機與交流電機的磁場有什么異同？第三部分交流伺服電機控制原理第11頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月一、交流電動機矢量控制基本概念交流電動機的磁通勢矢量Fs、Fr和Fc都在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，彼此相對靜止，欲控制轉(zhuǎn)矩，必須控制任兩磁通勢矢量的大小和相對位置。通常的變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制量是交流電動機的定子電壓幅值和頻率（電壓控制型）或定子電流幅值和頻率（電流控制型），它們都是標(biāo)量，故稱為標(biāo)量控制系統(tǒng)。在標(biāo)量控制系統(tǒng)中，只能按電動機穩(wěn)態(tài)運行規(guī)律進行控制，不能控制任意兩個磁通勢矢量的大小和相對位置，轉(zhuǎn)矩控制性能差。欲改善轉(zhuǎn)矩控制性能，必須對定子電壓或電流實施矢量控制，既控制大小，又控制方向。第12頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月交流電動機的所有矢量（磁通勢、磁鏈、電壓、電流等）都在空間以同步速度旋轉(zhuǎn)，它們在定子坐標(biāo)系（靜止系）上的各分量，即在定子繞組上的物理量，都是交流量，控制和計算不方便。如果采用坐標(biāo)變換，使人從靜止坐標(biāo)系進入同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，站在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上看，電動機各矢量都變成了靜止矢量，它們在坐標(biāo)系上各分量都是直流量，可以很方便地從統(tǒng)一轉(zhuǎn)矩公式出發(fā)，找到轉(zhuǎn)矩和被控矢量各分量的關(guān)系，實時地算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量（電壓或電流等矢量）各分量間的關(guān)系，實時地算出轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的直流分量的值（直流給定量）。第13頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月由于這些被控矢量的直流分量在物理上不存在，我們還必須再經(jīng)過坐標(biāo)變換，從旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系回到到靜止系，把上述直流給定量變換成物理上存在的交流給定量，在定子坐標(biāo)系對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。整個矢量控制過程或用下圖所于框圖表示：第14頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月矢量控制的關(guān)鍵是靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換，實現(xiàn)該變換的關(guān)鍵是找到兩坐標(biāo)系之間的夾角。（夾角實現(xiàn)坐標(biāo)關(guān)系）矢量控制系統(tǒng)分為兩類：1.按轉(zhuǎn)子位置定向的矢量控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的水平軸位于電動機轉(zhuǎn)子圓的軸線上，隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，這時靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的夾角就是轉(zhuǎn)子位置角。永磁同步電動機和無換向器電動機的矢量控制系統(tǒng)屬于這一類。2.按磁通定向的矢量控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)的基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的水平軸位于電動機磁通和磁鏈軸線上，與磁場一起旋轉(zhuǎn)，這時靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的夾角不能直接測取，需通過計算獲得，系統(tǒng)較復(fù)雜，但易維持磁鏈恒定，使電動機運行經(jīng)濟合理。通常的同步電動機和異步電動機矢量控制系統(tǒng)屬于這一類。第15頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月旋轉(zhuǎn)磁場是電機運動的根本。產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場不一定非要三相，除單相以外，兩相及多相對稱繞組通以相應(yīng)的平衡電流都能夠產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。如果使兩通以直流電的繞組同時以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生的合成磁勢Fc也以同速旋轉(zhuǎn)。無論是多相、三相、兩相異步或者同步電機（直流電機是同步電機的特例），通以適當(dāng)?shù)碾娏鳎姍C內(nèi)將只有定子和轉(zhuǎn)子兩個合成的磁勢存在，可以進一步認(rèn)為，定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢Fs，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁勢Fr，這樣，就可以把所有的電機等效成兩相繞組的電機。矢量控制的目的是為了改善轉(zhuǎn)矩控制特性,而最終實施是要落實到對定子電流(交流)的控制上.第四部分矢量變換原理第16頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月二、交流電動機的坐標(biāo)系及符號規(guī)定1.定子坐標(biāo)系（R-S-T和坐標(biāo)系）

這兩個坐標(biāo)系在空間固定不動，是靜止坐標(biāo)系

第17頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系（d-q坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系固定在轉(zhuǎn)子上，其d軸位于轉(zhuǎn)子外圓的軸線上，q軸超前d軸90°，該坐標(biāo)系隨轉(zhuǎn)子一起在空間以轉(zhuǎn)子速度旋轉(zhuǎn)。同步電動機，d軸是轉(zhuǎn)子磁極（合成）的軸線，異步電動機，可定義轉(zhuǎn)子上任一軸線為d軸（不固定）

3.磁鏈坐標(biāo)系

（坐標(biāo)系）磁鏈坐標(biāo)系的軸固定在磁鏈?zhǔn)噶可?，軸超前軸90°，該坐標(biāo)系和磁鏈?zhǔn)噶恳黄鹪诳臻g以同步速度旋轉(zhuǎn)。第18頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月第四部分矢量變換原理4、d、q變換的目的d-q變換的實質(zhì)：為了分析上的方便和直觀性，往往將交流電機的控制變換成直流電機的繞組形式下加以討論，在這一形式下討論的控制結(jié)果，再變換回交流電機的繞組。d、q軸的選擇：為了將交流變直流，需要將d、q坐標(biāo)選擇在旋轉(zhuǎn)的磁場上，因此直觀來看，d、q軸坐標(biāo)是與旋轉(zhuǎn)磁場一起運動的，當(dāng)然，也可以認(rèn)為d、q軸坐標(biāo)不動，而定子繞組是旋轉(zhuǎn)的。第19頁，課件共21頁，創(chuàng)作于2023年2月第四部分矢量變換原理