数控技术及装备--交流伺服电机控制原理

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1、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；Td、TL——电动机的电磁转矩和负载转矩。LdTTdtdnGD-=3752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Td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)TsTdmd*+=s11TdTOt*dTTO图4－1

2、转矩响应波型a)小惯性b)大惯性a)b*dTdT如果Td对Td*的响应如图4-1b)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

3、不一致，它们将互相吸引，产生转矩，使转子转动。通势矢量图cFsFrFcsqrcqrsq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：n1=60f/p，n1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n1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Δn=n1-n=

4、sn1，转子将以sn1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：f2=Δnp/60,旋转速度为：n2=n+Δn=n1，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

5、；——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Fs、Fr和Fc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。FcFrFrFrθrsθcs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

6、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Fs、Fr和Fc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、

7、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

8、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