电动机转矩转速控制.ppt

Tianjin University of Technology 第3章 电动机转矩转速控制 电动机分固定磁阻和变磁阻两大类。 其中，固定磁阻电动机主要包括 直流电动机 无刷直流电动机(BLDCM) 永磁同步电动机(SPMM) 交流感应电动机。 在历史上，最先应用于变速传动的是直流电动机。近年来，交流电动机(包括无刷直流电动机)在许多领域已经并且正在取代直流电动机用作变速传动。交流感应电动机结构简单，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，变频调速。 3．1 旋转电动机基本原理 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。能量转换的关键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(作用)表现在感应电动势上。而对机械系统的作用(反作用)表现在电磁转矩Tem上。 3．1. 1 电磁转矩与感应电动势 Ψk表示与第k个导体回路交链的磁链，ik表示第k个导体回路中流过的电流，Wm’表示磁场同等能量，则作用于转子的电磁转矩为 同时，引用著名的电磁感应定律(楞次定律)：一个封闭回路内的感应电动势等于与该回路交链的磁链的时间变化率，即ej=dΨj/dt。对于n个多电磁回路，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 势(亦称为反电动势)。 3．1．2 固定磁阻电动机 固定磁阻电动机的磁路 磁阻为常量。为了产生 电磁转矩，电动机至少 有两个电磁回路，它们 之间的互磁链应随转子 转角θ变化。固定磁阻 电动机的基本原理如图 所示。 根据结构和供电方式不同，固定磁阻电动机分为直流电动机、永磁同步电动机以及交流感应电动机等。 3．1．3 变磁阻电动机 这类电动机的特点是磁 路磁阻随转子转角变化 而改变。若激磁磁势不 变，则转角变化时，磁 链随着变化，从而产生 电磁转矩。变磁阻电动 机的基本工作原理如图 所示 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、开关和变磁阻电动机。 3．1．4 电动机的一般数学模型 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动势之和。 其中，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，第二项为回路电感(包括自感和互感)上的压降，第三项为电动机的反电动势。 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上的惯性负载。 式中，J为电动机转子轴上的转动惯量；TL为电动机轴上的负载阻转矩；Tm为电动机的电磁转矩. 3．2 直流电动机原理与特性 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，但仍然是目前机电控制系统中应用最广泛的一类电动机。 3．2．1 工作原理 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,电枢,电刷. 直流电机的电磁转矩 直流电动机的电磁转矩可表示为 式中：KI——直流电动机电磁转矩系数，N·m／A，仅 与电动机本身的结构参数有关； ia——电枢电流，A。 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。 直流电机的转矩平衡方程 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 式中： Tem——电动机电磁转矩，N·m； Td——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，N·m； J——电动机转子及负载等效在电动机轴上的转动惯量，kg·m2； ω——电动机转动角速度，fad／s。 直流电机的电压平衡方程 直流电动机电枢反电动势Ea可以认为与转速成正比，即 式中：Ke——电动机反电动势系数，V·s／rad，仅与电动机本身的结构参数有关； ——电动机转动角速度，rad／s，常用转速符号 ,r／min。 对于同一台直流电动机，它们的数值相等，即Ke＝Kt,因此，直流电动机的电压平衡方程式为 式中：ua——电枢电压，V；ia——电枢电流，A；Ra——电枢电阻，Ω；La——电枢电感，H。 小提一例-----伺服电动机 普通的直流电动机一般作为动力部件，着重于对启动和运行状态动能指标的要求；而在机电控制系统中作