电动机转矩转速控制机电控制工程高钟毓

2019年8月8日星期四1机电控制工程第三章电动机转矩转速控制2019年8月8日星期四2概述内容–旋转电动机基本原理–直流电动机的原理及控制–直流无刷电动机的控制–永磁同步电动机的控制–交流感应电动机的控制2019年8月8日星期四3第一节旋转电动机基本原理电磁场耦合模型电系统uri耦合电磁场eTem机械系统xωTddedtddt2019年8月8日星期四4电系统uri耦合电磁场eTem机械系统xωTd四端模型：电端点对选（i，ψ）机械端点对选（Tm，θ）独立变量对：（1）（ψ，θ）（2）（i，θ）Wm磁场能量W’m磁场同等能量2019年8月8日星期四52mmNiRNiRLieiNi磁动势→H磁场强度→B（μH）磁通密度→Φ（SB）磁通→Ψ（ΦN）磁链2019年8月8日星期四6eiUI功率UIdt能量UdtdmidWmdiW2019年8月8日星期四7111122222121LiMiLiMie111122212211212LidiLidiMidiMidii1e2i2磁场能量2019年8月8日星期四8e111212122(,0,)(,,)mWiidiiidii1e2i2i1≠0，互感项1211(,,,0,,)nmkkkkWiiidi2019年8月8日星期四91211(,,,0,,)nmkkkkWiiidi1211(,,,0,,)nmmkkkkiWTiiidiconst1122(1)1jjjjjjjjnjnMiMiLiMiMi为使Tm≠0，必须使上式中至少一个L或M对θ的导数≠0因此有两类电动机：（1）L固定，M可变——固定磁阻电动机（至少两个回路）（2）M固定，L可变——变磁阻电动机（一个回路即可）2019年8月8日星期四10u1u1u固定磁阻电动机变磁阻电动机2019年8月8日星期四111njjjjkjkkjjkdidideidtidtdt互感电动势自感电动势速度电动势（反电动势）2019年8月8日星期四12能量守恒方程mmdWdiTd0mmdWdiTd旋转一周后状态复原mdiTd2019年8月8日星期四13转矩与电压平衡方程jjjjurie()mddJTTdt2019年8月8日星期四14第二节直流电动机原理和特性工作原理cosaLiSNϴ021cos2aimaaaWdiLiisinmmaWTi2019年8月8日星期四152019年8月8日星期四16mT02mtaTKi线圈多到一定程度时2019年8月8日星期四17sinadideLdtdt线圈多到一定程度时aedideLKdtdtV/rad/sNm/AetKK2019年8月8日星期四18转矩平衡方程22taddJKiTdtaaaaediduRiLKdtdt电压平衡方程2019年8月8日星期四19静态特性220,0adidddtdtdtaaaeuRiKtadKiTaadeetuRTKKK2019年8月8日星期四20aadeetuRTKKK00adeuTK0abtauTKR0tanabetRTKKTmωTb1ω01ua1Tb2ω02ua2Tb3ω03ua3uaωTd＝0Td1ua1Td2ua22019年8月8日星期四21动态特性aaaaetaddiuRiLKdtdJKiTdt()()()()()()()aaaetadLsRIsUsKsJssKIsTs2019年8月8日星期四221aLsRtK1Js()aIs()dTs()seK()aUs()()()()()()()aaaetadLsRIsUsKsJssKIsTs1aLsRtK1Js()aIs()adtLsRTsK()seK()aUs2019年8月8日星期四232()()()taadatetKLsRsUsTsJLsJRsKKK,aamaetJRLTTRKK令21(1)()()()1eaaadmamtKTsRsUsTsTTsTsK2019年8月8日星期四24()tt2019年8月8日星期四25第三节直流电动机驱动电路自学2019年8月8日星期四26第四节直流电动机转矩转速控制直流电动机转速（转矩）控制的一般形式MG给定速度速度控制器电流控制器功放电流反馈速度反馈速度环电流环2019年8月8日星期四27电流环11aaRTstK1Js()aIs()dTs()seK()aUs()iiKGs()iUs(1)()iiiiiKsKGss设并令iaT2019年8月8日星期四2811aaRTstK1Js()aIs()dTs()s1eaiaKTsKTs(1)iiiKss()iUstK1Js()aIs()dTs()s1eaiaKTsKTsiaiKRs()iUs2019年8月8日星期四29tK1Js()aIs()dTs()s1eaiaKTsKTs11aTs()iUs1iK若，0aaTR并令则()adtRTsK()s1eaiaKTsKTstaKRJs()iUs2019年8月8日星期四301()()()1()()eaidmttidaKRsUsTsTsKKUsTsJsR只和J有关，与Ta和Ke无关1()()()adtIsJssTsK()()/()aiaIsUsRs()()()tmtaiaKTsKIsUsR2019年8月8日星期四31()tt2019年8月8日星期四32作用–加快电流建立速度，提高频响；–直接控制动态力矩；–保护作用，避免过电流；2019年8月8日星期四33速度环taKR1Js()dTs()sfKvK()vUs()iUs1()()(),1famevdmmvtvfKRTKsUsTsTTsKKKK其中2019年8月8日星期四34taKR1Js()dTs()sfK(1)vvvKTsTs()vUs()iUs211()()()11vavvdfmvvvtvTsRTssUsTsKTTsTsKKTs2019年8月8日星期四35第五节无刷直流电动机有刷直流电动机的缺点–换向器火花»电磁噪音»易燃、易爆–换向器寿命»易磨损»易积碳–换向器加工工艺复杂、成本高–转子散热不良2019年8月8日星期四36工作原理SN170170SNDC2019年8月8日星期四372019年8月8日星期四3811'232'3'+Vs-Vs120120SN312DCDC1'2'3'2019年8月8日星期四391201203121'2'3'UVWiuiviwθθθ1201203121'2'3'UVW1201203121'2'3'UVW1201203121'2'3'UVW1201203121'2'3'UVW1201203121'2'3'UVW2019年8月8日星期四402019年8月8日星期四412极无刷电机4极无刷电机2019年8月8日星期四422019年8月8日星期四432019年8月8日星期四442019年8月8日星期四45数学模型2emmataTpiKimmdeppdtuvwuuuvuwvvvwvwwwwdididiuRiLMMedtdtdtdididiuRiLMMedtdtdtdididiuRiLMMedtdtdt2019年8月8日星期四46()()()uuuuvvvvwwwwdiuRiLMedtdiuRiLMedtdiuRiLMedt02()2()2aaaaaaemeRRdiURiLKdRLLMKptemddJTTdt2019年8月8日星期四47无刷直流电动机的转速控制MG给定速度速度控制器电流控制器功放电流反馈速度反馈速度环电流环控制逻辑PS2019年8月8日星期四48第六节永磁同步电动机矢量控制工作原理1201203121'2'3'iuiviwUVW2019年8月8日星期四492019年8月8日星期四50coscos(120)cos(240)uAvAvAiitiitiit32jsuvwssAiiiiieiitUVWiuiviwr2019年8月8日星期四51数学模型(cossin)jssabsiirijiij三相→正交两相dq变换risibiaiqidζθcossinsincosdabqabiiiiii2019年8月8日星期四52dqrLijLirisibiaiqidζθdjdtt()()dqqdrdideLLidtdtdijLLidt2019年8月8日星期四53emrqtqTiKiemddJTTdtdddqqqqeddiuLRiLidtdiuLRiKLidttK1Js1LsR()qIs()dTs()seK()qUs1LsR()dIs()dUs()()qLsIs()()dLsIs2019年8月8日星期四540dqqqeemtqidiuLRiKdtTKi如使190dddtdt2019年8月8日星期四55矢量控制*0di*qiPIDPIDje23PWM逆变器MSPSje32diqiduquaububiaiuiviwiuuvuwu2019年8月8日星期四56第七节交流感应电动机原理与结构2019年8月8日星期四57UVWUVW2019年8月8日星期四582019年8月8日星期四59等效电路–等效为旋转的变压器202022EIRjX转子感应电流12022EIRjX折合到定子11S转差率R1R2E1E2jX1jX22019年8月8日星期四60U1I1R1jX1E1Zm2R2I2jX21SRS112222221SEEISRjSXRjXRS22022,sin,dEtESEXSXdt2019年8月8日星期四61电磁转矩112222221SEEISRjSXRjXRS22222221SPIRIRS发热作功222122222222112231133()emESRSTIRIRSSRSX2019年8月8日星期四62211122111,,mmmRZRjXZjXZRjXS222111123()()()memmmZRTFSUZZZZZS力矩为S的函数，且非线性2019年8月8日星期四63机械特性–堵转转矩–最大转矩2121221122301,()bERSTRX212max21230,2emETRSTSXX2019年8月8日星期四642019年8月8日星期四65第八节交流感应电动机变频调速恒压频比调速（VVVF）11Econst111(1)SS21max1232ETX2019年8月8日星期四66TemTmax2019年8月8日星期四67转差频率控制条件：稳定运行时，S很小（约0.02~0.05），则可认为SX’2R’2，则有211123,em