第3章电动机转矩转速控制

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1、2022-6-1Tianjin University of Technology1 电动机分固定磁阻和变磁阻两大类。电动机分固定磁阻和变磁阻两大类。 其中，其中，固定磁阻电动机固定磁阻电动机主要包括主要包括l直流电动机直流电动机l无刷直流电动机无刷直流电动机( (BLDCM)BLDCM)l永磁同步电动机永磁同步电动机( (SPMM)SPMM)l交流感应电动机。交流感应电动机。 在历史上，最先应用于变速传动的是在历史上，最先应用于变速传动的是直流电动机直流电动机。近年来，近年来，交流电动机交流电动机( (包括无刷直流电动机包括无刷直流电动机) )在许多领在许多领域已经并且正在取代直流电动机用作变

2、速传动。域已经并且正在取代直流电动机用作变速传动。交流交流感应电动机感应电动机结构简单，在工业领域中经常应用于常速结构简单，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，变传动。交流感应电动机已应用于变速传动，例如，变频调速。频调速。2022-6-1Tianjin University of Technology2 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。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。能量转换的能量转换的关键关键在于耦合磁

3、场及其对电系统和机械系统的作用与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反作用。耦合磁场对电系统的反作用( (作用作用) )表现在感应电动势上。表现在感应电动势上。而对机械系统的作用而对机械系统的作用( (反作用反作用) )表现在电磁转矩表现在电磁转矩T Temem上。上。 2022-6-1Tianjin University of Technology3 k k表示与第表示与第k k个导体回路交链的磁链，个导体回路交链的磁链，i ik k表示第表示第k k个导体回路中流过的个导体回路中流过的电流，电流，W Wm m表示磁场同等能量，则作用于转子的表示磁场同等

4、能量，则作用于转子的电磁转矩电磁转矩为为 同时，引用著名的电磁感应定律同时，引用著名的电磁感应定律( (楞次定律楞次定律) )：一个封闭回路内的：一个封闭回路内的感应感应电动势电动势等于与该回路交链的磁链的时间变化率，即等于与该回路交链的磁链的时间变化率，即e ej j=d=dj j/ /dtdt。对于对于n n个个多电磁回路，可进一步表示为多电磁回路，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 势势( (亦称为反电动势亦称为反电动势) )。2022-6-1Tianjin University of Technolo

5、gy42022-6-1Tianjin University of Technology5这类电动机的特点是磁这类电动机的特点是磁路磁阻随转子转角变化路磁阻随转子转角变化而改变。若激磁磁势不而改变。若激磁磁势不变，则转角变化时，磁变，则转角变化时，磁链随着变化，从而产生链随着变化，从而产生电磁转矩。变磁阻电动电磁转矩。变磁阻电动机的基本工作原理如图机的基本工作原理如图所示所示 根据结构和供电方式的不同，变磁阻电动机分为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、步进电动机、开关和变磁阻电动机开关和变磁阻电动机。2022-6-1Tianjin University of Technolo

6、gy6 电压平衡方程电压平衡方程：任一回路的外加电压等于回路电阻上的压降与感应电：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。动势之和。 其中，其中，n 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，第二项为回路电感二项为回路电感( (包括自感和互感包括自感和互感) )上的压降，第三项为电动机的反电动上的压降，第三项为电动机的反电动势。势。 转矩平衡方程转矩平衡方程：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：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。上的惯性负载。 式中，式中，J J为

7、电动机转子轴上的转动惯量；为电动机转子轴上的转动惯量；T TL L为电动机轴上的负载阻转为电动机轴上的负载阻转矩；矩；T Tm m为电动机的电磁转矩为电动机的电磁转矩. .2022-6-1Tianjin University of Technology7 直流电动机具有良好的控制性能、较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，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但仍然是目前机电控制系统中应用最广泛的

8、一类电动机。泛的一类电动机。2022-6-1Tianjin University of Technology8 直流电动机的结构和基本工作原理模型如图所示，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：定子磁极主要组成包括三部分：定子磁极, ,电枢电枢, ,电刷电刷. .2022-6-1Tianjin University of Technology9直流电动机的电磁转矩可表示为直流电动机的电磁转矩可表示为 式中：式中：K KI I直流电动机电磁转矩系数，直流电动机电磁转矩系数，N Nm mA A，仅仅 与电动机本身的结构参数有关；与电动机本身的结构参数有关； i ia a电

9、枢电流，电枢电流，A A。 由式可见，当励磁恒定不变时，直流电动机的电磁由式可见，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。转矩与电枢电流成正比。2022-6-1Tianjin University of Technology10 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

10、方程式为负载产生加速度，其转矩平衡方程式为式中：式中：T Temem电动机电磁转矩，电动机电磁转矩，N Nm m；T Td d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，矩，N Nm m；J J电动机转子及负载等效在电动机轴上的转动惯量，电动机转子及负载等效在电动机轴上的转动惯量，kgkgm m2 2；电动机转动角速度，电动机转动角速度，fadfads s。 emddJTTdt2022-6-1Tianjin University of Technology11直流电动机电枢反电动势直流电动机电枢反电动势E Ea a可以认为与转速成

11、正比，即可以认为与转速成正比，即式中：式中：KeKe电动机反电动势系数，电动机反电动势系数，V Vs sradrad，仅与电动机本身的结构参数有关；仅与电动机本身的结构参数有关； 电动机转动角速度，电动机转动角速度，radrads s，常用转速符号常用转速符号 ,r ,rminmin。对于同一台直流电动机，它们的数值相等，即对于同一台直流电动机，它们的数值相等，即KeKeKt,Kt,因此，直流电动机的电压平衡方因此，直流电动机的电压平衡方程式为程式为式中：式中：uaua电枢电压，电枢电压，V V；iaia电枢电流，电枢电流，A A；RaRa电枢电阻，电枢电阻，；LaLa电枢电电枢电感，感，H