《电机控制技术》第一章 概述

第一章 概述

1. 1.1电力传动系统的发展
   • 1.1.1电力传动系统的构成及其特点
     • 电力传动系统主要由电动机、传动机构、控制设备和工作机构组成。
     • 电动机部分：是系统的核心动力源，根据不同的应用场景可选择直流电机、交流异步电机、交流同步电机或各种控制电机等。例如，在工业生产中，对于需要高精度控制转速和转矩的场合，可能会选用直流电机或高性能的交流伺服电机。
     • 传动机构部分：其作用是将电动机的输出转矩和转速按照工作要求传递给工作机构，常见的有带传动、链传动、齿轮传动等。比如在汽车发动机与车轮之间的动力传输中，变速箱（齿轮传动）起到了根据车速和负载情况调整转速和转矩的作用。
     • 控制设备部分：负责对电动机的运行状态进行控制，如启动、停止、调速、反转等操作。从简单的接触器 - 继电器控制电路到复杂的基于微处理器的数字控制系统都有应用。例如，在电梯控制系统中，通过复杂的控制算法来精确控制电梯电机的运行，以实现平稳的升降和准确的停靠。
     • 工作机构部分：是直接完成生产任务或实现功能的部分，如机床的刀具、起重机的吊钩等。
     • 特点：
     • 高效性：相比其他传动方式（如机械传动、液压传动等），电力传动在能量转换和传输过程中的效率较高，能够有效减少能量损失。
     • 精确性：可以通过精确的控制设备实现对电动机的高精度控制，从而满足各种复杂的工作要求。例如在机器人的关节控制中，能够精确控制电机的转角和速度，实现精确的动作。
     • 灵活性：易于实现自动化和远程控制，通过改变控制信号就能方便地调整电机的运行状态，适应不同的工作模式和生产流程。
   • 1.1.2电力传动系统的发展
     • 早期阶段：电力传动系统最初的发展依赖于直流电机的应用。由于直流电机的调速性能良好，在早期的工业生产和交通运输等领域得到了广泛应用。例如，早期的电车就采用直流电机驱动，通过改变电机的电枢电压来实现调速。
     • 交流电机的兴起：随着电力电子技术和控制理论的发展，交流电机的优势逐渐被挖掘出来。交流电机结构简单、成本较低、可靠性高，在大规模工业生产和民用领域开始大量取代直流电机。特别是变频调速技术的出现，使交流电机的调速性能得到了极大的改善，拓展了其应用范围。
     • 现代发展阶段：如今，电力传动系统朝着智能化、高效化、集成化的方向发展。一方面，数字控制技术如微处理器和数字信号处理器（DSP）被广泛应用于电机控制系统，实现了复杂的控制算法和高精度的控制。另一方面，新型电机材料和电机结构的研发也在不断推进，例如永磁同步电机的发展，进一步提高了电机的性能和效率。同时，电力传动系统与其他技术（如计算机技术、通信技术）的融合越来越紧密，形成了复杂的自动化生产系统和智能设备。
2. 1.2电力传动系统运动方程
   • 1.2.1运动方程
     • 电力传动系统的运动方程一般用牛顿第二定律来描述。对于旋转运动系统，其运动方程为： T − T L = J d ω d t T - T_L = J\frac{d\omega}{dt} T−TL​=Jdtdω​，其中 T T T是电动机的电磁转矩， T L T_L TL​是负载转矩， J J J是系统的转动惯量， ω \omega ω是电机的角速度， d ω d t \frac{d\omega}{dt} dtdω​是角加速度。
     • 这个方程表明，电动机的电磁转矩与负载转矩之差是导致系统产生角加速度的原因。当 T > T L T > T_L T>TL​时，系统加速；当 T < T L T < T_L T<TL​时，系统减速；当 T = T L T = T_L T=TL​时，系统处于匀速运转状态。
   • 1.2.2电力传动系统等效折算
     • 在分析电力传动系统时，常常需要将复杂的多轴系统等效折算成单轴系统，以便于运动方程的应用。
     • 转矩的折算：如果电机轴与工作机构轴之间通过传动机构相连，为了将负载转矩折算到电机轴上，需要考虑传动机构的传动比。例如，对于齿轮传动，设电机轴与负载轴之间的传动比为 i i i，则折算到电机轴上的负载转矩 T L ′ = T L / i T_{L}' = T_L/i TL′​=TL​/i。
     • 转动惯量的折算：同样对于转动惯量，也要考虑传动机构的影响。根据能量守恒原理，在不考虑能量损失的情况下，系统总的动能不变。对于上述齿轮传动的例子，折算到电机轴上的转动惯量 J ′ = J 1 + J 2 / i 2 J' = J_1 + J_2/i^2 J′=J1​+J2​/i2，其中 J 1 J_1 J1​是电机本身的转动惯量， J 2 J_2 J2​是负载部分的转动惯量。
3. 1.3负载转矩和飞轮矩折算
   • 1.3.1负载转矩的折算
     • 不同的负载类型有不同的转矩特性。常见的负载转矩特性有恒转矩负载、恒功率负载和风机、泵类负载。
     • 恒转矩负载：如起重机提升重物时，负载转矩不随转速变化而变化。在折算到电机轴时，根据传动比等因素进行计算。例如，若采用皮带传动，传动效率为 η \eta η，传动比为 i i i，负载转矩为 T L T_L TL​，则折算到电机轴上的负载转矩 T L ′ = T L × 1 η i T_{L}' = T_L \times \frac{1}{\eta i} TL′​=TL​×ηi1​。
     • 恒功率负载：例如机床在加工过程中，负载功率基本保持不变。根据功率公式 P = T ω P = T\omega P=Tω（ P P P为功率， T T T为转矩， ω \omega ω为角速度），当转速变化时，转矩会相应变化。在折算过程中，要结合具体的传动方式和转速关系来计算。
     • 风机、泵类负载：其转矩与转速的平方成正比，即 T L = k ω 2 T_L = k\omega^2 TL​=kω2（ k k k为常数）。在折算时，要考虑这种转矩与转速的关系以及传动机构的影响。
   • 1.3.2飞轮矩的折算
     • 飞轮矩是衡量物体转动惯性的物理量，其大小与物体的质量分布和转动轴有关。在多轴系统中，为了便于分析系统的动态性能，需要将各个轴上的飞轮矩折算到电机轴上。
     • 对于简单的传动系统，如通过一对齿轮传动，设电机轴的转速为 n 1 n_1 n1​，负载轴的转速为 n 2 n_2 n2​，传动比 i = n 1 / n 2 i = n_1/n_2 i=n1​/n2​，负载轴上的飞轮矩为 G D L 2 GD_{L}^{2} GDL2​，则折算到电机轴上的飞轮矩 G D 1 2 = G D 1 2 + G D L 2 / i 2 GD_{1}^{2}= GD_{1}^{2}+ GD_{L}^{2}/i^2 GD12​=GD12​+GDL2​/i2，其中 G D 1 2 GD_{1}^{2} GD12​是电机轴本身的飞轮矩。
4. 1.4电力传动系统的机械特性
   • 1.4.1负载特性
     • 恒转矩负载特性：负载转矩 T L T_L TL​不随转速 ω \omega ω变化，其机械特性曲线是一条平行于横轴的直线。在实际应用中，如传送带输送物料的过程，只要传送带上的物料重量不变，电机所承受的负载转矩基本不变，不管电机的转速如何调整。
     • 恒功率负载特性：根据 P = T ω P = T\omega P=Tω，当功率 P P P恒定时，转矩 T T T与转速 ω \omega ω成反比。其机械特性曲线是一条双曲线。例如，在一些金属切削机床中，加工过程中要求刀具的切削功率基本保持不变，随着切削速度（电机转速）的变化，切削力（负载转矩）会相应改变。
     • 二次方律负载特性：对于风机、泵类负载，转矩 T L T_L TL​与转速 ω \omega ω的平方成正比。其机械特性曲线是一条抛物线。例如，离心式水泵在运行时，随着电机转速的提高，水泵的流量和扬程都会增加，负载转矩也会按照转速的平方关系增加。
   • 1.4.2电动机机械特性
     • 直流电动机机械特性：他励直流电动机的机械特性方程为 n = U − R a I a K e Φ n = \frac{U - R_aI_a}{K_e\Phi} n=Ke​ΦU−Ra​Ia​​，其中 n n n是电机转速， U U U是电枢电压， R a R_a Ra​是电枢电阻， I a I_a Ia​是电枢电流， K e K_e Ke​是电动势常数， Φ \Phi Φ是励磁磁通。其机械特性曲线是一条略微下倾的直线。通过改变电枢电压、电枢电阻或励磁磁通可以改变电机的机械特性，从而实现调速。
     • 交流异步电动机机械特性：三相异步电动机的机械特性可以用转矩 - 转速（ T − s T - s T−s）曲线来表示，其中 s s s是转差率。其表达式较为复杂，一般可以分为固有机械特性和人为机械特性。固有机械特性是在额定电压、额定频率下的机械特性，人为机械特性是通过改变定子电压、定子频率或转子电阻等参数得到的机械特性。
     • 交流同步电动机机械特性：同步电动机的转速与电源频率严格保持同步，其机械特性主要由电机的磁极对数和电源频率决定。在负载变化时，只要电机不失步，其转速基本不变，转矩会随着负载的变化而变化，机械特性曲线是一条垂直于横轴的直线（在同步转速处）。
5. 1.5电力传动系统稳定运行条件
   • 1.5.1电力传动系统稳定的必要条件
     • 电力传动系统稳定运行的必要条件是电动机的机械特性曲线和负载特性曲线必须有交点。这个交点对应的转速和转矩就是系统的稳定运行点。例如，在直流电机拖动恒转矩负载的情况下，电机的机械特性曲线（直线）和负载的恒转矩特性曲线（水平直线）相交，这个交点就是系统可能的稳定运行点。
   • 1.5.2电力传动系统稳定的充分条件
     • 在交点处，当转速增加时，电动机的电磁转矩 T T T必须小于负载转矩 T L T_L TL​，这样系统会自动减速回到交点处；当转速降低时，电动机的电磁转矩 T T T必须大于负载转矩 T L T_L TL​，系统会自动加速回到交点处。这是判断系统在交点处是否稳定运行的充分条件。
   • 1.5.3运行分析举例
     • 以交流异步电动机拖动风机类负载为例。首先画出异步电动机的机械特性曲线和风机负载的二次方律机械特性曲线，找到它们的交点。然后分析在交点附近，当由于某种干扰（如电压波动导致电机转速变化）时，电机转矩和负载转矩的变化情况。如果电机转矩和负载转矩的变化符合稳定运行的充分条件，那么系统在该交点处是稳定的；否则，系统可能会出现失速或飞车等不稳定现象。
6. 1.6电动机控制系统设计
   • 1.6.1电动机控制系统的发展
     • 传统控制阶段：早期的电动机控制系统主要采用继电器 - 接触器控制方式，通过简单的开关逻辑来控制电机的启动、停止和正反转等基本操作。这种控制方式简单直接，但灵活性差，难以实现复杂的控制功能。例如，在老式的机床控制中，通过多个继电器和接触器的组合来控制电机的运行，对于复杂的加工工艺，需要大量的硬件连线和手动调整。
     • 模拟控制阶段：随着电子技术的发展，出现了基于模拟电路的电机控制系统。通过运算放大器等模拟电子元件，可以实现对电机的调速等功能。例如，采用晶闸管可控整流电路来调节直流电机的电枢电压，从而实现调速。但是模拟控制系统存在精度有限、易受环境干扰等缺点。
     • 数字控制阶段：现代电动机控制系统大多采用数字控制技术。微处理器和数字信号处理器（DSP）的出现使得复杂的控制算法能够得以实现。例如，通过数字控制可以实现电机的矢量控制、直接转矩控制等高性能的控制策略，并且可以方便地进行参数调整和功能扩展。同时，数字控制系统具有抗干扰能力强、精度高、易于实现通信和自动化等诸多优点。
   • 1.6.2电动机控制系统分类及其特点
     • 开环控制系统：
     • 特点：没有反馈环节，控制器根据给定的输入信号直接控制电机的运行。例如，通过一个固定频率的信号来控制交流电机的运行速度，系统不考虑电机实际的运行状态是否与期望状态一致。
     • 应用场景：对控制精度要求不高的场合，如一些简单的通风设备，只要电机能够以大致固定的速度运行即可。
     • 闭环控制系统：
     • 特点：通过传感器检测电机的实际运行状态（如转速、转矩等），并将反馈信号与给定信号进行比较，控制器根据比较结果调整输出控制信号，使电机的实际运行状态尽可能接近期望状态。例如，在高精度的电机调速系统中，通过转速传感器检测电机的实际转速，与设定的转速进行比较，然后利用PID控制器来调整电机的输入电压或电流，以实现精确的转速控制。
     • 应用场景：对控制精度和稳定性要求较高的场合，如数控机床、电梯控制系统等。