交流伺服電機(jī)及其控制1剖析課件

24828B第1章伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的基本概念

1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

1.4交流伺服系統(tǒng)的分類

1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)

1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)24828B第1章伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的基本概念

24828B1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1伺服系統(tǒng)的定義

1.1.2伺服系統(tǒng)的組成

1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求

1.1.4伺服系統(tǒng)的種類24828B1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1伺服系統(tǒng)的24828B1.1.1伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照控制信號(hào)的要求而動(dòng)作，即控制信號(hào)到來之前，被控對(duì)象是靜止不動(dòng)的；接收到控制信號(hào)后，被控對(duì)象則按要求動(dòng)作；控制信號(hào)消失之后，被控對(duì)象應(yīng)自行停止。24828B1.1.1伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機(jī)24828B1.1.2伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由檢測(cè)部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對(duì)象組成。24828B1.1.2伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉24828B1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1)精度高。

2)穩(wěn)定性好。

3)快速響應(yīng)。

4)調(diào)速范圍寬。

5)低速大轉(zhuǎn)矩。

6)能夠頻繁地起動(dòng)、制動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)切換。24828B1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1)精度高。

24828B1.1.4伺服系統(tǒng)的種類伺服系統(tǒng)按照伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)的不同可分為電氣式、液壓式和氣動(dòng)式三種；按照功能的不同可分為計(jì)量伺服和功率伺服系統(tǒng)，模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號(hào)可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類。交流伺服系統(tǒng)又有感應(yīng)電機(jī)伺服系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)兩種。24828B1.1.4伺服系統(tǒng)的種類伺服系統(tǒng)按照伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)24828B1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程，電氣伺服系統(tǒng)的發(fā)展則與伺服電機(jī)的不同發(fā)展階段具有緊密的聯(lián)系，伺服電機(jī)至今已有50多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段。24828B1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1.3.1交流伺服電機(jī)

1.3.2功率變換器

1.3.3傳感器

1.3.4控制器24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1.3.1交流伺服電24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成圖1-1交流伺服系統(tǒng)24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成圖1-1交流伺服系統(tǒng)24828B1.3.1交流伺服電機(jī)1.同步型交流伺服電機(jī)(無刷直流伺服電機(jī))

2.感應(yīng)型交流伺服電機(jī)

3.兩種交流伺服電機(jī)的比較24828B1.3.1交流伺服電機(jī)1.同步型交流伺服電機(jī)(24828B1.同步型交流伺服電機(jī)(無刷直流伺服電機(jī))交流伺服電機(jī)中最為普及的是同步型交流伺服電機(jī)，其勵(lì)磁磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，通過控制三相電樞電流，使其合成電流矢量與勵(lì)磁磁場(chǎng)正交而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于只需控制電樞電流就可以控制轉(zhuǎn)矩，因此比感應(yīng)型交流伺服電機(jī)控制簡(jiǎn)單。而且利用永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，特別是數(shù)千瓦的小容量同步型交流伺服電機(jī)比感應(yīng)型效率更高。24828B1.同步型交流伺服電機(jī)(無刷直流伺服電機(jī))交流伺24828B2.感應(yīng)型交流伺服電機(jī)近年來，隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)與磁場(chǎng)定向控制技術(shù)的快速發(fā)展，使感應(yīng)電機(jī)可以達(dá)到與他勵(lì)式直流電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩控制特性，再加上感應(yīng)電機(jī)本身價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固及維護(hù)簡(jiǎn)單，因此感應(yīng)電機(jī)逐漸在高精密速度及位置控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。24828B2.感應(yīng)型交流伺服電機(jī)近年來，隨著電力電子技術(shù)、24828B3.兩種交流伺服電機(jī)的比較(1)同步型交流伺服電機(jī)

(2)感應(yīng)型交流伺服電機(jī)24828B3.兩種交流伺服電機(jī)的比較(1)同步型交流伺服24828B(1)同步型交流伺服電機(jī)1)正弦波電流控制稍復(fù)雜，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。

2)方波電流控制較為簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

3)采用稀土永磁體勵(lì)磁，功率密度高。

4)電子換相，不需維護(hù)，散熱好，慣量小，峰值轉(zhuǎn)矩大。

5)弱磁控制難，不適合恒功率運(yùn)行。

6)要注意高溫及大電流可能引起的永磁體去磁。24828B(1)同步型交流伺服電機(jī)1)正弦波電流控制稍復(fù)24828B(2)感應(yīng)型交流伺服電機(jī)1)采用磁場(chǎng)定向控制，轉(zhuǎn)矩控制原理類似直流伺服。

2)需要無功的勵(lì)磁電流，損耗稍大。

3)設(shè)計(jì)上要減小漏感及磁路飽和的影響。

4)利用弱磁控制，適合高速及恒功率運(yùn)行。

5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，適合大功率應(yīng)用。

6)控制復(fù)雜，參數(shù)易受轉(zhuǎn)子溫升影響。24828B(2)感應(yīng)型交流伺服電機(jī)1)采用磁場(chǎng)定向控制，24828B1.3.2功率變換器交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主要功能是根據(jù)控制電路的指令，將電源單元提供的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C(jī)電樞繞組中的三相交流電流，以產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩。功率變換器主要包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率變換主電路等。24828B1.3.2功率變換器交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主24828B1.3.3傳感器在伺服系統(tǒng)中，需要對(duì)伺服電機(jī)的繞組電流及轉(zhuǎn)子速度、位置進(jìn)行檢測(cè)，以構(gòu)成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，因此需要相應(yīng)的傳感器及其信號(hào)變換電路。24828B1.3.3傳感器在伺服系統(tǒng)中，需要對(duì)伺服電機(jī)的24828B1.3.4控制器1.電流控制器

2.速度控制器

3.位置控制器24828B1.3.4控制器1.電流控制器

2.速度控制器24828B1.4交流伺服系統(tǒng)的分類1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號(hào)的處理方法分類

1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類24828B1.4交流伺服系統(tǒng)的分類1.4.1按伺服系統(tǒng)24828B1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號(hào)的處理方法分類1.模擬控制方式

2.數(shù)字控制方式

3.數(shù)字-模擬混合控制方式

4.軟件伺服控制方式24828B1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號(hào)的處理方法分類1.24828B1.模擬控制方式1)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬。

2)易于與常見的輸出模擬速度指令的CNC(ComputerizedNumericalControl)接口。

3)系統(tǒng)狀態(tài)及信號(hào)變化易于觀測(cè)。

4)系統(tǒng)功能由硬件實(shí)現(xiàn)，易于掌握，有利于使用者進(jìn)行維護(hù)、調(diào)整。

5)模擬器件的溫漂和分散性對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大，系統(tǒng)的抗干擾能力較差。

6)難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法，系統(tǒng)缺少柔性。24828B1.模擬控制方式1)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，調(diào)速范24828B2.數(shù)字控制方式1)系統(tǒng)的集成度較高，具有較好的柔性，可實(shí)現(xiàn)軟件伺服。

2)溫度變化對(duì)系統(tǒng)的性能影響小，系統(tǒng)的重復(fù)性好。

3)易于應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制策略。

4)易于實(shí)現(xiàn)智能化的故障診斷和保護(hù)，系統(tǒng)具有較高的可靠性。

5)易于與采用計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)相接。24828B2.數(shù)字控制方式1)系統(tǒng)的集成度較高，具有較好的24828B3.數(shù)字-模擬混合控制方式由于數(shù)字控制方式的響應(yīng)速度由微處理器的運(yùn)算速度決定，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，要實(shí)現(xiàn)包括電流調(diào)節(jié)器在內(nèi)的全數(shù)字控制，就必須采用DSP等高性能微處理器芯片，這導(dǎo)致全數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。為滿足電流調(diào)節(jié)快速性的要求，全數(shù)字控制永磁交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品中，電流調(diào)節(jié)器雖已數(shù)字化，但其控制策略一般仍采用PID調(diào)節(jié)方式。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)中模擬傳感器(如電流傳感器)的溫漂和信號(hào)噪聲的干擾及其數(shù)字化時(shí)引入的誤差的影響，全數(shù)字化控制在性價(jià)比上并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。24828B3.數(shù)字-模擬混合控制方式由于數(shù)字控制方式的響應(yīng)24828B4.軟件伺服控制方式1)控制器硬件體積小、成本低。

2)控制系統(tǒng)的可靠性高。

3)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、控制精度高。

4)硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化容易。

5)系統(tǒng)控制的靈活性好，智能化程度高。

6)控制策略的更新、升級(jí)能力強(qiáng)。24828B4.軟件伺服控制方式1)控制器硬件體積小、成本低24828B1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類1.開環(huán)伺服系統(tǒng)

2.閉環(huán)伺服系統(tǒng)

3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)24828B1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類1.開環(huán)伺服24828B1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)(1)調(diào)速范圍D

(2)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)KTr

(3)穩(wěn)速精度

(4)超調(diào)量

(5)轉(zhuǎn)矩變化的時(shí)間響應(yīng)

(6)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間

(7)靜態(tài)剛度K

(8)定位精度和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差24828B1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)(1)調(diào)速范24828B1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)(1)交流化

(2)全數(shù)字化

(3)高性能化

(4)多功能化

(5)低成本化

(6)小型化和集成化

(7)模塊化和網(wǎng)絡(luò)化24828B1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)(1)交流化

(2)全24828B第2章感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換

2.3感應(yīng)電機(jī)的矢量控制

2.3.3解耦控制

2.3.6弱磁控制

2.4伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效直流電機(jī)常數(shù)

2.4.2伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效直流電機(jī)常數(shù)

2.5關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制24828B第2章感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)2.1感應(yīng)電機(jī)伺服24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成(1)感應(yīng)電機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行

(2)感應(yīng)電機(jī)的發(fā)電制動(dòng)24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成(1)感應(yīng)電機(jī)24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-1感應(yīng)24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-2感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與籠型繞組

a)轉(zhuǎn)子b)籠型繞組24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-2感應(yīng)24828B2.2感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換2.2.1矢量控制的基本思路

2.2.2在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

2.2.3坐標(biāo)變換24828B2.2感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換2.2.124828B2.2.1矢量控制的基本思路由電機(jī)學(xué)中感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理可知，只要能實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電機(jī)定子各相電流(iA、iB、iC)的瞬時(shí)控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)控制24828B2.2.1矢量控制的基本思路由電機(jī)學(xué)中感應(yīng)電機(jī)24828B2.2.2在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型1)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布。

2)忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。

3)忽略鐵心損耗。

4)不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。

1.磁鏈方程

2.電壓方程

3.電磁轉(zhuǎn)矩方程

4.運(yùn)動(dòng)方程24828B2.2.2在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型24828B圖2-3三相靜止坐標(biāo)系下的三相籠型

感應(yīng)電機(jī)的物理模型24828B圖2-3三相靜止坐標(biāo)系下的三相籠型

感應(yīng)電機(jī)的24828B1.磁鏈方程(1)互感為常數(shù)

(2)互感是角度θre的函數(shù)24828B1.磁鏈方程(1)互感為常數(shù)

(2)互感是角度θ24828B2.電壓方程將三相定、轉(zhuǎn)子繞組的電壓平衡方程寫成矩陣方程形式，并以微分算子P代替微分運(yùn)算符號(hào)d/dt旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)矩陣，由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。24828B2.電壓方程將三相定、轉(zhuǎn)子繞組的電壓平衡方程寫成24828B3.電磁轉(zhuǎn)矩方程24828B3.電磁轉(zhuǎn)矩方程24828B4.運(yùn)動(dòng)方程作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)速度變化之間的關(guān)系可以用運(yùn)動(dòng)方程來表達(dá)，轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。24828B4.運(yùn)動(dòng)方程作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)速度變24828B2.2.3坐標(biāo)變換1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換

2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換24828B2.2.3坐標(biāo)變換1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換

24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-4靜止三相／兩相坐標(biāo)系

與繞組磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-4靜止三相／兩24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與

磁動(dòng)勢(shì)空間矢量圖24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-5兩相靜止和旋24828B2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換圖2-6M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的框圖24828B2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換圖2-6M-T坐標(biāo)系24828B2.3感應(yīng)電機(jī)的矢量控制2.3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程

2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制24828B2.3感應(yīng)電機(jī)的矢量控制2.3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定24828B2.3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程式(2-27)為感應(yīng)電機(jī)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的電壓方程式，式右邊的4行×4列系數(shù)矩陣每一項(xiàng)都是占滿了的，也就是說，系統(tǒng)仍是強(qiáng)耦合的。24828B2.3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-7電源頻率的計(jì)算框圖24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-7電源頻率的計(jì)24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-8電源頻率的簡(jiǎn)化計(jì)算方法24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-8電源頻率的簡(jiǎn)24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-9勵(lì)磁電流恒定時(shí)的電源頻率計(jì)算方法24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-9勵(lì)磁電流恒定時(shí)24828B2.3.3解耦控制2.3.4磁通與電流控制

2.3.5坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)24828B2.3.3解耦控制2.3.4磁通與電流控制

24828B2.3.3解耦控制圖2-10轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)框圖24828B2.3.3解耦控制圖2-10轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制24828B2.3.3解耦控制圖2-11解耦控制的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)框圖24828B2.3.3解耦控制圖2-11解耦控制的感應(yīng)電24828B2.3.4磁通與電流控制圖2-12含有磁通、電流控制器的感應(yīng)電機(jī)伺服系統(tǒng)的控制框圖24828B2.3.4磁通與電流控制圖2-12含有磁通、24828B2.3.5坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)圖2-13從、到、、的實(shí)現(xiàn)框圖24828B2.3.5坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)圖2-13從、到24828B2.3.5坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)圖2-14從、到、的實(shí)現(xiàn)框圖24828B2.3.5坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)圖2-14從、到24828B2.3.6弱磁控制圖2-15轉(zhuǎn)子磁鏈的控制框圖24828B2.3.6弱磁控制圖2-15轉(zhuǎn)子磁鏈的控制框24828B2.3.7M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)矢量控制伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1)位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制單元、磁鏈控制單元、解耦控制單元。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速檢測(cè)及信號(hào)處理計(jì)算單元。

3)坐標(biāo)變換單元。

4)三相逆變單元。24828B2.3.7M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)矢量控制伺服系24828B圖2-16M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)矢量控制伺服系統(tǒng)24828B圖2-16M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)矢量控制伺服系24828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖2-17感應(yīng)電機(jī)的等效電路24828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖2-1724828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖2-18轉(zhuǎn)矩分量等效電路24828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖2-1824828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖2-19勵(lì)磁分量等效電路24828B2.4.1伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效電路圖2-1924828B2.4.3伺服控制感應(yīng)電機(jī)的特性框圖與時(shí)間常數(shù)圖2-20伺服控制感應(yīng)電機(jī)的特性框圖24828B2.4.3伺服控制感應(yīng)電機(jī)的特性框圖與時(shí)間常數(shù)24828B2.5關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制1)直接轉(zhuǎn)矩控制以定子磁鏈作為被控制的磁鏈，控制過程中只涉及電機(jī)定子側(cè)的參數(shù)，即定子電壓、電流、磁鏈、阻抗等，所以控制效果不受轉(zhuǎn)子回路參數(shù)變化的影響。

2)直接轉(zhuǎn)矩控制的控制運(yùn)算均在定子靜止坐標(biāo)系中進(jìn)行，不需要在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中對(duì)定子電流進(jìn)行分解和設(shè)定，所以不需要進(jìn)行靜止坐標(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的變換運(yùn)算，從而明顯簡(jiǎn)化了信號(hào)的處理過程，提高了控制運(yùn)算的速度。24828B2.5關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制1)直接轉(zhuǎn)矩控24828B2.5關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制3)直接轉(zhuǎn)矩控制采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)直接控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，不像矢量變換控制那樣，用控制定子電流兩個(gè)分量的辦法間接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈，所以并不過于追求圓磁鏈軌跡和正弦波電流，只追求轉(zhuǎn)矩控制的快速性和準(zhǔn)確性。

4)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)既直接控制轉(zhuǎn)矩，又直接控制定子磁鏈，其控制方式均采用閉環(huán)雙位式控制，通過改變滯環(huán)調(diào)節(jié)器的容差，把雙位式轉(zhuǎn)矩控制引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)限制在容許的范圍內(nèi)。24828B2.5關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制3)直接轉(zhuǎn)矩控24828B2.5關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制5)直接轉(zhuǎn)矩控制利用電壓矢量的概念，對(duì)逆變器的6個(gè)功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷進(jìn)行綜合控制，在相同的控制效果下，比分相控制的逆變器開關(guān)器件開關(guān)次數(shù)少且開關(guān)損耗小。24828B2.5關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制5)直接轉(zhuǎn)矩控24828B第1章伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的基本概念

1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

1.4交流伺服系統(tǒng)的分類

1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)

1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)24828B第1章伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的基本概念

24828B1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1伺服系統(tǒng)的定義

1.1.2伺服系統(tǒng)的組成

1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求

1.1.4伺服系統(tǒng)的種類24828B1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1伺服系統(tǒng)的24828B1.1.1伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照控制信號(hào)的要求而動(dòng)作，即控制信號(hào)到來之前，被控對(duì)象是靜止不動(dòng)的；接收到控制信號(hào)后，被控對(duì)象則按要求動(dòng)作；控制信號(hào)消失之后，被控對(duì)象應(yīng)自行停止。24828B1.1.1伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機(jī)24828B1.1.2伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。它由檢測(cè)部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對(duì)象組成。24828B1.1.2伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉24828B1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1)精度高。

2)穩(wěn)定性好。

3)快速響應(yīng)。

4)調(diào)速范圍寬。

5)低速大轉(zhuǎn)矩。

6)能夠頻繁地起動(dòng)、制動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)切換。24828B1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1)精度高。

24828B1.1.4伺服系統(tǒng)的種類伺服系統(tǒng)按照伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)的不同可分為電氣式、液壓式和氣動(dòng)式三種；按照功能的不同可分為計(jì)量伺服和功率伺服系統(tǒng)，模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號(hào)可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類。交流伺服系統(tǒng)又有感應(yīng)電機(jī)伺服系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)兩種。24828B1.1.4伺服系統(tǒng)的種類伺服系統(tǒng)按照伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)24828B1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程，電氣伺服系統(tǒng)的發(fā)展則與伺服電機(jī)的不同發(fā)展階段具有緊密的聯(lián)系，伺服電機(jī)至今已有50多年的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了三個(gè)主要發(fā)展階段。24828B1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1.3.1交流伺服電機(jī)

1.3.2功率變換器

1.3.3傳感器

1.3.4控制器24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成1.3.1交流伺服電24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成圖1-1交流伺服系統(tǒng)24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成圖1-1交流伺服系統(tǒng)24828B1.3.1交流伺服電機(jī)1.同步型交流伺服電機(jī)(無刷直流伺服電機(jī))

2.感應(yīng)型交流伺服電機(jī)

3.兩種交流伺服電機(jī)的比較24828B1.3.1交流伺服電機(jī)1.同步型交流伺服電機(jī)(24828B1.同步型交流伺服電機(jī)(無刷直流伺服電機(jī))交流伺服電機(jī)中最為普及的是同步型交流伺服電機(jī)，其勵(lì)磁磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，通過控制三相電樞電流，使其合成電流矢量與勵(lì)磁磁場(chǎng)正交而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于只需控制電樞電流就可以控制轉(zhuǎn)矩，因此比感應(yīng)型交流伺服電機(jī)控制簡(jiǎn)單。而且利用永磁體產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)，特別是數(shù)千瓦的小容量同步型交流伺服電機(jī)比感應(yīng)型效率更高。24828B1.同步型交流伺服電機(jī)(無刷直流伺服電機(jī))交流伺24828B2.感應(yīng)型交流伺服電機(jī)近年來，隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)與磁場(chǎng)定向控制技術(shù)的快速發(fā)展，使感應(yīng)電機(jī)可以達(dá)到與他勵(lì)式直流電機(jī)相同的轉(zhuǎn)矩控制特性，再加上感應(yīng)電機(jī)本身價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固及維護(hù)簡(jiǎn)單，因此感應(yīng)電機(jī)逐漸在高精密速度及位置控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。24828B2.感應(yīng)型交流伺服電機(jī)近年來，隨著電力電子技術(shù)、24828B3.兩種交流伺服電機(jī)的比較(1)同步型交流伺服電機(jī)

(2)感應(yīng)型交流伺服電機(jī)24828B3.兩種交流伺服電機(jī)的比較(1)同步型交流伺服24828B(1)同步型交流伺服電機(jī)1)正弦波電流控制稍復(fù)雜，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。

2)方波電流控制較為簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。

3)采用稀土永磁體勵(lì)磁，功率密度高。

4)電子換相，不需維護(hù)，散熱好，慣量小，峰值轉(zhuǎn)矩大。

5)弱磁控制難，不適合恒功率運(yùn)行。

6)要注意高溫及大電流可能引起的永磁體去磁。24828B(1)同步型交流伺服電機(jī)1)正弦波電流控制稍復(fù)24828B(2)感應(yīng)型交流伺服電機(jī)1)采用磁場(chǎng)定向控制，轉(zhuǎn)矩控制原理類似直流伺服。

2)需要無功的勵(lì)磁電流，損耗稍大。

3)設(shè)計(jì)上要減小漏感及磁路飽和的影響。

4)利用弱磁控制，適合高速及恒功率運(yùn)行。

5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，適合大功率應(yīng)用。

6)控制復(fù)雜，參數(shù)易受轉(zhuǎn)子溫升影響。24828B(2)感應(yīng)型交流伺服電機(jī)1)采用磁場(chǎng)定向控制，24828B1.3.2功率變換器交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主要功能是根據(jù)控制電路的指令，將電源單元提供的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C(jī)電樞繞組中的三相交流電流，以產(chǎn)生所需要的電磁轉(zhuǎn)矩。功率變換器主要包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、功率變換主電路等。24828B1.3.2功率變換器交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主24828B1.3.3傳感器在伺服系統(tǒng)中，需要對(duì)伺服電機(jī)的繞組電流及轉(zhuǎn)子速度、位置進(jìn)行檢測(cè)，以構(gòu)成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，因此需要相應(yīng)的傳感器及其信號(hào)變換電路。24828B1.3.3傳感器在伺服系統(tǒng)中，需要對(duì)伺服電機(jī)的24828B1.3.4控制器1.電流控制器

2.速度控制器

3.位置控制器24828B1.3.4控制器1.電流控制器

2.速度控制器24828B1.4交流伺服系統(tǒng)的分類1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號(hào)的處理方法分類

1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類24828B1.4交流伺服系統(tǒng)的分類1.4.1按伺服系統(tǒng)24828B1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號(hào)的處理方法分類1.模擬控制方式

2.數(shù)字控制方式

3.數(shù)字-模擬混合控制方式

4.軟件伺服控制方式24828B1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號(hào)的處理方法分類1.24828B1.模擬控制方式1)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，調(diào)速范圍寬。

2)易于與常見的輸出模擬速度指令的CNC(ComputerizedNumericalControl)接口。

3)系統(tǒng)狀態(tài)及信號(hào)變化易于觀測(cè)。

4)系統(tǒng)功能由硬件實(shí)現(xiàn)，易于掌握，有利于使用者進(jìn)行維護(hù)、調(diào)整。

5)模擬器件的溫漂和分散性對(duì)系統(tǒng)的性能影響較大，系統(tǒng)的抗干擾能力較差。

6)難以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法，系統(tǒng)缺少柔性。24828B1.模擬控制方式1)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，調(diào)速范24828B2.數(shù)字控制方式1)系統(tǒng)的集成度較高，具有較好的柔性，可實(shí)現(xiàn)軟件伺服。

2)溫度變化對(duì)系統(tǒng)的性能影響小，系統(tǒng)的重復(fù)性好。

3)易于應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制策略。

4)易于實(shí)現(xiàn)智能化的故障診斷和保護(hù)，系統(tǒng)具有較高的可靠性。

5)易于與采用計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)相接。24828B2.數(shù)字控制方式1)系統(tǒng)的集成度較高，具有較好的24828B3.數(shù)字-模擬混合控制方式由于數(shù)字控制方式的響應(yīng)速度由微處理器的運(yùn)算速度決定，在現(xiàn)有技術(shù)條件下，要實(shí)現(xiàn)包括電流調(diào)節(jié)器在內(nèi)的全數(shù)字控制，就必須采用DSP等高性能微處理器芯片，這導(dǎo)致全數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。為滿足電流調(diào)節(jié)快速性的要求，全數(shù)字控制永磁交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品中，電流調(diào)節(jié)器雖已數(shù)字化，但其控制策略一般仍采用PID調(diào)節(jié)方式。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)中模擬傳感器(如電流傳感器)的溫漂和信號(hào)噪聲的干擾及其數(shù)字化時(shí)引入的誤差的影響，全數(shù)字化控制在性價(jià)比上并沒有明顯的優(yōu)勢(shì)。24828B3.數(shù)字-模擬混合控制方式由于數(shù)字控制方式的響應(yīng)24828B4.軟件伺服控制方式1)控制器硬件體積小、成本低。

2)控制系統(tǒng)的可靠性高。

3)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、控制精度高。

4)硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化容易。

5)系統(tǒng)控制的靈活性好，智能化程度高。

6)控制策略的更新、升級(jí)能力強(qiáng)。24828B4.軟件伺服控制方式1)控制器硬件體積小、成本低24828B1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類1.開環(huán)伺服系統(tǒng)

2.閉環(huán)伺服系統(tǒng)

3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)24828B1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類1.開環(huán)伺服24828B1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)(1)調(diào)速范圍D

(2)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)系數(shù)KTr

(3)穩(wěn)速精度

(4)超調(diào)量

(5)轉(zhuǎn)矩變化的時(shí)間響應(yīng)

(6)轉(zhuǎn)速響應(yīng)時(shí)間

(7)靜態(tài)剛度K

(8)定位精度和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差24828B1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)(1)調(diào)速范24828B1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)(1)交流化

(2)全數(shù)字化

(3)高性能化

(4)多功能化

(5)低成本化

(6)小型化和集成化

(7)模塊化和網(wǎng)絡(luò)化24828B1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)(1)交流化

(2)全24828B第2章感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換

2.3感應(yīng)電機(jī)的矢量控制

2.3.3解耦控制

2.3.6弱磁控制

2.4伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效直流電機(jī)常數(shù)

2.4.2伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效直流電機(jī)常數(shù)

2.5關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制24828B第2章感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)2.1感應(yīng)電機(jī)伺服24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成(1)感應(yīng)電機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行

(2)感應(yīng)電機(jī)的發(fā)電制動(dòng)24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成(1)感應(yīng)電機(jī)24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-1感應(yīng)24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-2感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與籠型繞組

a)轉(zhuǎn)子b)籠型繞組24828B2.1感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-2感應(yīng)24828B2.2感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換2.2.1矢量控制的基本思路

2.2.2在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

2.2.3坐標(biāo)變換24828B2.2感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換2.2.124828B2.2.1矢量控制的基本思路由電機(jī)學(xué)中感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行原理可知，只要能實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電機(jī)定子各相電流(iA、iB、iC)的瞬時(shí)控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)控制24828B2.2.1矢量控制的基本思路由電機(jī)學(xué)中感應(yīng)電機(jī)24828B2.2.2在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型1)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組對(duì)稱，在空間互差120°電角度，所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布。

2)忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。

3)忽略鐵心損耗。

4)不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。

1.磁鏈方程

2.電壓方程

3.電磁轉(zhuǎn)矩方程

4.運(yùn)動(dòng)方程24828B2.2.2在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型24828B圖2-3三相靜止坐標(biāo)系下的三相籠型

感應(yīng)電機(jī)的物理模型24828B圖2-3三相靜止坐標(biāo)系下的三相籠型

感應(yīng)電機(jī)的24828B1.磁鏈方程(1)互感為常數(shù)

(2)互感是角度θre的函數(shù)24828B1.磁鏈方程(1)互感為常數(shù)

(2)互感是角度θ24828B2.電壓方程將三相定、轉(zhuǎn)子繞組的電壓平衡方程寫成矩陣方程形式，并以微分算子P代替微分運(yùn)算符號(hào)d/dt旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)矩陣，由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比。24828B2.電壓方程將三相定、轉(zhuǎn)子繞組的電壓平衡方程寫成24828B3.電磁轉(zhuǎn)矩方程24828B3.電磁轉(zhuǎn)矩方程24828B4.運(yùn)動(dòng)方程作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)速度變化之間的關(guān)系可以用運(yùn)動(dòng)方程來表達(dá)，轉(zhuǎn)子與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和。24828B4.運(yùn)動(dòng)方程作用在電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)速度變24828B2.2.3坐標(biāo)變換1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換

2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換24828B2.2.3坐標(biāo)變換1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換

24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-4靜止三相／兩相坐標(biāo)系

與繞組磁動(dòng)勢(shì)的空間矢量24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-4靜止三相／兩24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-5兩相靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與

磁動(dòng)勢(shì)空間矢量圖24828B1.靜止三相/兩相坐標(biāo)變換圖2-5兩相靜止和旋24828B2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換圖2-6M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的框圖24828B2.靜止/旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換圖2-6M-T坐標(biāo)系24828B2.3感應(yīng)電機(jī)的矢量控制2.3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程

2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制24828B2.3感應(yīng)電機(jī)的矢量控制2.3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定24828B2.3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程式(2-27)為感應(yīng)電機(jī)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型的電壓方程式，式右邊的4行×4列系數(shù)矩陣每一項(xiàng)都是占滿了的，也就是說，系統(tǒng)仍是強(qiáng)耦合的。24828B2.3.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-7電源頻率的計(jì)算框圖24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-7電源頻率的計(jì)24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-8電源頻率的簡(jiǎn)化計(jì)算方法24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-8電源頻率的簡(jiǎn)24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-9勵(lì)磁電流恒定時(shí)的電源頻率計(jì)算方法24828B2.3.2轉(zhuǎn)差頻率控制圖2-9勵(lì)磁電流恒定時(shí)24828B2.3.3解耦控制2.3.4磁通與電流控制

2.3.5坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)24828B2.3.3解耦控制2.3.4磁通與電流控制

24828B2.3.3解耦控制圖2-10轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)框圖24828B2.3.3解耦控制圖