运动控制系统课件8
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第八章 电力拖动在运动控制系统中的应用
由于采用变频调速，该恒压供水系 统可以节能，特别是在流量小的情况下 节能效果明显。多数品牌通用变频器支 持恒压供水功能，无须增加任何硬件， 也无须修改软件，只要适当设定变频器 的工作模式与有关参数（PID参数等）就 可以了，这是通用变频器众多功能当中 的一个。
8.1.2 多电机同步调速系统 在冶金、印染、造纸、薄膜加工等连续生 产线上,机台很多,需要多台电动机同步调速完 成加工任务。 1.共轴驱动多电机同步调速 在设备的几何尺寸比较大、比较长的情况 下，有必要用数台电动机共同驱动。图8-3示 出了一台轮转印刷机的传动系统，由八台或者 更多的电动机共轴驱动，轴很长。为了避免长 轴传递起伏很大的转矩引起的扭转形变，每一 段有一台电动机驱动并与该段的负载大致配合， 只有少量的同步转矩(Ten-TLn差值部分)需要通 过长轴传递。
8.2 电力拖动位置控制系统 8.2.1 位置控制系统概述 位置控制系统又称位置随动系统(position follower)或伺服系统(servo drives)。在很多电气 传动中，控制的目的是对象空间的位置或者电 动机的轴位。例如，车床刀架的精确位置控制 是精密加工的关键；机器人关节的轴位控制是 末端运动轨迹插补的关键。10kW以下的小容量 电伺服系统对机床进給控制或机器人位置控制 特别有用。实际上凡是需要机械运动的场合， 无论是工业上的加工设备，还是运输工具，是 化工厂、发电厂的执行阀，还是飞行器上的操 纵面，都能发现位置伺服控制在应用。
8.2.2 电梯位置控制系统 图8-9示出了一种可能的电梯位置控制方案。
R
图8-9 电梯多环位置控制 APR—位置调节器 ASR—转 速调节器 AAR—加速度调节器 ACR—电流调节器（转 矩调节器）BQ—位置检测 D—微分环节 FBS—速度检 测 UI—逆变器 MS—永磁同步电机
运动控制系统开发与应用(初级)课件1.1.2-运动控制器端口介绍
1
A+
编码器输入
6
A-
编码器输入
2
B+
编码器输入
7
B-
编码器输入
3
C+
编码器输入
8
C-
编码器输入
4
备用
备用
9
GND
数字地
5
+5V
电源输出
运动控制器端口介绍
三、运动控制器的端子板介绍 （4）高速输入输出接口
端子板 CN14 接口是高速输入输出接口（简称 HSIO），有两路位置比较输出通道，对于带非轴模拟量 版本，其 PIN4 和 PIN5 脚增加 DAC 输出接口，其 9pin 引脚定义见下表
信号 HOME 0 HOME 1 HOME 2 HOME 3 LIMIT 0+ LIMIT 0LIMIT 1+ LIMIT 1LIMIT 2+ LIMIT 2-
CN9 的接口定义
说明
引脚
信号
1 轴原点输入
11 LIMIT 3+
2 轴原点输入
12 LIMIT 3-
3 轴原点输入
13 EXI 0
4 轴原点输入
运动控制器端口介绍
CN20 管脚定义及模拟量输入定义
引 信号
脚
说明
引脚
信号
说明
1 OGND +24V电源地
9 MPGB- 编码器输入B负向
2 MPGI2 数字量输入
10 MPGA- 编码器输入A负向
3 MPGI0 数字量输入
11 MPGI6
编码器输入B正
4 MPGB+ 向
12 MPGI5
数字量输入 数字量输入
第3章电力拖动自动控制系统运动控制系统第5版ppt课件
第3章 目录
• 3.1有静差的转速闭环直流调速系统（系统 结构与静特性分析，闭环直流调速系统的 反馈控制规律，稳定性分析）
• 3.2 无静差的转速闭环直流调速系统（比例 积分控制规律、稳态参数计算）
• 3.3 转速闭环直流调速系统的限流保护 • 3.4 转速闭环控制直流调速系统的仿真
3.1.1 比例控制转速闭环直流调速系统的结构 与静特性
n
K
p
K
sU
* n
Id
R
K
p
K
sU
* n
RI d
Ce (1 K pKs / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )
（3-1）
式中: K K p—Ks— 闭环系统的开环放大系数 • 闭环调速系Ce统的静特性表示闭环系统电动机
转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。
（a）闭环调速系统
图3-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结 构框图
• 转速开环系统控制系统存在的问题：对负 载扰动没有任何抑制作用
3.1.1 比例控制转速闭环直流调速系统 的结构与静特性
• 引入负反馈，在负反馈基础上的“检测误 差，用以纠正误差”这一原理组成的系统， 其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的 环路，因此被称作闭环控制系统。
• 在直流调速系统中，被调节量是转速，所 构成的是转速反馈控制的直流调速系统。
1
Id (s) R U d 0 (s) E(s) T1s 1
(3-15)
• 电流与电动势间的传递函数
E(s) R I d (s) I dL (s) Tm s
(3-16)
Ud0(s) E(s)
1/R Tls+1
(a)
Id(s)
• 3.1有静差的转速闭环直流调速系统（系统 结构与静特性分析，闭环直流调速系统的 反馈控制规律，稳定性分析）
• 3.2 无静差的转速闭环直流调速系统（比例 积分控制规律、稳态参数计算）
• 3.3 转速闭环直流调速系统的限流保护 • 3.4 转速闭环控制直流调速系统的仿真
3.1.1 比例控制转速闭环直流调速系统的结构 与静特性
n
K
p
K
sU
* n
Id
R
K
p
K
sU
* n
RI d
Ce (1 K pKs / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )
（3-1）
式中: K K p—Ks— 闭环系统的开环放大系数 • 闭环调速系Ce统的静特性表示闭环系统电动机
转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。
（a）闭环调速系统
图3-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结 构框图
• 转速开环系统控制系统存在的问题：对负 载扰动没有任何抑制作用
3.1.1 比例控制转速闭环直流调速系统 的结构与静特性
• 引入负反馈，在负反馈基础上的“检测误 差，用以纠正误差”这一原理组成的系统， 其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的 环路，因此被称作闭环控制系统。
• 在直流调速系统中，被调节量是转速，所 构成的是转速反馈控制的直流调速系统。
1
Id (s) R U d 0 (s) E(s) T1s 1
(3-15)
• 电流与电动势间的传递函数
E(s) R I d (s) I dL (s) Tm s
(3-16)
Ud0(s) E(s)
1/R Tls+1
(a)
Id(s)
第8章 电力拖动自动控制系统 运动控制系统(第5版)阮毅
调制度M 是控制变量，式(8-9)可以 当作串级调速系统中异步电动机机械 特性的间接表达式 。
反映了机械特性的线性段。
串级系统调速原理
降低调制度M ，按式（8-8）将提高逆变 器的输入电压 ，在动态中首先反映的是减 少电流 Id的，使电磁转矩减小，迫使电动 机转速降低，实现调速。与此同时，转差 率s增大，从而恢复 与负载电流平衡，使 串级调速系统恢复到新的稳态。
图8-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
有附加电动势时的转子相电流：
如图8-1所示，绕线转子异步电动机在外 接附加电动势时，转子回路的相电流表达 式
Ir
sEr0 Eadd Rr 2 (sX r0 )2
(8-3)
转子附加电动势的作用
1. Er 与 Eadd 同相
当 Eadd ，
M
3~
sPm
CU1
sEr0
T1 CU 2
图8-3 转子电路连接可馈出或馈入电功率的双PWM交-直-交变频器
8.2 绕线转子异步电机转子变频控制的四种基本 工况
本节摘要
电机在次同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作发电运行 电机在次同步转速下作发电运行
Pm
(1 s)P m
(d )
T e
sPm
CU
(1 s)Pm
10
(a)
sPm
CU Te
图8-4 绕线型异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 c)超同步速发电状态 b)超同步速电动状态 d)次同步速发电状态 CU——功率变换单元
1. 电机在次同步转速下作电动运行
Ud0 Ui0 Id R 整流电压输出
反映了机械特性的线性段。
串级系统调速原理
降低调制度M ，按式（8-8）将提高逆变 器的输入电压 ，在动态中首先反映的是减 少电流 Id的，使电磁转矩减小，迫使电动 机转速降低，实现调速。与此同时，转差 率s增大，从而恢复 与负载电流平衡，使 串级调速系统恢复到新的稳态。
图8-1 绕线转子异步电动机转子附加电动势的原理图
有附加电动势时的转子相电流：
如图8-1所示，绕线转子异步电动机在外 接附加电动势时，转子回路的相电流表达 式
Ir
sEr0 Eadd Rr 2 (sX r0 )2
(8-3)
转子附加电动势的作用
1. Er 与 Eadd 同相
当 Eadd ，
M
3~
sPm
CU1
sEr0
T1 CU 2
图8-3 转子电路连接可馈出或馈入电功率的双PWM交-直-交变频器
8.2 绕线转子异步电机转子变频控制的四种基本 工况
本节摘要
电机在次同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作电动运行 电机在超同步转速下作发电运行 电机在次同步转速下作发电运行
Pm
(1 s)P m
(d )
T e
sPm
CU
(1 s)Pm
10
(a)
sPm
CU Te
图8-4 绕线型异步电动机在转子附加电动势时的工况及其功率流程 a)次同步速电动状态 c)超同步速发电状态 b)超同步速电动状态 d)次同步速发电状态 CU——功率变换单元
1. 电机在次同步转速下作电动运行
Ud0 Ui0 Id R 整流电压输出
精品课件-运动控制系统(贺昱曜)-第9章
第9章 异步电动机串级调速系统
9.2 9.2.1
1. 理想空载转速 根据式（9-5）， 当系统在理想空载状态下运行时 （Id=0）， 转子直流回路的电压平衡方程式变成
K1s0Er0=K2U2Tcosβ 式中： s0为异步电动机在串级调速时对应于某一β角的理想
第9章 异步电动机串级调速系统
取K1=K2， 则
（9-4）
第9章 异步电动机串级调速系统
2. 在异步电机转子回路中附加交流电动势调速的关键就是 在转子侧串入一个可变频、 可变幅的电压。 对于只用于次 同步电动状态的情况来说， 比较方便的办法是将转子电压 先整流成直流电压， 然后再引入一个附加的直流电动势， 控制此直流附加电动势的幅值， 就可以调节异步电动机的 转速。 这样， 就把交流变压变频这一复杂问题转化为与频率 无关的直流变压问题， 对问题的分析与工程实现都方便多 了。
第9章 异步电动机串级调速系统
图9-3
(a) 大电机；
(b)
第9章 异步电动机串级调速系统
3. 整流器和逆变器容量的选择主要依据其电流与电压的 定额。 电流定额取决于异步电动机转子的额定电流IrN和 所拖动的负载， 电压定额则取决于异步电动机转子的额定 相电压（即转子开路电动势）Er0和系统的调速范围D。 为 了简便起见， 按理想空载状态来定义调速范围， 并认为 异步电动机的同步转速nsyn就是最大的理想空载转速， 于
子额定相电压值。
第9章 异步电动机串级调速系统
式(9-1)表明， 绕线型异步电动机工作时， 其转子电动 势Er 值与转差率s成正比。 此外， 转子频率f2也与s成正比， f2=sf1。 在转子短路情况下， 转子相电流Ir的表达式为
Ir
sEr0 Rr2 (sX r0 )2
运动控制系统
图1-45是一个无静差直流调速系统 当电流超过截止电流时，高于 的实例，采用比例积分调节器以实 TA为检测电流的交流 现无静差，采用电流截止负反馈来 稳压管VS的击穿电压，使晶体 限制动态过程的冲击电流。 互感器，经整流后得 三极管VBT导通
到电流反馈信号。
VS
VBT
R1 C1
Ui
TA
Id急剧下降
L
系统组成； 系统分析（静态性能、动态性能）； 系统设计（调节器的结构和参数设计）。
课程开始
2.7 直流调速系统的数字控制
以微处理器为核心的数字控制系统（简称 微机数字控制系统）硬件电路的标准化程 度高，制作成本低，且不受器件温度漂移 的影响； 其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算， 可以实现不同于一般线性调节的最优化、 自适应、非线性、智能化等控制规律，而 且更改起来灵活方便。
L1 L2 或 L3 0 dB
• 系统校正的对数频率特性
校正前的系统特性 校正后的系统特性
O
从图上可以看出，校正后系统的稳定性 指标 和GM都已变成较大的正值，有足够 的稳定裕度，而截止频率从 c1 = 208.9 s–1 降到 c2 = 30 s–1 ，快速性被压低了许多， 显然这是一个偏于稳定的方案。
相应的对数频率特性绘于图1-41中。
L/dB + -20 1 = KPi 1 1
O
O - 2
1 KP
/s-1
实际设计时，一般先根据系统要求的动态性能或稳定裕 度，确定校正后的预期对数频率特性，与原始系统特性相
减，即得校正环节特性。具体的设计方法是很灵活的，有
时须反复试凑，才能得到满意的结果。 对于本例题的闭环调速系统，可以采用比较简便方法， 由于原始系统不稳定，表现为放大系数K 过大，截止频 率过高，应该设法把它们压下来。
运动控制系统简介及简单应用 ppt课件
第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、 MOSFET等 。此类器件用于无源逆变 (DC→AC) 和直流调压（DC→DC）时，无须 强迫换流回路，主回路结构简单。另一个特点 是可以大大提高开关频率，用脉宽调制（ PWM）技术控制功率器件的开通与关断，可 大大提高可控电源的质量。
PPT课件
13
(2)数字控制器 :硬件电路标准化程度高、制作成本低、而 且不受器件温度漂移的影响。控制规律体现在软件上 ，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息存储、数据 通信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。
PPT课件
14
4．信号检测与处理－传感器
运动控制系统中常用的反馈信号是电压、电流 、转速和位置，为了真实可靠地得到这些信号 ，并实现功率电路（强电）和控制器（弱电） 之间的电气隔离，需要相应的传感器。
PPT课件
6
3．微电子技术－－控制基础 微电子技术的快速发展，各种高性能的大规模 或超大规模的集成电路层出不穷，方便和简化 了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作， 提高了运动控制系统的可靠性。高速、大内存 容量、多功能的微处理器或单片微机的问世， 使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应 用成为可能，并大大提高了控制精度。
在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题， 可以通过计算机求得其数值解，这就是计算机数字仿真。 计算机数字仿真具有成本低，结构灵活，结果直观，便于 贮存和进行数据分析等优点。计算机辅助设计(CAD)是在 数字仿真的基础上发展起来的，在系统数学模型基础上进 行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运
传感器安装位置 ➢ ?电极轴端 ➢ ?负载
PPT课件
知识领域： 控制理论
知识领域： 电力电子与驱动技术
知识领域： 电机原理与模型
PPT课件
13
(2)数字控制器 :硬件电路标准化程度高、制作成本低、而 且不受器件温度漂移的影响。控制规律体现在软件上 ，修改起来灵活方便。此外，还拥有信息存储、数据 通信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。
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14
4．信号检测与处理－传感器
运动控制系统中常用的反馈信号是电压、电流 、转速和位置，为了真实可靠地得到这些信号 ，并实现功率电路（强电）和控制器（弱电） 之间的电气隔离，需要相应的传感器。
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6
3．微电子技术－－控制基础 微电子技术的快速发展，各种高性能的大规模 或超大规模的集成电路层出不穷，方便和简化 了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作， 提高了运动控制系统的可靠性。高速、大内存 容量、多功能的微处理器或单片微机的问世， 使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应 用成为可能，并大大提高了控制精度。
在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题， 可以通过计算机求得其数值解，这就是计算机数字仿真。 计算机数字仿真具有成本低，结构灵活，结果直观，便于 贮存和进行数据分析等优点。计算机辅助设计(CAD)是在 数字仿真的基础上发展起来的，在系统数学模型基础上进 行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运
传感器安装位置 ➢ ?电极轴端 ➢ ?负载
PPT课件
知识领域： 控制理论
知识领域： 电力电子与驱动技术
知识领域： 电机原理与模型
高精度运动控制系统的关键技术及综合运用ppt课件
公司自主研制的0.1微米级精密运动平台及集成 控制系统是微电子制造和测试设备的核心部件，也 是生物医疗设备和精密制造业发展的关键部件，这 些产品在以上领域的应用可以极大提高我国的制造 水平，缩小和先进国家的差距。
3
公司简介（二）
此外公司还与秦皇岛海纳科技公司 合作研发了国内首款可驱动直线电机和 旋转电机的通用型伺服驱动器。该驱动 器具有高阶轨迹生成、支持用户编程等 高端功能，产品性能已达到国际先进水 平，可广泛用于高精密运动控制系统的 驱动和控制。
17
总结
❖ 运动控制技术是多学科复合技术：机械与电子、硬件和软件、算法 和分析
❖ 运动控制应用范围广：开环控制或闭环控制、半闭环或全闭环控制 ❖ 采用闭环控制首要考虑的是系统稳定性 ❖ 运动控制的性能不仅要考核时域响应，还要考核频域特性 ❖ 运动控制系统由控制平台、功率放大器/驱动器、执行机构/电机/
安装误差的影响
15
实例：编码器安装对信号质量及精度的影响（续） 信号质量对误差影响
16
运动控制系统的保护
软件级 •计算错误保护 •位置误差保护 •饱和保护 •震荡保护 •RMS功率保护 •电源故障保护 •急停保护
机械级 •机械限位装置 •机械刹车/卡紧装置 •机械防撞装置 •… …
硬件级 •限位传感器保护 •看门狗保护 •电源故障保护 •过功率保护 •驱动器短路保护 •驱动器过压/欠压保护 •驱动器过温保护 •驱动器RMS电流保护 •… …
➢ 光栅尺的精度
➢ 线距，或信号周期(每毫米线数，或每圈线)
➢ 光栅尺的热敏系数
➢ 差值技术
➢ 信号质量
➢ 频率响应与最高速度
旋转编码器最大速度 = [工作频率 (Hz) / (每转线数) ]*60 [RPM]
3
公司简介（二）
此外公司还与秦皇岛海纳科技公司 合作研发了国内首款可驱动直线电机和 旋转电机的通用型伺服驱动器。该驱动 器具有高阶轨迹生成、支持用户编程等 高端功能，产品性能已达到国际先进水 平，可广泛用于高精密运动控制系统的 驱动和控制。
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总结
❖ 运动控制技术是多学科复合技术：机械与电子、硬件和软件、算法 和分析
❖ 运动控制应用范围广：开环控制或闭环控制、半闭环或全闭环控制 ❖ 采用闭环控制首要考虑的是系统稳定性 ❖ 运动控制的性能不仅要考核时域响应，还要考核频域特性 ❖ 运动控制系统由控制平台、功率放大器/驱动器、执行机构/电机/
安装误差的影响
15
实例：编码器安装对信号质量及精度的影响（续） 信号质量对误差影响
16
运动控制系统的保护
软件级 •计算错误保护 •位置误差保护 •饱和保护 •震荡保护 •RMS功率保护 •电源故障保护 •急停保护
机械级 •机械限位装置 •机械刹车/卡紧装置 •机械防撞装置 •… …
硬件级 •限位传感器保护 •看门狗保护 •电源故障保护 •过功率保护 •驱动器短路保护 •驱动器过压/欠压保护 •驱动器过温保护 •驱动器RMS电流保护 •… …
➢ 光栅尺的精度
➢ 线距，或信号周期(每毫米线数，或每圈线)
➢ 光栅尺的热敏系数
➢ 差值技术
➢ 信号质量
➢ 频率响应与最高速度
旋转编码器最大速度 = [工作频率 (Hz) / (每转线数) ]*60 [RPM]
倍福运动控制技术介绍PPT课件
sincos1vssttl单圈或多圈endathiperfacebiss24dc控制和制动电压点数字量io例如启用限位开关捕获输入故障信息ethercat系统总线直流电源直流母线可选的接口板用插槽例如附加反馈制动控制电机温度监控可选的重启锁定用插槽或可选的twinsafe安全卡navigationstasten电机动力电路执行材质鉴定导航键enterupdownax5000数字式紧凑型伺服驱动器功能特点beckhoff运动控制驱动解决方案ax5000支持第三方的伺支持第三方的伺服电机服电机功能特点beckhoff现场总线连接各种现场总线接口可以轻松地集成到各种控制系统中rs232接口用于参数设置和canopen接口控制信号带有电气隔离伺服准备就绪的信号中继设定值输入显示器输出数字量输入输出启用输入模拟量数字量信号接地24dc辅助电源电压电源接口用于连接外部平稳电阻直流中间电路电机和制动器接口旋变信号仿真为编码器信号输出编码器控制输入主从功能脉冲方向输入反馈装置旋转变压器输入接口用于高分辨率正余弦编码器或绝对值编码器等反馈装置的输入接口ax20xxam30xx同步伺服电机am308x电机达到150nm具备食品级涂装的am3000用于食品工业的am3000系列电机一台通过特殊涂装的标准电机具备了不锈钢电机的防护等级相比不锈钢电机最小降低
动 ▪ 采用 DIN66025 编程语言 ▪ 坐标轴转换
N 0 0 # K IN ID [1 ] N10 #RTCP ON
N 20 G 01 G 18 X0 Y0 Z0 B90 F500 N 3 0 X -4 N 4 0 G 0 2 X -2 0 I-4 0 B -9 0 F 2 0 0 0 N 5 0 ................. ........................
动 ▪ 采用 DIN66025 编程语言 ▪ 坐标轴转换
N 0 0 # K IN ID [1 ] N10 #RTCP ON
N 20 G 01 G 18 X0 Y0 Z0 B90 F500 N 3 0 X -4 N 4 0 G 0 2 X -2 0 I-4 0 B -9 0 F 2 0 0 0 N 5 0 ................. ........................
运动控制系统 第八讲 运动对象
• 2、激光雷达的现状及应用
• 激光技术从它的问世到现在，虽然时间不 长，但是由于它有：高亮度性、高方向性 、高单色性和高相干性等几个极有价值的 特点，因而在国防军事、工农业生产、医 学卫生和科学研究等方面都有广泛的应用 。LiDAR技术在西方国家发展相对成熟，已 经投入商业运行的激光雷达系统（主要指 机载）主要有Optech（加拿大）、TopSys （法国）和Leica（美国）等公司的产品。
• 除此之外，还可以测出大气中肉眼看不到 的微粒的动态等情况。激光雷达的作用就 是精确测量目标的位置（距离与角度）、 形状（大小）及状态（速度、姿态），从 而达到探测、识别、跟踪目标的目的。
图8-1图中符号说明：Servo motor伺服电机，Objects目标，Optical
rotary encoder光学旋转编码器，Laser Source 激光源，Receiver接收器 ，Tilting mirror转镜
• 如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，并让它
们的刻线之间有较小的夹角，这时光栅上会出现
若干条明暗相间的条纹，这种条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹沿着与光栅刻线几乎垂直的方向排列， 如图8-5所示。光线透过两块光栅非重合部分而形 成亮带，亮带由一系列四棱形图案组成，如图85(a)中的d—d线区所示；f— f线区则是由两块光 栅的遮光效应形成的。由此可见，标尺光栅和指 示光栅的组合产生了莫尔条纹。图8-5(b)是d—d 线区的放大图，其中菱形的两条对边平行线的距 离是W/2，即栅距的一半；菱形长对角线的长度 是B，即莫尔条纹的间距。
1．光栅的结构
• 在透明的玻璃板上均匀地刻出许多明暗相 间的条纹，或在金属镜面上均匀地刻出许 多间隔相等的条纹，就形成了光栅。通常， 这些条纹的间隙和宽度是相等的。以透光 的玻璃为载体的光栅，称为透射光栅；以 不透光的金属为载体的光栅，称为反射光 栅。根据光栅外形的不同，还可分为直线 光栅和圆光栅。
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间的夹角 为变量。
同步电机的空间矢量 在同步电动机中，除转子直流励磁外， 定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与 电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁 通在定子中感应的电动势与外加电压基本 平衡。 同步电动机磁动势与磁通的空间矢量图 示于图8-5a。
同步电机的空间矢量（续）
a）磁动势和磁通的空间矢量图
3. 同步调速系统的特点
（1）交流电机旋转磁场的同步转速1与定子 电源频率 f1 有确定的关系 2f1 1 （8-1）
np
异步电动机的稳态转速总是低于同步转速 的，二者之差叫做转差 s ；同步电动机的 稳态转速等于同步转速，转差 s = 0。
同步调速系统的特点（续） （2）异步电动机的磁场仅靠定子供电产生， 而同步电动机除定子磁动势外，转子侧还有 独立的直流励磁，或者用永久磁钢励磁。 （3） 同步电动机和异步电动机的定子都有同 样的交流绕组，一般都是三相的，而转子绕 组则不同，同步电动机转子除直流励磁绕组 （或永久磁钢）外，还可能有自身短路的阻 尼绕组。
系统组成
图8-3 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电动机调速系统
系统控制
这类调速系统的基本结构画在图8-3中， 可以实现4象限运行。 控制器按需要可以是常规的，也可以采 用矢量控制，后者在下一小节再详细讨论。
*8.2.4 按气隙磁场定向的同步电动机矢 量控制系统
1. 概 述
为了获得高动态性能，同步电动机变压变 频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原 理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐 标变换，把同步电动机等效成直流电动机， 再模仿直流电动机的控制方法进行控制。但 由于同步电动机的转子结构与异步电动机不 同，其矢量坐标变换也有自己的特色。
同步调速系统的特点（续） （6）由于同步电动机转子有独立励磁，在 极低的电源频率下也能运行，因此，在同 样条件下，同步电动机的调速范围比异步 电动机更宽。 （7）异步电动机要靠加大转差才能提高转 矩，而同步电机只须加大功角就能增大转 矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动 具有更强的承受能力，能作出更快的动态 响应。 返回目录
系统特点
系统结构简单，控制方便，只需一台变频 器供电，成本低廉。 由于采用开环调速方式，系统存在一个明 显的缺点，就是转子振荡和失步问题并未 解决，因此各台同步电动机的负载不能太 大。
*8.2.2 由交-直-交电流型负载换流变压变频 器供电的同步电动机调速系统
概述
大型同步电动机转子上一般都具有励 磁绕组，通过滑环由直流励磁电源供电， 或者由交流励磁发电机经过随转子一起旋 转的整流器供电。
2. 系统模型
假定条件
（1）假设是隐极电机，或者说，忽略凸极的磁 阻变化； （2）忽略阻尼绕组的效应； （3）忽略磁化曲线的饱和非线性因素； （4）暂先忽略定子电阻和漏抗的影响。 其他假设条件和研究异步电动机数学模型时相 同，见第6.6.2 节。
二极同步电机物理模型
图8-4 二极同步电动机的物理模型
系统组成
图8-2 由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电的同步电动机调速系统
系统控制
在图8-2中，系统控制器的程序包括转速 调节、转差控制、负载换流控制和励磁电 流控制，FBS是测速反馈环节。 由于变压变频装置是电流型的，还单独 画出了电流控制器（包括电流调节和电源 侧变换器的触发控制）。
将 Fs 除以相应的匝数即为定子三相电流 合成空间矢量 is ，可将它沿M、T轴分解为 励磁分量 ism 和转矩分量ist。同样，Ff 与相 当的励磁电流矢量 If 也可分解成 ifm 和 ift 。
矢量变换公式
由图8-5a不难得出下列关系式
2 2 is ism ist
（8-2） （8-3） （8-4）
模型描述
图中，定子三相绕组轴线 A、B、C 是静 止的，三相电压 uA、 uB、 uC 和三相电流 iA、iB、iC 都是平衡的，转子以同步转速1 旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压 Uf 供 电下流过励磁电流 If 。沿励磁磁极的轴线 为 d 轴，与 d 轴正交的是 q 轴，d-q 坐标在 空间也以同步转速 1 旋转，d 轴与 A 轴之
1
图8-5 同步电动机近似的空间矢量图和时间相量图
同步电机的空间矢量（续） 图中： Ff 、f —转子励磁磁动势和磁通，沿励 磁方向为d轴； Fs —定子三相合成磁动势； FR 、R —合成的气隙磁动势和总磁通；
s — Fs与FR间的夹角； f — Ff 与 FR 间的夹角。
矢量变换
换流问题 LCI同步调速系统在起动和低速时存 在换流问题，
低速时同步电动机感应电动势不够大， 不足以保证可靠换流；
当电机静止时，感应电动势为零，根本 就无法换流。
解决方案
这时，须采用“直流侧电流断续”的特 殊方法，使中间直流环节电抗器的旁路晶 闸管导通，让电抗器放电，同时切断直流 电流，允许逆变器换相，换相后再关断旁 路晶闸管，使电流恢复正常。 用这种换流方式可使电动机转速升到额定 值的 3%~5%，然后再切换到负载电动势换 流。
电力拖动自动控制系统
第 8 章
同步电动机变压变频调速系统
内容提要
同步电动机变压变频调速的特点及 其基本类型 他控变频同步电动机调速系统
自控变频同步电动机调速系统
8.1 同步电动机变压变频调速的特点 及其基本类型
本节提要
概述 同步调速系统的类型 同步调速系统的特点
1. 概述 同步电动机历来是以转速与电源频率保 持严格同步著称的。只要电源频率保持恒 定，同步电动机的转速就绝对不变。 采用电力电子装置实现电压-频率协调控 制，改变了同步电动机历来只能恒速运行 不能调速的面貌。起动费事、重载时振荡 或失步等问题也已不再是同步电动机广泛 应用的障碍。
对于经常在高速运行的机械设备，定子 常用交-直-交电流型变压变频器供电，其 电机侧变换器（即逆变器）比给异步电动 机供电时更简单，可以省去强迫换流电路， 而利用同步电动机定子中的感应电动势实 现换相。这样的逆变器称作负载换流逆变 器（Load-commutated Inverter，简称LCI）。
电流关系分析（续） 由此可知：定子电流的励磁分量 ism 可以 从定子电流 is 和调速系统期望的功率因数 值求出。最简单的情况是希望 cos = 1， 也就是说，希望 ism = 0。
这样，由期望功率因数确定的 ism 可作为 矢量控制系统的一个给定值。
定子电流方程
以A轴为参考坐标轴，则d轴的位置角为 = 1 dt ，可以通过电机轴上的位置传感 器 BQ 测得（见图8-6）。于是，定子电流 空间矢量与 A 轴的夹角 便成为
系统组成
图8-1多台同步电动机的恒压频比控制调速系统
系统控制
多台永磁或磁阻同步电动机并联接在公共 的电压源型PWM变压变频器上，由统一的 频率给定信号 f * 同时调节各台电动机的转 速。 PWM变压变频器中，带定子压降补偿的恒 压频比控制保证了同步电动机气隙磁通恒 定，缓慢地调节频率给定 f * 可以逐渐地同 时改变各台电机的转速。
f s
（8-9）
定子电流方程（续） 由的幅值和相位角可以求出三相定子电流
iA is cos
iB is cos( 120)
（8-10）
iC is cos( 120)
电磁转矩方程
根据机电能量转换原理，同步电动机的电磁转 矩可以表达为
π 2 Te np R Fs sin s 2
（8-14）
位置传感器
3. 同步电机矢量控制系统
图8-6 同步电动机基于电流模型的矢量控制系统
工作原理
同步电动机矢量控制系统采用了和直流 电动机调速系统相仿的双闭环控制结构。 转速控制：ASR的输出是转矩给定信号Te*， 按照式（8-14），Te* 除以磁通模拟信号 R* 即得定子电流转矩分量的给定信号 ist* ， R* 是由磁通给定信号 * 经磁通滞后模型 模拟其滞后效应后得到的。
*8.2 他控变频同步电动机调速系统
与异步电动机变压变频调速一样，用独 立的变压变频装置给同步电动机供电的系 统称作他控变频调速系统。
本节提要
转速开环恒压频比控制的同步电动机群调速 系统 由交-直-交电流型负载换流变压变频器供电 的同步电动机调速系统 由交-交变压变频器供电的大型低速同步电 动机调速系统 按气隙磁场定向的同步电动机矢量控制系统 同步电动机的多变量动态数学模型
同步调速系统的特点（续） （4）异步电动机的气隙是均匀的，而同步电 动机则有隐极与凸极之分，隐极式电机气隙 均匀，凸极式则不均匀，两轴的电感系数不 等，造成数学模型上的复杂性。但凸极效应 能产生平均转矩，单靠凸极效应运行的同步 电动机称作磁阻式同步电动机。
同步调速系统的特点（续） （5）异步电动机由于励磁的需要，必须从 电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因 数很低。同步电动机则可通过调节转子的 直流励磁电流，改变输入功率因数，可以 滞后，也可以超前。当 cos = 1.0 时，电 枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的 容量。
在图8-5b中，is 是该相电流相量，它落后 于 Us 的相角 就是同步电动机的功率因数 角。根据电机学原理，R 与 Fs 空间矢量的 空间角差 s 也就是磁链Rs 与电流 is 在时间 上的相角差，因此 = 90° s ，而且 ism 和 ist 也是 is 相量在时间相量图上的分量。
8.2.3 由交-交变压变频器供电的大型低速同 步电动机调速系统 概述 另一类大型同步电动机变压变频调速系统 用于低速的电力拖动，例如无齿轮传动的 可逆轧机、矿井提升机、水泥转窑等。 该系统由交-交变压变频器（又称周波变 换器）供电，其输出频率为20~25Hz（当 电网频率为50Hz时），对于一台20极的同 步电动机，同步转速为120~150r/min，直 接用来拖动轧钢机等设备是很合适的，可 以省去庞大的齿轮传动装置。