2.2.5 电机控制技术

电机控制技术包括直流电动机控制技术、交流电动机控制技术和伺服电动机控制技术。

1.直流电机控制技术

（1）直流电机调速原理

根据电机学原理，直流电动机的转速n可表示为

式中，n是电动机转速（r/min）；U是电枢电压（V）；I_d是电枢电流（A）；R是电枢回路总电阻（Ω）；Φ是励磁磁通（Wb）；K_e是电动势常数；n₀称为理想空载转速；Δn称为转速降落。表2-5是直流电动机调速的方法和特点。

根据表2-4，直流电动机调速方法比较结果如下：

● 改变电枢回路电阻的调速方法只能对电动机转速进行有级调节，转速稳定性差，调速系统效率低。

● 减弱励磁磁通的调速方法可以实现平稳调速，但只能在额定转速n₀以上的范围内调节转速。

● 改变电枢电压的调速方法得到的电动机机械特性与电动机固有机械特性平行，转速稳定性好，能够在额定转速以下实现平稳调速。

因此，实际应用时，以改变电枢电压的调速方法为主，当转速达到额定转速以上时才采用减弱励磁磁通的调速方法。

（2）直流PWM调速

脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种很有效的技术。脉宽调制是通过改变脉冲的占空比，控制电力电子器件的导通和断开时间的长短，使输出端获得一系列根据所需要求的脉冲宽度不等的脉冲信号。经逆变电路，使电路输出电压和频率改变，从而实现调速的技术。占空比是脉冲导通的时间与脉冲总周期时间（导通与断开时间之和）之比。

1）不可逆PWM变换器

PWM变换器是用脉冲宽度调制的方法，将恒定的直流电源电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，调节电动机转速的设备。

表2-6是不可逆PWM变换器的电路原理图和说明。

2）H型可逆PWM变换器

它是最常用的可逆PWM变换器，如图2-15所示。分三种情况讨论如下：

①正向运行：正脉冲电压宽度大于负脉冲宽度。

当0≤t<t_on，U_g1=U_g4为正，VT₁和VT₄导通，U_g2=U_g3为负，VT₂和VT₃截止，U_AB=+U_S，电枢电流沿①回路流动。当t_on≤t<T，U_g1=U_g4为负，VT₁和VT₄截止，U_g2=U_g3为正，VT₂和VT₃被钳位，保持截止。U_AB=-U_S，电枢电流沿②回路经VD₂和VD₃续流。

②反向运行：正脉冲电压宽度小于负脉冲宽度。

当0≤t<t_on，U_g2=U_g3为负，VT₂和VT₃截止，U_g1=U_g4为正，VT₁和VT₄被钳位，保持截止。U_AB=+U_S，电枢电流经VD₄、电动机电枢绕组、VD₁续流流动。当t_on≤t<T，U_g2=U_g3为正，VT₂和VT₃导通，U_g1=U_g4为负，VT₁和VT₄保持截止。U_AB=-U_S，电枢电流经VT₂、电动机电枢绕组和VT₃流动。

③停止：正脉冲电压宽度等于负脉冲宽度。

t_on是T的一半，U_AB=0，电动机停转。

H型可逆PWM变换器输出平均电压U_d为

（3）直流PWM调速系统的数学模型和机械特性

可用一阶时滞环节描述直流PWM调速系统。即

式中，K_s是PWM装置的放大系数；τ是PWM装置的时滞时间，τ≤T；T是开关周期。

直流PWM调速系统的机械特性表示为

或表示为转矩T_e的方程

式中，C_e是电动机电磁系数；C_m是电动机在额定磁通下的转矩系数。

（4）调速系统性能指标

调速系统性能指标如下：

1）稳态性能指标。稳态性能指标主要包括调速（要求调速系统在规定转速范围内可靠运行）和稳速（要求调速系统的调速重复性和精确度好，不允许有过大的转速波动）。

● 调速范围。调速范围D是额定负载下所需最高转速n_max和最低转速n_min之比。对少数负载很轻的机械，例如，精密磨床，也可用实际负载时最高转速和最低转速替代。

● 转差率。转差率s是系统在某一转速下运行，负载由理想负载增加到额定值时对应的转速降落Δn与理想空载转速n₀之比。它用于衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度。

机械特性越硬，转差率越小，转速的稳定度越高。对同样硬度的机械特性，理想空载转速越低，转差率越大，转速的相对稳定度越差。

调速系统在不同电压下的理想空载转速不同，理想空载转速越低，其转差率越大。

可用下式表示调速范围和转差率的关系：

式中，下标N表示额定条件。对系统调速精度的要求越高，即要求s越小，则可达到的D越小。如果要求的D越大，则能达到的调速精度就越低。因此，要兼顾两者的要求。

2）动态性能指标。调速系统动态性能指标包括对给定信号的随动性能指标和对扰动的抗扰性能指标。

● 随动性能指标。当设定值阶跃改变时，调速系统动态响应指标有上升时间、超调量和调节时间等。

● 抗扰性能指标。扰动作用下，调速系统的动态性能指标有动态降落、恢复时间等。

（5）闭环调速系统

为解决调速范围与转差率的矛盾，常采用闭环调速系统。根据闭环个数，可分为单闭环、双闭环和三闭环调速系统。闭环调速系统的被控变量可选用位置、速度、电压、电流、电压变化率和电流变化率等。

1）单闭环调速系统。将闭环调速系统的被控变量与设定值比较，控制器根据其差值按一定的控制规律运算，其输出对被控对象进行控制，使被控变量与设定值一致。常用单闭环调速系统的被控变量是转速。

图2-16是转速负反馈单闭环调速系统原理图。图2-17是单闭环控制系统框图。

图中，是转速设定电压，U_n是转速检测变送环节TG电压U_TG的分压，用于作为反馈信号。速度控制器ASR的输入信号是两者之差。速度控制器按一定的控制规律计算其控制输出，作为执行器的输入，执行器包括GT触发电路和Z可控整流单元，使输出电压U_d改变，最终调节电动机转速，使实际转速与设定转速一致。

2）双闭环调速系统。常用速度、电流双闭环调速控制系统。图2-18是速度、电流双闭环调速控制系统的传递函数描述的框图。

● 电流上升段。t=0，设定值加入阶跃电压，在ASR和ACR两个控制器调节下，I_d很快上升，电流达到I_dL以前，电动机转矩小于负载转矩，转速为0。I_d≥I_dL后，起动电动机，因机电惯性，转速开始上升，ASR输入的偏差仍较大，ASR进入饱和，ACR一般不饱和，直到I_d等于电动机堵转电流I_dm，时序节点为t₁。

● 恒流升速段。ASR仍在饱和状态，饱和值为，I_d等于电动机堵转电流I_dm，速度环仍开环，系统是电流闭环控制。转速快速升高，当达到设定转速n∗时，电枢电流下降，时序节点为t₂。

● 调速段。当时序节点为t₃时，转速达最大值，电枢电流降到实际负载电流值，然后，转速开始下降到接近设定值n∗，完成电动机起动过程。当转速超调，ASR退出饱和，U_i和I_d很快下降，转速仍上升，使转速达到峰值，达到时序节点t₄。该时段内，I_d＜I_dL，转速从加速转为减速，直到转速稳定。

3）三闭环调速系统。常见的三闭环调速系统是速度、电流和电压三闭环调速系统。增加电压控制器AVR，将ACR输出与电压反馈单元TVD输出之差作为该控制器的偏差输入。电压环的目的是限制可变整流电路输出的上限，保证电流在最大电压情况下变化。

2.交流电动机控制技术

交流电动机分异步交流电动机和同步交流电动机两大类。异步交流电动机有鼠笼式和绕线式；同步交流电动机有自控式、他控式和永磁式。

随着电力电子技术的发展，采用电力电子变换器的交流调速系统得以发展。

（1）三相异步交流电动机的旋转磁场

三相异步电动机由定子、转子和机座等组成，异步电动机的转子绕组分为笼型和绕线型，随着变频调速技术的普及，异步电动机起动和调速问题获得了很好的解决，因此，笼型异步电动机变频调速系统应用更广泛。

表2-7是三相异步电动机定子中旋转磁场的形成。

由上可知，电动机中磁场的旋转方向与绕组的电流顺序一致，即从U₁相→V₁相→W₁相。因此，如果将任意两根相线对换连接，就可以实现旋转磁场转向，使电动机反转。

旋转磁场的转速与磁极对数、定子电流的频率有关。一对磁极的旋转磁场，电流变化一周时，磁场在空间转过360°（一转）；两对磁极的旋转磁场，电流变化一周时，磁场在空间转过180°（1/2转）。

磁极对数p大于1的电动机中，电流变化一个周期，磁场沿空间转过p个极矩，即1/p转。

用下列公式描述旋转磁场转速与磁极对数、定子电流频率之间的关系：

式中，n₀是同步转速（r/m）；f₁是定子电流的供电频率（Hz）；p是电动机磁极对数。上式是变频调速控制的重要公式。

根据式（2-56），异步电动机有下列调速方案。

● 调频调速：改变三相交流电的频率，可调节同步转速，实现异步电动机的调速。如果能够平滑改变频率，就可实现异步电动机的无级调速。这是变频调速的理论依据。

● 改变磁极对数。

● 改变转差率。转差率s是同步转速n₀与电动机实际转速n的差值与同步转速n₀之比的百分数，可表示为

（2）三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性指异步电动机电磁转矩T_e与转速n的关系。由于转差率与转速有固定关系，因此，也有将异步电动机的电磁转矩T_e与转差率s的关系称为机械特性。异步电动机的不同调速方式，其实质是改变异步电动机的机械特性。

异步电动机在额定电压、额定频率下，定子按规定接线方式联结，转子回路不串接电阻、电容和电抗，而是自己短路，这种条件下异步电动机的机械特性称为固有机械特性。

人为机械特性是通过改变定子电压、定子回路串电抗或电阻或转子回路串电阻等方法，获得的异步电动机的机械特性。表2-8是异步交流电动机的机械特性。

（3）变频调速系统的控制方式

异步电动机的转速有下列三种控制方式：

● 调频调速。改变三相交流电的频率f，可调节异步电动机的同步转速，从而调节异步电动机的转子转速。平滑改变三相交流电的频率，可实现异步电动机的无级调速。

● 改变磁极对数p。增加磁极对数，使同步转速降低。与调频调速不同，这种调速方式会成倍改变转速。

● 改变转差率s。减小转差率s，使同步转速增加。

（4）标量控制

只控制磁通的幅值，不控制磁通的相位，称为异步交流电动机的标量控制。

● 恒压频比调速系统。这类调速系统的特点是调节电动机转速的同时需调节电动机定子供电电源的电压和频率，因此，该调速系统的机械特性可平滑地上下移动，转差功率不变，调速时不增加转差功率消耗，有很高的运行效率。异步电动机调速分为基频下调和基频上调两种。基频下调通常采用恒转矩调速方式，基频上调通常采用恒功率调速方式。在基频以下为恒转矩调速区，在该区，磁通和转矩保持不变，功率与频率（转速）成正比。在基频以上为恒功率调速区，在该区，功率保持不变，磁通和转矩与频率（转速）成反比。

● 可控转差率调速系统。该控制方式是对恒压频比控制方式的改进，它有利于改善异步电动机变频调速的静态和动态性能。当磁通Φ_m固定时，电磁转矩T_e与转差角频率Δω成正比，因此，在转差角频率Δω小于最大转差角频率Δω_max时，可通过调节转差率实现改变电动机的电磁转矩。因此，转差角频率Δω小于最大转差角频率Δω_max时，可通过调节转差率实现改变电动机的电磁转矩。

（5）矢量控制

将异步交流电动机经矢量变换等效成直流电动机，然后仿照直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制，并经相应的反变换，就可控制异步交流电动机。图2-19是矢量变换控制过程示意图。从图可见，将直流标量作为电动机外部控制量，并将它变换为交流量，用于控制交流电动机运行的整个过程是通过矢量变换实现的，因此，这种控制系统称为矢量变换控制系统，或矢量控制系统。

（6）直接转矩控制

电动机控制的根本是控制电磁转矩，因此，直接转矩控制的核心是建立磁链模型，并进行磁链控制。转矩控制是用开关式（Bang-Bang）调节器实现直接转矩控制。在调节转矩的同时，转矩控制用正转、反转控制信号来控制定子磁链的旋转方向。

直接转矩控制将对电动机定子电流的控制变换为对定子磁链圆与定子电压矢量的控制。

3.伺服电动机控制技术

广义伺服控制系统是指精确地跟踪或复现某个过程的反馈控制系统，也称为随动控制系统。狭义伺服控制系统是指位置的给定改变时，该控制系统能够快速准确地复现设定变化，也称为位置随动控制系统。

与调速控制系统一样，伺服控制系统也是反馈控制系统。因此，二者的控制原理相同。其区别是调速控制系统的控制目标是保证在扰动下能够稳定其转速，即强调其抗扰性能；而伺服控制系统更突出对给定值变化的跟踪性和快速响应性，即强调其随动性能。

伺服电动机也称为执行电动机，它在控制系统中作为执行元件，将电信号转换为轴的转角或转速，带动被控对象运动。有控制信号输入，伺服电动机就转动；没有控制信号，伺服电动机就停转。改变伺服电动机控制电压的大小和相位（或极性）就可改变伺服电动机转速和转向。

与普通电动机比较，伺服电动机具有下列特点：

● 调速范围广。伺服电动机转速随控制电压改变，能够在宽广范围内连续调节。

● 转子惯性小，可实现迅速起动和停转。起动转矩大，灵敏度高。

● 控制功率小，过载能力强，可靠性高。

图2-20是伺服电动机的外形和内部结构。

（1）交流伺服电动机

为适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电动机或全数字式交流伺服电动机作为执行电动机。

永磁转子的同步伺服电动机由于永磁材料性能不断提高，价格不断下降，控制又比异步电动机简单，容易实现高性能的缘故，所以永磁同步电动机的AC伺服系统应用更为广泛。

1）交流永磁同步伺服电动机

交流同步伺服驱动系统中，普通应用的交流永磁同步伺服电动机有两大类。

一类称为无刷直流电动机（Brushless Direct Current Motor，BLDCM），它要求将方波电流输入定子绕组。另一类称为三相永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM），它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形。

①无刷直流电动机（BLDCM）。用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的电枢变为定子。有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电动机（BLDCM）是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定子。将有刷直流电动机的定子和转子颠倒一下，并采用永磁转子，就可以省去机械换向器和电刷，由此得名无刷直流电动机。BLDCM定子每相感应电动势为梯形波，为了产生恒定的电磁转矩，要求功率逆变器向BLDCM定子输入三相对称方波电流，而SPWM、PM、SM定子每相感应电动势为近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。两种永磁无刷电动机中，方波无刷直流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单以及系统实现起来相对容易等优点。但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷，因电枢中电流和电枢磁势移动的不连续性而存在电磁脉动，而这种脉动在高速运转时产生噪声。在中低速，它是平稳的力矩驱动的主要障碍。转矩脉动又使得电动机速度控制特性恶化，从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用（尤其是在低速直接驱动场合）。因此，对于一般性能的电伺服驱动控制系统，通常选用方波无刷直流电动机及相应的控制方式。而PM、SM伺服系统要求定子输入三相正弦波电流，可以获得更好的平稳性，具有更优越的低速伺服性能。因而广泛用于数控机床，工业机器人等高性能高精度的伺服驱动系统中。

②三相永磁同步电动机。永磁同步电动机的磁场来自电动机的转子上的永久磁铁，永久磁铁特性很大程度上决定电动机的特性。在转子上安装永久磁铁的方式有两种。一种是将形成永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将成形永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势的分布不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：正弦波型和方波型永磁同步电动机，前者每相励磁磁动势分布是正弦波状，后者每相励磁磁动势分布呈方波状，根据磁路结构和永磁体形状的不同而不同。对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙，如果采用系统永磁材料，由于稀土永磁的取向性好，可以方便地获得具有较好方波形状的气隙磁场。对于采用非均匀气隙或非均匀磁化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。

2）交流异步伺服电动机

交流异步伺服电动机实际是小型两相交流异步电动机。其转子结构分笼型、非磁性空心杯和铁磁性空心杯等。交流异步伺服电动机在旋转磁场作用下运转。可采用幅值控制、相位控制、幅相控制和双相控制等。表2-9是部分交流伺服电动机技术数据。

● 幅值控制。励磁电压相位和幅值不变，改变控制电压幅值来控制转速，用控制电压相位超前或滞后励磁电压的方法控制电动机旋转方向。

● 相位控制。控制电压幅值不变，改变控制电压和励磁电压的相位差实现转速和转向控制，一般不采用此方法。

● 幅相控制。也称为电容控制。它保持励磁电压相位和幅值不变，通过电容分相改变控制电压幅值和相位实现转速和转向控制。

● 双相控制。始终保持励磁电压和控制电压的相位差为π/2，励磁电压和控制电压幅值随控制信号改变而同步改变，保证在圆形旋转磁场下改变其幅值实现转速控制，改变其超前和滞后关系来改变其转向。

表2-10是交流伺服电动机和直流伺服电动机的比较。

3）步进电动机

它是用脉冲信号控制的电动机，也称为脉冲电动机。它将电脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移。步进电动机特别适合在数字控制的开环系统中作为驱动电动机。

图2-21是步进电动机工作原理示意图。当A相控制绕组通电，因磁通总是沿磁阻最小路径闭合，因此，将转子的齿1、3和定子极A、A′对齐，如左图所示。当B相绕组通电，转子转过θ_s=30°，使转子的齿2、4和定子极B、B′对齐，如中图所示。如果C相绕组通电，转子将再转过30°，使转子的齿1、3和定子极C、C′对齐，如右图所示。

如果三相的电流如此循环，按A-B-C-A顺序通电，则电动机就按如图所示的方向转动。电动机的转速与控制绕组和电源接通或断开的变化频率有关。如果按A-C-B-A顺序通电，则电动机反向转动。

定子控制绕组每改变一次通电方式，称为一拍。电动机转子转过的空间角度称为步距角θ_s。上述通电方式称为三相单三拍。“单”指每次通电时，只有一相控制绕组通电。“三拍”指经三次切换控制绕组的通电状态为一个循环，第四拍通电时重复第一拍通电的情况。

由于单三拍通电方式在切换时一相控制绕组断电而另一相控制绕组通电间隙容易造成失步，单一控制绕组通电吸引转子，易使转子在平衡位置附近产生振荡，使运行不稳定，因此，这种单三拍通电方式很少采用。通常，采用双三拍通电方式，即AB-BC-CA-AB方式，或AC-CB-BA-AC通电方式。

此外，三相步进电动机还常采用三相单、双六拍通电方式，即A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A通电方式。

（2）直流伺服电动机

直流伺服电动机分传统结构和低惯量两类。传统伺服电动机的结构与直流电动机基本相同。低惯量直流伺服电动机分盘形电枢、空心杯电枢永磁和无槽电枢等三类。

他励式直流电动机的励磁电压恒定，负载转矩一定时，升高电枢电压可增高电动机转速，电枢电压极性改变，电动机旋转方向改变。因此，可用电枢电压作为控制信号，实现对电动机的转速控制。

电磁式直流电动机采用电枢控制时，励磁电压由外施直流电源励磁，永磁式直流电动机由电磁绕组励磁。表2-11是部分直流伺服电动机技术数据。

直流无刷伺服电动机将电枢放在定子，转子是永磁体，因此，电动机转动必须使定子电枢各相绕组不断换相通电，使定子和转子磁场直接保持90°左右的空间角，形成最大转矩，产生转矩推动转子旋转。

直流有刷伺服电动机和直流无刷伺服电动机的比较如下：

● 直流有刷伺服电动机成本高，结构复杂，启动转矩大，调速范围宽，容易控制，维护不方便，会造成电磁干扰，对环境有影响。

● 直流无刷伺服电动机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电动机免维护，不存在碳刷损耗的情况，效率很高，运行温度低，噪声小，电磁辐射很小，寿命长。