第二章 电机的控制
1、直流电机的控制
2、无刷直流电机的控制
3、交流伺服电机的控制
4、矢量变换原理
5、直线电机和平面电机二、原理
1、几个基本概念磁感应强度,B
表述磁场的大小和方向的量：
（单位实验绕组所受的最大力矩）
磁通量,Φ 通过一给定曲面的总磁力线数 。
第一部分 直流电机的控制
F力磁场电流
B
I
运动力磁场电动势右手定则反电动势
E=vBL磁场强度,H H =B /μ
μ,介质的磁导率（与介质相关的常数）
自感电动势,由于导体本身电流的变化引起磁通量的变化而产生的感应电动势,ε = -L dI/dt
互感电动势,由于其他导体电流的变化引起通过本绕组磁通量的变化而产生的感应电动势：
ε 12= -M dI2/dt,ε 21= -M dI1/dt
左手定则磁场对载流导线的作用力,df =I dL B
对于恒定磁场和绕组,F=BIL
右旋钻定则 I_-> B->F
第一部分 直流电机的控制一,直流电机用于控制电机的优点：
1,转矩可以十分简单地计算,系统设计十分简单；
2,响应高,适应大的角加速度 ；
3,瞬时力矩大：永久磁铁的励磁在转子大电流通过时也不产生畸变 。
直流电机的原理简图
S
N
dT
rsq
sB cF
rB
I
I
F
F
2、运动原理第一部分 直流电机的控制
N
弧极区
S
弧极区
+
+
+
++
++
++..
.
.
.
.,
.,
中性区有刷直流电机直流电机的绕组的磁力线和电流示意图控制时，需要靠整流子将电枢绕组的导线电流的流动变成上述分布的。
按照上述电磁理论可得：
速度 v=R ω
电机转矩,T=ZRBLI=KT Ia
反电动势,E=vBLZ/2=Keω
第一部分 直流电机的控制
3、等效电路图
Ra
Ia E=K
eωV
电压方程：
V=RaIa+Keω
转矩：
T=KT Ia
=KT /Ra(V-Keω )
E=vBLZ / 2
第一部分 直流电机的控制整流子 （ 换向片 ）
绝缘体绕组电刷 短路绕组应处于无磁通区 （ 中性区 ）,免受感应电动式 。
4、控制与结构图
5,直流电机的动特性考虑转子的惯性影响,J dω/dt
考虑电感的影响,LdIa/dt
电机扭矩,T =To + Jdω/dt (1)
电枢电压,V=Ia Ra + Keω + LdIa/dt (2)
电机扭矩,T =Kt Ia (3)
(1)(2) (3) 即可分析电机动特性
6,直流电机特点：
控制电磁的旋转方向,使两个磁场的力最大并能够产生旋转 。 要解决的问题：力矩的 脉动,死点,发热,损耗,
可靠性 等问题 。 从电机的结构,材料等所有的方式 。
第一部分 直流电机的控制第一部分 直流电机的控制三、直流伺服电机的控制
1,直流电机的作为 伺服电机 的关键就是使加在电枢上的电压发生变化 。 即由 V=RaIa+Keω 公式得,ω=(V-RaIa)/Ke，
改变电压从而改变速度 ω。
直流伺服电机控制结构图
TG PG
DC
伺服放大器偏差计算 D/A变换位置检测位置指令 速度指令电流指令速度检测电流检测
DC电源速度指令电压第一部分 直流电机的控制
2,伺服放大器两种放大方式,电压控制电流控制电流信号发生器 PWM
电流指令电流反馈
Tr1
Tr2
Tr3
Tr4
电刷整流子绝缘体绕组电刷由伺服放大器供电
（ 1） 电压控制,晶体管线性放大工作区,小功率 500瓦以下；
晶体管开关方式：大功率晶体管,PWM
电枢平均电压,V= E (tp - tn) / (tp+ tn)
（ 2） 电流控制,电流控制与电压控制仅增加了差动放大器,
将指令 值和反馈值之差放大,再变成电压控制 。
第一部分 直流电机的控制
tp t
n
电流波形
-E
E
电压指令
-E
E
电压指令三角波三角波
+
-
第二部分 无刷直流电机的控制一,无刷直流电机原理利用元件检测转子的位置 （ 磁场的位置 ）,控制定子绕组的通电次序 。 以使定子电磁场与转子磁场相互作用产生旋转扭矩 。 位置的检测用霍尔元件和光电元件 。
Tr
1
Tr
1
Tr
3
Tr
4
Tr
5
Tr
6
U V W
W
V U
T6
T1
T2
T5
T2
T3
光旋转方向指令
1
6
W
V
电流的磁场方向电流的磁场方向旋转磁场方向 S
N
通电顺序,100110->100101->101001->011001-
>011010->010110
第二部分 无刷直流电机的控制
2、利用霍尔元件测量的控制原理
a S
N
b
S N
c
S
N
霍尔元件霍尔元件霍尔元件W1
W2
Vh
1
Vh2
Vh
B
Ic
Vh
Vh1
Vh2
B
Tr2
W2W1
Tr1
B
S
N
W1
W
2
SHG1
HG2
HG2
HG1
Tr1
stator
Tr2
Tr3
Tr4
W
1
W
2 W4
W3
N
S
Vh1
Vh2
Vh3
Vh4
通电,
HG2(N)->Vh3->Tr2->W2
HG1(S)->Vh2->Tr3->W3
HG2(S)->Vh4->Tr4->W4
HG1(N)->Vh1->Tr1->W1
二相 （ 4相 ） 式霍尔电机第二部分 无刷直流电机的控制
1、直流电机的控制
2、无刷直流电机的控制
3、交流伺服电机的控制
4、矢量变换原理
5、直线电机和平面电机二、原理
1、几个基本概念磁感应强度,B
表述磁场的大小和方向的量：
（单位实验绕组所受的最大力矩）
磁通量,Φ 通过一给定曲面的总磁力线数 。
第一部分 直流电机的控制
F力磁场电流
B
I
运动力磁场电动势右手定则反电动势
E=vBL磁场强度,H H =B /μ
μ,介质的磁导率（与介质相关的常数）
自感电动势,由于导体本身电流的变化引起磁通量的变化而产生的感应电动势,ε = -L dI/dt
互感电动势,由于其他导体电流的变化引起通过本绕组磁通量的变化而产生的感应电动势：
ε 12= -M dI2/dt,ε 21= -M dI1/dt
左手定则磁场对载流导线的作用力,df =I dL B
对于恒定磁场和绕组,F=BIL
右旋钻定则 I_-> B->F
第一部分 直流电机的控制一,直流电机用于控制电机的优点：
1,转矩可以十分简单地计算,系统设计十分简单；
2,响应高,适应大的角加速度 ；
3,瞬时力矩大：永久磁铁的励磁在转子大电流通过时也不产生畸变 。
直流电机的原理简图
S
N
dT
rsq
sB cF
rB
I
I
F
F
2、运动原理第一部分 直流电机的控制
N
弧极区
S
弧极区
+
+
+
++
++
++..
.
.
.
.,
.,
中性区有刷直流电机直流电机的绕组的磁力线和电流示意图控制时，需要靠整流子将电枢绕组的导线电流的流动变成上述分布的。
按照上述电磁理论可得：
速度 v=R ω
电机转矩,T=ZRBLI=KT Ia
反电动势,E=vBLZ/2=Keω
第一部分 直流电机的控制
3、等效电路图
Ra
Ia E=K
eωV
电压方程：
V=RaIa+Keω
转矩：
T=KT Ia
=KT /Ra(V-Keω )
E=vBLZ / 2
第一部分 直流电机的控制整流子 （ 换向片 ）
绝缘体绕组电刷 短路绕组应处于无磁通区 （ 中性区 ）,免受感应电动式 。
4、控制与结构图
5,直流电机的动特性考虑转子的惯性影响,J dω/dt
考虑电感的影响,LdIa/dt
电机扭矩,T =To + Jdω/dt (1)
电枢电压,V=Ia Ra + Keω + LdIa/dt (2)
电机扭矩,T =Kt Ia (3)
(1)(2) (3) 即可分析电机动特性
6,直流电机特点：
控制电磁的旋转方向,使两个磁场的力最大并能够产生旋转 。 要解决的问题：力矩的 脉动,死点,发热,损耗,
可靠性 等问题 。 从电机的结构,材料等所有的方式 。
第一部分 直流电机的控制第一部分 直流电机的控制三、直流伺服电机的控制
1,直流电机的作为 伺服电机 的关键就是使加在电枢上的电压发生变化 。 即由 V=RaIa+Keω 公式得,ω=(V-RaIa)/Ke，
改变电压从而改变速度 ω。
直流伺服电机控制结构图
TG PG
DC
伺服放大器偏差计算 D/A变换位置检测位置指令 速度指令电流指令速度检测电流检测
DC电源速度指令电压第一部分 直流电机的控制
2,伺服放大器两种放大方式,电压控制电流控制电流信号发生器 PWM
电流指令电流反馈
Tr1
Tr2
Tr3
Tr4
电刷整流子绝缘体绕组电刷由伺服放大器供电
（ 1） 电压控制,晶体管线性放大工作区,小功率 500瓦以下；
晶体管开关方式：大功率晶体管,PWM
电枢平均电压,V= E (tp - tn) / (tp+ tn)
（ 2） 电流控制,电流控制与电压控制仅增加了差动放大器,
将指令 值和反馈值之差放大,再变成电压控制 。
第一部分 直流电机的控制
tp t
n
电流波形
-E
E
电压指令
-E
E
电压指令三角波三角波
+
-
第二部分 无刷直流电机的控制一,无刷直流电机原理利用元件检测转子的位置 （ 磁场的位置 ）,控制定子绕组的通电次序 。 以使定子电磁场与转子磁场相互作用产生旋转扭矩 。 位置的检测用霍尔元件和光电元件 。
Tr
1
Tr
1
Tr
3
Tr
4
Tr
5
Tr
6
U V W
W
V U
T6
T1
T2
T5
T2
T3
光旋转方向指令
1
6
W
V
电流的磁场方向电流的磁场方向旋转磁场方向 S
N
通电顺序,100110->100101->101001->011001-
>011010->010110
第二部分 无刷直流电机的控制
2、利用霍尔元件测量的控制原理
a S
N
b
S N
c
S
N
霍尔元件霍尔元件霍尔元件W1
W2
Vh
1
Vh2
Vh
B
Ic
Vh
Vh1
Vh2
B
Tr2
W2W1
Tr1
B
S
N
W1
W
2
SHG1
HG2
HG2
HG1
Tr1
stator
Tr2
Tr3
Tr4
W
1
W
2 W4
W3
N
S
Vh1
Vh2
Vh3
Vh4
通电,
HG2(N)->Vh3->Tr2->W2
HG1(S)->Vh2->Tr3->W3
HG2(S)->Vh4->Tr4->W4
HG1(N)->Vh1->Tr1->W1
二相 （ 4相 ） 式霍尔电机第二部分 无刷直流电机的控制
