交流马达与直流马达比较
直流电动机（DC Motor）的好处为在控速方面比较简单，只须 控制电压大小已可控制共转速，但此类电动机不宜在高温、易 燃等环境下操作，而且由于电动机中需要以碳刷作为电流变换 器（Commutator）的部件（有刷马达），所以需要定期清理炭 刷磨擦所产生的污物。 一般一付碳刷的设计寿命为 2000 小时左 右（83 天），也就是说如果马达连续工作 83 天，就应更换碳 刷，否则就会损坏换向器，最终导致转子短路，使马达不能正 常工作或报废。由于碳刷和换向器之间的摩擦，会产生噪音和 火花，因此会影响周围环境和安全。无碳刷之马达称为无刷马 达，相对于有刷，无刷马达因为少了碳刷与轴的摩擦因此较省 电也比较安静。但制作难度较高、价格也较高，一般在高精产 品中使用。
交流电动机（AC Motor）则可以在高温、易燃等环境下操作， 而且不用定期清理碳刷的污物，但在控速上比较困难，因为控 制交流电动机转速须要控制交流电的频率（或使用感应马达， 用增加内部阻力的方式，在相同交流电的频率下降低电动机转 速），控制其电压只会影响电动机的扭力。一般民用马达之电 压有 110V 和 220V 等两种，在工业应用还有 380V 或 440V 等型 态。
以下为直流电动机的工作原理图:
此为一个简单的直流电（D.C.） 电动机。当线圈通电后，转子周 转子依靠惯性继 围产生磁场，转子的左侧被推离 续转动。 左侧的磁铁，并被吸引到右侧， 从而产生转动。
当转子运行至水平位置时电 流变换器将线圈的电流方向 逆转， 线圈所产生的磁场亦同 时逆转，使这一过程得以重 复。
直流马达的基本构造包括“电枢”、“场磁铁”、“集电环”、“电 刷”。 1. 电枢:可以绕轴心转动的软铁芯缠绕多圈线圈。 2. 场磁铁:产生磁场的强力永久磁铁或电磁铁。 3. 集电环:线圈约两端接至两片半圆形的集电环， 随线圈转动， 可 供改变电流方向的变向器。每转动半圈（180 度），线圈上的 电流方向就改变一次。 电刷:通常使用碳制成，集电环接触固定位置的电刷，用以接至
基本构造
电动机的种类很多，以基本结构来说，其组成主要由定子（Stator） 和转子（Rotor）所构成。 定子在空间中静止不动，转子则可绕轴转动，由轴承支撑。 定子与转子之间会有一定空气间隙，以确保转子能自由转动。
定子与转子绕上线圈，通上电流产生磁场，就成为电磁铁，定子和转 子其中之一亦可为永久磁铁。 4. 电源。
7.1 三相异步电动机的工作原理与结构 三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在 某
些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机 结构基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图 7.11 所示 是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。
图7.11 封闭式三相异步电动机的结构
1—端盖 2—轴承 3—机座 4—定子绕组 5—转子 6—轴承 7—端盖 8—风扇 9—风罩 10—接线盒
一、基本结构类型 基本组成 定子——由定子铁心和三相绕组构成； 作用：建立旋转磁场； 转子——由转子铁心和转子绕组构成； 作用：在旋转磁场作用下，产生感应电流和电磁力矩，并输出机械功率。 基本类型（按转子结构不同分类） 笼形转子型和绕线转子型
一、基本结构类型 基本组成 定子——由定子铁心和三相绕组构成； 作用：建立旋转磁场； 转子——由转子铁心和转子绕组构成； 作用：在旋转磁场作用下，产生感应电流和电磁力矩，并输出机械功率。 基本类型（按转子结构不同分类） 笼形转子型和绕线转子型
1、什么是变频器？ 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置。 2、PWM 和 PAM 的不同点是什么？ PWM 是英文 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉 冲 列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。 PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅度调制) 缩写，是按一定 规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。 3、电压型与电流型有什么不同？ 变频器的主电路大体上可分为两类： 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频 器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其 直流回路滤波石电感。 4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？ 异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的， 在额 定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时 将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器 输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制 方式多用于风机、泵类节能型变频器。 5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果 频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？
交流异步电动机变频调速原理： 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、 频率固定不变的交流电变成 电压、频率都可调的交流电源。 现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF 变频或矢量控制变频） ，
先把工频
交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、 电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、再次整流（直流变交流） 、制动单元、 驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
交-直部分 整流电路：由 VD1-VD6 六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于 380V 的 额定电源，一般二极管反向耐压值应选 1200V，二极管的正向电流为电机额定 电流的 1.414-2 倍。
电机的旋转速度为什么能够自由地改变？
*1: r/min 电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为 rpm. 例如：2 极电机 50Hz 3000 [r/min] 4 极电机 50Hz 1500 [r/min] $电机的旋转速度同频率成比例 本文中所指的电机为感应式交流电机， 在工业中所使用的大部分电机均为此 类型电机。 感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机 的极数和频率。 由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该 极数值不是一个连续的数值（为 2 的倍数，例如极数为 2，4，6） ，所以一般不 适和通过改变该值来调整电机的速度。 另外， 频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可 以被自由的控制。 因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。
n = 60f/p n: 同步速度 f: 电源频率 p: 电机极对数 $ 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁） ， 导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机 的额定电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从 50Hz 改变到 25Hz，这时变频器的输出电压就需要从 400V 改变到约 200V 2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？ *1: 工频电源 由电网提供的动力电源（商用电源） 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率， 电机将被烧坏。 特别是当频率降低时， 该问题就非常突出。 为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从 60Hz 改变到 30Hz，这时变频器的输出电压就必须从 400V 改变到约 200V。 如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。 变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。 使用寿命随温度升高而成指数 的下降。环境温度升高 10 度，变频器使用寿命减半。 因此，我们要重视散热问 题啊！ 在变频器工作时，流过变频
器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常 大的，不能忽视其发热所产生的影响 通常， 变频器安装在控制柜中。 我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算: 发热量的近似值＝ 变频器容量（KW）× [W] 在这里, 如果变频器容量是 55 以恒转矩负载为准的 (过流能力 150% * 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流 电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面 或测上方比较好。 这时可以用估算: 变频器容量（KW）× [W] 因为各变频器厂家的硬件都 60 差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品. 注意： 如果有制动电阻的话，因为制 动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上 面或旁边等。
变频器制动的情况 1: 制动的概念 指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步 转速。 负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小） 随着物体的运 动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。 机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。 对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产 生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消 耗。 在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行 制动。 这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。 在减速期间， 产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回 送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。 在实际中， 这种应用需要“能 量回馈单元”选件。 变频器类型选择 变频器可分为通用型和专用型， 一般的机械负载和要求高过载情况，选择通用型 变频器。专用型变频器又可分为风泵专用型、电梯专用型、张力控制专用型等。 根据自身应用环境加以选择。 变频器容量选择 变频器的容量选择是最重要的，应从负载的实际负荷电流、启动转矩、控制方式 来合理选择。如负载是风机、水泵，则选择风泵专用型与电机同功率即可；对罗 茨风机和深井泵应选择风泵专用型比电机功率大一档的变频器。 启动转矩是容易 忽视的选项，对大的惯量负载，变频器可能要比电机功率加大数档。 变频器性价比选择 变频器的性价比是仁者见仁，智者见智。在这里不多说了，不要看广告，要看疗 效。 变频器售后服务选择 变频器的售后服务是选择品牌的关键， 进口品牌质量可靠， 价格高， 售后服务好， 但是过了保修期，维修的价格非常高
。国产品牌质量良莠不齐，质量好的已和进 口品牌不相上下，质量差的就不好说了。售后服务好，即使过了保修期，维修价 格也算公道。
Pulse Wavelength Modulation -- 脉波调制
脉冲宽度调制(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非常有效的 技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制是开关型稳压电 源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了 PWM 型，还有 PFM 型和 PWM、PFM 混合型。 脉宽调制式开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下， 通过电压反馈调 整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。 PWM 一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开 关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条 件变化时保持恒定。
PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占 空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给 定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以 一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。 通的时候即是直流供电被加 到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。
直流电机
定义输出或输入为直流电能的旋转电机， 称为直流电机， 它是能实现直流电能和机械能互相 转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是 直流发电机，将机械能转换为电能。 目录 直流电机的结构1. 定子 2. 转子(电枢) 直流电机的可逆运行原理 直流电机的分类 直流电机的励磁方式1．他励直流电机 2．并励直流电机 3．串励直流电机 4．复励直流电机 直流发电机 直流电机铭牌 直流电机的励磁方式1．他励直流电机 2．并励直流电机 3．串励直流电机 4．复励直流电机 直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理 二、直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电机控制器设计1 引 言 2 控制器结构与原理 3 芯片功能 4 实验与结论 5 结 语
展开
编辑本段直流电机的结构
由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由 定子和转 子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生 磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分 称为转子，其主要
作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢 纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
1. 定子
（1）主磁极
主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一 般用0.5mm～1.5mm 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面 套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整 气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁 极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上， 4—主磁极 5—换向极 换向极 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 （2）
6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生
的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如 8.6 所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极 相等。 （3）机座 电机定子的外壳称为机座，见图8.4中的3。机座的作用 向极和端盖，并起整个 二是机座本身也是 有两个：一是用来固定主磁极、换 图8.5 主磁极的结构 电机的支撑和固定作用； 1—主磁极 2—励磁绕组 3—机座
磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座 具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 电刷装置 4） 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图8.7所示。电
刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷 与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上， 相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加 以固定。
图1.6 换向极 图1.7 电 刷装置 极绕组 3—压紧弹簧 4—刷辫
1—换向极 铁心 1—刷握2—电刷
2—换向
2. 转子(电枢)
（1）电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一 般 电 枢 铁 心 采 用 由 0.5mm 厚 的 硅 钢 片 冲 制 而 成 的 冲 片 叠 压 而 成 (冲 片 的 形 状 如 图 8.8(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心 固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。
（2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行
能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而
成，线圈采用高强度
漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌 放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止 离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图8.9所示。线圈伸出槽外的端接部 分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 （3）换向器 在直流电动机中，换向器 配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定 不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转 换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片 之间用云母片绝缘，换向 图8.9 电枢槽的结构 片的紧固通常如图8.10所示，换 尾形，两端用钢制 V 形 螺母锁紧。 向片的下部做成鸽 1—槽楔 2—线圈绝缘 3—电枢导体
套筒和 V 形云母环固定，再用4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘
4）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
图 8.10 换 向 器 结 构 图 8.11 单 叠 绕 组 元 件 2—末端 3—元件边 4—端接部分 5—换向片
1—换 向 片 2—连 接 部 分 1—首 端
编辑本段直流电机的可逆运行原理
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在 电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极 N、S 之间旋转时，电枢 绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网） ， 对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直
流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极 N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动 转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。
编辑本段直流电机的分类
按结果主要分为直流电动机和直流发电机 直流无刷电机 按类型主要分为直流有刷电机和
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势
而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
编辑本段直流电机的励磁方式
1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机 称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中 M 表示电动机，若为发电机，则用 G 表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发 电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁 绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与
他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（ c） 所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（ d）所示。若串励绕组产 生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反， 则称为差复励。 并励式和和复励式。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动 机的主要励磁方式是并励式、 串励式和复励式， 直流发电机的主要励磁方式是他励式、
直流发电机
直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、 电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地 方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些 工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。
编辑本段直流电机铭牌
国产电机型 号一般 采用大写的英文 的汉语 拼音字母的阿拉 伯数字 表示，其格式
为： 第一部分用大写的拼音字母表示产品代号， 第二部分用阿拉伯数字表示设计序号， 第三部分用阿拉 伯数字 表示机座代号， 第四部 分用阿拉伯数字 表示电 枢铁心长度代 号。 以 Z2---92为例：Z 表示一般用途直流电动机；2表示设计序号，第二次改 第一部分字符含义如下： Z ZY 系列：永磁直流电机 ZQ 系列：直 型设计； 9表示机座序号；2电枢铁心长度符号。 ZJ 系列：精密机床用直流电机 流牵引电动机 ZKJ 系列：挖掘机用直流电动机
系列：一般用途直流电动机（如 Z2 Z3 Z4 等系列） ZH 系列：船用直流电动机
ZT 系列：广调速直流电动机
ZA 系列：防爆安全型直流电动机
ZZJ 系列：冶金起重机用直流电动机
编辑本段直流电机的励磁方式
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的 问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
直流电机的励磁方式
1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机 称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中 M 表示电动机，若为发电机，则用 G 表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发 电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁 绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（ c） 所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（ d）所示。若串励绕组产 生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反， 则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动
机的主要励磁方式是并励式、 串励式和复励式， 直流发电机的主要励磁方式是他励式、 并励式和和复励式。
编辑本段直流电机的工作原理
一、直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷 的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 导体中感应电动势的方向。 ） 图1.1 直流发电机原理模型 流发电机原理模型 感应电动势的方向 按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是 在图1.1所示瞬间，导体 a b 、c d 的感应电动势 当线圈逆时针方向旋转180° 时，这时导体 c d 位于 图1.2 直 方向分别由 b 指向 a 和由 d 指向 c 。这时电刷 A 呈正极性,电刷 B 呈负极性。 N 极下，导体 a b 位于 S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。
从图看出，和电刷 A 接触的导体永远位于 N 极下，同样，
和电刷 B 接触的导体永远位于 S 极下。因此，电刷 A 始终有正极性，电刷 B 始终 有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈 数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动 势。这就是直流发电机的工作原理。
二、直流电动机的工作原理
导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这 个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方 向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其 它负载转矩） ，电枢就能按逆时针方向旋转起来。 图1.3 直流电动机的原理模型 当电枢转了180° 后，导体 cd 转到 N 极下，导体 ab 转到 S 极下时，由于直流电源供 给的电流方向不变，仍从电刷 A 流入，经导体 cd 、ab 后，从电刷 B 流出。这时导 体 cd 受力方向变为从右向左，导体 ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方 向仍为逆时针方向。 图1.4 直流电动机原理模型 因此，电枢一经转动，由 于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab 和 cd 流入，使线 圈边只要处于 N 极下，其中通过电流的方
向总是由电刷 A 流入的方向，而在 S 极 下时，总是从电刷 B 流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个 方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的 工作原理。
编辑本段永磁无刷直流电机控制器设计
1 引 言
随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、 价格问题已经是选择家用电器的主要因素。永磁无刷直流电机既具有交流伺服电机的
结构简单、 运行可靠、维护方便等优点，又具备直流伺服电机那样良好的调速特性 而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。MOTOROLA 第二代电机控 制专用芯片的出现，给永磁无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利。这些芯 片控制功能强，保护功能完善，工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单，抗干 扰能力强，特别适用于工作环境恶劣，对控制器体积，价格性能比要求较高的场合。
2 控制器结构与原理
2.1 控制器结构 MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代无刷直流 电机控制专用集成电路，加上1片 MC3309 电子测速器将无刷直流电动机的转子位 置信号进行 F/V 转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。外接 6 个 功率开关器件组成三相逆变器，就可驱动三相永磁无刷直流电机，控制器电路构成， 如图 1 所示，图中 S1 控制电机转向，S2 控制系统起停，S3 选择系统开环或闭 环运行，S4 控制系统制动，S5 选择转 障 子位置检测信号为 60° 120° 或 方式， S6 控制系统的复位。电位器 RP1 用以设定所需电机转速，发光二板管 L1 用作故 指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、3种欠电压之一（芯片电 压低于9.1V，驱动电路电压低于9.1V，基准电压低于4.5V） 、芯片内部过热、起停端 低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。故障排除后，经系统复位才能恢复正常 工作。 2.2 控 制 原 理 从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号 （SA,SB,SC）一方面送入 ) MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起 停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器 三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷 直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥 PWM 控制信号 （Ar ,Br, Cr）经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的 6个开关管上，使其产生出供电机 正常运行所需的三相方波交流电流。 另一方面，转子位置检测信号还送入 MC33039 经 F/V 转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号 FB。FB
通过 简单的 阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用 MC33035 中的误差放大器即可构 成一个简单的 P 调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实 际应用中，还可外接各种 PI, PD，调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。
3 芯片功能
3.1 MC33035 结构组成及功能 置传感器译码电路； 可设定的锯齿波振荡器； 比较器； 等故障输出； 其主要组成部分包括： （ 1 ）转子位 （ 3 ）频率 （ 2 ）带温度补偿的内部基准电源； （ 4 ）误差放大器；
（ 5）脉宽调制（PWM）
（ 6 ）输出驱动电路； （ 8 ） 限流电路。
（ 7 ）欠电压封锁保护芯片过热保护 该集成电路的典型控制功能包括 PWM 开 该译码电路将
环速度控制，使能控制（起动或停止） ，正反转控制和能耗制动控制，适当加上一些 外围元件，可实现软起动。 3.1.1 转子位置传感器译码电路 电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和三路下 侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。输入端脚
4、5、6 都设有提升电阻，输入电路分 TTL 电路电平兼容，门槛电压为2.2V。该集 成电路适用于传感器相位差为,60° 、120° 、240° 、300° 四种情况的三相无刷电动机。 由于 3 个输入逻辑信号，可有 8 种逻辑组合。其中 6 种正常状态决定了电动机 , 个不同位置状态。其余 2 种组合对应于位置传感不正常状态，即 3 个信号线开路或 对地短路状态，此时脚 14 将输出故障信号（低电平） 。 用脚 3 逻辑电平来确 定电动机转向。当脚 3 逻辑状态改变时，传感器信号在译码器内将原来的逻辑状态 改变成非，再经译码后，得到反相序的换向输出，使电动机反转。电动机的起停控制 由脚 7 使能端来实现。当脚 7 悬空时，内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若 脚 7 接地，3 个上侧驱动输出开路（1 状态） ，3 个下侧驱动输出强制为低电平（ 0 状态） ，使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。 当加到脚 23 上的 制动信号为高电平时， 电动机进行制动操作。 它使 3 个上侧驱动输出开路， 下侧 3 个 驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧 3 个功率开关导通，使电动机 3 个绕组端对地 短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚 23 的制动信号和上 侧驱动输出 3 个信号， 它的作用是等待 3 个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态 后，才允许 3 个下侧驱动输出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时 导通的危险，其控制真值表，如表1示。 3.1.2 误差放大器 该芯片内设有 高性能，全补偿的误差放大器
。在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为 80dB ，增益带宽为 0.6MHz,输入共模电压范围从地到 VREF（典型值为 6.25V ） ， 可得到良好性能。作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为 1 的电压跟随器， 即速度设定电压从其同相输入端脚 11输入。脚 12～13 短接。 器 3.1.3 脉宽调制 除非由于过电流或故障状态使 6 个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放
大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后， 产生脉宽调制 PWM ） （ 信号， 控制 3 个 下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控 制其转速和转矩。脉宽调制时序图，如图 3 示。 3.1.4 电流限制 外接逆 变桥经一电阻 Rs 接地作电流采样。 采样电压由脚 9 和脚 15 输入至电流检测比较 器。比较器反相输入端设置有 100mV 基准电压，作为电流限流基准。在振荡器锯齿 波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下 Rs 触发器重置，将驱动输出关 闭，以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。 利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许最大电流为 Imax ，则采样电阻 按下式选择： 在脚 Rs = 0.1/ Imax 为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作， RC 低 通 滤 波 器 。 3.2 MC33039 电 子 测 速 器 9 输入前可设置
MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高 价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机 转子位置传感器 3 个输出信号， F / V 变换成正比于电动机转速的电压。 经 从 MC33039 结构图图 4 可知，脚 1 、 2、 3 接收位置传感器 3 个信号，经有滞 后的缓冲电路，以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下 6 个脉冲 的信号。再经有外接定时元件 CT 和 Rr 的单稳态电路，从脚 5 输出的 fout 信号 的 占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤
波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。三相电动机中应用时的波形图中， fout 是脚5输出，Vout， （AVG）表示它的平均值，即直流分量。
4 实验与结论
为了更好的验证前面理论的可行性及安全性，按设计进行了实验。 备 4.1 准 实验 的 主 要 部 分 _ 控 制 电 路，设 计 为 MC33035 和 MC33039 首先要作调整的是电源。试验
所组成的闭环系统。由于实验条件的限制，我们对实验电路作了一些必要的调整，这 些调整并没有影响系统的功能以及实验的结果。 中选用的电机是三相六极电机，n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。在供电电源 和 MC33035 的 脚 17 之 间 加
入 LM317 稳 压 三 端 以 保证 MC33035的 Vcc 在许可的范围内。LM317 是 50V 输入、 15V 输出的稳压三端。它的基本电路 结构，如图 5 示。 其次，该闭环速度控制系统中，用 3 个霍尔集成电路作转 子位置传感器。用 MC33035 的脚 8 参考电压（6.24V）作为它们 的 电 源。霍 尔 集 成 电 路 输 出 信 号 送 至 MC33039 和 MC33035。实验中的电动机是六极 的，从 MC33039 的脚 5 输 出的脉冲数是电动机每一转输出的 3×6 = 18 个 脉冲。按电动机的最高转速来选择定时元件。实验中电动机的最高转速为1500r/min 即 1500/60 = 25r/s 。此时每秒输出脉冲数是 25×18 = 450个。即其频率为 450Hz， 周期约为 2.2ms 。由 MC33039 说明书，取定时元件参数 R1=1MΩ，C1 = 750PF， 单稳态电路产生脉冲宽度为 95µs 。 8 接 MC33035 的基准电压。 5 输 脚 脚 出经电阻 R3 接 MC33035 的脚 12 ，即误差放大反相输入端。放大器此时增益为 10 ， 电 容 C3, 起 滤 波 平 滑 作 用 。 MC33035 振 荡 器 参 数 ： R2 =5.1kΩ ， C2 = 0.01µF ， PWM 频 率 约 为 24kHz 。 另外，因无法做成图 1 所示的 NPN-PNP 逆变桥。故用了 N 沟道的 VMOS 管，可组成六路逆变桥的电路，由于 上 侧 驱 动 信 号 只 能 直 接 驱 动 p 沟 道 的 VMOS 管 而 下 侧 可 直 接 驱 动 N 沟 道 的 VMOS 管。因而上桥臂与逆变桥之间的电路中加入反相器将驱动信号变非即可。组 成后的电路图，如图 6 示。 4.2 实验结论 在电机实际操作之前，以手动 手动工作的结果：实验所得 两 方式转动电机，用万用表测量电机上设置的霍尔传感器的三路输出信号与 MC33035 输出信号真值表是否一致。实验结果，如表 2 示。 与理论真值表一致。 电机在电源驱动情况下的实验波形， 如图７、 ８示。
图中的上侧曲线均为传感器输出的 ＳＢ ，图 ７的下侧曲线为Ｓc ，图 8 的下侧 曲线为 SA。对照可知，实验输出与理论相符。 测量电流波形时，首先，将一 驱动电动机逆变器的主回路引出，在电线上装置电流传感器，再接入一 5Ω 的测量电 阻后接地。然后以示波器测量电流传感器的电流，即流经电阻的波形，即电机电流波 形。如图 9 示。 可是，图 9 中的波形并不与理论。只是在周期内的分布有点 相同，但波形上区别较大。这是由于电机处于空载运行所致。因为在实验中，无刷电 机是运行在空载状态，逆变器的每一次换相，带来的冲击电流大于满载状态时，没有 负载消耗平缓电流的波动。 示。 接着做起动加速运行的波形测试。实验以某一 MC33035 的上侧驱动输出和 MC33035 的 fout 为实验对象。 测得的波形， 如图 10, 理论上这一波形应该是上侧输出的波形不因速度控制器的变动而改变，而
fo
ut 波形则应该随速度控制器的变动而改变一周期内脉冲的数量， 从而改变电动机两 端的平均电压，改变电动机转速。 加，即电机加速。 但由于试验中的种种客观原因，导致了显示 的波形出现了缺相的现象。但图中仍可看到下侧的驱动波每一周期的脉冲数量逐渐增 在故障测试中，用一电位器接入控制电路的电源输入端，改 变控制电路的电源电压 Vcc ，看电路对故障信号的反应。在试验过程中，电源电压 Vcc 从 15V 不断被调低 ，当到达 10.5V 左右时，报警电路驱动 LED 点亮，故障 报警。
5 结 语
虽然在实验中，出现了一些与理论不太符合的现象，但总体来说，实验的结果基 本达到了预期的结果，证明了运用小型无刷直流电机作家用传动装置的实际可行性。
交流电机
交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。 由于交流电力系统的巨大发展， 交 流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换 向） ，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的 电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80 年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。 目录 交流电机分类按功能 按品种 转差率 交流电机的电源和变频调速交流电机电源 交流电机变频调速 交流电机直接转矩控制简介 直接转矩控制技术概述 特点 控制 电机模型和直接转矩控制策略 直接转矩控制方法 无差拍空间矢量调制方法 转矩或磁链的预测控制方法 预测控制 基于检测反电势的离散时间直接转矩控制 基于几何图形的无差拍控制 离散空间矢量调制(DSVM)方法 由 PI 调节器输出空间电压矢量的方法 注入高频抖动提高开关频率 大容量的直接转矩控制的低速控制策略 直接转矩控制技术的未来
展开
编辑本段交流电机分类
按功能
交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类。由于 电机工作状态的
可逆性，同一台电机既可作发电机又可作电动机。
把电机分为发电机与电动机
并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电动机运行。
按品种
交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。同步电机转子的转速 ns 与旋 转磁场的转速相同，称为同步转速。ns 与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(P) 之间有严格的关系。 ns＝f/P 在中国，电源频率为50赫，所以三相交流电 机中一对极电机的同步转速为3000转/分，三相交流电机中两对极电机的同步转速为 1500
转/分，余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步 之名由此而来。 异步电机转子转速与旋转磁场转速之差 （称为转差） 通常在 10％以内。
编辑本段转差率
S=n0-n/n0 (n0为同步转速，n 为空载转速）
交流电机-韩国 SPG 小型交流电机
由此可知，交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此 ,交
流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率，而以往要改变电源频率是比 较复杂的。所以70年代以前，在要求调速的场合，多用直流电机。随着电力电子技术 的发展，交流电动机的变频调速技术已开始得到实用。
编辑本段交流电机的电源和变频调速
交流电机电源
交流电机一般采用三相制， 因为三相交流电机与单相电机相比， 无论在性能指标， 原材料利用和价 格等方 面均有明显的优 越性。 同样功率的三相 电机比 单相电机体积 小，重量轻，价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩，为解决起 动问题，需采取一些特殊的措施。单相电机的转矩是脉动的，噪声也比较大，但所需 的电源比较简单，特别是在家庭中使用十分方便。因此小型家用电机和仪用电机多采 用单相电机。
交流电机变频调速
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方 式来控制交流电机的电力传动元件。 交流电动机调速变频器的特点:
交流电机调速变频器
■低频转矩输出180% ，低频运行特性良好 电机 减速、动转中失速防止等保护功能 定性和精确性 式，通用性强 ■高速停机时响应快
■输出频率最大600Hz，可控制高速 ■加速、
■全方位的侦测保护功能(过压、欠压、过载)瞬间停电再起动
■电机动态参数自动识别功能，保证系统的稳 ■丰富灵活的输入、输出接口和控制方 ■
■采用 SMT 全贴装生产及三防漆处理工艺，产品稳定度高
全系列采用最新西门子 IGBT 功率器件，确保品质的高质量
编辑本段交流电机直接转矩控制
简介
目前几种比较常见的直接转矩控制策略中，对于中小容量而言，控制方案重点在 于进行转矩、磁链无差拍控制和提高载波频率。对大容量来说，其区别在于低速时采
用了间接转矩控制，从而达到低速时降低转矩脉动的目的。
直接转矩控制技术概述
相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等 方面具有足够的优势，使得交流调速已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以 及日常生活之中。随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速 技术也得到了长足的发展。目前在高性
能的交流调速领域主要有矢量控制和直接转矩 控制两种。 1968年 Darmstader 工科大学的 Hasse 博士初步提出了磁场定向控制(Field Orientation)理论，之后在1971年由西门子公司的 F.Blaschke 对此理论进行了总结和 实现，并以专利的形式发表，逐步完善并形成了现在的各种矢量控制方法。
特点
对于直接转矩控制来说，一般文献认为它由德国鲁尔大学的 M.Depenbrock 教授 和日本的 I.Takahashi 于1985年首先分别提出的。 对于磁链圆形的直接转矩控制来说， 其基本思想是在 准确观 测定子磁链的空 间位置 和大小并保持其 幅值基 本恒定以及准 确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时 旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。在控制思 想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不 需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。
控制
事实上，1977年 A· Plunkett 曾经在 IEEE 的工业应用期刊上提出了类似于目前 B· 直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，在这种方法中，转矩给定与 反馈之差通过 PI 调节得到滑差频率，此滑差频率加上电机转子机械速度得到逆变器 应该输出的电压定子频率；定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频 率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过 SPWM 方法对电机进行控制。 直接转矩控制提出来将近有20年了，目前在此基础上已 经发展出来了多种控制策略及其数字化实现方案、磁链观测以及速度辨识的方法，本 文将对它们进行分类，并作分析和比较。
电机模型和直接转矩控制策略
直接转矩控制是基于静止坐标系 下来进行控制的，如图1所示，在传统的直接转 矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速(在无速度传感器 DTC 中不需要测速)进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给 定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较，输出转矩和磁链的增、减信号，把这 两个信号输入优 化矢量 开关表，再加上 定子磁 链所在的扇区就 得到了 满足磁链为圆 形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽 度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。
直接转矩控制方法
直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是 建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的 Bang-Bang 控制基础之上的控制方法，不可避 免地造成了低速开
关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了直接转矩控制 在低速区的应用。针对于此，国内外有很多学者提出了各种提高开关频率、固定开关 频率以及减小转矩脉动的方法，本节将逐一列出分析比较。
无差拍空间矢量调制方法
T.G.Habetler 的空间矢量调制方法 的给定值与反馈值之差。 无差拍的目的。 把无差拍方法应用于直接转矩控制首先 是由美国人 T.G.Habetler 提出来的。 这种方法的主要思想是在本次采样周期得到转矩 空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过相邻 的两个基本的电压矢量合成而得。利用计算出来的空间电压矢量可以达到转矩和磁链 利用 Habetler 的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩 误差为零，从而消除转矩脉动，可以弥补传统 DTC 的 Bang-Bang 控制的不足，使电 机可以运行于极低速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压矢量可以使开关频率 相对于单一矢量大幅提高并且使之固定，这对于减少电压谐波和电机噪声是很有帮助 的。 但是，空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能同时满足 磁链和转矩无差拍控制。因此作者提出了三个步骤，首先是否转矩满足无差拍，如果 不满足再看是否磁链满足无差拍，如果还不满足就按照原有直接转矩控制矢量表来选 取下一周期的单一电压矢量。因此按照 Habetler 的无差拍方法最大的计算量有四个 步骤，这将耗费很大的计算资源，不易实现，另外在整个计算过程中对电机参数的依 赖性比较大，这将降低控制的鲁棒性。
转矩或磁链的预测控制方法
在 T· Habetler 的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现， G· 因此出现了一系列的简化的无差拍直接转
交流电机-韩国 SPG 交流电机全系列
矩控制，比较典型的是转矩跟踪预测方法。在这种方法中，分析了低速转矩脉动的情 况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论。 非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化 的作用是不同的，前者可以使转矩上升或下降，而后者总是使转矩下降。另外，在不 同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。在转矩预测控制方法中，电
压矢量在空间的位置是固定不变的，合成在两个单一电压矢量的中间，但是电压矢量 不是作用整个采样周期，而是有一定的占空比，在一个采样周期中可以分为非零电压 矢量和零电压矢量。如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的 转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差。 将消除转矩误差，达到转矩无差拍 控制的目的。即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压
矢量来代替，因此是非常易于实现的，从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本上对称， 说明转矩的脉动已经大为减少。上法认为磁链被准确控制或变化缓慢，而没有考虑磁 链的无差拍控制，在文献中对磁链也进行了预测控制。
预测控制
在这中方法中， 通过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近似得到： 其中 ΔΨS 是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，θVΨ 是二者的空间角度。设第 k 采样周期的 磁链误差为 ΔΨSO，那么根据公式(5)，可以得到使第 k+1周期磁链误差为零的矢量作 用时间为。以转矩控制优先为原则，根据转矩预测控制计算出来的矢量作用时间和磁 链预测控制计算出来的作用时间可以得到综合的矢量作用时间。考虑磁链的无差拍控 制之后相对于单纯的转矩无差拍控制效果好，既消除了转矩脉动，又不会产生磁链畸 变，并且计算量不会太大。除了上述的转矩无差拍控制方法，在文献中也采用了类似 的方法，最后的电压矢量计算作用时间也基本相同，此处不详述。同 Habetler 的无 差拍方法一样，预测方法也要用到比较多的电机参数，如果能在线实时辨识定子电阻 和转子时间常数，将大大提高控制精度。
基于检测反电势的离散时间直接转矩控制
离散时间直 接转矩 控制使用离散时 间的方 法进行异步电机 的控制 在文献中已经 有了比较详细的介绍，在文献中，首次把这种方法使用于直接转矩控制，其基本方法 如下:对由电机的基本电路模型得到的电压方程和磁链方程进行离散化 如下： a， b 的定义对转矩方程也进行离散化，并把方程(7)代入其中，同时也把方程(7)代入到 磁链的幅值平方表达式中去，利用离散的转矩方程和离散的磁链幅值平方式可以求解 出下一周期的的空间电压矢量的增量 ΔVSx 和 ΔVSy，代入以下方程可以得到转矩和 磁链无差拍控制的电压矢量，并对其进行了限幅： 离散时间直接转矩控制可以 通过差分方程，把 k+1周期的所应达到的转矩和磁链递推出来，因此可以同时达到转 矩和磁链的无差拍控制，从实现方式上是很适合于数字化控制的，另外这种方法主要 基于定子侧进行控制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，对电机参数变化的鲁棒 性比较好，从实验结果来看，系统的动态响应性能是比较好的。但是在这种方法中， 需要检测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，另外，计算量也比较大。
基于几何图形的无差拍控制
在文献中，对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表达的转矩方程 进行离散化，之后把前两个方程带入到转矩方程中去。通过离散的转矩方程分析可以 知道施加电压
矢量可以使转矩误差为零，转矩变化到平面上的一条直线上，这条直线
与转子磁链矢量方向平行。采取同样的方法可以分析知道施加电压矢量可以使磁链误 差为零，磁链变化到平面上的一个园上，这个园与与磁链园同心。于是利用直线和园 的交点就可以得到使转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，当然这个电压矢量受到逆变 器所能输出的电压大小的限制。 把几何图形引入到无差拍的控制中来是一个比 较好的思路，可以得到最优的无差拍控制的电压矢量，同时也有助于理论上的分析。 但是就如何把图 形方式 和数字化控制结 合起来 从实现方式上来 说还是 存在有一定的 难度。
离散空间矢量调制(DSVM)方法
无差拍的直接转矩控制从理论上可以最大化地消除转矩和磁链的的误差，克服了 Bang-Bang 控制不精确性的弱点，但是需要比较大的计算量，并且这些计算都是与电 机参数有关，容易引起计算上的误差。因此在文献中提出了既不需要多少计算，又能 提高转矩和磁链控制精度的离散空间矢量调制方法。 在离散空间矢量调制方法 中，通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进 行有规律的合成，如图3是使用相邻的单一矢量2和单一矢量3以及零电压矢量合成出 来的空间电压矢量。从图3中可以看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段，每 一段由非零电压矢量或零电压矢量组成， 如空间电压矢量23Z 是由矢量2和矢量3以及 零电压矢量各作用1/3采样周期，可以采用5段式或7段式方式合成(文中没说明)，利用 这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量。 制，而考虑到转 细化的电压矢量可以对 转矩和磁链进行更精确的控制，文献中对磁链使用了传统的2级滞环 Bang-Bang 控
交流电机-韩国 SPG 小型电机感应电机系列
矩需要动态响应快，对其划分了5级滞环 Bang-Bang 控制，如图4所示，不同的误差 带内使用不同的电压矢量表。另外，作者通过推导得到电压矢量对转矩变化的影响式 子如下所示： 从式(10)中可以看出同一电压矢量在低速和高速对转矩变化的影 响是不同的。因此，在不同的速度范围使用了不同的电压矢量，如图3所示。从另一 方面看，低速使用幅值小的电压矢量以及高速使用幅值大的电压矢量也是符合 V/f=C 这一规律的。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量使开关频率很 低，转矩脉动大。而按照离散空间矢量调制的方法由于低速使用幅值小的电压矢量， 因此连续使用的零电压矢量少，开关频率高，转矩脉动小。另外，由于高速时的电压 矢量比较多， 可以划分12个扇区， 使
用两个电压矢量表， 这样可以进行更精确的控制。 从以上分析可以看出，离散的空间矢量调制方法易于实现，不需要有无差拍控制那样
多的计算，保持了传统 Bang-Bang 控制的优点，因此鲁棒性好，但相对于传统的直 接转矩控制又可以提高转矩和磁链控制精度，减小低速转矩脉动。但是控制精度越提 高，矢量划分就越细，电压矢量控制表就越多越大，这将增加控制的复杂性。因此， 如果能让离散的空间矢量调制与无差拍控制结合起来，将会有助于克服这个缺点。
由 PI 调节器输出空间电压矢量的方法
在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减小低速下 的转矩脉动，达到矢量控制在低速下的稳态性能。第3节中的无差拍控制就能得到任 意相位的空间电压矢量，但是计算比较复杂，实现比较困难。另一种获得任意相位的 空间电压矢量的方法是使用 PI 调节器。 B· A· Plunkett 的直接转矩和磁链调节方法就是 一种 PI 调节方法，只是那时候还没有空间电压矢量这个概念，只能使用 SPWM 方法 输出电机控制电压。在文献中,所提出的直接转矩控制使用 PI 调节的方法，并且用于 SVM 的方法输出空间电压矢量。 由转矩给定和转矩反馈获得转矩误差输入 PI 调节器中，经过 PI 调节得到 q 轴电压矢量,由定子磁链给定和定子磁链反馈获得定子 磁链误差输入 PI 调节器中，经过 PI 调节得到 d 轴电压矢量,之后将 d 轴和 q 轴的电 压矢量旋转变换到静止坐标系下的 α 轴和 β 上，用于空间电压矢量的输出，显然这个 空间电压矢量在空间位置上的相位是任意的。从结构上看基于 PI 调节的直接转矩控 制相似于定子磁链定向的矢量控制，但二者是有区别的，定子磁链定向的矢量控制基 于同步旋转坐标系，定向于定子磁链 d 轴，q 轴磁链为零，另外在 d 轴方向还要对磁 链和和 q 轴方向上的电流进行解耦，而这些对于基于 PI 调节的直接转矩控制不需要， 其中只需要使转矩输出和定子磁链反馈通过 PI 调节方法来跟随上给定即可，因此从 实现上是比较简单的，同时鲁棒性也比较好，并且相对于传统的直接转矩控制可以提 高开关频率，减小了低速下的转矩脉动，但是在这种方法当中需要选取合适的 PI 参 数，否则会影响控制系统的动、静态性能。除了以上这种 PI 调节的直接转矩控制外， 在文献中还在 A· Plunkeet 的直接转矩和磁链调节法的基础上做了进一步的研究， B· 使 用空间电压矢量的方式输出，此处不详细叙述。
注入高频抖动提高开关频率
在前面的各 种直接 转矩控制策略中 都谈到 提高低速下的开 关频率 可以降低转矩 脉动，同时也可
以降低噪声。在文献中，提出了一种在传统的直接转矩控制基础上注 入高频抖动的方法提高开关频率，其中作者用图表的方式显示了开关频率随转矩和磁 链滞环宽度的减小而提高，但是这种提高是有限的，一个最主要的原因是磁链和转矩 控制上的延迟，滞后越大开关频率就越低。例如从仿真来看10μs 延迟有14kHz 的开 关频率，但当有20μs 的延迟时只有8kHz 的开关频率。文献中提出的提高开关频率方 法是在转矩和磁链滞环内叠加上高频的三角波，其幅值与滞环宽度相当。 当反 馈值大于三角波时电压矢量减小，当反馈值小于三角波时电压矢量增大，因此，即使 控制上有延迟，但随着三角波频率的增大，开关频率也就提高了，例如当三角波的频 率为30kHz 时，开关频率可达10kHz。文献中采用的是单一电压矢量的方法，如果能 采用空间任意电压矢量的方法，可以使开关频率进一步提高。
大容量的直接转矩控制的低速控制策略
直接转矩控制当初在德国提出来是为了解决大容量的机车控制的问题，其中最重 要的一点就是要降低开关频率。目前以 GTO 作为逆变器的功率器件时，其开关频率 一般不超过200Hz，使用 IGBT 时，一般也不能超过500Hz。因此以上的各节所描述 的直接转矩控制策略将不适用于大容量的直接转矩控制，否则将造成比较高的开关频 率。在低速下，如果使用直接转矩进行控制，首先是采样周期很小，否则转矩脉动大， 而且容易过流。其次是要求圆形磁链，否则转矩脉动大;再次是要使用单一电压矢量， 并且占空比为100％，这样才能减少至少一半的开关频率;最后是转矩和磁链要有比较 大的滞环，否则开关频率也比较高，但是，如果转矩和磁链的滞环太大，又会造成比 较大的转矩脉动。因此在大容量的调速中不易使用传统的直接转矩控制。目前使用的 最成熟的方法是间接转矩控制。 这种控制方法其实是在 A· Plunkett 的直接转 B· 矩和磁链调节法上的一种改进，其中转矩调节器输出的是动态滑差在一个采用周期的 积分动态增量 ΔXd，而稳态滑差由磁链和转矩计算出来。动态滑差与电机机械角速度 之和得到同步角速度，对其在一个采样周期进行积分就可以得到磁链在一个周期内的 相位稳态增量 ΔX0， 使之与动态增量相加可得磁链在一个采样周期总的相位增量 ΔX。 磁链调节器输出幅值增量 kψ，利用相位增量和幅值增量以及电压方程可以得到控制 电机的空间电压矢量。从以上分析可以看出间接转矩控制的物理概念是很清晰的。通 过计算磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，不但可以保证磁链轨迹为圆 形，而且还对转矩进
行了稳态和动态的调节。另外，可以象矢量控制那样通过增大采 样周期来减小开关频率而不会产生额外的转矩脉动，这主要是因为磁链的幅值增量和 相位增量在一个采样周期中是可以准确计算出来的。因此间接转矩控制具有很好的稳 态和动态性能，在大容量的调速中能大大减小低速转矩脉动，增大调速范围。
直接转矩控制技术的未来
相对于传统的直接转矩控制来说，目前对于中小容量电机控制的改进方法主要是 进行转矩、磁链无差拍控制和提高、固定开关频率。同时实现转矩和磁链的无差拍控 制来说比较困难，因此出现了单独的转矩和磁链的预测跟踪控制，以 及界于无差拍控 制和 Bang-Bang 控制之间的离散空间电压矢量控制，不但简化了控制算法，还提高 了控制精度。运用 PI 调节器进行转矩和磁链控制是一种比较直接的方法，省却了无 差拍控制的复杂计算，易于实现。无论是无差拍控制或 PI 调节的方式都可以输出任 意或比较多的空间电压矢量，这自然提高并且固定了开关频率，对于降低转矩脉动和 减少噪音是很有帮助的。但是应该清楚的看到，目前的小容量直接转矩控制的低速性 能还达不到矢量控制那样，转矩脉动和噪音都比后者大，因此就如何降低转矩脉动和 减小噪音上来说还有待进一步的研究，另外，把间接转矩控制引入到小容量的低速控 制中来也是一种比较好的思路。 对于大容量的直接转矩控制策略来说，与中小 容量的主要区别 是限制 开关频率在一定 的范围 之内，由于在低 速采用 了间接转矩控 制，因此转矩脉动比较小，几乎能达到矢量控制那样的低速性能。随着电力电子器件 的不断向着大功率化和高频化发展，将有助于大容量直接转矩控制的进一步发展。
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交流马达与直流马达比较
直流电动机（DC Motor）的好处为在控速方面比较简单，只须 控制电压大小已可控制共转速，但此类电动机不宜在高温、易 燃等环境下操作，而且由于电动机中需要以碳刷作为电流变换 器（Commutator）的部件（有刷马达），所以需要定期清理炭 刷磨擦所产生的污物。 一般一付碳刷的设计寿命为 2000 小时左 右（83 天），也就是说如果马达连续工作 83 天，就应更换碳 刷，否则就会损坏换向器，最终导致转子短路，使马达不能正 常工作或报废。由于碳刷和换向器之间的摩擦，会产生噪音和 火花，因此会影响周围环境和安全。无碳刷之马达称为无刷马 达，相对于有刷，无刷马达因为少了碳刷与轴的摩擦因此较省 电也比较安静。但制作难度较高、价格也较高，一般在高精产 品中使用。
交流电动机（AC Motor）则可以在高温、易燃等环境下操作， 而且不用定期清理碳刷的污物，但在控速上比较困难，因为控 制交流电动机转速须要控制交流电的频率（或使用感应马达， 用增加内部阻力的方式，在相同交流电的频率下降低电动机转 速），控制其电压只会影响电动机的扭力。一般民用马达之电 压有 110V 和 220V 等两种，在工业应用还有 380V 或 440V 等型 态。
以下为直流电动机的工作原理图:
此为一个简单的直流电（D.C.） 电动机。当线圈通电后，转子周 转子依靠惯性继 围产生磁场，转子的左侧被推离 续转动。 左侧的磁铁，并被吸引到右侧， 从而产生转动。
当转子运行至水平位置时电 流变换器将线圈的电流方向 逆转， 线圈所产生的磁场亦同 时逆转，使这一过程得以重 复。
直流马达的基本构造包括“电枢”、“场磁铁”、“集电环”、“电 刷”。 1. 电枢:可以绕轴心转动的软铁芯缠绕多圈线圈。 2. 场磁铁:产生磁场的强力永久磁铁或电磁铁。 3. 集电环:线圈约两端接至两片半圆形的集电环， 随线圈转动， 可 供改变电流方向的变向器。每转动半圈（180 度），线圈上的 电流方向就改变一次。 电刷:通常使用碳制成，集电环接触固定位置的电刷，用以接至
基本构造
电动机的种类很多，以基本结构来说，其组成主要由定子（Stator） 和转子（Rotor）所构成。 定子在空间中静止不动，转子则可绕轴转动，由轴承支撑。 定子与转子之间会有一定空气间隙，以确保转子能自由转动。
定子与转子绕上线圈，通上电流产生磁场，就成为电磁铁，定子和转 子其中之一亦可为永久磁铁。 4. 电源。
7.1 三相异步电动机的工作原理与结构 三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在 某
些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机 结构基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图 7.11 所示 是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。
图7.11 封闭式三相异步电动机的结构
1—端盖 2—轴承 3—机座 4—定子绕组 5—转子 6—轴承 7—端盖 8—风扇 9—风罩 10—接线盒
一、基本结构类型 基本组成 定子——由定子铁心和三相绕组构成； 作用：建立旋转磁场； 转子——由转子铁心和转子绕组构成； 作用：在旋转磁场作用下，产生感应电流和电磁力矩，并输出机械功率。 基本类型（按转子结构不同分类） 笼形转子型和绕线转子型
一、基本结构类型 基本组成 定子——由定子铁心和三相绕组构成； 作用：建立旋转磁场； 转子——由转子铁心和转子绕组构成； 作用：在旋转磁场作用下，产生感应电流和电磁力矩，并输出机械功率。 基本类型（按转子结构不同分类） 笼形转子型和绕线转子型
1、什么是变频器？ 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控 制装置。 2、PWM 和 PAM 的不同点是什么？ PWM 是英文 Pulse Width Modulation(脉冲宽度调制)缩写，按一定规律改变脉 冲 列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调值方式。 PAM 是英文 Pulse Amplitude Modulation (脉冲幅度调制) 缩写，是按一定 规律改变脉冲列的脉冲幅度，以调节输出量值和波形的一种调制方式。 3、电压型与电流型有什么不同？ 变频器的主电路大体上可分为两类： 电压型是将电压源的直流变换为交流的变频 器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其 直流回路滤波石电感。 4、为什么变频器的电压与电流成比例的改变？ 异步电动机的转矩是电机的磁通与转子内流过电流之间相互作用而产生的， 在额 定频率下，如果电压一定而只降低频率，那么磁通就过大，磁回路饱和，严重时 将烧毁电机。因此，频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器 输出电压，使电动机的磁通保持一定，避免弱磁和磁饱和现象的产生。这种控制 方式多用于风机、泵类节能型变频器。 5、电动机使用工频电源驱动时，电压下降则电流增加；对于变频器驱动，如果 频率下降时电压也下降，那么电流是否增加？
交流异步电动机变频调速原理： 变频器是利用电力半导体器件的通断作用把电压、 频率固定不变的交流电变成 电压、频率都可调的交流电源。 现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF 变频或矢量控制变频） ，
先把工频
交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、 电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器主要由整流（交流变直流） 、滤波、再次整流（直流变交流） 、制动单元、 驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。
交-直部分 整流电路：由 VD1-VD6 六个整流二极管组成不可控全波整流桥。对于 380V 的 额定电源，一般二极管反向耐压值应选 1200V，二极管的正向电流为电机额定 电流的 1.414-2 倍。
电机的旋转速度为什么能够自由地改变？
*1: r/min 电机旋转速度单位：每分钟旋转次数，也可表示为 rpm. 例如：2 极电机 50Hz 3000 [r/min] 4 极电机 50Hz 1500 [r/min] $电机的旋转速度同频率成比例 本文中所指的电机为感应式交流电机， 在工业中所使用的大部分电机均为此 类型电机。 感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机 的极数和频率。 由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。由于该 极数值不是一个连续的数值（为 2 的倍数，例如极数为 2，4，6） ，所以一般不 适和通过改变该值来调整电机的速度。 另外， 频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可 以被自由的控制。 因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。
n = 60f/p n: 同步速度 f: 电源频率 p: 电机极对数 $ 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁） ， 导致电机可能被烧坏。因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机 的额定电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从 50Hz 改变到 25Hz，这时变频器的输出电压就需要从 400V 改变到约 200V 2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，其输出转矩会怎样？ *1: 工频电源 由电网提供的动力电源（商用电源） 改变频率和电压是最优的电机控制方法 如果仅改变频率， 电机将被烧坏。 特别是当频率降低时， 该问题就非常突出。 为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。 例如：为了使电机的旋转速度减半，变频器的输出频率必须从 60Hz 改变到 30Hz，这时变频器的输出电压就必须从 400V 改变到约 200V。 如果要正确的使用变频器, 必须认真地考虑散热的问题。 变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。 使用寿命随温度升高而成指数 的下降。环境温度升高 10 度，变频器使用寿命减半。 因此，我们要重视散热问 题啊！ 在变频器工作时，流过变频
器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常 大的，不能忽视其发热所产生的影响 通常， 变频器安装在控制柜中。 我们要了解一台变频器的发热量大概是多少. 可以用以下公式估算: 发热量的近似值＝ 变频器容量（KW）× [W] 在这里, 如果变频器容量是 55 以恒转矩负载为准的 (过流能力 150% * 60s) 如果变频器带有直流电抗器或交流 电抗器, 并且也在柜子里面, 这时发热量会更大一些。 电抗器安装在变频器侧面 或测上方比较好。 这时可以用估算: 变频器容量（KW）× [W] 因为各变频器厂家的硬件都 60 差不多, 所以上式可以针对各品牌的产品. 注意： 如果有制动电阻的话，因为制 动电阻的散热量很大， 因此最好安装位置最好和变频器隔离开， 如装在柜子上 面或旁边等。
变频器制动的情况 1: 制动的概念 指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步 转速。 负载的能量分为动能和势能. 动能(由速度和重量确定其大小） 随着物体的运 动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。 机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。 对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低。这时会产 生制动过程. 由制动产生的功率将返回到变频器侧。这些功率可以用电阻发热消 耗。 在用于提升类负载,在下降时, 能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,进行 制动。 这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。 在减速期间， 产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回 送到变频器电源侧的方法叫做“功率返回再生方法”。 在实际中， 这种应用需要“能 量回馈单元”选件。 变频器类型选择 变频器可分为通用型和专用型， 一般的机械负载和要求高过载情况，选择通用型 变频器。专用型变频器又可分为风泵专用型、电梯专用型、张力控制专用型等。 根据自身应用环境加以选择。 变频器容量选择 变频器的容量选择是最重要的，应从负载的实际负荷电流、启动转矩、控制方式 来合理选择。如负载是风机、水泵，则选择风泵专用型与电机同功率即可；对罗 茨风机和深井泵应选择风泵专用型比电机功率大一档的变频器。 启动转矩是容易 忽视的选项，对大的惯量负载，变频器可能要比电机功率加大数档。 变频器性价比选择 变频器的性价比是仁者见仁，智者见智。在这里不多说了，不要看广告，要看疗 效。 变频器售后服务选择 变频器的售后服务是选择品牌的关键， 进口品牌质量可靠， 价格高， 售后服务好， 但是过了保修期，维修的价格非常高
。国产品牌质量良莠不齐，质量好的已和进 口品牌不相上下，质量差的就不好说了。售后服务好，即使过了保修期，维修价 格也算公道。
Pulse Wavelength Modulation -- 脉波调制
脉冲宽度调制(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非常有效的 技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉宽调制是开关型稳压电 源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的，除了 PWM 型，还有 PFM 型和 PWM、PFM 混合型。 脉宽调制式开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下， 通过电压反馈调 整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。 PWM 一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开 关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条 件变化时保持恒定。
PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占 空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM 信号仍然是数字的，因为在给 定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以 一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。 通的时候即是直流供电被加 到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM 进行编码。
直流电机
定义输出或输入为直流电能的旋转电机， 称为直流电机， 它是能实现直流电能和机械能互相 转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是 直流发电机，将机械能转换为电能。 目录 直流电机的结构1. 定子 2. 转子(电枢) 直流电机的可逆运行原理 直流电机的分类 直流电机的励磁方式1．他励直流电机 2．并励直流电机 3．串励直流电机 4．复励直流电机 直流发电机 直流电机铭牌 直流电机的励磁方式1．他励直流电机 2．并励直流电机 3．串励直流电机 4．复励直流电机 直流电机的工作原理一、直流发电机工作原理 二、直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电机控制器设计1 引 言 2 控制器结构与原理 3 芯片功能 4 实验与结论 5 结 语
展开
编辑本段直流电机的结构
由直流电动机和发电机工作原理示意图可以看到，直流电机的结构应由 定子和转 子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生 磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分 称为转子，其主要
作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢 纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。
1. 定子
（1）主磁极
主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一 般用0.5mm～1.5mm 厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面 套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整 气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁 极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上， 4—主磁极 5—换向极 换向极 1—换向器 2—电刷装置 3—机座 （2）
6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生
的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，如 8.6 所示。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极 相等。 （3）机座 电机定子的外壳称为机座，见图8.4中的3。机座的作用 向极和端盖，并起整个 二是机座本身也是 有两个：一是用来固定主磁极、换 图8.5 主磁极的结构 电机的支撑和固定作用； 1—主磁极 2—励磁绕组 3—机座
磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座 具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 电刷装置 4） 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，如图8.7所示。电
刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷 与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上， 相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加 以固定。
图1.6 换向极 图1.7 电 刷装置 极绕组 3—压紧弹簧 4—刷辫
1—换向极 铁心 1—刷握2—电刷
2—换向
2. 转子(电枢)
（1）电枢铁心 电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。一 般 电 枢 铁 心 采 用 由 0.5mm 厚 的 硅 钢 片 冲 制 而 成 的 冲 片 叠 压 而 成 (冲 片 的 形 状 如 图 8.8(a)所示)，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。叠成的铁心 固定在转轴或转子支架上。铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。
（2）电枢绕组
电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行
能量变换的关键部件，所以叫电枢。它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而
成，线圈采用高强度
漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌 放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。为防止 离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，如图8.9所示。线圈伸出槽外的端接部 分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。 （3）换向器 在直流电动机中，换向器 配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定 不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转 换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片 之间用云母片绝缘，换向 图8.9 电枢槽的结构 片的紧固通常如图8.10所示，换 尾形，两端用钢制 V 形 螺母锁紧。 向片的下部做成鸽 1—槽楔 2—线圈绝缘 3—电枢导体
套筒和 V 形云母环固定，再用4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘
4）转轴 转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
图 8.10 换 向 器 结 构 图 8.11 单 叠 绕 组 元 件 2—末端 3—元件边 4—端接部分 5—换向片
1—换 向 片 2—连 接 部 分 1—首 端
编辑本段直流电机的可逆运行原理
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在 电机理论中称为可逆原理。当原动机驱动电枢绕组在主磁极 N、S 之间旋转时，电枢 绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网） ， 对外供电，此时电机作直流发电机运行。如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直
流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极 N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动 转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行。
编辑本段直流电机的分类
按结果主要分为直流电动机和直流发电机 直流无刷电机 按类型主要分为直流有刷电机和
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势
而建立主磁场的问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
编辑本段直流电机的励磁方式
1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机 称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中 M 表示电动机，若为发电机，则用 G 表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发 电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁 绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与
他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（ c） 所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（ d）所示。若串励绕组产 生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反， 则称为差复励。 并励式和和复励式。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动 机的主要励磁方式是并励式、 串励式和复励式， 直流发电机的主要励磁方式是他励式、
直流发电机
直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、 电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电机。虽然在需要直流电的地 方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些 工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。
编辑本段直流电机铭牌
国产电机型 号一般 采用大写的英文 的汉语 拼音字母的阿拉 伯数字 表示，其格式
为： 第一部分用大写的拼音字母表示产品代号， 第二部分用阿拉伯数字表示设计序号， 第三部分用阿拉 伯数字 表示机座代号， 第四部 分用阿拉伯数字 表示电 枢铁心长度代 号。 以 Z2---92为例：Z 表示一般用途直流电动机；2表示设计序号，第二次改 第一部分字符含义如下： Z ZY 系列：永磁直流电机 ZQ 系列：直 型设计； 9表示机座序号；2电枢铁心长度符号。 ZJ 系列：精密机床用直流电机 流牵引电动机 ZKJ 系列：挖掘机用直流电动机
系列：一般用途直流电动机（如 Z2 Z3 Z4 等系列） ZH 系列：船用直流电动机
ZT 系列：广调速直流电动机
ZA 系列：防爆安全型直流电动机
ZZJ 系列：冶金起重机用直流电动机
编辑本段直流电机的励磁方式
直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电、产生励磁磁通势而建立主磁场的 问题。根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。
直流电机的励磁方式
1．他励直流电机
励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机 称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中 M 表示电动机，若为发电机，则用 G 表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。
2．并励直流电机
并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发 电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁 绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。
3．串励直流电机
串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（ c） 所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。
4．复励直流电机
复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（ d）所示。若串励绕组产 生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反， 则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动
机的主要励磁方式是并励式、 串励式和复励式， 直流发电机的主要励磁方式是他励式、 并励式和和复励式。
编辑本段直流电机的工作原理
一、直流发电机工作原理
直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷 的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 导体中感应电动势的方向。 ） 图1.1 直流发电机原理模型 流发电机原理模型 感应电动势的方向 按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是 在图1.1所示瞬间，导体 a b 、c d 的感应电动势 当线圈逆时针方向旋转180° 时，这时导体 c d 位于 图1.2 直 方向分别由 b 指向 a 和由 d 指向 c 。这时电刷 A 呈正极性,电刷 B 呈负极性。 N 极下，导体 a b 位于 S 极下，各导体中电动势都分别改变了方向。
从图看出，和电刷 A 接触的导体永远位于 N 极下，同样，
和电刷 B 接触的导体永远位于 S 极下。因此，电刷 A 始终有正极性，电刷 B 始终 有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈 数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动 势。这就是直流发电机的工作原理。
二、直流电动机的工作原理
导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这 个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方 向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其 它负载转矩） ，电枢就能按逆时针方向旋转起来。 图1.3 直流电动机的原理模型 当电枢转了180° 后，导体 cd 转到 N 极下，导体 ab 转到 S 极下时，由于直流电源供 给的电流方向不变，仍从电刷 A 流入，经导体 cd 、ab 后，从电刷 B 流出。这时导 体 cd 受力方向变为从右向左，导体 ab 受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方 向仍为逆时针方向。 图1.4 直流电动机原理模型 因此，电枢一经转动，由 于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab 和 cd 流入，使线 圈边只要处于 N 极下，其中通过电流的方
向总是由电刷 A 流入的方向，而在 S 极 下时，总是从电刷 B 流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个 方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机的 工作原理。
编辑本段永磁无刷直流电机控制器设计
1 引 言
随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、 价格问题已经是选择家用电器的主要因素。永磁无刷直流电机既具有交流伺服电机的
结构简单、 运行可靠、维护方便等优点，又具备直流伺服电机那样良好的调速特性 而无机械式换向器，现已广泛应用于各种调速驱动场合。MOTOROLA 第二代电机控 制专用芯片的出现，给永磁无刷直流电机调速装置的设计带来了极大的便利。这些芯 片控制功能强，保护功能完善，工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单，抗干 扰能力强，特别适用于工作环境恶劣，对控制器体积，价格性能比要求较高的场合。
2 控制器结构与原理
2.1 控制器结构 MC33035 是 MOTORLORA 公司研制的第二代无刷直流 电机控制专用集成电路，加上1片 MC3309 电子测速器将无刷直流电动机的转子位 置信号进行 F/V 转换，形成转速反馈信号，即可构成转速闭环调节系统。外接 6 个 功率开关器件组成三相逆变器，就可驱动三相永磁无刷直流电机，控制器电路构成， 如图 1 所示，图中 S1 控制电机转向，S2 控制系统起停，S3 选择系统开环或闭 环运行，S4 控制系统制动，S5 选择转 障 子位置检测信号为 60° 120° 或 方式， S6 控制系统的复位。电位器 RP1 用以设定所需电机转速，发光二板管 L1 用作故 指示，当出现不正常的位置检测信号、主电路过流、3种欠电压之一（芯片电 压低于9.1V，驱动电路电压低于9.1V，基准电压低于4.5V） 、芯片内部过热、起停端 低电平时，L1发光报警，同时自动封锁系统。故障排除后，经系统复位才能恢复正常 工作。 2.2 控 制 原 理 从电机转子位置检测器送来的三相位置检测信号 （SA,SB,SC）一方面送入 ) MC33035，经芯片内部译码电路结合正反转控制端、起 停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器 三相上、下桥臂开关器件的6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷 直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后的三相下桥 PWM 控制信号 （Ar ,Br, Cr）经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器的 6个开关管上，使其产生出供电机 正常运行所需的三相方波交流电流。 另一方面，转子位置检测信号还送入 MC33039 经 F/V 转换，得到一个频率与电机转速成正比的脉冲信号 FB。FB
通过 简单的 阻容网络滤波后形成转速反馈信号，利用 MC33035 中的误差放大器即可构 成一个简单的 P 调节器，实现电机转速的闭环控制，以提高电机的机械特性硬度。实 际应用中，还可外接各种 PI, PD，调节电路以实现更为复杂的闭环调节控制。
3 芯片功能
3.1 MC33035 结构组成及功能 置传感器译码电路； 可设定的锯齿波振荡器； 比较器； 等故障输出； 其主要组成部分包括： （ 1 ）转子位 （ 3 ）频率 （ 2 ）带温度补偿的内部基准电源； （ 4 ）误差放大器；
（ 5）脉宽调制（PWM）
（ 6 ）输出驱动电路； （ 8 ） 限流电路。
（ 7 ）欠电压封锁保护芯片过热保护 该集成电路的典型控制功能包括 PWM 开 该译码电路将
环速度控制，使能控制（起动或停止） ，正反转控制和能耗制动控制，适当加上一些 外围元件，可实现软起动。 3.1.1 转子位置传感器译码电路 电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和三路下 侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或光耦合电路等传感器。输入端脚
4、5、6 都设有提升电阻，输入电路分 TTL 电路电平兼容，门槛电压为2.2V。该集 成电路适用于传感器相位差为,60° 、120° 、240° 、300° 四种情况的三相无刷电动机。 由于 3 个输入逻辑信号，可有 8 种逻辑组合。其中 6 种正常状态决定了电动机 , 个不同位置状态。其余 2 种组合对应于位置传感不正常状态，即 3 个信号线开路或 对地短路状态，此时脚 14 将输出故障信号（低电平） 。 用脚 3 逻辑电平来确 定电动机转向。当脚 3 逻辑状态改变时，传感器信号在译码器内将原来的逻辑状态 改变成非，再经译码后，得到反相序的换向输出，使电动机反转。电动机的起停控制 由脚 7 使能端来实现。当脚 7 悬空时，内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若 脚 7 接地，3 个上侧驱动输出开路（1 状态） ，3 个下侧驱动输出强制为低电平（ 0 状态） ，使电动机失去激励而停车，同时故障信号输出为零。 当加到脚 23 上的 制动信号为高电平时， 电动机进行制动操作。 它使 3 个上侧驱动输出开路， 下侧 3 个 驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧 3 个功率开关导通，使电动机 3 个绕组端对地 短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与门电路，其输入端是脚 23 的制动信号和上 侧驱动输出 3 个信号， 它的作用是等待 3 个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态 后，才允许 3 个下侧驱动输出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时 导通的危险，其控制真值表，如表1示。 3.1.2 误差放大器 该芯片内设有 高性能，全补偿的误差放大器
。在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为 80dB ，增益带宽为 0.6MHz,输入共模电压范围从地到 VREF（典型值为 6.25V ） ， 可得到良好性能。作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为 1 的电压跟随器， 即速度设定电压从其同相输入端脚 11输入。脚 12～13 短接。 器 3.1.3 脉宽调制 除非由于过电流或故障状态使 6 个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放
大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后， 产生脉宽调制 PWM ） （ 信号， 控制 3 个 下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控 制其转速和转矩。脉宽调制时序图，如图 3 示。 3.1.4 电流限制 外接逆 变桥经一电阻 Rs 接地作电流采样。 采样电压由脚 9 和脚 15 输入至电流检测比较 器。比较器反相输入端设置有 100mV 基准电压，作为电流限流基准。在振荡器锯齿 波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下 Rs 触发器重置，将驱动输出关 闭，以限制电流继续增大。在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。 利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许最大电流为 Imax ，则采样电阻 按下式选择： 在脚 Rs = 0.1/ Imax 为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作， RC 低 通 滤 波 器 。 3.2 MC33039 电 子 测 速 器 9 输入前可设置
MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高 价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机 转子位置传感器 3 个输出信号， F / V 变换成正比于电动机转速的电压。 经 从 MC33039 结构图图 4 可知，脚 1 、 2、 3 接收位置传感器 3 个信号，经有滞 后的缓冲电路，以抑制输入噪声。经“或”运算得到相当于电动机每对极下 6 个脉冲 的信号。再经有外接定时元件 CT 和 Rr 的单稳态电路，从脚 5 输出的 fout 信号 的 占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤
波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。三相电动机中应用时的波形图中， fout 是脚5输出，Vout， （AVG）表示它的平均值，即直流分量。
4 实验与结论
为了更好的验证前面理论的可行性及安全性，按设计进行了实验。 备 4.1 准 实验 的 主 要 部 分 _ 控 制 电 路，设 计 为 MC33035 和 MC33039 首先要作调整的是电源。试验
所组成的闭环系统。由于实验条件的限制，我们对实验电路作了一些必要的调整，这 些调整并没有影响系统的功能以及实验的结果。 中选用的电机是三相六极电机，n0 = 1500r/min, I0 = 10A, U0 = 50V 。在供电电源 和 MC33035 的 脚 17 之 间 加
入 LM317 稳 压 三 端 以 保证 MC33035的 Vcc 在许可的范围内。LM317 是 50V 输入、 15V 输出的稳压三端。它的基本电路 结构，如图 5 示。 其次，该闭环速度控制系统中，用 3 个霍尔集成电路作转 子位置传感器。用 MC33035 的脚 8 参考电压（6.24V）作为它们 的 电 源。霍 尔 集 成 电 路 输 出 信 号 送 至 MC33039 和 MC33035。实验中的电动机是六极 的，从 MC33039 的脚 5 输 出的脉冲数是电动机每一转输出的 3×6 = 18 个 脉冲。按电动机的最高转速来选择定时元件。实验中电动机的最高转速为1500r/min 即 1500/60 = 25r/s 。此时每秒输出脉冲数是 25×18 = 450个。即其频率为 450Hz， 周期约为 2.2ms 。由 MC33039 说明书，取定时元件参数 R1=1MΩ，C1 = 750PF， 单稳态电路产生脉冲宽度为 95µs 。 8 接 MC33035 的基准电压。 5 输 脚 脚 出经电阻 R3 接 MC33035 的脚 12 ，即误差放大反相输入端。放大器此时增益为 10 ， 电 容 C3, 起 滤 波 平 滑 作 用 。 MC33035 振 荡 器 参 数 ： R2 =5.1kΩ ， C2 = 0.01µF ， PWM 频 率 约 为 24kHz 。 另外，因无法做成图 1 所示的 NPN-PNP 逆变桥。故用了 N 沟道的 VMOS 管，可组成六路逆变桥的电路，由于 上 侧 驱 动 信 号 只 能 直 接 驱 动 p 沟 道 的 VMOS 管 而 下 侧 可 直 接 驱 动 N 沟 道 的 VMOS 管。因而上桥臂与逆变桥之间的电路中加入反相器将驱动信号变非即可。组 成后的电路图，如图 6 示。 4.2 实验结论 在电机实际操作之前，以手动 手动工作的结果：实验所得 两 方式转动电机，用万用表测量电机上设置的霍尔传感器的三路输出信号与 MC33035 输出信号真值表是否一致。实验结果，如表 2 示。 与理论真值表一致。 电机在电源驱动情况下的实验波形， 如图７、 ８示。
图中的上侧曲线均为传感器输出的 ＳＢ ，图 ７的下侧曲线为Ｓc ，图 8 的下侧 曲线为 SA。对照可知，实验输出与理论相符。 测量电流波形时，首先，将一 驱动电动机逆变器的主回路引出，在电线上装置电流传感器，再接入一 5Ω 的测量电 阻后接地。然后以示波器测量电流传感器的电流，即流经电阻的波形，即电机电流波 形。如图 9 示。 可是，图 9 中的波形并不与理论。只是在周期内的分布有点 相同，但波形上区别较大。这是由于电机处于空载运行所致。因为在实验中，无刷电 机是运行在空载状态，逆变器的每一次换相，带来的冲击电流大于满载状态时，没有 负载消耗平缓电流的波动。 示。 接着做起动加速运行的波形测试。实验以某一 MC33035 的上侧驱动输出和 MC33035 的 fout 为实验对象。 测得的波形， 如图 10, 理论上这一波形应该是上侧输出的波形不因速度控制器的变动而改变，而
fo
ut 波形则应该随速度控制器的变动而改变一周期内脉冲的数量， 从而改变电动机两 端的平均电压，改变电动机转速。 加，即电机加速。 但由于试验中的种种客观原因，导致了显示 的波形出现了缺相的现象。但图中仍可看到下侧的驱动波每一周期的脉冲数量逐渐增 在故障测试中，用一电位器接入控制电路的电源输入端，改 变控制电路的电源电压 Vcc ，看电路对故障信号的反应。在试验过程中，电源电压 Vcc 从 15V 不断被调低 ，当到达 10.5V 左右时，报警电路驱动 LED 点亮，故障 报警。
5 结 语
虽然在实验中，出现了一些与理论不太符合的现象，但总体来说，实验的结果基 本达到了预期的结果，证明了运用小型无刷直流电机作家用传动装置的实际可行性。
交流电机
交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。 由于交流电力系统的巨大发展， 交 流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换 向） ，因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的 电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80 年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。 目录 交流电机分类按功能 按品种 转差率 交流电机的电源和变频调速交流电机电源 交流电机变频调速 交流电机直接转矩控制简介 直接转矩控制技术概述 特点 控制 电机模型和直接转矩控制策略 直接转矩控制方法 无差拍空间矢量调制方法 转矩或磁链的预测控制方法 预测控制 基于检测反电势的离散时间直接转矩控制 基于几何图形的无差拍控制 离散空间矢量调制(DSVM)方法 由 PI 调节器输出空间电压矢量的方法 注入高频抖动提高开关频率 大容量的直接转矩控制的低速控制策略 直接转矩控制技术的未来
展开
编辑本段交流电机分类
按功能
交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类。由于 电机工作状态的
可逆性，同一台电机既可作发电机又可作电动机。
把电机分为发电机与电动机
并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电动机运行。
按品种
交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。同步电机转子的转速 ns 与旋 转磁场的转速相同，称为同步转速。ns 与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(P) 之间有严格的关系。 ns＝f/P 在中国，电源频率为50赫，所以三相交流电 机中一对极电机的同步转速为3000转/分，三相交流电机中两对极电机的同步转速为 1500
转/分，余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步 之名由此而来。 异步电机转子转速与旋转磁场转速之差 （称为转差） 通常在 10％以内。
编辑本段转差率
S=n0-n/n0 (n0为同步转速，n 为空载转速）
交流电机-韩国 SPG 小型交流电机
由此可知，交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此 ,交
流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率，而以往要改变电源频率是比 较复杂的。所以70年代以前，在要求调速的场合，多用直流电机。随着电力电子技术 的发展，交流电动机的变频调速技术已开始得到实用。
编辑本段交流电机的电源和变频调速
交流电机电源
交流电机一般采用三相制， 因为三相交流电机与单相电机相比， 无论在性能指标， 原材料利用和价 格等方 面均有明显的优 越性。 同样功率的三相 电机比 单相电机体积 小，重量轻，价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩，为解决起 动问题，需采取一些特殊的措施。单相电机的转矩是脉动的，噪声也比较大，但所需 的电源比较简单，特别是在家庭中使用十分方便。因此小型家用电机和仪用电机多采 用单相电机。
交流电机变频调速
变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方 式来控制交流电机的电力传动元件。 交流电动机调速变频器的特点:
交流电机调速变频器
■低频转矩输出180% ，低频运行特性良好 电机 减速、动转中失速防止等保护功能 定性和精确性 式，通用性强 ■高速停机时响应快
■输出频率最大600Hz，可控制高速 ■加速、
■全方位的侦测保护功能(过压、欠压、过载)瞬间停电再起动
■电机动态参数自动识别功能，保证系统的稳 ■丰富灵活的输入、输出接口和控制方 ■
■采用 SMT 全贴装生产及三防漆处理工艺，产品稳定度高
全系列采用最新西门子 IGBT 功率器件，确保品质的高质量
编辑本段交流电机直接转矩控制
简介
目前几种比较常见的直接转矩控制策略中，对于中小容量而言，控制方案重点在 于进行转矩、磁链无差拍控制和提高载波频率。对大容量来说，其区别在于低速时采
用了间接转矩控制，从而达到低速时降低转矩脉动的目的。
直接转矩控制技术概述
相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等 方面具有足够的优势，使得交流调速已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以 及日常生活之中。随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速 技术也得到了长足的发展。目前在高性
能的交流调速领域主要有矢量控制和直接转矩 控制两种。 1968年 Darmstader 工科大学的 Hasse 博士初步提出了磁场定向控制(Field Orientation)理论，之后在1971年由西门子公司的 F.Blaschke 对此理论进行了总结和 实现，并以专利的形式发表，逐步完善并形成了现在的各种矢量控制方法。
特点
对于直接转矩控制来说，一般文献认为它由德国鲁尔大学的 M.Depenbrock 教授 和日本的 I.Takahashi 于1985年首先分别提出的。 对于磁链圆形的直接转矩控制来说， 其基本思想是在 准确观 测定子磁链的空 间位置 和大小并保持其 幅值基 本恒定以及准 确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时 旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。在控制思 想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不 需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。
控制
事实上，1977年 A· Plunkett 曾经在 IEEE 的工业应用期刊上提出了类似于目前 B· 直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，在这种方法中，转矩给定与 反馈之差通过 PI 调节得到滑差频率，此滑差频率加上电机转子机械速度得到逆变器 应该输出的电压定子频率；定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频 率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过 SPWM 方法对电机进行控制。 直接转矩控制提出来将近有20年了，目前在此基础上已 经发展出来了多种控制策略及其数字化实现方案、磁链观测以及速度辨识的方法，本 文将对它们进行分类，并作分析和比较。
电机模型和直接转矩控制策略
直接转矩控制是基于静止坐标系 下来进行控制的，如图1所示，在传统的直接转 矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速(在无速度传感器 DTC 中不需要测速)进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给 定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较，输出转矩和磁链的增、减信号，把这 两个信号输入优 化矢量 开关表，再加上 定子磁 链所在的扇区就 得到了 满足磁链为圆 形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽 度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。
直接转矩控制方法
直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是 建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的 Bang-Bang 控制基础之上的控制方法，不可避 免地造成了低速开
关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大，限制了直接转矩控制 在低速区的应用。针对于此，国内外有很多学者提出了各种提高开关频率、固定开关 频率以及减小转矩脉动的方法，本节将逐一列出分析比较。
无差拍空间矢量调制方法
T.G.Habetler 的空间矢量调制方法 的给定值与反馈值之差。 无差拍的目的。 把无差拍方法应用于直接转矩控制首先 是由美国人 T.G.Habetler 提出来的。 这种方法的主要思想是在本次采样周期得到转矩 空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过相邻 的两个基本的电压矢量合成而得。利用计算出来的空间电压矢量可以达到转矩和磁链 利用 Habetler 的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩 误差为零，从而消除转矩脉动，可以弥补传统 DTC 的 Bang-Bang 控制的不足，使电 机可以运行于极低速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压矢量可以使开关频率 相对于单一矢量大幅提高并且使之固定，这对于减少电压谐波和电机噪声是很有帮助 的。 但是，空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能同时满足 磁链和转矩无差拍控制。因此作者提出了三个步骤，首先是否转矩满足无差拍，如果 不满足再看是否磁链满足无差拍，如果还不满足就按照原有直接转矩控制矢量表来选 取下一周期的单一电压矢量。因此按照 Habetler 的无差拍方法最大的计算量有四个 步骤，这将耗费很大的计算资源，不易实现，另外在整个计算过程中对电机参数的依 赖性比较大，这将降低控制的鲁棒性。
转矩或磁链的预测控制方法
在 T· Habetler 的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现， G· 因此出现了一系列的简化的无差拍直接转
交流电机-韩国 SPG 交流电机全系列
矩控制，比较典型的是转矩跟踪预测方法。在这种方法中，分析了低速转矩脉动的情 况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论。 非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化 的作用是不同的，前者可以使转矩上升或下降，而后者总是使转矩下降。另外，在不 同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。在转矩预测控制方法中，电
压矢量在空间的位置是固定不变的，合成在两个单一电压矢量的中间，但是电压矢量 不是作用整个采样周期，而是有一定的占空比，在一个采样周期中可以分为非零电压 矢量和零电压矢量。如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的 转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差。 将消除转矩误差，达到转矩无差拍 控制的目的。即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压
矢量来代替，因此是非常易于实现的，从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本上对称， 说明转矩的脉动已经大为减少。上法认为磁链被准确控制或变化缓慢，而没有考虑磁 链的无差拍控制，在文献中对磁链也进行了预测控制。
预测控制
在这中方法中， 通过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近似得到： 其中 ΔΨS 是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，θVΨ 是二者的空间角度。设第 k 采样周期的 磁链误差为 ΔΨSO，那么根据公式(5)，可以得到使第 k+1周期磁链误差为零的矢量作 用时间为。以转矩控制优先为原则，根据转矩预测控制计算出来的矢量作用时间和磁 链预测控制计算出来的作用时间可以得到综合的矢量作用时间。考虑磁链的无差拍控 制之后相对于单纯的转矩无差拍控制效果好，既消除了转矩脉动，又不会产生磁链畸 变，并且计算量不会太大。除了上述的转矩无差拍控制方法，在文献中也采用了类似 的方法，最后的电压矢量计算作用时间也基本相同，此处不详述。同 Habetler 的无 差拍方法一样，预测方法也要用到比较多的电机参数，如果能在线实时辨识定子电阻 和转子时间常数，将大大提高控制精度。
基于检测反电势的离散时间直接转矩控制
离散时间直 接转矩 控制使用离散时 间的方 法进行异步电机 的控制 在文献中已经 有了比较详细的介绍，在文献中，首次把这种方法使用于直接转矩控制，其基本方法 如下:对由电机的基本电路模型得到的电压方程和磁链方程进行离散化 如下： a， b 的定义对转矩方程也进行离散化，并把方程(7)代入其中，同时也把方程(7)代入到 磁链的幅值平方表达式中去，利用离散的转矩方程和离散的磁链幅值平方式可以求解 出下一周期的的空间电压矢量的增量 ΔVSx 和 ΔVSy，代入以下方程可以得到转矩和 磁链无差拍控制的电压矢量，并对其进行了限幅： 离散时间直接转矩控制可以 通过差分方程，把 k+1周期的所应达到的转矩和磁链递推出来，因此可以同时达到转 矩和磁链的无差拍控制，从实现方式上是很适合于数字化控制的，另外这种方法主要 基于定子侧进行控制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，对电机参数变化的鲁棒 性比较好，从实验结果来看，系统的动态响应性能是比较好的。但是在这种方法中， 需要检测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，另外，计算量也比较大。
基于几何图形的无差拍控制
在文献中，对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表达的转矩方程 进行离散化，之后把前两个方程带入到转矩方程中去。通过离散的转矩方程分析可以 知道施加电压
矢量可以使转矩误差为零，转矩变化到平面上的一条直线上，这条直线
与转子磁链矢量方向平行。采取同样的方法可以分析知道施加电压矢量可以使磁链误 差为零，磁链变化到平面上的一个园上，这个园与与磁链园同心。于是利用直线和园 的交点就可以得到使转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，当然这个电压矢量受到逆变 器所能输出的电压大小的限制。 把几何图形引入到无差拍的控制中来是一个比 较好的思路，可以得到最优的无差拍控制的电压矢量，同时也有助于理论上的分析。 但是就如何把图 形方式 和数字化控制结 合起来 从实现方式上来 说还是 存在有一定的 难度。
离散空间矢量调制(DSVM)方法
无差拍的直接转矩控制从理论上可以最大化地消除转矩和磁链的的误差，克服了 Bang-Bang 控制不精确性的弱点，但是需要比较大的计算量，并且这些计算都是与电 机参数有关，容易引起计算上的误差。因此在文献中提出了既不需要多少计算，又能 提高转矩和磁链控制精度的离散空间矢量调制方法。 在离散空间矢量调制方法 中，通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进 行有规律的合成，如图3是使用相邻的单一矢量2和单一矢量3以及零电压矢量合成出 来的空间电压矢量。从图3中可以看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段，每 一段由非零电压矢量或零电压矢量组成， 如空间电压矢量23Z 是由矢量2和矢量3以及 零电压矢量各作用1/3采样周期，可以采用5段式或7段式方式合成(文中没说明)，利用 这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量。 制，而考虑到转 细化的电压矢量可以对 转矩和磁链进行更精确的控制，文献中对磁链使用了传统的2级滞环 Bang-Bang 控
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矩需要动态响应快，对其划分了5级滞环 Bang-Bang 控制，如图4所示，不同的误差 带内使用不同的电压矢量表。另外，作者通过推导得到电压矢量对转矩变化的影响式 子如下所示： 从式(10)中可以看出同一电压矢量在低速和高速对转矩变化的影 响是不同的。因此，在不同的速度范围使用了不同的电压矢量，如图3所示。从另一 方面看，低速使用幅值小的电压矢量以及高速使用幅值大的电压矢量也是符合 V/f=C 这一规律的。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量使开关频率很 低，转矩脉动大。而按照离散空间矢量调制的方法由于低速使用幅值小的电压矢量， 因此连续使用的零电压矢量少，开关频率高，转矩脉动小。另外，由于高速时的电压 矢量比较多， 可以划分12个扇区， 使
用两个电压矢量表， 这样可以进行更精确的控制。 从以上分析可以看出，离散的空间矢量调制方法易于实现，不需要有无差拍控制那样
多的计算，保持了传统 Bang-Bang 控制的优点，因此鲁棒性好，但相对于传统的直 接转矩控制又可以提高转矩和磁链控制精度，减小低速转矩脉动。但是控制精度越提 高，矢量划分就越细，电压矢量控制表就越多越大，这将增加控制的复杂性。因此， 如果能让离散的空间矢量调制与无差拍控制结合起来，将会有助于克服这个缺点。
由 PI 调节器输出空间电压矢量的方法
在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减小低速下 的转矩脉动，达到矢量控制在低速下的稳态性能。第3节中的无差拍控制就能得到任 意相位的空间电压矢量，但是计算比较复杂，实现比较困难。另一种获得任意相位的 空间电压矢量的方法是使用 PI 调节器。 B· A· Plunkett 的直接转矩和磁链调节方法就是 一种 PI 调节方法，只是那时候还没有空间电压矢量这个概念，只能使用 SPWM 方法 输出电机控制电压。在文献中,所提出的直接转矩控制使用 PI 调节的方法，并且用于 SVM 的方法输出空间电压矢量。 由转矩给定和转矩反馈获得转矩误差输入 PI 调节器中，经过 PI 调节得到 q 轴电压矢量,由定子磁链给定和定子磁链反馈获得定子 磁链误差输入 PI 调节器中，经过 PI 调节得到 d 轴电压矢量,之后将 d 轴和 q 轴的电 压矢量旋转变换到静止坐标系下的 α 轴和 β 上，用于空间电压矢量的输出，显然这个 空间电压矢量在空间位置上的相位是任意的。从结构上看基于 PI 调节的直接转矩控 制相似于定子磁链定向的矢量控制，但二者是有区别的，定子磁链定向的矢量控制基 于同步旋转坐标系，定向于定子磁链 d 轴，q 轴磁链为零，另外在 d 轴方向还要对磁 链和和 q 轴方向上的电流进行解耦，而这些对于基于 PI 调节的直接转矩控制不需要， 其中只需要使转矩输出和定子磁链反馈通过 PI 调节方法来跟随上给定即可，因此从 实现上是比较简单的，同时鲁棒性也比较好，并且相对于传统的直接转矩控制可以提 高开关频率，减小了低速下的转矩脉动，但是在这种方法当中需要选取合适的 PI 参 数，否则会影响控制系统的动、静态性能。除了以上这种 PI 调节的直接转矩控制外， 在文献中还在 A· Plunkeet 的直接转矩和磁链调节法的基础上做了进一步的研究， B· 使 用空间电压矢量的方式输出，此处不详细叙述。
注入高频抖动提高开关频率
在前面的各 种直接 转矩控制策略中 都谈到 提高低速下的开 关频率 可以降低转矩 脉动，同时也可
以降低噪声。在文献中，提出了一种在传统的直接转矩控制基础上注 入高频抖动的方法提高开关频率，其中作者用图表的方式显示了开关频率随转矩和磁 链滞环宽度的减小而提高，但是这种提高是有限的，一个最主要的原因是磁链和转矩 控制上的延迟，滞后越大开关频率就越低。例如从仿真来看10μs 延迟有14kHz 的开 关频率，但当有20μs 的延迟时只有8kHz 的开关频率。文献中提出的提高开关频率方 法是在转矩和磁链滞环内叠加上高频的三角波，其幅值与滞环宽度相当。 当反 馈值大于三角波时电压矢量减小，当反馈值小于三角波时电压矢量增大，因此，即使 控制上有延迟，但随着三角波频率的增大，开关频率也就提高了，例如当三角波的频 率为30kHz 时，开关频率可达10kHz。文献中采用的是单一电压矢量的方法，如果能 采用空间任意电压矢量的方法，可以使开关频率进一步提高。
大容量的直接转矩控制的低速控制策略
直接转矩控制当初在德国提出来是为了解决大容量的机车控制的问题，其中最重 要的一点就是要降低开关频率。目前以 GTO 作为逆变器的功率器件时，其开关频率 一般不超过200Hz，使用 IGBT 时，一般也不能超过500Hz。因此以上的各节所描述 的直接转矩控制策略将不适用于大容量的直接转矩控制，否则将造成比较高的开关频 率。在低速下，如果使用直接转矩进行控制，首先是采样周期很小，否则转矩脉动大， 而且容易过流。其次是要求圆形磁链，否则转矩脉动大;再次是要使用单一电压矢量， 并且占空比为100％，这样才能减少至少一半的开关频率;最后是转矩和磁链要有比较 大的滞环，否则开关频率也比较高，但是，如果转矩和磁链的滞环太大，又会造成比 较大的转矩脉动。因此在大容量的调速中不易使用传统的直接转矩控制。目前使用的 最成熟的方法是间接转矩控制。 这种控制方法其实是在 A· Plunkett 的直接转 B· 矩和磁链调节法上的一种改进，其中转矩调节器输出的是动态滑差在一个采用周期的 积分动态增量 ΔXd，而稳态滑差由磁链和转矩计算出来。动态滑差与电机机械角速度 之和得到同步角速度，对其在一个采样周期进行积分就可以得到磁链在一个周期内的 相位稳态增量 ΔX0， 使之与动态增量相加可得磁链在一个采样周期总的相位增量 ΔX。 磁链调节器输出幅值增量 kψ，利用相位增量和幅值增量以及电压方程可以得到控制 电机的空间电压矢量。从以上分析可以看出间接转矩控制的物理概念是很清晰的。通 过计算磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，不但可以保证磁链轨迹为圆 形，而且还对转矩进
行了稳态和动态的调节。另外，可以象矢量控制那样通过增大采 样周期来减小开关频率而不会产生额外的转矩脉动，这主要是因为磁链的幅值增量和 相位增量在一个采样周期中是可以准确计算出来的。因此间接转矩控制具有很好的稳 态和动态性能，在大容量的调速中能大大减小低速转矩脉动，增大调速范围。
直接转矩控制技术的未来
相对于传统的直接转矩控制来说，目前对于中小容量电机控制的改进方法主要是 进行转矩、磁链无差拍控制和提高、固定开关频率。同时实现转矩和磁链的无差拍控 制来说比较困难，因此出现了单独的转矩和磁链的预测跟踪控制，以 及界于无差拍控 制和 Bang-Bang 控制之间的离散空间电压矢量控制，不但简化了控制算法，还提高 了控制精度。运用 PI 调节器进行转矩和磁链控制是一种比较直接的方法，省却了无 差拍控制的复杂计算，易于实现。无论是无差拍控制或 PI 调节的方式都可以输出任 意或比较多的空间电压矢量，这自然提高并且固定了开关频率，对于降低转矩脉动和 减少噪音是很有帮助的。但是应该清楚的看到，目前的小容量直接转矩控制的低速性 能还达不到矢量控制那样，转矩脉动和噪音都比后者大，因此就如何降低转矩脉动和 减小噪音上来说还有待进一步的研究，另外，把间接转矩控制引入到小容量的低速控 制中来也是一种比较好的思路。 对于大容量的直接转矩控制策略来说，与中小 容量的主要区别 是限制 开关频率在一定 的范围 之内，由于在低 速采用 了间接转矩控 制，因此转矩脉动比较小，几乎能达到矢量控制那样的低速性能。随着电力电子器件 的不断向着大功率化和高频化发展，将有助于大容量直接转矩控制的进一步发展。
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