17_直流无刷电机的四象限运行

No.17 直流无刷电机的四象限运行

1 直流无刷电机运行的特点

（1）输出转矩的极性取决于相位而不取决于相序

直流无刷电机输出转矩的极性取决于转矩指令的极性。正转矩指令时输出与电机正方向相同的正转矩，负转矩指令时，三相电流翻转180°，输出与电机正方向相反的负转矩。

●正转矩指令时：

三相绕组的转矩常数为（绕组相序为ACB）：

KT A=KT Phase²Sin(θ)

KT B=KT Phase²Sin(θ-240)

KT C=KT Phase²Sin(θ-120)

三相定子电流：

I A=I Peak²Sin(θ)

I B=I Peak²Sin(θ-240)

I C=I Peak²Sin(θ-120)

三相绕组产生的转矩：

T A=KT A²I A=KT Phase²I Peak²Sin2(θ)

T B=KT B²I B=KT Phase²I Peak²Sin2(θ-240)

T C=KT C²I C=KT Phase²I Peak²Sin2(θ-120)

电动机产生的总的转矩：等于三相绕组产生的转矩之和

Tm= T A + T B + T C

Tm= KT Phase²I Peak²[ Sin2(θ)+ Sin2(θ-240)+ Sin2(θ-120)]

Tm= KT Phase²I Peak²1/2²[1-Cos(2θ)+ 1-Cos(2θ-240)+ 1-Cos(2θ-120)]

Tm=3/2²KT Phase²I Peak

●负转矩指令时：三相电流翻转180°

三相定子电流（相序为ACB）：

I A=I Peak²Sin(θ-180) = -I Peak²Sin(θ)

I B=I Peak²Sin(θ-240-180) = -I Peak²Sin(θ-240)

I C=I Peak²Sin(θ-120-180) = -I Peak²Sin(θ-120)

三相绕组产生的转矩：

T A=KT A²I A= -KT Phase²I Peak²Sin2(θ)

T B=KT B²I B= -KT Phase²I Peak²Sin2(θ-240)

T C=KT C²I C= -KT Phase²I Peak²Sin2(θ-120)

电动机产生的总的转矩：等于三相绕组产生的转矩之和

Tm= T A + T B + T C

Tm= -KT Phase²I Peak²[ Sin2(θ)+ Sin2(θ-240)+ Sin2(θ-120)]

Tm= -KT Phase²I Peak²1/2²[1-Cos(2θ)+ 1-Cos(2θ-240)+ 1-Cos(2θ-120)]

Tm= -3/2²KT Phase²I Peak

输出转矩的极性与正转矩指令时相反，但三相电流的相序没有改变。

（2）相序取决于电机旋转方向而不取决于转矩指令的极性

●三相定子绕组的相序规定为按电机正方向旋转的相序，称为正相序

●电机正方向旋转时，反馈计数为加计数，三相电流的相序为正相序

●电机负方向旋转时，反馈计数为减计数，三相电流的相序为负相序

由图可以看出：不是三相电流的相序决定电机的旋转方向，而是电机的旋转方向决定相序。

相序的改变，并不影响输出转矩的极性。

（3）电机的运行状态取决于电机输出转矩的极性

●输出转矩方向与旋转方向相同：电机运行在电动状态。电机将输入的电能转换为机械能输出给

负载，其中一部分作为动能储存在系统中。

●输出转矩方向与旋转方向相反：电机运行在制动状态。电机作为发动机运行，将系统储存的动

能转换为电能，或将其储存（再生制动），或加在制动电阻上转换为热能消耗掉（能耗制动）。（4）电机的运动状态取决于电机输出转矩的大小

电机轴上作用有两个转矩：电机输出转矩T M和负载转矩T L。根据牛顿运动定律：

F = m²a（直线运动）

T = J²dω/dt（旋转运动）

其中：T=T M±T L

●T M±T L>0：dω/dt>0，电机做加速运动

●T M±T L<0：dω/dt<0，电机做减速运动

●T M±T L＝0：dω/dt＝0，电机做恒速运动

2 四象限运行

通常用平面座标系来表示电动机的运行状态：水平座标轴表示电机输出转矩的大小和方向，垂直座标表示电机速度的大小和方向。用平面座标系的四个象限可以表示电机的四种运行状态：

●第Ⅰ象限：电机输出转矩极性是正的，电机旋转方向也是正的，电机工作在正转电动状态。

●第Ⅱ象限：电机输出转矩极性是负的，电机旋转方向是正的，电机工作在正转制动状态。

●第Ⅲ象限：电机输出转矩极性是负的，电机旋转方向也是负的，电机工作在反转电动状态。

●第Ⅳ象限：电机输出转矩极性是正的，电机旋转方向是负的，电机工作在反转制动状态。

伺服系统的运动指令的大小和极性随机快速变化，要求伺服电机快速跟踪运动指令的变化。即，要求伺

服电机能四象限运行。