第1章电力拖动运动控制基础
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下面仅以直流它励电动机为例加以说明。
直流电动机的发热主要取决于电枢电流Ia, 而额定电流IN就是电动机长时间工作所允许的电流值。
直流调速方法
根据直流电动机转速方程 根据直流电动机转速方程
n
U IR
KeΦ
（1-1）
式式中中 n U I R
Ke
————————————转电电电励由转电电电励由速枢枢枢磁电速枢 枢 枢 磁电（电电回磁机（电电回磁机r压流路通结/r压流路通结m/m（（总（构i（（总（构niVA电Wn决）电VAW决）））b阻定；））b阻）定；；；）（的；；（；的；电电）动）动；势；势常常数数。。
n
n3
n2
n0 n1
nN
N
1
2
3
O
TL
Te
调压调速特性曲线
20
根据以上分析，可以作出直流它励电动机调速 时的允许转矩和允许功率曲线，如图1-7所示。
Te,P 恒转矩 调速区
TM
恒功率调 速区
PM
0
nN
nmax
n
图1-7 直流它励电动机调速时允许 输出的转矩与功率曲线
直流电动机的动态转矩容易控制，因而用 它构成的电力拖动系统动态性能优良；
永磁同步电动机兼有动态转矩容易控制和 转动惯量小双重优点，因而在伺服控制系 统中获得了广泛应用；
异步电动机的动态转矩控制比较困难，要 达到好的动态性能，则需要采取一些比较 复杂的控制策略。
1.2 电力拖动系统的负载特性
负载特性----是指生产机械的负载转矩 与转速之间的关系，一般可以分为以下三类：
工作条件：
保持励磁 = N ；
保持电压 U =UN ； 调节过程：
增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。
19
调磁调速
• 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；
• 调节过程：
减小励磁 N n ， n0
• 调速特性： 转速上升，机械特性 曲线变软。
14
由式（1-1）可以看出，有三种方法调 节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U。
（2）减弱励磁磁通 。
（3）改变电枢回路电阻 R。
15
1. 调电枢电压调速(恒转矩调速方式)
这种方法调速时，使Φ=ΦN = 常数， 所以
可见:
TM = CTΦNIN =TN =常数 Pm=TM n/9550= C1 n
转矩TL0，因此实际负载转矩应T为L TL0TLW
对应的负载转矩特性如图1-5所示。 提升时，负载转矩为二者之和； 下放时,负载转矩为二者之差。
又如，实际通风机除了主要是风机类负载外,其 轴承还有一定的摩擦转矩TL0，因此，实际通风 机负载转矩为
TL TL0Kn2
与上式对应的负载特性如图1-6所示。
TL K/n
式中 K—比例系数。
负载功率为 PL TLn常数
某些机床的切削加工就具有这种特性，例如车床、 刨床等，在粗加工时，切削量大，因而阻力也大，这 时常开低速；
在精加工时，切削量小，阻力也小，这时常开高 速，就具有高、低速下功率近似不变的特性。
实际生产机械的负载特性可能是几种典型特性 的组合。例如在拖动位能负载的机械中，除了位 能转矩TLW 以外，传动机构和轴承中还产生摩擦
第一章
电力拖动运动控制基础
1.1 电力拖动系统的运动方程
TeTL J dm (1-1)
dt
式中:
Te —电动机的电磁转矩，单位为 N.m；
TL —折算到电动机轴上的负载转矩，单位为N.m；
J —拖动对象的转动惯量，单位为 kg.m2；
ωm—电机角速度，单位为rad/s。
Te TL J dm
dt
➢ 当Te＞TL时，dn/dt >0,系统加速； ➢ 当Te＜TL时，dn/dt＜0,系统减速。
➢ 不管是哪一种情况，系统都处于变速运动中， 称为动态。
➢ 当Te=TL 时，dn/dt=0,即系统处于静止或匀速运
行，称为稳态。
从式（1-1）可以看出，提高动态性能的关 键有两条：减小转动惯量和控制动态转矩。
电力拖动 运动控制系统
第一章 电力拖动运动控制基础 第二章 直流电动机调速系统 第三章 机电能量转换基础 第四章 异步电动机与调速 第五章 异步电动机恒压频比（V/F）控制 第六章 异步电动机矢量控制与直接转矩控制 第七章 同步电机与变频调速 第八章 电力拖动在运动控制系统中的应用 第九章 电力拖动运动控制系统的计算机控制
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2.弱磁调速(恒功率调速方式)
这时U=UN，IM=IN，则
UNINRa C2
CEn
n
所以
TMCTINCTC n2INC n3
式中比例常数 C3= CTC2IN ，
所以
PM9TM 5n509C53 50常数
可见: 弱磁调速时（在额定转速nN以上调 速），PM=常数，属于恒功率调速方式。
3.调阻调速
0
-n
TL
+TL
图1-1 反抗性恒转矩负载特性
图1-2位能性恒转矩负载特性
1.2.2 风机类负载特性
它的特点:负载转矩基本上与转速的平 方成正比.
TL Kn2
式中 K—比例常数。
（1-2）
属于风机类负载的生产设备有通风机、水 泵、油泵等。风机类负载也属于反抗性负载。
1.2.3 恒功率负载特性
它的特点: 负载转矩基本上与转速成反比。
➢ 恒转矩负载 ➢ 风机负载 ➢ 恒功率负载
1.2.1 恒转矩负载特性
• 特点：负载转矩TL恒定不变，与转速无关。 • 恒转矩负载可以分为:
1)反抗性（如摩擦力):负载转矩方向与运动方向相反。
2)位能性（如起重机):负载转矩方向固定不变，与转速方向无
关。。
n
n
+n +TL
+n +TL
-n
0
-TL
TL
n
返回
n
返回
0
TL
图1-3 通风机负载特性
0
TL
图1-4 恒功率负载特性
n
ห้องสมุดไป่ตู้
TLW
TL
TL0
0
TL0 TL
图1-5 实际位能负载特性
n
TL
0
返回
TL0
TL
图1-6 实际通风机负载特性
1.3 调速时的转矩与功率
1.3.1电动机允许输出的转矩和功率
电动机长时间工作允许输出的电磁转矩和允 许输出的功率由电动机发热条件决定。
调压调速时(在额定转速nN以下调速), TM=常数，PM与n成正比，
属于恒转矩调速方式。
调压调速
工作条件：
保持励磁 = N ； n
保持电阻 R = Ra
n0
调节过程：
改变电压 UN U
U n ， n0
调速特性：
O
转速下降，机械
特性曲线平行下
移。
nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线
直流电动机的发热主要取决于电枢电流Ia, 而额定电流IN就是电动机长时间工作所允许的电流值。
直流调速方法
根据直流电动机转速方程 根据直流电动机转速方程
n
U IR
KeΦ
（1-1）
式式中中 n U I R
Ke
————————————转电电电励由转电电电励由速枢枢枢磁电速枢 枢 枢 磁电（电电回磁机（电电回磁机r压流路通结/r压流路通结m/m（（总（构i（（总（构niVA电Wn决）电VAW决）））b阻定；））b阻）定；；；）（的；；（；的；电电）动）动；势；势常常数数。。
n
n3
n2
n0 n1
nN
N
1
2
3
O
TL
Te
调压调速特性曲线
20
根据以上分析，可以作出直流它励电动机调速 时的允许转矩和允许功率曲线，如图1-7所示。
Te,P 恒转矩 调速区
TM
恒功率调 速区
PM
0
nN
nmax
n
图1-7 直流它励电动机调速时允许 输出的转矩与功率曲线
直流电动机的动态转矩容易控制，因而用 它构成的电力拖动系统动态性能优良；
永磁同步电动机兼有动态转矩容易控制和 转动惯量小双重优点，因而在伺服控制系 统中获得了广泛应用；
异步电动机的动态转矩控制比较困难，要 达到好的动态性能，则需要采取一些比较 复杂的控制策略。
1.2 电力拖动系统的负载特性
负载特性----是指生产机械的负载转矩 与转速之间的关系，一般可以分为以下三类：
工作条件：
保持励磁 = N ；
保持电压 U =UN ； 调节过程：
增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。
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调磁调速
• 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；
• 调节过程：
减小励磁 N n ， n0
• 调速特性： 转速上升，机械特性 曲线变软。
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由式（1-1）可以看出，有三种方法调 节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U。
（2）减弱励磁磁通 。
（3）改变电枢回路电阻 R。
15
1. 调电枢电压调速(恒转矩调速方式)
这种方法调速时，使Φ=ΦN = 常数， 所以
可见:
TM = CTΦNIN =TN =常数 Pm=TM n/9550= C1 n
转矩TL0，因此实际负载转矩应T为L TL0TLW
对应的负载转矩特性如图1-5所示。 提升时，负载转矩为二者之和； 下放时,负载转矩为二者之差。
又如，实际通风机除了主要是风机类负载外,其 轴承还有一定的摩擦转矩TL0，因此，实际通风 机负载转矩为
TL TL0Kn2
与上式对应的负载特性如图1-6所示。
TL K/n
式中 K—比例系数。
负载功率为 PL TLn常数
某些机床的切削加工就具有这种特性，例如车床、 刨床等，在粗加工时，切削量大，因而阻力也大，这 时常开低速；
在精加工时，切削量小，阻力也小，这时常开高 速，就具有高、低速下功率近似不变的特性。
实际生产机械的负载特性可能是几种典型特性 的组合。例如在拖动位能负载的机械中，除了位 能转矩TLW 以外，传动机构和轴承中还产生摩擦
第一章
电力拖动运动控制基础
1.1 电力拖动系统的运动方程
TeTL J dm (1-1)
dt
式中:
Te —电动机的电磁转矩，单位为 N.m；
TL —折算到电动机轴上的负载转矩，单位为N.m；
J —拖动对象的转动惯量，单位为 kg.m2；
ωm—电机角速度，单位为rad/s。
Te TL J dm
dt
➢ 当Te＞TL时，dn/dt >0,系统加速； ➢ 当Te＜TL时，dn/dt＜0,系统减速。
➢ 不管是哪一种情况，系统都处于变速运动中， 称为动态。
➢ 当Te=TL 时，dn/dt=0,即系统处于静止或匀速运
行，称为稳态。
从式（1-1）可以看出，提高动态性能的关 键有两条：减小转动惯量和控制动态转矩。
电力拖动 运动控制系统
第一章 电力拖动运动控制基础 第二章 直流电动机调速系统 第三章 机电能量转换基础 第四章 异步电动机与调速 第五章 异步电动机恒压频比（V/F）控制 第六章 异步电动机矢量控制与直接转矩控制 第七章 同步电机与变频调速 第八章 电力拖动在运动控制系统中的应用 第九章 电力拖动运动控制系统的计算机控制
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2.弱磁调速(恒功率调速方式)
这时U=UN，IM=IN，则
UNINRa C2
CEn
n
所以
TMCTINCTC n2INC n3
式中比例常数 C3= CTC2IN ，
所以
PM9TM 5n509C53 50常数
可见: 弱磁调速时（在额定转速nN以上调 速），PM=常数，属于恒功率调速方式。
3.调阻调速
0
-n
TL
+TL
图1-1 反抗性恒转矩负载特性
图1-2位能性恒转矩负载特性
1.2.2 风机类负载特性
它的特点:负载转矩基本上与转速的平 方成正比.
TL Kn2
式中 K—比例常数。
（1-2）
属于风机类负载的生产设备有通风机、水 泵、油泵等。风机类负载也属于反抗性负载。
1.2.3 恒功率负载特性
它的特点: 负载转矩基本上与转速成反比。
➢ 恒转矩负载 ➢ 风机负载 ➢ 恒功率负载
1.2.1 恒转矩负载特性
• 特点：负载转矩TL恒定不变，与转速无关。 • 恒转矩负载可以分为:
1)反抗性（如摩擦力):负载转矩方向与运动方向相反。
2)位能性（如起重机):负载转矩方向固定不变，与转速方向无
关。。
n
n
+n +TL
+n +TL
-n
0
-TL
TL
n
返回
n
返回
0
TL
图1-3 通风机负载特性
0
TL
图1-4 恒功率负载特性
n
ห้องสมุดไป่ตู้
TLW
TL
TL0
0
TL0 TL
图1-5 实际位能负载特性
n
TL
0
返回
TL0
TL
图1-6 实际通风机负载特性
1.3 调速时的转矩与功率
1.3.1电动机允许输出的转矩和功率
电动机长时间工作允许输出的电磁转矩和允 许输出的功率由电动机发热条件决定。
调压调速时(在额定转速nN以下调速), TM=常数，PM与n成正比，
属于恒转矩调速方式。
调压调速
工作条件：
保持励磁 = N ； n
保持电阻 R = Ra
n0
调节过程：
改变电压 UN U
U n ， n0
调速特性：
O
转速下降，机械
特性曲线平行下
移。
nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
调压调速特性曲线