二 19

同步电机原理简述

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结构模型
　 ◆同步发电机和其它类型的旋转电机一样，由固定的定子和可旋转的转子两大部分组成。一般分为转场式同步电机和转枢式同步电机。
　 ◆图15.1给出了最常用的转场式同步发电机的结构模型，其定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢铁心和电枢绕组。
　 ◆转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也称主磁场、转子磁场)。
　 ◆气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性能有重大影响。
　 ◆ 除了转场式同步电机外,还有转枢式同步电机，其磁极安装于定子上，而交流绕组分布于转子表面的槽内，这种同步电机的转子充当了电枢。图中用AX、BY、CZ三个在空间错开120电角度分布的线圈代表三相对称交流绕组。
 
工作原理
　 ◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
　 ◆ 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
　 ◆ 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
　 ◆ 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。
　 ◆ 感应电势 有效值：由第11章可知，每相感应电势的有效值为(15.1)
　 ◆ 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即(15.2)
　 ◆交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。  
 
运行方式
　 ◆同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。 作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。 同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。

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二 16

电机控制和矢量控制浅析

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        新技术的发展给电机控制行业带来了新的发展机遇，从控制理论的发展、电力电子技术的发展以及计算机技术在控制领域的应用等方面，结合目前的现状，介绍国内外这些领域内的最新进展。尤其是专用集成电路、DSP数字信号处理  和FPGA近年来令人瞩目的发展，给电机控制系统带来新的契机。 
       廿世纪后期的电子技术(包括大规模集成电路技术、电力电子技术和计算机技术)的飞速发展以及现代电机控制理论的完善，仿真工业的日渐成熟，极大地推动了作为机电能量转换的基本单元电动机控制技术的发展，这种发展对各行各业的影响是巨大的。进入廿十一世纪后，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势更为明显，促进电机技术以更快的速度发展着。本文总结这些新技术的发展给电机控制带来的新机遇，从控制理论、控制器、电力电子技术以及微型计算机技术的应用，结合电机控制的现状，介绍国内外的这些领域内的最新技术进展，展望今后的趋势，希望有助于大家了解并追踪电机控制领域中的最新技术和信息，把握行业的发展方向。
一、电机控制理论
         自70年代异步电动机矢量变换控制方法提出，至今已获得了迅猛的发展。这种理论的主要思想是将异步电动机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制电机的励磁电流分量与转矩电流分量，从而获得与直流电动机一样的良好的动态调速特性。这种控制方法现已较成熟，已经产品化，且产品质量较稳定。因为这种方法采用了坐标变换，需要进行快速、复杂的数学运算，所以对控制器的运算速度、处理能力等要求较高，微型计算机技术的发展为矢量变换控制的实现提供了良好的外部条件。近年来，围绕着矢量变换控制的缺陷，如系统结构复杂，非线性和电机参数变化影响系统性能等问题，国内外学者进行了大量的研究。
         1985年，德国的Depenbrock教授提出一种新的控制方法，即异步电动机直接转矩控制系统。它就是上述研究的结果。它不需要坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，理论上非常诱人。实验室条件下也已做出性能指标相当高的样机。只是还有些问题未解决，如低速时转矩观测器和转速波动等，未能产品化。现在市面上自称实现了转矩直接控制的系统，大多都是或者采用了将磁链定向与直接转矩控制相结合的方法，低速时采用磁链定向矢量变换控制，高速时采用直接转矩控制。或者同时观测转子磁链，作为直接转矩控制系统的校正。一来这种方法平稳切换的时机较难确定，目前德国大学的学者正在研究这问题；二来如果低速时采用磁链定向矢量控制，或者采用观测转子磁链的方法，还是要依赖转子参数。也就是说只要有转子磁链的成分在里面，就还是对转子参数较敏感。无法体现直接转矩控制的优势。看来，完全的转矩直接控制离产品化还有一段距离。
          除此之外，基于现代控制理论的滑模变结构控制技术、采用微分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适应控制等方法的引人，使系统性能得到了改善。但这些理论仍然建立在对象精确的数学模型基础上，有的需要大量的传感器、观察器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线性和电机参数变化的影响，因而需进一步探讨解决上述问题的途径。
          纵观电机工业的发展史，几乎每一次大的发展都有理论方面的突破。但现在作为较成熟的电机控制理论，再提出具有划时代意义的理论不太容易。因此，今后相当一段时间内还会是将现有的各种理论加以结合，互相取长补短，或都将其它学科的理论、方法引入电机控制，走交叉学科的道路，以解决上述问题。近年业，智能控制研究很活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。由于智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，因而许多学者将智能控制方法引入了电机控制系统的研究，并预言未来的十年将开创电力电子和运动控制的新纪元。比较成熟的是模糊控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点。模糊控制已在交直流调速系统和伺服系统中取得了满意的效果。它的典型应用如：用于电机速度控制的模糊控制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等。近年来已有一些文献探讨将神经网络控制或专家系统引入异步电动机的直接转矩控制系统，相信不久会有实用的结果。
二、电机控制器
        有了好的控制方法，还需要有能将其实现的控制器。可靠性高，实时性好是对控制系统的基本要求。最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，集成电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为模拟数字混合电路，它大大提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力、又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用，因而近年来发展很快。
         作为专用集成电路(ASIC－－－ApplicationSpecificIntegratedCircuit)的一个重要方面，目前世界上几乎所有的大半导体厂商都提供了自己开发的电机控制专用集成电路。所以电机控制专用集成电路品种规格繁多，产品资料和应用资料十分丰富。但同时由于各厂商之间无统一标准，因而产品极其分散，又不断有新产品出现，为满足一次设计的需要，往往要花很大力气和时间去收集整理资料。当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，现有的专用集成电路未必能满足苛刻的新品开发要求，为此可考虑自己开发电机专用的控制芯片。现场可编程门陈列(FPGA)可以作为一种解决方案。作为开发设备，FPGA可以方便地实现多次修改。简单地打个比方，FPGA相对于ASIC好比EPROM相对于掩膜生产的ROM。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万等效门。所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言(VHDL或VerilogHDL)来对系统进行设计，硬件描述语言摈弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的方法。它采用三个层次的硬件描述和自上至下(从系统功能描述开始)的设计风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计。具体层次及其简单介如下：第一层为行为描述，主要是功能描述，并可以进行功能仿真；第二层是RTL描述，主要是逻辑表达式的描述，并进行RTL级仿真；第三层是门级描述，即用基本的门电路进行描述，相应地进行门级仿真。最后生成门级网络表，再用专用工具生成FPGA的编程码点，就可以进行FPGA的编程了。试制成功后，如要大批量生产，可以按照FPGA的设计定做ASIC芯片，降低成本。目前已有探讨这方面可行性的文章，有兴趣的读者可参阅。
         电机控制专用集成电路的出现对电机控制的影响是深远的，它大大地推动了电机控制行业的发展，市场前景十分广阔，只可惜国内的集成电路厂商至今还不能在这一市场上占据应有的份额。
        随着技术的进步，特别是数字化趋势广泛流行的今天，人们不会满足于停留在模拟数字混合的时代。 
        现在市场上较通用的变频器大多采用单片机来控制，应用较多的是8096系列产品。但单片机的处理能力有限，对采用矢量变换控制的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度要求高，单片机往往不能满足要求。人们自然而然地想到数字信号处理器(DSP)。近年来，各种集成化的单片DSP的性能得到很大改善，软件和开发工具也越来越多，越来越好；价格却大幅度降低，目前低端产品已接近单片机的价格水平，而其比单片机具有更高的性能价格比。从而使     DSP器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户接受。越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机已成熟。
        与单片机相比DSP数字信号处理器件具有较高的集成度。DSP数字信号处理具有快的CPU，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。更为不同的是，DSP器件为精简指令系统计算机(RISC)器件，大多数指令都能在一个指令周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。DSP数字信号处理采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增加的多级流水级，使DSP器件具有高速的数据运算能力。而单片机为复杂指令系统计算机(CISC)，多数指令要2 －3个指令周期来完成。单片机能采用诺依曼结构。程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令或数据。ALU只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，也就是说速度比较慢。所以,结构上的差异使DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8－10倍，完成一次乘法运算快16－30 倍。简单地说，就是DSP器件运算功能强，而单片机的事务处理能力强。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，DSP器件提供JTAG(JointTsetActionGroup)接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便。
         为了在广阔的电机控制市场抢占份额，各大DSP生产厂商纷纷推出自己的内嵌式DSP电机专用控制电路。如占DSP市场份额45％的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用DSP-TMS320C24x(TMS320F24x片内ROM为可擦写)。新的TMS32024xDSP 
         采用TI的T320C2xLP16位定点DSP核心，并集成了一个电机事件管理器，后者的特点是可以最佳方式实现对电机转向的电子控制。该器件利用TI的可重用DSP核心技术，显示出TI的特殊能力-通过在单一芯片上集成一个DSP核及其数字和混合信号外设件，制造出面向各种应用的DSP方案。 
          TMS320C24x作为第一个数字电机控制器的专用DSP系列，可支持电机的转向、指令的生产、控制算法的处理、数据交流和系统监控等功能。集成化 DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多因素加在一起，就可提供一个单芯片式数字电机控制方案。系列中的TMS320C240包括一个20NIPSDSP核、一个事件管理器、两个串行口、一对10位A/D转换器、一个32位数字I/O系统、一个监视计算器、一个低电压监视器和一个 16K字符快部分存储器，它利用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持，可使电机控制领域的开发商方便地从微控制器升迁至新的DSP。美国模拟设备(AD)公司也不甘落后，与著名intel公司合作，生产出ADMC3xx系列电机控制专用DSP，性能与TI公司的产品相差不大，也是基于 AD公司的16位定点DSP核ADSP2171来设计的，它还集成了三相PWM产生器(16位)和A/D转换器。其它比较有名的生产DSP的厂商还有 Motorola公司和NEC公司。采用基于DSP的电机控制专用集成电路的另一个好处是，可以降低对传感器等外围器件的要求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术的保密。用电机控制专用的DSP集成芯片通过卡尔曼滤波器算法实现无位置传感器的无刷直流电动机控制即是一典型例子。
        有时，系统要求的人机交互、打印等控制较多，一个DSP不能胜任，这时可采用一个单片机来处理事务，一个DSP来处理运算的异型多处理器系统。但这样做，既增加了两个处理器之间同步和通信的负担，又使系统实时性变坏，延长系统开发时间。此时，采用Tricore是解决问题的好方法，它把微处理器、微控制器和数字信号处理器的能力集成于一块芯片上，从而能单片解决遇到的大多数工程问题。
 
本文摘自《中国自动化网》
            
 

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二 14

伺服电机的几种制动方式

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用户往往对电磁制动,再生制动,动态制动的作用混淆,选择了错误的配件。
    动态制动器由动态制动电阻组成,在故障,急停,电源断电时通过能耗制动缩短伺服电机的机械进给距离。
    再生制动是指伺服电机在减速或停车时将制动产生的能量通过逆变回路反馈到直流母线,经阻容回路吸收。    电磁制动是通过机械装置锁住电机的轴。
    三者的区别
    (1)再生制动必须在伺服器正常工作时才起作用,　在故障,急停,电源断电时等情况下无法制动电机.　动态制动器和电磁制动工作时不需电源。
    (2)再生制动的工作是系统自动进行,而动态制动器和电磁制动的工作需外部继电器控制。
    (3)电磁制动一般在SV　OFF后启动,否则可能造成放大器过载.　动态制动器一般在SV　OFF或主回路断电后启动,　否则可能造成动态制动电阻过热。
    选择配件的注意事项
    (1)有些系统如传送装置,升降装置等要求伺服电机能尽快停车.而在故障,急停,电源断电时伺服器没有再生制动无法对电机减速.同时系统的机械惯量又较大,这时需选用动态制动器动态制动器的选择要依据负载的轻重,电机的工作速度等。
    (2)有些系统要维持机械装置的静止位置需电机提供较大的输出转矩且停止的时间较长,如果使用伺服的自锁功能往往会造成电机过热或放大器过载。这种情况就要选择带电磁制动的电机。
    (3)三菱的伺服器都有内置的再生制动单元,但当再生制动较频繁时可能引起直流母线电压过高,这时需另配再生制动电阻。再生制动电阻是否需要另配,配多大的再生制动电阻可参照样本的使用说明.需要注意的是样本列表上的制动次数是电机在空载时的数据。实际选型中要先根据系统的负载惯量和样本上的电机惯量,算出惯量比.再以样本列表上的制动次数除以(惯量比+1)。这样得到的数据才是允许的制动次数。

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二 13

异步电机节电节能运行方式

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关于异步电机节能的问题：

1、异步电机的工作电流I是跟随负载的大小在变化；
2、负载重时电流大，负载轻时电流小，空载时电流最小；
3、异步电机额定负载运行时，损耗（铁损、铜损）最大；
4、异步电机空载运行时，损耗最小，只有铁损；
5、功率大的电机，铁损、铜损大；
6、功率小的电机，铁损、铜损小；
7、电动机额定运行时功率因数高0.8左右；
9、电动机空载运行时功率因数低，只有铁损，没有输出；
10、电动机空载运行时的节能设备最多可节能：
电动机空载铁损的一部分
11、大马拉小车比小马拉小车损耗大，多损耗△损耗：
△损耗 = 大电机的铁损 - 小电机的铁损
12、大马拉小车用节能设备最多可节能：
△损耗 = 大电机的铁损 - 小电机的铁损
13、综上所述：利用节能设备对异步电机进行节能运行最多可节能
10+12 = （电动机空载铁损的一部分）+
（△损耗 = 大电机的铁损 - 小电机的铁损）
14、如果有人说他的节能设备对电动机运行可节能30、40、50、60%，那是骗人的忽悠之词，切不可相信，否则花一大批钱不仅没有回报，可能造成设备系统无法正常运行，严重影响生产。

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一 02

异步电动机安全要点概述

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异步电动机是工农业生产中最常见的电气设备，其作用是把电能转换为机械能。企业中电动机消耗的电能占能耗量的60%以上。其中用得最多的是笼型异步电动机，其结构简单，起步方便，体积较小，工作可靠，坚固耐用，便于维护和检修。为了保证异步电动机的安全运行，电气工作人员必须掌握有关异步电动机的安全运行的基本知识，了解对异步电动机的安全评估，做到尽可能地及时发现和消除电动机的事故隐患。
1.异步电动机选用

为生产机械选择合适的电动机，包括确定电动机的额定电压、额定转速、结构型式和额定容量等。主要考虑以下4个方面的问题。

(1)根据电源电压条件，要求所选用的电动机的额定电压与电源电压相符合。

(2)在机械特性方面，所选用的电动机应满足被拖动生产机械提出的要求。

(3)电动机的结构型式，应适应周围环境条件的要求。

(4)正确选择电动机的容量。电动机的容量必须与生产机械的负载大小相匹配，同时要考虑生产机械的工作性质与其持续、间断的规律相适应。选小了，不能保证生产机械的正常工作，对电动机来说，将使它的各部分过载、过热，温度上升超过允许的限度而过早损坏；选大了，则增加设备的投资费用，电动机容量不能充分利用，而且使效率和功率因数降低。

2.异步电动机的常见故障及分析

电动机在运行中由于种种原因，会出现故障，故障分机械与电气两方面。

(1)机械方面有扫膛、振动、轴承过热、损坏等故障。异步电动机定、转子之间气隙很小，容易导致定、转子之间相碰。一般由于端盖轴室内孔磨损或端盖止口与机座止口磨损变形，使机座、端盖、转子三者不同轴引起扫膛。

振动应先区分是电动机本身引起的，还是传动装置不良所造成的，或者是机械负载端传递过来的，而后针对具体情况进行排除。属于电动机本身引起的振动，多数是由于转子动平衡不好，以及轴承不良，转轴弯曲，或端盖、机座、转子不同轴，或者电动机安装地基不平，安装不到位，紧固件松动造成的。振动会产生噪声，还会产生额外负荷。

(2)电气方面故障有定子绕组缺相运行，定子绕组首尾反接，三相电流不平衡，绕组短路和接地，绕组过热和转子断条、断路等。

缺相运行是常见故障之一。三相电源中只要有一相断路就会造成电动机缺相运行。缺相运行可能由于线路上熔断器熔体熔断，开关触点或导线接头接触不良等原因造成。

三相电动机缺一相电源后，如在停止状态，由于合成转矩为零因而堵转(无法起动)。电动机的堵转电流比正常工作的电流大得多。因此，在此情况下接通电源时间过长或多次频繁地接通电源起动将导致电动机烧毁。运行中的电动机缺一相时，如负载转矩很小，仍可维持运转，仅转速略有下降，并发出异常响声；负载重时，运行时间过长，将会使电动机绕组烧毁。

三相绕组首尾错接时，接通电源后会出现三相电流严重的不平衡，转速下降，温升剧增，振动加剧，声音急变等现象。如保护装置不动作，很容易烧坏电动机绕组。所以必须辨清电动机出线端首、尾后，方可通电运转。

三相电流不平衡的故障，常常由于电动机外部电源电压不平衡所引起；其内部原因主要是绕组匝间短路或在电动机重绕修理时线圈匝数错误或接线错误。

绕组接地和短路都会造成电流过大。接地故障可用兆欧表检查。短路故障可在降低定子绕组电源电压情况下，通过测量电流来判断，也可以用测量其直流电阻来判断。

电动机过热主要原因是拖动的负荷过重，电压过高或过低也会使电动机过热。严重过热会使电动机内部发出绝缘烧焦气味，如不及时处理或保护装置不动作，很容易烧毁电动机。

笼型电动机转子铸铝导体断条或绕线式电动机转子绕组断路时，会造成定子电流不正常，出现时高时低周期性变化，还出现忽大忽小的噪声和振动。负载越重时，这种现象越显著。

3.动机运行

电动机运行前，应检查电动机各部分装配情况，按电动机铭牌要求接线。测量绝缘电阻，绕组绝缘电阻应符合要求，人工转动电动机转动部分，应灵活无卡阻。

(1)运行参数，一般电动机允许电压波动为额定电压的±10%，三相电压之差不得大于5%；允许各相电流不平衡值不得超过10%。

(2)电动机的保护，为使电动机安全运行，必须正确配置所用的低压断路器、接触器、熔断器和热继电器等控制电器和保护电器，对于重要的电动机还应装设缺相保护。另外，电动机外壳应根据电网的运行方式可靠地接零或接地。

(3)保养和维护，电动机应保持主体完整、零附件齐全、无损坏以及周围环境的清洁。

定期对电动机进行检修和保养，是确保电动机安全运行的重要工作。日常维修包括清除外部灰尘和油污，监听有无异常杂音，并定期更换润滑油。换油周期一般滑动轴承为1kh，滚动轴承为5kh。在巡视检查中要注意电动机的温升、气味及振动情况。正常运行的电动机，其声音应轻而均匀，无杂音和特殊的叫声，无明显振动，转速达到额定转速，三相电流 基本上平衡。

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一 02

如何减少电机的发热

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减少发热，就是减少铜损和铁损。减少铜损有两个方向，减少电阴和电流，这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机，对两相电机，能用串联的电机就不用并联电机，但是这往往与力矩和高速的要求相抵触。对于已经选定的电机，则应充分利用驱动器的自动半流控制功能和脱机功能，前者在电机处于静态时自动减少电流，后者干脆将电流切断。另外，细分驱动器由于电流波形接近正弦，谐波少，电机发热也会较少。减少铁损的办法不多，电压等级与之有关，高压驱动的电机虽然会带来高速特性的提升，但也带来发热的增加。所以应当选择合适的驱动电压等级，兼顾高带性、平稳性和发热、噪音等指标。

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