电机转矩与转速控制实验课件

电机转矩与转速控制实验课件欢迎参加电机转矩与转速控制实验课程本课程将带领学生深入了解各类电机的工作特性，掌握转矩与转速控制的实用技术，培养动手能力与理论分析能力通过八个精心设计的实验，学生将系统学习直流电机、交流异步电机和永磁同步电机的特性测试与控制方法本课程注重理论与实践相结合，帮助学生建立电机控制的系统认知，为今后从事相关领域的工作打下坚实基础课程概述实验目的实验内容12通过实验使学生理解并掌握各包括直流电机特性测试与控制、类电机的转矩与转速控制原理，交流异步电机特性测试与变频培养学生动手能力、观察能力调速控制、永磁同步电机特性和数据分析能力，加深对电机测试与矢量控制、电机系统效理论的理解让学生能够独立率测试及温升测试等八大实验进行电机参数测定、特性分析模块，覆盖电机控制的主要方及各种控制方法的应用面预期学习成果3学生将能够熟练操作电机测试平台，掌握各类电机的参数测量方法，理解并应用多种调速控制技术，具备分析电机运行特性的能力，为工业控制领域的实际应用奠定基础电机基础知识回顾电机类型工作原理主要参数电机主要分为直流电机和交流电机两大类电机工作基于电磁感应原理和安培力定律电机的主要参数包括额定电压、额定电流、直流电机包括有刷直流电机和无刷直流电当导体在磁场中切割磁力线或者通电导体额定功率、额定转速、额定转矩、效率等机；交流电机主要包括异步电机（感应电处于磁场中时，会产生电磁力，从而实现此外，不同类型电机还有特定参数，如直机）和同步电机每种电机都有其独特的电能和机械能的相互转换不同类型电机流电机的电枢电阻、反电动势常数，异步特性和应用场景，本课程将重点研究直流的励磁方式、结构和控制方法各有不同电机的转差率、同步电机的功率因数等电机、交流异步电机和永磁同步电机转矩与转速的关系T n转矩（）通常用字母表示，是表示转速（）通常用字母表示，表示电机Torque TSpeed n使物体发生转动趋势的物理量，单位是牛顿转子每单位时间内旋转的圈数，单位通常为米（）在电机中，转矩是评价电机输每分钟转数（或）转速是反映电N·m r/min rpm出机械功率的重要参数机运行状态的基本参数P电机的机械输出功率与转矩和角速度的P Tω关系为，其中角速度（为P=T·ωω=2πn/60n每分钟转数）这一关系式表明，在相同功率下，转矩与转速成反比电机的转矩转速曲线反映了电机在不同工作点的特性对于直流电机，在恒定励磁下，转矩-与电枢电流成正比，转速则随负载转矩增加而下降异步电机的转矩转速曲线呈非线性特性，-存在起动转矩、最大转矩和额定转矩等特征点实验设备介绍本实验室配备了全套现代化电机测试平台，包括可调负载装置、精密转矩传感器、高精度转速计和数字化测量仪表控制系统采用可编程逻辑控制器（）和计算机监控系统，实现对电机运行参数的实时监测和数据记录PLC测量仪器包括数字功率分析仪、示波器、多功能数据采集卡等，能够准确测量电压、电流、功率、转矩、转速等参数变频器和直流调速装置提供多种控制方式，满足不同实验需求安全注意事项电气安全1操作前断电检查机械安全2旋转部件防护应急处理3熟知紧急停机电气安全是实验中的首要考虑因素实验前必须确认所有连接正确，接地良好操作高压设备时必须穿绝缘鞋，戴绝缘手套严禁带电接线或更换元件发现异常立即切断电源机械安全同样重要实验时应确保所有旋转部件有适当防护罩，避免衣物、长发等被卷入调整设备前必须先停机应急处理方面，每位学生都必须熟悉紧急停机按钮的位置和使用方法，了解实验室的消防设施位置和使用方法实验一直流电机特性测试实验目的实验步骤通过测试直流电机的空载和负载首先进行电机的参数测量，包括特性，掌握直流电机的基本工作电枢电阻和感应电动势常数的测原理和特性参数学习测量直流定然后进行直流电机的空载特电机的电枢电阻、反电动势常数性测试，记录不同励磁电流下的等基本参数，了解直流电机的机转速变化最后进行负载特性测械特性和调节特性试，测量不同负载下的电流、电压、转速和转矩数据数据记录使用实验室提供的数据记录表格，记录每次测试的励磁电流、电枢电流、电枢电压、转速和转矩数据对于每个工作点，至少记录三组数据以确保测量的准确性和可重复性直流电机等效电路电枢回路励磁回路1包含电枢电阻和电感包含励磁电阻和电感Ra LaRf Lf2机械系统电磁耦合4包含转动惯量和摩擦系数3产生反电动势和电磁转矩J B直流电机的电压方程描述了电机的电气特性，其中为电枢电压，为反电动势，为电枢电流，为电枢电阻反电动势与转速成正U=E+I·Ra UE IRa En比，其中为常数，为磁通量E=Ce·Φ·n CeΦ转矩方程描述了电机的机械特性，其中为电磁转矩，为常数，为电枢电流这两个方程是理解直流电机工作原理和控制方法的基T=Cm·Φ·I TCm I础直流电机参数测量电枢电阻测量1采用直流电桥法或伏安法测量电枢绕组的电阻伏安法是在电机静止状态下，通过测量施加在电枢绕组两端的直流电压和通过电枢的电流来计算电枢电阻为提高测量精度，可采用多点测量取平均值反电动势常数测量2让电机以稳定转速运行，测量电枢开路电压（即反电动势）和对应的转速，计算反电动势常数也可通过测量电机在不同转速下的反电动势，然后绘制曲线，斜率即为反电动势常数E-n转动惯量测量3采用加速法或减速法测量电机转子的转动惯量通过记录施加已知转矩后的加速过程或切断电源后的减速过程，根据动能变化计算转动惯量，这是分析电机动态特性的重要参数直流电机空载特性曲线励磁电流A转速rpm空载特性测试是在电机不带负载的情况下进行的测试方法是保持电枢电压恒定，改变励磁电流，记录对应的转速变化这一测试可以反映电机的磁饱和特性和速度调节范围对于他励直流电机，空载特性曲线表现为转速随励磁电流增加而下降的特性这是因为励磁电流增加导致磁通增强，反电动势增大，在恒定电枢电压下转速必然下降当励磁电流较大时，曲线斜率减小，表明磁路开始饱和直流电机负载特性曲线负载转矩N·m转速rpm电枢电流A负载特性测试是在电机带负载的情况下进行的测试方法是保持电枢电压和励磁电流恒定，改变负载转矩，记录对应的转速和电枢电流变化这一测试反映了电机的机械特性对于直流电机，其机械特性曲线（n-T曲线）近似为一条直线，表现为转速随负载转矩增加而线性下降的特性电枢电流与负载转矩成正比，这与转矩方程T=Cm·Φ·I相符这种线性关系使直流电机具有良好的调速性能数据分析与曲线绘制数据整理将实验记录的原始数据输入表格，检查数据的一致性和有效性计算各参数Excel的平均值，消除随机误差必要时进行异常值处理，确保数据质量特性曲线绘制使用或绘制电机的空载特性曲线（）和负载特性曲线（）Excel MATLABn-If n-T确保坐标轴标签清晰，单位正确，图例完整适当选择数据点标记和曲线样式，提高图表可读性参数计算根据实验数据计算电机的关键参数，如调速系数、机械特性硬度等使用最小二乘法进行曲线拟合，获取数学模型参数分析各参数之间的关系，验证理论公式的准确性报告撰写撰写实验报告，包括实验目的、原理、步骤、数据记录、曲线分析和结论对比理论值与实测值，分析误差来源，提出改进建议总结电机特性及其应用意义实验二直流电机调速控制明确控制目标根据实验要求确定调速范围、稳定性和精度要求了解直流电机的控制原理，包括电枢电压控制和励磁电流控制两种基本方法及其适用场景选择调速方法根据控制目标选择合适的调速方法，如调压调速、调磁调速或调速不PWM同方法有各自的优缺点和适用范围，需要根据实际需求灵活选择搭建实验电路按照电路图连接实验设备，包括电源、控制器、电机和负载装置确保所有连接牢固可靠，接线正确无误检查各元件工作状态正常调试控制系统逐步增加控制信号，观察电机响应调整控制参数，优化系统性能记录不同工况下的运行数据，分析控制效果确保系统在各种条件下都能稳定可靠地工作调速方法概述调磁调速通过改变励磁电流来调节磁通量，从而调节Φ2转速根据公式，当恒定时，n=U-IRa/CeΦU调压调速转速与磁通量成反比这种方法能量转换nΦ效率高，但调速范围有限通过改变电枢电压来调节电机转速，适用于恒定励磁条件下根据公式，n=U-IRa/CeΦ1调速PWM当恒定时，转速与电枢电压成正比这Φn U种方法调速范围宽，但能量转换效率较低通过脉宽调制技术控制电机的供电时间占比，实现电机转速的精确控制信号的占空PWM比决定了电机平均电压，从而控制转速这种3方法结合了调压调速的优点，且能量转换效率高直流电机调速系统通常包括电源、控制器、驱动电路、电机和负载等部分根据控制精度和响应速度要求，可选择开环控制或闭环控制闭环控制需要转速反馈装置，如光电编码器或霍尔传感器，但能提供更高的控制精度调压调速实验可调直流电源实验用直流电机负载测试系统提供可调直流电压，最大输出电流额定电压，额定功率，配备电磁式测功机，可提供连续可0-220V220V2kW1500rpm0-10N·m具有电压稳定功能和过流保护电路，额定转速的实验专用直流电机独立励磁方调负载转矩数字显示转速和转矩，精度分15A确保电机运行安全面板配有精密电压表和式，便于分别控制电枢电压和励磁电流配别为和通过控制面板可设±1rpm±

0.01N·m电流表，方便读取运行参数有散热装置，可长时间连续工作定恒转矩或恒功率负载模式调压调速实验的操作步骤包括首先调节励磁电流至额定值并保持恒定；然后从低到高逐步调节电枢电压，记录不同电压下的电枢电流、转速和转矩数据；最后绘制转速电枢电压特性曲线，分析调压调速的线性度和调速范围-调磁调速实验励磁电流转速电枢电流转矩A rpmA N·m

0.

812505.

22.

00.

714305.

31.

80.

616705.

41.

50.

520005.

51.

30.

425005.

71.

00.

333305.

90.8调磁调速实验的电路包括两部分恒定电压的电枢电路和可调电流的励磁电路电枢电路由直流稳压电源提供恒定电压，励磁电路由可调电阻控制励磁电流两个电路电气上相互独立，但通过电磁耦合相互影响操作步骤包括首先将电枢电压调节至额定值并保持恒定；然后从高到低逐步减小励磁电流，记录不同励磁电流下的转速和电枢电流数据；最后绘制转速励磁电流特性曲线，分析调磁调速的非线性特-性要注意的是，励磁电流不宜调得过小，以防电机出现过速现象调速实验PWM控制器功率驱动反馈装置采用或微控采用或等功率使用光电编码器或霍尔传感Arduino STM32MOSFET IGBT制器生成信号，控制功半导体器件作为开关元件，器采集电机的实际转速信息，PWM率管的导通时间微控制器接收信号并控制电机的反馈给控制器形成闭环控制PWM通过编程可实现各种控制算供电电路驱动电路包括隔高精度编码器可提供脉1024法，如开环控制、闭环离电路和缓冲电路，确保控冲转的分辨率，确保精确PID/控制等还可以通过通信接制信号与功率电路安全隔离的速度测量和控制口与上位机交互调速原理是通过调整脉冲的占空比来控制电机的平均供电电压占空比越大，电机获得PWM的平均电压越高，转速越快频率通常设置在几千赫兹至几万赫兹，远高于电机的机械PWM时间常数，因此电机感受到的是平滑的平均电压实验电路包括信号发生器、驱动放大电路、电机和负载测试系统通过改变信号的PWM PWM占空比，观察电机转速的变化，记录不同占空比下的转速、电流和转矩数据，分析调速PWM的线性度和调速精度调速效果比较调速方法速度范围调速精度能耗复杂度成本调压调速倍额中高低低0~

1.2定调磁调速倍额低低低低1~

2.5定调速倍额高中高中PWM0~

1.2定复合调速倍额高中高高0~

2.5定调压调速适用于低速运行场合，调速范围为至额定转速，线性度好，但在低速时能量损耗大0调磁调速适用于高速运行场合，调速范围为额定转速至倍额定转速，能量损耗小，但线性

2.5度差，且不适合低于额定转速的调速调速结合了调压调速的优点，具有较宽的调速范围和较高的调速精度，适用于精确控制PWM场合能耗方面，调速由于采用开关模式工作，功率损耗较小，但仍高于调磁调速在PWM实际应用中，常采用调压与调磁复合调速方式，实现宽范围、高效率的速度控制实验三交流异步电机特性测试实验目的实验步骤通过测试交流异步电机的空载和负载进行异步电机的空载试验和堵转试验，特性，掌握异步电机的基本工作原理测定电机的等效电路参数然后进行和特性参数学习测量异步电机的参异步电机的负载特性测试，测量不同数，如定子电阻、转子电阻、漏抗等，负载下的电流、功率因数、转速和转了解异步电机的机械特性和调节特性矩数据根据测试数据计算电机的效率和转差率数据记录使用实验室提供的数据记录表格，记录每次测试的电压、电流、功率、功率因数、转速和转矩数据对于每个工作点，至少记录三组数据以确保测量的准确性和可重复性计算并记录转差率和效率异步电机等效电路定子电压方程1U1=E1+I1R1+jX1转子电压方程20=E2+I2R2/s+jX2励磁关系3I0=Im+Iμ电流关系4I1=I0+I2电磁功率5Pem=3I2²R2/s异步电机的T型等效电路由定子侧和转子侧两部分组成，中间通过励磁支路相连定子侧包括定子电阻R1和漏抗X1，转子侧包括转子电阻R2/s和漏抗X2，励磁支路包括铁损电阻Rm和励磁电抗Xμ等效电路参数的确定通常采用空载试验和堵转试验空载试验主要测定励磁支路参数和铁损，堵转试验主要测定定子和转子的阻抗参数这两个试验结合起来，可以完整确定异步电机的等效电路参数异步电机参数测量直流电阻测量1使用直流电桥或伏安法测量定子绕组的直流电阻由于异步电机通常为三相电机，需要测量三相绕组的电阻，并检查三相平衡性测量时应注意电机温度对电阻值的影响空载试验2在额定频率下，施加额定电压使电机空载运行，测量空载电流、空载I0功率和空载功率因数通过这些数据可以计算励磁支路参数和P0cosφ0铁损空载时，转差率，转子支路阻抗很大，转子电流很小s≈0R2/s堵转试验3锁住电机转子使其不能旋转，施加降低的电压使堵转电流不超过额定值，测量堵转电压、堵转电流和堵转功率通过这些数据可以计算定Uk IkPk子和转子的阻抗参数堵转时，转差率，转子电路中s=1R2/s=R2异步电机空载特性曲线电压V电流A功率W空载特性测试是在电机不带负载的情况下进行的测试方法是改变施加在定子绕组上的电压，记录空载电流I

0、空载功率P0和空载功率因数cosφ0的变化这一测试可以反映电机的磁化特性和铁损特性从空载特性曲线可以看出，空载电流随电压增加而增加，在额定电压附近开始呈现非线性增长，这反映了铁心的磁饱和特性空载功率随电压增加而增加，主要包括铁损和机械损耗通过分析空载特性曲线，可以确定电机的励磁电流和铁损异步电机负载特性曲线负载转矩N·m转速rpm电流A功率因数负载特性测试是在电机带负载的情况下进行的测试方法是保持定子电压和频率恒定，改变负载转矩，记录对应的转速、电流、功率和功率因数变化这一测试反映了电机的机械特性和电气特性从负载特性曲线可以看出，随着负载转矩增加，转速略有下降，电流明显增加，功率因数也随之提高这是因为负载增加导致转差率增大，转子电流增加，进而引起定子电流增加功率因数的提高是由于负载增加使得有功功率增加，而无功功率变化不大异步电机转矩转差率曲线-起动区域转差率接近，起动转矩一般为额定转矩的倍这一区域的特点是转矩随转差s

11.5~

2.5率减小而增加，表现为正斜率电机从静止状态开始加速，逐渐克服负载转矩，转速升高最大转矩点当转差率达到临界值时，电机产生最大转矩，通常为额定转矩的倍这一sc Tmax2~3点是转矩转差率曲线的拐点，曲线斜率为零临界转差率与转子电阻成正比，可-sc R2通过调整转子电阻来改变最大转矩点的位置稳定运行区转差率小于临界值，一般在范围内这一区域的特点是转矩随转差率增加s sc

0.01~

0.05而增加，表现为负斜率，形成稳定的静态工作点电机的额定工作点就在这一区域内，此时转矩接近线性变化发电区域转差率小于，电机转速高于同步转速这一区域电机作为发电机工作，将机械能转s0换为电能回馈给电网这种工作模式在需要制动时很有用，可以实现能量回收，减少能耗实验四异步电机调速控制实验目的实验设备实验内容掌握异步电机的变频调速原理和方法，了解控三相异步电机、变频器、转矩转速传感器、负载装学习变频器的参数设置方法，实现控制和矢量V/f V/f制和矢量控制的基本原理和实现方式学习变频器置、数据采集系统等变频器应具备控制和矢控制两种方式下的异步电机调速测量不同频率下V/f的参数设置和操作方法，比较不同控制方式下异步量控制两种模式，方便进行对比实验数据采集系的转速、转矩、电流和功率因数，绘制特性曲线电机的调速性能统能够记录电机运行的各项参数比较不同控制方式的调速性能异步电机控制原理基于电磁感应和旋转磁场原理通过改变定子电压的频率和幅值，可以控制旋转磁场的速度和强度，从而实现对异步电机转速的控制现代变频调速技术主要包括控制和矢量控制两种方式，前者简单实用，后者性能更优V/f变频调速原理控制原理矢量控制原理V/f控制是一种标量控制方法，基于异步电机的稳态特性当保持矢量控制是一种矢量控制方法，基于异步电机的动态数学模型V/f电压与频率的比值（）恒定时，电机的磁通量基本保持不变，通过坐标变换，将交流电机的定子电流分解为产生磁通的励磁分V/f能够在不同频率下提供恒定的转矩输出量和产生转矩的转矩分量，实现对磁通和转矩的独立控制当频率低于基频时，为保持磁通量恒定，需要保持比值恒定；V/f当频率高于基频时，由于电压无法继续提高（受电源电压限制），矢量控制需要准确获取电机的转子磁通位置信息，可以通过直接比值减小，磁通量减弱，电机进入弱磁调速区域测量（如磁通传感器）或通过数学模型估算（无传感器矢量控V/f制）矢量控制使异步电机获得类似于直流电机的控制性能，具有优良的动态响应和调速精度变频器参数设置基本参数1电机额定参数设置包括额定电压、额定电流、额定频率、额定转速等，这些参数应与所控制电机的铭牌参数一致控制模式选择选择控制或矢量控制模式加减速时间设置根V/f据负载特性和应用需求设置适当的加减速时间控制参数2V/f曲线选择可选择线性、二次或多点曲线，根据负载特性选择最合适的曲线类型转矩V/f V/f提升设置在低频运行时，可设置转矩提升参数，补偿定子电阻压降，提高低速转矩起动频率和电压设置设置适当的起动频率和电压，确保电机能够平稳起动矢量控制参数3电机参数辨识执行自动辨识程序，获取电机的精确参数模型电流环和速度环参数设置电流环和速度环的比例增益和积分时间常数，调整控制系统的动态响应特性转矩限制Kp Ti设置设置电机运行的转矩上下限，保护电机和负载不受过载损伤保护参数4过压、欠压保护设置母线电压的上下限值过流保护设置最大允许电流值过载保护DC设置过载保护特性曲线过热保护设置变频器和电机的过热保护参数失速保护设置防止电机失速的保护功能参数控制实验V/f频率Hz转速rpm电流AV/f控制实验的操作步骤包括首先设置变频器的基本参数和V/f控制参数；然后逐步增加输出频率，记录每个频率点下电机的转速、电流、功率和转矩等参数；最后绘制转速-频率特性曲线和转矩-频率特性曲线，分析V/f控制的特性实验中应注意观察电机在低频区域的运行情况，必要时调整转矩提升参数，改善低频性能在高于基频的区域，应注意电机进入弱磁调速状态，转矩会随频率增加而下降对比不同V/f曲线（如线性、二次）下的控制效果，选择最适合负载特性的曲线矢量控制实验控制参数整定电机参数辨识调整控制器参数PI2启动自动辨识程序1转速控制测试执行各种转速指令35动态性能测试转矩控制测试分析暂态响应特性4执行各种转矩指令矢量控制实验电路包括变频器、异步电机、编码器（或无传感器矢量控制时可省略）、负载装置和数据采集系统变频器需要设置为矢量控制模式，并正确配置电机参数和控制参数编码器提供精确的转速和位置反馈，用于矢量控制算法的计算操作步骤包括首先进行电机参数自动辨识，精确获取电机的等效电路参数；然后调整电流环和速度环的控制参数，优化动态响应特性；接着进行稳态测试，记录不同转速下的电流、转矩和功率数据；最后进行动态测试，记录转速阶跃响应和负载突变响应的特性曲线调速效果比较控制方式调速范围速度精度动态响应低速性能参数依赖性控制慢差低V/f1:20±2%开环矢量中中中1:100±

0.5%控制闭环矢量快好高1:1000±

0.01%控制控制具有结构简单、参数依赖性低的优点，适用于对调速精度和动态性能要求不高V/f的场合，如风机、水泵等但其调速范围较窄，低速性能较差，动态响应较慢，不适合要求精确控制的场合矢量控制具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快的优点，适用于对调速性能要求较高的场合，如机床、电梯等其中，闭环矢量控制性能最优，但需要安装编码器，成本较高；开环矢量控制性能次之，但不需要编码器，结构简单矢量控制的主要缺点是对电机参数依赖性高，参数误差会影响控制效果实验五永磁同步电机特性测试实验目的实验设备通过测试永磁同步电机的特性，永磁同步电机、变频器（支持同掌握永磁同步电机的基本工作原步电机控制）、编码器、转矩转理和特性参数学习测量永磁同速传感器、负载装置、数据采集步电机的参数，如反电动势常数、系统等变频器应具备同步电机轴电感等，了解永磁同步电机矢量控制功能，编码器用于提供d-q的机械特性和调节特性转子位置反馈实验步骤首先进行电机的参数测量，包括相电阻、反电动势常数和轴电感的测定d-q然后进行永磁同步电机的空载特性测试和负载特性测试，测量不同工况下的电流、转速、转矩和效率等参数永磁同步电机结构定子结构转子结构磁极配置永磁同步电机的定子结构与常规三相感应电永磁同步电机的转子上安装有高性能永磁体，永磁同步电机的磁极数通常为极、极、468机类似，由硅钢片叠压而成，内部嵌有三相常用材料包括钕铁硼、钐钴等稀土永磁材料极等偶数，磁极数越多，电机转速越低，转绕组绕组采用分布式或集中式绕组形式，根据永磁体的安装方式，转子可分为表贴式矩越大磁极间距的均匀性直接影响电机的分布在定子槽中定子绕组通电后产生旋转和内嵌式两种结构表贴式结构简单，但机运行平稳性对于高速电机，通常选择较少磁场，与转子永磁体相互作用产生电磁转矩械强度较差；内嵌式结构复杂，但具有较好的磁极数；对于低速大转矩电机，则选择较的机械强度和凸极效应多的磁极数永磁同步电机参数测量相电阻测量反电动势常数测量12使用直流电桥或伏安法测量电机让电机以一定转速旋转，测量定的相电阻测量时应注意电机温子开路端的线电压，计算反电动度，因为电阻值会随温度变化势常数，其中为线Ke=E/ω√3E通常测量任意两相之间的电阻值，电压有效值，为电角速度也可ω然后计算单相电阻对于接法的以使用示波器观察反电动势波形，Y电机，两相之间测得的电阻值是分析其幅值和谐波含量，评估永单相电阻的两倍磁体的质量和磁场分布均匀性轴电感测量3d-q采用交流阻抗法或脉冲测试法测量轴和轴电感交流阻抗法是在不同转子位d q置施加小信号交流电压，测量电流响应，计算相应电感值脉冲测试法是施加电压脉冲，观察电流响应，根据电流上升率计算电感永磁同步电机空载特性曲线空载特性测试是在电机不带负载的情况下进行的测试方法是使用驱动电机带动永磁同步电机旋转，测量不同转速下的反电动势和波形这一测试可以反映电机的反电动势特性和永磁体性能从空载特性曲线可以看出，反电动势与转速成正比关系，斜率即为反电动势常数Ke这一线性关系表明永磁体的磁场强度稳定，没有明显的退磁现象使用示波器观察反电动势波形，可以评估电机的设计质量，理想情况下波形应接近正弦波，谐波含量低永磁同步电机负载特性曲线负载转矩N·m电流A效率%负载特性测试是在电机带负载的情况下进行的测试方法是保持电机转速恒定，改变负载转矩，测量电流、功率、功率因数和效率等参数这一测试反映了电机的机械特性和电气特性从负载特性曲线可以看出，电流随负载转矩增加而线性增加，表明电机转矩与电流成正比效率曲线呈倒U形，在中等负载（约额定负载的75%~85%）时达到最高值过轻负载时，铁损和机械损耗占比较大，效率较低；过重负载时，铜损增加显著，效率也会下降实验六永磁同步电机控制实验目的1掌握永磁同步电机的矢量控制原理和方法，了解转速控制和转矩控制的实现方式学习永磁同步电机控制系统的参数设置和调试方法，比较不同控制策略的性能特点实验内容2学习坐标变换原理和电流环设计方法，实现基于控制和最大转矩电流比控id=0制两种策略搭建位置传感器系统，实现转子位置检测测试转速控制和转矩控制的性能，包括响应时间、超调量和稳态误差等指标关键任务3正确配置控制器参数，包括电流环和速度环的参数合理设置频率、PI PWM死区时间和载波同步模式优化启动过程，避免启动震荡和过流现象测试不同工况下的控制性能，包括空载、负载、加速、减速和反向运行等情况永磁同步电机矢量控制三相静止坐标系两相静止坐标系两相旋转坐标系电流环控制三相电流在三相静止坐标系中通过变换，将三相电流通过变换，将两相静止坐标系在坐标系中设计电流环控制器，iabc Clarkeiabc Parkdq表示这是实际物理量，可以直接转换为两相静止坐标系中的电流中的电流转换为两相旋转坐标实现对和的独立控制通常采iαβid iq测量三相电流间相差电角度，这一变换将三维空间的矢量系中的电流旋转坐标系与转用控制器，需进行前馈解耦以消120°iαβidq PI构成一个三维空间中的矢量投影到二维平面上，简化了分析和子同步旋转，使得交流量在该坐标除轴间的相互影响通常控制dq id计算系中表现为直流量，便于控制为零或根据弱磁需求设定，则控iq制转矩位置传感器配置增量式编码器绝对式编码器旋转变压器增量式编码器通过光电转换原理，产生与转子位置绝对式编码器能够直接输出转子的绝对位置信息，旋转变压器是一种电磁式位置传感器，Resolver相关的脉冲信号典型的增量式编码器有、、无需计数累积其输出信号通常为并行二进制码或由一个转子绕组和两个正交排列的定子绕组组成A BZ三个输出通道，其中、通道输出正交信号用于串行通信格式（如、等）绝对式编码当转子绕组通入交流激励信号时，定子绕组会感应A BSSI EnDat确定方向和速度，通道输出一个参考脉冲用于计器的优点是断电再上电后不需要寻找参考点出与转子位置相关的电压信号Z数复位通过解调定子信号可以得到转子位置的正弦和余弦增量式编码器的分辨率通常为每转脉冲，常见的绝对式编码器分辨率为每转位，值，进而计算出绝对位置旋转变压器具有结构简1000~25001024~8192需要通过计数电路累积脉冲数来确定绝对位置这价格较高，但定位精度好，适用于要求高精度的场单、耐高温、抗干扰能力强的特点，适用于恶劣环种编码器成本较低，但断电后位置信息丢失合在永磁同步电机控制系统中，绝对式编码器可境但需要专用的解析器转换电路，增加了系统复以直接提供电气角度信息杂度转速控制实验时间s指令转速rpm实际转速rpmPID参数整定是转速控制系统调试的关键步骤通常采用试凑法或Ziegler-Nichols方法进行整定先将积分和微分参数设为零，逐步增加比例参数Kp直到系统出现稳定的振荡，记录此时的Kp值和振荡周期；然后根据经验公式计算最优的PID参数动态响应测试用于评估控制系统的性能常见的测试包括阶跃响应测试（转速从一个值突变到另一个值）和负载突变测试（转速恒定，负载突变）记录响应过程中的转速、电流和转矩波形，分析响应时间、超调量、稳态误差和稳定性等指标调整PID参数，优化动态响应特性转矩控制实验转矩控制是永磁同步电机控制系统的基础环节，在转矩指令生成方面，通常有两种策略一是通过转速控制环的输出作为转矩指令，实现速度转矩级联控制；二是直接给定转矩指令，实现转矩直接控制转矩指令通过与转矩常数的计算，转换为轴电流指令-q iq*响应特性分析主要关注转矩指令阶跃变化时的系统响应记录转矩指令、实际转矩、轴电流的波形，分析转矩响应的上升时间、延迟时间q和超调量对于高性能控制系统，转矩响应时间通常要求在以内，超调量小于通过优化电流环参数和过流保护策略，可以改1-5ms10%PI善转矩响应特性实验七电机系统效率测试95%永磁同步电机在额定负载80%~110%范围内可达到95%以上的效率，这一区域是电机的高效运行区在该区域内，各种损耗达到最佳平衡状态，能量转换效率最高75%电机在轻载工况下（约额定负载的30%~50%），效率通常在75%左右这是因为铁损和机械损耗在轻载时占比较大，而铜损相对较小，导致总体效率下降80%电机在重载工况下（约额定负载的120%~150%），效率约为80%此时铜损显著增加，温升较高，电机处于过载状态，效率下降明显长时间运行在此区域可能导致电机过热92%在典型的工业应用负载循环中，电机的平均效率约为92%这一数值反映了电机在各种负载条件下的综合性能，是评估电机能效等级的重要指标电机系统效率测试的目的是评估电机在不同工况下的能量转换效率，为电机选型和系统优化提供依据测试方法包括输入-输出法和损耗分离法两种前者直接测量电机的电气输入功率和机械输出功率，计算效率η=Pout/Pin；后者测量各种损耗分量，计算效率η=1-Ploss/Pin输入功率测量直流电机输入功率交流电机输入功率直流电机的输入功率计算相对简单，直接测量电枢电压和电枢电三相平衡系统下，交流电机的输入功率可以通过三瓦特表法或两U流，计算电功率如果电压和电流波动较大，可以使用乘瓦特表法测量三瓦特表法直接测量三相功率之和，两瓦特表法I P=U·I法器或功率计直接测量平均功率对于他励直流电机，还需要考则通过两个功率表的读数计算三相总功率在变频驱动的情况下，虑励磁回路的功率消耗，总输入功率为电枢功率和励磁功率之和应使用专用的电力分析仪，能够处理非正弦波形的功率测量对于控制的直流电机，由于波形非正弦，应使用宽频带功率对于单相交流电机，输入功率可以直接用功率计测量功率计根PWM分析仪测量，确保能够准确捕捉高频成分的功率贡献对于再生据测量原理可分为电动式、热电式和电子式三种，其中电子式功制动模式下的直流电机，输入功率为负值，表示能量从机械侧流率计精度最高，适用于波形畸变的场合测量时应注意功率计的向电气侧量程和接线方式，确保测量的准确性输出功率测量转矩测量转速测量机械功率计算123测量电机输出转矩的常用方法包括应变式转转速测量常用的方法包括光电编码器法、霍电机的机械输出功率通过转矩和角速度Tω矩传感器、反作用转矩测量法和磁电式转矩尔传感器法和转速表法光电编码器通过光的乘积计算，其中角速度P=T·ωω=传感器应变式转矩传感器基于金属变形与栅的周期性遮挡产生脉冲信号，通过计数可（为每分钟转数）在国际单位2π·n/60n电阻变化的关系，精度高但需要信号传输装得到精确的转速；霍尔传感器检测磁场变化，制中，转矩单位为牛顿米（），角速度N·m置；反作用转矩测量法测量电机固定时的反结构简单但分辨率较低；转速表直接指示转单位为弧度每秒（），功率单位为瓦rad/s作用力矩，结构简单但测量动态转矩较困难；速，操作简便但精度有限高精度测量通常特（）计算时应注意单位换算，确保结W磁电式转矩传感器利用磁场变化与转矩的关选择光电编码器，分辨率可达每转千余脉冲果准确对于动态工况，可以计算平均功率系，无需接触即可测量，但受温度影响较大或瞬时功率曲线效率计算与分析负载百分比%直流电机效率%异步电机效率%永磁同步电机效率%效率计算采用输入-输出法，即η=Pout/Pin×100%，其中Pout为机械输出功率，Pin为电气输入功率对于不同类型的电机，效率曲线呈现不同的特征直流电机效率曲线较平坦，在中等负载时效率最高；异步电机效率随负载增加而提高，在接近额定负载时达到最大值；永磁同步电机在各负载下效率普遍较高，尤其在中高负载区域优势明显影响电机效率的因素包括铜损、铁损、机械损耗和附加损耗铜损与电流平方成正比，在高负载时占主导；铁损主要包括磁滞损耗和涡流损耗，与磁通密度和频率有关；机械损耗包括轴承摩擦和风阻损耗，与转速有关；附加损耗则难以直接计算，通常按照输入功率的

0.5%估算通过优化电机设计和控制策略，可以减少各类损耗，提高系统效率实验八电机温升测试温升影响分析1预测电机寿命和性能温升限值判断2评估电机绝缘等级适应性温度数据采集3记录多点温度随时间变化温度传感器布置4确定关键测量点位置测试条件设定5规定负载和环境参数电机温升测试的目的是评估电机在长时间运行下的发热特性，验证绝缘系统的温度等级是否满足要求，并为电机的冷却系统设计提供依据测试方法通常采用负载运行法，即在规定的负载条件下持续运行电机，直到温度稳定根据国际电工委员会IEC标准，电机绝缘材料分为不同的温度等级，如A级105℃、B级130℃、F级155℃和H级180℃等测试中需要确认电机各部位的温度不超过绝缘等级规定的限值温度稳定的判据通常为连续测量三次，每次间隔1小时，三次测量值之间的差异不超过2℃温度传感器安装热电偶电阻温度检测器红外温度传感器热电偶是最常用的温度传感器，基于两种不同金属连电阻温度检测器RTD利用金属电阻随温度变化的特性红外温度传感器基于物体发射红外辐射随温度变化的接处产生的热电势原理常用的热电偶类型包括T型铜测量温度最常用的是Pt100，即在0℃时电阻为100Ω原理，无需直接接触被测物体这类传感器适用于难-康铜、K型镍铬-镍硅和J型铁-康铜K型热电偶测的铂电阻RTD具有高精度、良好的线性度和稳定性，以安装接触式传感器的部位，如旋转部件的温度测量温范围宽-200℃~1300℃，适用于大多数电机温度测但响应速度较慢，成本较高试RTD安装时需要三线或四线连接方式，以消除引线电阻红外传感器的安装需要考虑视场角和发射率设置视热电偶安装时应确保测量结与被测表面良好接触，通的影响在电机中，RTD通常预埋在定子绕组槽内或端场角决定了传感器的测量范围，应确保只测量目标区常使用耐高温胶带或环氧树脂固定测量电机绕组温部，是工业电机温度监测的标准配置对于需要精确域；发射率设置则应根据被测表面材质调整，金属表度时，热电偶应嵌入绕组内部；测量轴承温度时，应温度控制的高性能电机，建议使用RTD面的发射率通常较低

0.1~

0.3，需要特别注意校准尽量接近但不妨碍轴承运动温升曲线测试时间min定子温度℃轴承温度℃壳体温度℃测试条件设置是温升测试的重要环节首先需要确定测试负载，通常选择额定负载或设计工况负载环境温度应控制在25℃±5℃范围内，记录测试期间的环境温度变化冷却条件应与实际使用一致，如果电机有强制冷却装置，测试时也应启用相同配置数据采集过程中，应按一定时间间隔记录各测点的温度初始阶段温度上升较快，可以采用较短的记录间隔（如5~10分钟）；随着温度接近稳定，可以延长记录间隔（如30~60分钟）除了温度数据，还应记录电流、电压、功率、转速等运行参数，以便分析温升与负载的关系测试持续到温度稳定，通常需要4~8小时，取决于电机的热时间常数温升分析温升曲线特征热点识别典型的电机温升曲线呈指数上升形式，可通过分析不同测点的温度数据，识别电机以用一阶系统的响应特性描述中的热点位置通常定子绕组的温度最高，Tt=T∞，其中为最终稳定特别是靠近电机端部的绕组；轴承温度次-T∞-T0e^-t/τT∞12温度，为初始温度，为热时间常数之；壳体温度相对较低热点温度是判断T0τ通过拟合温升曲线，可以确定电机的热时电机绝缘等级是否满足要求的关键指标间常数，预测长时间运行的温度趋势工作周期评估散热性能评估根据温升特性评估电机在不同工作周期下通过分析电机的温升和热时间常数，评估43的适应性对于间歇工作的电机，可以根电机的散热性能散热性能好的电机具有据温升曲线计算允许的工作时间和冷却时较低的稳态温升和较短的热时间常数影间某些应用可能需要考虑过载运行的时响散热性能的因素包括电机结构设计、材间限制，避免绝缘系统过热损坏料选择、冷却方式和安装环境等实验总结实验项目主要结果关键技能直流电机特性测试掌握直流电机的机械特性和调节特电气测量技术，数据分析能力性，了解参数测量方法直流电机调速控制掌握调压、调磁和PWM调速方法，电力电子控制技术，PID调节技术比较各种调速方式的优缺点异步电机特性测试掌握异步电机等效电路参数测定和交流电测量技术，等效电路分析能特性曲线分析方法力异步电机调速控制掌握V/f控制和矢量控制原理，了解变频技术，矢量控制理论变频器参数设置方法永磁同步电机测试掌握永磁同步电机的特性测试方法精密测量技术，同步电机理论和参数测量技术永磁同步电机控制掌握矢量控制原理和实现方法，了坐标变换技术，电机控制系统设计解转速和转矩控制策略电机效率测试掌握电机效率的测量方法和影响因功率测量技术，效率计算方法素分析技术电机温升测试掌握温度测量技术和温升分析方法，温度测量技术，热分析能力评估散热性能通过这些实验，学生系统地学习了电机特性测试和控制的基本原理和方法，掌握了电气测量、数据分析、控制系统设计等多项技能这些技能对于从事电机驱动系统设计、电力电子控制、运动控制等领域的工作具有重要意义思考题与拓展实验改进建议可以增加电机动态控制实验，如位置伺服控制、力矩控制等，拓展学生对电机控制的理解优化数据采集系统，实现更高精度的测量和自动化数据处理引入工业现场常用的通信协议和网络控制技术，如PROFIBUS、CAN总线等，培养学生的系统集成能力新能源应用探索研究电机在电动汽车、风力发电等新能源领域的应用，探索高效驱动技术和能量回馈控制策略设计针对新能源应用的特殊实验，如电动汽车牵引电机控制、风力发电变速恒频控制等，拓展学生的应用视野智能控制技术研究将人工智能技术引入电机控制领域，探索基于神经网络、模糊控制等智能算法的高级控制策略研究电机状态监测和故障诊断技术，实现电机系统的智能化运维开展电机数字孪生技术研究，通过虚拟模型优化实际控制系统高性能电机开发研究新型电机结构和材料，如轴向磁通电机、横向磁通电机、高温超导电机等探索电机设计优化方法，如多物理场耦合分析、参数优化设计等开发高功率密度、高效率、高可靠性的特种电机，适应极端环境和特殊应用需求。