机械电子学-电机（8-10章）.ppt

1、第八章 直流电动机,与交流电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如交流异步机方便，而且要使用直流电源。,直流电动机的构造,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。,8.1 直流电机概述,1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。,2. 定子,定子的分类：,励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。,8.1 直流电机概述,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励

2、电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。,8.1 直流电机概述,工作原理,电刷,集电环,8.1 直流电机概述,观看工作过程演示,8.1 直流电机概述,汽车用起动机由直流电动机、传动机构、控制装置三部分组成。,8.2 直流电机调速,1. 调速均匀平滑，可以无级调速(注：交流异步电机改变极对数调速的方法叫有级调速)。 2. 调速范围大，调速比可达200 以上(调速比等 于最大转速和最小转速之比）,因此机械变速 所用的齿轮箱可大大简化。,主要优点：,由转速公式:,可见直流电机调速方法有三种。,8.2 直流电机调速,可见：在U 一

3、定的情况下，改变可改变转速n 。,改变磁通调速,保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调Rf)以改变磁通 。,由式,Rf If n,一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速, 即：,改变磁通调速的方法：,减小磁通，n只能上调。,改变时的机械特性如图。,(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，n不能太高。 (2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。 (3) 机械特性较硬，稳定性较好。 (4) 对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达, 例如5302120 r/min及3101 240 r/min 。,减小 调速的特点：,(1) 若调速后 Ia 保持不变，电动机

4、在高速运转时其负载转矩必须减小。 (2) 这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机 床)。,使用调磁调速时应注意：,8.2 直流电机调速,8.2 直流电机调速,改变电压调速,由转速公式知： 调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。,(4)调速幅度较大。,调速过程:,保持If 为额定,减小电枢电压。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。,8.2 直流电机调速,改变电压调速的特点:,(1)工作时电压不允许超过UN ，而n U, 所以调速只能

5、向下调。,(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好。,电枢回路串电阻调速,电枢中串入电阻,使 n 、 n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n。特性曲线如图。,电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，因此 n 只能下调。,特点：(1) 设备简单，操作方便。,(2)机械特性软，稳定性差。,(3)能量损耗大，只用于小型直流机。,8.2 直流电机调速,一、直流电动机的起动 1、对起动性能的要求： Tst足够大 Ist尽量小（小于允许值）,8.3 直流电机的起动和制动,直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。,8.3 直流电机的起动和制动,Ias

6、t太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；,起动时,n =0 ,2. 起动问题：,(1) 起动电流大,(2) 起动转矩大,起动时，起动转矩为(1020)TN , 造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,(1) 电枢串电阻起动法,(2) 降压起动法：,直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：,在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。,最大起动电压Ust为,3.起动方法,8.3 直流电机的起动和制动,4.注意事项,(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KT Ia

7、) , 电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流 很大，电枢绕组有被烧坏的危险。,(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势 E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。,(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。,（ E Ia T T0 n飞车）,8.3 直流电机的起动和制动,二、直流电动机的制动（电磁制动） 一般保持原磁场大小，方向不变。 能耗制动 反接制动 回馈制动,8.3 直流电机的起动和制动,8.3 直流电机的反转,例：串励的

8、单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。,电磁转矩：T=KT Ia,(1) 改变励磁电流的方向。 (2) 改变电枢电流的方向。,注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。,改变直流电机转向的方法有两种：,8.4 直流电机的驱动,一. 直流电机驱动电路的设计目标 在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点： 功能： 电机是单向还是双向转动？ 对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可；当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者

9、使用一个双刀双掷的继电器。 需不需要调速？ 如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。,8.4 直流电机的驱动,性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。 1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。 2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电

10、路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。,8.4 直流电机的驱动,一. 低压驱动电路的简易栅极驱动,8.4 直流电机的驱动,二. 三极管-电阻作栅极驱动,8.4 直流电机的驱动,三. 其它几种驱动电路,1.继电器半导体功率器件 继电器有着电流大，工作稳定的优点，可以大大简化驱动电路的设计。在需要实现调速的电机驱动电路中，也可以充分利用继电器。有一个方案就是利用继电器来控制电流方向来改变电机转向

11、，而用单个的特大电流场效应管（比如IRF3205，一般只有N型特大电流的管子）来实现PWM调速,如下右图所示。这样是实现特别大电流驱动的一个方法。换向的继电器要使用双刀双掷型的，接线如下左图,线圈接线如下中图：,8.4 直流电机的驱动,三. 其它几种驱动电路,1.继电器半导体功率器件,8.4 直流电机的驱动,三. 其它几种驱动电路,2. 几种驱动芯片 L298参考 A3952参考 A3940参考 L6203参考 ,直流电机的铭牌数据,额定值 是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额

12、定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。,8.5 直流电机的额定值,额定功率 PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 W 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。 对于直流电机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在。PNUNINN,8.5 直流电机的额定值,直流电机的铭牌数据,额定电压 UN指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为量纲单位。 额定电流 IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为量纲单位。 额定转速 nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/mi

13、n为量纲单位。 额定励磁电流 If指电机在额定状态时的励磁电流值。,8.5 直流电机的额定值,交流电动机,电动机,直流电动机,他励、异励、串励、复励,第九章 交流电动机驱动,9.1 交流电动机原理和结构,9.1.1 三相异步机的结构,转子：在旋转磁场作用下， 产生感应电动势或 电流。,三相定子绕组：产生旋转 磁场。,9.1 交流电动机原理和结构,定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。 机座:是用作固定与支撑定子铁芯。 定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空间相差120电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。 绕组分类：单层绕组和双层绕组。 绕组

14、应用：单层绕组一般用在10kV以下的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。,9.1 交流电动机原理和结构,极距是指每一磁极所占定子内圆周的距离，即有 节距y是指线圈两有效边之间的距离。单层绕组是整距绕组，即有y= 每极每相槽数q是指一个磁极下一相绕组所占有的槽数，即有：,9.1 交流电动机原理和结构,相带：是指一相绕组在一个磁极下连续所占的范围。 机械角：电机圆周空间角度为360或为2弧度，称这种角度为机械角。对于一对磁极由NSN变化一周相当于360电角度或为2电弧度。当电机有p对磁极时，电角度=p机械角。 分析：每一磁极占180电角度，三相绕组的每相绕组在一个极下只占三分之一，即60相带。

15、,9.1 交流电动机原理和结构,9.1.2 交流电动机的基本工作原理: 工作时定子输入三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场的磁极将转子的异性磁极吸引，使转子旋转。,9.1 交流电动机原理和结构,定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接),9.1 交流电动机原理和结构,9.1.2 三相异步电动机的工作原理,e方向用 右手定则 确定,f方向用 左手定则 确定,磁场旋转,9.1 交流电动机原理和结构,磁极旋转,导线切割磁力线产生感应电动势,导线长,切割速度,（右手定则）,9.1 交流电动机原理和结构,2. 线圈比磁场转得慢,9.1 交流电动机原理和结构,9.1 交流电动机原理和结构,转子是闭合线圈,转子

16、是固定磁极,同步电动机在结构上比异步机复杂，但比直流机简单。和同容量的直流机相比，它具有效率高，过载能力大，体积小，转动惯量小，等优点，并可做到大容量、高电压、高转速。和异步电动机调速系统相比，它具有功率因数高、转子参数可测、效率高、控制性能好等优点。,9.1 交流电动机原理和结构,同步调速系统的缺点,（1）同步机需在转子侧加一套励磁装置，其维护量增加。,（2）同步机的控制比异步机的复杂。,电动机转速和旋转磁场同步转速的关系,电动机转速（额定转速）:,提示：如果,9.1 交流电动机原理和结构,9.1 交流电动机原理和结构,9.1.3 交流电动机的转速 同步电机在运行时，其转速n1与定子绕组中电

17、网频率f1之间有着严格的关系，即： n1为同步电机转子的转速，也是气隙旋转磁场的转速，故称它为同步电机。,转差率 的概念：,异步电机运行中:,转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：,9.1 交流电动机原理和结构,异步电机在运行时：,9.1 交流电动机原理和结构,一、三相异步机的起动方法：,（1） 直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。,（3）转子串电阻起动。,9.2 交流电动机运动控制,直接起动 优点：设备简单，操作方便； 缺点：起动电流大，须足够大的电源； 适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。 降压起动 如果电源容量不够大，可采用降压起动。即起动时，降低加在电

18、动机定子绕组电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电流。,9.2 交流电动机运动控制,仅适用于正常运行为三角形联结的电机。,Y 换接起动适合于空载或轻载起动的场合,9.2 交流电动机运动控制,方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。,二、三相异步电动机的正、反转,9.2 交流电动机运动控制,1. 抱闸：加机械抱闸,三、 三相异步电动机的制动,3. 能耗制动,4.发电反馈制动,2. 反接制动： 停车时，将电动机接电源的意两相反接， 使电动机由原来的旋转方向反过来，以达 制动的目的；,9.2 交流电动机运动控制,四、三相异步电动机的调速

19、,9.2 交流电动机运动控制,3. 改变电源频率 (变频调速) 无级调速,此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。,9.2 交流电动机运动控制,9.3 变频调速,变频调速技术于80年代初开始在国内开发应用，它最典型的应用是在电机节能领域。在发达国家，变频器在电机上运用的普及率已达到80%以上。据统计，法国每一美元国民生产总值的能耗为8.719KJ，日本为9.797KJ，而中国却高达43.394KJ。据日本科学技术资源厅调查会推荐，日本如果在全国采用变频调速器可节约日本总电力的10%。,9.3 变频调速,我国国家经贸委节约综合利用司在1996年

20、就曾组织国内20多名专家编写风机水泵节能改造指南一书，2000年7月国家计委又组织上海江苏两省市节能机构推广变频调速节能技术。在应用方面，辽河油田采用变频技术，安装了25台变频器1818.2KW，年节约电能约602万度，平均节电率在35%以上。近两年来，随着变频器在恒压供水、纺织、机车空调、家电行业、注塑行业等领域的应用所取得的节电效益，变频器在中国已迈入一个飞速发展和推广普及的崭新时代。,9.3 变频调速,当前，电机是我国最主要的耗电机电设备，它约占企业整体耗电量的50%左右，而对于每一个生产性企业而言，电费在运作成本中所在比率约为20-50%。因此，如何节约电能，降低成本，提高生产效益和企

21、业竞争力，是每个企业家所特别关注的问题,9.3 变频调速,变频调速方法,频率调节范围：0.5几百赫兹,9.4 变频调速原理,根据,9.4 变频调速原理,各类电力电子器件,类型,不可控器件,代号,名称,全控器件,半控器件,电流控器件,场控器件,功率集成电路,D,整流二极管（Diode),Th、SCR,晶闸管（Thyristor),BJT,双极型晶体管（Bipolar Transistor),GTO,门极关断晶闸管（Gate Turn-off),P-MOSFET,电力场效应晶体管,IGBT,绝缘栅双极型晶体管,MCT,场控晶闸管,PIC,功率集成电路,1.交直交变频调速带直流环节的间接变频调速 2

22、.交交变频调速不带直流环节的直接变频调速,9.4.1变频调速系统分类,9.4.1变频调速系统分类,-,-,脉冲宽度调制型,晶闸管直流开关,相位控制晶闸管整流,调压方式,电流型,电压型,直流电源型式,通电型）,带辅助晶闸管（,通电型）,带辅助晶闸管（,串级二极管式,串级电感式,换流电路,交变频调速,直,交,120,180,9.4.1变频调速系统分类,l电压型变频调速系统,9.4.2 交直交变频调速,1.主电路 整流器、逆变器（逆变电路和换流电路）和电容（中间环节、滤波）。,2.逆变器的换流原理 工作方式180o、120o 通电型。 以单相为例，C预充电 稳态导通阶段 开始换流阶段 振荡换流阶段

23、振荡衰减阶段 反馈阶段 换流结束阶段。,9.4.2 交直交变频调速,1) VS1、VS2主晶闸管，VS1、VS2 辅助换流晶闸管，作为LC振荡电路的充放电开关。 2) 通过触发VS1、VS2，反向关断VS1、VS2。 3) 通过LC串联谐振电路中的电流反向，关断VS1、VS2。,9.4.2 交直交变频调速,l电流型变频调速系统,1.主电路 整流器、逆变器和直流滤波电抗器（中间环节）。 l 常用串联二极管式逆变电路。 l电抗器滤波，输出电流较平直，为矩形波。,9.4.2 交直交变频调速,2.强迫换向电路 1)C为换向电容，V为隔离二极管，与主晶闸管串联。 2)换流电路为120o导电型，同一相两只

24、SCR同时导通，脉冲间隔（相位差）为180o。 3)两只相邻SCR，脉冲间隔为60o（正转时触发VS1、2、3、4、5、6、1，反转时触发VS6、5、4、3、2、1、6）。 4)两相轮流导通，脉冲间隔为120o（1-3-5或2-4-6）。,注： l 电压型变频调速系统，采用电容滤波，电源阻抗很小，类似电压源。 l 电流型变频调速系统，采用电抗器滤波，电源阻抗很大，类似电流源。,9.4.2 交直交变频调速,l差别： 1.电流型直流侧采用大电感L滤波（而形成直流源）。 2.三相整流桥、逆变器的交流侧输入电流都为120o方波交流电流。 3. L有保护性能，抑制故障电流上升。 4. 逆变桥内无电感，简

25、化主回路。 5. 整流桥和逆变桥方向不变（反馈二极管桥不与逆变桥反并联）。 6. 整流桥和逆变桥的直流电压同时反号，能量返送交流电网，系统可再生。 7. 适用于频繁加减速和变动负载的场合。,9.4.2 交直交变频调速,一般采用电压型逆变器。 1.种类 1)变幅PWM型变频器（直流电压可变） l 整流器晶闸管整流器，用来调压； l 逆变器用来调频（输出频率）。 2)恒幅PWM型变频器（直流电压恒定） l 整流器二极管整流桥； l逆变器输入恒定的直流电压，调节输出电压的脉冲宽度和频率（实现调压和调频）。,9.4.3 脉宽调制型变频调速系统（PWM）,3)特点： l 电路简单； l 调节速度快； l

26、 动态响应好。,注： a) 改变调制周期改变输出频率。 b) 调制方法：单极性调制和双极性调制。 c)按载波信号 和参考信号 频率之间的关系分为：同步式调制和非同步式调制。,9.4.3 脉宽调制型变频调速系统（PWM）,2.单极性正弦波脉宽调制法,1)正弦波 与三角波 相交，得到一组幅值 、宽度按正弦规律变化的矩形脉冲。 2)矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号。这一组矩形脉冲可用正弦波（虚线）等效。,9.4.3 脉宽调制型变频调速系统（PWM）,3)输出电压的大小和频率由 （正弦参考电压）控制。改变 幅值，就改变脉宽，从而改变输出电压大小；改变 频率，就改变输出电压频率。 4)正弦波最大幅

27、值必须小于三角波幅值。 基本恒定。 5)三角波和正弦波的频率成正比例地改变，称为同步式调制。,注：图12.20所示的是单相脉宽调制波。 对于三相逆变器，载频三角波可共用，必须有一个三相可变频变幅的正弦波发生器，两者相比较，产生三相脉冲调制波。,9.4.3 脉宽调制型变频调速系统（PWM）,3.准正弦波脉宽调制变频调速控制系统（SPWM）,9.4.3 脉宽调制型变频调速系统（PWM）, 输入脉冲列 载波信号 阶梯波 脉宽调制波形 监相波形 最后调制波形 逆变器输出波形,9.4.3 脉宽调制型变频调速系统（PWM）,9.4.3 脉宽调制型变频调速系统（PWM）,4.适用场合（特点） 1)实现平滑启

28、动、停车； 2)高效率、宽范围调速； 3)作为异步电动机变频调速的供电电源。,注：采用高速开关元件，逆变器输出脉冲增多， 在输出低频时，输出波形较好。,9.4.3 脉宽调制型变频调速系统（PWM）,1.用途 l交流电动机调速； l变频交流电源。,注：单相交流电 三相（或两相）交流电； 高频电源 低频电源。,9.4.4 交交变频调速,2. 单相单相（直接变频电路）的交交变频原理,9.4.4 交交变频调速,1)共阴极法主电路（VS1、VS3），则得到上正下负的输出电压。 2)共阳极法主电路（VS2、VS4），则得到上负下正的输出电压。 3)两组反并联的可控整流电路，则得到如图12.24所示的交变电

29、压，其值由SCR控制角来控制。,9.4.4 交交变频调速,3.输出电压波形方波型、正弦波型 1)三相方波型交交变频器（主电路）,9.4.4 交交变频调速,l每相由两组反并联的三相零式整流电 路组成。 （、为正组） （、为反组） l各组导通角为T/3（T为周期），每组依次相隔T/6导通。 l同一时刻有一个正组和一个反组同时导通。,9.4.4 交交变频调速,2)正弦型交交变频器用于异步电动机调速 l 由两组反并联的可控整流器组成。 l不断调制 角，使输出平均电压为正弦波（与直流可逆系统不同之处）。,9.4.4 交交变频调速,4.与交直交变频调速相比 1)优点： l 节省中间换流环节，效率高； l低

30、频波形较好，谐波损耗和转矩脉动大大减小。 2)缺点： l主回路元件较多； l最高频率受电网频率限制。 3)适用场合低速、大容量的场合。如球磨机、矿井提升机等。,9.4.4 交交变频调速,9.4.5 变频器 控制实例,转速给定既作为调节加减速的频率f指令值，同时经过适当分压，作为定子电压U1的指令值。该比例决定了U/f比值，由于频率和电压由同一给定值控制，因此可以保证压频比为恒定。,采用恒压频比控制的变频调速系统框图,交流异步电动机、直流电动机等都是作为动力使用的，其主要任务是能量的转换。,各种控制电机有各自的控制任务： 如: 伺服电动机将电压信号转换为转矩和转速以驱动控制对象；测速发电机将转速

31、转换为电压，并传递到 输入端作为反馈信号。步进电动机将脉冲信号转换为角位移或线位移。,控制电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的转换是次要的。,控制电机的种类很多，常用的几种:伺服电机、测速电机、步进电机。,对控制电机的主要要求：动作灵敏、准确、 重量轻、体积小、耗电少、运行可靠等。,第十章 伺服电动机,第十章 伺服电动机,伺服电动机可分为两类：,伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。,伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控 制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。,交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差

32、90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组，其结构如图所示。,励磁绕组,控制绕组,杯形转子,内定子,交流伺服电动机结构图,10.1 交流伺服电动机,励磁绕组串联电容C , 是为了产生两相旋转磁场。,适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近90,从而产生所需的旋转磁场。,交流伺服电动机的接线图和相量图:,(a）接线图,10.1 交流伺服电动机,控制电压 与电源电压 频率相同，相位相同或反相。,交流伺服电动机的工作原理与单相异步电动机有相似之处。,励磁绕组固定接在电源上，当控制电压为零时，电机无起动转矩，转子不转。,10.1 交流伺服电动机,加在控制绕组上的控制电压反相时(保持励磁电压不变)，

33、由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。,加在控制绕组上的控制电压大小变化时，其产生的旋转磁场的椭圆度不同，从而产生的电磁转矩也不同，从而改变电动机的转速。,不同控制电压下的机械特性曲线 n=f(T), U1=常数,交流伺服电动机的机械特性如图所示。,10.1 交流伺服电动机,交流伺服电动机的特点：不仅要求它在静止状态下，能服从控制信号的命令而转动，而且要求在电动机运行时如果控制电压变为零，电动机立即停转。,但如果交流伺服电动机的参数选择和一般单相异步电动机相似，电动机一经转动，即使控制等于零，电动机仍继续转动，电动机失去控制，这种现象称为“自转”。,如何克服“自转”现象呢？,10.

34、1 交流伺服电动机,正反向旋转磁场的合成转矩特性,当单相励磁时，在电动机运行范围0S11时，转矩为正值，产生电动转矩，使转子继续转动。反转时也同样为电动转矩。,10.1 交流伺服电动机,现增大转子电阻，使Sm1,当单相励磁时，在电动机运行范围0S11时，转矩为负值，产生制动转矩，使转子停转。反转时也同样为制动转矩。,10.1 交流伺服电动机,在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的 下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时， 电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。,交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100 W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等

35、系统中。,应用:,10.1 交流伺服电动机,直流伺服电动机的结构与直流电动机基本相 同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。,直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机 相同。,供电方式：他励供电。励磁绕组和电枢分别由两个独立的电源供电。,U1为励磁电压， U2为电枢电压,直流伺服电动机的接线图,10.2 直流伺服电动机,由机械特性可知： (1) 一定负载转矩下，当磁通不变时，U2 n。 (2) U2=0时，电机立即停转。,电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。,直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样，也可用下式表示,机械特性曲线如图所示。,直流伺服电动机的 n=f(T)曲线(U1=

36、常数),10.2 直流伺服电动机,直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。 直流伺服电机输出功率一般为1-600W。,应用：,10.2 直流伺服电动机,10.3 PWM控制,PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）,10.3 PWM控制,用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等 用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等 宽度按正弦规律变化,图6-3 用PW

37、M波代替正弦半波,SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可,10.3.1 PWM控制的基本原理,10.3 PWM控制,图:PWM控制电路原理,10.3.1 脉宽调制控制电路的工作原理,10.3 PWM控制,10.3.2 典型电路,(一) 锯齿波脉宽调制器,图:锯齿波脉冲宽度调制器,10.3 PWM控制,10.3.2 典型电路,(二) 三角波脉宽调制器,图： 三角波脉宽调制器电路,10.3 PWM控制,10.3.2 典型电路,(三)数字式脉宽调制器,数字式脉宽调制器可随控制信号的变化而改变脉冲序列的占空比/T。在数字式脉

38、宽调制器中，控制信号是数字，其值确定脉冲的宽度。当维持调制脉冲序列的周期不变，通过改变脉冲的宽度，就能达到改变占空比/T的目的。,10.3 PWM控制,用软件方式来实现，即通过执行软件延时循环程序交替改变端口某个二进制位输出逻辑状态来产生脉宽调制信号，设置不同的延时时间得到不同的占空比。 优点：简单、灵活、省硬件 缺点：需要占用CPU许多处理时间，对微处理机的速度要求很高，于控制不利； 用硬件电路自动产生PWM信号，不占用CPU处理的时间。,用微处理机来实现数字脉宽调制极其容易，通常的方法有两种：,图： 计数比较式PWM电路,10.3 PWM控制,图：电路变速直流风扇电机驱动器THMC40/4

39、1,10.3 PWM控制,THMC40/41是一种二相直流风扇无刷电机驱动器；可用于需要PRM速率控制的12V散热风扇的控制。 可对直流风扇进行速率控制而无需外部功率驱动 通过VPWM电压改变运行周期，可在11%100%范围内以PWM控制方式来调节风扇速率。 功耗低，睡眠模式下的典型电流值仅为300A。 具有速率信号或锁定转子检测信号输出。 具有热关断保护功能，当芯片结温超过165时会自动关闭。,图：电路变速直流风扇电机驱动器THMC40/41,10.3 PWM控制,第十一章 步进电动机,特点: (1) 来一个脉冲，转一个步距角。 (2) 控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3) 改变脉冲顺序，

40、可改变转动方向。,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的电气执行元件，电机绕组每接受一个脉冲，转子转过相应的角度（即步距角），低频率运行时，明显可见电机轴是一步一步转动的，故称为步进电动机。,由于步进电动机的这一工作职能正好符合数字控制系统要求，因此它在数控机床、钟表工业及自动记录仪等方面都有很广泛的应用,下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。,定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。采用Y连接，转子有四个齿。,10.1 步进电动机的工作原理,1,反应式步进电机利用定子绕组通电励磁， 产生反应磁阻转矩实现转动。,如图示，定子有三对磁极 A-A，B

41、-B，C-C，若转子有40个齿，则转子的齿距角为：,定子每相磁极有5个齿，其齿距宽度 与转子一样，则相邻两个齿的夹角必 定是9。,10.1 步进电动机的工作原理,由于磁力线总是要通过磁阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产生切向力，而形成磁阻转矩，使转子转动。,10.1 步进电动机的工作原理,当A相磁极与转子的齿对齐时，即定子齿与转子齿对齐时，磁导率最大，磁阻最小，就会产生右图所示的B、C相磁极错齿情况：,在B相磁极中心线上应是m号齿：,显然，B相磁极中心线是转子的第13个齿再过3的地方，即B相磁极的齿与转子齿相差3,同理，C相磁极中心线上应是n号齿：,即C相磁极中心线是转子的第26个齿再过

42、6的地方，换而言之，C相磁极的齿与转子齿相差6,依次按A-B-C-，A-B-C通电流，转子就跟随磁场一步一步转动，若需反向转动，只需改变通电相序A-C-B，A-C-B。,2,10.1 步进电动机的工作原理,1.三相单三拍,A相绕组通电，B、C相不通电。气隙产生以A-A为轴线的磁场，而磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，故电动机转子受到一个反应转矩，在此转矩的作用下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。,“三相”指三相步进电机；“单”指每次只能一相绕组通电；“三拍”指通电三次完成一个通电循环。,10.2 步进电动机的工作模式,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4 齿和B、B

43、磁极轴线对齐；当C相通电时，转子 再转过30角，1、3齿和C、C磁极轴线对齐。,10.2 步进电动机的工作模式,这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。,按AB C A 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过30(步距角)，每个通电循环周期(3拍)磁场在空间旋转了360而转子转过90(一个齿距角)。,2. 三相六拍,按AAB B BC C CA的顺序给三相绕组轮流通电。这种方式可以获得更精确的控制特性。,10.2 步进电动机的工作模式,A相通电，转子1、 3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电， A、A

44、 磁极拉住1、3齿，B、B 磁极拉住2、4齿，转子转过15，到达左图所示位置。,10.2 步进电动机的工作模式,B 相通电，转子2、 4齿与B、B 对齐,又转 过15。,B、C相同时通电， C 、C 磁极拉住1、3 齿，B、B 磁极拉住 2、4齿，转子再转过 15。,10.2 步进电动机的工作模式,三相反应式步进电动机的一个通电循环周 期如下：AAB B BC C CA，每个循 环周期分为六拍。每拍转子转过15（步距角）， 一个通电循环周期(6拍)转子转过90 (齿距角)。,与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更 小，更适用于需要精确定位的控制系统中。,3. 三相双三拍,按AB BC CA的顺序

45、给三相绕组轮流通 电。每拍有两相绕组同时通电。,10.2 步进电动机的工作模式,与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角)，一个通电循环周期(3拍)转子转过90(齿距角)。,10.2 步进电动机的工作模式,3,三相反应式步进电机的三种运行方式：,单三拍时： ABC,ABC,10.2 步进电动机的工作模式,4,双三拍时：,单双拍（即六拍）时：,ABBCCA, ABBCCA,AABBBC CCA,-A ABBBC CCA ,10.2 步进电动机的工作模式,10.2 步进电动机的工作模式,从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：,实用步进电机的步距角多为3和1.5 。,10.2 步进电动机的工作模式,按转子结构分为三种：,反应式(VR，Variable Reluctance）,永磁式(PM，Permanent Magnet),混合式(HB,Hybrid),按励磁相数分：有三相、四相、五相等步进电机,按运转方式分：有旋