第六章 控制电动机及其驱动电路

1、第六章第六章 控制电动机及其驱动控制电动机及其驱动电路电路本章的学习内容：6.1 常用控制电机的分类和特点6.2 直流电动机6.3 直流伺服电动机6.4 交流伺服电动机6.5 步进电动机6.1 常用控制电机的分类和特点一、分类常用电动机固定磁阻电动机 变磁阻电动机无磁电动机 直流伺服电机 交流伺服电机 反应式步进电动机 永磁式步进电动机 混合式步进电动机 直线步进电动机 超声波电机二、特点名称特点直流伺服电动机可控性好、稳定性好、响应快、有电刷接触交流伺服电动机励磁电流小、体积较小、机械强度高、无电刷反应式步进电动机启动和运行频率高、断电时无定位转矩、消耗功率较大。永磁式步进电动机消耗功率较反

2、应电机小、需正负脉冲供电、启动和运行频率较小、有定位转矩混合式步进电动机启动和运行频率较高、需正负脉冲供电、消耗功率较小、有定位转矩直线步进电动机提供直线运动、结构简单、惯量小超声波电动机低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、无输入自锁6.2 直流电动机一、工作原理NSUNSUNSNSUU电刷电刷换向片换向片直流直流电流电流交流交流电流电流电磁转矩电磁转矩(拖动转矩拖动转矩)换向换向机械机械负载负载旋转旋转克克 服服反电反电动势动势做功做功 电磁关系电磁关系二、直流电机的基本结构 直流电机的定子直流电机的定子 (a) 主磁极主磁极 (b) 机座机座 直流电机的转子直流电机的转子 (a) 转子主体

3、转子主体 (b) 电枢钢片电枢钢片 直流单机的机构三、直流电机的励磁方式MIf+UaIa+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励M+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UI四、直流电动机的电压平衡方程式M励磁电压励磁电压 Uf If 电枢电压电枢电压 Ua Ia T n E E励磁电路：励磁电路： Uf = Rf If电枢电路：电枢电路： Ua = E + Ra Ia+UaIaIf+Uf五、直流电机的电磁转矩及电动势 T = CT Ia CT 转矩常数：转矩常数：CT =2pN 单位：单位：Wb单位：单位：A(Nm) CTCE=602 = 9.55 CT = 9.55 CECT =2pN CE

4、=4pN60 E = CE n CE 电动势常数：电动势常数：CE =4 pN60单位：单位：r/min(V) 六、电动机的转速和转向机械特性机械特性E CE n = UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T O nTn0调解特性调解特性O nUTb转向取决于电磁转矩转向取决于电磁转矩 T 的方向，而的方向，而 T 的方向的方向取决于取决于 和和 Ia 的方向。的方向。M+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+Uf磁磁场场反反向向电电枢枢反反向向七、直流电动机的驱动电路双极型功率放大器a)T形b)H桥型H形PWM功率放大器控制原理图6.3 直流伺服电动机一、基本结构与

5、普通小型直流电动机相同；与普通小型直流电动机相同；SM+Ua IaE电磁式电磁式If+Uf SM+Ua IaE永磁式永磁式二、工作原理施加施加 Ua主磁通：主磁通： TnE电磁转矩：电磁转矩： T = CT Ia 电动势：电动势： E = CE n电枢电路电压方程：电枢电路电压方程： Ua = E + Ra Ia三、控制方式及其特性 电枢控制式电枢控制式 Uf = UfN ， Ua = Uc（控制电压）（控制电压） n =UcCENRaCECTN2TOTn Uc3 Uc2Uc1Uc3Uc2Uc1 机械特性机械特性T1 T2 T3 T3T2T1 控制特性控制特性OUcn 磁场控制式磁场控制式 U

6、a = UaN ， Uf = Uc（控制电压）（控制电压）忽略磁路饱和、不计电枢反应，则忽略磁路饱和、不计电枢反应，则 = CUf = C Ucn =UaNCECUc Ra CECT C2Uc2 T Uc3Uc2 Uc1UC3Uc2Uc1 机械特性机械特性 控制特性是非线性。控制特性是非线性。 直流伺服电动机的功率直流伺服电动机的功率 1 600 W。OTn6.4 交流伺服电动机一、基本结构空心杯形转子交空心杯形转子交流伺服电动机的流伺服电动机的结构示意图结构示意图转子转子 内定子内定子 外定子外定子 绕组绕组 转轴转轴 二、工作原理当两相绕组分别加上相位相差当两相绕组分别加上相位相差 90o

7、 的额定电压时：的额定电压时： 对称两相运行对称两相运行 ic 和和 if 产生产生 圆形旋转磁场圆形旋转磁场产生产生 T 转子旋转。转子旋转。 如果如果 uc 反相，即改变反相，即改变 ic 和和 if 的相序的相序旋转磁场改变方向旋转磁场改变方向 n 的方向改变。的方向改变。 同时减小同时减小 uc 和和 uf 而保持其而保持其 90o 的相位差的相位差圆形磁通势圆形磁通势 的幅值的幅值 T n 。SM 控制绕组控制绕组 励磁绕组励磁绕组 Uc Uf cfIcIf6.4 步进电动机一、功能、用途和分类 功能功能 将电脉冲信号转换成转角或转速信号。将电脉冲信号转换成转角或转速信号。 转角转角

8、 脉冲信号的个数；脉冲信号的个数； 转速转速 n 脉冲信号的频率。脉冲信号的频率。 用途用途 高精度的角度控制。高精度的角度控制。 分类分类 按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等；按定子相数不同：三相、四相、五相、六相等； 按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式）按转子材料不同：永磁式、磁阻式（反应式） 和混合式。和混合式。二、基本结构14 23(1) 定子定子 (2) 转子转子U1U2V1V2W2W1三相磁阻式步进三相磁阻式步进电动机原理图电动机原理图 步进电动机的典型结构步进电动机的典型结构 U2U1W2W1V1V2三、工作原理 一拍一拍 从一次通电到另一次通电。从一次通电到另一次通电

9、。 步距角步距角 每一拍转子转过的角度。每一拍转子转过的角度。(1) m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） (2) m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） (3) m 相单双相单双 2m 拍运行（三相单双六拍运行）拍运行（三相单双六拍运行） 14 2314 2314 2314 23U1U2V1V2W2W1(1) m 相单相单 m 拍运行（三相单三拍运行）拍运行（三相单三拍运行） 通电顺序：通电顺序： U 相相V 相相W 相相U 相。相。 U 相通电相通电 14 23U1U2V1V2W2W114 23 V 相通电相通电 U1U2V1V2W

10、2W1 W 相通电相通电 14 2314 23一步一步两步两步三步三步 步距角：步距角： = 30(2) m 相双相双 m 拍运行（三相双三拍运行）拍运行（三相双三拍运行） 通电顺序：通电顺序： UV 相相VW 相相WU 相相。 14 23U1U2V1V2W2W1 UV 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 VW 相通电相通电 14 2314 23U1U2V1V2W2W1 WU 相通电相通电 14 23 步距角：步距角： = 3014 2314 23(3) m 相单双相单双 2m 拍运行拍运行 (三相单双六拍运行）三相单双六拍运行）通电顺序：通电顺序：UUV VVW W WU U。14 23U1U2V1V2W2W1114 23U1U2V1V2W2W1214 23U1U2V1V2W2W1314 23U1U2V1V2W2W1414 23U1U2V1V2W2W1514 23U1U2V1V2W2W1614 23步距角：步距角： = 15 步距角步距角 =360z Nz ：转子齿数：转子齿数N ：拍数：拍数 转速转速 一个一个 转转 (1 / zN ) 圈，圈， 脉冲频率为脉冲频率为 f 每秒转每秒转 ( f / zN ) 圈。圈。n =60 fz N例如：例如：三相步进电动机三相步进电动机 z = 40，则，则采用单采用单/双三拍双三拍时：时：采用三相六拍