第七章驱动电机

1、第7章 驱动和控制微电机7.2 7.2 伺服电动机伺服电动机7.3 7.3 测速发电机测速发电机7.4 7.4 自整角机自整角机7.5 7.5 旋转变压器旋转变压器 本章主要介绍单相异步电动机、伺服电动机、测速发电机、自整角机、本章主要介绍单相异步电动机、伺服电动机、测速发电机、自整角机、旋转变压器、微型同步电动机、步进电动机、开关磁阻电动机、直线异步电动旋转变压器、微型同步电动机、步进电动机、开关磁阻电动机、直线异步电动机、永磁无刷直流电动机和交直流两用电动机的工作原理及其应用。机、永磁无刷直流电动机和交直流两用电动机的工作原理及其应用。7.1 7.1 单相异步电动机单相异步电动机7.6 7

2、.6 微型微型同步电动机同步电动机7.8 7.8 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 7.7 7.7 步进电动机步进电动机 7.9 7.9 直线异步电动机直线异步电动机7.10 7.10 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机7.11 7.11 交直流两用电动机交直流两用电动机第7章 驱动和控制微电机基本要求：基本要求：1.熟练掌握单相异步电动机的工作原理及主要类型，了解其应用情况；2.熟练掌握直流伺服电动机的基本结构、运行特性及实际应用，熟练掌握交流伺服电动机的工作原理、特性、控制方式及实际应用；3.掌握测速发电机的工作原理，了解测速发电机的输出误差的原因，掌握减小输出误差的方法；4.了解自整角机的

3、结构与工作原理，误差分析与选用时应注意的问题以及应用情况；5.了解旋转变压器的结构与工作原理、误差及其改进方法，掌握旋转变压器的各种补偿控制方法，了解旋转变压器的应用情况；第7章 驱动和控制微电机6.了解永磁式、反应式和磁滞式同步电动机的结构、工作原理、特点及应用情况；7.掌握步进电机的结构和工作原理，了解步进电机的频率特性、驱动电源以及应用情况；8.了解开关磁阻电动机系统的组成、特点及应用情况；9.了解直线异步电动机的结构、工作原理及应用情况；10.了解永磁直流无刷电动机的结构、工作原理、运行特性、控制方法以及应用情况。11.了解交直流两用电动机的结构、工作原理、工作特性及应用情况；第7章

4、驱动和控制微电机7.1 7.1 单相异步电动机单相异步电动机教学要求：教学要求： 了解单相异步电动机的结构特点；了解单相异步电动机的结构特点； 掌握单相异步电动机的工作原理，弄清单相异步电动掌握单相异步电动机的工作原理，弄清单相异步电动 机为什么不能自起动？机为什么不能自起动？ 重点掌握单相异步电动机的的起动方法与类型。重点掌握单相异步电动机的的起动方法与类型。第7章 驱动和控制微电机 7.1.1 7.1.1 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的工作原理一、一、 单相异步电动机的结构单相异步电动机的结构 单相异步电动机的转子就是普通的笼型转子。定子铁心由单相异步电动机的转子就是普通的笼型转

5、子。定子铁心由硅钢片叠压而成，嵌有定子绕组。硅钢片叠压而成，嵌有定子绕组。 为了产生起动转矩，单相异步电动机定子上都安放两套绕为了产生起动转矩，单相异步电动机定子上都安放两套绕组，一个为工作绕组，另一个为起动绕组，两个绕组在空间相组，一个为工作绕组，另一个为起动绕组，两个绕组在空间相距距900电角度。电角度。 起动绕组一般只在起动时接入，起动完毕就与电源断开，起动绕组一般只在起动时接入，起动完毕就与电源断开，正常运行只有一个工作绕组接在电源上。正常运行只有一个工作绕组接在电源上。 也有一些电容或电阻电动机，运行也有一些电容或电阻电动机，运行 时仍然接于电源上，实时仍然接于电源上，实质是两相电机

6、，由于接在单相电源上，仍称为单相异步电动机。质是两相电机，由于接在单相电源上，仍称为单相异步电动机。第7章 驱动和控制微电机图图7.1.1 单相异步电动机结构单相异步电动机结构第7章 驱动和控制微电机 二、单相异步电动机的工作原理二、单相异步电动机的工作原理1 1 、单相绕组通入单相交流电时的情况、单相绕组通入单相交流电时的情况 单相交流绕组通入单相正弦交流电流产生脉动磁动势，单相交流绕组通入单相正弦交流电流产生脉动磁动势，它可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形它可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形旋转磁动势旋转磁动势F+和和F-，建立起正转和反转旋转磁场，建立起正转和

7、反转旋转磁场+和和-，这两个旋转磁场切割转子导体，分别在转子导体中产生感这两个旋转磁场切割转子导体，分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流，从而产生正向电磁转矩应电动势和感应电流，从而产生正向电磁转矩Tem+和反向和反向电磁转矩电磁转矩Tem_，叠加后即为推动转子转动的合成转矩，叠加后即为推动转子转动的合成转矩Tem。第7章 驱动和控制微电机图7.1.2 单相异步电动机的磁场和转矩 图7.1.3 三相异步电动机的 曲线)()(emTfns第7章 驱动和控制微电机SnnnS11SnnnS211设电动机转速为设电动机转速为n n，则对正转磁场而言，转差率，则对正转磁场而言，转差率s s+ +为为

8、 对反转磁场而言，转差率对反转磁场而言，转差率s s- -为为 20, 20SSSS时，当时，即当第7章 驱动和控制微电机第7章 驱动和控制微电机 当当s1时，时，T0，T的方向，取决于的方向，取决于s的正负。一旦旋转，转的正负。一旦旋转，转向依外力方向而定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋向依外力方向而定，即在外力矩作用下，电机可朝外力方向旋转。转。 三相异步电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。三相异步电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。 由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力降低，由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力降低，TL不变，不变，n下降下降S上升上升I2上升上升I

9、1上升上升温升增加。温升增加。 转子静止时，转子静止时，n=0,S=1，合成转矩为，合成转矩为0。单相异步电动机无起。单相异步电动机无起动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。 三相异步电动机电源一相断线时，相当于一台单相异步电动三相异步电动机电源一相断线时，相当于一台单相异步电动机，故不能自起动。机，故不能自起动。第7章 驱动和控制微电机7.1.2 7.1.2 单相异步电动机的主要类型单相异步电动机的主要类型一、分相起动电动机一、分相起动电动机包括：电容起动电动机、电容电动机和电阻起动电动机包括：电容起动电动机、电容电动机和电阻起动电动机. 根据获得旋转磁

10、场方式的不同，分为分相电动机和罩极电动机根据获得旋转磁场方式的不同，分为分相电动机和罩极电动机1 1、电容起动电动机、电容起动电动机 特点特点： 起动绕组和电容按短时工作设计；起动绕组和电容按短时工作设计； 电容起分相和提高功率因数的作用。电容起分相和提高功率因数的作用。 由于起动绕组和电容按短时工作设计，因此，当由于起动绕组和电容按短时工作设计，因此，当n达达7085%n1时，离心开关自动断开。时，离心开关自动断开。 改变电容起动电动机的转向，只需将工作绕组或起动绕改变电容起动电动机的转向，只需将工作绕组或起动绕组的两个出线端对调即可。组的两个出线端对调即可。第7章 驱动和控制微电机 图7.

11、1.5 单相电容起动电动机第7章 驱动和控制微电机 实质上是一台两相异步电动机，起动绕组和工作电容应按长实质上是一台两相异步电动机，起动绕组和工作电容应按长期工作方式设计。期工作方式设计。 图7.1.6 单相电容电动机2 2、电容电动机、电容电动机第7章 驱动和控制微电机特点：特点： 起动绕组和工作电容器按长期工作设计；起动绕组和工作电容器按长期工作设计； 过载能力、功率因数和效率均较高；过载能力、功率因数和效率均较高； 容量能做到五十瓦至几千瓦；容量能做到五十瓦至几千瓦； 应用比较广泛，如应用于压气机、空调等；应用比较广泛，如应用于压气机、空调等； 电容电动机反转的方法与电容起动电动机相同。

12、电容电动机反转的方法与电容起动电动机相同。3 3、电阻起动电动机、电阻起动电动机 在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗在起动绕组中串联电阻来分相，即工作绕组电阻小，电抗大；起动绕组电阻大，电抗小。大；起动绕组电阻大，电抗小。 特点特点： 起动转矩较小，只适用于空载或轻载起动的场合。起动转矩较小，只适用于空载或轻载起动的场合。第7章 驱动和控制微电机二、罩极电动机二、罩极电动机 定子铁心做成凸极式，由硅钢片叠压而成，工定子铁心做成凸极式，由硅钢片叠压而成，工作绕组为集中绕组，套在定子磁极上，每个极靴表作绕组为集中绕组，套在定子磁极上，每个极靴表面面1/31/31/41/4处开有一个

13、凹槽，放入罩极绕组（短路处开有一个凹槽，放入罩极绕组（短路环），如图环），如图7.1.77.1.7所示：所示： 1 1、结构特点：、结构特点：第7章 驱动和控制微电机 图7.1.7 单相罩极电动机第7章 驱动和控制微电机2 2、工作原理、工作原理 k.1.3. 在时间上滞后在时间上滞后 一个角度一个角度，而两个绕组在空间也，而两个绕组在空间也相隔一个角度，产生旋转磁场，转向由未罩极部分转向罩相隔一个角度，产生旋转磁场，转向由未罩极部分转向罩极部分。电机转向也由未罩极部分转向罩极部分。极部分。电机转向也由未罩极部分转向罩极部分。 3.1.3 3、改变转向的方法：、改变转向的方法： 1） 定子上绕

14、制两套起动绕组；定子上绕制两套起动绕组； 2） 将定、转子反向安装。将定、转子反向安装。 4 4、优缺点：、优缺点：起动转矩小，结构简单，不需要电容器。起动转矩小，结构简单，不需要电容器。 5、应用、应用: 用于小容量电动机中。如应用于小型风扇、电用于小容量电动机中。如应用于小型风扇、电动模型和电唱机中。动模型和电唱机中。第7章 驱动和控制微电机7.1.3 7.1.3 单相异步电动机的应用单相异步电动机的应用1 1、单相异步电动机广泛应用于家用电器、医疗器械及轻工设、单相异步电动机广泛应用于家用电器、医疗器械及轻工设备中。备中。2 2、单相异步电动机应用于电风扇的情况：、单相异步电动机应用于电

15、风扇的情况： 电风扇的工作原理；电风扇的工作原理； 电风扇的调速方法：串电抗器调速法；电风扇的调速方法：串电抗器调速法； 电动机绕组抽头法。电动机绕组抽头法。第7章 驱动和控制微电机7.2 7.2 伺服电动机伺服电动机教学要求：教学要求： 了解伺服电动机的结构和类型；了解伺服电动机的结构和类型； 掌握直流伺服电动机的工作特性；掌握直流伺服电动机的工作特性； 掌握交流伺服电动机的工作原理及控制方式；掌握交流伺服电动机的工作原理及控制方式； 了解伺服电动机的应用。了解伺服电动机的应用。 伺服电动机又称执行电动机，它可以把输入的电压信号转换为电机轴伺服电动机又称执行电动机，它可以把输入的电压信号转换

16、为电机轴上的角速度或角位移等机械信号输出。上的角速度或角位移等机械信号输出。 伺服电动机分为：直流和交流伺服电动机两类。伺服电动机分为：直流和交流伺服电动机两类。第7章 驱动和控制微电机7.2.1 7.2.1 直流伺服电动机直流伺服电动机一、直流伺服电动机的结构和分类一、直流伺服电动机的结构和分类直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。分类：分类： 传统型直流伺服电动机传统型直流伺服电动机：普通型直流伺服电机，分为电：普通型直流伺服电机，分为电磁式和永磁式两种。磁式和永磁式两种。 低惯量型直流伺服电动机低惯量型直流伺服电动机 盘形电枢直流伺服

17、电动机；盘形电枢直流伺服电动机； 空心杯电枢直流伺服电动机；空心杯电枢直流伺服电动机； 无槽电枢直流伺服电动机。无槽电枢直流伺服电动机。第7章 驱动和控制微电机 图7.2.1 盘形电枢直流伺服电动机结构第7章 驱动和控制微电机 图7.2.2 空心杯电枢直流伺服电动机结构 图7.2.3 无槽电枢直流伺服电动机结构第7章 驱动和控制微电机二、直流伺服电动机的运行特性二、直流伺服电动机的运行特性1 1、机械特性：、机械特性：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服电动机的转速电动机的转速n n随转矩变化的关系。随转矩变化的关系。 emTeaeTkkRkUnemkT

18、nn0式中：式中：TeaekkRkkUn,0转速关系式：转速关系式：控制方式：电枢控制和磁极控制，实际中主要采用电枢控制方式。控制方式：电枢控制和磁极控制，实际中主要采用电枢控制方式。第7章 驱动和控制微电机ekUnn0TaDkRUT 当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为矩称为堵转转矩。堵转转矩。 当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转当转矩为零时，电机转速仅与电枢电压有关，此时的转速称为速称为理想空载转速。理想空载转速。第7章 驱动和控制微电机直流伺服电动机的机械特性如图直流伺服电动机的机械特性如图7.2.47.2.

19、4所示：所示：2 2、调节特性：、调节特性：指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。关系。 直流伺服电动机的调节特性如图直流伺服电动机的调节特性如图7.2.5所示。所示。图7.2.4 电枢控制的直流伺服电机机械特性 图7.2.5 直流伺服电机调节特性第7章 驱动和控制微电机7.2.2 7.2.2 交流伺服电动机交流伺服电动机 一、交流伺服电动机的基本结构一、交流伺服电动机的基本结构 交流伺服电动机为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有高交流伺服电动机为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有高电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯型转子两种。定

20、子为两相绕组，并在电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯型转子两种。定子为两相绕组，并在空间相差空间相差90电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如图电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如图7.2.6所示：所示： 图7.2.6 交流伺服电机工作原理图第7章 驱动和控制微电机 二、交流伺服电动机的工作原理二、交流伺服电动机的工作原理当控制电压为零时：只有励磁电流产生脉动磁场，当控制电压为零时：只有励磁电流产生脉动磁场，转子不动。转子不动。当有控制电压时：励磁绕组和控制绕组中的电流共当有控制电压时：励磁绕组和控制绕组中的电流共同产生一个合成的旋转磁场，带动转子旋转。同产生一个合成的旋转磁场，

21、带动转子旋转。第7章 驱动和控制微电机 “自转自转”现象现象：当励磁电压不为零，：当励磁电压不为零，控制电压为零时控制电压为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，则电机仍然旋转。小，则电机仍然旋转。 避免避免“自转自转”现象方法现象方法：增大转子电阻值增大转子电阻值。说明：说明：第7章 驱动和控制微电机三、交流伺服电动机的控制方式三、交流伺服电动机的控制方式 交流伺服电动机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值交流伺服电动机的控制方式有三种：幅值控制、相位控制和幅值相位控制相位控制 1 1、幅值控制、幅值控制 控制电压和励

22、磁电压保持相位差控制电压和励磁电压保持相位差9090，只改变控制电压的大小来调节电，只改变控制电压的大小来调节电机的转速，这种控制方法称为幅值控制。机的转速，这种控制方法称为幅值控制。 2、相位控制相位控制 控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相控制电压和励磁电压幅值均为额定值，通过改变控制电压和励磁电压相位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。位差，实现对伺服电动机的控制，这种控制方法称为相位控制。 3、幅值幅值相位控制相位控制 通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电动通过改变控制电压的幅值及控制电压与励磁电压的相位差控制伺服电动

23、机的转速，这种控制方法称为幅值机的转速，这种控制方法称为幅值相位控制。相位控制。 第7章 驱动和控制微电机7.2.3 7.2.3 伺服电动机的应用伺服电动机的应用伺服电动机通常作为随动系统、遥测和遥控系统及各伺服电动机通常作为随动系统、遥测和遥控系统及各种增量运动控制系统的主传动元件。种增量运动控制系统的主传动元件。伺服电动机在雷达天线中的应用：典型的位置控制随伺服电动机在雷达天线中的应用：典型的位置控制随动系统。动系统。第7章 驱动和控制微电机教学要求：教学要求： 掌握直流测速发电机的输出特性及减小误差的方法；掌握直流测速发电机的输出特性及减小误差的方法； 掌握空心杯型异步测速发电机的工作原

24、理；掌握空心杯型异步测速发电机的工作原理； 掌握异步测速发电机的输出特性及其误差；掌握异步测速发电机的输出特性及其误差； 了解测速发电机的实际应用。了解测速发电机的实际应用。 测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置，它的基本任务是把机械测速发电机是一种检测机械转速的电磁装置，它的基本任务是把机械转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。转速变换成电压信号，其输出电压与输入的转速成正比关系。 测速发电机分为：直流和交流测速发电机及无刷测速发电机。测速发电机分为：直流和交流测速发电机及无刷测速发电机。7.3 7.3 测速发电机测速发电机第7章 驱动和控制微电机 根据励磁方式不同分为永磁

25、式和电磁式两种。根据励磁方式不同分为永磁式和电磁式两种。7.3.1 7.3.1 直流测速发电机直流测速发电机一、直流测速发电机的输出特性一、直流测速发电机的输出特性 当励磁磁通当励磁磁通和负载电阻和负载电阻RL一定时，测速发电机输出电压一定时，测速发电机输出电压U2与转与转速速n之间的关系，称为输出特性，如图之间的关系，称为输出特性，如图7.3.1所示。所示。CnRRELaa1U2第7章 驱动和控制微电机n 图图7.3.1 不同负载电阻时的输出特性不同负载电阻时的输出特性图图7.3.1 不同负载电阻时的输出特性不同负载电阻时的输出特性第7章 驱动和控制微电机2.2.减少误差的方法：减少误差的方

26、法：二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法1. 直流测速发电机的误差直流测速发电机的误差 电枢反应的影响；电枢反应的影响； 电刷接触电阻的影响；电刷接触电阻的影响； 温度的影响；温度的影响； 纹波的影响。纹波的影响。第7章 驱动和控制微电机7.3.2 7.3.2 交流异步测速发电机交流异步测速发电机 分为同步测速发电机和异步测速发电机两种，其中异步测速发电机应用分为同步测速发电机和异步测速发电机两种，其中异步测速发电机应用广泛，其又分为笼型和空心杯型两种。空心杯型测速发电机测量精度高、广泛，其又分为笼型和空心杯型两种。空心杯型测速发电机测量精度高、转动

27、惯量小，性能稳定，适于快速系统，应用比较广泛。转动惯量小，性能稳定，适于快速系统，应用比较广泛。一、空心杯转子异步测速一、空心杯转子异步测速发电机的工作原理发电机的工作原理图7.3.2 异步测速发电机工作原理第7章 驱动和控制微电机切割电动势切割电动势计算公式计算公式1、n=0电机不转 输出电压 U2=02、n 0 电机旋转切割电动势大小切割电动势大小: :nCEdrrnEFFrrrqqnEq2即：输出绕组的感应电动势即：输出绕组的感应电动势的幅值正比于电机的转速。的幅值正比于电机的转速。第7章 驱动和控制微电机二、异步测速发电机的输出特性二、异步测速发电机的输出特性U2n理想输出 特性实际输

28、出特性 图7.3.3 异步测速发电机的输出特性第7章 驱动和控制微电机三、异步测速发电机的误差三、异步测速发电机的误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差主要包括幅值及相位误差和剩余电压误差1、幅值及相位误差幅值及相位误差 产生原因：产生原因：励磁绕组的漏抗存在。励磁绕组的漏抗存在。 减小该误差的方法：减小该误差的方法：增大转子电阻。增大转子电阻。第7章 驱动和控制微电机2 2、剩余电压误差、剩余电压误差 产生原因：产生原因：由于加工、装配过程中存在机械上由于加工、装配过程中存在机械上 的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测的不对称及定子磁性材料性能的不一致性，使得测速发电机转速为零时，

29、实际输出电压并不为零，此速发电机转速为零时，实际输出电压并不为零，此时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为时的电压称为剩余电压，剩余电压引起的误差称为剩余电压误差。剩余电压误差。 减小剩余电压误差的方法：减小剩余电压误差的方法：选择高质量的各方选择高质量的各方向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提向特性一致的磁性材料，在机加工和装配过程中提高机械精度以及装配补偿绕组。高机械精度以及装配补偿绕组。第7章 驱动和控制微电机7.3.3 7.3.3 测速发电机的应用测速发电机的应用 测速发电机在自动控制系统和计算装置中测速发电机在自动控制系统和计算装置中通常作通常作 为测速元件、校正元件、

30、解算元为测速元件、校正元件、解算元件等。件等。直流测速发电机在模拟式随动系统中的应直流测速发电机在模拟式随动系统中的应用，如图用，如图7.3.47.3.4。第7章 驱动和控制微电机手轮手轮自整角机放大器直流伺服电动机控制对象（火炮）直流测速发电机图图7.3.4 模拟式随动系统原理图模拟式随动系统原理图第7章 驱动和控制微电机7.4 7.4 自整角机自整角机 自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应自整角机是一种能对角位移或角速度的偏差自动整步的感应式微特电机。一般成对或多台组合使用。式微特电机。一般成对或多台组合使用。 教学要求：教学要求：了解自整角机的结构；了解自整角机的结构；掌

31、握自整角机的工作原理；掌握自整角机的工作原理；掌握自整角机的误差；掌握自整角机的误差；了解自整角机的应用。了解自整角机的应用。第7章 驱动和控制微电机分类：控制式自整角机和力矩式自整角机分类：控制式自整角机和力矩式自整角机一、力矩式自整角机的结构与工作原理一、力矩式自整角机的结构与工作原理7.4.1 7.4.1 自整角机的结构与工作原理自整角机的结构与工作原理 有凸极式和隐极式两种结构，通常采用两极有凸极式和隐极式两种结构，通常采用两极结构，绝大部分采用凸极式结构。只在频率较高、结构，绝大部分采用凸极式结构。只在频率较高、尺寸较大的力矩式自整角机采用隐极式结构。尺寸较大的力矩式自整角机采用隐极

32、式结构。第7章 驱动和控制微电机 力矩式自整角机的三种结构：第7章 驱动和控制微电机图图7.4.2 7.4.2 为力矩式自整角机的工作原理图为力矩式自整角机的工作原理图第7章 驱动和控制微电机发送机的转子位置为发送机的转子位置为1，接收机的转子位置为，接收机的转子位置为2，失调角，失调角为为 = 1- 2力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流力矩式自整角机整步绕组中的电动势与电流 每相整步绕组中的感应电动势：每相整步绕组中的感应电动势：发送机：发送机： 接收机：接收机：)120cos()120cos(cos111111EEEEEEcba)120cos()120cos(cos222222EEEE

33、EEcba第7章 驱动和控制微电机各相绕组中的总电动势：2sin)1202sin(22sin)1202sin(22sin2sin221212112EEEEEEEEcbaaa第7章 驱动和控制微电机各相绕组中的电流：2sin)1202sin(2sin)1202sin(2sin2sin2212121IIIIIZEIcbaaa第7章 驱动和控制微电机2力矩式自整角机整步绕组的磁动势：力矩式自整角机整步绕组的磁动势：2sin)1202sin(2sin)1202sin(2sin2sin2sin2sin224211211212111FFFFFpINkFcbwa第7章 驱动和控制微电机发送机的交轴磁动势分量

34、：发送机的交轴磁动势分量：sin43FFFFFqcqbqaq发送机的直轴磁动势分量发送机的直轴磁动势分量：)cos1 (43FFFFFdcdbdad合成磁动势的幅值合成磁动势的幅值：sin23221FFFFdq第7章 驱动和控制微电机接收机的整步磁动势为：接收机的整步磁动势为：sin232FF 3力矩式自整角机的转矩：力矩式自整角机的转矩：cos1dqFkT式中：式中：k1为转矩系数，为转矩系数，为直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。为直轴磁通与交轴磁动势间的夹角。第7章 驱动和控制微电机二、控制式自整角机的结构与工作原理二、控制式自整角机的结构与工作原理 控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相

35、同。控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同。图7.4.3为控制式自整角机的工作原理图图7.4.3 控制式自整角机的工作原理第7章 驱动和控制微电机7.4.2 7.4.2 自整角机的误差与选用时应注意的问题自整角机的误差与选用时应注意的问题 力矩式自整角机的误差：力矩式自整角机的误差： 主要有零位误差和静态误差主要有零位误差和静态误差。 控制式自整角机的误差：控制式自整角机的误差： 主要有电气误差和零位电压误差。主要有电气误差和零位电压误差。第7章 驱动和控制微电机7.4.3 7.4.3 自整角机的应用自整角机的应用 力矩式自整角机常用于精度较低的指示系力矩式自整角机常用于精度较低的指示系

36、统，如液面的高低、核反应堆控制棒位置的指统，如液面的高低、核反应堆控制棒位置的指示等。示等。 控制式自整角机适用于精度较高、负载较控制式自整角机适用于精度较高、负载较大的伺服系统，如雷达高低角自动显示系统大的伺服系统，如雷达高低角自动显示系统等。等。 第7章 驱动和控制微电机7.5 7.5 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是自动控制系统中的一类精密控制微电机。可分为：旋转变压器是自动控制系统中的一类精密控制微电机。可分为： 按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分：分为接触式旋转变压器和非接触按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分：分为接触式旋转变压器和非接触式旋转变压器。式旋转变压器。 按电机的极对数

37、多少来分：分为单极对旋转变压器和多极对式旋转变压器。按电机的极对数多少来分：分为单极对旋转变压器和多极对式旋转变压器。 按使用要求来分：分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转按使用要求来分：分为用于解算装置的旋转变压器和用于随动系统的旋转变压器，前者又分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器。变压器，前者又分为正余弦旋转变压器、线性旋转变压器和比例式旋转变压器。了解旋转变压器的结构，掌握其工作原理；了解旋转变压器的结构，掌握其工作原理；了解旋转变压器的误差改进方法；了解旋转变压器的误差改进方法；了解旋转变压器的应用。了解旋转变压器的应用。教学要求：教学要求：第7章 驱动

38、和控制微电机 定子上放置两套互差定子上放置两套互差9090 空间角度的匝数、型式完全相空间角度的匝数、型式完全相同的正弦绕组，一个作为励磁同的正弦绕组，一个作为励磁绕组，另一个作为交轴绕组。绕组，另一个作为交轴绕组。励磁励磁绕组上施加交流绕组上施加交流励磁电压，定义励磁绕组的轴线方向励磁电压，定义励磁绕组的轴线方向为为d d轴，在气隙中产生轴，在气隙中产生d d轴磁通轴磁通d d，励磁绕组中，励磁绕组中的感应电动的感应电动势为：势为：dwssfkfNE44. 4 转子上也有两套完全相同的的正弦绕组，两套绕组转子上也有两套完全相同的的正弦绕组，两套绕组的的空间位置也空间位置也互差互差9090 ，

39、d d轴磁通与转子交链，产生变压器轴磁通与转子交链，产生变压器电动势，转子绕组中的感应电动势大小和转子与励磁绕组电动势，转子绕组中的感应电动势大小和转子与励磁绕组的相对位置有关。的相对位置有关。一、正余弦旋转变压器的工作原理一、正余弦旋转变压器的工作原理7.5.1 7.5.1 旋转变压器的结构与工作原理旋转变压器的结构与工作原理第7章 驱动和控制微电机将将d d分解为两个分量：分解为两个分量：与正弦绕组轴线方向一致的磁通与正弦绕组轴线方向一致的磁通r1r1和与正弦绕组轴线相和与正弦绕组轴线相垂直的磁通垂直的磁通r2r2。cossin21drdr图7.5.1 正余弦旋转变压器的空载运行（1）正余

40、弦旋转变压器的空载运行第7章 驱动和控制微电机cos44. 444. 4sin44. 444. 422201110dwrrrwrrrrdwrrrwrrrrkfNkfNEUkfNkfNEUcoscos44. 444. 4sinsin44. 444. 4220110fufwsswrrrrfufwsswrrrrUkEkfNkfNEUUkEkfNkfNEU正余弦旋转变压器输出绕组的开路输出电压分别为：正余弦旋转变压器输出绕组的开路输出电压分别为：第7章 驱动和控制微电机（2 2）正余弦旋转变压器的负载运行）正余弦旋转变压器的负载运行图7.5.2 正弦旋转变压器的负载运行图7.5.3 正余弦旋转变压器正

41、弦绕组输出电压与转角关系曲线第7章 驱动和控制微电机rLrZZErI1.1.1为负载阻抗。为转子绕组的漏阻抗；式中：1LrZZ2211211.1cos)1 (sinuLmLsumsLLrfurkZjXZZkjXZZZZUkU第7章 驱动和控制微电机二次侧补偿、一次侧补偿和一、二次补侧同时补偿的概念二次侧补偿、一次侧补偿和一、二次补侧同时补偿的概念图7.5.4 旋转变压器的二次侧补偿图7.5.5 旋转变压器的一次侧补偿第7章 驱动和控制微电机二、线性旋转变压器的工作原理二、线性旋转变压器的工作原理 输出电压的大小与转子转角输出电压的大小与转子转角 成正比关系成正比关系图图7.5.6 一次侧补偿的

42、线性旋转变压器一次侧补偿的线性旋转变压器第7章 驱动和控制微电机正弦绕组的开路输出电压：) 1 (cos1sin110ufurrkUkEU! 6! 4! 21cos! 7! 5! 3sin642753进行级数展开：第7章 驱动和控制微电机设设k ku u=0.5,=0.5,将级数展开式代入（将级数展开式代入（1 1）式中，得：）式中，得：)15121801 (316410frUU忽略转角的高次项时，上式可写为：忽略转角的高次项时，上式可写为：frUU3110第7章 驱动和控制微电机二次补偿的线性旋转变压器：二次补偿的线性旋转变压器：图图7.4.8 二次侧补偿的线性旋转变压器二次侧补偿的线性旋转

43、变压器第7章 驱动和控制微电机7.5.2 7.5.2 旋转变压器的误差及其改进方法旋转变压器的误差及其改进方法1 1、产生误差的原因：、产生误差的原因： 磁动势非正弦分布；定转子铁心齿槽的影响；磁路饱和磁动势非正弦分布；定转子铁心齿槽的影响；磁路饱和影响；材料的影响；制造工艺影响。影响；材料的影响；制造工艺影响。2 2、改进方法、改进方法7.5.3 7.5.3 旋转变压器的应用旋转变压器的应用主要有函数误差、零位误差、线性误差和电气误差。主要有函数误差、零位误差、线性误差和电气误差。介绍正余弦旋转变压器的矢量运算原理介绍正余弦旋转变压器的矢量运算原理第7章 驱动和控制微电机7.6 7.6 微型

44、同步电动机微型同步电动机 微型同步电动机根据转子型式的不同，主要有永磁式、反应式和微型同步电动机根据转子型式的不同，主要有永磁式、反应式和磁滞式三种类型。磁滞式三种类型。 由于这三种电机的转子上没有励磁绕组，也不需要电刷和滑环，由于这三种电机的转子上没有励磁绕组，也不需要电刷和滑环，因而具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点。因而具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点。了解微型同步电动机的基本结构；了解微型同步电动机的基本结构；掌握微型同步电动机的工作原理及其特点；掌握微型同步电动机的工作原理及其特点；了解微型同步电动机的实际应用。了解微型同步电动机的实际应用。教学要求：教学要求：第7章 驱动

45、和控制微电机1. 1. 永磁式同步电动机的工作原理：永磁式同步电动机的工作原理： 定子旋转磁场吸引转子磁极，带动转定子旋转磁场吸引转子磁极，带动转子一起旋转。转子转速为：子一起旋转。转子转速为： 160nnf / p(r / min) 2.2. 永磁式同步电动机不能自起动原因：永磁式同步电动机不能自起动原因： 转子本身存在惯性；转子本身存在惯性； 定转子磁场之间转速相差过大。定转子磁场之间转速相差过大。永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，可以做成两极，也可做成多极。永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，可以做成两极，也可做成多极。7.6.1 7.6.1 永磁式同步电动机永磁式同步电动机图7.

46、6.1 永磁式同步电动机的工作原理第7章 驱动和控制微电机3. 3. 永磁式同步电动机的起动：永磁式同步电动机的起动： 转子上附加笼型绕组转子上附加笼型绕组又称为异步起动永磁同步电动机又称为异步起动永磁同步电动机 磁滞环永磁钢极间填充材料图7.6.2 具有磁滞材料环的永磁同步电动机转子永磁钢起动笼图7.6.3 永磁钢径向结构形式的永磁 同步电动机转子第7章 驱动和控制微电机4. 4. 永磁式同步电动机的特点：永磁式同步电动机的特点： 出力大，体积小，耗电小，结构简单可靠，出力大，体积小，耗电小，结构简单可靠，在自动控制系统中得到广泛应用。在自动控制系统中得到广泛应用。第7章 驱动和控制微电机1

47、. 1. 反应式同步电动机的工作原理：反应式同步电动机的工作原理： 利用转子上直轴和交轴磁阻不等产生的反应转利用转子上直轴和交轴磁阻不等产生的反应转矩即磁阻转矩而工作的，又称为磁阻电动机。矩即磁阻转矩而工作的，又称为磁阻电动机。 最大同步转矩发生在最大同步转矩发生在=45=45时，当负载转矩时，当负载转矩大于最大同步转矩，电动机因失步而进入异步运大于最大同步转矩，电动机因失步而进入异步运行状态。行状态。 2.2. 反应式同步电动机不能自起动：反应式同步电动机不能自起动： 采取措施：采取措施：转子上设供异步起动用的笼型绕组转子上设供异步起动用的笼型绕组作起动绕组。作起动绕组。7.6.2 7.6.

48、2 反应式同步电动机反应式同步电动机第7章 驱动和控制微电机 反应式同步电动机的工作原理图：反应式同步电动机的工作原理图： (a)(b)(c)(d)(e)图7.6.4 反应式同步电动机的工作原理模型第7章 驱动和控制微电机3. 3. 反应式同步电动机的特点：反应式同步电动机的特点： 优点：优点：结构简单、成本低廉、运行可靠；结构简单、成本低廉、运行可靠；缺点：缺点：功率因数较低，不能自行起动。功率因数较低，不能自行起动。第7章 驱动和控制微电机1. 1. 磁滞式同步电动机的工作原理：磁滞式同步电动机的工作原理： 定子旋转磁场相对转子转动以后，转子磁分子也随着一起旋转。定子旋转磁场相对转子转动以

49、后，转子磁分子也随着一起旋转。磁滞式同步电动机的转子铁心用硬磁材料做成，结构为隐极式。磁滞式同步电动机的转子铁心用硬磁材料做成，结构为隐极式。7.6.3 7.6.3 磁滞式同步电动机磁滞式同步电动机(a)(b)图7.6.5 磁滞同步电动机的工作原理第7章 驱动和控制微电机2. 2. 磁滞式同步电动机的特点：磁滞式同步电动机的特点： 优点：优点：具有自起动能力，结构简单，工作可靠，运行具有自起动能力，结构简单，工作可靠，运行 噪噪声低，既可同步运行，又能异步运行。声低，既可同步运行，又能异步运行。缺点：缺点：效率和功率因数低，材料利用率低，电机重量和尺效率和功率因数低，材料利用率低，电机重量和尺

50、寸大，价格较高。寸大，价格较高。第7章 驱动和控制微电机1. 单体电动机主要应用在定时装置中单体电动机主要应用在定时装置中，例如微波炉定时器、，例如微波炉定时器、冰箱中定时器、全自动洗衣机程控器等家用定时装置。冰箱中定时器、全自动洗衣机程控器等家用定时装置。2. 带减速齿轮箱的电动机主要用在：带减速齿轮箱的电动机主要用在：要求低转速、大转矩要求低转速、大转矩的装置中作执行元件。目前广泛应用于微波炉转盘的直接的装置中作执行元件。目前广泛应用于微波炉转盘的直接驱动、舞台灯光的旋转驱动，以及洗衣机电动排水阀、窗驱动、舞台灯光的旋转驱动，以及洗衣机电动排水阀、窗帘机等。帘机等。7.6.4 7.6.4

51、微型同步电动机的应用微型同步电动机的应用第7章 驱动和控制微电机 步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的直线位移或角位移的一种步进电动机是将电脉冲信号转换为相应的直线位移或角位移的一种特殊电机。电脉冲由专用驱动电源供给。特殊电机。电脉冲由专用驱动电源供给。步进电动机的种类主要有步进电动机的种类主要有反应反应式步进电动机式步进电动机、永磁式步进电动机永磁式步进电动机、直线步进电动机直线步进电动机和和平面步进电动机平面步进电动机等。其中反应式步进电动机具有步距角小、结构简单和寿命长等特点，等。其中反应式步进电动机具有步距角小、结构简单和寿命长等特点，应用比较广泛。应用比较广泛。7.7 7.7 步进电

52、动机步进电动机了解了解反应式步进电动机反应式步进电动机的结构；的结构；掌握反应式步进电动机的工作原理；掌握反应式步进电动机的工作原理；了解步进电动机的静态特性和动态特性；了解步进电动机的静态特性和动态特性；了解驱动电源的重要作用；了解驱动电源的重要作用；了解步进电动机的应用。了解步进电动机的应用。教学要求：教学要求：第7章 驱动和控制微电机7.7.1 7.7.1 反应式步进电动机的结构与工作原理反应式步进电动机的结构与工作原理1.单段式：单段式：如图如图7.7.1所示所示优点：优点：制造简便，精度易于保证，制造简便，精度易于保证，步距角可以做得较小，容易得到较步距角可以做得较小，容易得到较高的

53、起动和运行频率。高的起动和运行频率。缺点：缺点：电机直径较小而相数又较多电机直径较小而相数又较多时，沿径向分相较为困难，消耗功时，沿径向分相较为困难，消耗功率大，断电时无定位转矩。率大，断电时无定位转矩。 2.多段式：多段式： 一、反应式步进电动机的结构一、反应式步进电动机的结构U1U2V2V1W1W2UVW 图7.7.1 三相反应式步进电动机的结构第7章 驱动和控制微电机 二、反应式步进电动机的工作原理二、反应式步进电动机的工作原理 图图7.7.27.7.2是一台三相反应式步进电动机的工作原理图。定子铁心为凸极式，是一台三相反应式步进电动机的工作原理图。定子铁心为凸极式，共三对（六个）磁极，

54、每两个相对的磁极上绕有控制绕组，组成一相。转子用软磁共三对（六个）磁极，每两个相对的磁极上绕有控制绕组，组成一相。转子用软磁材料制成，也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极靴宽，没有绕组。材料制成，也是凸极结构，只有四个齿，齿宽等于定子的极靴宽，没有绕组。图7.7.2 三相反应式步进电动机的工作原理图(a) U相通电(b) V相通电(c) W相通电U1U2V2U1U1U2U2V2V2V1V1V1W1W1W1W2W2W2第7章 驱动和控制微电机步距角步距角：步进电动机每改变一次通电状态（一拍）转子所步进电动机每改变一次通电状态（一拍）转子所转过的角度称为步距角。其计算公式为：转过的角度称为步

55、距角。其计算公式为：CmZrse360式中：式中：m m为步进电机的相数；为步进电机的相数；C C为通电状态系数，单拍或双为通电状态系数，单拍或双拍工作时拍工作时C=1C=1，单双拍混合方式工作时，单双拍混合方式工作时C=2C=2；Z Zr r为步进电机为步进电机转子的齿数。转子的齿数。步进电动机的控制方式分三种：步进电动机的控制方式分三种： 三相单三拍工作方式，三相单三拍工作方式，U-V-W-U;U-V-W-U; 三相单、双六拍工作方式，三相单、双六拍工作方式， U-UV-V-VW-WU-U;U-UV-V-VW-WU-U; 三相双三拍工作方式，三相双三拍工作方式， UV-VW-WU-UV;U

56、V-VW-WU-UV;第7章 驱动和控制微电机反应式步进电动机调速：反应式步进电动机调速： 通过改变通过改变脉冲频率脉冲频率来改变电机转来改变电机转 速，实现速，实现无级调速无级调速。 步进电动机的转速为：步进电动机的转速为：CmZfnr60式中：式中：f f为步进电动机每秒的拍数，称为步进电动机通电脉为步进电动机每秒的拍数，称为步进电动机通电脉冲频率。冲频率。第7章 驱动和控制微电机一、反应式步进电动机的静态特性一、反应式步进电动机的静态特性 矩角特性矩角特性7.7.2 7.7.2 反应式步进电动机的特性反应式步进电动机的特性 步进电动机的矩角特性是指在不改变通电状态的条件步进电动机的矩角特

57、性是指在不改变通电状态的条件下，步进电动机的转矩与失调角之间的关系。用下，步进电动机的转矩与失调角之间的关系。用T=f()T=f()表表示。示。sin2kIT第7章 驱动和控制微电机步进电动机的静态稳定区：步进电动机的静态稳定区：为不稳定平衡点为稳定平衡点 02.2.最大静转矩最大静转矩2,2kITTTsmsm最大静转矩时，当图图7.7.3 步进电机的矩角特性步进电机的矩角特性第7章 驱动和控制微电机二、反应式步进电动机的动态特性二、反应式步进电动机的动态特性动态特性：动态特性：指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电指步进电动机从一种通电状态转换到另一种通电状态所表现出的性质。状态所表现出

58、的性质。动态特性：动态特性：动稳定区、起动转矩、起动频率及矩频特性等。动稳定区、起动转矩、起动频率及矩频特性等。1.1.动稳定区动稳定区 步进电动机的动稳定区是指步进电动机从一个稳定状态步进电动机的动稳定区是指步进电动机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。切换到另一稳定状态而不失步的区域。 空载稳定区：空载稳定区：sese第7章 驱动和控制微电机稳定裕量角：稳定区的边界点稳定裕量角：稳定区的边界点a a到初始稳定平衡点到初始稳定平衡点A A的角度，用的角度，用rr表示。表示。)2(mcmcser说明：说明：稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定，当稳定裕量稳定裕量角越大，步进电机运行越

59、稳定，当稳定裕量角趋于零时，电机不能稳定工作。角趋于零时，电机不能稳定工作。第7章 驱动和控制微电机2.2.起动转矩：起动转矩：为最大起动转矩。式中：stsmstTmcTTcos3.3.起动频率：起动频率：在一定负载条件下，电机能够不失步地起动的脉冲在一定负载条件下，电机能够不失步地起动的脉冲最高频率。最高频率。 4.4.矩频特性：矩频特性：指步进电动机的转动力矩与脉冲频率之间的关系。指步进电动机的转动力矩与脉冲频率之间的关系。 第7章 驱动和控制微电机7.7.3 7.7.3 驱动电源驱动电源一、对驱动电源的基本要求一、对驱动电源的基本要求二、驱动电源的组成：二、驱动电源的组成：一般由脉冲信号

60、发生器、脉冲分配器和脉冲放一般由脉冲信号发生器、脉冲分配器和脉冲放大器三部分组成。脉冲信号发生器产生基准频率信号供给脉冲分配器，脉大器三部分组成。脉冲信号发生器产生基准频率信号供给脉冲分配器，脉冲分配器完成步进电动机控制的各相脉冲信号，脉冲放大器对脉冲分配器冲分配器完成步进电动机控制的各相脉冲信号，脉冲放大器对脉冲分配器输出的控制信号进行放大驱动步进电动机的各相绕组，使步进电动机转动。输出的控制信号进行放大驱动步进电动机的各相绕组，使步进电动机转动。7.7.4 7.7.4 步进电动机的应用步进电动机的应用 步进电动机的应用十分广泛，如机械加工、绘图机、机器人、计算步进电动机的应用十分广泛，如机