第7章：驱动控制电机

§7.1单相异步电动机

主要内容1.单相异步电动机的工作原理

2.单相异步电动机的启动与控制一、概述1.定义用单相交流电源供电的异步电动机。2.特点电源方便、结构简单、成本低廉、噪声小等优点；功率大时体积较大，运行性能较差的缺点。3.结构与三相笼型异步电动机相似：转子为普通笼型；定子上通常有两个在空间位置上相差90°电角度绕组，一个是工作绕组（又称主绕组），另一个是起动绕组（又称辅助绕组））。二、工作原理

㈠单相绕组通电异步电动机的机械特性1.磁动势定子绕组通单相交流电流产生脉振磁动势；分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的两个圆形旋转磁动势；正向旋转磁场产生电磁转矩为T+，反转向旋转磁场作用下产生电磁转矩T-，两个转矩叠加起来就是电动机的合成转矩T。二、工作原理

㈠单相绕组通电异步电动机的机械特性2.机械特性曲线n=f(T+)及n=f(T-)之间的关系与三相异步电动机的机械特性相似，两条曲线的合成即单相绕组通电异步电动机的机械特性曲线n=f（T）二、工作原理

㈠单相绕组通电异步电动机的机械特性3.主要特点：⑴转速为零时，合成电磁转矩为零。单相异步电动机无起动转矩，不能自行起动。⑵外力作用使电动机转动，合成转矩不为零，去掉外力，电动机仍继续旋转；⑶理想空载转速低于同步转速，单相异步电动机的额定转差率要高于三相电动机。⑷反向转矩使合成转矩减小，最大转矩也随之减小故过载能力较低二、工作原理

㈡两相绕组通电异步电动机的机械特性1.对单相异步电动机，关键是如何在起动时形成一个旋转磁场，使电机产生起动转矩。2.在空间不同相的绕组中通以时间不同相的电流，其合成磁动势就是一个旋转磁动势。3.单相异步电动机的定子上除装有工作绕组外，还有起动绕组。4.在两个绕组中通入不同相位的电流，产生正转磁动势F+和反转磁动势F-，由于正、反磁动势幅值不等，且转向相反，所以其合成磁动势是一个幅值变化的椭圆旋转磁动势。二、工作原理

㈡两相绕组通电异步电动机的机械特性5.机械特性曲线当主、副绕组通入不同相位的电流，且F+>F-时的机械特性。则T+>T-，这样n=f(T)不经过坐标原点，可见当主、副绕组中通入不同相位的电流时，两相绕组异步电动机能产生正向起动转矩三、起动和控制

㈠分相电动机

1.电阻分相电动机⑴电路图⑵分析主、辅绕组的阻抗不同，流过两个绕组的电流的相位就不同，形成椭圆形旋转磁场，从而产生起动转矩。⑶特点主、辅绕组的阻抗都是感性的，相位差不大，旋转磁场椭圆度较大，起动转矩较小，起动电流较大。三、起动和控制

㈠分相电动机2.电容分相电动机⑴电路图⑵分析电容器容量选择适当，可使主、辅绕组中的电流相差90º，得到一个近圆形的旋转磁场，从而获得较大的起动转矩。⑶实现单相异步电动机的正、反转，可改变电容器C的串联位置来实现，改变旋转磁场的方向。三、起动和控制

㈡电容运行电动机

1.电路图2.分析⑴辅助绕组和电容器能长期工作，实质上是一台两相异步电动机⑵电容器容量的选配主要从运行时能产生接近圆形的旋转磁场，提高电动机运行性能方面考虑，⑶起动和运行时都能得到较好的性能，则可采用两个电容器并联后再与辅助绕组串联的接线方式⑷C1容量较大，C2为运行电容，容量小。§7.2

伺服电动机

一、概述1.定义“伺候、服从”⑴把输入的电压信号变换成为电机轴上的角位移或角速度输出⑵改变输入电压的大小和方向就可以改变转轴的转速和转向2.要求伺服电动机有较宽的调速范围；快速响应性能好；灵敏度要高；无自转现象。3.分类分为直流伺服电机和交流伺服电机两大类二、直流伺服电动机

㈠分类和结构

直流伺服电动机有传统型和低惯量型1.传统型直流伺服电动机⑴永磁式定子磁极是永久磁铁，其磁通是不可控的⑵他励式电枢绕组和励磁绕组由两个独立电源供电，实际上是一台他励直流电机；不同处：磁路不饱和；软特性；转动惯量小；换向不困难，不需装换向极。2、低惯量型直流伺服电机特点是转动惯量小，对控制电压反应迅速二、直流伺服电动机

㈡工作原理1.他励伺服的原理图2.电枢控制⑴励磁绕组电压恒定，电枢绕组接控制电压控制电机的转速和方向，称为电枢控制.⑵若反之，称为磁场控制⑶电枢控制的特点:机械特性线性度好，损耗小，响应速度比磁极控制快3.机械特性表达式:二、直流伺服电动机

㈡工作原理4.机械特性曲线Uc一定时，随着转矩T的增加，转速n成正比的下降，机械特性为向下倾斜的直线。当Uc不同时，其斜率β不变，机械特性为一组平行线，随着Uc的降低，机械特性平行地向下移动，如图5.堵转转矩特性曲线与横轴的交点处的转矩就是n=0时的转矩.二、直流伺服电动机

㈡工作原理6.特点⑴优点起动转矩大、机械特性和调节特性的线性度好、调速范围大、不会出现自转现象，输出功率约为1~600W⑵缺点电刷和换向器之间的火花会产生无线电干扰信号，维修比较困难。三、交流伺服电动机

㈠分类和结构

实际上是一台微型交流异步电动机1.定子结构与电容分相单相异步电动机相类似，交流伺服电动机的定子槽中装有两个互差900电角度的分布绕组，分别称为励磁绕组和控制绕组。励磁绕组与交流电源相连，控制绕组加控制电压Uc三、交流伺服电动机

㈠分类和结构

2.转子⑴笼型转子1—外定子铁心；2—内定子铁心；3—定子绕组；4—杯型转子；5—转子支架与一般笼型异步电动机转子相类似，只是转子导条用高电阻率的材料（如黄铜、青铜）做成；为减小转子的转动惯量，转子做得细而长。⑵杯型转子型转子的定子分内、外两个定子外定子铁心槽内安放有励磁绕组和控制绕组；内定子一般不放绕组，起闭合磁路作用，以减小磁阻。内外定子间是一个杯型薄壁转子.优点是转动惯量很小，电机快速响应性能好，而且运转平稳，无抖动现象。缺点是气隙较大，故励磁电流较大，体积也较大三、交流伺服电动机

㈡工作原理

1.当没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉振磁场，转子无起动转矩而静止不动。2.当有控制电压且控制电流和励磁电流相位不同时，将产生一个椭圆或圆形的旋转磁场切割转子，在转子中产生感应电动势和转子电流，旋转磁场与转子电流相互作用产生电磁转矩，转子在电磁转矩作用下旋转起来。3.控制电压消失时后电动机应能立即停转。如果电压消失后像单相异步电动机那样继续旋转，即存在“自转”现象，这意味着失去控制，是不允许的。三、交流伺服电动机

㈡工作原理

4.消除伺服电动机的自转现象⑴必须加大转子电阻，使临界转差率大于1⑵机械特性曲线：脉振磁场分解为正向旋转磁场和反向旋转磁场对应的转矩曲线。曲线T为除掉控制电压后单相供电时合成转矩特性曲线⑶在第二和第四象限，即为制动转矩三、交流伺服电动机

㈢控制方式

1.幅值控制⑴定义保持控制电压和励磁电压之间的相位差为90°，仅改变控制电压的幅值来改变转速⑵原理图⑶分析控制电压为零，为脉振磁场，无起动转矩电机不转控制电压与励磁电压的幅值相等时，气隙磁场为圆形旋转磁场，转矩最大，伺服电机转速最高控制电压两者之间变化时，气隙磁场为椭圆形旋转磁场，转速在最高转速至零转速间变化。三、交流伺服电动机

㈢控制方式

2.相位控制⑴定义保持控制电压的幅值不变，通过改变控制电压与励磁电压的相位差来改变电机转速⑵原理图⑶分析控制电压的幅值不变，与励磁电压的相位差通过调节移相器改变，从而控制交流伺服电机的转速。三、交流伺服电动机

㈢控制方式

3.幅值—相位控制⑴原理图⑵分析改变控制电压的大小时，由于转子绕组的耦合作用，励磁绕组中的电流会发生变化，使励磁绕组上的电压以及电容上的电压也跟随改变，控制电压与励磁电压的相位差也会发生变化，从而改变电机的转速.电路简单、成本低、输出功率较大，成为最常用的一种控制方式.三、交流伺服电动机

㈣机械特性曲线

1.机械特性曲线2.特点⑴负载一定时，控制电压愈高，转速也愈高。在控制电压一定时，负载增加，转速下降⑵输出功率约为0.1~100W，其电源频率有50、400等几种§步进电动机

一、概述1.定义将电脉冲信号变换成角位移或线位移的执行元件.2.特点每输入一个电脉冲，电动机就转动一个角度或前进一步，又称脉冲电动机二、分类与结构

㈠分类1.按运行方式分旋转运动、直线运动、平面运动等2.旋转式步进电动机可分为⑴反应式具有惯量小，反应快和速度高的特点，故使用较多，以此为例。⑵永磁式⑶感应式二、分类与结构

㈡结构1.定子六个均匀分布的磁极，每对磁极上绕有一对绕组组成一相，三相绕组（定子上绕组的组数）连成星形，由脉冲电源供电。2.转子⑴转子为两极，没有绕组。⑵定子磁极和转子都开有齿分度相同的小齿。采用适当的齿数配合，当U相对，V错开1/3齿距，W相错开2/3齿距。三、原理

㈠依次通电1.u相单独通电脉冲，产生沿u—u′轴线方向的磁场，由于磁力线力图通过磁阻最小，于是磁拉力使转子转至与U相绕组轴线重合。2.改为V相通电，转子将在空间顺时针转过60º，转到V相绕组的轴线位置.3.按U-V-W相通电，顺时针旋转三、原理

㈡运行方式1.“拍”定义从一种通电状态，换到另一种通电状态。2.三相单三拍:U-V-W相依次通电3.三相双三拍:UV-VW-WU相依次通电4.三相六拍:U-UV-V-VW-W-WU相依次通电三、原理

㈢步距角θ1.定义一个脉冲转过的角度2.公式转子齿数ZR，N拍3.举例

ZR=40的步进电动机，三相三拍运行时的步距角θ=360º/（40×30）=3º；三相六拍运行时的步距角为θ=1.5º。三、原理

㈣转速n1.对应关系

60s----n*360°1s-----f*θ2.公式四、驱动控制1.驱动电源的定义产生一系列有一定规律的电脉冲信号的电源。2.结构、原理3.特点转速不受电压波动、负载变化的影响，只与脉冲频率成正比，并能按照控制脉冲的要求，立即起动、停止和反转。误差不积累，精度高。应用于数字控制系统§8.1电气控制系统图

一、概述1.定义电气控制系统中各电气元件及其联接用一定图形表达出来。2.分类电气原理图、电器布置图、电气安装接线图3.符号图形符号、文字符号二、电气原理图

㈠概述1、定义采用电气元件展开的形式绘制而成。包括所有电气元件的导电部件和接线端点，但并不按电气元件的实际位置，也不反映电气元件的形状、大小和安装方式。2、特点结构简单、层次分明二、电气原理图

㈡举例二、电气原理图

㈢绘图原则1.一般分主电路和辅助电路两部分2.元件不画实际的外形图，用图形符号、文字符号。3.同一电器元件的各部件可以不画在一起，但文字符号要相同。4.触头，按没有通电和没有外力作用时的初始开闭状态画出.5.电气元件一般按动作顺序从上到下，从左到右依次排列，可水平布置或者垂直布置。6.直接电联系的交叉导线连接点，要用黑圆点表示.二、电气原理图

㈣图区的划分1.图区编号图纸上方的1、2、3……等数字是图区编号2.功能标注对应区域下方元件或电路的功能，如“电源开关及保护……”二、电气原理图

㈤符号位置的索引

1.索引用图号、页次和图区编号的组合索引法，索引代号见上图

2.某一元件相关的各符号元素出现在不同图号的图纸上，而当每个图号仅有一页图纸时，索引代号为3.某一元件相关的各符号元素出现在同一图号的图纸上，该图号有几张图纸二、电气原理图

㈤符号位置的索引4.接触器左栏：主触头所在图区号中栏：辅助常开触头所在图区号右栏：辅助常闭触头所在图区号5.继电器左栏：常开触头所在图区号右栏：常闭触头所在图区号二、电气原理图

㈥技术数据的标注1.电气元件的数据和型号，一般用小写字体注在电器代号下面2.举例三、电器元件布置图用来表明电气设备上所有电机电器的实际位置，为生产机械电气控制设备的制造、安装、维修提供必要的资料。四、电气安装接线图1.定义图中可显示出电气设备中各元件的空间位置和接线情况，可在安装或检修时对照原理图使用2.举例见下图§8.2电气控制分析基础

一、内容与要求1．设备说明书⑴设备的构造，技术指标，工作原理⑵电气传动方式，电机及执行电器的数目，规格型号⑶设备的使用方法，器件的布置及作用⑷机电液中直接关联电器的位置、工作状态、作用2．电气控制原理图3．电气设备的总装接线图4．电器元件布置图与接线图二、分析方法㈠、基本原则：化整为零、顺藤摸瓜、先主后辅、集零为整、安全保护、全面检查㈡、步骤1.分析主电路2.分析控制电路3.分析辅助