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1、内容简介,各类微型驱动电机和控制电机（单相异步电动机、交、直流伺服电动机、交、直流测速发电机、旋转变压器、自整角机、直线电动机的结构、工作原理与运行特性。,一.微特电机的分类：,驱动微电机,控制电机,执行机构使用如：,电拖系统中的作用,信号的转换和传递如：,单相异步电机,伺服电机,力矩电机,直线电机,超声波电机,测速发电机,自整角机,旋转变压器,步进电机,永磁无刷电机,1.单相异步电动机,二.微特电机的原理与特性分析,A.单相异步电动机的结构,单相异步电动机是单相电源供电异步电动机的总称。,用于产生主磁场并从电源输入电功率,仅在起动时接入,笼型转子,离心开关或继电器,结构,B、单相绕组通电时异
2、步电动机的磁场与机械特性,脉振磁势,旋转磁势,转子感应电流,转子感应电流,合成磁场,双旋转磁场理论,对于单相绕组，当转速为零时，合成电磁转矩为零。亦即单相绕组通电不会产生起动转矩,一旦在外力作用下转子沿某一方向开始旋转，则合成电磁转矩将不再为零。即使外力去掉，转子仍将沿该方向继续旋转。因此，转子的转向取决于刚开始施加外力的方向,C、两相绕组通电时异步电动机的磁场与机械特性,（1）两相绕组通电时异步电动机的旋转磁场,主绕组所产生的定子基波磁势,起动绕组所产生的定子基波磁势,则定子基波合成磁势为：,正向旋转磁势的幅值,反向旋转磁势的幅值,椭圆形旋转磁势,y,x,则定子基波合成磁势的轨迹为椭圆,主、
3、副绕组分别通以幅值不同（或相位不同）的电流，,（2）两相绕组异步电动机的机械特性,正向旋转磁势F+产生的Tem+,反向旋转磁势F-产生的Tem-,当主、副绕组分别通以幅值不同（或相位不同）的电流时，两相绕组异步电动机则产生起动转矩。,D.单相异步电动机的类型,电阻分相式单相电动机电容起动式单相电动机电容起动与运转式单相电动机罩极式单相电动机,(1)电阻分相式单相电动机,离心开关或继电器,电阻起动式单相异步电动机采用细截面导线绕制起动绕组，有时为了达到增大起动绕组电阻的目的，对部分起动绕组采用双向并绕无感绕法，这样可使起动绕组的感性特征小于工作绕组，从而使其电流超前工作绕组电流，产生分相作用。起
4、动绕组一般按短时工作设置。,起动绕组电流 超前工作绕组电流，电机内部产生椭圆形旋转磁场，电动机获得起动转矩。,电阻分相式单相异步电动机的典型机械特性曲线,由于电阻的移相作用不明显，内部反向磁场的作用相对较强，这种电动机的启动能力、过载能力均较低。国产电阻分相单相异步电动机的基本系列为YU系列。采用220V、50Hz的工频交流电，常见为2、4极。部分具体规格如下表所示：,特点：,(2)电容起动式单相电动机,在起动绕组中串入起动电容可大幅度增加工作绕组和起动绕组中励磁绕组的相位差，如果配合得当可使两者的相位差接近90，形成近似圆形的旋转磁场，这样既可以提高电动机的起动能力又能降低起动电流。因此电容
5、起动式单相异步电动机应用比较广泛。,电容起动式单相异步电动机的典型机械特性曲线,电容起动单相异步电动机适用于对启动电流有一定限制同时又要求较大起动转矩的场合中。其过载能力中等，运行性能良好，可广泛用于拖动各种小功率负载，如小型车床、空气压缩机、制冷设备、医疗设备等各种要求满载起动的负载。,国产电容起动单相异步电动机主要为YC系列。YC系列符合IEC标准，产品为全封闭扇冷式，起动转矩大，运行平稳可靠，噪声小，温升低。工作于220V、50Hz交流电，过载能力1.82.2，功率因数0.60.82，效率55%75%，部分产品规格如下表：,(3)电容运转式单相电动机,电容运行式单相异步电动机实际上相当于
6、一台两相电动机，起动结束后辅助绕组并不从电路切除，辅助绕组所串电容一般按额定运行状态的电动机参数加以选择，电动机运行于近似于圆形的旋转磁场中，功率因数和过载能力较高，但是其启动时的旋转磁场为椭圆形，与同功率的电容起动电动机相比，起动电流较大但启动转矩较小。,电容运行式单相异步电动机的机械特性,启动时的旋转磁场为椭圆形，与同功率的电容起动电动机相比，起动电流较大但启动转矩较小。,电容运行式单相异步电动机运行性能好，振动小，噪声低。运行安全可靠，重量轻，维护方便，适用于拖动各种小功率负载空载或轻载起动场合。广泛应用于风机、风扇、小型机械和家用电器中。国产电容运行式单相异步电动机型号主要为YY系列和
7、MY系列，部分产品如下表所示：,(4)电容起动与运转式单相电动机,起动电容,运行电容,电容起动与运转式单相异步电动机的典型机械特性曲线。,结合的电容起动式和电容运行式电动机的优点。1)起动时起动电容和运行电容并联，总容量较大，使起动时的旋转磁场接近圆形，因而具有较强的起动能力，起动转矩大且起动电流小。2)起动结束后，起动电容从电路切掉，在运行电容的作用下，电动机运行于近似圆形的旋转磁场中，使电机具有良好的过载能力及运行稳定性。,通常也称其为“双值电容单相异步电动机”是一种比较理想的单相异步电动机。国产产品常用的有YL MC ML系列。,(5)罩极式单相电动机,转子的转向有磁极未罩部分向被罩住部
8、分方向旋转。罩极电动机的转向总是固定不变的。,罩极式单相电动机机械特性,罩极电动机由于磁通较弱，因此合成磁场的椭圆度很大，机械特性软，抗负载波动能力弱，额定转差率一般为0.30.4,功率比较小，一般6090W。广泛应用于拖动小功率机械（风扇、小型风机、仪用风扇等）的轻载或空载启动，工业应用相对较少。,E.单相异步电动机的调速,由于受到结构和工作原理方面的限制，单相异步电动机的调速方法相对较少，常用的调速方法有变电压调速（外接电抗器调速、自耦合变压器调速、晶闸管调速抽头调速）、少数场合使用变极调速的多速单相异步电动机。,（1）自耦合变压器调速,（2）外接电抗器、电容器调速,（3）定子绕组抽头调速
9、,定子绕组抽头调速利用抽头在不同换接方式下改变主、副绕组的有效匝数比，直接或间接改变外电压在两绕组上的分配关系，这样相当于调整单相电动机旋转磁场的强弱及其椭圆程度，从而改变电动机的转速。抽头调速具有成本低、耗电少、使用简便的特点，多用于2或4极的小功率单相电动机中。,a.T型调速,T型调速电动机调速绕组和主绕组同槽放置，调速绕组和主绕组、辅助绕组之间做T型连接。有转速开关选择调速绕组介入电路的匝数，同时改变主绕组和辅助绕组上的电压值。在调速时，不同转速下电动机的磁场强弱不同，但椭圆程度不变，电动机运行平稳，噪声小，低速起动时的转矩小。,b.L型调速,L型调速主要调整磁场的椭圆度，辅以磁场强弱变
10、化。它适用于电动机功率相对较大的场合，低速起动转矩较大，但调速范围有限。常用于各种台扇、转页扇及其小功率高转速单相异步电动机中。,(4)晶闸管调速,如图所示，RP为调速电位器，RP阻值增大时，由RP、C1和R、C2组成的充放电电路的充放电速度变慢，晶闸管的触发角增大，导通角减小，全波整流的负载变小，这样电动机获得的等效交流电压值下降，转速降低。,2 伺服电动机,A.功能,电压信号,转轴的角位移和角速度,B.分类,直流伺服电机（DC Servo Motor）,交流伺服电机（AC Servo Motor）,功率较大，几百瓦-几千瓦,两相伺服电机，功率小，数十瓦,印制绕组直流伺服电机,直流伺服电机,
11、交流伺服电机,C.自控系统对伺服电机的要求,（1）宽广的调速范围。,（2）机械特性和调节特性均为线性。,（3）无自转现象。,（4）快速响应。,D、直流伺服电动机,结构与分类,传统的直流伺服电动机,盘形电枢直流伺服电动机,空心杯电枢永磁式直流伺服电动机,无槽电枢直流伺服电动机,低惯量型直流伺服电机,盘式电枢直流伺服电机,盘式电枢,定子磁极,电枢绕组,绕组端部兼做换向片,端盖,换向片,空心杯电枢永磁直流伺服电机,内定子,外定子,空心杯电枢转子,电刷,换向器,由于没有铁芯，没有齿槽效应，极大地降低了铁损（电涡流效应造成的铁心内感应电流和发热产生的损耗）。具有极高的能量转换效率，其能量转换效率一般在7
12、5%以上，部分产品可达到90%以上 低惯量空心杯转子能获得高加速度和优异的动态响应性能。启动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内，在推荐运行区域内的高速运转状态下，转速调节灵敏 可靠的运行稳定性：自适应能力强，自身转速波动能控制在2%以内 能量密度大：与同等功率的铁芯电机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2，转速-电压、转速-转矩、转矩-电流等对应参数曲线都呈极好的线性关系,无槽电枢直流伺服电机,电枢铁心上无槽，电枢绕组直接排列在铁心表面，再用环氧树脂将它与铁心固化为一个整体,(1).直流伺服电机控制方式,电枢控制,磁场控制,n,n,适用于电励磁和永磁直
13、流伺服电机,适用于电励磁直流伺服电机,a、机械特性,(2).直流伺服电机静态特性,机械特性,调节特性,b、调节特性,始动电压,补充题：一台直流伺服电机，当TL=0.2TN时，测得其始动电压为4V，并当电枢电压Uc=49V,n=1500r/min,试求当TL=TN时，n=3000r/min时，应加多大的电枢电压？,始动电压,S或SY系列分别为励磁式和永磁式普通直流伺服电机，可用于一般直流伺服系统；SYK系列为杯型转子永磁直流伺服电机，转动惯量小，相应速度快，输出功率小，主要用于对快速性要求较高的直流伺服系统中；LY系列为永磁直流力矩电机，可直接驱动负载，低速工作力矩大。SW系列为永磁无刷直流电动
14、机，其突出优点是噪音低，使用寿命长，电磁干扰小。SWC系列无槽电枢电动机SN系列印刷绕组电动机。,国产直流伺服电机的常用型号：,跳转到交流伺服电机,(3)直流伺服电动机的动态特性,研究电枢电压变化时，n=f(t）或,电压平衡方程式,转矩平衡方程式,转矩方程式,电动势方程式,直流电机的方框图模型,直流电机的方框图模型（TL=0）,通常,可忽略不计,设电枢外施阶跃电压Ua,其象函数,机械时间常数是影响系统响应快速性的重要因素,（4）机械时间常数,机械特性越平坦（机械特性越硬），时间常数越小。,（1）,（2）,（3）,一般直流伺服电机,低惯量直流伺服电机,E、交流伺服电动机,定子两相绕组空间互成,激
15、磁绕组,控制绕组,直接接至单相交流电源,控制电压,a.结构特点,b.工作原理,（1）与普通单相异步电机的相似点,两相对称绕组通入两相对称电流产生圆形旋转磁场，圆形旋转磁场与转子感应电流相互作用产生电磁转矩，改变一相绕组电流的幅值与相位，气隙磁场发生变化，电磁转矩变化，从而改变转速。,（2）交流伺服电机的特点,.n的大小反映控制信号的强弱，n的方向反映控制信号的相位，调速范围宽。机械特性为线性。,.无控制信号时，转子不转。,.当电机转动起来，控制信号消失时，转子应立即停转。无自转现象,令行禁止,普通单相异步电机是否满足要求？,（1）机械特性为线性；（2）控制信号消失后转子 无“自转”现象。,(3
16、)如何满足上述要求？,机械特性不是转矩的单值函数,存在问题：,调速范围窄,问题1解决：,增大转子回路电阻r2,机械特性变为线性。,调速范围变宽。,问题2（自转现象）解决：,什么是的自转现象？,控制电压存在时，电机以转速n运行。,控制电压消失时，由于单相转矩的存在，电机转速n不为零。这种现象称为自转现象。,自转现象解决：,增大转子电阻r2,增大转子电阻r2的好处,机械特性变为线性。,调速范围变宽。,消除自转现象。,一箭三雕,c.控制方法,当励磁绕组接至电压值不变的励磁电源，如果控制信号的大小或它与励磁电压间的相位发生变化，就能改变电机气隙磁场的椭圆度，也就能够改变电机的工作状态，达到对电机的控制
17、。,幅值控制,相位控制,幅-相控制,（1）幅值控制,有效信号系数：设控制绕组的外加电压为，其额定电压为，则有效信号系数 可定义为：,当 时，相应的气隙合成磁势为圆形旋转磁势；,当 时，由于定子绕组仅励磁绕组一相供电，相应的气隙合成磁势为脉振磁势；,当 时，相应的气隙合成磁势为椭圆形旋转磁势。,n,圆形旋转磁势,脉振磁势,椭圆形旋转磁势,气隙磁场逐渐增强,气隙磁场椭圆度逐渐减小,（2）相位控制,控制电压的幅值保持不变，通过改变控制电压的相位实现对电机的控制,有效信号系数：,脉振磁场,椭圆形旋转磁场,圆形旋转磁场,（3）幅-相控制,当改变Uc改变转速时，由于转子绕组的耦合作用，激磁电流If的大小和
18、相位都会改变，Uf的大小和相位也会随之改变。幅值和相位的复合控制方式。,d.交流伺服电机的静态特性,（1）幅值控制时的静态特性,圆形旋转磁势，电机处于对称运行状态,脉振磁势，电机的不对称程度最大。,椭圆形旋转磁势，处于不对称状态,采用标幺值表示法,（2）相位控制时的静态特性,（3）幅-相控制时的静态特性,（4）静态特性分析,各种控制方式下，调节特性均为非线性。但是在相对速度较小，信号系数较小时，都接近线性。,为了获得线性的调节特性，AC Servo Motor应工作在相对转速较低的状态下。,如何扩展其工作范围？,提高工作频率,例如：02400rpm的转速范围（1）f=50Hz，相对转速00.8
19、（2）f=500Hz，相对转速00.08,交流伺服电动机无论采用那种控制方式，电机旋转均需要最小的控制电压。即始动电压，始动电压与负载成正比。当实际控制电压小于始动电压时，电动机无法起动，此范围称为交流伺服电动机的死区。死区越小，电动机相应小信号的能力越强。,（5）交流伺服电机应用实例,由伺服电机组成的伺服系统,转矩控制方式,速度控制方式,位置控制方式,混合控制方式,位置控制系统,在进行伺服系统的参数整定时应遵循先内环再外环的原则。,速度控制系统,雷达伺服控制系统,励磁参数：额定励磁电压、励磁电流和励磁功率。对于采用幅值控制的还要标注相应的移相方式，或励磁绕组所要串的电容值。控制参数：控制电压
20、、控制电流和控制频率。额定频率：常见的有50Hz，330 Hz 400 Hz 500 Hz额定转矩、堵转转矩和额定功率与额定转速。,（6）交流伺服电动机的主要参数,（7）交流伺服电动机的主要产品,SL系列笼型转子两相伺服电动机和SK系列杯型转子两相伺服电动机。,笼型转子两相伺服电动机机械强度高，但低速运行不平稳，有一定程度的抖动。,F、力矩电动机,特点：低速、大力矩；勿需齿轮减速机构减速直接驱动负载低速运行；负载转速受控于控制电压信号；可以低速长期稳定运行；机械特性和调节特性的线性度好。,Torque Motor,伺服电机,齿轮减速机构,负载,转速较高转矩较小,由于齿轮系的误差，系统的精度和稳
21、定性降低,力矩电机,负载,去掉齿轮，消除误差，减少损耗，系统的结构简化，精度和稳定性提高。,分类：直流力矩电动机 交流力矩电动机,电枢绕组,定子,电刷,转子,铜环,槽楔兼换向片,直流伺服电动机具有线性度好，调速范围宽，起动能力强，效率高的特点；缺点:换向火花易产生电磁干扰，结构复杂；直流力矩电机特性线性度好，硬度高，能长期在堵转和低速状态下运行，输出转矩大，传动精度高，响应快。交流伺服电机结构简单，运行稳定性较高，维护方便，但特性线性度较差，功率小，效率低，异常情况下还会出现自转现象。,伺服电动机的选择使用,使用伺服电机的注意事项,伺服电机必须在允许的电气参数条件和环境条件下使用。伺服电动机对
22、控制电压较敏感。控制电压较低时，机械特性较软，线性度下降影响运行稳定性。由放大器提供控制信号时，要求其输出电阻尽可能小，以提高放大器和伺服电动机整体特性的线性度即电机的响应快速性。注意选用温飘小和零点漂移小的放大器。考虑电机的起动要求，施加于电机的控制电压应大于其始动电压，避免电机进入特性的不敏感区。直流伺服电动机使用时应保证励磁可靠，防止电机转速过高，对于磁场控制的直流电机，应避免工作在空载小信号下，避免转速过高损坏电机转子和换向器。,步进电机主要内容,1.步进电机的特点；2.步进电机的类型3.步进电机的结构和工作原理4.步进电机步距角和速度的计算5.步进电机的控制方式6.步进电机的振荡和失
23、步问题7.步进电机的驱动8.步进电机的加减速控制,4.步进电动机,每输入一个电脉冲，转子则移动一个步距角；其角位移和输入脉冲严格成正比，具有良好的跟随性。由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单，廉价又非常可靠。步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。可在很宽的范围内平滑调速。低速仍能保证获得最大转矩，一般不用通过减速器可直接带动负载。转角或转速仅受控于定子绕组的通电频率，与负载以及电压的变化无关，也不受环境等因素的影响；,a.步进电机的特点：,步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。步进电机自身的噪声和震动较大，带惯性负载的能力差。,b.步进
24、电机的类型：,反应式步进电机,永磁式步进电机,混合式步进电机,转子采用软磁材料制成，转子中没有绕组，结构简单，步距角做得很小，但动态性能很差。,转子采用永磁材料制成，转子本身就是一个磁源，输出转矩大，动态性能好。但步距角大。,综合两者优点，输出转矩大，动态性能好。但结构复杂，成本较高。,c.步进电动机的结构和运行原理,以三相六极反应式电机为例介绍原理和结构,定子有六个磁极，每个磁极上均装有集中绕组作为控制绕组，相对的一对定子磁极绕组串联构成一相绕组；有专门的电源供电。,转子铁心由软磁材料构成。其上分布着四个齿，齿上无任何转子绕组,A相绕组通电，转子1-3齿与A相定子齿对齐。此时转子2-4齿与B
25、相定子齿错开。,三相步进电动机每一相磁极在空间上互差120,B相绕组通电，转子2-4齿与B相定子齿对齐。此时转子1-3齿与C相定子齿错开。,如果给处于错齿的相通电，则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大的位置转动，即趋向于对齿的状态转动,C相绕组通电，转子1-3齿与C相定子齿对齐。此时转子2-4齿与A相定子齿错开。,错齿是步进电机得以步进工作的根本原因。,A相通电,B相通电,C相通电,步进电动机是通过控制定子各相绕组的电流通断，使得转子齿与定子齿对齐，磁路磁阻最小，从而获得单方向电磁转矩，驱动转子步进或连续运转。,d.步进电机步距角和转速的计算公式,每个电脉冲（或每拍）作用下转子所转过的角位移
26、,（1）步距角,一个通电周期（N拍）后转子转过一个齿距角,（2）转速,设通电脉冲的频率为，则经过一个通电周期（即 N个电脉冲）后转子转过一个齿距。相应的转子转过一个齿距所用的时间为 秒，转子每转过一周所用的时间为 秒。因此，转子转速为：,单三拍通电方式,双三拍通电方式,单、双六拍通电方式,e.定子绕组的通电控制方式,步距角,步距角,步距角,A相通电,B相通电,C相通电,A相通电,续流,CA相通电,AB相通电,BC相通电,CA相通电,不易产生失步,A相通电,AB相通电,B相通电,BC相通电,C相通电,CA相通电,A相通电,步距角小一半，性能最好。,三种工作方式的区别,定子三对磁极，相对极上绕组构
27、成一想绕组,转子齿数Zr=40,B相磁极中心线位于第13个齿再过30位置,C相磁极中心线位于第26个齿再过60位置,反应式步进电机对结构的要求,定子绕组磁极的分度角不能被齿距角整除，否则无法形成错齿。定子绕组磁极的分度角被齿距角除后所得的余数应是步距角的整数倍，而且倍数值与相数不能有公因数，否则无法形成对齿。,f.步进电机使用中的问题,振荡是步进电机在工作中存在的一般现象。严重的振荡会引起失步。,（1）振荡,步进电机处于低频单步运行；励磁脉冲间隔时间较长表现为单步运行，定子绕组获得过多的能量，转子过冲。,步进电机工作于共振区；步进电机的脉冲频率接近步进电机的振荡频率或振荡频率的分频或倍频。使振
28、荡加剧。,步进电机突然停车；如制动；,减小步距角可以削弱振荡。,（2）失步,转子的速度慢于步进电机的旋转磁场的速度；原因是输入电机的电能不足，解决办法减小负载或提高绕组的激磁电流。(起动脉冲频率高于步进电机的启动频率会产生失步）,转子的平均速度高于步进电机旋转磁场平均速度；发生于制动和突然换向时，转子获得过多的能量，产生严重的过冲，引起失步。,（3）阻尼方法,机械方法阻尼,电子方法阻尼,消除振荡方法,电子方法阻尼,多相激磁阻尼法（采用多相励磁产生电子阻尼）,变频变压阻尼法（步进电机在低频和高频时转子获得的能量不同，低频获得的能量多，容易振荡，高频获得的能量少。电压随频率降低而减小）,细分阻尼法
29、（将电机绕组中的稳定电流分成若干阶段，每进一步，电流升一级，同时也相对的提高步进频率，使步进过程平稳进行）,反相阻尼法（用于步进电机的制动，在转子要过平衡点之前，加一个反向作用力去平衡惯性力，使转子到达平衡点的速度为零，实现准确制动。B-C-B-C）,（1）一般结构,图11.25 步进电动机与驱动电路组成的开环系统,g.步进电机的驱动,常用的步进电机驱动芯片,专用的脉冲分配器集成电路芯片8713，PMM8713,MB87135G8713可互换,用于控制三相或四相步进电机,步进电机专用驱动芯片UCN5804,适用于四相单极性步进电机的驱动，内部集成有驱动电路、脉冲分配器、续流二极管和过热保护电路
30、。,单极性驱动电路双极性驱动电路双电压驱动电路高低压驱动电路斩波恒流驱动电路双绕组电动机的驱动电路调频调压型驱动电路细分（或微步进）驱动控制电路,（2）常用的驱动电路,(A).单极性驱动电路,特点：只用一个电源对绕组供电，电路特别简单；缺点：电路损耗大，效率低，一般只用于小功率步进电机的驱动。,(B).双极性驱动电路,输入脉冲,方向信号,方向信号,当Uf=1，与门G2和G3被封锁，T2和T3截止。与门G1和G4打开，T1和T4导通，一相绕组通过T1和T4从电源获取能量，T1和T4关断期间，通过D2和D3续流，绕组存储能量回馈电源。,(C)双电压驱动电路,特点：在低频段采用低电压VL,在高频时采
31、用VH，保证绕组获得足够的能量。缺点：限流电阻R上会产生损耗和发热。效率降低。,（D).高低压驱动电路,由于绕组本身电阻很小，电路中无限流电阻，故低电压VL只需数十伏即可为绕组提供较大电流。,VH=80150VVL=520V设计中需保证在最大脉冲频率时，控制信号uH的脉宽仍然小于uL的脉宽。,电流的波动必然会带来转矩的波动,(E).斩波恒流驱动电路,特点：T2导通一次，T1导通很多次，从而维持电流的恒定。绕组电流波形为锯齿波，提高电源效率，有效抑制振荡。缺点：由于绕组电流波形为锯齿波，会产生较大的电磁噪声。,().双绕组电动机的驱动电路,采用单极性电源供电，通过切换绕组可以很方便实现磁极极性的
32、改变。,().调频调压型驱动电路,().脉冲细分型驱动电路,三相六拍四细分各绕组电流波形,步进电机的各相绕组是按照工作方式的节拍轮流通电的，绕组的通电断电反复进行。细分是绕组通电不是一次升到位，而是分成阶段，一次一个阶段，同样断电也是分阶段下降。电磁力的大小与绕组通电电流有关，当通电相的电流不立即为零，他们产生的合力会使转子有一个新的平衡位置，该位置位于原来的步距角范围内。相当于把步距角分成若干步驱动的方法。,脉冲细分可以大大提高对执行机构的控制精度，减小或消除振荡、噪声和转矩波动。,恒频脉宽调制细分驱动电路,h.步进电机的加减速,步进电机的速度控制中，速度并不是一次升到位的，在位置控制中，执
33、行机构的位移也不是总是恒速进行的。例如从A点到B点移动时，要经历加速、恒速和减速的过程。（1）起动过程中一次将起动速度升至给定速度，如果起动频率大于极限起动频率，电机会发生失步现象。（2）如果到终点突然停车，由于惯性，电机要出现过冲现象，影响执行机构的工作效率。所以要有严格的加减速曲线。如下图所示。,一般而言，步进电机的电磁转矩和转速是非线性关系，近似接近指数规律，所以加速度和频率也是非线性的关系，转速增加时转矩是下降的。因此采用S型加减速曲线是最好的选择。,I.步进电机的过渡状态,起动：步进电机在静止状态下施加突跳频率，如果突跳频率低于最高起动频率，电机可以起动逐渐过渡到连续运行状态。改变转
34、向：当突然改变脉冲分配的相序，在脉冲频率低于极限反转频率前提下，电机可以过渡到反转状态。刹车：突然中断控制脉冲时，在脉冲频率低于极限刹车频率时，电机可以急剧减速并停车锁定。如果超出限制时，电机会出现起动、反转失步或有滑动的刹车。,J.步进电机的参数、使用和注意事项,（1）步进电机的参数,相数、相绕组的额定电压和额定电流；步距角及步距角误差：反映了步距角的理论值与实际值的偏差；最大静转矩：静态距角特性上的最大值，很大程度上影响电机的负载能力和运行稳定性；分配方式：规定电机的通电运行方式；极限起动、运行频率：分别反映了电机能够不失步地起动和运行时所能施加的最高脉冲频率值；矩频特性和惯频特性：分别反
35、映电机的转矩、转动惯量与频率的关系，在起动状态和运行状态矩频特性和惯频特性都会发生变化。,（2）步进电机的选择使用,常用的步进电动机产品中，BF、BY、BYG分别为反应式、永磁式和混合式步进电动机。选择步进电动机应首先结合其不同类型的特点及其负载的要求。反应式步进电动机步距角较小，起动和运行频率较高，但断电无定位力矩，需带电定位。永磁式步进电机步距角较大，起动和运行频率较低，断电后有一定的定位力矩。但须双极性脉冲励磁。混合式步进电机结构负载，需双脉冲供电，兼有反应式和永磁式步进电机的优点。,步进电机的类型确定后还需确定的项目：（1）步距角。结合每脉冲负载需要的转角或者直线位移及传动比加以考虑。
36、（2）最大静转矩。考虑到步进电机带负载运行能力和运行稳定性，一般最大静转矩不小于负载转矩的23倍。（3）结合负载的起动和运行条件选择电机的起动和运行频率。（4）确定电机的电压、电流、机座号与安装方式。（5）根据所选电机产品选择驱动电源。,（3）步进电机的使用注意事项,注意事项（1）电机的起动频率和运行频率不得超过对应的极限频率。起动与停车时需要渐进的频率升降过程。防止失步和滑行制动。（2）负载应在电机的负载范围内。（3）注意电机静态工作情况。步进电机的静态电流较大。（4）步进电机运行中出现失步现象时，应注意仔细检查具体故障原因。负载过大或负载波动、驱动电源不正常、步进电机本身故障。工作方式不当
37、以及工作频率偏高或偏低均有可能引起失步。,（4）步进电机的典型应用,步进电机能够将脉冲量精确地转换为角位移或线位移，本身就是典型的离散型执行元件，可方便的构成开环或闭环控制系统，能够与计算机配合进行数字化控制，广泛地应用于各种设备中实现转速、转角、或位置及运动轨迹控制。如绘图仪、机械加工设备、数控机床等。,1.三相反应式步进电机ABCA送电方式时，电机顺时针旋转，步距角为1.5，请填入正确答案：（1）顺时针旋转，步距角为0.75，则送电方式为：AABBBCCCAA，（2）逆时针旋转，步距角为0.75，则送电方式为：ACACBCBABA,（3）逆时针旋转，步距角为1.5，则送电方式可以为：ACB
38、A,或者为：ABCABCAB2.步距角为1.5/0.75的反应式三相六极步进电动机转子有多少齿？若通电频率为2KHz，电动机的转速为多少？3.六相十二极反应式步进电动机的步距角为1.2/0.6，求每极下转子的齿数？若起动频率为800Hz，电动机的起动转速为多少？,思考题,5.无刷永磁直流电动机,高性能伺服系统，如数控机床、机器人、载人飞船等；家用电器，如高档洗衣机、变频空调、电动自行车等,类型：无刷永磁直流电动机是一种典型的机电一体化电机。,用途,电刷与机械式换向器的真正作用；定子侧直流电枢磁势 和转子侧电枢反应磁势 之间的相互关系；,(1)永磁无刷直流电动机的引入,直流电动机的运行原理的回顾
39、：着重考虑下列两个问题：,直流电动机内部电磁过程的特点总结,定子侧为静止的主极励磁磁势；转子侧由外部电刷的直流电源供电，内部绕组电流以及感应的电势为交流。由换向器和电刷完成上述逆变过程的转换；电刷是电枢电流的分界线，其位置决定了转子电枢电流的换流时刻。因此，电刷与换向片配合起到了检测转子位置的作用；参看书P31尽管转子在不停的旋转，但由于电刷相对主极静止不动，因此，电枢磁势与主极磁势相对静止；电枢磁势与主极磁势空间互相垂直，确保了直流电动机可以产生最大的电磁转矩；,通过电力电子式逆变器完成直流到交流的转换；通过转子位置传感器检测转子位置，完成换向片与电刷的作用，以决定换流时刻；考虑到实现的方便
40、性，定、转子位置颠倒，组成反装式直流电动机。,直流电动机的不足,电刷的磨损与维护；机械式换向火花，限制了应用场合；难以实现高速运行；,解决措施：,要点总结,电刷和换向器起到了与转子位置有关的机械式逆变器作用；定子侧的直流励磁磁势和转子电枢磁势两者相对静止且相互垂直；,(2)永磁无刷直流电动机的基本运行原理,定子磁极，采用集中绕组,转子磁极,转子位置检测,驱动电路，逆变器,机电一体化产品,定子绕组采用整距、集中绕组,永磁体粘接至转子表面，呈隐极式结构,A相通电,B相通电,C相通电,A相通电,上述过程可以看成按一定顺序换相通电的过程，或者磁场旋转的过程，定子各相绕组在气隙中所形成的旋转磁场是跳跃运
41、动的，一周内有三种状态，每种磁场状态持续120，他们跟踪转子并与转子的磁场相互作用，产生驱使转子旋转的电磁转矩。,定子三相绕组由电子式逆变器供电，供电频率和换流时刻取决于转子位置传感器同步的需要；定子电枢绕组磁势与转子永磁体产生的磁势均以同步速旋转，两者保持相对静止且空间相互垂直 最大转矩的需要；电机本体为交流永磁同步电动机；,无刷直流电动机的特点总结,下面分析采用三相星形联接全桥驱动的永磁无刷直流电动机的定子电枢磁势与转子永磁磁势相对静止且空间相互垂直的具体实现。,上图中,电力电子变流器的开关规律(又称为 导通型):,每隔60换流一次;任何瞬时有两只开关器件同时导通；每个开关器件导通 120
42、,即:,由此绘出一个周期内定子三相绕组在不同时刻三相电流所产生的定子合成磁势与转子永磁磁势之间的关系如图所示。,在一个周期内三相定子绕组在空间共产生六个定子合成磁势；转子每转过 电角度，定子绕组则换流一次，相应的定子合成磁势就跳变一次。每个定子合成磁势在时间上持续1/6周期（电角度）；在这六个连续跳变的定子合成磁势作用下，转子永磁磁势随转子旋转；尽管定子合成磁势是跳变的，但其平均转速却与转子转速保持同步，亦即在平均意义上 与 相对静止。从而保证了有效电磁转矩的产生，而且转子转速为同步速。电枢磁势在与转子磁极轴线垂直的 电角度范围内变化，亦即使两者之间的夹角在 范围内变化。这样，无论是在开关器件
43、导通过程中还是在换流瞬间，与 之间的夹角在平均意义上接近，亦即在平均意义上互相垂直。,结论：,永磁无刷直流电动机具有和直流电动机完全相同的功能和电磁关系，从而决定了其机械特性和调速性能与直流电动机的相似性。,结论：,永磁无刷直流电动机的不足之处：,定子（或电枢）仅有三相绕组，相当于具有三个电枢绕组和三个换向片的直流电动机，因而存在转矩脉动问题。,(3)永磁无刷直流电动机逆变器的各种控制方式,“导通型”（两两导通控制方式）；“导通型”（三三导通控制方式）；“导通型”（两三轮流导通控制方式）；PWM电压和电流控制方式,A.三三导通控制方式(又称为 导通型),开关规律：,每隔 换流一次；任何瞬时有三
44、只开关器件同时导通；每个开关器件导通。,相应的定子合成磁势的空间矢量为：,图10.20 无刷直流电动机的定子合成磁势(导通型),B.三三导通控制方式(又称为 导通型),每隔 换流一次；任何瞬时有三只开关器件同时导通，然后变为两只开关器件同时导通，再变回三只开关器件同时导通，；每个开关器件导通150。,开关规律：,即：,图10.21 无刷直流电动机的定子合成磁势(导通型),相应的定子合成磁势的空间矢量为：,（4）BLDCM的调速（PWM电压和电流控制方式）,通过C8051的PWM口，控制3个与门7409的B输入端，当PWM口输出低电平，与门输出低电平，开关管V4、V6和V2被封锁，高电平时V4、
45、V6和V2 的状态取决于1A、1B和1C的状态，V4、V6和V2 的状态按正常的换相顺序进行。,改变逆变器直流侧的输入电压实现调压,并利用来自位置传感器的转子信息控制逆变器的频率，调节转子转速；保持逆变器直流侧输入电压不变，利用来自转子位置传感器的转子信息和PWM斩波控制同时调节逆变器的频率和电压，调节转子转速。,永磁无刷直流电动机的调速方案:,（5）BLDCM的转向控制,正转,反转,（5）BLDCM的起动限流控制,（5）BLDCM的专用集成电路,LM621的原理框图,LM621的换相译码真值表,无位置传感器无刷电机专用驱动芯片TDA5142T,(6)永磁无刷直流电动机调速系统的组成,图10.
46、25 无刷直流电动机采用PWM反馈控制方式的闭环调速系统,6.直线电动机,定义：直线电动机是一种能够直接输出直线运动的电动机。,直线直流电动机直线异步电动机直线同步电动机直线步进电动机,分类,A、直线直流电动机,(1)框架式,动圈式,动铁式,(2)音圈式,(2)音圈式,1永久磁铁 2极靴 3铁芯 4磁轭 5磁通 6可动线圈,直线直流电动机的机械特性、调节特性以及动态特性的分析与第2章介绍的直流旋转电动机（或12.2节介绍的直流伺服电动机）基本相同。只需用直线位移代替角位移、用力代替转矩即可。,B、直线异步电动机,直线异步电动机是从旋转式异步电动机演变而来的。,当在直线异步电动机的初级三相绕组中
47、通入三相对称电流时，则在初级和次极之间的气隙中便产生类似于旋转磁场的行波磁场，如图12.45所示。,图12.45 直线异步电动机的工作原理示意图1初级 2次级 3行波磁场,（12-45）,式中，为绕组节距(m)；为电源频率。,在同步速行波磁场的作用下，次级导条感应电势和电流，该电流与行波磁场相互作用产生电磁力。若初级部分固定不动，则次级部分（又称为动子）将沿行波磁场方向移动。为确保相对切割，动子的移动速度总是低于行波磁场的同步速，其差异可用转差率来表示，即：,动子的移动速度为：,（12-46）,行波磁场的移动速度为同步速,图12.46a、b分别给出了两种扁平式结构的直线异步电动机，两者皆采用长
48、动子、短定子结构。,12.46 具有长动子、短定子的扁平式结构直线异步电动机,除了上述扁平式结构之外，直线异步电动机还可以作成管形结构，如图12.47所示。,图12.47 管形结构的直线异步电动机,C、直线步进电动机,概念：直线步进电动机是一种将输入脉冲转变为步进式直线运动的电动机。其初级定子绕组每输入一个脉冲，动子则移动一直线步长。,图12.48 混合式直线步进电动机的工作原理,3.测速发电机,A.功能,机械转速,电压信号,按比例转换,B.分类,直流测速发电机,交流测速发电机,C.控制系统对测速电机的要求,输出电压与转速成严格的线性关系，以达到高精确度。输出电压斜率要大，即转速变化引起的电压
49、变化要大。,D.直流测速发电机,其结构与普通小型直流发电机相同。励磁方式采用永久磁铁或他励方式。,RL,I2,a.原理分析,b.误差分析,负载电阻越小转速越高导致电枢电流I2越大U与n的非线性关系越明显。,使用直流测速发电机应尽可能采用大的负载和不大的速度范围。,结论：从信号转换角度看，直流测速发电机与直流伺服电动机是一对互为可逆的电机。,直流伺服电动机,直流测速发电机,直流电压信号,转速信号,速度信号,直流电压信号,a.结构特点,E.交流测速发电机,激磁绕组,输出绕组,外定子,内定子,杯形转子,b.工作原理,（1）转子不转n=0,运行状况相当于副边短路的变压器,是脉振磁场，频率为f1，其轴线
50、与输出绕组轴线垂直，不会在输出绕组中感应电势。,（1）转子n0,Er,Edr变压器电势,Eqr运动电势,U2,Eqr,在外加激磁电压一定的条件下，直轴磁通 保持不变，则交流测速发电机的输出电势（或输出电压）与转速n成正比。即通过测量输出电压便可以检测转速信号。,交流异步测速发电机与交流伺服电动机可以看作为是一对互为可逆的电机。,交流伺服电动机,交流测速发电机,电压信号,转速信号,速度信号,交流电压信号,5.自整角机,自整角机是一种对角位移偏差具有自整步能力的控制电机。,转子采用单相交流激磁绕组，嵌入到凸极或隐极式转子铁心中，并通过转子滑环和电刷引出；定子采用三相对称分布绕组（又称为整步绕组）。
