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1、,电机与电机控制Motor and motor control,电机与电机控制,电磁学的知识,Motor and motor control,1,常见电机介绍,2,6,无刷直流电机控制原理,5,直流电机控制原理,4,PWM调制原理,7,步进电机控制原理,3,电机控制系统,一、电磁学,本杰明富兰克林,乔治华盛顿,VS,一、电磁学,PK,PK,一、电磁学,1820年发现电流的磁效应,汉斯奥斯特(Hans Christian Oersted，17771851年)，丹麦物理学家、化学家。,一、电磁学,于1873年出版了科学名著电磁理论,科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合
2、；麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。,爱因斯坦高度评价法拉第的工作，认为他在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。法拉第奠定了电磁学的实验基础。,Michael Faraday,James Clerk Maxwell,海因里希鲁道夫赫兹(1857年2月22日-1894年1月1日)德国物理学家，于1888年首先证实了无线电波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。,一、电磁学,1888年首先证实了无线电波的存在,一、电磁学,二、常见电机,二、常见电机,电机的作用：1.电能的生产、传输和分配中的主要设备；2.各种生产机械和装备的动
3、力设备；3.自动控制系统中的重要元件；,电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能量转换的机械。,我们周围的电机举例：,简单的电力系统示意图,二、常见电机,1.电能传输时为什么要用变压器？,2.为什么采取三相电能传输？,二、常见电机,交流电机：能输出交流电流的发电机，或通入交流电流而产生机械运动的电动机。,交流电机,电机,二、常见电机,与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。,二、常见电机,2.1 直流电机,Motor Basics,Pop Quiz:A motor is like a(n)A)ResistorB)Capaci
4、torC)InductorD)Crazy space-aged device we arent really meant to understand,二、常见电机,The Answer Is(Not D),C)An Inductor!sort of,二、常见电机,A Problem:,Whats wrong with the circuit below?,二、常见电机,Well,think about it,An inductor is a short circuit at DC!This means well have an infinite current!Infinite current
5、=Infinite Speed!,二、常见电机,Get to the Point,It has resistance!,A motor is like a REAL inductor not an IDEAL inductor.,二、常见电机,Remember this Waveform!,Note how the current levels off.This will provide a steady speed.,二、常见电机,交流电机结构,二、常见电机,定子铁心,二、常见电机,定子绕组,二、常见电机,转子铁心,二、常见电机,转子绕组和轴,二、常见电机,异步电动机工作原理,1、异步电动机
6、定子上有三相对称的交流绕组；2、三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；3、转子绕组的导体处于旋转磁场中；4、转子导体切割磁力线，并产生感应电势；5、转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。6、感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。7、电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。,二、常见电机,同步发电机工作原理,主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一
7、起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势(有效值，频率)的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。,二、常见电机,凸极式转子与水轮发电机,凸极式转子 凸极式转子常用在水轮发电机上。由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。,水轮发电机,二、常见电机,隐极式转子与汽轮发电
8、机,隐极式转子 隐极式转子常用在汽轮发电机上。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170m/s。细长的隐极式圆柱体转子能减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力。但是，考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。,汽轮发电机,二、常见电机,三、电机控制系统,三、电机控制系统,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,面积等效原理 是PWM控制技术的重要理论基础。原理内容：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段
9、非常接近，仅在高频段略有差异。实例 将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图7-2a所示的R-L电路上，设其电流i(t)为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。,图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,图7-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形,四、PWM调制原理,用PWM波代替正弦半波 将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规律变化的脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是PWM波形。对于正弦波
10、的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形。PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。,图7-3 用PWM波代替正弦半波,四、PWM调制原理,直流斩波器的基本结构与工作原理,1.直流斩波器的基本结构,直流斩波器电动机系统原理图和电压波形,四、PWM调制原理,2.斩波器的基本工作原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT导通
11、时，直流电源电压Us 加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在T ton 时间内被斩断，故称“斩波”。,四、PWM调制原理,3.输出电压计算电动机得到的平均电压为：,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,1.不可逆PWM变换器,四、PWM调制原理,工作状态与波形,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,（2）有制动的不可逆PWM变换器,四、PWM调制原理,工作状态
12、与波形,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,2）制动状态,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,2.可逆PWM变换器,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,工作状态与波形,四、PWM调制原理,四、PWM调制原理,相关方程：,四、PWM调制原理,性能评价,四、PWM调制原理,（2）单极式可逆PWM变换器,四、PWM调制原理,五、直流电机控制原理,工作原理,电刷,换向片,电流方向：上半边向里，下半边向外。如图所示。,五、直流电机控制原理,注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,由左手定则，通电线圈在磁场的
13、作用下，使线圈逆时针旋转。,五、直流电机控制原理,由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。,五、直流电机控制原理,直流电机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁绕组,转子,励磁式直流电动机结构,五、直流电机控制原理,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。,五、直流电机控制原理,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。,串励电
14、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。,五、直流电机控制原理,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。,电枢中的感应电动势,电枢电动势及电压平衡关系,五、直流电机控制原理,根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：,单位：（韦伯），n（转/每分），E（伏）,五、直流电机控制原理,因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。,U：外加电压Ra:绕组电阻,以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变
15、或 n。(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变 可调速。,五、直流电机控制原理,电磁转矩,单位：（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）,由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。,五、直流电机控制原理,六、无刷直流电机控制原理,六、无刷直流电机控制原理,无刷直流电机、有刷直流电机性能比较,无刷电机优点,六、无刷直流电机控制原理,无刷直流电机控制原理,1、稀土永磁体的取向性好，可以方便地获得具有较好方波形状的气隙磁场。,2、定子绕组采用集中整距绕组，方波磁场在
16、定子绕组中感应出来的电动势为梯形波。,六、无刷直流电机控制原理,无刷直流电机控制原理,六、无刷直流电机控制原理,无刷直流电机控制原理,六、无刷直流电机控制原理,无位置传感器控制系统硬件设计,六、无刷直流电机控制原理,七、步进电机控制原理,区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。,种类：励磁式和反应式两种。,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。,七、步进电机控制原理,步进电动机的工作原理,给A相绕组通电时，转子位置如图（a），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定
17、子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。,七、步进电机控制原理,三相反应式步进电动机的原理结构图如下：,A,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。转子有四个齿。,定子,转子,七、步进电机控制原理,三相单三拍,A相绕组通电，B、C 相不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：1、3齿与A、A极对齐。,七、步进电机控制原理,同理，B相通电时，转子会转过30角，2、4齿和B、B 磁极轴线对齐；当C相通电时，转子再转
18、过30角，1、3齿和C、C 磁极轴线对齐。,七、步进电机控制原理,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)转过90(一个齿距角)。,七、步进电机控制原理,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。,七、步进电机控制原理,A相通电，转子1、3齿与A、A 对齐。,A、B相同时通电，A、A 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
19、位置。,七、步进电机控制原理,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。,七、步进电机控制原理,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。,七、步进电机控制原理,三相双三拍,按AB BC CA的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电。,七、步进电机控制原理,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)。,七、步进电机控制原理,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。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。,七、步进电机控制原理,八、转速和位置的测量,八、转速和位置的测量,八、转速和位置的测量,八、转速和位置的测量,九、补充的内容,九、补充的内容,九、补充的内容,九、补充的内容,九、补充的内容,欢迎批评指正！谢 谢！,
