第7章 驱动和控制微电机 单相异步电动机单相异步电动机7.2 7.2 直线电动机直线电动机 微型同步电动机微型同步电动机7.4 7.4 伺服电动机伺服电动机7.5 7.5 测速电动机测速电动机7.6 7.6 自整角机自整角机7.7 7.7 旋转变压器旋转变压器 本章主要介绍单相异步电机、微型同步电动机、伺服电动机、本章主要介绍单相异步电机、微型同步电动机、伺服电动机、测速电动机、自整角机、旋转变压器和步进电动机，除此之外，还测速电动机、自整角机、旋转变压器和步进电动机，除此之外，还将介绍两种新型电机：直线电动机和开关磁阻电动机。将介绍两种新型电机：直线电动机和开关磁阻电动机。 7.9 7.9 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 7.8 7.8 步进电动机步进电动机 第7章 驱动和控制微电机7.1 单相异步电动机内容要点：内容要点：一、概述 1、应用情况应用情况广泛应用于家用电器（电风扇、电冰箱、洗衣机等）、空调设备、电动工具、医疗器械及轻工设备中。 了解单相感应电动机的结构特点、优缺点及应用情况；了解单相感应电动机的结构特点、优缺点及应用情况；掌掌握握单单相相感感应应电电动动机机的的工工作作原原理理，弄弄清清单单相相感感应应电电动动机机为什么没有起动转矩？为什么没有起动转矩？重点掌握单相感应电动机的的起动方法与类型。重点掌握单相感应电动机的的起动方法与类型。第7章 驱动和控制微电机 2、优缺点优缺点优点：结构简单，成本低廉，噪音小。优点：结构简单，成本低廉，噪音小。缺缺点点：与与同同容容量量三三相相感感应应电电动动机机相相比比较较，体体积积较较大，功率因数及过载能力都较低。大，功率因数及过载能力都较低。故单相感应电动机只能作成小容量：故单相感应电动机只能作成小容量：微型：几瓦微型：几瓦750瓦；瓦；小型：小型：550瓦瓦3700瓦。瓦。第7章 驱动和控制微电机2、结构结构继续继续与三相感应电动机相似，包括定子和转子两大部分。转子与三相感应电动机相似，包括定子和转子两大部分。转子结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心上嵌结构都是笼型的，定子铁心由硅钢片叠压而成。定子铁心上嵌有定子绕组。有定子绕组。单相感应电动机正常工作时，一般只需要单相绕组即可，单相感应电动机正常工作时，一般只需要单相绕组即可，但单相绕组通以单相交流电时产生的磁场是脉动磁场，单相运但单相绕组通以单相交流电时产生的磁场是脉动磁场，单相运行的电动机没有起动转矩。行的电动机没有起动转矩。为使电动机能自行起动和改善运行性能，除工作绕组（又为使电动机能自行起动和改善运行性能，除工作绕组（又称主绕组）外，在定子上还安装一个辅助的起动绕组（又称副称主绕组）外，在定子上还安装一个辅助的起动绕组（又称副绕组）。两个绕组在空间相距绕组）。两个绕组在空间相距900或一定的电角度。或一定的电角度。第7章 驱动和控制微电机第7章 驱动和控制微电机二、基本工作原理二、基本工作原理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交流电流将产生脉动磁势，单相交流绕组通入单相交流电流将产生脉动磁势，一个脉一个脉动磁势可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形动磁势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势。分别用旋转磁势。分别用F+、F-表示，建立起正转和反转磁场表示，建立起正转和反转磁场+、-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩而形成正反向电磁转矩Tem+、Tem-，叠加后即为推动转子转动的，叠加后即为推动转子转动的合成转矩合成转矩Tem。第7章 驱动和控制微电机返回第7章 驱动和控制微电机设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为 对反转磁场而言，转差率s-为 第7章 驱动和控制微电机 单相异步电动机的T=f(s)曲线第7章 驱动和控制微电机分析：分析：1）转子静止时，n=0,S=1，合成转矩为0。单相感应电动机无起动转矩，故单相异步电动机不能自行起动。 三相异步电动机电源断一相，相当于一台单相异步电动机，故不能起动。2）当s1时，T0，且T无固定方向，取决于s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转。 三相感应电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。3）由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力低，TF不变，n下降S上升I2上升I1上升温升增加。第7章 驱动和控制微电机7.1.2 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 分相起动电动机包括电容起动电动机、电容电动机和电阻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起动电动机 根据获得旋转磁场方式的不同，主要分为分相电动机和罩根据获得旋转磁场方式的不同，主要分为分相电动机和罩极电动机极电动机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。由由于于起起动动绕绕组组和和电电容容按按短短时时工工作作设设计计，因因此此，当当n达达7580%n1时，离心开关自动打开。时，离心开关自动打开。第7章 驱动和控制微电机第7章 驱动和控制微电机2、电容电动机、电容电动机 电容电动机实质是一台两相异步电动机，起动绕组和电容电容电动机实质是一台两相异步电动机，起动绕组和电容应按长期工作设计。应按长期工作设计。第7章 驱动和控制微电机特点：）起动绕组和电容器按长期工作设计；）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；）应用比较广泛，如应用于压气机、空调等。第7章 驱动和控制微电机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，电抗大；起动绕组电阻大，电抗小。二、罩极电动机二、罩极电动机 1、结构特点：结构特点：定定子子作作成成凸凸极极式式，由由硅硅钢钢片片叠叠压压而而成成，工工作作绕绕组组为为集集中中绕绕组组，套套在在定定子子磁磁极极上上，每每个个极极靴靴表表面面1/31/4处处开开有有一一个个小小槽槽，放放入入罩罩极极绕绕组组（短短路路环环），如如下下图：图：第7章 驱动和控制微电机第7章 驱动和控制微电机2、工作原理工作原理在在时时间间上上滞滞后后一一个个角角度度，而而两两个个绕绕组组在在空空间间也也相相隔隔一一个个角角度度，产产生生旋旋转转磁磁场场，转转向向由由未未罩罩极极部部分分转转向向罩罩极部分。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、改变转向的方法：、改变转向的方法：1）定子上绕制两套起动绕组；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、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、应应用用:用用于于小小容容量量电电动动机机中中。如如应应用用于于小小型型风风扇扇、电电动模型和电唱机中。动模型和电唱机中。第7章 驱动和控制微电机小结：小结： 1、单相异步电动机的结构特点、优缺点及应用情况，单相异步电动机广泛应用于家电、医疗器械、轻工设备中；2、单相感应电动机的工作原理，为什么没有起动转矩？3、单相感应电动机的的起动方法与类型1）分相起动电动机；2） 罩极电动机。 第7章 驱动和控制微电机7.4 伺服电动机伺服电动机7.4.1 直流电动机直流电动机 一、直流伺服电机的结构一、直流伺服电机的结构分类：普通型直流伺服电机；盘型电枢直流伺服电动机；空心杯直流伺服电动机；无槽直流伺服电动机。第7章 驱动和控制微电机第7章 驱动和控制微电机第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、机械特性定义：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服电定义：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服电 动机的转速动机的转速n n随转矩变化的关系。随转矩变化的关系。 式中：式中：第7章 驱动和控制微电机 当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的当转速为零时，电机转矩仅与电枢电压有关，此时的转矩称为堵转转矩转矩称为堵转转矩 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，此时的转速称为理想空载转速速称为理想空载转速第7章 驱动和控制微电机直流伺服电动机的机械特性如下：直流伺服电动机的机械特性如下：2、调节特性、调节特性定义：指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。定义：指负载转矩恒定时，电机转速与电枢电压的关系。 直流伺服电动机的调节特性如上图所示。直流伺服电动机的调节特性如上图所示。第7章 驱动和控制微电机 交流伺服电动机交流伺服电动机 一、交流伺服电机的工作原理一、交流伺服电机的工作原理 交流伺服电动机一般为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。交流伺服电动机一般为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组，并在空间相差转子有笼形和杯形两种。定子为两相绕组，并在空间相差90电角度，一个为电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如下图所示：励磁绕组，另一个为控制绕组。如下图所示：第7章 驱动和控制微电机 “自转自转”现象及避免现象及避免“自转自转”现象方法：现象方法：“自转自转”现象：当励磁电压不为零，控制电压为零时，伺现象：当励磁电压不为零，控制电压为零时，伺服电动机相当于一台单相异步电动机，若转子电阻较小，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。则电机仍然旋转。避免避免“自转自转”现象方法：增大转子电阻值。现象方法：增大转子电阻值。第7章 驱动和控制微电机二、二、交流伺服电机的控制方式交流伺服电机的控制方式 交流伺服电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、幅值控制、幅值控制 控制电压和励磁电压保持相位差控制电压和励磁电压保持相位差90，只改变控制电压幅值，这种控制方，只改变控制电压幅值，这种控制方法称为幅值控制。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。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。 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7.5 测速发电机 分类：直流测速发电机和交流伺服电动机分类：直流测速发电机和交流伺服电动机 分永磁式和电磁式两种。分永磁式和电磁式两种。7.5 直流测速发电机一、直流测速发电机的输出特性直流测速发电机的输出特性 输出电压与转速之间的关系，称为输出特性，如图所示。输出电压与转速之间的关系，称为输出特性，如图所示。第7章 驱动和控制微电机减少误差的方法：减少误差的方法：纹波的影响产生误差的原因电枢反应电枢反应电刷接触电阻的影响二、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第7章 驱动和控制微电机7.5.2 7.5.2 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分为同步测速发电机和异步测速发电机一、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: :即：输出绕组的感应电动势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：励磁绕组存在漏电感。产生原因：励磁绕组存在漏电感。 减小该误差的方法：增大转子电阻。减小该误差的方法：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：由于加工、装配过程中存在机械上产生原因：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，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：选择高质量的各方向减小剩余电压误差的方法：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高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。机械精度以及装配补偿绕组。第7章 驱动和控制微电机 自整角机自整角机分类：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 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控制电机。一般成对或多台组合使用。 7.6.1 7.6.1 自整角机的结构与工作原理自整角机的结构与工作原理 通常采用两极结构，绝大部分采用凸极式结构，频率高、尺寸大的力矩式自整角机采用隐极式结构第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7.6.2 为自整角机的工作原理图为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：第7章 驱动和控制微电机各相绕组中的总电动势：第7章 驱动和控制微电机各相绕组中的电流：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：第7章 驱动和控制微电机发送机的交轴磁动势分量发送机的交轴磁动势分量：发送机的直轴磁动势分量发送机的直轴磁动势分量：合成磁动势的幅值合成磁动势的幅值：第7章 驱动和控制微电机同理可求得接收机的整步磁动势为：3力矩式自整角机的转矩：力矩式自整角机的转矩：式中：k1为转矩系数，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 控制式自整角机与力矩式自整角机的结构基本相同。 第7章 驱动和控制微电机7.6.2 7.6.2 自整角机的误差分析与选用时应注意的问题自整角机的误差分析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 旋转变压器旋转变压器 旋转变压器是自动装置中的一类精密控制微电机。分类： 按有无电刷和滑环之间的滑动接触来分：接触式旋转变压器和非接触式旋转变压器。 按电机的极对数多少来分：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：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。一、正余弦旋转变压器的工作原理7.7.1 7.7.1 旋转变压器旋转变压器的结构与工作原理第7章 驱动和控制微电机第7章 驱动和控制微电机的工作原理 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、型式完全空间角度的匝数、型式完全相同的正弦绕组，一个作为励磁相同的正弦绕组，一个作为励磁绕组，另一个作为交轴绕绕组，另一个作为交轴绕组。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励磁电压，定义励磁绕组的轴线方向为方向为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，励磁绕组中的感应的感应电动势为：电动势为：（1）正余弦旋转变压器的空载运行 转子上也有两套完全相同的的正弦绕组，两套两套绕组的空间位置也空间位置也互差互差9090 ，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。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垂和与正弦绕组轴线相垂直的磁通直的磁通r2r2。第7章 驱动和控制微电机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）正余弦旋转变压器的负载运行第7章 驱动和控制微电机第7章 驱动和控制微电机一次补偿与二次补偿的概念第7章 驱动和控制微电机二、线性旋转变压器的工作原理 输出电压的大小与转子转角 成正比关系成正比关系第7章 驱动和控制微电机正弦绕组的开路输出电压：进行级数展开：第7章 驱动和控制微电机设ku=0.5,将级数展开式代入（1）式中，得：忽略转角的高次项时，上式可写为：第7章 驱动和控制微电机二次补偿的线性旋转变压器：第7章 驱动和控制微电机7.7.2 7.7.2 旋转变压器旋转变压器的误差及其改进方法1、产生误差的原因2、改进方法7.7.3 7.7.3 旋转变压器旋转变压器的应用第7章 驱动和控制微电机 步进电动机用电脉冲信号进行控制，以实现对生产过程步进电动机用电脉冲信号进行控制，以实现对生产过程或设备的数字控制。或设备的数字控制。7.8 7.8 步进电动机步进电动机 步进电动机的结构与工作原理步进电动机的结构与工作原理根据作用原理和结构不同，分为两大类型：根据作用原理和结构不同，分为两大类型：（1 1）电磁型步进电机，仅靠电磁作用不能使电机的转子作）电磁型步进电机，仅靠电磁作用不能使电机的转子作步进运行，必须加上相应的机械部件，才能产生步进的效步进运行，必须加上相应的机械部件，才能产生步进的效果；果；（2 2）定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的）定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的电机。电机。第7章 驱动和控制微电机 在第2类步进电机中，根据转子结构形式，分为永磁式转子电机和反应式转子电机。 二、反应式步进电机的工作原理 图为一台三相反应式步进电机，它由定子和转子两大部分组成。在定图为一台三相反应式步进电机，它由定子和转子两大部分组成。在定子上有三对磁极，磁极上装有励磁绕组。转子由软磁材料制成，在转子上子上有三对磁极，磁极上装有励磁绕组。转子由软磁材料制成，在转子上均匀分布四个凸极，极上步装绕组，转子的凸极也称为转子的齿。均匀分布四个凸极，极上步装绕组，转子的凸极也称为转子的齿。 第7章 驱动和控制微电机步距角：步进电机每改变一次通电状态（一拍）转子所转步距角：步进电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。过的角度称为步距角。步距角的计算公式：步距角的计算公式：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。步进电机的控制方式分三种：步进电机的控制方式分三种：（1）三相单三拍工作方式，）三相单三拍工作方式，A-B-C-A; (2) 三相单、双六拍三相单、双六拍工作方式，工作方式， A-AB-B-BC-CA-A; (3)三相双三拍三相双三拍工作方式，工作方式， AB-BC-CA-AB;第7章 驱动和控制微电机一、反应式步进电机的静特性一、反应式步进电机的静特性(1)(1)矩角特性矩角特性 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机的矩角特性是指在不改变通电状态的条件下，步进步进电机的矩角特性是指在不改变通电状态的条件下，步进电机的静转矩与失调角之间的关系。用电机的静转矩与失调角之间的关系。用T=f(T=f()表示。表示。步进电机的转速为：步进电机的转速为： 式中：式中：f f为步进电机每秒的拍数，称为步进电机通电脉为步进电机每秒的拍数，称为步进电机通电脉冲频率。冲频率。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：第7章 驱动和控制微电机二、反应式步进电机的动特性二、反应式步进电机的动特性 步进电机的动特性是指步进电机从一种通电状态转换到步进电机的动特性是指步进电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。另一种通电状态所表现出的性质。 动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及频率特动态特性包括动稳定区、起动转矩、起动频率及频率特性等。性等。 步进电动机的动稳定区是指步进电机从一个稳定状态切步进电动机的动稳定区是指步进电机从一个稳定状态切换到另一稳定状态而不失步的区域。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：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到初始稳定平衡点到初始稳定平衡点A的角度，的角度，用用r表示。表示。第7章 驱动和控制微电机 稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定，当稳定裕量角稳定裕量角越大，步进电机运行越稳定，当稳定裕量角趋于零时，电机不能稳定工作。趋于零时，电机不能稳定工作。.3 .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、步进电动机控制电源的组成二、步进电动机控制电源的组成第7章 驱动和控制微电机 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 开关磁阻开关磁阻电动机系统主电动机系统主开关磁阻开关磁阻电动机、功率变换器、控制电动机、功率变换器、控制器和检测器四部分组成。如图所示：器和检测器四部分组成。如图所示： 开关磁阻电动机的系统组成开关磁阻电动机的系统组成第7章 驱动和控制微电机 一、开关磁阻电动机一、开关磁阻电动机 二、功率变换器二、功率变换器 三、控制器三、控制器 四、位置检测器四、位置检测器 开关磁阻电动机的工作原理开关磁阻电动机的工作原理第7章 驱动和控制微电机 开关磁阻电动机系统的特点及应用开关磁阻电动机系统的特点及应用 一、开关磁阻电动机的特点一、开关磁阻电动机的特点 二、开关磁阻电动机的应用二、开关磁阻电动机的应用