第六篇 微控电机 第20章 微 控 电 机

1. 第六篇 微控电机第20章 微 控 电 机

2. 微控电机在本质上和我们以前所讲的普通电机并没有区别,只是他们的侧重点不同而已:普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。微控电机在本质上和我们以前所讲的普通电机并没有区别,只是他们的侧重点不同而已:普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标；而控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。 • 微控电机:由驱动微电机和控制电机构成简称为微控电机 .

3. 驱动微电机:用来拖动各种小型负载,功率一般都在750W以下,最小的不到1W,因此外形尺寸较小,相应的功率也小,本章主要介绍单相异步电动机,微型同步电动机,直线电动机.驱动微电机:用来拖动各种小型负载,功率一般都在750W以下,最小的不到1W,因此外形尺寸较小,相应的功率也小,本章主要介绍单相异步电动机,微型同步电动机,直线电动机. • 控制电机:在自动控制系统中对信号进行传递和变换,用做执行元件或信号元件.要求有较高的控制性能,如:反应快,精度高,运行可靠等等.本章主要介绍伺服电动机,步进电动机,旋转变压器,自整角机和测速发电机.

4. 20.1 单相异步电动机 一、单相异步电动机简介： 二、工作原理： 1、一相定子绕组通电时的机械特性：

7. 结论： 1>当n>0时，转矩T>0，此时的电磁转矩是驱动性质的，电机属于正转运行 2>当n<0时，转矩T<0，此时的电磁转矩仍然是驱动性质的，电机反转运行 3>当n=0时，转矩T=0，显然这是不行的，电机将无法起动，即，我们希望当转速=0时，转矩不应为零！ 由此可见，单个绕组通电，电机可以运行，但不能起动，因此必须有两相绕组才行。

8. 2、两相绕组通电时的机械特性： 从图形可以看出，此时的电机可以顺利起动，从上面的分析结果可知，单腥异步电动机的关键问题是如何起动的问题，而起动的必要条件是： 1）定子具有空间不同相位的两个绕组 2）两相绕组中要通入不同相位的交流电流 第一个条件显然应该是满足的，所以，现在的关键问题是如何实现电流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单相异步电动机又分为：

9. 1）单相电阻分相起动异步电动机 2）单相电容分相起动异步电动机 3）单相电容运转异步电动机 4）单相电容起动与运转异步电动机 5）单相罩极式异步电动机 下面，我们分别来看一下： 三、各种类型的单相异步电动机： 1、单相电阻分相起动异步电动机

12. 这种电动机，由于两相绕组中电流的相位相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆形，因此起动电流比较大，而起动转矩却不是很大。这种电动机，由于两相绕组中电流的相位相差不大，所以，气隙磁动势是一个椭圆形，因此起动电流比较大，而起动转矩却不是很大。 2、单相电容分相起动异步电动机：

13. 优点： 1）如果电容器的电容量配的合适，可以实现两个电流之间的相位差为90， 2）副绕组的容性可以抵消一些本身所有的感抗，使电抗减小，所以副绕组的匝数不象电阻分相时受到限制，从而可以增加一些，使的磁动势增加。 这两点的实现，可以使我们得到一个接近圆形的磁动势，即较大的起动转矩，而起动电流还会下降！

14. 3、单相罩极式异步电动机

16. 20.2 伺服电动机 伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。 根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1～600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1～100瓦。

17. 一、直流伺服电动机 1、简介：直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。 输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上：若把控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；若把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制。

18. 2：特性分析： 1）机械特性：

19. 2）调节特性：

20. 二、交流伺服电动机： 伺服电动机就是两相异步电动机，定子侧绕组再空间相差90度摆放，转子是鼠笼式的。

22. 1、自转现象：如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。1、自转现象：如果电机参数与一般的单相异步电动机一样，那么当控制信号消失时，电机转速虽会下降些，但仍会继续不停地转动。伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。 2、如何克服：显然,我们需要的是当控制信号为零时,转子的转速也为零,从机械特性图上我们可以看出,只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反,就可以实现此目的,那么.从我们以前所学的知识可得:

23. 使电机制动到停止，从而消除“自转”增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的Sm+≥1，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图使电机制动到停止，从而消除“自转”增加转子电阻，使正向磁场产生最大转矩时的Sm+≥1，使正向旋转的电机在控制电压消失后的电磁转矩为负值，即为制动转矩，使电机制动到停止；若电机反向旋转，则在控制电压消失后的电磁转矩为正值，也为制动转矩，如图

25. 3、改变控制电压的方法： 1）幅值控制： 如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制

26. 电压与励磁电压之间的相位差始终保持90°电角度。若控制绕组的额定电压 ,那么控制信号的大小可表示Ｕc＝ＵcN , 称为有效信号系数，那么以Ｕcn为基值，控制电压 的标么值为：

27. 当有效信号系数＝１时，控制电压 与 的幅值相等，相位相差90°电角度，且两绕组空间相差90°电角度。此时所产生的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大；当<１时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小。越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢，在＝０时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。 • 幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性如下图所示。图中的转矩和转速都采用标么值。 • 2）相位控制

29. 2）相位控制: 这种控制方式通过改变控制电压 与励磁电压 之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。如图所示，励磁绕组直接接到交流电源上，而控制绕组经移相器后接到同一交流电压上， 与 的频率相同。而 相位通过移相器可以改变，从而改变两者之间的相位差 ,

30. Sin称为相位控制的信号系数。改变 与 相位差的大小，可以改变电机的转速。相位控制的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性。

31. （3）幅值—相位控制: 如图所示,我们还可以通过同时改变幅值和相位的方法来实现对控制电压的改变:

32. 幅度—相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。

33. 20.3 微型同步电动机 微型同步电动机的定子结构与一般的同步电动机相同，可以是三相的也可是单相的，但转子结构不同。根据转子结构的不同，微型同步电动机主要分为永磁式、反应式、磁滞式等，另外为了提高力能指标，还将磁滞式与其他形式结合起来。下面主要介绍永磁式和磁滞式微型同步电动机。

34. 一、永磁式微型同步电动机：

35. 当电动机正常运行时，定子绕组产生的旋转磁场以同步转速n1旋转，转子也以同步转速n1旋转。与普通同步电机一样，永磁式微型同步电动机采用异步起动法：在起动过程中，转子上的鼠笼起动绕组在定子绕组产生的旋转磁场下产生异步转矩，使电机起动。当电机转子转速接近同步转速n1时，转子被“牵入同步” 永磁式同步电动机功率小，结构简单，在电气仪表中应用较多。

36. 二、反应式微型同步电动机 反应式微型同步电动机的转子用磁极材料和非磁极材料拼镶而成，使其直轴方向的磁阻小而交轴方向的磁阻大。当反应式同步电动机定子绕组接交流电源，由于直轴和交轴的磁阻不同，从而形成磁阻转矩（也叫反应转矩），拖动负载同步运行。 三、磁滞式微型同步电动机

37. 转子磁滞材料层用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滞现象十分突出，具有较宽的磁滞回线，其剩磁和矫顽力都很大，换句话说，既是当外加的磁场发生变化时，磁滞现象明显的材料不会轻易就随之发生相应的改变，他会有一个时间上的落后，这样，再外加磁场和转子之间就会产生一个磁滞转矩，再这个转矩的作用下，转子开始旋转。 转子磁滞材料层用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滞现象十分突出，具有较宽的磁滞回线，其剩磁和矫顽力都很大，换句话说，既是当外加的磁场发生变化时，磁滞现象明显的材料不会轻易就随之发生相应的改变，他会有一个时间上的落后，这样，再外加磁场和转子之间就会产生一个磁滞转矩，再这个转矩的作用下，转子开始旋转。

38. 磁滞同步电动机凭借磁滞转矩而能自行起动，在起动过程中，磁滞角的大小仅仅取决于硬磁材料的磁化特性，而与旋转磁通势和转子转速无关，转子的硬磁材料在旋转磁化下，磁滞角是恒定的。磁滞同步电动机凭借磁滞转矩而能自行起动，在起动过程中，磁滞角的大小仅仅取决于硬磁材料的磁化特性，而与旋转磁通势和转子转速无关，转子的硬磁材料在旋转磁化下，磁滞角是恒定的。

40. 20.5 步 进 电 动 机 一、定义：是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的理解：给一个电脉冲信号，电机前进一步，因此被称之为步进电动机。相对与模拟的电压信号，步进电机的控制信号是数字量，因此，更广泛的应用在数字控制场合，例如，计算机的外围控制系统等。 二、结构： 如图所示，

41. 三、工作原理： 如图，在这里我们以三相单三拍的反应式电机为例来进行分析：

42. 相关概念： 1、静转矩T： 2、步距角 ：在静转矩的作用下，转子齿每前进一步在电机圆周上所跨过的距离，我们用一个角度来表示，叫做步距角。 3、拍(N)：每改变一次通电方式叫做一拍，常用为三拍。 4、通电循环：控制绕组各完成一次通电形成一个通电循环，通过后面的分析，我们可以发现，每经过一个通电循环，（即对应一个2π的空间电角度）转子齿前进一个齿距的距离，因此，转子一个齿距对应一个2π的空间电角度。 5、单：每次改变通电方式只有一个绕组通电

43. 6、双：每改变一次通电方式有两相绕组同时通电.6、双：每改变一次通电方式有两相绕组同时通电. 7、三相单三拍：三相单，双六拍；三相双三拍。 因此,它的通电顺序为A-B-C-A,如果反向,即为A-C-B-A 8、三相单，双六拍的工作原理： 如图

44. 它的通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A 由上面的分析可知，同一台步进电机，其通电方式不同，步距角可能不一样，采用单双拍通电方式，其步矩角S是单拍或双拍的一半；采用双极通电方式，其稳定性比单极要好。 四、运行特性： 1、静态运行特性：步进电动机不改变通电情况的运行状态称为静态运行。 失调角：电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角，用电角度表示。这样，我们作出静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性。 经分析，静转矩T与失调角的关系近似为： T = - C sin

45. 这样，我们就可以作出相应的曲线。

46. 由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程.由此我们可以发现步进电动机的工作过程就是实现失调角为零的过程.

47. 2、步进运行状态：当电脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机一步一停的转动，这种状态称之为步进运行状态。2、步进运行状态：当电脉冲频率较低，电机转子完成一步之后，下一个脉冲才到来，电机一步一停的转动，这种状态称之为步进运行状态。 1）空载运行情况：如图

48. 相关概念： 1）静稳定区：正在通电的绕组的静稳定区称之为静稳定区。 A相通电时，-<<为静稳定区 2）动稳定区：下一个通电绕组的静稳定区称之为动稳定区，如图所示。 -+s<<+θs（图中θs=）,在换接的瞬间，转子的位置只要停留在此区域内，就能趋向新的稳定平衡点b，所以区域（-+b，+b）称为动稳定区。

49. 通电时，转子每旋转一步最后停留的位置必须在动稳定区内，即：静、动稳定区必须有所重叠，且从稳定性的角度来看，重叠区间越大越好，这样，下一步就可继续沿着原来的旋转方向前进。通电时，转子每旋转一步最后停留的位置必须在动稳定区内，即：静、动稳定区必须有所重叠，且从稳定性的角度来看，重叠区间越大越好，这样，下一步就可继续沿着原来的旋转方向前进。

50. 2）负载运行情况：如图所示