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第一章 磁路基本知识 磁场的基本物理量及磁性材料的基本特性，直流磁路的概念及磁路计算定律，并对简单磁路的计算进行了分析。磁路定律是与安培环路定律相对应。第二章 直流磁系统及其应用极化继电器在工作时，其工作气隙内存在两个相互独立的磁通，一个是永久磁铁产生的磁通，成为极化磁通。另一个磁通是由工作线圈生成的，成为工作磁通。工作磁通的大小和方向是由通入线圈的电流大小及极性所决定的，极化继电器的衔铁偏转方向随线圈上所加信号电压极性的改变而改变。极化继电器的电磁系统一般有串联磁路、差动磁路、和桥式磁路；其触点系统一般可作为两种形式，即硬舌片和软舌片。利用等效磁路中的节点分析法，对典型的差动式和桥式极化磁路系统的气隙工作点进行分析计算。接触器是一种用于远距离频繁地接通和断开交直流主电路或大容量控制电路的电磁控制装置；接触器的基本工作原理与前面提及的电磁继电器相似，但具体结构不同。接触器控制的容量较大，一般是几百安培，由此达到1kA以上。接触器主要用于一次回路，继电器用于二次回路的小电流，实现各种控制功能。在继电器的触点容量满足不了要求时，可用接触器代替。当接触器的辅助触点不够用时可加一继电器做辅助触点来实现各种控制。第三章 直流测速发电机1.概述1-1 结构：微型发电机 用途：测速元件（提供表征转速的电压信号，不提供电力）1-2 基本静态关系式 （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）若发电机空载（实际应用近似空载）， = 0 则 （3-5） 若被测量为角速度 ，则 = （3-6）其中 = = 9.55上两式说明：空载时，输出电压与转速（或角速度）成正比1-3 技术要求 线性灵敏度 纹波小 转动惯量小，（干扰小，失真小）2 直流测速发电机的应用一、 作为反馈元件图3-1恒速控制系统原理图将转速测出，其输出电压反馈到放大器输入端，与给定电压比较。二、作为转速阻尼元件使系统机械惯性引起的震荡受到阻尼，改变系统的动态性能。第四章 直流伺服电动机直流伺服电动机优缺点 控制性能好， 成本高用途 主要用作执行元件（重在动作，追求控制性能，而不在做功。与一般动力电机不同，一般动力电机追求：功率输出值，经济性和可靠性。） 符号 4-1 基本原理一、 直流电机基本原理1单线圈在磁场中的电动原理1）发电机 （1） 线圈上下两边是有效边，每个有效边与一个换向片连接（2） 以右手定则，当一个有效边在一个磁极下转动时，感应电势的正方向始终指向电刷A。 （3） 导体位于极中心时感应最强，位于水平位置时感应最弱，故AB电刷输出脉动直流。 2）电动机（1）同样结构，将直流高压端接A（2）依左手定则，任一通电导体在一个极下 时，所受到的磁力矩都是逆时针方向的。 2 环形绕组在磁场中的电机原理1）以电刷A和B为端点，形成并联的两个支路 2）磁力线 N气隙环铁气隙 S不进入环内，故 图4-1 环形绕组只环外导体是有效的3）发电机原理A任何导体在一个极下转动时的感应电势的正方向指向A B上下两支路并联供电C与电刷接触的换向片所连接的线圈处于无感应状态，可实现平稳换支路。4）电动机原理A电枢通电后任何导体受电磁力矩的方向都是一致的B上下两支路并联工作，所产生的力矩相加C与电刷接触的换向片所连接的线圈处于无电磁力矩状态，可实现平稳换支路。 二、直流电机结构定子（励磁），转子（电枢），轴，壳体三、 励磁方式1他励 2自励 1）并励 2）串励 3）复励 一个并励线圈和一个串励线圈共同励磁四、电机的名牌数据额定容量（W）额定电压(V)额定电流(A)额定转速(r/min)励磁方式和额定电流。选择电机时特别重要五、电枢绕组1 单线圈转子和环形都不实用2. 根据所有的边都有效的原则3. 根据使用条件不同，采用不同的绕制方法六、 直流电机的磁场（一） 磁场的建立* 磁场的来源：定子（磁极），转子的电枢绕组* 磁力线的表现：不分叉，不合并，不交叉1 磁极单独产生的磁场，如图4-2（a）2电枢单独产生的磁场，如图4-2（b）3磁极和电枢共同产生的合成磁场，如图4-2（c） 要点：1）合成的结果造成磁场扭斜 2）相对原来（只有磁极磁场时）的物理中性面，合成磁场的物理中性面逆旋转方向移动。图4-2 直流电机的磁场（二） 电枢反应对原磁极磁场的影响1磁场分布发生扭斜：中性面逆旋转方向移动,物理中性面与几何中性面不再重合。2电枢反应去磁 (影响不大).3产生换向火花. 1) 其原因有二 (1) 换向元件电流变化引起的感生电势 方向保持换向前方向 (2) 换向的导体切割合成磁场的磁力线产生 其方向与相同2) 减小和消除火花的方法（1）移动电刷法:电刷逆旋转方向移动,直至火花最小为止（此时电刷基本在物理中性面上）。（2）在几何中性面设置附加的换向磁极，他的激磁绕组与电枢绕组串联，而换向磁极的磁场方向与电枢磁场的方向相反，使之抵消 与。（3）选择适当的电刷可减小火花。七、 电枢电势与电磁转矩1 电枢电势 磁极的状态不变，电枢转动时切割磁力线产生感应电势 一根平均有效导体的电势 = 其中 = 平均磁通密度 导体有效长度 = 极距， 极对数 转速（） = 设总导体数为N，支路对数为。则每一支路有效导体数为N/2。总电势为 = N/2。= 令 = 为电机电势常数，则 = 若 恒定不变，可进一步简化， = 其中 称为电势系数。今后两种表示式同时使用。2 电磁转矩1）一根导体平均电磁力 = 2）一根导体平均电磁力矩 3）总电磁转矩 ， 令 = （）=（） 令 为电机转矩常数，则电枢总转矩为 若 恒定不变，可进一步简化， 其中 为转矩系数。今后两种表示式同时使用。电负载八、 直流电机的基本关系式1 电压平衡方程发电机静态： 电枢电势作为电路的电源 稳定状态下，参数不变原动机 图4-3 发电机电路 发电机动态+机械负载 电动机静态 电动机动态 图4-4电动机电路图 2力矩平衡方程 发电机静态 T = + 发电机动态 电动机静态 = 电动机动态4-2 直流力矩电动机工作原理：与普通直流伺服相同特点：低速、大转矩；可工作在堵转状态。原因：结构外径大，扁平：为嵌入更多的导体和磁极。第五章 旋转变压器5-1变压器工作原理分析交流电机的理论基础一、 变压器结构及种类1结构：变压器是一种静止的电器，由铁心和绕在铁心上的两个或两个以上的绕组构成，并通地交变磁场联系着，用以把某一等级的电压和电流信号变换成另一种等级的电压和电流信号，有时也用于阻抗匹配。绕组和铁心是变压器的最基本部件，称为电磁部分。铁心是变压器的磁场子部分，一般由具有一定规格的硅钢片叠制而成，以减少交变磁通引起的铁心损耗。变压器铁心本身由铁心术和铁轭两部分组成。衩绕组包围着的部分称为铁心，而铁轭则作为构成闭合磁路用。2种类：电力变压器；调压器；量测变压器二、 变压器的运行图5-1变压器惯例1 变压器惯例。在原边AX绕组中，首先规定U1 正方向，当U1为正时，A的电位高于X的电位。第二步规定的方向，当和同时是正时，电流从高位点A流入变压器，这个惯例叫做“电动机惯例”。规定的正方向与相同。在副边绕组ax中，首先规定的正方向，第二步规定的方向，第三步规定的方向。因为在副边采用“发电机惯例”，即和和同时为正（或负）时，功率自变压器输出，这就要求电流自变压器流出，显然，的正方向是从a至x。2 变压器的空载运行空载：原边绕组上加有交流电压，副边开路。原边电流用表示，副边电流=0。图5-2变压器的空载运行原边建立起空载磁势 ，在该磁势的作用下产生交变磁通，其中大部分交变磁通在铁心中通过，同时与原、副边绕组匝链，称为主磁通，用表示，少量磁通仅与原绕组匝链而通过空气形成闭路，这部分磁通称为漏磁通，用表示。主磁通在原、副边绕组中产生的感受应电动势为 （5-1）而漏磁通 只在原边绕组中产生感应电动势设则若令 为感应电动势最大值，则 （5-2）考虑到 ，于是其有效值为 （5-3）式中 f-电源频率-原边绕组的匝数-主磁通的最大值同理可得 （5-4）式中，W2副边绕组的匝数。由于漏磁通所对应的磁势大部分消耗在空气磁阻上，则对应的漏电感相当于线性的，于是 （5-5）式中 漏磁通的电感系数。对应于漏磁通的原边绕组漏电抗，是一个常数。原边的电压平衡方程式： （5-6）整理得 （5-7）式中，为原边绕组的漏阻抗。同理可得副边绕组电压平衡方程式 （5-8）3. 变压器的负载运行在负载运行时，原绕组的磁势将随负载电流的增大而自动地增加，以保证m不变。负载时，作用在主磁路上的磁势有两个，即原边绕组磁势I1 W1和副边绕组磁势I2W2 。铁心内主磁通是由上述两个磁势的合成磁势所产生。这样，将有磁势平衡方程式中 负载情况下原边绕组产生的磁势 负载情况下副边绕组产生的磁势 空载时原边绕组产生的磁势。移项后，整理得或 （5-9）从上式可以看出，负载时，原边电流有两个分量：其中一个分量为，像空载一样，它用于产生主磁通；另一个分量，用于产生抵消副边绕组磁势作用。根据基尔霍夫定律，负载时变压器原、副边绕组的电压平衡方程为 （5-10）式中 原、副边绕组的漏阻抗； 原、副边绕组的电阻 原、副边绕组的漏电抗52旋转变压器结构和分类一、 旋转变压器的分类按输出电压与转子转角之间的函数关系来分，可分为以下四种：1 正余弦旋转变压器当它的原边绕组外施单相交流电压励磁时，其副两个绕组的输出电压分别与转子的转角呈正弦和余弦函关系。2 线性旋转变压器在一定工作转角范围内，输出电压与转子转角是线性函数关系的一种旋转变压器。3 比例式旋转变压器除了在结构上增加了一个带有调整和锁紧转子位置的装置之外，其它都与正余弦旋变压器相同。在系统中作为调整电压的比例元件，相当于可调变比的旋转变压器。4特殊旋转变压器在一定转角范围内，输出电压与转角呈某一给定函数关系。二、旋转变压器的结构旋转变压器的结构和绕线式异步电机相似，由定子和转子两个部分组成， 图5-3 结构示意图 图5-4 电气原理图53正余弦旋转变压器一、 正余弦旋转变压器的空载运行1 空载运行时的气隙磁场空载运行：输出绕组开路，定子补偿绕组也开路，只有定子励磁绕组 施加交流励磁电压。该图表示在 这一瞬间，气隙磁密沿定子内圆周和转子外圆周所环绕的空间的分布规律。空载时旋转变压器励磁磁场是一个磁场轴线在空间固定不动，磁密分布曲线幅值随时间作正弦交变的磁场。我们把这种磁场称作脉振 磁场。其特点是：图5-5 励磁磁密的分布 （1）对某一瞬间（例如）而言，气隙各点磁密沿定子内圆周成余弦发布，即（2）对气隙中的某一点（例如 ）而言，该点的磁密随时间按正弦规律变化，即总之，式以后用一个空间向量表示脉振磁场，这个向量固定地位于磁场轴线上，其方向和t时刻气隙磁密分布的方向相同，其大小与t时刻气隙磁密分布曲线的幅图5-6脉振磁场的分析值成比例，如图46（c）所示。这个向量称为磁密空间向量。2 空载运行时各绕组的感应电势（1）励磁绕组中的感应电动势在励磁绕组中，由交变磁通产生的感应电动势的有效值可表示为 （5-11）式中 励磁磁通的幅值； 励磁磁密的幅值； 由电压平衡方程式式中 励磁绕组的电阻 励磁绕组的漏电抗若忽略励磁绕组的漏抗压降，则有（2）定子绕组中的感应电势。由于绕组轴线与绕组轴绕垂直，因此，励磁磁通 与绕组不匝链，将不在绕组中感应电势。（3）转子绕组中的感应电势把磁密空间向量沿轴线和 轴线分解成两个分量和，如图47所示，在绕组中产生感应电势的有效值为（5-12）或图5-7 的分解 （5-13）式中， 旋转变压器转、定子的匝数比，即变比，是一个常数。可见，空载且保持不变时，转子输出绕组的输出电压与转子转角呈余弦函数关系。因此，称绕组为余弦输出绕组。（4）转子绕组 中感应电势在 绕组中产生的感应电势 为可见，在空载且 恒定不变的条件下，转下绕组上的输出电压与转子转角呈正弦函数关系。因此，称绕组为正弦输出绕组。二、正余弦旋转变变压器的负载运行1 产生畸变的原因畸变与转子转角有关，而且随着负载电流增大而严重，由转子输出绕组电流引起的。如图48所示，当转子输出绕组 接上负载时，在绕组中将有电流 流过，且式中， 转子正弦绕组的漏阻抗。 在气隙中也将产生脉振磁场，用位于 轴线上的磁密空间向量来表示，认为正比于。我们把分解成两个分量：一个分量与励磁绕阻 轴线一致称为直轴分量， 图5-8 正弦绕组接负载 另一个分量与励磁绕组轴线正交，称交轴分量由变压器原理，副边接上负载并通过电流时，为了维持电势平衡，原边电流将自动增加一个负载分量，以便使主磁通及感应电势基本不变。可见，交轴磁通是旋转变压器负载后输出特性曲线畸变的主要原因。为了改善系统性能应该消除交轴磁通的影响。消除输出特性畸变的方法也称为补偿。2 消除畸变的方法（1） 副边补偿的正余弦旋转变压器副边补偿：其励磁绕组D1D2 加交流励磁电压，D3D4 绕组开路，转子Z1Z2 输出绕组接阻抗，应使阻抗等于负载阻抗以便得到全面补偿。图5-9 副边补偿假设转子两相绕组电流所产生的交轴磁通正好相互补偿。这样，电机气隙中只有合成的直轴磁通，在弦输出绕组和余弦输出绕组中分别产生感应电势和，在励磁绕组中产生，转子绕组中的负载电流和分别为 （5-14）在余弦绕组中，由负载电流产生的磁密是，它的交轴分量为式中和之间的比例系数。将式（414）代入有 （5-15）在正弦绕组中，由负载电流产生的磁密为，它的交轴磁密 将式（414）代入，有 （5-16）我们已经假定交轴磁通完全补偿，应有 =由此可得由于旋转变压器定、转子绕组都是两相对称绕组，即 故， （5-17）补偿条件：余弦绕组的负载阻抗必须与正弦绕组的负载阻抗相等。在副边对称补偿时，转子绕组电流所产生的磁密直轴分量 和 分别为 （5-18）转子绕组电流所产生的合成直轴磁密 （5-19）由式（419）可见，在副边对称补偿时，直轴去磁磁密与转子转角无关，当电源电压和负载不变时，是一个常数，因此，励磁电流也将是常数，与转了转角无关。（2） 原边补偿的正余弦旋转变压器用原边补偿的方法也可以消除交轴磁通的影响。接线如图424所示，此时定D1D2励磁绕组接通交流电压，定子交轴绕组D3D4接阻抗；转子绕组接负载，而绕组开路（3） 原、副边补偿的正余弦旋转变压器图5-10 原边补偿53线性旋转变压器线性旋转变压器是指输出电压的大小与转子转角成正比的旋转变压器一、 空载时的线性旋转变压器的输出电压表达式原边补偿的线性旋转变压器图5-11 线性旋转变压器当图411所示线性旋转变压器绕组开路时，将励磁绕组和余弦绕组串联后接到流电源上，将有电流流过这两个绕组，分别产生和，磁密为直轴磁密，而可分别为直轴分量和交轴分量。因补偿绕组短接作为原边补偿，可以认为交轴分量磁密得到完全补偿，所以，气隙中不存在交轴磁场。 这时在旋转变压器中只有合成的直轴磁通，它只是和合成的直轴磁场产生的。直轴磁通分别与励磁绕组，正、余弦输出绕组相匝链，并在它们中分别产生感应电势、和。这些电势在时间上同相位，分别为 （5-20）若忽略绕组中的阻抗压降，则 式中，,于是，得 （5-21） 将式（421）代入式（420）得 （5-22）线性条件：当0.52时，在范围攻内，输出电压与转子转角成线性关系，并且和理想直线相比较，误差不超过0.1.在实际的线性旋转变压器中，为了获得最佳的线性特性，在电源内阻很小时，其变比一般取0.560.57。54旋转变压器的应用旋转变压器广泛应用于解算装置和高精度随动系统。在解算装置中主要用来求解矢量或进行坐标变换、求反三角函数、进行加减乘除及函数的运算等等；在随动系统中进行角差测量或角度数据传输。一、 旋转变压器测量角差用一对相同的正余弦旋转变压器，按图412所示方式接线即两机定子绕组对应连接。第一台旋转变压器的转轴与发送轴相送，其转子绕组接励磁电源，绕组短接作原边补偿。第二台旋转变压器的转轴与接收轴相连，从其转子绕组上输出电压。通常把与发送轴相连的旋转变压器叫做旋变发送机，把与接收轴相连的旋转变压器叫做旋变变压器。下面来分析用一对旋转变压器测量角差的工作原理。图5-12测角差线路（1）的情况（图513）图4-13 测角差线路此时，旋变发送机和旋变变压器定子绕组的轴线分别与相应的转子轴线重合。当旋变发送机转子绕组接交流电源后产生沿绕组轴线的磁通。在的情况下，定子绕组只有产生感应电势。由于绕组已和绕组相连组成闭合回路，故有电流流过该闭合回路，并产生沿这两个绕组轴线方向磁通。由于在这两个绕组中流动的方向相反（设从端流出，则从端流入），因而磁通方向也相反，如图413所示。由于，即输出绕组与定子绕组轴线互相垂直，所以，当与定子绕组轴线互相垂直，所以，当绕组匝链的磁通为零，感应电势也为零，故绕组输出电压为零。（2）图（512）这时，定子绕组和均有感应电势，由于和相连，和相连，于是，在定子两个闭合回路中将有电流通过。由于旋转变压器定、转子绕组都是两相对称绕组，因而，对旋变发送机来说，其副边接有对称负载，相当于副边完全补偿，则定子两闭合回路中电流和产生的合成磁密将沿着励磁绕组的轴线方向，而且数值不变。由于旋变变压器定子绕组中的电流与旋变发送机定子绕组中的电流大小相等而方向相反，则旋变压器定子电流产生的合成磁密必定与旋变发送机定子电流的合成磁密大小相等，方向相反。因此，旋变变压器定子绕组电流产生的合成磁密也将随发送机转子转角改变而变化。如果旋变变压器转子所处的位置角度，则由图412可知，旋变变压器定子绕组电流产生的合成磁密与其转子输出绕组轴线夹角为。因此，当略绕组阻抗时，其输出电压为 （5-23）式中 发送轴与接收轴转角差；角差时，输出绕组中的感应电势的有效值。第六章 自整角机 自整角机是一种对角位移或角速度偏差能自动整步的电磁元件。自整角机必须成对使用，主令轴上装的是自整角发送机，从动轴上装的是自整角接收机。其运行方式有两种：控制式和力矩式。控制式自整角机的输入量是自整角机发送的转角，输出量是自整角变压器的输出电压，输出量通过放大器，伺服电动机带动接受轴追随发送机同步转动。控制式自整角机的精度比力矩式高，可以驱动随动系统中较大的负载。力矩式自整角机自身能产生整步转矩，不需要放大器和伺服电动机，在整步转矩的作用下，接收机转子追随发送轴同步转动。力矩式设备比较简单，常用语小负载，精度要求不高的场合，如用来带动指针或刻度盘作为侧位器。自整角机在自控系统中应用广泛，主要是实现角度的传输、变换、和指示，如角位置的远距离指示、远距离定位和远距离控制等。如果系统要求反映出两个输入角的和或差时，则可用差动式自整角机系统。第七章 两相交流电机 在自控系统中常常用到两相伺服电动机和异步测速发电机。两相伺服电动机的作用是把输入的电压信号转换成输出的角位移或角速度，做执行元件。测速发电机将输入信号转换成输出电压信号，做测速、校正、阻尼、角加速度或解算元件。两相伺服电动机的结构主要分为定子部分和转子部分，其定子上放置了两相空间互差九十度的绕组，一相是励磁绕组，一相是控制绕组。转子接头常见的有鼠笼型转子和杯型转子两种，一般以鼠笼型转子应用较广泛。当控制绕组和励磁绕组分别加上额定电压时，气隙中产生圆形旋转磁场，并带动转子以一定的转速旋转。转子旋转的转速总是低于旋转磁场的转速，因此也成为异步电动机。圆形旋转磁场的大小是不变的，而磁场的轴线在空间旋转。旋转磁场的转速成为同步转速，由电动机的极对数和电源频率决定。两相伺服电动机的转速随着负载的变化而变化，它与同步转速之间的差值定义为转差。转差与同步转速的 比值成为转差率，转差率是表示电动机转速的一个重要的物理量。当转子不动时，转差率为1；当转子转动时，转子侧的频率、电动势和电抗都会发生变化，转子频率、电动势和电抗等于转子不动时的数值成一转差率。两相伺服电动机通常将运行在不对称的状态下，此时气隙磁场为椭圆形旋转磁场。他可以分解成一个正向圆形旋转磁场和一个反向圆形旋转磁场，从而可以用圆形旋转磁场的研究方法来分析椭圆形磁场作用下的运行情况。从椭圆磁场的机械特性可以看出，当电动机处于不对称运行时，由于反向旋转磁场的存在，使电动机输出转矩减小，空载转速降低。当控制电压发生时，磁场椭圆度发生变化，利用正、反转矩合成的方法，就可做出伺服电动机在各种不同有效信号系数时的机械特性和调节特性等。当控制电压变化时，电动机转速也发生相位变化，从而达到转速控制的目的。交流伺服电动机的机械特性比较软，而且斜率随控制电压的不同而变化。放大器的内阻也会对电动机的机械特性和机电时间常数造成影响。当控制电压为零时，电动机应当立即停转，这是控制系统伺服电动机提出的基本要求。当电动机在整个运行范围内都具有下垂的机械特性时，可以消除单相供电时的自转现象。因此，具有大的转子电阻是两相伺服电动机的一大特点。异步测速发电机的结构与空心杯型转子两相伺服电动机完全相同。当异步测速发电机的励磁绕组产生磁通保持不变时转子不转时输出电压为零，转子旋转时切割励磁磁通产生感应电动势和电流，建立横轴方向的磁通，在输出绕组中产生感应电动势，从而产生输出电压。输出电压的大小与转速成正比，但其频率与转速无关，等于电源的频率。理想的输出特性时一条直线，但实际上并非如此。引起误差的汉族要原因是励磁绕组产生的磁通的大小和相位 都碎转速而变化，负载阻抗的大小和性质，励磁电源的性能，温度以及剩余电压，其中剩余电压是误差的主要部分。表征异步测速发电机性能的主要技术指标有线性误差、相位误差和剩余误差。在实际中为了提高异步测速发电机的性能通常采用四极电动机。为了减小误差，应增大转子电阻和负载阻抗，减小励磁绕组和输出绕组的漏阻抗，提高励磁电源的频率，。使用时，发电机的工作转速不应超过规定的转速范围。第八章 微型同步电动机 微型同步电动机的转速是恒定不变的，总是和旋转磁场的转速相同，应用在要求转速恒定的场合。在结构上，主要是由钉子和转子两部分组成。定子与一般异步电机的定子相同，定子绕组通入交流电流产生旋转磁场。微型同步电动机的转子结构形式和材料有很大差别，运行原理也不同。根据转子的结构不同，微型同步电动机主要分为永磁式、反应式、和磁滞式三种。永磁式微型同步电动机无需电流励磁，没有电刷和集电环，功率因数和效率高。但启动性能不好，需要在转子上设置鼠笼型启动绕组才能启动。反应式微型同步电动机的转子的最大特点是没有永磁体和励磁绕组，必须采用凸极结构，使直轴与交轴磁阻不同而产生电磁转矩。同样也需要在转子上装设启动绕组；另外由于磁路磁阻大，功率因数和效率要比永磁式的低。磁滞式同步电动机的转子是由硬磁材料制成的，利用磁滞作用产生磁滞转矩，驱动电动机转动，其主要特点就是不需启动绕组，在整个启动过程中磁滞转矩恒定不变，能将负载平稳地拉入同步。第九章 无刷直流电动机9-1、直流无刷电机的优越性 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定 负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏 之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导 体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流 电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 9-2、直流无刷电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响： N=120f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率 并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子 维持一定的转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 (1) ：电源部提供三相电源给电机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般为24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器(converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先将直流电压由换流器 (inverter)转成3相电压来驱动电机。换流器(inverter)一般由6个功率晶体管(Q1Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂 (Q2、Q4、Q6)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供PWM(脉冲宽度调制)决定功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相 的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall- sensor)，做为速度之闭回路控制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。 图一直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器 (inverter)中功率晶体管的顺序，如 下（图二） inverter中之AH、BH、CH(这些称为上臂功率晶体管)及AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆 向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控制部又再开 启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要电机转子反向则功 率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如下： AH、BL一组AH、CL一组BH、CL一组BH、AL一组CH、AL一组CH、BL一组 但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 图二当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令 (Command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或)开关 导通，以及导通时间长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由PWM来完成。PWM是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的PWM才是要 达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的CLOCK 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间，另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速 度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重 要。或者速度回传改变以encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无 法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自 然就要补偿，方式有传统的工程控制如P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能 完全掌握，所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型P.I.D.控制的重要理论。 9-3、电机驱动器的保护措施 对于驱动器还要有保护措施，当负载过大或不当使用时会造成大电流而将功率晶体管烧毁。为了保护因电流超过规格而破坏驱动器，一般会以加大功率晶体 管耐电流或加电流sensor做为保护。其次当电机负载不小的时候，在停止转动时由电机端回送至驱动器的能量及过电压都将危及驱动器，这可配合过电压保护 电路加上回生能量消散电路来防治。其它尚有hall-sensor正常与否判定也会影响PWM控制的正确性，这可由控制部判断并适时警告即可。 第十章 步进电动机10-1概述1. 特点：步进电动机是一种将数字式电脉冲信号转换成机械角位移的机电信号，它的机械角位移与输入的数字脉冲信号有着严格的对应关系：即一个脉冲信号可以使步进电动机前进一步，因此，又被称为脉冲电动机。是一种比较理想的执行元件。步进电动优点比较多：可以直接实现数字控制，控制性能好，无摩擦，抗干扰能力强，误差不长期积累，具有自锁能力和保持转矩的能力。2. 分类：主要有反应式、励磁式等。反应式步进电动机的转子上没有绕组，依靠变化的磁阻生成磁阻转矩工作。励磁式步进电动机的转子上有磁极，依靠电磁转矩工作。反应式步进电动机的应用最为广泛，它有两相、三相、多相之分，也有单段、多段之分。10-2基本原理一、 反应式步进电动机的结构特点 步进电动机由定子和转子两大部分组成。 例：三相反应式步进电动机的结构简图如图10.1所示，定子有六个磁极，每相对磁极构成一相控制绕组，转子上有均布的四个齿。概念：齿距就是相邻两齿中心线（或称齿轴线）的夹角，又称为齿距角，计算公式为： 图3-1 三相反应式步进电机模型 （3-1） 齿距角； 转子齿数二、工作原理：1. 基本原理：反应式步进电动机是由通电相控制绕组使该相控制极建立磁场，由于转子齿槽磁导的差异，当定子齿轴线与转子齿轴线不一致时，磁极对转子齿将产生吸力，进而形成电磁转矩反应转矩，并最终使转子齿轴线转至与定子磁极齿轴线一致，转据磁导最大的位置。如果按照一定的顺序给各相控制绕组轮流通电，将在定子内空间形成步进式磁极轴旋转，转子在反应式电磁转矩的作用下，随之作步进式转动。（a）A相通电 （b）B相通电 （c）C相通电图10-1 反应式步进电动机的工作原理图例：四相反应式步进电动机局部展开图，它有八个控制磁极，每磁极上带有五齿四槽，转子上有均布的50个齿槽，则每相邻相磁极中心线夹角极距角图10.2四相反应式步进电动机局部展开图经过四次换接通电状态，就完成了一个循环。拍：称每一次通电状态的换接为拍，每一拍转子相应旋转一个步距角；把完成一个通电状态循环所需要换接的控制绕组相数或通电状态次数称作拍数，用N表示，则步距角 或 （10-1）转速：步进电动机即可作单步运行（按控制指令转过一定的角度），又可连续不断的旋转。当外加一个控制脉冲时，即每一拍，转子将转过一个步距角，这相当于整个圆周角的，也就是转，如果控制脉冲的频率为f，转子的转速为（r /min） （10-2）2. 通电状态： 单相轮流通电方式：每次切换前后只有一相绕组通电。特点：在这种通电方式下，电动机工作的稳定性较差，容易失步。如：四相单四拍 双相轮流通电方式：每次有两相绕组通电，通电状态切换时，转子转动平稳，且输出力矩较大，这种通电方式定位精度高而且不易失步。如：四相双四拍： 单双相轮流通电方式：上述两种通电方式的组合。如：四相八拍：经过八拍完成一个循环。步距角为四相单四拍或四相双四拍的一半10-3静态特性电角度的概念：从步进电动机的工作原理可看出，无论以何种方式 单拍制或双拍制通电，完成一个通电循环，转子将转过一个齿距角。再经过一个循环，转子将重复刚才的运动，继续转过一个齿距。因此步进电动机的特性完全可由一个齿距范围（一个齿与一个槽）内的特性来代表。定义电角度等于机械角度与转子齿数乘积 用电角度表示的齿距角为 （10-3）无论转子齿有多少个，以电角度表示的齿距角和步距角与齿数无关。一、矩角特性（重点）1 单项控制的矩角特性单相控制绕组通电状态不变的条件下，控制磁极对转子作用的电磁转矩与转子偏转角的关系以A相控制绕组为基准： （10-4）图10-3 矩角特性曲线族*静稳定区：通电状态不变的情况下，当转子去掉外转矩后，能回到初始稳定平衡位置的转子偏转角范围。2 多相控制时的矩角特性三相步进电动机：单相控制，A相控制绕组通电时 （10-5） 四相步进电动机：以A相为基准，采用四相单四拍运行时，各相控制绕组单独通电的矩角特性 （10-6）应用叠加原理，可以方便地得到四相双四拍的矩角特性曲线族和它的解析表达式： （10-7）图10-4 四相步进电动机多相控制10-4动态特性一、 单脉冲作用下的运行又称单步运行，即在带电不动的初始状态下，切换一次脉冲电压。1 空载状态图10-5 空载状态的单步运行2 负载状态图10-6 负载状态的单步运行3 负载能力：起动转矩：各项矩角特性曲线的交点 代表的电磁转矩值为步进电动机单步运行所能带动的最大负载转矩，称为起动转矩。当时，电机才能正常运转图10-7 负载能力4 单脉冲作用下电动机的震荡现象设电动机的负载转矩为零，一相控制绕组通电，转子处于静态稳定平衡位置。设为偏转角（机械角），考虑粘性摩擦产生的阻转矩，转子的运动方程 （10-8）此为衰减震荡过程二、 连续运行时步进电动机的动态特性1 动稳定区和稳定裕度：*动稳定区：在第n相控制绕组通电状态换接为第n+1相控制绕组通电状态瞬间，转子位置只要在这个区间，就能转向新的稳定平衡点,且不超过不稳定平衡点。把区域称作动稳定区。的范围叫做稳定裕度 图10-8 静稳定区和动稳定区2 步进电动机的起动过程和起动频率起动过程：设步进电动机的负载转矩为零，在一相控制绕组恒定通电时，转子位于稳定平衡点。由A换接到B相运动，下一拍时分两种情况：（1） 转子角位移较大，在点换接到，矩角特性转矩为正，可以到达新稳定平衡点（2） 转子角位移不大，在点切换，矩角特性转矩为负，将不能到达新稳定平衡点图10-9 起动过程分析10-5驱动电路图10-10 驱动电路基本构成步进电动机的运动由一系列电脉冲控制，脉冲发生器所产生的电脉冲信号，通过环形分配器按一定的顺序加到电动机的各相绕组上。为了使电动机能够输出足够的功率，经过环形分配器产生的脉冲信号还需要进行功率放大。环形分配器、功率放大器以及其他辅助电路统称为步进电机的驱动电源。步进电动机、驱动电源和控制器构成步进电动机传动控制系统一、单一电压型驱动电路步进电动机一相的驱动电路如图3.12所示。这种电路的特点是线路简单，成本低，低频时响应较好；缺点是效率低，尤其在高频工作的电动机效率更低。在实际中较少使用，只有在小功率步进电动机且在简单应用中才使用。图10-11单一电压型驱动电路二、 双电压驱动电路双电压驱动电路习惯上称为高低压切换电路，其最后一级如图3.13a所示。这种电路的特点是电动机绕组主电路中采用高压和低压两种电压供电，一般高压为低压的数倍。适用于大功率和高频工作的步进电动机，优点是功耗小，起动力矩大，突跳频率和工作频率高，缺点是低频振荡加剧，波形呈凹形，输出转矩下降；大功率管的数量多用一倍，增加了驱动电源。三、升频升压驱动电路为了减小低频振动，应使低速时绕组电流上升的前沿较平缓，这样才能使转子在到达新的稳定平衡位置时不产生过冲，而在高速时则应使电流有较陡的前沿，以产生足够的绕组电流，才能提高步进电动机的带载能力。这就要求驱动电源低频时用较低的电压供电，高频时用较高的电压供电。升频升压驱动电路可以较好地满足这一要求。四、细分驱动电路如果要求步进电动机有更小的步距角，更高的分辨率(即脉冲当量)，或者为减小电动机振动、