电机与电机控制技术 课件 第4章 控制电动机

4.1步进电动机第四章控制电动机知识学习——步进电动机学习目标1．了解步进电动机的作用和用途2．熟悉步进电动机的结构3.掌握反应式步进电动机的工作原理4.了解反应式步进电动机运行特性

5．初步了解步进电动机的驱动电源及其构成知识学习——步进电动机的应用

步进电动机是一种将脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移的机电执行元件。步进电动机可以在不作A/D转换的情况下直接将数字脉冲信号转换成角位移或直线位移，因此特别适合用作数字控制系统的伺服驱动元件，在当代机械加工领域、工业自动化领域应用广泛。

步进电动机的种类很多，按运行原理划分有磁阻反应式（也叫VR型）、永磁式（也叫PM型）及混合式（也叫HB型）。近些年又发展出直线式步进电动机、平面步进电动机等等新的种类。知识学习————步进电动机的应用4.1.1步进电动机的分类及结构1.步进电动机的种类知识学习————步进电动机的应用4.1.1步进电动机的分类及结构2.步进电动机的结构（1）反应式步进电动机

反应式步进电动机的定、转子磁路均由硅钢片叠压而成，定子上有多相绕组，利用磁阻的变化产生转矩，是当前应用最为广泛的步进电动机。反应式步进电动机的相数通常为三、四、五、六相，如图为三相式。

知识学习————步进电动机的应用4.1.1步进电动机的分类及结构2.步进电动机的结构（2）永磁式步进电动机永磁式步进电动机定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子磁极为凸极，极弧上不开小齿，磁极上装有集中线圈并将它们连接成二相或多相绕组。转子为凸极式星形磁钢。转子的极数与每相定子绕组的极数相同。图4-5所示为一永磁式步进电动机的断面示意图，其具有二相二对极的绕组（A0、B0），转子为二对极的磁钢。知识学习————步进电动机的应用4.1.2反应式步进电动机的基本工作原理1.绕组通电控制模式（1）三相单三拍通电模式

电动机的转速取决于绕组通电和断电的频率（即输入脉冲的频率），旋转方向取决于绕组轮流通电顺序，若电动机通电次序改为A-C-B-A……，则电动机反向转动。知识学习————步进电动机的应用4.1.2反应式步进电动机的基本工作原理1.绕组通电控制模式（2）三相双三拍通电模式

绕组的通电方式为AB-BC-CA-AB或AB-CA-BC-AB。每一拍同时有两相绕组通电，三拍为一个循环。当A、B两相绕组通电时，转子齿的位置应同时考虑到两对定子磁极的作用，只有A相、B相的磁极对转子产生的磁拉力相平衡时才是转子的平衡位置，如图4-8所示。知识学习————步进电动机的应用4.1.2反应式步进电动机的基本工作原理2.基本参数计算（1）步距角计算

（2）转速计算

也可表示为知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标1.静态矩角特性

根据电动机的机电能量转换原理，可以推演出反应式步进电动机的矩角特性的具体关系式

矩角特性曲线知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标2.连续脉冲运行时的频率特性（1）控制脉冲频率对电动机运行的影响

步进电动机处于持续脉冲控制下连续转动时，可能有三种运行状态：

①当脉冲频率很低时，前一次脉冲驱动下转子转过一步已经停止在平衡位置而后一脉冲尚未发送，导致电动机每一步都同单步运行相似，具有明显的步进特征。

②频率较高时，脉冲持续时间比转子衰减振荡时间短，转子在新的平衡位置处于振荡状态还未稳定下来但下一个脉冲已到，如此可能导致转子运转步数与脉冲数不再符合既定的比例规律从而出现所谓的失步现象。③脉冲频率很高，脉冲间隔时间很短，在前一次脉冲驱动下转子尚未达到振荡的幅值，甚至还没有达到新的稳定平衡位置，但后一次脉冲已经到达，此时电机的运行就会由步进变为连续平滑转动，转速很平稳。需要注意的是，脉冲频率如果过高同样会导致失步现象。知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标2.连续脉冲运行时的频率特性（2）矩频特性步进电动机的磁阻转矩与脉冲频率的关系称为矩频特性。反应式步进电动机的矩频特性可由如下定性曲线描述知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标2.连续脉冲运行时的频率特性（3）起动矩频特性与起动惯频特性

步进电动机负载转矩与起动频率的关系称为起动矩频特性，一般反应式步进电动机的起动矩频特性如图步进电动机转子惯量与起动频率的关系称为起动惯频特性，一般反应式步进电动机的起动惯频特性如图起动矩频特性曲线起动惯频特性曲线知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标3.主要性能指标

实际应用中，需要加装滚珠丝杠等机械传动装置将步进电动机的回转运动转变为直线运动。故步距角常常根据系统要求的脉冲当量和丝杆螺距来计算如下：

知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标3.主要性能指标

静态步距角误差即实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。

最大静转矩是指步进电动机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值，可表为

知识学习————步进电动机的应用4.1.3反应式步进电动机的运行特性及主要指标3.主要性能指标（4）额定电流（5）额定电压

额定电压是指驱动电源提供的直流电压。一般情况下它不等于加在绕组两端的电压。国标规定步进电动机的额定电压如下，

单一电压型电源：6V、12V、27V、48V、60V、80V

高低压切换型电源：60/12V、80/12V

额定电流是指电动机静止时每相绕组允许通过的最大电流。知识学习————步进电动机的应用4.1.4驱动电源步进系统中的驱动电源

步进驱动系统实际上是一个机电一体化系统，步进电动机需要专门的驱动电源（或叫做驱动器）供电，电动机本体与驱动电源相互联系，步进驱动系统的性能是由电动机本体与驱动电源共同确定的。驱动电源的主体通常包含：脉冲发生器、脉冲分配器、脉冲功率放大器这三个部分。4.2

永磁同步伺服电动机第四章控制电动机知识学习——永磁同步伺服电动机学习目标1．了解永磁同步伺服电动机的作用和用途2．熟悉永磁同步电动机的结构3.初步掌握正弦波永磁同步电动机的工作原理及其稳态特性4.了解交流电机的矢量控制原理

5．初步掌握掌握无刷直流电动机的工作原理及驱动控制方法知识学习——永磁同步伺服电动机

永磁同步伺服电动机是当代一类优秀的控制驱动电机，常见的有无刷直流电动机、正弦波永磁同步伺服电动机，由于其在高品质运动控制输出（位移输出、速度输出等）方面的优异性能，在数控加工、工业自动化、新能源汽车、航空航天等方面应用广泛。知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.1伺服电动机概述

所谓伺服电动机就是具备高品质运动控制特征的驱动电机，伺服电动机具有控制输出精度高、动态响应快、运行稳定性好的特点，可以是直流机也可以是交流机、可以是同步机也可以是异步机，可以实现常见的位移（或位置）伺服控制输出、速度伺服控制输出，也能实现加速度以及更高阶运动参量的伺服控制输出。

伺服电动机的源起可追溯到二十世纪中叶，最初基本以他励、并励式有刷直流伺服电动机为主，二十世纪八十年代以后，随着高性能稀土永磁材料的逐步推广使用，在小型、微型容量范围之内各种类型永磁电机纷纷取代了传统电励磁电机，在此背景下，高性能的永磁式同步伺服电动机应运而生，成为了当代驱动领域的亮点之一。知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.2永磁同步伺服电动机的结构及类型1.永磁同步伺服电动机的结构1）永磁体表装式转子结构

表装式转子上永磁体呈瓦片状，位于转子铁芯外表面上，永磁体提供的磁通方向为径向，通常在永磁体外表面上加装非磁性圆筒形护套或在永磁磁极表面包扎无纬玻璃丝带作保护层。表装式转子通常制造工艺简单、成本低，如采用表贴式转子制造工艺简单、成本低。永磁磁极易于实现最优设计，可使电动机气隙磁通密度波形接近于矩形波或正弦波，能显著提高电动机及整个传动系统的性能。知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.2永磁同步伺服电动机的结构及类型1.永磁同步伺服电动机的结构1）永磁体表装式转子结构（1）表贴式（2）表面嵌入式表贴式表面嵌入式知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.2永磁同步伺服电动机的结构及类型1.永磁同步伺服电动机的结构2）永磁体内置式转子结构

永磁体位于转子内部，并且在永磁体外表面与转子铁芯外圆之间有铁磁材料制作的极靴。

有一部分永磁同步电动机在极靴中放置铸铝笼或铜条笼，起到起动和阻尼的作用。这种构造的永磁同步电动机动态、稳态性能俱佳，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能要求很高的同步电动机。

内置式转子结构又可分为径向式、切向式和混合式三种。如图所示为常见的径向式结构。知识学习————永磁同步伺服电动机4.2.2永磁同步伺服电动机的结构及类型2.永磁同步伺服电动机的类型

通常将电枢绕组中反电动势波形为梯形波、电枢电流为方波的永磁同步伺服电动机称为方波永磁同步电动机，也叫做无刷直流电动机，而将反电动势波形和电枢电流波形为正弦波的永磁同步伺服电动机称为正弦波永磁同步电动机。这两种永磁同步伺服电动机在结构上几乎完全相同，但工作机理、电磁模型以及控制方法上均有所不同。无刷直流电动机将在下一节单独进行讨论，接下来我们先介绍正弦波永磁同步电动机。无刷直流电动机正弦波永磁同步伺服电动机知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机1.稳态分析1）稳态运行时的电磁关系对于转子表贴式正弦波永磁同步电动机，当其稳定运行于同步转速时，可得其电压平衡方程：

由电压方程可得几种典型运行状态下的相量图：4.2.3正弦波永磁同步电动机2）稳态运行性能分析（1）电磁转矩与功角特性由电压平衡方程及相量图可得

由此，电压平衡方程可改写为进一步有

最终可得电动机的输入的功率为

忽略定子电阻时，电磁功率为

电磁转矩

由电磁转矩关系式得到的电磁转矩与功率角的关系曲线，称为功角特性曲线知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2）稳态运行性能分析（2）工作特性

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制

正弦波永磁同步电动机的驱动模式主要有三种，即：电压与电动势同相的驱动模式、电压固定在一个超前角的超前角驱动模式、磁场定向驱动模式。

与以上驱动模式相匹配的驱动控制方式则有两种，即：以电压正弦波脉宽调制技术为核心的幅值控制、以电枢电流解耦控制技术为核心的矢量控制。

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制1）矢量变换（1）三相/两相变换

三相/两相变换公式为

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制1）矢量变换（2）矢量旋转变换矢量旋转变换变换公式为

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制1）矢量变换

经过三相/两相变换、旋转变换这两次变换处理后获得的信号正好是直轴与交轴电流，可作为电动机运行时的实际交、直轴电流而用于反馈控制。

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制2）基于转子磁场定向的矢量控制模式

知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.3正弦波永磁同步电动机2.基于矢量变换的驱动控制2）基于转子磁场定向的矢量控制模式

基于正弦波永磁同步电动机的交流伺服系统

三环串级控制结构框图知识学习————永磁同步伺服电动机（正弦波永磁同步电动机）4.2.4无刷直流电动机1.基本工作原理

无刷直流电动机由电子开关线路中相应的功率开关器件的通断组合完成换向，故不需要电刷，它等同于一台定、转子反装的普通有刷永磁直流电动机，电枢为定子而永磁主磁极则在转子上。

无刷直流电动机基本构造

无刷直流电动机需要专用电源来驱动运行，故电动机本体与相应驱动电源构成所谓无刷直流电动机系统，一台三相两极的无刷直流电动机的系统结构框图如图所示。知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机1.基本工作原理

按如图某一三相两极的无刷直流电动机模型，三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管VT1、VT2、VT3相接。位置传感器与电动机转轴相连接。当定子绕组中某一相通电时，该电流与转子永磁体的磁极产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子永磁体位置变换成电信号去控制开关线路，从而使定子各相绕组以一定的次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到和机械换向器相同的换向作用。知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机2.控制方法

无刷直流电动机主电路的形式主要有：星型连接三相半控电路，如图（a），星型连接三相全控电路，如图（c），三角形连接三相全控电路，如图（e）。知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机2.控制方法

1）基于三相半控电路的控制方法设光电器件VP1被光照射，则功率晶体管VT1呈导通状态，电流流入绕组A-X，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按右侧图中的顺时针方向转动。当转子磁极转到右侧图（b）所示的位置时，直接装在转子轴上的旋转遮光板也随着同步转动，并遮住VP1而使VP2受光照射，从而使晶体管VT1截止、晶体管VT2导通，电流从绕组A-X断开而流入绕组B-Y，使得转子磁极朝顺时针方向转动，并带动遮光板同时朝顺时针方向旋转。当转子磁极转到右侧图（c）所示位置时，此时遮光板已经遮住VP2，使VP3被光照射，导致晶体管VT2截止、晶体管VT3导通，因而电流流入C-Z，于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转，使转子磁极转到右侧图（d）所示的位置，即重新回到右侧图（a）所示位置。这样，随着位置传感器转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3的控制下，一相一相地依次通电，实现了各相绕组电流的换相。

三相半控电路的优点是简单，缺点是电动机本体的利用率很低，一个控制循环周期内每相绕组只有1/3时间通电，其余2/3时间处于断开状态，电动机没有得到充分的利用。各相绕组导通顺序及转矩变化规律知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机2.控制方法

1）基于三相全控电路的控制方法Y形连接三相全控桥式电路（1）两两导通方式Y形连接两两导通式转子位置

知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机2.控制方法

1）基于三相全控电路的控制方法Y形连接三相全控桥式电路（2）三三导通方式

Y形连接的反电动势波形及其在

三三导通方式下的变化规律知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机

1）电枢电流3.基本参数计算

电枢电流瞬时值

导通时间内电枢电流平均值

堵转电流

知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机

2）电磁转矩3.基本参数计算

（1）电磁转矩瞬时值（2）平均电磁转矩

（3）平均堵转转矩为

知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机3）转速3.基本参数计算

（1）稳态运行转速值

（2）理想空载转速为

知识学习————永磁同步伺服电动机（无刷直流电动机）4.2.4无刷直流电动机3.机械特性与调节特性

反应无刷直流电动机性态的是以下4个基本关系：

转矩系数电动势系数故此无刷直流电动机有和普通有刷直流电动机相似的机械特性和调节特性机械特性调整特性4.3直线电动机简介第四章控制电动机知识学习——直线电动机学习目标1.了解直线电动机的作用和用途2.了解直线感应电动机及直线直流电动机的结构

3.初步掌握直线感应电动机及直线直流电动机的工作原理

知识学习————直线电动机4.3.1概述在一些机电一体化系统及自动化装备中使用旋转电动机驱动会带来系统的整体体积较大、效率低、可靠性差、成本高等弊端，其负面影响是非常显著的。在这种背景下，近些年来直线电动机技术发展异常迅猛，应用日趋广泛也就成为必然。直线电动机传动主要具备以下优点①由于没有中间环节，故整个传动机构得以简化，提高了精度，减小了振动和噪音。②由于不存在中间传动机构的惯量与阻力矩的影响，因而加减速时间短，响应快。③由于没有电刷和换向器等易损件，可靠性提高，寿命延长。④直线电动机散热面积大，容易冷却，故可允许有较高的电磁复合，相同材料用量下可以设计制造出更高容量定额的电动机。⑤装配灵活性大，直线电动机容易与其他机构合为一体。知识学习————直线电动机4.3.2直线感应电动机1.结构与基本工作原理旋转感应电动机直线感应电动机

旋转感应电动机与直线感应电动机的电磁结构是基本相同的，将旋转三相感应电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，就得到了直线感应电动机。

旋转电动机的径向、周向和轴向，在直线电动机中分别变成了法向、纵向及横向，旋转电动机的定子、转子变成了直线电动机