第12章 驱动与控制用微特电机.ppt

1、第12章驱动和控制用微电机，刘金波山东大学控制科学工程学院，内容介绍，各种微驱动电动机和控制电动机(单相异步电动机，交流，直流伺服电动机，交流，直流速度发电机，旋转变压器，磁，直线电动机，超声波电动机)的结构，工作原理控制电动机：在电气拖动系统中完成信号转换和传输(例如，速度计发电机、磁路、旋转变压器等)。12.1单相异步电动机，单相异步电动机：单相异步电动机是单相电源异步电动机的统称。一般由定子两相绕组和转子松鼠黑木启司绕组组成。A，单相绕组通电时异步电动机的磁场和机械特性，单相异步电动机的结构如图12.1a所示。图12.1单相异步电动机的结构和磁场，图12.1中的定子包括两相绕组，单相主绕

2、组(也称为工作绕组)。另一阶段是启动绕组(也称为辅助绕组)，两相定子绕组空间差，转子是松鼠黑木启司结构。主绕组单独开机，绕组打开时刘涛电机产生的电磁转矩分析：6.5节的结论：单相绕组通过单相正弦交流电流时，产生脉冲磁力。麦珍磁力可以分为两个大小(麦珍磁大小的一半)、旋转速度(都是同步速度)、相反旋转磁(见图12.1b)，分析表达式可以分为、(6-56)、表达式中的两个旋转磁。旋转磁场分别切割转子绕组，在转子绕组中检测电势和电流。定子旋转磁场与转子感应电流相互作用，分别在转子上产生正、反转的电磁转矩。其中，对于正向旋转磁场，转子的旋转率为，(12-1)，对于反向旋转磁场，转子的旋转率为，(12-

3、2)，如果考虑正，反转旋转磁力的大小，那么三相异步电动机的旋转率为，如图12.2所示，根据图12.2单相异步电动机的等效电路、图12.2所示的等效电路忽略磁电流，可以通过、(12-3)获得单相异步电动机的电磁转矩。其中，转子电流(12-4)，图12.3分别给出，纵向和横向坐标颠倒，获得单相异步电动机的机械特性，如图12.3b所示。、图12.3单相异步电动机的曲线和机械特性，结论：对于单相绕组，如果转速为零，则合成电磁转矩为零。也就是说，单相绕组通电时，不会发生启动转矩。在外力作用下，当转子开始向特定方向旋转时，合成电磁扭矩不再为零。即使外力移除，转子也会继续沿该方向旋转。因此，转子的方向取决于

4、最初开始施加外力的方向。理想的空载速度低于同步速度。也就是说，单相异步电动机的额定转速高于普通三相异步电动机。，B，设置异步电动机在打开两相绕组电源时的磁场和机械特性，A，两相绕组电源打开时异步电动机的旋转磁场，单相异步电动机主线圈和辅助绕组(见图12.1a)的空间交互。有效绕组分别通过、主、次绕组通过以下电流：磁电势的逆旋转大小为。合成磁电位是值发生变化的椭圆旋转磁电位，如图12.5所示，因为两个旋转磁电位的大小不相同，而是向相反方向旋转。图12.5定子电流产生的椭圆旋转磁电位，定子基波合成磁电位为：(12-8)，图12.5中定子合成磁电位为x轴，沿y轴分别为，(12-9)，定子基波合成磁电

5、位的轨迹为，图12.6显示了两相绕组异步电动机通过不同大小(或相位不同)的电流时的机械特性。得出了图12.6两相绕组异步电动机的机械特性，即当主绕组和辅助绕组分别通过不同大小(或相位不同)的电流时，两相绕组异步电动机产生起动转矩的结论。C，单相异步电动机类型，A，电阻分相单相电动机，图12.7电阻分相单相异步电动机，特征：主、次绕组(或起动绕组)空间差辅助绕组的电阻与电抗的比率比主绕组高，因此两个绕组在相同电压下流动的电流相位不同。图12.7中的离心开关K是常闭触点，当连接到单相交流电源时，两相绕组各通过两相不对称电流，因此电气机会因椭圆旋转磁场而产生起动转矩。转子转速达到7580%额定速度时

6、，离心开关K断开，辅助绕组脱离电源，仅在主绕组上工作。图12.8显示了电阻分型单相异步电动机的典型机械特性曲线。图12.8电阻分相单相异步电动机的典型机械特性曲线，B，电容启动单相电动机，图12.9电容单相启动异步电动机，特征：主、次绕组的匝数通常相同(或不同)，次绕组与电容器C和离心开关K串联后与电源平行。由于电容器的作用，辅助绕组的电流比主绕组的电流近，定子旋转磁力接近圆形，启动扭矩大，启动电流小。图12.10显示了单相电容起动异步电动机的典型机械特性曲线。图12.10电容器启动单相异步电动机的典型机械特性曲线，C，电容启动和操作单相电动机，图12.11电容器启动和操作异步电动机的接线图，

7、特点：在辅助绕组上使用两个电容器，一个操作能力为启动容量，仅启动电容器和离心开关连接。上述方案使启动和运行时都能获得接近圆形的气隙合成旋转磁力，从而获得较大的启动扭矩，提高运行时的最大电磁扭矩。图12.12显示了电容器启动和操作式单相异步电动机的典型机械特性曲线。图12.12电容器启动和操作异步电动机的一般机械特性曲线，D，盖单相电动机，图12.13单相盖异步电动机的结构图，特征：定子采用凸形结构，主磁极配备工作绕组。每个磁极约三分之一处有一个带铜短路环(对应于启动绕组)的小插槽。，如果主极绕组通电，通过主极，但不通过短路环的磁通量为：通过短路环的磁通量由两部分组成。其中，由主极绕组电流产生，

8、由短路中的刘涛电流产生。如图12.13b所示，有磁通量和时间上的相位差。使转子从未遮罩的部分旋转到罩部分的方向。结论：罩极电机转子的方向是固定的。单相罩极电机的典型机械特性曲线如图12.12c所示。12.2伺服电动机，定义：伺服电动机是将输入控制信号转换为角度位移或角速度输出的电动机。分类：A，直流伺服电动机，直流伺服电动机主要采用两种控制方法：(1)电枢控制方法。(2)磁场控制。电枢控制是以定子绕组为刺激器绕组，电枢绕组为控制绕组的控制方法。设定控制电压，主磁通量保持不变，电枢反应被忽略。直流伺服电动机的机械特性为，(12-11)。根据常识，可分别获得直流伺服电动机的机械特性和曹征特性。A，

9、机械特性，定义：在控制电压的特定条件下，转子速度和电磁转矩之间的关系曲线被定义为机械特性。根据格式(12-11)徐璐绘制不同控制电压的机械特性，如图12.14所示。图12.14直流伺服电动机的机械特性，B，曹征特性，定义：在负载转矩保持不变的情况下，转子速度和控制电压之间的关系曲线被定义为曹征特性。根据格式(12-11)，可以徐璐绘制不同载荷力矩下的曹征特性，如图12.15所示。图12.15直流伺服电动机的曹征特性，起始电压概念：直流伺服电动机的曹征特性和水平坐标的交点称为恒负载转矩下电动机的起始电压。直流伺服马达具有特定大小负载的死区(或失败区)，死区的大小与负载扭矩成比例。B，交流伺服电动

10、机，结构特点：定子两相绕组空间相互形成。单相绕组通过电磁绕组直接连接到单相交流电源。另一步输入为控制绕组，输入为控制电压。A、交流伺服电动机的特殊要求，与普通异步电动机不同，交流伺服电动机必须线性满足： (1)机械特性。(2)控制信号消失后，转子没有“旋转”现象。(1)普通异步电动机的机械特性如图12.16中的曲线1所示。在整个电动机运行范围内，可以看到机械特性不是转矩的单值函数。图12.16异步电动机的机械特性如下：转子电阻大，保证线性机械特性，满足交流伺服电动机线性机械特性的要求，一般是增加转子电阻，产生最大电磁转矩的转速。相应的交流伺服电动机的机械特性如图12.16中的曲线2所示。显然，

11、电动机的机械特性在总速度调节范围()内接近线性。(2)控制信号消失后，无转子自转现象意味着伺服电动机在控制信号为零的情况下可以自行停车。图12.17a示出了转子电阻小的普通驱动异步电动机单相绕组开机时的机械特性。图12.17a还提供了两相绕组交流伺服电动机的单相电源(即控制电压为零)以及转子电阻大时的机械特性。图12.17两相交流异步电动机单相电源时的机械特性，交流伺服电动机的转子电阻足够大，普通交流电动机转子电阻较小，普通交流电动机转子电阻如图12.17a所示。对于普通异步电动机，当打开单相绕组电源(控制电压等于0)时，转子电阻较小，因此对于正交流伺服电动机，如果控制电压为0，则转子电阻很大

12、，因此正向工作的电动机仍然存在负电磁转矩，因此如果控制电压消失，转子就不会自转。，结论：两相交流伺服电动机的转子电阻比普通异步电动机大，因此，机械特性在全调速范围内接近线性，并且单相绕组通电(即控制电压为零)时，转子不会发生“自转”现象。B，控制方法和操作特性，在保持磁电压不变的情况下控制交流伺服电动机的方法：振幅控制相位控制振幅-相位控制，(1)振幅控制时的操作特性，图12.18交流伺服电动机尺寸控制时的接线图，有效信号系数：将控制绕组的附加电压设置为额定值，因为当时定子绕组仅由磁线圈提供单相电源当时相应的气隙合成磁力仪是椭圆旋转磁力仪。根据上述结论，徐璐不同值时的机械特性曲线如图12.19

13、a所示。图12.19交流伺服电动机尺寸控制的机械特性和曹征特性，使用尺寸控制时交流伺服电动机的曹征特性可通过机械特性获得，如图12.19b所示。(2)相位控制时的操作特性，图12.20交流伺服电动机相位控制时的接线图，相位控制时的信号系数：设定控制电压延迟和磁电压的相位定义为相位控制时的信号系数。当时相应的气隙合成磁力仪是圆形旋转磁力仪。当时相应的气隙合成磁电位是脉冲振动磁电位。当时气隙合成磁力仪是椭圆旋转磁力仪，合成电磁转矩取决于椭圆度。根据上述结论，图12.21a显示了交流伺服电动机采用相位控制时的机械特性。图12.21交流伺服电动机相位控制的机械特性和曹征特性，以及交流伺服电动机使用相位

14、控制时的曹征特性可从相应的机械特性中获得，如图12.20b所示。(3)振幅-相位控制时的操作特性，图12.22交流伺服电动机振幅-相位控制时的接线图，振幅-相位控制时交流伺服电动机的机械特性图12.23a所示，相应的曹征特性也可以从相应的机械特性中获得，如图12.23b所示。图12.23交流伺服电动机大小-相位控制时的机械特性和曹征特性，C，力矩电动机，特性：低速，大力矩齿轮等减速机构不减速，不需要直接驱动负载低速运行。负载速度由控制电压信号控制。可以低速长期稳定地工作。机械特性和调节特性的线性性好。分类：直流力矩电动机交流力矩电动机，图12.24显示了典型永磁直流力矩电动机的结构图。图12.

15、24永磁直流力矩电动机的结构图，1铜环2定子3刷4电枢绕组5槽楔和交换板6转子，12.3转速计发电机，定义：转速计发电机是将机器转速按比例转换为电压信号的控制电动机。分类：直流速度表发电机交流速度表发电机，A，直流速度表发电机，图12.25直流速度表发电机的接线图，如果负载后负载电阻为，则正负刷之间的输出电压为，(12-12)，(12-12)，图12.26直流测速发电机的输出特性，结论：从信号转换的角度来看，直流测速发电机和直流伺服电动机是一对可相互反转的电动机。直流伺服电动机将直流电压信号转换为旋转速度信号，直流速度发电机将速度信号转换为直流电压信号。B，交流转速计发电机，结构特征：精子由具有空间差异的两相分布绕组组成。在这里，一相绕组是磁绕组，另一相是输出绕组。转子采用中空杯结构。为了减少主磁路的磁电阻，空