7第7章驱动和控制微电机

即当S 0时，S 2,当S 0时，S 2




第7章 驱动和控制微电机
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分析：
⑴ 转子静止时，n=0,S=1，合成转矩为0。单相异步电动机无起
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一相断线时，相当于一台单相异步电动 机，故不能自起动。 ⑵ 当s≠1时，T≠0，T的方向，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。 三相异步电动机运行中断一相，电机仍能继续运转。 ⑶ 由于存在负序转矩，使合成转矩减小，过载能力降低，TL 不变，n下降→S上升→I2`上升→I1上升→温升增加。
图7.2.6 交流伺服电机工作原理图
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二、交流伺服电动机的工作原理 1. 当控制电压为零时：只有励磁电流产生脉动磁场， 转子不动。 2. 当有控制电压时：励磁绕组和控制绕组中的电流共 同产生一个合成的旋转磁场，带动转子旋转。
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说明： ⑴ “自转”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
教学要求： ⒈ 了解单相异步电动机的结构特点；
⒉ 掌握单相异步电动机的工作原理，弄清单相异步电动
机为什么不能自起动？
⒊ 重点掌握单相异步电动机的的起动方法与类型。
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7.1.1 单相异步电动机的工作原理 一、 单相异步电动机的结构 单相异步电动机的转子就是普通的笼型转子。定子铁心由 硅钢片叠压而成，嵌有定子绕组。 为了产生起动转矩，单相异步电动机定子上都安放两套绕 组，一个为工作绕组，另一个为起动绕组，两个绕组在空间相 距900电角度。 起动绕组一般只在起动时接入，起动完毕就与电源断开， 正常运行只有一个工作绕组接在电源上。 也有一些电容或电阻电动机，运行 时仍然接于电源上，实 质是两相电机，由于接在单相电源上，仍称为单相异步电动机。
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图7.1.7 单相罩极电动机
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2、工作原理
3 1 k
.
.
.
3 在时间上滞后 1 一个角度Ψ ，而两个绕组在空间也
相隔一个角度，产生旋转磁场，转向由未罩极部分转向罩 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： 1） 定子上绕制两套起动绕组； 2） 将定、转子反向安装。 4、优缺点：起动转矩小，结构简单，不需要电容器。 5、应用: 用于小容.
.
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7.1.3 单相异步电动机的应用 1、单相异步电动机广泛应用于家用电器、医疗器械及轻工设 备中。 2、单相异步电动机应用于电风扇的情况： ⑴ 电风扇的工作原理； ⑵ 电风扇的调速方法：串电抗器调速法；
电动机绕组抽头法。
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7.2 伺服电动机
伺服电动机又称执行电动机，它可以把输入的电压信号转换为电机轴 上的角速度或角位移等机械信号输出。 伺服电动机分为：直流和交流伺服电动机两类。
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图7.1.2 单相异步电动机的磁场和转矩
图7.1.3 三相异步电动机的 s(n)
f (Tem) 曲线
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设电动机转速为n，则对正转磁场而言，转差率s+为
n1 n S S n1

对反转磁场而言，转差率s-为
n1 n S 2S n1
图7.2.5 直流伺服电机调节特性
2、调节特性：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图7.2.5所示。
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7.2.2 交流伺服电动机 一、交流伺服电动机的基本结构
交流伺服电动机为两相交流电机，由定子和转子两部分组成。转子有高 电阻率导条的笼型转子和非磁性空心杯型转子两种。定子为两相绕组，并 在空间相差90°电角度，一个为励磁绕组，另一个为控制绕组。如图7.2.6所示：
4.了解自整角机的结构与工作原理，误差分析与选用时应注意的问题以及应用
情况； 5.了解旋转变压器的结构与工作原理、误差及其改进方法，掌握旋转变压器的
各种补偿控制方法，了解旋转变压器的应用情况；
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6.了解永磁式、反应式和磁滞式同步电动机的结构、工作原理、 特点及应用情况；
7.掌握步进电机的结构和工作原理，了解步进电机的频率特性、
2、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—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动 机的转速，这种控制方法称为幅值—相位控制。
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7.2.3 伺服电动机的应用
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图7.1.1 单相异步电动机结构
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二、单相异步电动机的工作原理 1 、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正弦交流电流产生脉动磁动势，
它可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的圆形
旋转磁动势F+和F-，建立起正转和反转旋转磁场ф+和ф-， 这两个旋转磁场切割转子导体，分别在转子导体中产生感 应电动势和感应电流，从而产生正向电磁转矩Tem+和反向 电磁转矩Tem_，叠加后即为推动转子转动的合成转矩Tem。
转速关系式：
Ra U n Tem ke ke kT
1、机械特性：指在控制电压保持不变的情况下，直流伺服 电动机的转速n随转矩变化的关系。
n n0 kTem
式中：
Ra U n0 , k ke ke kT
控制方式：电枢控制和磁极控制，实际中主要采用电枢控制方式。
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⑴ 盘形电枢直流伺服电动机；
⑵ 空心杯电枢直流伺服电动机； ⑶ 无槽电枢直流伺服电动机。
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图7.2.1 盘形电枢直流伺服电动机结构
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图7.2.2 空心杯电枢直流伺服电动机结构
图7.2.3 无槽电枢直流伺服电动机结构
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二、直流伺服电动机的运行特性
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7.1.2 单相异步电动机的主要类型
根据获得旋转磁场方式的不同，分为分相电动机和罩极电动机 一、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. 1、电容起动电动机 特点： ⑴ 起动绕组和电容按短时工作设计； ⑵ 电容起分相和提高功率因数的作用。 由于起动绕组和电容按短时工作设计 ，因此，当n达70～ 85%n1时，离心开关自动断开。 ⑶ 改变电容起动电动机的转向，只需将工作绕组或起动绕 组的两个出线端对调即可。
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基本要求：
1.熟练掌握单相异步电动机的工作原理及主要类型，了解其应用情况； 2.熟练掌握直流伺服电动机的基本结构、运行特性及实际应用，熟练掌握交流
伺服电动机的工作原理、特性、控制方式及实际应用；
3.掌握测速发电机的工作原理，了解测速发电机的输出误差的原因，掌握减小 输出误差的方法；
教学要求： ⒈ 了解伺服电动机的结构和类型； ⒉ 掌握直流伺服电动机的工作特性；
⒊ 掌握交流伺服电动机的工作原理及控制方式；
⒋ 了解伺服电动机的应用。
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7.2.1 直流伺服电动机
一、直流伺服电动机的结构和分类
直流伺服电动机实质上就是一台他励式直流电动机。
分类： ㈠ 传统型直流伺服电动机：普通型直流伺服电机，分为电 磁式和永磁式两种。 ㈡ 低惯量型直流伺服电动机
速n之间的关系，称为输出特性，如图7.3.1所示。
Ea U2 Cn Ra 1 RL
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n
图7.3.1 不同负载电阻时的输出特性 图7.3.1 不同负载电阻时的输出特性
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二、直流测速发电机的误差及减少误差的方法 1. 直流测速发电机的误差 ⑴ 电枢反应的影响；
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。
U n n0 ke
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。
U TD kT Ra
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直流伺服电动机的机械特性如图7.2.4所示：
图7.2.4 电枢控制的直流伺服电机机械特性
驱动电源以及应用情况； 8.了解开关磁阻电动机系统的组成、特点及应用情况； 9.了解直线异步电动机的结构、工作原理及应用情况； 10.了解永磁直流无刷电动机的结构、工作原理、运行特性、控
制方法以及应用情况。
11.了解交直流两用电动机的结构、工作原理、工作特性及应用 情况；
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7.1 单相异步电动机
一、空心杯转子异步测速 发电机的工作原理
图7.3.2 异步测速发电机工作原理
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1、n=0电机不转 输出电压 2、n U2=0
0
电机旋转
切割电动势大小:
Er Cr d n
q Frq Fr Er n E2 q n
⑵ 电刷接触电阻的影响；
⑶ 温度的影响；
⑷ 纹波的影响。
2.减少误差的方法：
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7.3.2 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两种，其中异步测速发电机应用 广泛，其又分为笼型和空心杯型两种。空心杯型测速发电机测量精度高、 转动惯量小，性能稳定，适于快速系统，应用比较广泛。
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本章主要介绍单相异步电动机、伺服电动机、测速发电机、自整角机、 旋转变压器、微型同步电动机、步进电动机、开关磁阻电动机、直线异步电动 机、永磁无刷直流电动机和交直流两用电动机的工作原理及其应用。