電機與電機控制課件

電機與電機控制Motorandmotorcontrol電機與電機控制電磁學(xué)的知識Motorandmotorcontrol1常見電機介紹26無刷直流電機控制原理5直流電機控制原理4PWM調(diào)制原理7步進(jìn)電機控制原理3電機控制系統(tǒng)一、電磁學(xué)

PKPK一、電磁學(xué)

1820年發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)漢斯·奧斯特(HansChristianOersted，1777～1851年)，丹麥物理學(xué)家、化學(xué)家。一、電磁學(xué)

于1873年出版了科學(xué)名著《電磁理論》科學(xué)史上，稱牛頓把天上和地上的運動規(guī)律統(tǒng)一起來，是實現(xiàn)第一次大綜合；麥克斯韋把電、光統(tǒng)一起來，是實現(xiàn)第二次大綜合，因此應(yīng)與牛頓齊名。愛因斯坦高度評價法拉第的工作，認(rèn)為他在電學(xué)中的地位，相當(dāng)于伽利略在力學(xué)中的地位。法拉第奠定了電磁學(xué)的實驗基礎(chǔ)。

MichaelFaraday

JamesClerkMaxwell

一、電磁學(xué)

二、常見電機二、常見電機電機的作用：1.電能的生產(chǎn)、傳輸和分配中的主要設(shè)備；2.各種生產(chǎn)機械和裝備的動力設(shè)備；3.自動控制系統(tǒng)中的重要元件；電機是以電磁感應(yīng)和電磁力定律為基本工作原理進(jìn)行電能的傳遞或機電能量轉(zhuǎn)換的機械

。二、常見電機1.電能傳輸時為什么要用變壓器？2.為什么采取三相電能傳輸？二、常見電機交流電機：能輸出交流電流的發(fā)電機，或通入交流電流而產(chǎn)生機械運動的電動機。交流電機異步電機同步電機鼠籠式異步電動機繞線式異步電動機隱極式同步電動機凸極式同步電動機電機定子鐵心：定子沖片定子繞組其他部件：機座，端蓋，風(fēng)罩，銘牌定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子鐵心：轉(zhuǎn)子沖片轉(zhuǎn)子繞組其他部件：軸，軸承，風(fēng)扇二、常見電機MotorBasicsPopQuiz:Amotorislikea(n)… A)Resistor B)Capacitor C)Inductor D)Crazyspace-ageddevicewe aren’treallymeanttounderstand二、常見電機TheAnswerIs…(NotD)C)AnInductor!!…sortof…

二、常見電機AProblem:What’swrongwiththecircuitbelow?二、常見電機GettothePoint…Ithasresistance!AmotorislikeaREALinductor…notanIDEALinductor.二、常見電機RememberthisWaveform!Notehowthecurrentlevelsoff.Thiswillprovideasteadyspeed.二、常見電機交流電機結(jié)構(gòu)二、常見電機定子繞組二、常見電機轉(zhuǎn)子鐵心二、常見電機轉(zhuǎn)子繞組和軸二、常見電機異步電動機工作原理1、異步電動機定子上有三相對稱的交流繞組；2、三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場；3、轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場中；4、轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢；5、轉(zhuǎn)子導(dǎo)體通過端環(huán)自成閉路，并通過感應(yīng)電流。6、感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。7、電磁力作用在轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，并驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。二、常見電機同步發(fā)電機工作原理◆主磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。

◆載流導(dǎo)體：三相對稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體?！羟懈钸\動：原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場）。◆交變電勢(有效值，頻率)的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。

◆交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。二、常見電機凸極式轉(zhuǎn)子與水輪發(fā)電機凸極式轉(zhuǎn)子凸極式轉(zhuǎn)子常用在水輪發(fā)電機上。由于水輪機的轉(zhuǎn)速較低，要發(fā)出工頻電能，發(fā)電機的極數(shù)就比較多，做成凸極式結(jié)構(gòu)工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。水輪發(fā)電機二、常見電機隱極式轉(zhuǎn)子與汽輪發(fā)電機隱極式轉(zhuǎn)子隱極式轉(zhuǎn)子常用在汽輪發(fā)電機上。在大容量高轉(zhuǎn)速汽輪發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子圓周線速度極高，最大可達(dá)170m/s。細(xì)長的隱極式圓柱體轉(zhuǎn)子能減小轉(zhuǎn)子本體及轉(zhuǎn)子上的各部件所承受的巨大離心力。但是，考慮到轉(zhuǎn)子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和加工工藝較為復(fù)雜。

汽輪發(fā)電機二、常見電機三、電機控制系統(tǒng)三、電機控制系統(tǒng)四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

■面積等效原理

◆是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

◆原理內(nèi)容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。

?沖量即指窄脈沖的面積。

?效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。

?如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。

◆實例

?將圖7-1a、b、c、d所示的脈沖作為輸入，加在圖7-2a所示的R-L電路上，設(shè)其電流i(t)為電路的輸出，圖7-2b給出了不同窄脈沖時i(t)的響應(yīng)波形。

圖7-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

圖7-2沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形

四、PWM調(diào)制原理

■用PWM波代替正弦半波

◆將正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖寬度為/N，但幅值頂部是曲線且大小按正弦規(guī)律變化的脈沖序列組成的?！舭焉鲜雒}沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，這就是PWM波形。

◆對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。

◆脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形?！鯬WM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波?！龌诘刃娣e原理，PWM波形還可以等效成其他所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。

圖7-3用PWM波代替正弦半波

四、PWM調(diào)制原理

直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)

直流斬波器－－電動機系統(tǒng)原理圖和電壓波形四、PWM調(diào)制原理

2.斬波器的基本工作原理

在原理圖中，VT表示電力電子開關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當(dāng)VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞電流經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖，好像是電源電壓Us在ton時間內(nèi)被接上，又在T–ton時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。四、PWM調(diào)制原理

3.輸出電壓計算電動機得到的平均電壓為：四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

幾種典型PWM變換器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

1.不可逆PWM變換器四、PWM調(diào)制原理

工作狀態(tài)與波形四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

（2）有制動的不可逆PWM變換器四、PWM調(diào)制原理

工作狀態(tài)與波形四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

2）制動狀態(tài)四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

2.可逆PWM變換器四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

工作狀態(tài)與波形四、PWM調(diào)制原理

四、PWM調(diào)制原理

相關(guān)方程：四、PWM調(diào)制原理

性能評價四、PWM調(diào)制原理

（2）單極式可逆PWM變換器四、PWM調(diào)制原理

五、直流電機控制原理

工作原理U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II電流方向：上半邊向里，下半邊向外。如圖所示。五、直流電機控制原理

注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。由左手定則，通電線圈在磁場的作用下，使線圈逆時針旋轉(zhuǎn)。FFU+–NS電刷換向片II五、直流電機控制原理

FFU+–NS電刷換向片IIEE由右手定則，線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反。五、直流電機控制原理

直流電機由定子、轉(zhuǎn)子和機座等部分構(gòu)成。機座磁極勵磁繞組轉(zhuǎn)子勵磁式直流電動機結(jié)構(gòu)五、直流電機控制原理

1.轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。2.定子定子的分類：永磁式：由永久磁鐵做成。勵磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵磁。五、直流電機控制原理

根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵磁式的直流電機又可細(xì)分為：他勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。串勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。M他勵UfIfIaUM并勵UIfM串勵UM復(fù)勵U五、直流電機控制原理

電樞通入電流后，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機在磁場中轉(zhuǎn)動起來。通電線圈在磁場中轉(zhuǎn)動，又會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（用E表示）。電樞中的感應(yīng)電動勢FFU+–NS電刷換向片IIEE電樞電動勢及電壓平衡關(guān)系五、直流電機控制原理

根據(jù)右手定則知，E和原通入的電流方向相反，其大小為：KE：與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n：電動機轉(zhuǎn)速：磁通單位：（韋伯），n（轉(zhuǎn)/每分），E（伏）FFU+–NS電刷換向片IIEE五、直流電機控制原理

因為E與通入的電流方向相反，所以叫反電勢。U：外加電壓Ra:繞組電阻MRaIaE+–+–U以上兩公式反映的概念：(1)電樞反電動勢的大小和磁通、轉(zhuǎn)速成正比，若想改變E，只能改變

或n。(2)若忽略繞組中的電阻Ra，則，可見，當(dāng)外加電壓一定時，電機轉(zhuǎn)速和磁通成反比，通過改變

可調(diào)速。五、直流電機控制原理

KT：與線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)（與線圈大小，磁極的對數(shù)等有關(guān)）：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流電磁轉(zhuǎn)矩單位：

（韋伯），Ia（安培），T（牛頓米）由轉(zhuǎn)矩公式可知：(1)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件：必須有勵磁磁通和電樞電流。(2)改變電機旋轉(zhuǎn)的方向：改變電樞電流的方向或者改變磁通的方向。五、直流電機控制原理

六、無刷直流電機控制原理

六、無刷直流電機控制原理

主要特點無刷直流電機有刷直流電機換相方式電子換相電刷換相維護(hù)很少需要維護(hù)定期維護(hù)壽命長短效率高中等輸出功率和尺寸比高，散熱好。低制造成本較高低控制復(fù)雜，昂貴簡單，便宜電磁噪聲低高無刷直流電機、有刷直流電機性能比較無刷電機優(yōu)點六、無刷直流電機控制原理

無刷直流電機控制原理1、稀土永磁體的取向性好，可以方便地獲得具有較好方波形狀的氣隙磁場。

2、定子繞組采用集中整距繞組，方波磁場在定子繞組中感應(yīng)出來的電動勢為梯形波。

六、無刷直流電機控制原理

無刷直流電機控制原理六、無刷直流電機控制原理

無刷直流電機控制原理六、無刷直流電機控制原理

無位置傳感器控制系統(tǒng)硬件設(shè)計六、無刷直流電機控制原理

七、步進(jìn)電機控制原理

區(qū)別在于勵磁式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子上有勵磁線圈，反應(yīng)式步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)子上沒有勵磁線圈。種類：勵磁式和反應(yīng)式兩種。下面以反應(yīng)式步進(jìn)電機為例說明步進(jìn)電機的結(jié)構(gòu)和工作原理。七、步進(jìn)電機控制原理

步進(jìn)電動機的工作原理給A相繞組通電時，轉(zhuǎn)子位置如圖（a），轉(zhuǎn)子齒偏離定子齒一個角度。由于勵磁磁通力圖沿磁阻最小路徑通過，因此對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電磁吸力，迫使轉(zhuǎn)子齒轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到與定子齒對齊位置時(圖b)，因轉(zhuǎn)子只受徑向力而無切線力，故轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)的根本原因。七、步進(jìn)電機控制原理

三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機的原理結(jié)構(gòu)圖如下：ABCIAIBIC

定子內(nèi)圓周均勻分布著六個磁極，磁極上有勵磁繞組，每兩個相對的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個齒。定子轉(zhuǎn)子七、步進(jìn)電機控制原理

三相單三拍CA'BB'C'A3412

A相繞組通電，B、C

相不通電。由于在磁場作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖旋轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。七、步進(jìn)電機控制原理

CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當(dāng)C相通電時，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過30角，1、3齒和C′、C

磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A七、步進(jìn)電機控制原理

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環(huán)周期，一個循環(huán)周期包括三個工作脈沖，所以稱為三相單三拍工作方式。

按ABCA……的順序給三相繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子便一步一步轉(zhuǎn)動起來。每一拍轉(zhuǎn)過30°(步距角)，每個通電循環(huán)周期(3拍)轉(zhuǎn)過90°(一個齒距角)。七、步進(jìn)電機控制原理

三相六拍按AABBBCCCA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可以獲得更精確的控制特性。七、步進(jìn)電機控制原理

CA'BB'C'A3412CA'BB'C'A3412

A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'對齊。

A、B相同時通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過15，到達(dá)左圖所示位置。七、步進(jìn)電機控制原理

CA'BB'C'A3412

B相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B′對齊,又轉(zhuǎn)過15。3412CA'BB'C'A

B、C相同時通電，C'、C磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉