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1、第七章 微 控 电 机,微控电机:由驱动微电机和控制电机构成。 驱动微电机:用来拖动各种小型负载,功率一般都在750W以下, 因此外形尺寸较小,相应的功率也小,如单相异步电动机,微型同步电动机,直线电动机。本章主要介绍单相异步电动机。 控制电机:在自动控制系统中对信号进行传递和变换,用做执行元件或信号元件。主要有伺服电动机,步进电动机,测速发电机，旋转变压器,自整角机。,微控电机（主要指控制电机）在本质上和我们以前所讲的普通电机并没有区别,只是他们的侧重点不同而已: 普通旋转电机主要是进行能量变换，要求有较高的力能指标； 控制电机主要是对控制信号进行传递和变换，要求有较高的控制性能，如要求反应
2、快、精度高、运行可靠等。控制电机因其各种特殊的控制性能而常在自动控制系统中作为执行元件、检测元件和解算元件。,7.1 单相异步电动机,单相异步电动机定子上一般有 两个绕组：工作绕组（主绕组 m）、起动绕组(副绕组a) ，两绕 组在空间上相距90度电角度。转 子是笼型结构。起动绕组只在起 动时接入，起动后从电源断开。,一、单相异步电动机简介： 单相异步电动机就是指用单相交 流电源的异步电动机，由于只需要 单相交流电源供电，使用方便，在 家用电器（洗衣机、电冰箱、电风 扇）、电动工具（如手电钻）、医 用器械中得到广泛应用。,二、工作原理： 由于在正常运行时只有工作绕组接在电源上，即单相供电，下面首
3、先分析一相定子绕组通电时的机械特性。 1、一相定子绕组通电时的机械特性：,单相异步电动机只有工作绕组通入单相交流电时，将产生空间正弦分布的脉振磁通势F，一个脉振磁通势可以分解为转速相同、转向相反的两个旋转磁通势F+、F-,且F+=F-。,单相异步电动机的鼠笼转子在这两个旋转磁通势F+、F-的分别作用下,将分别产生使电动机正转和反转的电磁转矩T+、T-。,单相异步电动机的鼠笼转子所受的正转和反转的电磁转矩T+、T-，与鼠笼转子在三相异步电动机正向旋转磁通势F+（电源相序为正时）和反向旋转磁通势F- （电源相序为负时）作用下所受到的电磁转矩形状完全一样。即有：,一相定子绕组通电时的机械特性,T=T
4、+T- 为合成电磁转矩,右图为只有工作绕组通电时的机械特性曲线。通过该曲线可以看出： (1) 单相异步电动机(单绕组通电时)起动转矩为零，不能自起动。 (2) 若其它原因使电动机起动后，合成电磁转矩能使电动机继续正转或反转运行。,以上分析可见，单个绕组通电，单相异步电动机可以运行，但不能起动，因此必须有两相绕组才行。 2、两相绕组通电时的机械特性：,由图可知： 在F+F-的情况下,当n=0 时，T0,电动机能正向起 动， n0，T0电动机起动 后仍能继续运行。同理：若 F+F-,电动机可以反向起动 并反向运行。,单相异步电动机空间上相距90度 电角度的两相绕组同时通入不同 幅值、不同相位的交流
5、电流时， 一般情况下产生椭圆旋转磁通势 F。一个椭圆旋转磁通势也可以 分解为转向相反，大小不等的两 个旋转磁通势F+、F-, 若F+F-, 鼠笼转子在旋转磁通势的作用下 产生的电磁转矩特性如图（ 设F+F- ）。,两相绕组通电时的机械特性,从以上分析可以看出，单相异步电动机的关键问题是如何 起动的问题，而起动的必要条件是： 1）定子具有空间不同相位的两个绕组； 2）两相绕组中要通入不同相位的交流电流；,1）单相电阻分相起动异步电动机 2）单相电容分相起动异步电动机 3）单相罩极式异步电动机,第一个条件显然应该是满足的，所以，现在的关键问题是 如何实现电流的分相问题，根据分相方法的不同，我们把单
6、 相异步电动机又分为：,下面，具体分析单相电阻分相起动、单相电容分相起动 及单相罩极式异步电动机的起动方法：,三、各种类型的单相异步电动机： 1、单相电阻分相起动异步电动机,单相电阻分相起动异步电动 机的起动绕组通过一个起动开关和工作绕组并联接到单相电源上，如图：,通常设计起动绕组匝数比工作绕组匝数少一些，且导线截面小得更多，使起动绕组的电抗比工作绕组小，而电阻比工作绕组大，这样，使起动绕组的阻抗角小于工作绕组，两绕组并联接于U时，起动绕组电流Ia比工作绕组电流Im相位领先，如图，达到分相起动的目的。,2、单相电容分相起动异步电动机,单相电容分相起动异步电动机的起动绕组串联一电容器和一个起动开
7、关，再与工作绕组并联接到单相电源上，如图：,这样，起动绕组的阻抗呈容性，其起动电流Ia超前于电源U；工作绕组的阻抗呈感性，其起动电流Im滞后于电源U；两绕组并联接于U时，Ia比Im领先一个较大的相位，如图，达到分相起动的目的。,3、单相罩极式异步电动机,定子通入交流电流后，在主磁极感应磁通势，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。该电流在短路环所罩部分磁极中也感应产生磁通，致使有短路环部分和没有短路环部分的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来，如图。,单相罩极式异步电动机的定子铁心多制成凸极式，其转子仍为鼠笼式，定子都有凸起的磁极，每个磁极上有主绕组，极面的1/3处开有小槽，小槽
8、中嵌入短路铜环K，将部分磁极罩起来，故得名罩极式电机，如图。,图中电机转动方向：顺时针。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。,7.2 伺服电动机,伺服电动机（执行电动机），它将输入的电压信号转变为转轴的角位移或角速度输出，改变输入信号的大小和极性可以改变伺服电动机的转速与转向，故输入的电压信号又称为控制信号或控制电压。 根据使用电源的不同，伺服电动机分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机输出功率较大，功率范围为1600瓦，有的甚至可达上千瓦；而交流伺服电动机输出功率较小，功率范围一般为0.1100瓦。,1、简介 直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，只不过直流
9、伺服电动机输出功率较小而已。 由直流电动机原理可知：当直流伺服电动机励磁绕组和电枢绕组都通过电流时，电机旋转；当其中任一绕组断电时，电机停转。故输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组。,控制信号加到电枢绕组上，通过改变控制信号的大小和极性来控制转子转速的大小和方向，这种方式叫电枢控制；把控制信号加到励磁绕组上进行控制，这种方式叫磁场控制（使用场合少）。,直流伺服电动机线路图,一、直流伺服电动机,2：特性分析 直流伺服电动机电枢控制线路如图，励磁绕组接恒定直流电源Uf，电枢绕组接控制电压Uc。,1）机械特性：,直流伺服电动机电枢控制线路图,直流伺服电动机的机械特性,改变Uc，机械特
10、性是一组平行的直线,2）调节特性： 调节特性是指在一定的转矩T下，电机的转速n与控制电压Uc 的关系。由机械特性方程，T不同时，调节特性也是一组平行 线，如图。,直流伺服电动机的调节特性,小结： 电枢控制的直流伺服电 动机的机械特性和调节 特性都是线性的，控制 信号消失，电机即停 转，是一种很好的执行 元件。,1、工作原理 类似于单相异步电动机： Uc=0时，由励磁绕组产生脉振磁通势，建立脉振磁场，电机无起动转矩；,二、交流伺服电动机： 交流伺服电动机实际上就是两相异步电动机，如图：定子侧绕组在空间相差90度摆放，即励磁绕组f接励磁电源Uf；控制绕组c接控制电压Uc. 转子是鼠笼式的。,一相定
11、子绕组通电时的机械特性,Uc消失时，电机转速虽会下降，但仍会继续不停地转动“自转”。,时，且控制电流与励磁电流的相位不同时，建立起椭圆形旋转磁场，产生起动转矩，使电机转动；,自转现象：伺服电动机在控制信号消失后仍继续旋转的失控现象称为“自转”。为了使电机具有伺服性：即控制电压Uc=0时，电动机应该停转，故需要消除这种自转现象。,如何克服自转：从机械特性图上我们可以看出,为了使当控制信号为零时,转子的转速也为零,只要转子旋转的方向和电磁转矩的方向相反,就可以实现此目的。 下面.我们从异步电机一相绕组通电时的机械特性图进行分析:,故：增加转子电阻，Sm+增加，使正向磁场产生最大 转矩时的临界转差率
12、Sm+1，可以消除自转现象。还 可以扩大交流伺服电动机的稳定运行范围。但转子电 阻过大，会降低起动转矩，从而影响快速响应性能。,已知：,2、基本结构 交流伺服电动机的定子与异步电动机类似，在定子槽中装有励磁绕组和控制绕组，转子主要有两种结构： （1）笼型转子 （2）非磁性空心杯转子,3、控制方法,交流伺服电动机运行时，励磁绕组如果接在额定电压上， 大小、相位不变，那么改变控制绕组所加的电压Uc的大小和 相位，电动机气隙磁通势则随着信号电压Uc的大小和相位而 改变。,若Uc与Uf幅值相等，相位相差90电角度，则电机的气隙磁场为圆形旋转磁场； 若改变Uc的大小或相位，电机的气隙磁场为椭圆形旋转磁场
13、；大小或相位不同旋转磁场的椭圆度不同，产生的电磁转矩也不同，从而可以调节电机的转速； 若Uc的幅值为0或Uc与Uf相位差为0电角度时，气隙磁场为脉振磁场，无起动转矩。,因此，改变控制电压Uc的大小和相位即可实现对交流伺服 电动机的控制，控制方法主要有：幅值控制、相位控制、幅 值-相位控制。,1）幅值控制： 如图所示，幅值控制通过改变控制电压的大小来控制电机转速，此时控制电压与励磁电压之间的相位差始终保持90电角度。,若控制绕组的额定电压 ,那么控制信号的大小可表示ccN , 称为有效信号系数，那么以cn为基值，控制电压c的标么值为：,当有效信号系数时，两电压幅值相等，相位相差90电角度。所产生
14、的气隙磁通势为圆形旋转磁通势，产生的电磁转距最大。 当时，控制电压小于励磁电压的幅值，所建立的气隙磁场为椭圆形旋转磁场，产生的电磁转矩减小；越小，气隙磁场的椭圆度越大，产生的电磁转矩越小，电机转速越慢。 在时，控制信号消失，气隙磁场为脉振磁场，电机不转或停转。 幅值控制的交流伺服电动机的机械特性和调节特性如下图所示。图中的转矩和转速都采用标么值。,幅值控制交流伺服电动机的特性,2）相位控制: 这种控制方式通过改变控制电压 与励磁电压 之间的相位差来实现对电机转速和转向的控制，而控制电压的幅值保持不变。如图所示。,相位通过移相器可以改变，改变两者之间的相位差 ,从而可以改变电机的转速。 相位控制
15、的机械特性和调节特性与幅值控制相似，也为非线性。,3）幅值相位控制: 如图所示,Uc与电源电压同相位，但其大小可以改变，并在励磁绕组回路中串联电容C进行分相。,幅度相位控制具有线路简单、成本低廉、输出功率较大的优点，因而成为使用最多的控制方式。,当调节Uc的幅值时，由于 转子绕组的耦合及电容C的 分相作用，励磁绕组中电流 及其电压也随之改变，从而 使Uc与Uf之间的大小和相位 发生变化。进而改变电机的 转速。,7.3 步 进 电 动 机,一、定义：是一种把电脉冲信号转换为角位移的电动机。简单的理解：给一个电脉冲信号，电机前进一步，因此被称之为步进电动机。相对与模拟的电压信号，步进电机的控制信号
16、是数字量，因此，更广泛的应用在数字控制场合，例如，计算机的外围控制系统等。 根据励磁方式的不同，步进电动机分为反应式、永磁式和感应子式（又叫混合式），而反应式步进电动机应用较多。 下面我们以反应式步进电机为例来阐述步进电动机的工作原理。,二、工作原理：,上图为一台三相六拍反应式步进电动机，定子上有三对磁极，每对磁极上绕有一相控制绕组，转子有四个分布均匀的齿，齿上没有绕组。,当A相通电，B相、C相不通电时，气隙磁场与A相轴线重合。若转子和磁场轴线方向原有一定角度，由于磁力线总是力图从磁阻最小的路径通过，则在磁场的作用下，电机转子受到一个反应转矩，（称之为静转矩），使转子的齿1和齿3旋转到与相绕组轴线相同的位置上，此时转子只受到径向力的作用而反应转矩为零。,如此按A-B-C-A顺序不断地接通和断开控制绕组，电机便按一定的方向一步一步地转动，若按A-C-B-A顺序通电，则电机反向一步一步转动。这种工作方式，因三相绕组中每次只有一相通电，而且，一个循环周期共包括三个脉冲，
