《电机与电机控制》.ppt

电机与电机控制电机与电机控制Motor and motor control电磁学的知识电磁学的知识电磁学的知识电磁学的知识Motor and motor control1 1常见电机介绍常见电机介绍常见电机介绍常见电机介绍2 26 6无刷直流电机控制原理无刷直流电机控制原理无刷直流电机控制原理无刷直流电机控制原理5 5直流电机控制原理直流电机控制原理直流电机控制原理直流电机控制原理4 4PWMPWMPWMPWM调制原理调制原理调制原理调制原理7 7步进电机控制原理步进电机控制原理步进电机控制原理步进电机控制原理3 3电机控制系统电机控制系统电机控制系统电机控制系统一、电磁学 一、电磁学 一、电磁学 一、电磁学 科学史上，称牛顿把天上和地上的运动规律统一起来，是实现第一次大综合；麦克斯韦把电、光统一起来，是实现第二次大综合，因此应与牛顿齐名。爱因斯坦高度评价法拉第的工作，认为他在电学中的地位，相当于伽利略在力学中的地位。法拉第奠定了电磁学的实验基础。Michael Faraday James Clerk Maxwell 海因里希海因里希鲁道夫鲁道夫赫兹赫兹 (1857年2月22日-1894年1月1日)德国物理学家，于1888年首先证实了无线电波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。一、电磁学 1888年首先证实了无线电波的存在 一、电磁学 二、常见电机二、常见电机电机的作用：电机的作用：1.电能的生产、传输和分配中的主要设备；电能的生产、传输和分配中的主要设备；2.各种生产机械和装备的动力设备；各种生产机械和装备的动力设备；3.自动控制系统中的重要元件；自动控制系统中的重要元件；v我们周围的电机举例：我们周围的电机举例：我们周围的电机举例：我们周围的电机举例：简单的电力系统示意图简单的电力系统示意图 二、常见电机二、常见电机交流电机：能输出交流电流的发电机，或通入交流电流而产生机械运动的电动机。交流电机：能输出交流电流的发电机，或通入交流电流而产生机械运动的电动机。交流电机异步电机同步电机鼠笼式鼠笼式异步电动机 绕线式绕线式异步电动机 隐极式隐极式同步电动机 凸极式凸极式同步电动机 电机定子铁心：定子冲片定子绕组其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌定子转子转子铁心：转子冲片转子绕组其他部件：轴，轴承，风扇 二、常见电机与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。直流电机的优点：直流电机的优点：（1 1）调速性能好）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。调速范围广，易于平滑调节。（2 2）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（3 3）易于控制。）易于控制。应用：应用：（1 1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2 2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。二、常见电机2.1 直流电机Motor BasicsPop Quiz:A motor is like a(n)A)ResistorB)CapacitorC)InductorD)Crazy space-aged device we arent really meant to understand二、常见电机The Answer Is(Not D)C)An Inductor!sort of 二、常见电机A Problem:Whats wrong with the circuit below?二、常见电机Well,think about itAn inductor is a short circuit at DC!This means well have an infinite current!Infinite current=Infinite Speed!二、常见电机Get to the PointIt has resistance!二、常见电机Remember this Waveform!Note how the current levels off.This will provide a steady speed.二、常见电机交流电机结构二、常见电机定子铁心定子铁心二、常见电机定子绕组定子绕组二、常见电机转子铁心转子铁心二、常见电机转子绕组和轴转子绕组和轴二、常见电机异步电动机工作原理异步电动机工作原理1、异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；2、三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；3、转子绕组的导体处于旋转磁场中；4、转子导体切割磁力线，并产生感应电势；5、转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。6、感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。7、电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。二、常见电机同步发电机工作原理同步发电机工作原理主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。交变电势(有效值，频率)的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过引出线，即可提供交流电源。交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。二、常见电机凸极式转子与水轮发电机凸极式转子与水轮发电机凸极式转子 凸极式转子常用在水轮发电机上。由于水轮机的转速较低，要发出工频电能，发电机的极数就比较多，做成凸极式结构工艺上较为简单。另外，中小型同步电机多半也做成凸极式。水轮发电机二、常见电机隐极式转子与汽轮发电机隐极式转子与汽轮发电机隐极式转子 隐极式转子常用在汽轮发电机上。在大容量高转速汽轮发电机中，转子圆周线速度极高，最大可达170m/s。细长的隐极式圆柱体转子能减小转子本体及转子上的各部件所承受的巨大离心力。但是，考虑到转子冷却和强度方面的要求，隐极式转子的结构和加工工艺较为复杂。汽轮发电机二、常见电机三、电机控制系统三、电机控制系统四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 面积等效原理面积等效原理 是是PWM控制技术的重要理论基础控制技术的重要理论基础。原理内容：原理内容：冲量相等冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效效果基本相同果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。冲量即指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。段略有差异。实例实例 将图将图7-1a、b、c、d所示的脉冲作为输入，加在图所示的脉冲作为输入，加在图7-2a所示的所示的R-L电路电路上，上，设其电流设其电流i(t)为电路的输出，图为电路的输出，图7-2b给出了不同窄脉冲时给出了不同窄脉冲时i(t)的响应波形。的响应波形。图图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图图7-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 四、PWM调制原理 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 将正弦半波看成是由将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽度为个彼此相连的脉冲宽度为/N，但幅值顶部是，但幅值顶部是曲线曲线且大小按且大小按正弦规律变化正弦规律变化的的脉冲序列组成的。脉冲序列组成的。把上述脉冲序列利用相同数量的把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是分面积（冲量）相等，这就是PWM波形波形。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到到PWM波形。波形。脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，也称波形，也称SPWM（Sinusoidal PWM）波形）波形。PWM波形可分为波形可分为等幅等幅PWM波波和和不等幅不等幅PWM波波两两种，由直流电源产生的种，由直流电源产生的PWM波通常是等幅波通常是等幅PWM波。波。基于等效面积原理，基于等效面积原理，PWM波形还可以等效成其他波形还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。所需要的波形，如等效所需要的非正弦交流波形等。图图7-3 用用PWM波代替正弦半波波代替正弦半波 四、PWM调制原理 直流斩波器的基本结构与工作原理1.直流斩波器的基本结构直流斩波器的基本结构 直流斩波器电动机系统原理图和电压波形四、PWM调制原理 2.斩波器的基本工作原理斩波器的基本工作原理 在原理图中，在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极表示续流二极管。当管。当VT导通时，直流电源电压导通时，直流电源电压Us 加到电动机上；当加到电动机上；当VT关断时关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经VD 续流，两端电压接续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图近于零。如此反复，电枢端电压波形如图，好像是电源电压，好像是电源电压Us在在ton 时间内被接上，又在时间内被接上，又在T ton 时间内被斩断，故称时间内被斩断，故称“斩波斩波”。四、PWM调制原理 3.输出电压计算输出电压计算电动机得到的平均电压为：电动机得到的平均电压为：四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 1.不可逆PWM变换器四、PWM调制原理 工作状态与波形四、PWM调制原理 四、PWM调制原理（2）有制动的不可逆PWM变换器四、PWM调制原理 工作状态与波形四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 2）制动状态四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 2.可逆PWM变换器四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 工作状态与波形四、PWM调制原理 四、PWM调制原理 相关方程：四、PWM调制原理 性能评价四、PWM调制原理（2）单极式可逆PWM变换器四、PWM调制原理 五、直流电机控制原理 工作原理工作原理 U+NS电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈II电流方向：电流方向：上半边向里，下半边向外。如图所示。上半边向里，下半边向外。如图所示。五、直流电机控制原理 注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。电刷压在换向片上。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。使线圈逆时针旋转。FFU+NS电刷电刷换向片换向片II五、直流电机控制原理 FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。方向相反。五、直流电机控制原理 直流电机由定子、转子和机座等部分构成。直流电机由定子、转子和机座等部分构成。机座机座磁极磁极励磁励磁绕组绕组转子转子励磁式直流电动机结构励磁式直流电动机结构五、直流电机控制原理 1.转子转子（又称电枢）（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。2.定子定子定子的分类：定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。产生磁通，称为励磁。五、直流电机控制原理 根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U五、直流电机控制原理 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。表示）。电枢中的感应电动势电枢中的感应电动势FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE五、直流电机控制原理 根据右手定则知，根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其大小为：和原通入的电流方向相反，其大小为：KE：与电机结构有关的常数：与电机结构有关的常数n：电动机转速：电动机转速 ：磁通：磁通单位：单位：（韦伯），（韦伯），n（转（转/每分），每分），E（伏）（伏）FFU+NS电刷电刷换向片换向片IIEE五、直流电机控制原理 因为因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。与通入的电流方向相反，所以叫反电势。U：外加电压：外加电压Ra:绕组电阻绕组电阻MRaIaE+U以上两公式反映的概念：以上两公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变改变E，只能改变，只能改变 或或 n。(2)若忽略绕组中的电阻若忽略绕组中的电阻Ra，则，则 ，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反 比，通过改变比，通过改变 可调速。可调速。五、直流电机控制原理 KT：与线圈的结构有关的常数：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）（与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流：电枢绕组中的电流电磁转矩电磁转矩单位：单位：（韦伯），（韦伯），Ia（安培），（安培），T（牛顿（牛顿 米）米）由转矩公式可知：由转矩公式可知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。改变磁通的方向。五、直流电机控制原理 六、无刷直流电机控制原理 六、无刷直流电机控制原理 主要特点无刷直流电机有刷直流电机换相方式电子换相电刷换相维护很少需要维护定期维护寿命长短效率高中等输出功率和尺寸比高，散热好。低制造成本较高低控制复杂，昂贵简单，便宜电磁噪声低高无刷直流电机、有刷直流电机性能比较无刷电机优点六、无刷直流电机控制原理 无刷直流电机控制原理1、稀土永磁体的取向性好，可以方便地获得具有较好方波形状的气隙磁场。2、定子绕组采用集中整距绕组，方波磁场在定子绕组中感应出来的电动势为梯形波。六、无刷直流电机控制原理 无刷直流电机控制原理六、无刷直流电机控制原理 无刷直流电机控制原理六、无刷直流电机控制原理 无位置传感器控制系统硬件设计六、无刷直流电机控制原理 七、步进电机控制原理 区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，区别在于励磁式步进电机的转子上有励磁线圈，反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。反应式步进电机的转子上没有励磁线圈。种类种类：励磁式励磁式和和反应式反应式反应式反应式两种。两种。下面以反应式步进电机为例说明步进电机的下面以反应式步进电机为例说明步进电机的结构和工作原理。结构和工作原理。七、步进电机控制原理 步进电动机的工作原理步进电动机的工作原理 给给A A相相绕绕组组通通电电时时，转转子子位位置置如如图图（a a），转转子子齿齿偏偏离离定定子子齿齿一一个个角角度度。由由于于励励磁磁磁磁通通力力图图沿沿磁磁阻阻最最小小路路径径通通过过，因因此此对对转转子子产产生生电电磁磁吸吸力力，迫迫使使转转子子齿齿转转动动，当当转转子子转转到到与与定定子子齿齿对对齐齐位位置置时时(图图b)b)，因因转转子子只只受受径径向向力力而而无无切切线线力力，故故转转矩矩为为零零，转转子子被被锁锁定定在在这这个个位位置置上上。由由此此可可见见：错错齿齿是是助助使使步步进进电电机机旋旋转的根本原因。转的根本原因。七、步进电机控制原理 三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图三相反应式步进电动机的原理结构图如下：如下：ABCIAIBIC 定子内圆周定子内圆周均匀分布着六个均匀分布着六个磁极，磁极上有磁极，磁极上有励磁绕组，每两励磁绕组，每两个相对的绕组组个相对的绕组组成一相。转子有成一相。转子有四个齿。四个齿。定子定子转子转子七、步进电机控制原理 三相单三拍三相单三拍三相单三拍三相单三拍CABBCA3412 A A相绕组通电，相绕组通电，B B、C C 相相不通电。由于在磁场作用下，不通电。由于在磁场作用下，转子总是力图旋转到磁阻最转子总是力图旋转到磁阻最小的位置，故在这种情况下，小的位置，故在这种情况下，转子必然转到左图所示位置：转子必然转到左图所示位置：1 1、3 3齿与齿与A A、A A极对齐。极对齐。七、步进电机控制原理 CABBCA3412 同理，同理，B相通电时，转子会转过相通电时，转子会转过30 角，角，2、4齿和齿和B、B 磁极轴线对齐；当磁极轴线对齐；当C相通电时，转子相通电时，转子再转过再转过30 角，角，1、3齿和齿和C C、C 磁极轴线对齐。磁极轴线对齐。1C342CABBA七、步进电机控制原理 这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一这种工作方式下，三个绕组依次通电一次为一个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所个循环周期，一个循环周期包括三个工作脉冲，所以称为三相单三拍工作方式。以称为三相单三拍工作方式。按按AB C A 的顺序给三相绕组的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过过30(步距角步距角)，每个通电循环周期，每个通电循环周期(3(3拍拍)转过转过90(一个齿距角一个齿距角)。七、步进电机控制原理 三相六拍三相六拍三相六拍三相六拍 按按AAB B BC C CA的顺的顺序给三相绕组轮流通电。序给三相绕组轮流通电。这种方式可以这种方式可以获得更精确的控制特性。获得更精确的控制特性。七、步进电机控制原理 CABBCA3412CABBCA3412 A相通电，相通电，转子转子1 1、3 3齿与齿与A、A 对齐。对齐。A、B相同时通电，相同时通电，A、A 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，齿，转子转转子转过过15，到达左图到达左图所示位置。所示位置。七、步进电机控制原理 CABBCA3412 B B 相通电，相通电，转子转子2、4齿与齿与B、B 对齐对齐,又转又转过过15。3412CABBCA B、C相同时通电，相同时通电，C、C 磁极拉住磁极拉住1、3齿，齿，B、B 磁极拉住磁极拉住2、4齿，转子再转齿，转子再转过过15。七、步进电机控制原理 三相反应式步进电动机的一个通电循环周三相反应式步进电动机的一个通电循环周期如下：期如下：AAB B BC C CA，每个循每个循环周期分为六拍。环周期分为六拍。每拍转子转过每拍转子转过15（步距角），（步距角），一一个通电循个通电循环周期环周期(6拍拍)转子转过转子转过90 (齿距角齿距角)。与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更与单三拍相比，六拍驱动方式的步进角更小，更适用于需要精确定位的控制系统中。小，更适用于需要精确定位的控制系统中。七、步进电机控制原理 三相双三拍三相双三拍三相双三拍三相双三拍 按按ABAB BCBC CACA的顺序给三相绕组轮流通的顺序给三相绕组轮流通电。每拍有两相绕组同时通电电。每拍有两相绕组同时通电。七、步进电机控制原理 AB通电通电CABBCA3412BC通电通电3412CABBCACA通电通电CABBCA3412 与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电与单三拍方式相似，双三拍驱动时每个通电循循环周期也分为三拍。每拍转子转过环周期也分为三拍。每拍转子转过30 (步距角步距角)，一一个通电循环周期个通电循环周期(3拍拍)转子转过转子转过90(齿距角齿距角)。七、步进电机控制原理 从以上对步进电机三种驱动方式的分析可从以上对步进电机三种驱动方式的分析可得步距角计算公式：得步距角计算公式：步距角步距角Zr 转子齿数转子齿数m 每个通电循环周期的拍数每个通电循环周期的拍数 实用步进电机的步距角多为实用步进电机的步距角多为3 和和1.5 。为。为了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿了获得小步距角，电机的定子、转子都做成多齿的。的。七、步进电机控制原理 八、转速和位置的测量八、转速和位置的测量八、转速和位置的测量八、转速和位置的测量九、补充的内容 九、补充的内容 九、补充的内容 九、补充的内容 九、补充的内容 欢迎批评指正！谢 谢！