1、第12章 微 控 电 机,微控电机由驱动微电机和控制电机构成，简称为微控电机。 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；而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，如要求反应快、精度高、运行可靠等等。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。,1.驱动微电机：用来拖动各种小型负载，功率一般都在750W以下，最小的不到1W，因此外形尺寸较小，相应的功率也小，本章主要介绍单相异步电动机，微型同步电动机。2. 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，要求有较高的控制性能，如：反应快,精度高,运
2、行可靠等等。主要介绍伺服电动机，步进电动机。,12.1 单相异步电动机,单相异步电动机具有结构简单、成本低、噪音小等优点。只需单相供电，使用方便，因此被广泛应用于工业和民用生活。 单相异步电动机有下面几种类型： 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）单相电容运转异步电动机； 4）单相电容起动与运转异步电动机； 5）单相罩极式异步电动机。,12.1.1 一相定子绕组的机械特性,一相定子绕组产生的脉动磁通势F，可用正、反两个旋转磁通势合成而等效。,正转磁通势F+产生的电磁转矩为T+，反转磁通势F-产生的电磁转矩为T-。合成电磁转矩T。,T,n,s,n1,-n1,T
3、+=f(s),T-=f(s),0,1）n=0，T=0，电机不能启动。 2）n0，T0，在第象限，拖动性转矩。在电机正转时，能继续保持正转。 n0，T0，在第象限，仍为拖动性转矩。电机反转时也能继续保持反转。 单相异步电动机可以运行，不能启动。,12.1.2 两相定子绕组的机械特性,当主绕组预副绕组同时通入不同相位的两相交流电流时，一般产生椭圆旋转磁通势。F+F-。合成电磁转矩为T。,T+=f(s),当n=0，T0，电动机能启动。 若两个绕组相位差90o，且磁通势相等，合成磁通势就为圆形磁通势，机械特性与三相异步电动机的一样。启动转矩也比椭圆磁通势的大。 单相异步电动机启动的必要条件：定子具有空
4、间不同相位的两个绕组；两相绕组通入不同相位的电流。 把工作绕组与启动绕组的电流相位分开称之为“分相”。,12.1.3 单相异步电动机的分类,1.单相电阻分相起动异步电动机 定子上嵌放两个绕组，两个绕组接在同一单相电源上，副绕组中串一个离心开关。开关作用是当转速上升到80%的同步转速时，断开副绕组使电动机运行在只有主绕组工作。,1) 副绕组中串入适当电阻；2) 副绕组采用的导线比主绕组截面细，匝数比主绕组少。这样两相绕组阻抗就不同，促使通入两相绕组的电流相位不同，达到启动目的。,为了使起动时产生起动转矩，通常可取两种方法：,1. 单相电阻分相启动异步电动机,由于电阻分相起动时，电流的相位移较小，
5、小于90电角度，起动时，电动机的气隙中建立的椭圆形旋转磁场，因此电阻分相式异步电动机起动转矩较小。 单相电阻分相异步电动机的转向由气隙旋转磁场方向决定，若要改变电动机转向，只要把主绕组或副绕组中任何一个绕组电源接线对调，就能改变气隙磁场，达到改变转向目的。,2. 单相电容分相启动异步电动机,当副绕组中串联一个电容器和一个开关时，如果电容器容量选择适当，则可以在起动时通过副绕组的电流在时间和相位上超前主绕组电流90电角，这样在起动时就可以得到一个接近圆形的旋转磁场，从而有较大起动转矩。电动机起动后转速达到75%85%同步转速时副绕组通过开关自动断开，主绕组进入单独稳定运行状态。,3. 单相电容运
6、转异步电动机,单相电容运转异步电动机实际上是一台两相异步电动机，其定子绕组产生的气隙磁场较接近圆形旋转磁场。因此，其运行性能较好，功率因数、过载能力比普通单相分相式异步电动机好。电容器容量选择较重要，对起动性能和影响较大。如果电容量大，则起动转矩大，而运行性能下降。反之，则起动转矩小，运行性能好。,综合以上因素，为了保证有较好运行性能，单相电容运转异步电动机的电容比同功率单相电容分相起动异步电动机电容容量要小。启动性能不如单相电容启动异步电动机。,4. 单相电容启动及运转异步电动机,采用将两个电容并联后再与副绕组串联的接线方式，这种电动机称为单相电容起动和运转电动机。 启动电容器Cs容量较大，
7、C为运转电容，电容量较小。启动时Cs和C并联，总电容器容量大，所以有较大的起动转矩。,启动后，Cs切除，只有C运行，因此电动机有较好运行性能。 对电容分相式异步电动机，如果要改变电动机转向，只要使主绕组或副绕组的接线端对调即可，对调接线端后旋转磁场方向改变，因而电动机转向也随之改变。,5. 单相罩极式异步电动机,在凸极铁心上安装集中绕组，组成磁极，在每个磁极约1/3处开一个小槽，槽中嵌放短路环，将小部分铁心罩住。转子均采用笼型结构。,罩极式异步电动机当定子绕组通入正弦交流电后，将产生交变磁通A，其中一部分磁通A不穿过短路环，另一部分磁通A穿过短路环，短路环必然产生感应电动势和感应电流，短路环感
8、应电流IK产生的磁通为K ，有：,5. 单相罩极式异步电动机,罩极式异步电动机的主磁通包括两部分：1）未罩部分A；2）被未罩部分B。从相量图看出在时间上相差一个相位差角。罩极式异步电动机中的磁通A ，B在空间上相差一个电角度，在时间上相差一个电角度。气隙磁通势为椭圆磁通势。,由于，A永远领先B，因此电动机转向总是从磁极的未罩部分向被罩部分移动，即转向不能改变。,单相罩极式异步电动机结构简单、成本低、维护方便。但启动转矩小，所以主要用于小功率电动机的空载起动场合，如小型风扇、电唱机等。,12.2 伺服电动机,伺服电动机把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
9、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。 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。,12.2.1 直流伺服电动机,直流伺服电动机实际上就是他励直流电动机，只不过直流伺服电动机输出功率较小而已。 输入的控制信号，既可加到励磁绕组上，也可加到电枢绕组上。若把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；若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。,机械特性： Ua为
10、常数时的n = f(T)，转矩的增大与转速的下降之间成正比关系。十分理想的特性。 调节特性： T为常数时的n = f(Ua)，电枢电压的增大与转速的上升之间成正比关系。当T+T1时，Ua在0U1时，电动机不转。 0U1区间为死区，称U1为始动电压。 直流伺服电动机的调节特性也是很理想的。,12.2.2 交流伺服电动机,交流伺服电动机就是两相异步电动机，定子上有两个空间相差90o电角度的分布绕组，励磁绕组f和控制绕组K，转子是鼠笼式的。励磁绕组f接单相交流电压Uf，控制绕组K接单相交流电压Uk，Uf 与Uk二者同频率。,为了使电动机有较好的调节性能，并且在控制信号为零时，电动机制动到零（避免自传
11、现象）。T+和T-曲线的sm很大（ s+m 1）。所以交流伺服电动机转子电阻值相对于一般异步电动机来说很大。,考虑控制信号 Uk不同的情况：控制信号最强时合成磁通势为圆磁势，机械特性如曲线T1，控制信号最弱时合成磁通势为脉振磁势，机械特性如曲线T0。其他控制信号时的机械特性应在这两条曲线之间，如T2。,改变控制信号 Uk大小与相位即实现对交流伺服电动机的控制，控制方法主要有三种：幅值控制，相位控制和幅值-相位控制。,1. 幅值控制,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kN,，控制信号的大小可表示kkN , 称为
12、有效信号系数，以kN为基值，控制电压k的标么值为：,当1时，气隙磁通势为圆形旋转磁通势，F-=0, T-=0，在一定转速下 T= T+最大；当时， F+= Ff+Fk+， F-= Ff-+Fk-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；当0 时,气隙磁通势F=Ff为脉振磁势，F+=F-=0.5Ff ，电机不转或停转。,交流伺服电动机的调节特性也可以从机械特性得到的，幅值控制时调节特性不是直线。,只有在n较小时调节特性近似为直线。,2.相位控制,保持控制电压和励磁电压的幅值为额定值不变，仅改变控制电压与励磁电压的相位差来改变交流伺服电动机转速，这种控制方式
13、称为相位控制。,Uf与UK是同频率的，二者相位差为，=0o90o，Uf落后于UK。这样sin=01，称为相位控制系数。相位控制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,我们还可以通过同时改变幅值和相位的方法来实现对控制电压的改变。幅度相位控制线路简单，不需要复杂的移相装置，只需电容进行分相，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。,12.4 微型同步电动机,微型同步电动机的定子结构与一般的同步电动机相同，转子转速恒定，使用在转速要求恒定的装置中，例如：电唱机、录音机、电视设备、电钟、记录仪陀螺仪等。 微型同步电动机的定子结构可以是三相
14、的也可是单相的。根据转子结构的不同，微型同步电动机主要分为永磁式、反应式、磁滞式等。,12.4.1 永磁式微型同步电动机,永磁式微型同步电动机的转子是一个永久磁铁，N，S极沿着圆周方向交替排列。当电动机运行时，定子产生转速为n的旋转磁通势，转子则以n转速随之同步旋转。,转子永磁铁磁力线与定子磁力线的夹角为，永久式微型同步电动机电磁转矩大小与 sin 成正比。,当=0o时，电磁转矩T=0；当=90o时， T=Tmax，T-曲线为正弦波。,12.4.1 永磁式微型同步电动机,永磁式微型同步电动机采用异步起动法：在起动过程中，转子上的鼠笼起动绕组在定子绕组产生的旋转磁场下产生异步转矩，使电机起动。当
15、电机转子转速接近同步转速n1时，转子被“牵入同步”。,12.4.2 反应式微型同步电动机,反应式微型同步电动机的转子用磁极材料和非磁极材料拼镶而成，使其直轴方向的磁阻小而交轴方向的磁阻大。当反应式同步电动机定子绕组接交流电源，由于直轴和交轴的磁阻不同，从而形成磁阻转矩（也叫反应转矩），拖动负载同步运行。,12.4.2 反应式微型同步电动机,反应式微型同步电动机转子上也装有鼠笼绕组，用来启动，同时鼠笼绕组还可作为阻尼绕组，消除转子的振荡。如图为不同的转子冲片，冲片上的小圆孔内装鼠笼条。,12.4.3 磁滞式同步电动机,转子磁滞材料层用硬磁材料制成，硬磁材料的磁滞现象十分突出，具有较宽的磁滞回线，
16、其剩磁和矫顽力都很大，既当外加的磁场发生变化时，磁滞现象明显的材料不会轻易就随之发生相应的改变，他会有一个时间上的落后，这样，再外加磁场和转子之间就会产生一个磁滞转矩，再这个转矩的作用下，转子开始旋转。,磁滞式同步电动机可以自启动，而且启动转矩较大，这是它的优点。,12.4.3 磁滞式同步电动机,磁滞式同步电动机转子多采用环形硬磁材料，可用冲压片叠压而成，也可用整块铸造而成。里面有套筒。 功率较小的磁滞式电动机，定子可以采用罩极式结构，与罩极式单相异步电动机的定子一样。这样运行的转矩既有磁滞转矩又有反应转矩。,12.5 步 进 电 动 机,在自动控制系统中，常常需要把数字信号转换成为角位移。步
17、进电动机就是一种用电脉冲进行控制、将的电脉冲信号转换成相应角位移的电动机。步进电动机输入一个电脉冲就前进一步，其输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲数成正比。 步进电动机常用在数控起床、数控线切割机、平面绘图机、计算机打印机等。 步进电动机有反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步进电动机之分。反应式步进电动机是使用最多的一种，而其他步进电动机的工作原理与反应式步进电动机相似。,12.5 步 进 电 动 机,步进机主要由定子和转子两部分构成，它们均为磁性材料。如图为一台三相六极反应式步进电动机，转子有四个齿 。,定子的六个磁极上有控制绕组，两个相对的磁极组成一相。 注意：这里的相和
18、三相交流电中的“相”的概念不同。步进机通的是直流电脉冲，这主要是指线图的联接和组数的区别。,12.5.1 矩角特性及稳定平衡点,工作时，ABC三相轮流通电流I，转子就会向一个方向一步一步转动。,12.5.1 矩角特性及稳定平衡点,步进电动机不改变通电情况的运行状态叫静态运行。静态时转矩受到的反应转矩称为静转矩T。 电机定子齿与转子齿中心线之间的夹角叫做失调角，用电角度表示。这样，我们作出静转矩和失调角之间的特性曲线，叫做矩角特性。,静转矩T与失调角的关系近似为： T = - C sin,矩角特性：T = - C sin 静稳定区：正在通电的绕组的静稳定区称之为静稳定区。A相通电时，-为静稳定区
19、。,转子转动过程中，由于惯性，一般都有个振动过程。为减少振动，步进电动机要加阻尼。,12.5.2 步进运行状态,脉冲通电顺序为A-B-C。不考虑振荡，空载运行情况分析。 动稳定区：下一个通电绕组的静稳定区称之为动稳定区。,静、动稳定区必须有重叠，即重叠区(-b)0。,负载步进运行：若(-b)越大，TLmax也越大。 若通电顺序相反，为A-C-B，电动机反转。,12.5.3 连续运行状态,当脉冲频率f 增高，其周期比转子振荡的过渡过程时间还短时，转子连续转动不停，这叫做连续运行状态。 连续运行状态是步进电动机经常的运行状态，频率比较高，转速与频率成正比，调速范围也很大。 电动机不丢步连续运行的最
20、高频率叫运行频率，其值越高电机转速越高。 步进电动机一般采用机械阻尼，是振荡很快衰减。同时还要加大(-b)的范围，即减小步距角，增加电机的稳定性。,12.5.4 通电方式、电机转速及其他,三相单三拍： A-B-C-A，步距角b=2/3电角度； 三相双三拍： AB-BC-CA-AB，步距角与单三拍相同，但转子受到两个方向的平衡力矩，振荡弱，稳定性好。,三相单、双六拍： A-AB-B-BC-C-CA-A，一个齿距即在2电角度中六等分，步距角b=/3电角度。显然- b=2/3电角度，比三拍的大一倍，待负载能力增强了，稳定性更好,实际应用中，步距角往往用机械角度来表示： Zr为齿数，N为拍数。,步进电动机转速为：,每个定子磁极下的转子齿数不能为整数，有：,小步距角步进电动机。常见的步进电动机的步距角有：1.2o/0.6o，1.5o/0.75o，1.8o/0.9o，2o/1o ，3o/1.5o等。 一台三相六极转子40个齿得到反应式步进电动机，求N为3和6时的步距角。N=3时， b=3600/Zr3=30N=6时， b=3600 /Zr6=1.50,
