電機與電機控制Motorandmotorcontrol電機與電機控制電磁學的知識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調制原理7步進電機控制原理3電機控制系統一、電磁學

PKPK一、電磁學

1820年發現電流的磁效應漢斯·奧斯特(HansChristianOersted，1777～1851年)，丹麥物理學家、化學家。一、電磁學

于1873年出版了科學名著《電磁理論》科學史上，稱牛頓把天上和地上的運動規律統一起來，是實現第一次大綜合；麥克斯韋把電、光統一起來，是實現第二次大綜合，因此應與牛頓齊名。愛因斯坦高度評價法拉第的工作，認為他在電學中的地位，相當于伽利略在力學中的地位。法拉第奠定了電磁學的實驗基礎。

MichaelFaraday

JamesClerkMaxwell

一、電磁學

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

。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電機，或通入交流電流而產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，風罩，銘牌定子轉子轉子鐵心：轉子沖片轉子繞組其他部件：軸，軸承，風扇二、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構二、常見電機定子繞組二、常見電機轉子鐵心二、常見電機轉子繞組和軸二、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生旋轉磁場；3、轉子繞組的導體處于旋轉磁場中；4、轉子導體切割磁力線，并產生感應電勢；5、轉子導體通過端環自成閉路，并通過感應電流。6、感應電流與旋轉磁場相互作用產生電磁力，判斷電磁力的方向。7、電磁力作用在轉子上將產生電磁轉矩，并驅動轉子旋轉。二、常見電機同步發電機工作原理◆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。

◆載流導體：三相對稱的電樞繞組充當功率繞組，成為感應電勢或者感應電流的載體。◆切割運動：原動機拖動轉子旋轉（給電機輸入機械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉并順次切割定子各相繞組（相當于繞組的導體反向切割勵磁磁場）。◆交變電勢(有效值，頻率)的產生：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：由于旋轉磁場極性相間，使得感應電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應電勢的三相對稱性。二、常見電機凸極式轉子與水輪發電機凸極式轉子凸極式轉子常用在水輪發電機上。由于水輪機的轉速較低，要發出工頻電能，發電機的極數就比較多，做成凸極式結構工藝上較為簡單。另外，中小型同步電機多半也做成凸極式。水輪發電機二、常見電機隱極式轉子與汽輪發電機隱極式轉子隱極式轉子常用在汽輪發電機上。在大容量高轉速汽輪發電機中，轉子圓周線速度極高，最大可達170m/s。細長的隱極式圓柱體轉子能減小轉子本體及轉子上的各部件所承受的巨大離心力。但是，考慮到轉子冷卻和強度方面的要求，隱極式轉子的結構和加工工藝較為復雜。

汽輪發電機二、常見電機三、電機控制系統三、電機控制系統四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

■面積等效原理

◆是PWM控制技術的重要理論基礎。

◆原理內容：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。

?沖量即指窄脈沖的面積。

?效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。

?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波形

四、PWM調制原理

■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律變化的脈沖序列組成的。◆把上述脈沖序列利用相同數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正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應的正弦波部分面積（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律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM（SinusoidalPWM）波形。■PWM波形可分為等幅PWM波和不等幅PWM波兩種，由直流電源產生的PWM波通常是等幅PWM波。■基于等效面積原理，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調制原理

直流斬波器的基本結構與工作原理1.直流斬波器的基本結構

直流斬波器－－電動機系統原理圖和電壓波形四、PWM調制原理

2.斬波器的基本工作原理

在原理圖中，VT表示電力電子開關器件，VD表示續流二極管。當VT導通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞電流經VD續流，兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖，好像是電源電壓Us在ton時間內被接上，又在T–ton時間內被斬斷，故稱“斬波”。四、PWM調制原理

3.輸出電壓計算電動機得到的平均電壓為：四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

幾種典型PWM變換器的基本結構及工作原理四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

1.不可逆PWM變換器四、PWM調制原理

工作狀態與波形四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

（2）有制動的不可逆PWM變換器四、PWM調制原理

工作狀態與波形四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

2）制動狀態四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

2.可逆PWM變換器四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

工作狀態與波形四、PWM調制原理

四、PWM調制原理

相關方程：四、PWM調制原理

性能評價四、PWM調制原理

（2）單極式可逆PWM變換器四、PWM調制原理

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接，線圈無論怎樣轉動，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。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，將在線圈中產生感應電動勢，感應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、轉子和機座等部分構成。機座磁極勵磁繞組轉子勵磁式直流電動機結構五、直流電機控制原理

1.轉子（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生磁通，稱為勵磁。五、直流電機控制原理

根據勵磁線圈和轉子繞組的聯接關系，勵磁式的直流電機又可細分為：他勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的電源分開。并勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞并聯到同一電源上。串勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞串聯接到同一電源上。復勵電動機：勵磁線圈與轉子電樞的聯接有串有并，接在同一電源上。M他勵UfIfIaUM并勵UIfM串勵UM復勵U五、直流電機控制原理

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

根據右手定則知，E和原通入的電流方向相反，其大小為：KE：與電機結構有關的常數n：電動機轉速：磁通單位：（韋伯），n（轉/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，當外加電壓一定時，電機轉速和磁通成反比，通過改變

可調速。五、直流電機控制原理

KT：與線圈的結構有關的常數（與線圈大小，磁極的對數等有關）：線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流電磁轉矩單位：

（韋伯），Ia（安培），T（牛頓米）由轉矩公式可知：(1)產生轉矩的條件：必須有勵磁磁通和電樞電流。(2)改變電機旋轉的方向：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很少需要維護定期維護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硬件設計六、無刷直流電機控制原理

七、步進電機控制原理

區別在于勵磁式步進電機的轉子上有勵磁線圈，反應式步進電機的轉子上沒有勵磁線圈。種類：勵磁式和反應式兩種。下面以反應式步進電機為例說明步進電機的結構和工作原理。七、步進電機控制原理

步進電動機的工作原理給A相繞組通電時，轉子位置如圖（a），轉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，因此對轉子產生電磁吸力，迫使轉子齒轉動，當轉子轉到與定子齒對齊位置時(圖b)，因轉子只受徑向力而無切線力，故轉矩為零，轉子被鎖定在這個位置上。由此可見：錯齒是助使步進電機旋轉的根本原因。七、步進電機控制原理

三相反應式步進電動機的原理結構圖如下：ABCIAIBIC

定子內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。轉子有四個齒。定子轉子七、步進電機控制原理

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，轉子總是力圖旋轉到磁阻最小的位置，故在這種情況下，轉子必然轉到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對齊。七、步進電機控制原理

CA'BB'C'A3412

同理，B相通電時，轉子會轉過30角，2、4齒和B、B′

磁極軸線對齊；當C相通電時，轉子再轉過30角，1、3齒和C′、C

磁極軸線對齊。1C'342CA'BB'A七、步進電機控制原理

這種工作方式下，三個繞組依次通電一次為一個循環周期，一個循環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，轉子便一步一步轉動起來。每一拍轉過30°(步距角)，每個通電循環周期(3拍)轉過90°(一個齒距角)。七、步進電機控制原理

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、步進電機控制原理

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

A相通電，轉子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，轉子轉過15，到達左圖所示位置。七、步進電機控制原理

CA'BB'C'A3412

B相通電，轉子2、4齒與B、B′對齊,又轉過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