1、控制電機教案教 案2011 - 2012 學年第 1 學期 課 程 名 稱： 控制電機 課 程 編 號： 030132007 學院、專業、年級： 1003010106 任 課 教 師： 張大偉 教 師 所 在 單 位： 信息學院 沈陽理工大學信息學院課程簡介課程編號 030132007 適用專業：自動化專業總學時數：32學時 學分數： 理論教學時數：28 實驗教學時數：4 本課程為自動化專業必選課。主要講述伺服電機、步進電機、自整角機、旋轉變壓器、永磁電機、開關磁阻電動機、低速同步電動機、直線電動機、實心轉子與復合轉子感應電動機的工作原理、結構及運行。通過本課程的學習使學生能熟練的掌握控制電機

2、的工作原理、結構、運行控制及應用。為以后的工作打下良好基礎。針對本課程的特點主要采用理教、實驗參觀和上機來完成教學環節。教學大綱課程名稱 ：控制電機 課程編號 ：030132007 適用專業：自動化專業總學時數： 32學時 學分數： 理論教學時數：28 實驗教學時數： 4課程的性質、目的與任務本課程為自動化專業必選課。主要講述伺服電機、步進電機、自整角機、旋轉變壓器、永磁電機、開關磁阻電動機、低速同步電動機、直線電動機、實心轉子與復合轉子感應電動機的工作原理、結構及運行。一、課程教學的基本要求通過本課程的學習使學生能熟練的掌握控制及特種電機的工作原理、結構、運行控制及應用。為以后的工作打下良好

3、基礎。針對本課程的特點主要采用理教、實驗參觀和上機來完成教學環節。二、 基本內容緒論： 主要講述特種及控制電機概念、歷史、發展及應用領域。第一章 伺服電動機概述；直流伺服電機；無刷直流電動機；直流力矩電機；兩相伺服電機；伺服電動機的應用舉例第二章 開關磁阻電動機及其控制。主要講述開關磁阻電機結構、原理、設計及應用。1、 開關磁阻電動機及其控制開關磁阻電動機傳動系統的組成； 開關磁阻電動機的工作原理。開關磁阻電動機傳動系統的特點；國外發展概況和應用舉例2、 開關磁阻電動機的基本電磁關系理想化開關磁阻電動機模型的基本電磁關系；實際開關磁阻電動機的物理狀態；開關磁阻電動機的數學模型3、 開關磁阻電動

4、機的運行狀態與控制方式開關磁阻電動機的運行特性；開關磁阻電動機的起動運行。開關磁阻電動機的穩態運行；開關磁阻電動機的制動運行。開關磁阻電動機運行時的轉距脈動與噪聲。4、 開關磁阻電動機的電磁設計與性能計算開關磁阻電動機的主要技術參數；開關磁阻電動機主要尺寸與轉距之間的關系輸出方程；主要尺寸和主要參數的選擇；開關磁阻電動機的轉距計算；損耗計算；開關磁阻電動機電磁計算程序和算例。5、 開關磁阻電動機傳動系統的功率變換器、控制器及位置、電流檢測器（一）功率變換器。（二）位置檢測器。（三）控制器。（四）電流檢測器第三章 步進電機概述；反應式步進電動機的工作原理； 反應式步進電動機的運行特性；驅動電源平

5、面電機第四章 直線電動機。主要講述直線電機結構、原理、設計及應用。1、概述直線電動機的原理與分類；直線電動機的國內外發展概況。2、直線感應電動機的設計特點直線感應電動機的結構；直線感應電動機的縱向邊緣效應；直線感應電動機的橫向邊緣效應；直線感應電動機的等效電路。直線感應電動機的電磁設計特點；直線感應電動機的電磁計算程序和算例3、直線感應電動機的應用直線感應電動機應用原則；直線感應電動機應用情況。4、直線直流電動機直線直流電動機的結構；直線直流電動機的設計特點；直線直流電動機的應用；直線直流電動機的傳動控制電路第五章 永磁電機 主要講述永磁電機結構、原理、設計及應用。第一節 永磁電機的主要特點和

6、應用永磁同步發電機；高效永磁同步電動機；調速永磁同步電動機和無刷直流電動機；永磁直流電動機；永磁特種電動機第二節 永磁直流電機永磁直流電機的磁極結構；永磁直流電機磁路計算的主要系數。永磁直流電機的電樞反應；永磁直流電動機的設計特點。永磁直流測速發電機；永磁直流電動機電磁計算程序和實例第三節 永磁同步電動機永磁同步電動機的轉子磁路結構；永磁同步電動機穩態性能。永磁同步電動機磁路分析與計算；永磁同步電動機的參數計算與分析；異步起動永磁同步電動機的起動過程。第四節 永磁同步電動機磁同步發電機的轉子磁路結構；永磁同步發電機的運行性能第六章 旋轉變壓器概述； 正余弦旋轉變壓器的工作原理； 線性旋轉變壓器

7、； 旋轉變壓器的誤差及其改進方法； 旋轉變壓器的應用舉例；感應移相器； 多極旋轉變壓器和感應同步器第七章 自整角機概述；力矩式自整角機的結構和運行性能； 阻尼繞組；多臺自整角接收機的并聯使用；力矩式自整角機的應用舉例；控制式自整角機的結構和運行性能；多臺自整角變壓器的并聯使用；差動自整角機的結構和運行原理；差動自整角機的應用舉例；無接觸式自整角機；雙通道自整角機三、課程與其它課程的聯系與分工其主要先修課程為電路、電磁場、電機學、單片機原理等。電路、電磁場、電機學為本課程提供理論基礎。本課程的控制部分以單片機控制為主。四、推薦教材及教學參考書教 材：控制電機及其應用 巫傳專編 電子工業出版社參考

8、書：特種電機及其控制 孫建忠主編 中國水利水電出版社教案（首頁） 授課時間 2012-2013學年第1學期 教案編寫時間 2012年9月10日 課程名稱控制電機 課程代碼030132007學 分課程性質必修課（） 選修課（ ）理論課（） 實驗課（）任課教師余發軍職稱助教授課對象自動化100106 教材和主要參考資料教 材：控制電機及其應用 巫傳專編 電子工業出版社參考書：特種電機及其控制 孫建忠主編 中國水利水電出版社教學目的和教學要求本課程為電氣工程及其自動化專業必選課。主要講述伺服電機、步進電機、自整角機、旋轉變壓器、永磁電機、開關磁阻電動機、低速同步電動機、直線電動機、實心轉子與復合轉子

9、感應電動機的工作原理、結構及運行。通過本課程的學習使學生能熟練的掌握控制及特種電機的工作原理、結構、運行控制及應用。為以后的工作打下良好基礎。針對本課程的特點主要采用理教、實驗參觀和上機來完成教學環節。教學重點和教學難點 本課程教學重點為直流伺服電機、開關磁阻電機、直線電機、步進電機等的工作原理、機構及運行。其中永磁電機、步進電機等特種電機的設計及應用為教學難點教學進程第 次課授課章節學 時備 注10課程簡介1.1 直流伺服電動機原理21-221.1.1直流伺服運行控制方式21-331.2 PWM調速原理及其控制21-1541.3 無刷直流電動機的原理21-105實驗一：直流伺服電動機控制實驗

10、2實驗報告63.1 步進電機原理23-1、3-473.2 步進電機運行特性23-5、3-883.5 步進電機控制23-139實驗二：步進電機控制實驗2實驗報告104.1旋轉變壓器原理24-2、4-3114.2旋轉變壓器應用24-512試驗三：旋轉變壓器控制實驗2實驗報告135.1力矩自整角機原理及應用25-3145.2 控制自整角機原理及應用25-615習題課2166.1開關磁阻電機原理及運行狀態26-4176.2開關磁阻電機控制方式26-9187.1 直線電機原理27-3197.2 直線電機應用27-420附錄A 信號檢測與轉換221附錄B PID算法222總復習2教案（分教案） 學時:8章

11、 節第一章 直流伺服電機教學目的和教學要求1 熟悉直流電動機的工作原理 2 熟悉電磁轉矩和轉矩平衡方程式 3 熟悉直流電動機的反電勢和電壓平衡方程式 4 掌握直流電動機的使用 5 熟悉直流伺服電動機及其控制方法6 熟悉直流伺服電動機的穩態特性 7 熟悉直流伺服電動機在過渡過程中的工作狀態 8 熟悉直流伺服電動機的過渡過程 教學重 點難 點重點：直流電動機的工作原理和直流電動機的使用 難點：直流伺服電動機在過渡過程中的工作狀態教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）1.1 直流電動機的工作原理 直流電動機的基本結構和直流測速發電機相同，所不同的是電動機的輸入為電壓信號， 輸出為

12、轉速信號。1.2 電磁轉矩和轉矩平衡方程式 電磁力在電樞外圓的切線方向， 產生的轉矩為式中， l為導體在磁場中的長度， 取電樞鐵心長度； Bx為導體所在處的氣隙磁通密度； ia為導體的電流； D為電樞直徑。假設空氣隙中平均磁通密度為Bp， 電樞繞組總的導體數為N, 則電機轉子所受到的總轉矩為式中， Bp用每極總磁通表示， Bp=/(l), 其中為極距， =D/(2p), l為電樞鐵心長； 導體電流ia用電樞總電流Ia表示， ia=Ia/(2a), 其中a為并聯支路對數。1.2.1 電磁轉矩1.3 直流電動機的反電勢和電壓平衡方程式直流電動機所產生的電磁轉矩作為驅動轉矩使電動機旋轉。電動機軸上的

13、轉矩平衡方程式為或1.2.3 發電機的電磁轉矩下圖是直流電機作為發電機運行的示意圖。 假定在外轉矩T1的作用下， 電機按順時針方向旋轉， 此時電樞導體感應電勢e的方向如圖教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）所示(或)。 當電刷兩端接上負載后， 導體中便有電流ia流過， ia的方向和電勢e的方向相同用表示； 在S極下， 導體的電流方向由讀者指向紙面， 則用表示。根據左手定則， 便可以確定電磁力F的方向， 因而就可以確定電動機的旋轉方向。輸入轉矩T1并不能全部轉化成電磁轉矩。 直流發電機同樣有機械摩擦， 電樞旋轉后鐵心中也會產生磁滯、 渦流損耗。 所以，要使電機以某一速度旋轉

14、， 輸入轉矩T1必須先克服電機本身的阻轉矩T0。 其轉矩平衡方程式為 T=T1-T0 或 T1=T+T0 1.3.1 電樞繞組中的反電勢因導體運動時要切割磁力線， 所以導體中還產生感應電勢e, 其方向由右手定則確定，并用大圓內側上的或表示。由圖 3- 3 可知，感應電勢的方向與電流方向相反，它有阻止電流流入電樞繞組的作用，因此電動機中的感應電勢是一種反電勢。 雖然直流電動機感應電勢的作用與直流發電機不同， 但電樞導體切割磁通， 產生感應電勢的情形完全一樣。 所以電動機電刷兩端感應電勢Ea的公式也相同， 即 Ea=Cen 式中， n為電樞轉速； 為每極總磁通。1.3.2 電動機的電壓平衡方程式為

15、了列出電壓平衡方程式， 需先作圖以表示電動機各個電量的方向， 見圖 3 - 4。由于電動機作為電源的負載， 所以從電樞回路的外部來看， 電動機端電壓Ua和電樞電流Ia的方向一致， Ea為反電勢，所以Ea與電流Ia方向相反。 與直流發電機一樣，電樞內阻Ra包括電樞繞組的電阻以及電刷和換向器之間的接觸電阻， Ra在圖中不再表示。 勵磁電壓Uf為恒值。4 直流電動機的使用 1.4.1 直流電動機的額定值額定功率Pn(W)、 額定電壓Un()、 額定電流In(A)、 額定轉速nn(r/min)以及定額。1.4.2 直流電動機的啟動 電動機從靜止狀態過渡到穩速運轉的過程叫啟動過程。 對于電動機的啟動性能

16、， 有以下幾點要求：(1) 啟動時電磁轉矩要大， 以利于克服啟動時的阻轉矩， 包括總阻轉矩Ts和慣性轉矩轉矩Ts和慣性轉矩 教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）(2) 啟動時電樞電流不要太大；(3) 要求電動機有較小的轉動慣量和在加速過程中保持足夠大的電磁轉矩， 以利于縮短啟動時間。在啟動的最初瞬間， 因為轉速n=0， 反電勢Ea=0， 故電動機的端電壓Ua全部降落在電樞電阻Ra上， 此時的電樞電流3.4.3 電動機的調速方法 某些場合往往要求電動機的轉速在一定范圍內調節， 例如電車、 機床、 吊車等， 調速范圍根據負載的要求而定。(1) 改變電機端電壓Ua, 即改變電樞

17、電源電壓；(2) 在電樞回路中串聯調節電阻Rtj , (3) 改變磁通， 即改變勵磁回路的調節電阻Rfj 以改變勵磁電流If舉例說明 1.4.4 改變電動機轉向的方法要改變電動機的轉向， 必須改變電磁轉矩的方向。 根據左手定則可知， 改變電磁轉矩的方向有兩種方法：(1) 改變磁通的方向;(2) 改變電樞電流的方向。 請注意： 如果磁通、 電樞電流方向均變， 則電磁轉矩方向不變。 所以要改變電動機的轉向， 必須單獨改變電樞電流的方向或單獨改變勵磁電流的方向5 直流伺服電動機及其控制方法當電動機負載轉矩TL不變， 勵磁磁通不變時， 升高電樞電壓Ua， 電機的轉速就升高， 反之， 降低電樞電壓Ua,

18、 轉速就下降。 在Ua=0 時， 電機則不轉。 當電樞電壓的極性改變時， 電機就反轉。因此， 可以把電樞電壓作為控制信號， 實現電動機的轉速控制。電樞電壓Ua控制電動機轉速變化的物理過程如下：開始時， 電動機所加的電樞電壓為Ua1 ， 電動機的轉速為n1， 產生的反電勢為Ea1電樞中的電流為Ia1 ， 根據電壓平衡方程式， 則 Ua1 =Ea1 +Ia1 Ra=Cen1+Ia1Ra 這時， 電動機產生的電磁轉矩T=CTIa1 。 由于電動機處于穩態，電磁轉矩T和電動機軸上的總阻矩Ts相平衡， 即T1=Ts。6 直流伺服電動機的穩態特性1.6.1 機械特性先以緒論中所述的天線控制系統中的直流電動

19、機為例來說明什么是電動機的機械特性。 設開始時天線在電動機的帶動下跟蹤飛機勻速旋轉， 7 直流伺服電動機在過渡過程中的工作狀態為了分析控制系統的動態特性， 不僅需要知道電機在過渡過程中的工作狀態， 而且還要進一步了解電機的轉速、 轉矩、 電流、 功率等物理量在過渡過程中隨時間變化的規律，教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）以及過渡過程時間和電機參數的關系。產生過渡過程的原因， 主要是電機中存在兩種慣性： 機械慣性和電磁慣性。 如上一節所述當電樞電壓突然改變時， 由于電機和負載有轉動慣量， 轉速不能突變， 需要有一個漸變的過程， 才能達到新的穩態， 因此轉動慣量是造成機械過

20、渡過程的主要因素。 另外， 由于電樞繞組具有電感， 電樞電流也不能突變， 也需要有一個過渡過程， 所以電感是造成電磁過渡過程的主要因素。電磁過渡過程和機械過渡過程是相互影響的， 這兩種過渡過程交織在一起形成了電機總的過渡過程。 但是一般來說， 電磁過渡過程所需的時間要比機械過渡過程短得多。 因此在許多場合， 只考慮機械過渡過程， 而忽略電磁過渡過程， 在上一節中就是這樣處理的。研究電機過渡過程的方法， 是將過渡過程中的物理規律用微分方程表示出來， 然后根據初始條件求解方程， 找出各物理量與時間的函數關系。 下面即按照這種方法分析直流伺服電動機在電樞繞組加上階躍電壓時， 轉速和電流隨時間增長的過

21、程。8 直流伺服電動機的過渡過程作業練習題一、二、三、四、五 技能題二、三、四主要參考資料教 材：特種電機及其控制 孫建忠主編 中國水利水電出版社參考書：控制電機及其應用 巫傳專編 電子工業出版社課后自我總結分析通過本章的學習同學們需掌握直流電動機的工作原理； 電磁轉矩和轉矩平衡方程式；直流電動機的反電勢和電壓平衡方程式 ；直流電動機的使用以及直流伺服電動機及其控制方法；直流伺服電動機的穩態特性；直流伺服電動機在過渡過程中的工作狀態 。備注教案（分教案） 學時:10章 節第二章 開關磁阻電動機教學目的和教學要求1、了解開關磁組電動機的傳動系統2、掌握開關磁組電動機的電磁關系3、掌握開關磁組電動

22、機的運行狀態與控制4、了解開關磁組電動機的功率變換、控制器及位置、電流檢測器教學重 點難 點重點：開關磁組電動機的電磁關系難點：開關磁組電動機的運行狀態與控制教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）21 開關磁組電動機的傳動系統開關磁阻電動機傳動系統(簡稱SRD系統)主要由四部分組成：開關磁阻電動機、功率變換器、控制器和檢測器。它們之間的關系如圖31所示。開關磁阻電動機傳動系統綜合了感應電動機傳動系統和直流電動機傳動系統的優點，是這些傳動系統的有力競爭者，其主要優點如下：1)開關磁阻電動機有較大的電機利用系數，可以是感應電動機利用系數的1.21.4倍。2)電動機的結構簡單，轉

23、子上沒有任何形式的繞組；定子上只有簡單的集中繞組，端部較短，沒有相間跨接線。因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、維修量小等特點。3)開關磁阻電動機的轉矩與電流極性無關，只需要單向的電流激勵。在理論上功率變換電路中每相可以只用一個開關元件，而且每個開關元件都與電動機繞組串聯，不會出現像PWM逆變器那樣電源有通過兩個開關元件直通的危險，所以，SRD系統線路簡單，可靠性高，成本低于PWM交流調速系統。4)SR電動機轉子的結構形式對轉速限制小。可制成高轉速電動機。而且轉子轉動慣量小，在電流每次換相時叉可以隨時改變相應轉矩的大小和方向，因而系統有良好的動態響應。5)SRD系統可以通過對電流的導通、斷

24、開和幅值的控制，得到滿足不同負載要求的機械特性，易于實現系統的軟起動和四象限運行等功能，控制靈活。又由于SRD系統是自同步系統運行，不會像變頻供電的感應電動機那樣在低頻時出現不穩定和產生振蕩問題。6)由于SR電動機采用了獨特的結構和設計方法以及相應的控制技巧，其單位出力可以與感應電動機相媲美，甚至還略占優勢。SRD系統的效率和功率密度在寬廣的速度和負載范圍內都可維持在較高水平。22 開關磁組電動機的電磁關系教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）一、理想線性化開關磁阻電動機模型的基本電磁關系開關磁阻電動機的電磁轉矩是磁阻性質的，定、轉子都是凸極結構，磁路是非線性的，加上運行時

25、的開關性和可控性，使電動機內部的電磁關系和運行狀態十分復雜，不同于常規電動機。為弄清SR電動機內部的基本電磁關系和基本特性，從簡化的模型開始進行分析研究是十分必要的。 分析時假設：定子繞組的電感L與繞組電流i無關。極尖的磁通邊緣效應忽略不計。忽略所有的功率損耗。開關動作是瞬時完成的。轉子旋轉角速度是常數。 在上述假設條件下的電動機模型稱為理想線性模型。下面各小節首先以此模型為基礎進行討論，然后給出實際關系。(一)電感與轉子位置角的關系 由于開關磁阻電動機的定、轉子都是凸極結構，轉子與通電相定子齒極的相對位置(用轉子位置角表示)不同時，電動機內的磁場分布不同，繞組電感L也隨之變化。在理想線性模型

26、中，忽略了磁通邊緣效應和磁路的非線性，且認為鐵心中的磁位差為零，繞組電感就等于氣隙電感。 23 開關磁組電動機的運行狀態與控制SR電動機運行時，主要有下列幾種運行物理狀態：1.起動運行狀態。2.穩定運行狀態。3.制動運行狀態。按控制繞組通電的激勵方式來分可分為：1.起動運行方式。2.斬波控制運行方式。3.角度位置控制運行方式。本節以四相8/6齒極SR電動機為例，簡要說明各種運行方式的特點和控制策略。 24 開關磁組電動機的功率變換、控制器及位置、電流檢測器一、功率變換器 根據基本工作原理，可知功率變換器的作用有三個：起開關作用，使繞組與電源接通或斷開；為繞組的儲能提供回饋路徑；為SR電動機提供

27、電能量，以滿足所需機械能的轉換。它的輸人端與電池或整流器等直流電源相連，輸出端與SR電動機各相繞組相連。SRD系統的成本主要取決于功率變換器，因此合理設計功率變換器是整個SRD系統設計成敗的關鍵。為此要求在電動機和功率變換器之間和在性能要求之間進行全面分析，找出最佳組合方案 。 對功率變換器的設計有如下要求： 1)在電動機低速運行時，為了限制繞組電流的幅值，應能實現電流斬波控制的運行方式； 2)在電動機高速運行時，能提供迅速建立繞組電流、實現角度位置控制的運行方式 ； 3)能提供電動機各相繞組導通和斷開的獨立控制； 4)能提供電動機實現四象限運行及為電動機在電流續流階段提供能量反饋的路徑； 5

28、)盡可能降低成本。 (一)功率變換器的主電路形式三種基本的主電路原理圖。所示功率變換器電路為單電源、單繞組型式，電動機的相繞組始終與兩個開關元件相串聯，它們一起導通或關斷。教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）當兩開關VT2同時導通時，電動機繞組兩端電壓為電源電壓。電源向繞組輸入電能；當兩開關同時關斷后，因繞組中的電流不能突變，還需要兩只二極管VD構成續流電路，這時繞組兩端電壓為-us，這個續流過程直到繞組電流衰減到零結束。開關元件VT及二極管VD的最大反電壓為us，以及接通、斷開時的電壓突變，元件的電壓定額應為2us。這種電路主要優點是開關元件的電壓容量要求較低，缺點是開

29、關元件數目多。在高壓和大功率場合應用時，優點尤為明顯。 圖3-35b所示功率變換器主電路中，每相僅有一只開關元件VT和一個續流二極管VD，但電動機必須是雙繞組結構的單電源雙繞組形式，它要求每相的次級繞組和初級繞組完全耦合(一般采用雙股并繞)。當開關VT導通時，電源通過開關VT向初級繞組輸入電能；當VT關斷，通過次級繞組和二極管VD流通的感應電流向電源回饋：由圖3-35b可看出，回饋續流時，開關元件VT的電壓為2us,元件的電壓定額應為4us。這種電路的缺點是電動機與功率變換器之間的連線較多，電動機繞組利用率降低，優點是開關元件比圖3-35a減少了一半。 圖3-35c表示由裂相電源供電的電路，每

30、相只有一個開關元_件和一個續流二極管。這種電路的相數應為偶數，以便使上下兩個電源工作對稱。當上臂導通時，電流經VT、繞組l和電源us流通，加到繞組1上的電壓是上半部的us。；當VT1關斷后，繞組1中的電流經過下半部電源us和二極管VD1流通，這時加在繞組l兩端的電壓為一us。在這種電路中,元件正常工作的最大反壓為2us,由于通斷時的電壓突變，主開關元件的電壓定額應為4us。 作業練習三、四、八 技能題一、二主要參考資料教 材：特種電機及其控制 孫建忠主編 中國水利水電出版社參考書：控制電機及其應用 巫傳專編 電子工業出版社課后自我總結分析通過本章的學習了解開關磁組電動機的傳動系統掌握開關磁組電

31、動機的電磁關系；掌握開關磁組電動機的運行狀態與控制；了解開關磁組電動機的功率變換、控制器及位置、電流檢測器。為今后使用開關磁組電機打下一個良好基礎。備注教案（分教案） 學時:10章 節第三章 步進電動機教學目的和教學要求1. 反應式步進電動機的工作原理和基本特點2. 步進電動機的矩角特性和靜態轉矩 3. 步進電動機的單步運行狀態 4. 步進電動機的連續脈沖運行和動特性 5. 電源及分配方式對電機性能的影響6. 步進電動機主要性能指標 7. 其它類型的步進電動機 教學重 點難 點重點：步進電動機的矩角特性和靜態轉矩 難點：步進電動機的連續脈沖運行和動特性教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方

32、法、 輔助手段）3.1 反應式步進電動機的工作原理和基本特點反應式步進電動機的工作原理與反應式同步電動機一樣， 也是利用凸極轉子橫軸磁阻與直軸磁阻之差所引起的反應轉矩而轉動的。一、 基本特點 根據上述的工作原理可以歸納步進電動機基本特點如下： (1) 步進電動機工作時， 每相繞組由專門驅動電源通過“環形分配器”按一定規律輪流通電。 例如一個按三相雙三拍運行的環形分配器輸入是一路， 輸出有A、 B、 C三路。 若開始是A、 B這兩路有電壓， 輸入一個控制電脈沖后， 就變成B、 C這兩路有電壓， 再輸入一個電脈沖， 則變成C、 A這兩路有電壓， 再輸入一個電脈沖， 又變成A、 B這兩路有電壓了。環

33、形分配器輸出的各路脈沖電壓信號， 經過各自的放大器放大后送入步進電動機的各相繞組， 使步進電動機一步步轉動。 圖11 - 10表示三相步進電動機控制方框圖，圖11 - 11 表示三相雙三拍運行時控制電脈沖及各相控制電壓隨時間變化的波形圖。 (2) 每輸入一個脈沖電信號轉子轉過的角度稱為步距角， 用符號b表示。 從上面分析可見， 當電機按四相單四拍運行， 即按A - B - C - D - A 順序通電時， 若開始是A相通電， 轉子齒軸線與A相磁極的齒軸線對齊； 換接一次繞組， 轉子轉過的角度為1/4齒距角； 轉子需要走 4 步， 才轉過一個齒距角； 此時轉子齒軸線又重新與A相磁極的齒軸線對齊。

34、當電機在四相八拍運行， 即按A - AB - B - BC - C - CD - D - DA 順序通電時， 換接一次繞組， 轉子轉過的角度為1/8齒距角； 轉子需要走 8 步才轉過一個齒距角。 由于轉子相鄰兩齒間的夾角， 即齒距角為(式中， ZR為轉子齒數)， 所以轉子每步轉過的空間角度(機械角度)， 即步距角為 教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）式中， N為運行拍數， N=km(k=1, 2； m為相數)。(3) 反應式步進電動機可以按特定指令進行角度控制， 也可以進行速度控制。 角度控制時， 每輸入一個脈沖， 定子繞組就換接一次， 輸出軸就轉過一個角度， 其步數與

35、脈沖數一致， 輸出軸轉動的角位移量與輸入脈沖數成正比。 速度控制時， 送入步進電動機的是連續脈沖， 各相繞組不斷地輪流通電， 步進電機連續運轉， 它的轉速與脈沖頻率成正比。 由式(11 - 1)可見， 每輸入一個脈沖， 轉子轉過的角度是整個圓周角的1/(ZRN)， 也就是轉過1/(ZRN)轉， 因此每分鐘轉子所轉過的圓周數， 即轉速為式中， f為控制脈沖的頻率， 即每秒輸入的脈沖數。(4) 步進電機具有自鎖能力。 當控制電脈沖停止輸入， 而讓最后一個脈沖控制的繞組繼續通直流電時， 電機可以保持在固定的位置上， 即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上。 這樣， 步進電動機可以實現停車時轉子定

36、位。 綜上所述， 由于步進電動機工作時的步數或轉速既不受電壓波動和負載變化的影響(在允許負載范圍內)， 也不受環境條件(溫度、 壓力、 沖擊、 振動等)變化的影響， 只與控制脈沖同步， 同時它又能按照控制的要求， 實現啟動、 停止、 反轉或改變轉速。 因此， 步進電動機被廣泛地應用于各種數字控制系統中。3.2 步進電動機的矩角特性和靜態轉矩 當控制脈沖不斷送入， 各相繞組按照一定程序輪流通電時， 步進電動機轉子就一步步地轉動。 當控制脈沖停止時， 如果某些相繞組仍通入恒定不變的電流(可稱為直通電流)， 那末轉子將固定于某一位置上保持不動， 稱為靜止狀態。 靜止狀態時， 即使有一個小的擾動， 使

37、轉子偏離此位置， 磁拉力也能把轉子拉回來。 對于多相步進電動機， 定子控制繞組可以是一相通電， 也可以是幾相同時通電， 下面分別進行討論。一、單相通電時單相通電時， 通電相極下的齒產生轉矩， 這些齒與轉子齒的相對位置及所產生的轉矩都是相同的， 故可以用一對定、 轉子齒的相對位置來表示轉子位置， 電機總的轉矩等于通電相極下各個定子齒所產生的轉矩之和。二、多相通電時 一般來說， 多相通電時的矩角特性和最大靜態轉矩Tjmax與單相通電時不同。 按照疊加原理， 多相通電時的矩角特性近似地可以由每相各自通電時的矩角特性疊加起來求出。先以三相步進電機為例。 三相步進電動機可以單相通電， 也可以兩相同時通電

38、， 下面推導三相步進電動機當兩相通電時(如A、 B兩相)的矩角特性。如果轉子失調角e是指A相定子齒軸線與轉子齒軸線之間的夾角， 那末A相通電時的矩角特性是一條通過0點的正弦曲線(假定矩角特性可近似地看作正弦形)， 可以用下式表示： TA=-T jmaxsin e3.3 步進電動機的單步運行狀態 單步運行狀態是指步進電動機在單相或多相通電狀態下， 僅改變一次通電狀態時的運行方式， 或輸入脈沖頻率非常之低， 以至加第二脈沖之前， 前一步已經走完， 轉子運行已經停止的運行狀態。 下面用矩角特性說明這種運行狀態。一、步進電機的單步運行和最大負載能力 仍以三相步進電機為例。 假設矩角特性為正弦形， 失調

39、角e是A相定子齒軸線與轉子齒軸線之間的夾角， A相通電時的矩角特性如圖11 - 20曲線A所示。教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）二、單步運行時轉子振蕩現象 以上的分析認為當繞組切換時轉子是單調地趨向新的平衡位置， 但實際情況并非如此， 可用下圖說明。如果開始時A相通電， 轉子處于失調角為e=0的位置。 當繞組換接使B相通電時， 這時B相定子齒軸線與轉子齒軸線錯開be角， 矩角特性向前移動了一個步矩角be， 轉子在電磁轉矩作用下由a點向新的平衡位置e=be的b點(即B相定子齒軸線和轉子齒軸線重合)的位置作步進運動。 到達b點位置時， 轉矩就為0， 但轉速不為0。 由于慣

40、性作用， 轉子要越過平衡位置繼續運動。3.4 步進電動機的連續脈沖運行和動特性一、運行矩頻特性步進電動機作單步運行時的最大允許負載轉矩為Tq， 但當控制脈沖頻率逐步增加， 電機轉速逐步升高時， 步進電動機所能帶動的最大負載轉矩值將逐步下降。 這就是說， 電機連續轉動時所產生的最大輸出轉矩T是隨著脈沖頻率f的升高而減少的。 T與f兩者間的關系曲線稱為步進電動機運行矩頻特性， 它是一條下降曲線。當輸入脈沖頻率比較低時， 每相繞組通電和斷電的周期T比較長， 電流i的波形接近于理想的矩形波， 如圖11 - 29(a)所示。 這時， 通電時間內電流的平均值較大； 當頻率升高后， 周期T縮短， 電流i的波

41、形就和理想的矩形波有較大的差別， 如圖11 - 29(b)； 當頻率進一步升高， 周期T進一步縮短時， 電流i的波形將接近于三角形波， 幅值也降低， 因而電流的平均值大大減小， 如圖11 - 29(c)。 由式(11 - 10)可看出， 轉矩近似地與電流平方成正比。 這樣， 頻率越高， 繞組中的平均電流越小， 電機產生的平均轉矩大大下降， 負載能力也就大大下降了。 二、靜穩定區和動穩定區 用矩角特性研究問題時， 引入穩定區的概念有一定的幫助。 當轉子處于靜止狀態時， 矩角特性如圖11 - 30曲線n所示。 若轉子上沒有任何強制作用， 則穩定平衡點是坐標原點o。 如果在外力矩作用下使轉子離開平衡

42、點， 那末只要失調角在-e+范圍內， 去掉外力矩后， 在電磁轉矩作用下轉子仍能回到平衡位置0點； 如果不滿足這樣的條件， 即e+或e-時， 轉子就趨向前一齒或后一齒的平衡點運動， 而離開了正確的平衡點e=0， 所以-e+區域稱作靜穩定區。三、不同頻率下的連續穩定運行和運行頻率步進電動機在極低頻率下運行時， 運行情況為連續的單步運動。 此時， 控制脈沖的頻率f較低， 因而周期T較長， 在控制脈沖作用下， 轉子將從e=0處一步一步連續地向新的平衡位置轉動。 在前面討論單步運動時已經知道， 在有阻尼的情況下， 此過程乃是一個衰減的振蕩過程， 最后趨向于新的平衡位置。當控制脈沖頻率等于1/k轉子振蕩頻

43、率時， 如果阻尼作用不強， 即使電機不發生低頻失步， 也會產生強烈振動， 這就是步進電機低頻共振現象。 圖11 - 34就是表示轉子振蕩兩次， 而在第二次回擺時下一個脈沖到來的轉子運動規律。 可見， 轉子具有明顯的振蕩特性。 共振時， 電機就會出現強烈振動， 甚至失步而無法工作， 所以一般不容許電機在共振頻率下運行。 但是如果采用較多拍數， 再加上一定的阻尼和干摩擦負載，電機振動的振教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）幅可以減小， 并能穩定運行。 為了削弱低頻共振， 很多電機專門設置了阻尼器， 依靠阻尼器消耗振動的能量， 限制振動的振幅。四、步進電機啟動過程和啟動頻率(突

44、跳頻率) 若步進電機原來靜止于某一相的平衡位置上， 當一定頻率的控制脈沖送入時電機就開始轉動， 但其轉速不是一下子就能達到穩定數值的， 有一暫態過程， 這就是啟動過程。 在一定負載轉矩下， 電機正常啟動時(不丟步、 不失步)所能加的最高控制頻率稱為啟動頻率或突跳頻率， 這也是衡量步進電機快速性能的重要技術指標。 啟動頻率要比連續運行頻率低得多。 3.5 電源及分配方式對電機性能的影響一、驅動電源對性能的影響 如前所述， 步進電動機是由專門的驅動電源供電的， 驅動電源和步進電動機是一個有機整體， 步進電動機的運行性能是電動機及其驅動電源二者配合的綜合表現。 驅動電源的基本部分包括變頻信號源、 脈

45、沖分配器和脈沖功率放大器， 如圖所示。 1）單一電壓型電源 2）高低壓切換型電源 高低壓切換型電源的原理線路如圖11 - 39所示。 圖中當分配器輸出端出現控制信號Uka， 要求繞組通電時， 三極管V1、 V2的基極都有信號電壓輸入， 使V1和V2導通， 于是， 在高壓電源作用下(這時， 二極管V3兩端承受的是反向電壓， 處于截止狀態， 可使低壓電源不對繞組作用)繞組電流迅速上升， 電流前沿很陡。 當電流達到或稍微超過額定穩態電流時(對應于時間t0)， 利用定時電路或電流檢測反饋等措施使V1基極上信號電壓消失。 于是V1截止， 而V2仍然導通。 因此繞組電流立即轉而由低壓電源經過二極管V3供給

46、。 低壓電源的電壓值應使繞組中的電流限制在額定穩態電流Iwy值。3）其它型式的驅動電源 除了上述兩種常用的驅動電源外， 目前國內外還試制了其它新型的驅動電源線路， 如帶有多次電流檢測的高低壓驅動電源， 單電壓斬波恒流型驅動電源， 細分電路等。 帶有多次電流檢測的高低壓驅動電源可以消除繞組電流波頂部下凹的現象。 這種電流波形下凹(如圖11 - 41所示)， 在步進電機運行過程中是經常遇見的， 這主要是由于電機的旋轉電勢(電機轉動時， 由于磁導變化在繞組中所產生的電勢)、 相間互感等原因所造成的。二、分配方式對性能的影響 分配方式對輸出轉矩也有很大影響。 一般來說， 同時通電的相數越多， 轉矩下降

47、較少。 例如， 三相電機中三相雙三拍及三相六拍分配方式的轉矩都比三相單三拍的高。 這是因為在繞組換接過程中， 如ABBC時， 只是A相電流切斷， C相電流導通； 它們都是按指數曲線規律變化的， 但B相電流在換接過程中仍保持穩態電流值不變， 它對維持轉矩不變起了較大作用。 顯然， 同時通電的相數越多， 維持電流不變的相數也越多， 轉矩就越高。另外， 由于雙拍制分配方式的步距角比單拍制減少一半， 所以當電機產生的角加速度d/dt及要克服的慣性矩Jd/dt相同時， 雙拍制的控制頻率比單拍制的可增加一倍。 可見， 采用雙拍制分配方式對提高啟動和連續運行頻率是明顯有利的。3.6 步進電動機主要性能指標一

48、、最大靜轉矩Tjmax最大靜轉矩是指步進電動機在規定的通電相數下矩角特性上的轉矩最大值。 繞組電流越大， 最大靜轉矩也越大， 如圖11 - 46所示。 通常技術數據中所規定的最大靜轉矩是指每相繞組通上額定電流時所得的值。 一般說來， 最大靜轉矩較大的電機， 可以帶動較大的負載。 教學進程（含章節教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）二、步距角b 每輸入一個電脈沖信號時轉子轉過的角度稱為步距角。 步距角大小會直接影響步進電動機的啟動和運行頻率。 外型尺寸相同的電機， 步距角小的往往啟動及運行頻率比較高， 但轉速和輸出功率不一定高。 步進電動機驅動對象多是直線運動， 需加裝如滾珠絲杠等機械裝置

49、將旋轉變為直線運動。 此時， 步距角b可根據系統要求的脈沖當量(每一脈沖步進電動機帶動負載移動的直線位移量)和絲杠螺距由下式確定： 式中， p為脈沖當量(mm)； t為絲杠螺距(mm)； i為傳動比三、靜態步距角誤差b 靜態步距角誤差即實際的步距角與理論的步距角之間的差值， 通常用理論步距角的百分數或絕對值來衡量。 靜態步距角誤差小， 表示電機精度高。 b通常是在空載情況下測量的。四、啟動頻率fq和啟動矩頻特性 啟動頻率又稱突跳頻率， 是指步進電動機能夠不失步啟動的最高脈沖頻率， 是步進電動機的一項重要指標。 產品目錄上一般都有空載啟動頻率的數據。 但在實際使用時， 步進電動機大都要在帶負載的

50、情況下啟動。 這時， 負載啟動頻率是一個重要指標。 負載啟動頻率與負載轉矩及慣量的大小有關。 負載慣量一定， 負載轉矩增加， 或負載轉矩一定， 負載慣量增加都會使啟動頻率下降。 在一定的負載慣量下， 啟動頻率隨負載轉矩變化的特性稱為啟動矩頻特性， 通常以表格或曲線形式給出。 五、運行頻率fy和運行矩頻特性 步進電動機啟動后， 控制脈沖頻率連續上升而維持不失步的最高頻率， 稱為運行頻率。 通常給出的也是空載情況下的運行頻率。 當電機帶著一定負載運行時， 運行頻率與負載轉矩大小有關， 兩者的關系稱為運行矩頻特性， 在技術數據中通常也是以表格或曲線形式表示。 提高運行頻率對于提高生產率和系統的快速性

51、具有很大的實際意義。 由于運行頻率比啟動頻率要高得多， 所以使用時常通過自動升、 降頻控制線路先在低頻(不大于啟動頻率)下使電機啟動， 然后逐漸升頻到工作頻率使電機處于連續運行。 升頻時間一般不大于1 s。另外必須注意， 步進電動機的啟動頻率、 運行頻率及其矩頻特性都與電源型式有密切關系。 使用時首先必須了解給出的性能指標是在怎樣型式的電源下測定的。 一般使用高低壓切換型電源， 其性能指標較高； 如使用時改為單一電壓型電源， 則性能指標要作相應降低六、額定電流 電機不動時每相繞組容許通過的電流定為額定電流。 當電機運轉時， 每相繞組通的是脈沖電流， 電流表指示的讀數為脈沖電流平均值， 并非為額

52、定電流(此值比額定電流低)。 繞組電流太大， 電機溫升會超過容許值。作業練習題一、三、四、五、六、七、八、十主要參考資料教 材：特種電機及其控制 孫建忠主編 中國水利水電出版社參考書：控制電機及其應用 巫傳專編 電子工業出版社課后自我總結分析這種電機可以像反應式步進電動機那樣做成小步距角， 并有較高的啟動頻率， 同時它又具有控制功率小的優點(這點對于航空設備來說特別重要)。備注教案（分教案） 學時:6章 節第四章 直線電動機教學目的和教學要求1熟練掌握直線感應電動機 2了解直線直流電動機3了解直線和平面步進電動機 教學重 點難 點重點：直線感應電動機工作原理難點：直線直流電動機教學進程（含章節

53、教學內容、學時分配、教學方法、 輔助手段）4.1 直線電動機概述1直線電機的特點：與旋轉電機傳動相比， 直線電機傳動主要具有下列優點： （1）直線電機由于不需要中間傳動機械， 因而使整個機械得到簡化，提高了精度， 減少了振動和噪音； (2)快速響應： 用直線電機驅動時， 由于不存在中間傳動機構的慣量和阻力矩的影響， 因而加速和減速時間短， 可實現快速啟動和正反向運行； (3)儀表用的直線電機， 可以省去電刷和換向器等易損零件， 提高可靠性， 延長使用壽命； (4)直線電機由于散熱面積大， 容易冷卻， 所以允許較高的電磁負荷，可提高電機的容量定額； (5)裝配靈活性大， 往往可將電機和其它機件合成一體。2直線電機的分類直線