第四章 - 电动机及驱动电路
发布时间：2020-02-28 09:35来源：未知
第四章 电动机及驱动电路
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为12分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题、简答题和简单应用，对于一些公式、电路要加以重视。
二、本章考核知识点
1）电动机的基本工作原理及分类；
2）直流伺服电机结构、特性方程、机械特性及控制特性，三种驱动电路原理；
3）永磁同步电机原理及特点；
4）交流感应电机结构、机械特性、变频调速原理及性能；
5）超声波电机原理与特点；
6）电动机选择的古典准则和通用准则。
本章近几年考试分值：
第一节 电动机基本知识
固定磁阻电动机：直流伺服和交流伺服
变磁阻：步进电机
无磁电动机：超声波电动机
直流伺服：电压电流关系简单，控制算法和功率放大器简单，但价格贵，而且换向器和电刷降低了可靠性，在许多易燃易爆场合不易使用
交流伺服：由于其非线性，精确控制较复杂
超声波电机是利用压电陶瓷逆压电效应产生的超声振动，并将这种振动通过摩擦耦合来直接驱动转子或滑块的旋转，适应低速大转矩，但价格昂贵。
第二节 直流电动机
直流电动机主要包括定子磁极、电枢和电刷
如图a示，直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。
当转子转到如图b所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
1.静态特性
直流电机转速公式
电机电磁转矩
直流电机转矩系数，仅与电机本身结构参数有关
直流电机反电动势系数，仅与电机本身结构参数有关
理想空载转速：
在转速为0时对应的转矩称为堵转转矩Tb
机械特性硬度定义为理想空载转速与堵转转矩的比
在机电一体化系统中，希望机械特性尽量硬。调节特性与横轴的交点称为电机的始动电压，从原点到始动电压点的横坐标范围称为在某一电磁转矩时伺服电机失灵区，其大小与电磁转矩大小成正比。
2.动态特性
直流电机以阻转矩Td（t)作为输入，电机转速n作为输出，其传递函数为
直流电机可近似为一阶惯性环节，其过渡过程快慢主要取决于机电时间常数Tm。根据Tm的定义，为了减小Tm，可采取(1)设计良好的机械系统，以减小等效转动惯量(2)给电动机供电的电源内阻尽可能小，以降低电枢回路电阻Ra（3）附加速度负反馈，以增大等效反电动势系数Ke
3.驱动电路
驱动电路即功率放大器，主要有线性直流功率放大器和PWM功率放大器。
1）线性直流功率放大器
其输出电压或电流与控制信号成比例关系。线路简单，电磁干扰小，但功率元件工作在线性状态，效率低，因此一般应用在控制小功率电机或电磁干扰较小系统。
双极性功率放大器可以输出正负两个极性的电压或电流，电机能正反两个方向运行。
T形 H桥形
2）PWM功率放大器
PWM脉冲宽度调制，由4个IGBT组成。
PWM的控制回路是一个电压—脉冲变换装置，简称脉宽调制器UPW，UPW是由电压比较器和三个输入电压组成，一个是调制信号，通常是锯齿波或三角波，另一个控制信号是控制电压信号，其极性和大小在工作时均可变，它与调制信号相减，在比较器输出端得到周期不变，脉冲宽度可变的调制输出电压，有时还需要偏置电压，使调制信号移位。
电机电枢的平均电压：
为占空比。
电枢的平均电流：
E为电机反电动势
最大堵转电流
选择放大器开关频率时，应考虑：
1） 开关频率尽可能高
2） 开关频率必须大于系统通频带10倍以上
3） 开关频率大于各环节的共振频率
4） 在满足前三条前提下，尽量选择较低的开关频率。
功率管的保护：
由于功率管工作在开关状态，其开通时通态电阻非常小，一旦出现短路，桥臂共态导通，功率管就会烧毁。一般晶体管导通时，其导通电压会随电流的增大而增大，利用该特性，可采样晶体管饱和导通压降检测方法保护功率管。
开通延时：
开通延时可通过在晶体管驱动级加延迟或在脉宽调制器中加死区的办法实现。
泵升电压：
当电机制动时，电机转子及负载存储的能量并不是消耗在放大器中，而是回馈到电源中。当采用整流电源时，回馈的能量充到电容器中，当系统惯量比较大时，由于充电引起电容器电压升高幅度较大，如果不处理，将产生过高电压而威胁电路安全。
第三节 永磁同步电动机
以电子换向取代传统的直流电机电刷换向，因此又称为无刷电动机。
电枢绕组位于定子上，转子由永久磁钢组成，分为电机本体，位置传感器，电子换向开关三部分。
第四节 交流感应电动机
交流感应电动机由定子和转子组成，转子有鼠笼式和绕线式。
速度公式：
、
第五节 超声波电动机
又称为压电电动机或压电陶瓷马达。利用压电陶瓷逆压电效应产生超声振动，并将这种振动通过摩擦耦合来直接驱动转子旋转或滑块的位移。
超声波电机特点：低速大转矩，无电磁噪声、电磁兼容性好，动态响应快、控制性能好，断电自锁，运行无噪声，微位移特性，动态速度范围宽，结构简单、设计形式灵活，易实现工业自动化流水线生产，耐低温，适应真空和太空环境。
但输出功率小，运行效率低，需要专用高频电源，价格高。
第六节 电动机的选择
电动机选择古典准则：
1.功率条件
2.转矩和转速条件
如果减速比的下限小于上限，分三种情况：
1）常速度运到2）纯惯性负载3）变速高动态运动系统
古典准则主要用于常速度或纯惯性负载设计。
电动机选择通用准则:
电动机的最大转速和最大转矩分别满足以下条件：
1）折合到电机转子轴上的负载峰值转速必须不大于电动机的最大转速，即
2)折合到电动机转子轴上的负载转矩与电动机转子加速时的惯性转矩之和必须不大于电动机的最大转矩。
本章在考试中占12分，2个选择，1个简答，1个简单应用！
一、复习建议
本章在历年考试中，分数为12分，建议学员全面掌握,重点复习。从题型来讲包括单项选择题、简答题和简单应用，对于一些公式、电路要加以重视。
二、本章考核知识点
1）电动机的基本工作原理及分类；
2）直流伺服电机结构、特性方程、机械特性及控制特性，三种驱动电路原理；
3）永磁同步电机原理及特点；
4）交流感应电机结构、机械特性、变频调速原理及性能；
5）超声波电机原理与特点；
6）电动机选择的古典准则和通用准则。
本章近几年考试分值：
| 选择题 | 简答题 | 计算题 | 简单应用 | 综合应用 | 合计 |
| 2（1、5） | 4（2） | 6（2） | 12 | ||
| 2（1、2） | 4（2） | 6（2） | 12 | ||
| 2（1、4） | 4（2） | 6（2） | 12 | ||
| 2（2、2） | 4（2） | 6（2） | 12 | ||
| 2（2、2） | 4（4） | 6（2） | 12 | ||
| 2（1、2） | 4（2） | 6（2） | 12 |
第一节 电动机基本知识
固定磁阻电动机：直流伺服和交流伺服
变磁阻：步进电机
无磁电动机：超声波电动机
直流伺服：电压电流关系简单，控制算法和功率放大器简单，但价格贵，而且换向器和电刷降低了可靠性，在许多易燃易爆场合不易使用
交流伺服：由于其非线性，精确控制较复杂
超声波电机是利用压电陶瓷逆压电效应产生的超声振动，并将这种振动通过摩擦耦合来直接驱动转子或滑块的旋转，适应低速大转矩，但价格昂贵。
第二节 直流电动机
直流电动机主要包括定子磁极、电枢和电刷
如图a示，直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，使得转子逆时针转动。
当转子转到如图b所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。
外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。
1.静态特性
直流电机转速公式
电机电磁转矩直流电机转矩系数，仅与电机本身结构参数有关直流电机反电动势系数，仅与电机本身结构参数有关理想空载转速：
在转速为0时对应的转矩称为堵转转矩Tb
机械特性硬度定义为理想空载转速与堵转转矩的比
在机电一体化系统中，希望机械特性尽量硬。调节特性与横轴的交点称为电机的始动电压，从原点到始动电压点的横坐标范围称为在某一电磁转矩时伺服电机失灵区，其大小与电磁转矩大小成正比。
2.动态特性
直流电机以阻转矩Td（t)作为输入，电机转速n作为输出，其传递函数为
直流电机可近似为一阶惯性环节，其过渡过程快慢主要取决于机电时间常数Tm。根据Tm的定义，为了减小Tm，可采取(1)设计良好的机械系统，以减小等效转动惯量(2)给电动机供电的电源内阻尽可能小，以降低电枢回路电阻Ra（3）附加速度负反馈，以增大等效反电动势系数Ke
3.驱动电路
驱动电路即功率放大器，主要有线性直流功率放大器和PWM功率放大器。
1）线性直流功率放大器
其输出电压或电流与控制信号成比例关系。线路简单，电磁干扰小，但功率元件工作在线性状态，效率低，因此一般应用在控制小功率电机或电磁干扰较小系统。
双极性功率放大器可以输出正负两个极性的电压或电流，电机能正反两个方向运行。
T形 H桥形
2）PWM功率放大器
PWM脉冲宽度调制，由4个IGBT组成。
PWM的控制回路是一个电压—脉冲变换装置，简称脉宽调制器UPW，UPW是由电压比较器和三个输入电压组成，一个是调制信号，通常是锯齿波或三角波，另一个控制信号是控制电压信号，其极性和大小在工作时均可变，它与调制信号相减，在比较器输出端得到周期不变，脉冲宽度可变的调制输出电压，有时还需要偏置电压，使调制信号移位。
电机电枢的平均电压：
为占空比。电枢的平均电流：
E为电机反电动势
最大堵转电流选择放大器开关频率时，应考虑：
1） 开关频率尽可能高
2） 开关频率必须大于系统通频带10倍以上
3） 开关频率大于各环节的共振频率
4） 在满足前三条前提下，尽量选择较低的开关频率。
功率管的保护：
由于功率管工作在开关状态，其开通时通态电阻非常小，一旦出现短路，桥臂共态导通，功率管就会烧毁。一般晶体管导通时，其导通电压会随电流的增大而增大，利用该特性，可采样晶体管饱和导通压降检测方法保护功率管。
开通延时：
开通延时可通过在晶体管驱动级加延迟或在脉宽调制器中加死区的办法实现。
泵升电压：
当电机制动时，电机转子及负载存储的能量并不是消耗在放大器中，而是回馈到电源中。当采用整流电源时，回馈的能量充到电容器中，当系统惯量比较大时，由于充电引起电容器电压升高幅度较大，如果不处理，将产生过高电压而威胁电路安全。
第三节 永磁同步电动机
以电子换向取代传统的直流电机电刷换向，因此又称为无刷电动机。
电枢绕组位于定子上，转子由永久磁钢组成，分为电机本体，位置传感器，电子换向开关三部分。
第四节 交流感应电动机
交流感应电动机由定子和转子组成，转子有鼠笼式和绕线式。
速度公式：
、
第五节 超声波电动机
又称为压电电动机或压电陶瓷马达。利用压电陶瓷逆压电效应产生超声振动，并将这种振动通过摩擦耦合来直接驱动转子旋转或滑块的位移。
超声波电机特点：低速大转矩，无电磁噪声、电磁兼容性好，动态响应快、控制性能好，断电自锁，运行无噪声，微位移特性，动态速度范围宽，结构简单、设计形式灵活，易实现工业自动化流水线生产，耐低温，适应真空和太空环境。
但输出功率小，运行效率低，需要专用高频电源，价格高。
第六节 电动机的选择
电动机选择古典准则：
1.功率条件
2.转矩和转速条件
如果减速比的下限小于上限，分三种情况：
1）常速度运到2）纯惯性负载3）变速高动态运动系统
古典准则主要用于常速度或纯惯性负载设计。
电动机选择通用准则:
电动机的最大转速和最大转矩分别满足以下条件：
1）折合到电机转子轴上的负载峰值转速必须不大于电动机的最大转速，即
2)折合到电动机转子轴上的负载转矩与电动机转子加速时的惯性转矩之和必须不大于电动机的最大转矩。
本章在考试中占12分，2个选择，1个简答，1个简单应用！
