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1、第第4章章 电动机驱动与控制技术电动机驱动与控制技术第1页，共44页，编辑于2022年，星期一第第4 4章章 电动机驱动与控制技术重点和难点电动机驱动与控制技术重点和难点 本章重点：l1步进电动机工作原理和驱动方式l2.直流电动机闭环调速系统结构和工作原理 l3.交流电动机变频调速原理和控制方式本章难点：l1步进电动机环形分配器工作方式l2.SPWM脉宽调制技术l3.转差频率控制原理第2页，共44页，编辑于2022年，星期一第第4章章 电动机驱动与控制技术电动机驱动与控制技术41步进电动机驱动及其控制技术步进电动机驱动及其控制技术42直流电动机驱动及其控制技术直流电动机驱动及其控制技术43交流
2、电动机驱动及其控制技术交流电动机驱动及其控制技术第3页，共44页，编辑于2022年，星期一41步进电动机驱动及其控制技术步进电动机驱动及其控制技术411步进电动机基本结构及工作原理步进电动机基本结构及工作原理412步进电动机的环形分配器和驱动电路步进电动机的环形分配器和驱动电路413步进电动机控制方式步进电动机控制方式第4页，共44页，编辑于2022年，星期一411步进电动机基本结构及工作原理步进电动机基本结构及工作原理 步进电动机步进电动机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件.电磁型步进电机电磁型步进电机 永磁式步进电机永磁式步进电机
3、反应式步进电机反应式步进电机 感应子式永磁步进电机感应子式永磁步进电机 分类分类步进电动机工业应用上大量用作状态伺服元件、状态指示元件及功率伺服拖动元件，步进电动机工业应用上大量用作状态伺服元件、状态指示元件及功率伺服拖动元件，有时也作为位置控制、速度控制元件。有时也作为位置控制、速度控制元件。第5页，共44页，编辑于2022年，星期一411步进电动机基本结构及工作原理步进电动机基本结构及工作原理主要由定子铁心、转子铁心和端盖等部件组成。主要由定子铁心、转子铁心和端盖等部件组成。1.三相反应式步进电动机基本结构三相反应式步进电动机基本结构第6页，共44页，编辑于2022年，星期一411步进电动
4、机基本结构及工作原理步进电动机基本结构及工作原理1.三相反应式步进电动机基本结构三相反应式步进电动机基本结构 定子上有定子上有6个齿，分别缠有个齿，分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着子上则均匀分布着4个齿。个齿。第7页，共44页，编辑于2022年，星期一411步进电动机基本结构及工作原理步进电动机基本结构及工作原理2.三相反应式步进电动机三相反应式步进电动机工作原理工作原理 步进电动机绕组步进电动机绕组每次通断电使转子每次通断电使转子转过的角度称之为转过的角度称之为步距角步距角。此步进电动机步此步进电动机步距角为距角为30 第8页，共44页，
5、编辑于2022年，星期一411步进电动机基本结构及工作原理步进电动机基本结构及工作原理实用三相反应式步进电动机实用三相反应式步进电动机 实用步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的实用步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。第9页，共44页，编辑于2022年，星期一411步进电动机基本结构及工作原理步进电动机基本结构及工作原理3.通电方式通电方式 u步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍，每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电
6、方式称为三相单三拍通电则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。方式。u步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。u步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电为单双相轮
7、流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。第10页，共44页，编辑于2022年，星期一411步进电动机基本结构及工作原理步进电动机基本结构及工作原理3.通电方式通电方式 采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。而采用较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。而采用单双相轮流通
8、电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。m相步进电动机相步进电动机 转子上有转子上有z个小齿个小齿 步距角计算步距角计算 公式：公式：k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，当采用单双相轮流通电方式时，k2。第11页，共44页，编辑于2022年，星期一412步进电动机的环形分配器和驱动电路步进电动机的环形分配器和驱动电路 步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角步进电动机的电枢通断电次数和各相通电顺序决定了输出角
9、位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。位移和运动方向，控制脉冲分配频率可实现步进电动机的速度控制。开环步进电动机控制系统开环步进电动机控制系统 第12页，共44页，编辑于2022年，星期一412步进电动机的环形分配器和驱动电路步进电动机的环形分配器和驱动电路1.环形分配器环形分配器CH250 三相双三拍工作方式接线三相双三拍工作方式接线 三相六拍工作方式接线三相六拍工作方式接线 第13页，共44页，编辑于2022年，星期一412步进电动机的环形分配器和驱动电路步进电动机的环形分配器和驱动电路 CH250环形脉冲分配器的功能关系环形脉冲分配器的功能关系 工作方式CLENJ3
10、rJ3LJ3rJ3L六拍正转反转0000001001双三拍正转反转0010010000六拍正转反转1100001001双三拍正转反转1110010000第14页，共44页，编辑于2022年，星期一412步进电动机的环形分配器和驱动电路步进电动机的环形分配器和驱动电路2.驱动电路驱动电路-单电源驱动电路单电源驱动电路 第15页，共44页，编辑于2022年，星期一412步进电动机的环形分配器和驱动电路步进电动机的环形分配器和驱动电路2.驱动电路驱动电路-双电源驱动电路双电源驱动电路 第16页，共44页，编辑于2022年，星期一412步进电动机的环形分配器和驱动电路步进电动机的环形分配器和驱动电路2
11、.驱动电路驱动电路-斩波限流驱动电路斩波限流驱动电路 第17页，共44页，编辑于2022年，星期一413步进电动机控制方式步进电动机控制方式1.开环控制开环控制-串行控制串行控制P1.08031 P1.1 P1.2 环形分配器 功率放大器 步进电动机CP脉冲方向信号方式信号第18页，共44页，编辑于2022年，星期一413步进电动机控制方式步进电动机控制方式1.开环控制开环控制-并行控制并行控制 P1.0 P1.18031 P1.2 P1.3 P1.4A相 B 相 驱 动C 相 器 电D相 路E相 步进电动机12345第19页，共44页，编辑于2022年，星期一413步进电动机控制方式步进电动
12、机控制方式2.闭环控制闭环控制微微 机机接接口口接接口口功率驱动功率驱动器器光电脉冲编光电脉冲编码器码器步步进进电电动动机机第20页，共44页，编辑于2022年，星期一42直流电动机驱动及其控制技术直流电动机驱动及其控制技术421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术422 SPWM脉宽调制技术脉宽调制技术423直流电动机闭环调速系统直流电动机闭环调速系统 第21页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-晶闸管晶闸管（1）普通晶闸管）普通晶闸管 晶闸管具有正向阻断、反向阻断、正向导通和维持正向导通的能力。晶闸管具有正向阻断、反向阻断、正向导通和维持正向导通的能力。
13、第22页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-晶闸管晶闸管（2）双向晶闸管）双向晶闸管 其特点是当其特点是当G极和极和T2极相对极相对T1的电压均为正时，的电压均为正时，T2是阳极，是阳极，T1是阴极；当是阴极；当G极极和和T2极相对极相对T1的电压均为负时，的电压均为负时，T1变成阳极，变成阳极，T2是阴极。是阴极。第23页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-晶闸管晶闸管（3）场控晶闸管。）场控晶闸管。u场控晶闸管（英文缩写场控晶闸管（英文缩写MCT）是）是MOSFET驱动晶闸管的复合器件，驱动晶闸管的复合器件，集
14、场效应晶体管与晶闸管的优点于一身，是双极型电力晶体管和集场效应晶体管与晶闸管的优点于一身，是双极型电力晶体管和MOSFET的复合。的复合。uMCT阻断电压高，通态压降小，驱动功率低，开关速度快。阻断电压高，通态压降小，驱动功率低，开关速度快。u一个一个MCT器件由数以万计的器件由数以万计的MCT元组成，每个元的组成如下：元组成，每个元的组成如下：PNPN晶闸管一个（可等效为晶闸管一个（可等效为PNP和和NPN晶体管各一个），控制晶体管各一个），控制MCT导通的导通的MOSFET（on-FET）和控制）和控制MCT关断的关断的MOSFET（off-FET）各一个。）各一个。第24页，共44页，编
15、辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-变流技术变流技术（1）整流器。）整流器。把把交流交流电电变变为固定的（或可调的）为固定的（或可调的）直流直流电的装置称为整流器电的装置称为整流器 单相交流可控硅桥式整流电路单相交流可控硅桥式整流电路 第25页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-变流技术变流技术（2 2）逆变器）逆变器 把固定把固定直流直流电电变变成固定的（或可调的）成固定的（或可调的）交流交流电的装置称为逆变器。电的装置称为逆变器。1）半桥逆变电路）半桥逆变电路 第26页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技
16、术晶闸管及变流技术-变流技术变流技术2）负载换相全桥逆变电路）负载换相全桥逆变电路 第27页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-变流技术变流技术（3）斩波器）斩波器 把固定的直流电压变成可调的直流电压的装置称为斩波器。把固定的直流电压变成可调的直流电压的装置称为斩波器。脉宽调速原理脉宽调速原理 二极管是续流二极管，当二极管是续流二极管，当S断开时，由于电枢电感的存在，电动断开时，由于电枢电感的存在，电动机的电枢电流可通过它形成续流回路。机的电枢电流可通过它形成续流回路。第28页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-变
17、流技术变流技术直流伺服电机直流伺服电机PWM调速和实现正、反转控制原理图调速和实现正、反转控制原理图 电路由四个大功率晶体管组成，其作用是对电压脉宽变换器输出的信号电路由四个大功率晶体管组成，其作用是对电压脉宽变换器输出的信号UsUs进行放大。进行放大。第29页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-变流技术变流技术双极式双极式H H型可逆器的电压、电流波形型可逆器的电压、电流波形 第30页，共44页，编辑于2022年，星期一421晶闸管及变流技术晶闸管及变流技术-变流技术变流技术电力晶体管的基极驱动电路及波形电力晶体管的基极驱动电路及波形 第31页，共44
18、页，编辑于2022年，星期一422 SPWM脉宽调制技术脉宽调制技术1.PWM1.PWM波形原理波形原理 a)正弦半波正弦半波 b)PWM波形波形u用一系列等幅而不等宽的脉用一系列等幅而不等宽的脉冲来代替一个正弦电波。冲来代替一个正弦电波。u正弦半波波形分成正弦半波波形分成N等份，就等份，就可把正弦半波看成由可把正弦半波看成由N个彼此个彼此相连的脉冲所组成的波形。相连的脉冲所组成的波形。第32页，共44页，编辑于2022年，星期一422 SPWM脉宽调制技术脉宽调制技术2.2.单相单相SPWMSPWM控制原理控制原理单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路 单相单相SPWMSPWM控制方式
19、波形控制方式波形 第33页，共44页，编辑于2022年，星期一422 SPWM脉宽调制技术脉宽调制技术3.3.三相三相SPWMSPWM控制原理控制原理电路电路第34页，共44页，编辑于2022年，星期一422 SPWM脉宽调制技术脉宽调制技术波形波形三相三相SPWMSPWM逆变电路波形逆变电路波形 第35页，共44页，编辑于2022年，星期一423直流电动机闭环调速系统直流电动机闭环调速系统-单闭环调速单闭环调速（1 1）转速单闭环调速）转速单闭环调速 给定给定电流调电流调节器节器触发电触发电路路正桥功正桥功放放三相电源输出三相电源输出三相三相全控全控整流整流励磁电励磁电源源第36页，共44页
20、，编辑于2022年，星期一423直流电动机闭环调速系统直流电动机闭环调速系统-单闭环调速单闭环调速（2 2）电流单闭环调速）电流单闭环调速 第37页，共44页，编辑于2022年，星期一423直流电动机闭环调速系统直流电动机闭环调速系统-双闭环调速双闭环调速转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成 第38页，共44页，编辑于2022年，星期一423直流电动机闭环调速系统直流电动机闭环调速系统-双闭环调速双闭环调速双闭环直流调速系统框图双闭环直流调速系统框图 第39页，共44页，编辑于2022年，星期一43交流电动机驱动及其控制技术交流电动机驱动及其控制技术4
21、43 31 1晶闸管交流调压调速系统晶闸管交流调压调速系统4 43 32 2交流电动机变频调速交流电动机变频调速第40页，共44页，编辑于2022年，星期一431晶闸管交流调压调速系统晶闸管交流调压调速系统三相异步电动机调压调速系统结构三相异步电动机调压调速系统结构 第41页，共44页，编辑于2022年，星期一432交流电动机变频调速交流电动机变频调速1)U/f控制。控制。对变频器的频率和电压进行控制对变频器的频率和电压进行控制 第42页，共44页，编辑于2022年，星期一432交流电动机变频调速交流电动机变频调速2)2)转差频率控制转差频率控制 第43页，共44页，编辑于2022年，星期一432交流电动机变频调速交流电动机变频调速3)3)矢量控制矢量控制 矢量控制矢量控制是交流异步是交流异步电动机的一电动机的一种理想调速种理想调速方法。方法。第44页，共44页，编辑于2022年，星期一