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1、电动机原理和特点的比较本文主要介绍了三种直流电机：普通直流电机、无刷电机、步进电机，两种交流电机：三相异步电动机、伺服电机的原理、特点及调速方法。1、普通直流电机普通直流电机便是我们最熟悉的一种电动机，它的转子在内部，由线圈组成,定子则在外部，由永磁体组成。在工作时，而把它的电刷A、B接在电压为U的直流电源上，电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b,在S极范围内的导体Cd中的电流是从C流向d。载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此,ab和Cd两导体都要受到电磁力的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而Cd边则是
2、向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和Cd边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半周之后，虽然ab与Cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，Cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的Cd边中电流方向也变了，是从d流向c,在S极下的ab边中的电流则是从b流向a.因此，电磁力FdC的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方
3、向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了。从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。换向器和电刷就是完成这个任务的装置。当然,在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90,这就要藉
4、由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响，则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为
5、重要的特点。如果采用反馈控制系统，调速范围可达50:1150：1,甚至更大。2、直流无刷电机直流无刷电机是指无电刷和换向器的电机，又称无换向器电机。与有刷电机不同，无刷电机的定子由线圈组成，动子为永磁体。在工作时，电流首先从a流向b,在动子周围产生从a线圈指向b线圈的磁场，在磁场中的永磁体动子的N极转到b线圈附近；此时将电流变为从b流向c,动子周围的磁场就变成了从b线圈指向C线圈，动子的N极又转到C线圈附近；此时再把电流变为从C流向a,类似的，动子的N极又会转到a线圈附近。随着不断变换电流，转子便连续不断地顺时针旋转。为了减少转动惯量,无刷直流电机通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体
6、积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%50%左右。因为没有点刷，无刷电机避免了打火，电刷磨损等由电刷引起的问题。但由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在IOOkW以下。从以上分析我们看到，无刷电机的转动需要始终在变化的电流，而判断何时变换电流就需要依靠霍尔元件或线圈两端电压来检测转子的位置。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压，当到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，从而检测出转子的位置。使用DSP或单片机接受霍尔元件返回的信号并产生控制电机三相接头的电压信号，控制驱动电路驱动电机旋转。而电机转动速率则要
7、靠通电时间来控制，速度不够则开长，速度过头则减短。3、步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。其转子上均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。0、1/317、2/3（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以T表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3C,C与齿3向右错开2/31,A,与齿5相对齐，（A就是A,齿5就是齿I）A相通电，B,C相不通电时，由于磁场作用，齿T与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。B相通电，A,C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3T,此时齿3与C偏移为1/3T,齿4与A偏移（T-1/3T）=2
8、/3T。C相通电，A,B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/31,此时齿4与A偏移为1/3T对齐。A相通电，B,C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3P这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A,B,C,A通电，电机就每步（每脉冲）1/3T,向右旋转。如按A,C,B,A通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-CYA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3P改变为1/6T
9、o甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3T变为1/121/24T,这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移lm,2/m（m-l）m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力F与（d/d0）成正比其磁通量中=Br*SBr为磁密,S为导磁面积F与L*D*Br成正比L为铁芯有效长度D为转子直径Br=zzNzzI/RNI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。M=F*R力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转
10、子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。在非超载的情况下，步进电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。4、三相异步电动机三相异步电机是靠同时接入380V三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。当电动机的三相定子绕组通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在
11、转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。因为三相异步电机转子线圈中的感应电流是由于转子导体与磁场有相对运动而产生的。三相异步电机的转子转速不会与旋转磁场同步，更不会超过旋转磁场的速度。如果三相异步电机转子的转速与旋转磁场的转速成大小相等，那么，磁场与转子之间就没有相对运动，导体不能切割磁力线，因此转子线圈中也就不会产生感应电势和电流，三相异步电机转子导体在磁场中也就不会受到电磁力的作用而使转子转动。因而三相异步电机的转子旋转速度不可能与旋转磁场相同，总是小于旋
12、转磁场的同步转速。三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜，应用广泛。缺点是功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。三相异步电动机转速公式为：n=60f（Ls）/p。从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数P及转差率S均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速
13、等。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流一直流一交流变频器和交流一交流变频器两大类，目前国内大都使用交一直一交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检验困难。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。5、伺服电机高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，与普通电机一样,交流伺服电机也由定子和转子构成。定子上有两个绕组，即励磁绕组和控制绕组,两个绕组在空间相差90电角度。伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动g
14、S控制的u/V/W三相电形成电磁场转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度。交流伺服电动机必须有宽广的调速范围，也就是指伺服电动机的转速随着控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节。线性的机械特性和调节特性有利于提高自动控制系统的动态精度。伺服电动机的机械特性是指控制电压一定时，转速随转矩的变化关系，调节特性是指电动机负载转矩一定时，转速随控制电压的变化关系。伺服电动机应无“自转”现象，即要求交流伺服电动机在控制电压降为零时能立即自行停转。伺服电动机应有快速响应，即电动机的机电时间常数要小
15、,相应的伺服电动机要有较大的堵转转矩和较小的转动惯量，这样，电动机的转速才能随着控制电压的改变而迅速变化。一般伺服电机都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。对运动中的动态性能有比较高的要求时,需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢，就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。
