特种电机电子教案.docx
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特种电机电子教案
教案
2009-2010学年第2学期
课程名称：
控制及特种电机
课程编号：
074100026
学院、专业、年级：
电气071，电气072
任课教师：
余发军
教师所在单位：
信息工程系
中原工学院信息商务学院
课程简介
课程编号074100026适用专业：
电气工程及其自动化专业
总学时数：
60学时学分数：
4学分
理论教学时数：
52实验教学时数：
8
本课程为电气工程及其自动化专业必选课。
主要讲述伺服电机、步进电机、自整角机、旋转变压器、永磁电机、开关磁阻电动机、低速同步电动机、直线电动机、实心转子与复合转子感应电动机的工作原理、结构及运行。
通过本课程的学习使学生能熟练的掌握控制及特种电机的工作原理、结构、运行控制及设计。
为以后的工作打下良好基础。
针对本课程的特点主要采用理教、实验参观和上机来完成教学环节。
教学大纲
课程名称：
控制及特种电机
课程编号：
074100026适用专业：
电气工程及其自动化专业
总学时数：
60学时学分数：
4学分
理论教学时数：
52实验教学时数：
8
课程的性质、目的与任务
本课程为电气工程及其自动化专业必选课。
主要讲述伺服电机、步进电机、自整角机、旋转变压器、永磁电机、开关磁阻电动机、低速同步电动机、直线电动机、实心转子与复合转子感应电动机的工作原理、结构及运行。
一、课程教学的基本要求
通过本课程的学习使学生能熟练的掌握控制及特种电机的工作原理、结构、运行控制及设计。
为以后的工作打下良好基础。
针对本课程的特点主要采用理教、实验参观和上机来完成教学环节。
二、基本内容
绪论：
主要讲述特种及控制电机概念、历史、发展及应用领域。
第一章伺服电动机
概述；直流伺服电机；无刷直流电动机；直流力矩电机；两相伺服电机；伺服电动机的应用举例
第二章开关磁阻电动机及其控制。
主要讲述开关磁阻电机结构、原理、设计及应用。
1、开关磁阻电动机及其控制
开关磁阻电动机传动系统的组成；开关磁阻电动机的工作原理。
开关磁阻电动机传动系统的特点；国外发展概况和应用举例
2、开关磁阻电动机的基本电磁关系
理想化开关磁阻电动机模型的基本电磁关系；实际开关磁阻电动机的物理状态；开关磁阻电动机的数学模型
3、开关磁阻电动机的运行状态与控制方式
开关磁阻电动机的运行特性；开关磁阻电动机的起动运行。
开关磁阻电动机的稳态运行；开关磁阻电动机的制动运行。
开关磁阻电动机运行时的转距脉动与噪声。
4、开关磁阻电动机的电磁设计与性能计算
开关磁阻电动机的主要技术参数；开关磁阻电动机主要尺寸与转距之间的关系—输出方程；主要尺寸和主要参数的选择；开关磁阻电动机的转距计算；损耗计算；开关磁阻电动机电磁计算程序和算例。
5、开关磁阻电动机传动系统的功率变换器、控制器及位置、电流检测器
（一）功率变换器。
（二）位置检测器。
（三）控制器。
（四）电流检测器
第三章步进电机
概述；反应式步进电动机的工作原理；反应式步进电动机的运行特性；驱动电源平面电机
第四章直线电动机。
主要讲述直线电机结构、原理、设计及应用。
1、概述
直线电动机的原理与分类；直线电动机的国内外发展概况。
2、直线感应电动机的设计特点
直线感应电动机的结构；直线感应电动机的纵向边缘效应；直线感应电动机的横向边缘效应；直线感应电动机的等效电路。
直线感应电动机的电磁设计特点；直线感应电动机的电磁计算程序和算例
3、直线感应电动机的应用
直线感应电动机应用原则；直线感应电动机应用情况。
4、直线直流电动机
直线直流电动机的结构；直线直流电动机的设计特点；直线直流电动机的应用；直线直流电动机的传动控制电路
第五章永磁电机主要讲述永磁电机结构、原理、设计及应用。
第一节永磁电机的主要特点和应用
永磁同步发电机；高效永磁同步电动机；调速永磁同步电动机和无刷直流电动机；永磁直流电动机；永磁特种电动机
第二节永磁直流电机
永磁直流电机的磁极结构；永磁直流电机磁路计算的主要系数。
永磁直流电机的电枢反应；永磁直流电动机的设计特点。
永磁直流测速发电机；永磁直流电动机电磁计算程序和实例
第三节永磁同步电动机
永磁同步电动机的转子磁路结构；永磁同步电动机稳态性能。
永磁同步电动机磁路分析与计算；永磁同步电动机的参数计算与分析；异步起动永磁同步电动机的起动过程。
第四节永磁同步电动机
磁同步发电机的转子磁路结构；永磁同步发电机的运行性能
第六章旋转变压器
概述；正余弦旋转变压器的工作原理；线性旋转变压器；旋转变压器的误差及其改进方法；旋转变压器的应用举例；感应移相器；多极旋转变压器和感应同步器
第七章自整角机
概述；力矩式自整角机的结构和运行性能；阻尼绕组；多台自整角接收机的并联使用；力矩式自整角机的应用举例；控制式自整角机的结构和运行性能；多台自整角变压器的并联使用；差动自整角机的结构和运行原理；差动自整角机的应用举例；无接触式自整角机；双通道自整角机
三、课程与其它课程的联系与分工
其主要先修课程为电路、电磁场、电机学、单片机原理等。
电路、电磁场、电机学为本课程提供理论基础。
本课程的控制部分以单片机控制为主。
四、推荐教材及教学参考书
教材：
《特种电机及其控制》孙建忠主编中国水利水电出版社
参考书：
《控制电机及其应用》巫传专编电子工业出版社
教案（首页）
授课时间2009-2010学年第2学期教案编写时间2010年3月1日
课程名称
控制及特种电机
课程代码
074100026
总学时：
60
讲课：
52学时
实验：
8学时
实习：
0周
学分
4
课程性质
必修课（√）选修课（）
理论课（√）实验课（√）
任课教师
余发军
职称
助教
授课对象
电气专业07年级1、2班级
教材
和
主要参考资料
教材：
《特种电机及其控制》孙建忠主编中国水利水电出版社
参考书：
《控制电机及其应用》巫传专编电子工业出版社
教学目的
和
教学要求
本课程为电气工程及其自动化专业必选课。
主要讲述伺服电机、步进电机、自整角机、旋转变压器、永磁电机、开关磁阻电动机、低速同步电动机、直线电动机、实心转子与复合转子感应电动机的工作原理、结构及运行。
通过本课程的学习使学生能熟练的掌握控制及特种电机的工作原理、结构、运行控制及设计。
为以后的工作打下良好基础。
针对本课程的特点主要采用理教、实验参观和上机来完成教学环节。
教学重点和
教学难点
本课程教学重点为直流伺服电机、开关磁阻电机、直线电机、步进电机等的工作原理、机构及运行。
其中永磁电机、步进电机等特种电机的设计及应用为教学难点
教学进程
第次课
授课章节
学时
备注
1
0绪论
1.1无刷直流电动机系统
2
练习题1
练习题2
2
1.2三相无刷直流电动机的主电路及其工作方式
1.3无刷直流电动机的电枢反应
2
练习题4
练习题5
3
1.4无刷直流电动机的基本公式
1.5无刷直流电动机的运行特性
2
练习题3
4
1.6无刷直流电动机的转矩脉动
1.7无刷直流电动机转子位置信号的检测
2
技能题2
5
1.8无刷直流电动机的控制原理及其实现
1.9无刷直流电动机控制专用集成电路及其应用
2
技能题3
6
1.10无刷直流电动机的单片机控制
1.11基于DSP的无刷直流电动机无位置传感器控制
2
技能题4
7
实验一：
直流伺服电动机控制实验
2
实验报告
8
校运动会
9
2.1开关磁阻电动机传动系统
2.2开关磁阻电动机的基本方程与性能分析
2
练习题3
10
2.3开关磁阻电动机的控制原理
2.4开关磁阻电动机的功率变换器
2
练习题4
11
2.5开关磁阻电动机传动系统的反馈信号检测
2.6开关磁阻电动机控制系统原理及其实现
2
练习题8
12
2.7基于单片机的开关磁阻电动机控制器
2
技能题1
13
2.8基于DSp的开关磁阻电动机控制器
2
技能题2
14
实验二：
开关磁阻电机实验
2
实验报告
15
习题课
2
16
3.1步进电动机的结构与工作原理
2
练习题1
17
3.2反应式步进电动机的特性
2
练习题3、4
18
3.3步进电动机控制器的构成
3.4步进电动机功率驱动电路
2
练习题5、6
19
3.5步进电动机的角度细分控制
2
练习题7、8
20
3.6步进电动机的单片机控制
2
练习题10
21
实验三：
步进电机控制实验
2
实验报告
22
4.1直线电动机概述
2
练习题1、2
23
4.2直线感应电动机
2
练习题4
24
4.3直线直流电动机
2
技能题2
25
实验四：
直线电机实验
2
实验报告
26
5.1盘式电机概述
5.2盘式直流电机
2
练习题3、4
27
5.3盘式永磁同步电机的结构和特点
2
技能题1
28
6.1超声波电动机概况
6.2超声波电动机的常见结构与分类
2
练习题1、2
29
6.3行波型超声波电动机的运行机理
6.4行波型超声波电动机的驱动控制
（补6.15的课）
2
练习题3、4、5
30
总复习
2
教案（分教案）
学时:
12
章节
第一章直流伺服电机
教学目的
和
教学要求
1熟悉直流电动机的工作原理
2熟悉电磁转矩和转矩平衡方程式
3熟悉直流电动机的反电势和电压平衡方程式
4掌握直流电动机的使用
5熟悉直流伺服电动机及其控制方法
6熟悉直流伺服电动机的稳态特性
7熟悉直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态
8熟悉直流伺服电动机的过渡过程
教 学
重点
难点
重点：
直流电动机的工作原理和直流电动机的使用
难点：
直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态
教学进程
（含章节
教学内容、学时分配、
教学方法、辅助手段）
1.1直流电动机的工作原理
直流电动机的基本结构和直流测速发电机相同，所不同的是电动机的输入为电压信号，输出为转速信号。
1.2电磁转矩和转矩平衡方程式
电磁力在电枢外圆的切线方向，产生的转矩为
式中，l为导体在磁场中的长度，取电枢铁心长度；Bx为导体所在处的气隙磁通密度；ia为导体的电流；D为电枢直径。
假设空气隙中平均磁通密度为Bp，电枢绕组总的导体数为N,则
电机转子所受到的总转矩为
式中，Bp用每极总磁通Φ表示，Bp=Φ/（τl）,其中τ为极距，τ=πD/（2p）,l为电枢铁心长；导体电流ia用电枢总电流Ia表示，
ia=Ia/（2a）,其中a为并联支路对数。
1.2.1电磁转矩
1.3直流电动机的反电势和电压平衡方程式
直流电动机所产生的电磁转矩作为驱动转矩使电动机旋转。
电动机轴上的转矩平衡方程
式为
或
1.2.3发电机的电磁转矩
下图是直流电机作为发电机运行的示意图。
假定在外转矩T1的作用下，电机按顺时针方向旋转，此时电枢导体感应电势e的方向如图
教学进程
（含章节
教学内容、学时分配、
教学方法、辅助手段）
所示（或⊙）。
当电刷两端接上负载后，导体中便有电流ia流过，ia的方向和电势e的方向相同
用⊙表示；在S极下，导体的电流方向由读者指向纸面，则用表示。
根据左手定则，便可以确定电磁力F的方向，因而就可以确定电动机的旋转方向。
输入转矩T1并不能全部转化成电磁转矩。
直流发电机同样有机械摩擦，电枢旋转后铁心中也会产生磁滞、涡流损耗。
所以，要使电机以某一速度旋转，输入转矩T1必须先克服电机本身的阻转矩T0。
其转矩平衡方程式为
T=T1-T0或T1=T+T0
1.3.1电枢绕组中的反电势
因导体运动时要切割磁力线，所以导体中还产生感应电势e,其方向由右手定则确定，并用大圆内侧上的⊙或表示。
由图3-3可知，感应电势的方向与电流方向相反，它有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此电动机中的感应电势是一种反电势。
虽然直流电动机感应电势的作用与直流发电机不同，但电枢导体切割磁通，产生感应电势的情形完全一样。
所以电动机电刷两端感应电势Ea的公式也相同，即
Ea=CeΦn
式中，n为电枢转速；Φ为每极总磁通。
1.3.2电动机的电压平衡方程式
为了列出电压平衡方程式，需先作图以表示电动机各个电量的方向，见图3-4。
由于电动机作为电源的负载，所以从电枢回路的外部来看，电动机端电压Ua和电枢电流Ia的方向一致，Ea为反电势，所以Ea与电流Ia方向相反。
与直流发电机一样，电枢内阻Ra包括电枢绕组的电阻以及电刷和换向器之间的接触电阻，Ra在图中不再表示。
励磁电压Uf为恒值。
4直流电动机的使用
1.4.1直流电动机的额定值
额定功率Pn（W）、额定电压Un（Ｖ）、额定电流In（A）、
额定转速nn（r/min）以及定额。
1.4.2直流电动机的启动
电动机从静止状态过渡到稳速运转的过程叫启动过程。
对于电动机的启动性能，有以下几点要求：
（1）启动时电磁转矩要大，以利于克服启动时的阻转矩，包括总阻转矩Ts和惯性转矩
转矩Ts和惯性转矩
教学进程
（含章节
教学内容、学时分配、
教学方法、辅助手段）
（2）启动时电枢电流不要太大；
（3）要求电动机有较小的转动惯量和在加速过程中保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。
在启动的最初瞬间，因为转速n=0，反电势Ea=0，故电动机的端电压Ua全部降落在电枢电阻Ra上，此时的电枢电流
3.4.3电动机的调速方法
某些场合往往要求电动机的转速在一定范围内调节，例如电车、机床、吊车等，调速范围根据负载的要求而定。
（1）改变电机端电压Ua,即改变电枢电源电压；
（2）在电枢回路中串联调节电阻Rtj,
（3）改变磁通Φ，即改变励磁回路的调节电阻Rfj以改变励磁电流If
举例说明
1.4.4改变电动机转向的方法
要改变电动机的转向，必须改变电磁转矩的方向。
根据左手定则可知，改变电磁转矩的方向有两种方法：
（1）改变磁通的方向;
（2）改变电枢电流的方向。
请注意：
如果磁通、电枢电流方向均变，则电磁转矩方向不变。
所以要改变电动机的转向，必须单独改变电枢电流的方向或单独改变励磁电流的方向
5直流伺服电动机及其控制方法
当电动机负载转矩TL不变，励磁磁通Φ不变时，升高电枢电压Ua，电机的转速就升高，反之，降低电枢电压Ua,转速就下降。
在Ua=0时，电机则不转。
当电枢电压的极性改变时，电机就反转。
因此，可以把电枢电压作为控制信号，实现电动机的转速控制。
电枢电压Ua控制电动机转速变化的物理过程如下：
开始时，电动机所加的电枢电压为Ua1，电动机的转速为n1，产生的反电势为Ea1电枢中的电流为Ia1，根据电压平衡方程式，则Ua1=Ea1+Ia1Ra=CeΦn1+Ia1Ra
这时，电动机产生的电磁转矩T=CTΦIa1。
由于电动机处于稳态，电磁转矩T和电动机轴上的总阻矩Ts相平衡，即T1=Ts。
6直流伺服电动机的稳态特性
1.6.1机械特性
先以绪论中所述的天线控制系统中的直流电动机为例来说明什么是电动机的机械特性。
设开始时天线在电动机的带动下跟踪飞机匀速旋转，
7直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态
为了分析控制系统的动态特性，不仅需要知道电机在过渡过程中的工作状态，而且还要进一步了解电机的转速、转矩、电流、功率等物理量在过渡过程中随时间变化的规律，
教学进程
（含章节
教学内容、学时分配、
教学方法、辅助手段）
以及过渡过程时间和电机参数的关系。
产生过渡过程的原因，主要是电机中存在两种惯性：
机械惯性和电磁惯性。
如上一节所述当电枢电压突然改变时，由于电机和负载有转动惯量，转速不能突变，需要有一个渐变的过程，才能达到新的稳态，因此转动惯量是造成机械过渡过程的主要因素。
另外，由于电枢绕组具有电感，电枢电流也不能突变，也需要有一个过渡过程，所以电感是造成电磁过渡过程的主要因素。
电磁过渡过程和机械过渡过程是相互影响的，这两种过渡过程交织在一起形成了电机总的过渡过程。
但是一般来说，电磁过渡过程所需的时间要比机械过渡过程短得多。
因此在许多场合，只考虑机械过渡过程，而忽略电磁过渡过程，在上一节中就是这样处理的。
研究电机过渡过程的方法，是将过渡过程中的物理规律用微分方程表示出来，然后根据初始条件求解方程，找出各物理量与时间的函数关系。
下面即按照这种方法分析直流伺服电动机在电枢绕组加上阶跃电压时，转速和电流随时间增长的过程。
8直流伺服电动机的过渡过程
作 业
练习题一、二、三、四、五技能题二、三、四
主要
参考资料
教材：
《特种电机及其控制》孙建忠主编中国水利水电出版社
参考书：
《控制电机及其应用》巫传专编电子工业出版社
课后自我总结分析
通过本章的学习同学们需掌握直流电动机的工作原理；电磁转矩和转矩平衡方程式；直流电动机的反电势和电压平衡方程式；直流电动机的使用以及直流伺服电动机及其控制方法；直流伺服电动机的稳态特性；直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态。
备注
教案（分教案）
学时:
10
章节
第二章开关磁阻电动机
教学目的
和
教学要求
1、了解开关磁组电动机的传动系统
2、掌握开关磁组电动机的电磁关系
3、掌握开关磁组电动机的运行状态与控制
4、了解开关磁组电动机的功率变换、控制器及位置、电流检测器
教 学
重点
难点
重点：
开关磁组电动机的电磁关系
难点：
开关磁组电动机的运行状态与控制
教学进程
（含章节
教学内容、学时分配、
教学方法、辅助手段）
2．1开关磁组电动机的传动系统
开关磁阻电动机传动系统（简称SRD系统）主要由四部分组成：
开关磁阻电动机、功率变换器、控制器和检测器。
它们之间的关系如图3—1所示。
开关磁阻电动机传动系统综合了感应电动机传动系统和直流电动机传动系统的优点，是这些传动系统的有力竞争者，其主要优点如下：
1）开关磁阻电动机有较大的电机利用系数，可以是感应电动机利用系数的1.2～1.4倍。
2）电动机的结构简单，转子上没有任何形式的绕组；定子上只有简单的集中绕组，端部较短，没有相间跨接线。
因此，具有制造工序少、成本低、工作可靠、维修量小等特点。
3）开关磁阻电动机的转矩与电流极性无关，只需要单向的电流激励。
在理论上功率变换电路中每相可以只用一个开关元件，而且每个开关元件都与电动机绕组串联，不会出现像PWM逆变器那样电源有通过两个开关元件直通的危险，所以，SRD系统线路简单，可靠性高，成本低于PWM交流调速系统。
4）SR电动机转子的结构形式对转速限制小。
可制成高转速电动机。
而且转子转动惯量小，在电流每次换相时叉可以随时改变相应转矩的大小和方向，因而系统有良好的动态响应。
5）SRD系统可以通过对电流的导通、断开和幅值的控制，得到满足不同负载要求的机械特性，易于实现系统的软起动和四象限运行等功能，控制灵活。
又由于SRD系统是自同步系统运行，不会像变频供电的感应电动机那样在低频时出现不稳定和产生振荡问题。
6）由于SR电动机采用了独特的结构和设计方法以及相应的控制技巧，其单位出力可以与感应电动机相媲美，甚至还略占优势。
SRD系统的效率和功率密度在宽广的速度和负载范围内都可维持在较高水平。
2．2开关磁组电动机的电磁关系
教学进程
（含章节
教学内容、学时分配、
教学方法、辅助手段）
一、理想线性化开关磁阻电动机模型的基本电磁关系
开关磁阻电动机的电磁转矩是磁阻性质的，定、转子都是凸极结构，磁路是非线性的，加上运行时的开关性和可控性，使电动机内部的电磁关系和运行状态十分复杂，不同于常规电动机。
为弄清SR电动机内部的基本电磁关系和基本特性，从简化的模型开始进行分析研究是十分必要的。
分析时假设：
①定子绕组的电感L与绕组电流i无关。
②极尖的磁通边缘效应忽略不计。
③忽略所有的功率损耗。
④开关动作是瞬时完成的。
⑤转子旋转角速度是常数。
在上述假设条件下的电动机模型称为理想线性模型。
下面各小节首先以此模型为基础进行讨论，然后给出实际关系。
（一）电感与转子位置角的关系．
由于开关磁阻电动机的定、转子都是凸极结构，转子与通电相定子齿极的相对位置（用转子位置角表示）不同时，电动机内的磁场分布不同，绕组电感L也随之变化。
在理想线性模型中，忽略了磁通边缘效应和磁路的非线性，且认为铁心中的磁位差为零，绕组电感就等于气隙电感。
2．3开关磁组电动机的运行状态与控制
SR电动机运行时，主要有下列几种运行物理状态：
1.起动运行状态。
2.稳定运行状态。
3.制动运行状态。
按控制绕组通电的激励方式来分可分为：
1.起动运行方式。
2.斩波控制运行方式。
3.角度位置控制运行方式。
本节以四相8/6齿极SR电动机为例，简要说明各种运行方式的特点和控制策略。
2．4开关磁组电动机的功率变换、控制器及位置、电流检测器
一、功率变换器
根据基本工作原理，可知功率变换器的作用有三个：
起开关作用，使绕组与电源接通或断开；为绕组的储能提供回馈路径；为SR电动机提供电能量，以满足所需机械能的转换。
它的输人端与电池或整流器等直流电源相连，输出端与SR电动机各相绕组相连。
SRD系统的成本主要取决于功率变换器，因此合理设计功率变换器是整个SRD系统设计成败的关键。
为此要求在电动机和功率变换器之间和在性能要求之间进行全面分析，找出最佳组合方案。
对功率变换器的设计有如下要求：
1）在电动机低速运行时，为了限制绕组电流的幅值，应能实现电流斩波控制的运行方式；
2）在电动机高速运行时，能提供迅速建立绕组电流、实现角度位置控制的运行方式；
3）能提供电动机各相绕组导通和断开的独立控制；
4）能提供电动机实现四象限运行及为电动机在电流续流阶段提供能量反馈的路径；
5）尽可能降低成本。
（一）功率变换器的主电路形式
三种基本的主电路原理图。
所示功率变换器电路为单电源、单绕组型式，电动机的相绕组始终与两个开关元件相串联，它们一起导通或关断。
教学进程
（含章节
教学内容、学时分配、
教学方法、辅助手段）
当两开关VT2同时导通时，电动机绕组两端电压为电源电压。
电源向绕组输入电能；当两开关同时关断后，因绕组中的电流不能突变，还需要两只二极管VD构成续流电路，这时绕组两端电压为-us，这个续流过程直到绕组电流衰减到零结束。
开关元件VT及二极管VD的最大反电压为us，以及接通、断开时的电压突变，元件的电压定额应为2us。
。
这种电路主要优点是开关元件的电压容量要求较低，缺点是开关元件数目多。
在高压和大功率场合应用时，优点尤为明显。
图3-35b所示功率变换器主电路中，每相仅有一只开关元件VT和一个续流二极管VD，
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