直流电机电子教案

2024-05-15

直流电机电子教案（共6篇）

篇1：直流电机电子教案

第1章

直流电机

教学要求

掌握直流电机基本工作原理，会分析其电路系统和磁路系统；掌握单叠绕组的基本分布规律，正确理解电刷、换向器在直流电机中的作用；会计算直流电机的感应电动势和电磁转矩，会分析他励直流电动机的机械特性；掌握各种启动方法及调速方法的原理及特点。

教学重点

直流电机的运行原理、机械特性、启动、制动、调速。

教学难点

感应电动势和电磁转矩计算、换向、制动。

课时安排

本章安排12课时，其中实验4课时。

教学大纲

1.1 直流电机概述

1.1.1 直流电机的结构 1.定子部分 2.转子部分

1.1.2 直流发电机和电动机的基本工作原理

1.直流发电机 2.直流电动机

3.直流电机的可逆性原理 4.励磁方式

1.1.3 直流电机的铭牌数据

1.型号

2.额定电压

3.额定电流

4.额定功率

5.额定转速

6.额定励磁电流

1.2 直流电机的电枢电动势和电磁转矩

1.2.1 直流电机的电枢电动势 1.2.2 直流电机的电磁转矩 1.3 直流电机的运行原理

1.3.1 直流电动机的基本平衡方程 1.电动势平衡方程式 2.功率平衡方程式 3.转矩平衡方程式

1.3.2 他励直流电动机的工作特性 1.转速特性 2.转矩特性 3.效率特性

1.4 他励直流电动机的机械特性

1.4.1 他励直流电动机机械特性的表达式 1.4.2 他励直流电动机的固有机械特性 1.4.3 他励直流电动机的人为机械特性 1.电枢回路串联电阻的人为机械特性 2.降低电源电压的人为机械特性 3.减弱励磁磁通的人为机械特性 1.4.4 他励直流电动机机械特性的求取 1.固有机械特性的求取 2.人为机械特性的求取

1.4.5 电力拖动系统稳定运行的条件 1.5 他励直流电动机的启动

1.5.1 他励直流电动机电枢回路串联电阻启动 1.5.2 他励直流电动机降压启动 1.6 他励直流电动机的制动

1.6.1 他励直流电动机能耗制动 1.电动机拖动反抗性负载 2.电动机拖动位能性负载 1.6.2 他励直流电动机反接制动 1.电源反接制动 2.倒拉反接制动

1.6.3 他励直流电动机回馈制动 1.正向回馈制动 2.反向回馈制动

1.7 他励直流电动机的调速

1.7.1 他励直流电动机调速指标 1.调速范围 2.相对稳定性 3.平滑性 4.经济性

1.7.2 他励直流电动机调速方法 1.电枢回路串联电阻调速 2.降低电源电压调速 3.减弱磁通调速

主要概念

定子、转子、电刷、电枢绕组、励磁方式、电枢电动势、电磁转矩、位能性负载、制动、调速、平滑性、机械特性。

篇2：直流电机电子教案

绪论, 第1章直流电路

引导学生开始学习一门新课，让他们对这门课感到新鲜、产生兴趣，并对课程有初步的了解，满怀期待地进入正题，讲好绪论是非常重要的。认为绪论可有可无,不讲或草草了事都使教师失去了从一开始就调动学生积极性的机会。要尽量把绪论内容组织得丰满和生动。

直流电路一章是学生从物理课进入电工课的第一个阶梯，它的内容与物理课所学内容有一定重复，这在物理已学完一段时间以后再提示一下是必须的，但可以一带而过，同时要注意现在是从工程应用的角度来讨论问题，与物理课的着重点已经不同了。

电工测量的内容可视具体情况掌握，学时充裕可以安排系统地讲一次课，学时紧张可以在首次实验课择要介绍相关内容，有些可在以后的实验课中随用随讲。

课时分配建议

课次节次和内容学时数 2

绪论

1.1 电路基本概念

1.2 电源的工作状态及外特性 1.3 负载的连接

1.4 常用导线材料及规格

1.5 基尔霍夫定律与复杂电路的计算 1.6 叠加定理

1.7 有源电路的等效变换 1.9 电流和电压的测量 1.10 电阻的测量 1.11 万用表

学时小计

第1次课

课题：绪论，电路基本概念

目的：绪论：明确本门课程的学习目的、课程特点和学习过程中的具体要求。

电路基本概念：介绍电路基本概念，复习相关内容，完成与物理课的衔接。教学内容及说明：(注：具体的教材内容不再详述，主要对基本思路、重点、教学方法等做进一步的说明。)

绪论

1.电能的特点：转换容易；输送经济；控制便利。

转换容易：可参看图0.1。在此应当较详细的介绍一下火力发电和水力发电的知识，尤其是火力发电的流程：煤→锅炉→高压蒸汽→汽轮机→发电机，而核能发电与此类似。与此同时，介绍一下:为把用过的蒸汽冷凝成水，要有循环的冷却水和晾水塔。学生乘火车时经常在铁路两边远处看到电厂的晾水塔，告诉他们塔的这种特殊形状是为了可以使水喷洒的距离最长，他们会很感兴趣。同时介绍我国电力生产发展的情况。

在这里还有一个问题可以讲一下。常有人问：在深夜，很多工厂都不用电了，人们都睡觉也不开电灯了，可发电机还照常运转，多余的电跑到那里去了？白白浪费掉了？（根据能量守恒原理，能量不可能自行消失）？还是储存起来了（也没有那么大的储能设备）？提出2 3 2 ﹡4 2

6+﹡2 这一问题，大多数学生会不清楚，并且会很感兴趣。

因为发电机是应用导线在磁场中运动感应电动势的原理来发电的，绕成线圈的导线称为绕组。而发电机向外供电时绕组中有电流，通电导线在磁场中将受到与旋转方向相反的力（学生在高中物理电磁学里都学过，一提即可），用户用电越多，发电机绕组电流越大，反力也越大，汽轮机就要开大汽门才能拖动它，锅炉就要多供汽，相应的也就要多烧煤。反之，用户用电很少时，用煤也少。能量是守恒的。这一概念很重要，但往往被忽视，因为没有哪个章节会讲到它。

当然，即使能量并未失去，深夜发电设备没有得到充分利用，也是我们不希望的，所以供电部门经常用深夜降低电价的方法，鼓励一些原来在高峰时间用电的用户转向深夜用电，叫做“削峰填谷”。

输送经济：可以和热能相比，电能在输送时损耗要小得多，这大家都能想到。同时介绍我国高压输电技术的发展情况。

控制便利：微弱的电能可以作为“信号”，最早用于通信，称为“弱电”，现代已经把弱电和强电结合到一起，以弱控强，形成了自动控制系统，使生产过程实现自动化。

因为本教材没有为发、输、配电另设章节，所以在这里要顺便介绍上述这些相关的知识。2．电能在生产中的应用

电力拖动：用电动机拖动生产机械。

直接完成生产过程：如：电解、电镀、电焊、电加热、电制冷等等。生产辅助设施：如照明、空调。生产过程控制：测量和控制系统。

这里要尽量结合本专业的特点介绍电能的具体应用，举一些实例。3.学习目的

现代生产对电的广泛应用，要求每个非电专业人员必须掌握一定的相关电工电子技术知识，能和电的专业人员有共同语言，能协作解决生产中的问题，才能真正胜任工作。

这里可以举“概述”中讲的电磁铁烧坏线圈的例子；还可以提出：大家都知道按电度表缴电费但不了解什么是功率因数；都知道要安全用电但不清楚什么是接地接零等等，说明原有的知识是远远不够的，必须进一步掌握一定的电工、电子技术知识,才能适应今后的工作。4.学习重点

（1）要着眼于工程实际应用：例如：一个电路习题：电压220V，电阻2Ω，求电流。在物理课，我们只需用欧姆定律，代入公式求出电流等于110A，题目就算解完了，得数正确就可以得分。而在实际应用中，这决不是一个可以随便接通的电路，因为110A是一个很大的电流，我们生活中常用的导线通过这么大的电流就会被烧坏，绝缘就会起火，这是决不允许的。我们还应讨论：电路的导线要多大规格、保护装置如何正确配置，才能使它安全地正常工作。这就是物理和电工两门课着重点的不同。

（2）要着重掌握外部功能。例如：一个电子线路以掌握它的外部功能为主，内部结构为辅；一台电机以掌握它的性能参数及使用方法为主，分析其内部电磁过程为辅。

（3）要掌握辨证的分析方法。学生在基础教育阶段，习惯了做题只有一种标准答案，与之相同就对，与之不同就错。即使有的问题是可以有两种答案的，老师也要统成一种，以便于阅卷评分。很少有通过比较、分析、选择得出答案的题目。长期如此，不自觉的形成了一种形而上学的思想方法，看问题容易绝对化。而工程技术问题常常没有绝对的答案：用直流电还是用交流电？用同步电机还是用异步电机？用双绕组变压器还是用自耦变压器？都是根据具体条件具体分析作出选择的，哪个方案优点多被选用了，并不等于它没有缺点了。随着技术的发展，情况不断会转化。例如：需要无级调速的场合，前些年还是选用直流电机，随着大功率电子器件的成本降低，可靠性提高，交流变频调速电动机应用越来越广泛。必须让学生掌握辨证唯物的思想方法才能让所学知识适应今后的发展。

（4）要学会利用手册和技术资料。要练习查阅的方法，例如异步电动机的习题，需要给出一系列已知数据，而我们只给型号，让学生自己从附表中去查，初步培养他们查资料的习惯。

5.在学习过程中的具体要求：如：有关听课、课外作业、实验报告的书写格式、完成期限的要求等。由教师拟定，首次课就告知学生。

1.1 电路基本概念

1.电路构成和电路的几个基本物理量

从最简单的电路引入新课。介绍电路的构成：电源、线路、负载。常用的物理量：电动势、电压、电流、电阻。

要在讲课的同时，提醒学生一开始就注意图形符号、代表元件的文字符号、代表各物理量的文字符号、代表单位的文字符号等。必须规范，不可随意自定。例如：单位V、A、W 都是大写字母；熔断器FU1、FU2，开关S1、S2，这些代表元件的字符中1、2不是下标，不写成FU1、FU2和S1、、S2等，图形符号是一种语言，必须统一才能相通，不能各行其是。2.电路的几个基本定律和公式

这些都是物理课学过的内容，等于扼要复习，按教材讲一遍即可。介绍三个平衡方程可以简明地把直流电路的诸多关系式归纳到一起。

有几点可能学生有些生疏：

（1）电流连续性原理不难理解，但不善于联系实际应用。习题1.1、1.2、1.3就是常见的实例，可以提出来当例题讲。

（2）非线性电阻。半导体元件还没有讲到，所以举白炽灯为例最合适。白炽灯在未通电时的冷电阻和在工作状态的热电阻相差极为悬殊，是典型的非线性元件。因为它总是在额定电压下工作，所以在计算时才可以认为电阻是一定值。

在灯丝刚通电的一瞬间，因为电阻很小，电流约为正常值的8倍以上。有人联系实际说：灯泡经常在开灯的一瞬间烧坏就是这个原因，此说法不够准确。灯丝被“烧”坏，肯定温度远远超过正常工作温度，但灯丝只要升高到工作温度，电阻就已经升高到正常值，电流也就降到正常值，温度就不会继续上升了，所以灯丝不会因此被烧坏。只有个别灯泡因为灯丝老化，粗细不均匀，个别地方变细局部电阻增大，或因引入线的焊点不良电阻增大，这些局部会在总体温度尚未升高时先产生高温烧断。但绝大多数灯泡开灯时都不会烧坏。

（3）电路模型的概念。把电源等效为一个电动势和电阻串联是学生已经熟悉的做法，把它归纳成一个普遍应用的方法，建立“电路模型”的概念，以便用于后面的“电压源与电流源等效变换”、“电感性负载”等处。

例题1.1可以作为学生复习以往直流电路知识的自测题，试一试搁置了一段时间的内容是否都回忆起来了，为下面讲新课打好基础。同时可藉此题向学生明确一下课外作业的格式。教材中的格式是出版物要求的格式，不一定适合学生作业。笔者建议：不抄题，但要列出：已知哪些数据、求哪些量。运算过程不必注单位，最后结果要标明单位。

第2次课

课题：电源的工作状态及外特性。负载的连接。常用导线材料及规格。目的：从电源、负载、线路三方面初步介绍一些工程实用知识。教学内容及说明：

1.2 电源的工作状态及外特性

1.空载

可以联系到发电机,在空载时虽不向外供应能量,但维持发电机运转仍需一定的能量,如输汽管路的热损失、电机轴上的摩擦损失等,任何设备在空载时的效率都很低。所以尽量不要长期处于空载状态。对于信号源，我们常利用空载时U =E对其电动势进行测量。2.有载

建立额定电流、满载、过载的概念，学生往往认为：一过载就烧坏，要指出：电源过载将使电源绕组过热绝缘寿命降低，并非一过载就立即烧坏。短时间少量过载并无明显后果。3.短路

在此处先初步介绍熔断器的应用，因为随后的实验课可能用到，以后在低压电器一章还要详细讲。以往学生只懂得，保险丝要用“软铅丝”；不能用铜丝。这是生活常识，是不严格的。难道软铅丝就能随便用吗？用得太粗，照样出问题。铜丝就不能用吗？家用电器中常见的保险丝管，里面的熔丝有的就是铜合金。问题的关键是选择合适的规格，要根据它的额定电流选择。

选择熔丝要先了解正常工作电流是多少，必要时要估算一下，然后选择额定电流与之相近（略大于工作电流）的熔丝。至于材料只决定它的熔断特性，铅合金丝是滞熔材料，反应速度较慢；铜合金丝是速熔材料，适用于电子设备，如生活中的电视机。﹡4.电源的串联和并联

物理课已讲过，以前此知识主要用于电池，现在可以捎带提到：各发电厂的发电机都是并联运行供电的，称为电网，一台断开检修，各负载仍照常用电不受影响，提高了供电的可靠性。

1.3 负载的连接

这一节的串、并联电路无需再细讲，可以直接复习结论，仅新介绍了一个物理量“电导”和它的单位“西门子（S）”。这一节的重点是告诉学生：为了使各个负载在工作时互不影响，所以都采用并联。从而引出额定电压的概念，相连带的介绍负载的额定电流、额定功率。

随后的例题，例1.4是为了说明：电灯用串联电阻调光有较大的能量损耗；例1.5和例1.10是为了说明分压电路中，阻值小才能使输出电压在接有负载后保持基本不变，为后面讲静态工作点稳定单管放大器电路打基础。例1.8是根据额定状态参数计算在非额定状态使用时的后果。„„这些例题对于招初中毕业生五年制的高职学生，可适当讲一些。对于招高中毕业生的高职学生，可以少讲或不讲。

1.4 常用导线材料及规格

这一节重点是介绍有关线路的实用知识： 1.导线的材料：铜、铝、钢。

2.导线的规格：以截面作为规格名称。3.导线的品种：裸线、绝缘导线、电缆。4.导线的敷设方法：明敷、穿管、埋设。5.导线的选择

只介绍基本原则，然后介绍按安全载流量查表选择的方法（只适用于距离很近的线路）。而考虑到线路电压降的选择方法不讲，只通过例题验证：如果距离较远，导线截面增加很多，电压降仍占很大比例，线路功率损耗仍很大。从而联系到远距离送电必须用高电压。还可以联系近年来国家投入大量资金进行农网改造，就是更换新线，加大导线截面。从而大大减少了线损，降低了农村电价（近期常有相关的新闻报道）。

第3次课

课题：基尔霍夫定律和复杂电路计算，叠加定理，有源电路的等效变换。

目的：学会根据基尔霍夫定律用支路电流法解复杂电路。了解叠加定理、和有源电路的等效变换。必须明确，我们的教学目的不是像电专业那样要求学生掌握这些定理并能运用它求解各种电路，仅仅是要求学生建立像节点电流、回路电压、叠加定理、等效电源等一些基本概念，以后用于电路的定性分析。所以只要把握住以基尔霍夫定律作为重点，其余内容只要求一般了解，完全有可能一次课讲完上述所有内容。教学内容及说明：

1.5 基尔霍夫定律及复杂电路计算

一开始就举出例题如右图(教材16页，图1.13)，说明它是无法用串、并联方法求解的电路，称为复杂电路。然后给出已知数据开始求解。在求解过程中讲基尔霍夫两个定律，边讲边用，写出方程，然后解方程求出答案。例题讲完了，定律也讲清楚了。不必先讲定律，抽象地建立概念然后再代入具体数据，费两道手。不如直接了当，边解例题边讲，目标明确易于理解。

1.6 叠加定理

提出叠加定理的概念，这是学生比较容易接受的。只是强调一下电源移开后，因其无内阻，所以要将这一段电路短接。另外注意它只适用于线性电路计算电流或电压，不适用计算功率。之后，仍用同一例题，用叠加定理求解。因为它应用的全是以往学过的串、并联电路知识，所以不必在课堂上由教师再按部就班演算一遍用去大量时间，对照教材带领学生浏览一遍即可。

1.7 有源电路的等效变换

1.电压源和电流源的等效变换：讲电压源学生比较容易接受；讲电流源学生就感到不好接受，教师不要因此耽搁时间，只要告诉学生这是一种方法，并在讲清二者互相等效变换的公式后，立即用于求解前面的同一例题（只求I3）。学生通过解题，熟悉了用法并看到解出了与前相同的结果之后，自然就认可并接受了。

2.等效电源定理：直接给出等效电源定理的结论。E和R0的求法可以介绍计算法（仍用同一例题并验证其结果）。也可以只讲实验法。因为此定理主要用于后面电子电路分析，够用即可。

本次课教学方法的关键，就是始终用同一例题。这使前后内容连接紧凑，节省时间。首先重点讲基尔霍夫两个定律和支路电流法，求解出答案后，再讲其他方法时，所得答案相同。这对新讲的方法实际起到了验证作用。加深了学生的印象。

本章习题答案

1.2 I=2A，I0=0。

1.3 IR1=0.02A，IR2=0.25A，IR3=0。1.4 I=E/R0

1.5 R01=0.24Ω，R02=0.44Ω。1.6 E=100V，R0=2Ω。

1.7 I=10A时：PS=1kW，PL=800W，P0=200W；I=5A时：PS=500W，PL=450W，P0=50W。1.8 E=3.5V，R0=0.5Ω，IN=1A。1.11 R=0。

1.12 I1=I2=1A，I=2A。1.14 0～48.4Ω。1.15 不接负载RL时，UO=3.33～6.67V，接负载RL时，UO=2～4V

1.16 分压器各电阻为1kΩ时：S断开，UO=3.33V；S接通，UO=2V。分压器各电阻为

10Ω时：S断开，UO=3.33V；S接通，UO=3.31V。1.17 209.8V 1.18 选4mm2铝芯电缆，熔丝15A。1.19 I1=5A，I2=3A，I=2A。

1.20 VA=-2V，VB=222V，VC=220V。1.21 当R=50Ω时，I=2A。

篇3：直流电机电子教案

为了提升无刷直流电机性能,针对转矩和转速波动稳定,近年来提出了很多改进方案。文献[4]提出了一种改进的定子铁心结构,文献[5]研究了一种定子无铁心的轴向磁场永磁电机,但这些方法都会明显增加无刷直流电机的结构复杂性和制造成本。文献[6]中还研究了多种PWM调制方式对无刷电机转矩脉动的影响。然而仍缺少矢量调制控制方式下稳定转子转矩和电机转速的控制方案。

本文通过对无刷直流电机进行空间矢量控制以避免换相转矩脉动,分析了无刷直流电机在空间矢量调制控制下的力矩模型,进而建立矢量控制下的齿槽转矩—转子位置补偿模型,设计实验验证无刷直流电机转速波动,对其进行转速平稳控制,在实验室和实际应用条件下通过对比实验验证所研究方案的可行性和有效性。

1 矢量控制模型

无刷直流电机与永磁同步电机在电机结构上无本质区别,同样为三相对称绕组结构,他们的数学模型基本一致。研究其数学模型时作如下假设:

1)永磁材料电导率为零;

2)转子上无阻尼绕组;

3)忽略铁心饱和、认为电感参数不变;

4)忽略涡流效应,不考虑频率和温度变化的影响。

首先对电机三相定子的电流矢量做空间矢量变换,用Clarke变换将基于3 轴,2 维的定子静止坐标系的三相电流矢量变换到基于2轴的定子静止坐标系α- β 坐标系中。

式中:ia,ib,ic为定子的三相电流矢量。

随后通过Park变换将α- β 坐标系的定子电流矢量变换至随转子同步旋转的d-q坐标系中。

式中:id为d轴电流分量;iq为q轴电流分量。

d轴为直轴,q轴为交轴。取逆时针为转速正方向,d-q坐标系以转子角速度随定子磁场同步旋转,d轴方向取永磁体基波磁场方向(转子N极方向),q轴沿转动正方向超前d轴90°(电角度)。d-q坐标系下的无刷电机模型如图1所示。

图1中,Ψf为永磁体磁链矢量;is为定子电流空间合成矢量;Ψs为定子励磁磁链矢量;θ 为旋转坐标系电角度;id, iq为d,q轴电流分量;ud, uq为d,q轴电压分量;β 为转矩角。

其中 Ψf与d轴方向一致,其坐标以d轴与A相绕组轴线间的电角度θ 来确定,is与 Ψs方向相同,转矩角 β 为 Ψs与 Ψf间的空间电角度。在d-q坐标系下无刷电机的电磁转矩方程为

式中:Ld为定子绕组d轴电感;Lq为定子绕组q轴电感;Te为电磁转矩;pn为磁极对数。

式(3)说明了无刷直流电机的转矩由2 项组成,第1项是电机的电磁转矩;第2项是由凸极效应引起的磁阻转矩［7］。理想状态下定子d轴和q轴电感相等,磁阻转矩为零,转矩方程变为

式中:ia为转矩电流。

根据式(4),转矩角 β 为90°时,也就是is与q轴重合时获得最大转矩。此时id=0,iq= is,式(4)可简化为

根据式(5),因永磁转子的 Ψf是恒定的,故只要保持合成矢量方向与d轴垂直,即id= 0 控制下,就能以控制直流电动机的方式,直接调节直流量来控制转矩。

2 转矩波动模式

2.1 换相转矩波动

传统无刷电机工作时,定子绕组根据霍耳感应到的转子相区进行换相,换相方式的控制电流呈矩形波。以Sa,Sb,Sc代表三相的导通状态,Ia,Ib,Ic代表三相电流,其对应关系如图2所示。

由于定子绕组为感性负载,换相的时刻绕组电流不可能突变,有一个变化的过程,因此绕组上的电流波形其实近似梯形波,这会造成电机内的非换相相电流的脉动,引起转矩脉动［8］。在不考虑其它因素引起转矩脉动的情况下,换相转矩脉动最大可以达到50%［9］,如此剧烈的转矩脉动下,无刷电机恒定负载时的低速稳定性被大大降低,在许多应用场合下无法满足工作要求,这也是在无刷电机采取换相控制方式所无法避免的弊端。

2.2 齿槽转矩脉动模式

图3为无刷电机齿槽转矩示意图,由于无刷直流电机的定子为电枢绕组,安装绕组时必须在铁心上开一些电枢槽。

齿槽转矩是由转子的永磁体磁场同定子铁心的齿槽相互作用,在圆周方向产生的转矩［10］。当齿槽转矩的频率与电机机械频率一致时,会产生严重的共振,不仅如此,齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低转速平稳性能和位置控制系统中的高精度定位。在考虑齿槽转矩对电机输出转矩的影响时,空间矢量控制下无刷电机的输出转矩公式为

式中:To为无刷电机输出转矩;Te为电磁转矩;Tg为齿槽转矩;Tf为摩擦产生的转矩。

可以看出,要稳定To,就必须要在稳定电磁转矩的基础上对齿槽转矩进行抑制或补偿,从而稳定转速。

3 速度稳定控制原理

3.1 改进空间矢量调制

空间矢量控制的原理就是依靠算法和定子绕组在定子上生成6个空间矢量U0,U60,U120,U180,U240,U300,其最大值均为2/3Udc,相邻矢量间隔60°,基本空间矢量分布如图4所示。

传统的无刷电机控制为了追求最大输出电压,采用的是准方波调制,得到的输出电压矢量是正六边形,而定子磁链约等于定子绕组输入电压的积分,因此磁链非圆形。根据空间矢量原理,从坐标原点到达六边形轮廓的向量长度也就非恒定,因此磁链非恒定,所以原理上存在脉动转矩,改进空间矢量调制就是将实际输出的电压矢量限制在正六边形内切圆,这样在逆Park变换时任意时刻三相PWM调制比均小于1,避免了过调制即定子绕组相电压畸变情况的发生。

改进空间矢量调制通过瞬时电压矢量的长度和相位控制q轴电流,即转矩,进而实现对无刷电机转速的调节控制。在稳态条件下,不考虑齿槽效应、非线性摩擦力等非理想因素前提下,改进空间矢量调制的输出应该是幅值恒定,相位始终超前转子固定角度,并形成圆形轨迹的电压矢量,其通过逆Park变换在固定坐标系下对应的三相定子绕组电压应为频率、幅值、相位恒定的标准正弦波,因此所产生的电磁转矩保持恒定,同时省去了换相的过程,也就避免了换相转矩脉动。

3.2 齿槽转矩—转子位置补偿模型

图5为转速平稳控制流程图。

根据输出转矩公式,以空间矢量控制驱动无刷电机,仅可获得较为稳定的电磁转矩,而要令输出转矩稳定,还需抵消齿槽转矩所带来的影响。因此根据对齿槽转矩波动模式的分析,对电磁转矩进行齿槽转矩—转子位置补偿,就是在改进空间矢量控制的基础上对齿槽转矩进行与位置相关的q轴电流补偿。

实验中以电机A相绕组轴线为基准来确定齿槽的空间电角度,实验电机的定子开槽数为6,而绕组为两对极,那么转子在1 个电角度周期内会产生6 次因齿槽转矩产生的转速波动,因此齿槽转矩补偿的电角度间隔为60°。齿槽转矩的大小与形式和电机机械参数有关,由于没有可靠的数学模型,实验电机齿槽转矩只能由转矩测量仪器测得,并通过计算电机产生同等扭力所需占空比来确定补偿占空比幅值,最终补偿占空比的函数模型按实验结果进行修正。

4 实验

4.1 实验台设计

针对转速波动问题,设计了基于DSP的转速平稳控制实验台,其组成包括:500 W无刷直流电机、空心轴编码器、磁粉制动器以及各连接紧固件和机架,其机械结构如图6所示。

转速平稳控制系统主要由信号处理单元、模数转换单元和数据采集单元、数字输入输出及通讯端口组成。数字信号处理单元为TI的TMS320F2808 高速DSP芯片,模数转换单元使用16 位分辨率的AD7606,主电路为双层结构,并使用排针、排母连接,分为核心板和电源板,核心板载DSP以及其供电系统,电源板载主回路、传感电路以及逆变器部分。

4.2 实验过程

4.2.1 恒定电磁转矩生成

首先对无刷电机进行改进空间矢量控制,生成恒定的电磁转矩,分以下4个步骤:

1)载荷生成。控制励磁电流使磁粉制动器产生恒定转矩,模拟储纬器用无刷电机的工作载荷,控制磁粉制动器生成1 N·m的转矩负载;

2)电机控制。由DSP计算SVPWM占空比并合成空间矢量来控制电机运转,对电机作id=0控制,控制电角度递增速度恒定,转速设定160r/min,且保持输出占空比T恒定;

3)数据采集。利用编码器采集转子的位置数据,位置数据经DSP换算处理后换算成速度单位并整理成曲线图如图7所示。

以1 000 Hz的频率对定子A,B两相的电流进行AD采样,采集2 000 个数据点由DSP数组记录。初始电流数据的噪声较大,还需对其进行均值滤波处理,得到A,B相电流曲线如图8所示。

将均值滤波后的数据通过DSP做空间矢量变换,生成q轴电流分量,其曲线如图9所示。

4)数据分析。根据图7,无刷电机在恒定输出占空比的基础上,仍存在周期性的转速波动,排除了换相转矩脉动的影响,残留的转速波动只可能是由齿槽转矩导致的。根据图9,磁粉制动器提供的负载恒定,q轴电流波动也只可能与齿槽转矩相关。根据转速和时间换算得来的转子角度,图7 和图9 中速度和电流的波动周期都为机械角度30°,这与实验用6槽两对极的无刷电机相对应,充分证明了这个波动为齿槽转矩所引发的。

4.2.2 齿槽转矩补偿

经空间矢量脉宽调制后,再根据齿槽转矩—转子位置补偿模型,对齿槽转矩进行电流补偿。再对转速进行q轴的电流PI调节,以此彻底抑制转速波动。实验经过多次调节比例积分的系数,得到最优速度波动抑制结果如图10所示。

根据抑制效果图10,在空间矢量控制下,经补偿齿槽转矩和动态电流调节后,转速波动被抑制且幅度随时间的推移消减,说明实验电机的转速波动得到了良好的抑制效果。

4.3 应用场合实验

储纬器储纬是通过无刷电机带动纱盘将纬纱卷取在纱架上实现的,如果工作时纱盘转速出现较大的波动,一些较细的纬纱品种就会崩断,导致纺机停机,需要工人手动穿纱,直接降低了生产效率,因此在储纬器无刷电机的基础上实现转速稳定尤为重要。储纬器结构如图11所示。

在工厂环境下,在选择工况良好的纺机上进行实验,以放空1 卷纬纱是否断纬作为判定进行对比实验,记录2天内8卷纬纱用尽的使用情况,在无速度稳定控制下3种常用纱线(注:纱线粗细单位为旦尼尔Denier)实验结果如表1所示。

然后在同一台纺机和同一台储纬器上进行加入了速度稳定控制算法的实验,实验结果如表2 所示。

其中加号表示发生了断纬事件,并不记录次数,从实验结果看出,纬纱越细断纬事件发生次数越多,同种纬纱实验结果间的对比可以看出,在速度稳定控制下,断纬事件发生次数明显减少。

5 结论

在无刷直流电机空间矢量控制模型基础上,根据对定子电流换相控制特点与定子齿槽效应的分析揭示了电子储纬器中无刷直流电机转矩脉冲及其导致转速不稳现象的发生机理。基于改进空间矢量调制和齿槽转矩脉动补偿提出了一种无刷直流电机转速平稳控制策略,并在高速DSP软硬件平台上实现了无刷直流电机实时转速稳定控制算法,500 W无刷直流电机实验台的试验数据以及电子储纬器在实际织造环境下的应用数据表明所提出的速度稳定控制算法能够有效抑制无刷直流电机转速波动幅度,显著降低因转速波动引起断纬事件的发生几率,并对提高织造工程整体生产效率具有积极促进作用。

参考文献

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[2]王爽,李铁才,王治国.无刷直流电机换相力矩波动抑制[J].电机与控制学报,2008,12(3):288-293.

[3]李建军,邹继兵,徐永向.无刷直流电动机噪声分析及其抑制[J].微特电机,2009,12(3):12-14.

[4]谭建成.三相无刷直流电动机分数槽集中绕组槽极数组合规律研究[J].微电机,2007,40(12):66-71.

[5]董剑宁,黄允凯,金龙,等.定子无铁心轴向磁场永磁电机的解析设计[J].电工技术学报,2013,28(3):43-49.

[6]刘美兰,高肇明,吴晓刚,等.五种PWM方式对无刷直流电机系统换相转矩脉动的影响[J].电机与控制学报,2013,17(7):15-21.

[7]刘萌,方静欢,王正,等.考虑饱和效应凸极同步电动机矢量控制[J].电力电子技术,2011,45(5):52-54.

[8]王会明,丁学明,易武.无刷直流电机换相转矩脉动抑制新策略[J].电气传动,2012,42(10):18-22.

[9]石坚,李铁才.一种消除无刷直流电动机换相转矩脉动的PWM调制策略[J].中国电机工程学报,2012,32(24):110-116.

篇4：直流电动机工作原理教案设计

1.书上彩图一下子给出线框受力方向，学生觉得突兀；

2.没有实际器材，换向器究竟什么样，怎样起作用不形象.

3.学生动手少，缺少理论与实践结合，枯燥，觉得学无所用.

经过思考，紧扣物理课程标准中对注重联系实际和过程与方法的渗透，再结合初中学生形象思维仍占优势，逻辑思维需要感性经验的直接支持的特点，我设计了这个教案，其基本设计思路如下：

1.通过实验对比，设置障碍，激发学生的学习兴趣.

2.铺设台阶，及时引导学生发现问题，从而寻求解决问题的途径，理解电动机工作原理.

3.激发求证心理，理论与实践相结合.

4.通过变式型设计，调动学生创造发明的积极性.

实践证明，效果很好，与大家分享一下.

导入：实验展示：给两个直流电动机通电，一个可以持续转动，而另一个不可以.学生自然产生疑问，为什么第一个不能持续转动呢？（其中一个电动机的线圈两端与电刷用导线焊接上，相当于两个铜环）学生带着疑问开始了本节课的学习.

第一环节：找出为什么不能持续转动

师：展示模型如图1：对线框的各个边分析，告诉学生左边一条边受到的力（由于初中生没有学习安培定则），让同学们分析对边受力情况.

学生运用磁场对通电导线的作用力的方向与电流方向有关，可以得出力的方向与左边方向相反.

（在两边线框上固定两根细线在图1F处，便于沿着力的方向拉动.）

师：线框将如何转动？

师：通电展示改动过的直流电动机模型，跟大家想的一样.生喜悦.

生：线圈转动怎么停下了？

师：转动模型如图2，这时右边受力有无变化？

生：右边受力无变化，仍向上，因为磁场和电流方向都不变.

师：拉动细线展示.

师：让线圈转到图3所示位置，上边受力变化吗？上下边受力有什么特点？

生：这两个力是一对平衡力，所以静止.

师：通电线圈的平面与磁感线垂直时，线圈受到磁场的作用力是一对平衡力，我们把这个位置称作平衡位置.

通过展示，将过程放大，便于学生发现电动机不转的原因，为下面解决问题埋下伏笔.

第二环节：怎样才能持续转动

师：用手转动模型，缓慢展示回到平衡位置的情况，那么怎样才能继续转呢？

生：改变力的方向.

师：追问：如何改变？

生：改变磁场方向、改变电流方向.

生：磁场.

师：展示实验，对调磁极.

生：大笑.（因为不断调动磁极不可能）

生：改变电流.

生：对调电源正、负极.

生：也一样.

生沉默……

师：展示模型如图4遮去电源部分.

生：好奇，开始比较两个模型不同之处

生：加了两个半环.

生：皱眉，这样能行吗？

师：展示模型如图4，转动模型至相反位置，如图5：让大家再次受力分析.

生：可以转了.在体会真神奇时，学生也就体会了换向器如何改变电流方向问题.

师：我们把这两个半环叫做换向器.

师：通电展示，电动机持续转动.

第三环节：寻找直流电动机模型换向器的改装

师：展示不能持续转动的换向器的改动.让学生寻找不能持续转动电动机的改动部分，进一步了解换向器的功能.

这时学生动手欲望很强，便于积极培养学生动手能力.

第四环节：学生自己动手安装直流电动机模型

1.安装直流电动机模型，可以持续转动.

2.改变电流方向，观察线圈转动方向.

3.对调磁极，观察线圈转动.

这个实验重在让学生体会自己能让电动机持续转动的愉悦.老师课前要调试好直流电动机模型，部分小组电刷和换向器之间稍微紧些.这样便于培养小组合作精神.实验只要布置（1），（2）、（3）不需老师提醒，学生自己就忙上了，等不及了！我们何不抓住机遇，顺水推舟，这样既培养了动手能力，又调动了积极性.

第五环节：总结直流电动机工作原理

师：请大家试着总结一下直流电动机工作原理.

生：磁场对线圈的作用，换向器改变电流方向，通电线圈……

师：线圈为什么会越过平衡位置？

生：由于惯性.

师：直流电动机的工作原理：通电线圈在磁场中受到力的作用而转动，由于惯性线圈越过平衡位置，通过换向器及时改变电流方向，从而能够持续转动.

边总结边转动模型.

第六环节：应用性设计

师：如图6所示是最简单的直流电动机模型，怎样使小电动机持续转动？想一想，通电后线圈将怎样运动？为什么能持续转动？请大家用漆包线和收音机扬声器后的磁体亲自做一做.这个设计取材容易，操作简单，课后容易实现.

这样处理的好处：

1.先给出一个线框受到的力，学生容易判断另一个线框的力，又能复习磁场对通电导线的力的方向与电流方向和磁场方向有关.

2.学生身临其境的参与了为什么用换向器的过程，所以换向器的结构及功能就很清晰了.

3.学生亲自动手让电动机转起来，不但培养了学生的动手能力，同时学生觉得学有所用，有强烈的喜悦感.

4.会灵活运用直流电动机的工作原理解决问题，不需死记硬背就能形象的掌握了.

篇5：电机及电子工艺实习报告

一、实习步骤：

电子工艺基本技能技法学习，元器件分拣、分装，PCB板焊接、拆焊练习，单片机开发系统的制作。

二、实习目的：

主要对焊接技术的掌握，掌握其焊接及拆焊方法能够熟练操作在具体实践当中，并焊出完整电路。

三、实习内容：

（一）、电子工艺基本技能技法学习：

1、实习安全与安全用电：

安全用电知识是关于如何预防用电事故及保障人身安全、设备安全的知识。在电子装配调试中，要使用各种工具、电子仪器等设备，同时还要接触危险的高电压，如果不掌握必要的安全知识，操作中缺乏足够的警惕，就可能发生人身、设备事故。为此，必须在熟悉触电对人体的危害和触电原因的基础上，了解一些安全用电知识，做到防患于未然。

2、触电对人体的危害：

A、触电事故分为电伤和电击: 电伤是由于发生触电二导致人体外表的创伤，通常有以下三种: a、灼伤

b、电烙伤

c、皮肤金属化

d、尽量单手操作电工作业。

e、遇到较大体积的电容器先放电，在进行检修。f、触及电路任何金属部分之间都应进行安全测试。g、不在疲倦、带病等不利状态下从事电工作业。

在电子装接工作中，除了注意用电安全外，还要防止机械损伤和防止烫伤，相应的安全操作习惯；

a、用螺丝刀拧紧螺钉时，另一只手不要握在螺丝刀刀口方向。b、烙铁头在没有确信脱离电源时，不能用手摸，以免烫伤。c、烙铁头上多余的锡不要乱甩。

d、在通电状态下不要触及发热电子元器件（如变压器，功率器件、电阻、散热片等），以免烫伤。

6、设备安全知识；

a、设备接电前检查设备铭牌；

按照国家标准，设备都应在醒目处有该设备要求电源电压、频率、电源容量的铭牌和标志；

小型设备的说明也可能在说明书中;查环境电源；电压，容量是否与设备吻合；查设备本身；

电源线是否完好，外壳是否可能带电，一般用万用表进行检查。

对实习安全与用电安全有了了解之后，我们有了安全意识，随后我们就要进行电烙铁的学习与实际应用，要严格按照安全规定进行。

（2）助焊剂：常用的助焊剂是松香或松香水（将松香溶于酒精中）。使用助焊剂，可以帮助清除金属表面的氧化物，利于焊接，又可保护烙铁头。焊接较大元件或导线时，也可采用焊锡膏。但它有一定腐蚀性，焊接后应及时清除残留物。

3、辅助工具

为了方便焊接操作常采用尖嘴钳、偏口钳、镊子和小刀等做为辅助工具。应学会正确使用这些工具。尖嘴钳偏口钳镊子小刀

二、焊前处理

焊接前，应对元件引脚或电路板的焊接部位进行焊前处理。

1、清除焊接部位的氧化层

可用断锯条制成小刀。刮去金属引线表面的氧化层，使引脚露出金属光泽。

印刷电路板可用细纱纸将铜箔打光后，涂上一层松香酒精溶液。

2、元件镀锡

在刮净的引线上镀锡。可将引线蘸一下松香酒精溶液后，将带锡的热烙铁头压在引线上，并转动引线。即可使引线均匀地镀上一层很薄的锡层。导线焊接前，应将绝缘外皮剥去，再经过上面两项处理，才能正式焊接。若是多股金属丝的导线，打光后应先拧在一起，然后再镀锡。

刮去氧化层均匀镀上一层锡

三、焊接技术

一般来说，电烙铁的功率越大，热量越大，烙铁头的温度也就越高。一般的晶体管、集成电路电子元器件焊接选用20W的内热式电烙铁足够了，功率过大容易烧坏元件，因为二极管、三极管结点温度超过 200℃就会烧坏。但以搭棚焊为主的胆机制作中，电烙铁功率要大些，可在35W-45W中选择，甚至可以更大。

值得注意的是，线路焊接时，时间不能太长也不能太短，时间过长也容易损坏，而时间太短焊锡则不能充分融化，造成焊点不光滑不牢固，还可能产生虚焊，一般来说最恰当的时间必须在1.5s～4s内完成。

另外值得一提的是吸锡器，其对于新手来说十分实用，初次使用电烙铁总是容易将焊锡弄得到处都是，吸锡器则可以帮你把电路板上多余的焊锡处理掉。另外，吸锡器在拆除多脚集成电路器件时十分奏效有用，它能将焊点全部吸掉，而对于能熟练使用烙铁的人来说就完全没有必要了，用烙铁完全可以代替其功能，将焊点熔掉就可以很容易的将元件取出。

8、元器件的分拣、分装；

通过一天的元器件分拣与分装，我们熟练掌握了测量元器件，并对其分类，分装，并对有认为损坏的器件进行检修。我们发现这些元器件混到了一起容易，但是从新把它们挑选出来分类，着实是一件不容易的事。所以我们以后也要对元器件的自觉保护和有序的在器件室拿需要的元器件，不要损坏和掺混元器件。

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

b、主要元器件简介；

晶振：晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。他们有一个

很重要的特点，其振荡频率与他们的形状，材料，切割方向等密切相关。由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以做到很精密，因此，其谐振频率也很准确。根据石

0线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

蜂鸣器: 蜂鸣器

1．压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。

多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。

通过这次电子工艺实习，我掌握了常用元器件及材料的类别、型号、规格、符号、性能及一般选用知识，熟悉了常用仪器仪表的作用及其测量方法；掌握了电子产品安装焊接的基本工艺知识，掌握了手工焊接技术，能够独立的焊接电子产品，了解了印制电路板的制作工艺及生产流程，了解了电子产品工业制造的工艺流程和新技术、新工艺。通过实习讲述本上的知识运用到实际的生活工作中，自己的动手能力得到了很大的锻炼，培养了面对困难解决困难的勇气，提高了解决问题的能力，而且团队意识和集体主义精神也得到了提高。最终在老师的指导下成功地完成了。