交直流调速系统伺服驱动

1、西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 一、直流电动机的工作原理 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 带电导体在磁场中的运动 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 （一）转矩的产生 线圈无法连续转动，要想连续运转，必 须使电流或磁场适时反向。 2sinsinsinTBILRBISI 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 使线圈连续转动的措施 添加电流换向装置：电刷、滑环。 sinTI 瞬时转矩 222 000 1112 Tsinsin 222 TdIddII 平均 平均转矩 西安工业大学机电学院

2、西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 对于电机则有： Ta T a C C TI I 平均 电动机的结构常数，称为转矩常数 励磁磁通 电枢电流 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 机座、励磁绕组及铁芯 励磁绕组及铁芯构成定子。 转子 电枢铁芯+电枢绕组 换向机构 电刷（碳刷）、滑环 （二）直流电机结构 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 直流电机结构 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 （三）直流电机的励磁方式 他励并励串励复

3、励 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 二、他励直流电动机的 机械特性及调速方法 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 （一）机械特性 表征电动机轴上所产生的转矩 T 和相应的运行转速 n 之 间关系的特性，以函数 n = f(T) 表示。 它是表征电动机工作的重要特性。电动机带动负载的目 的是向工作机械提供一定的转矩，并使其能以一定的转速运 转。转矩和转速是生产机械对电动机提出的两项基本要求， 研究电动机机械特性对满足生产机械工艺要求，充分使用电 动机功率和合理地设计电力拖动的控制和调速系统有着重要 的意义。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直

4、流调速系统 a aada a ad a + a a dI UELRRI dt E L R R I 电枢回路反电动势 电枢绕组电感 电枢绕组固有电阻 电枢绕组回路串入的附加电阻 电枢电流 电枢回路电压方程 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 aada e e C C UERRI En n 电动机的结构常数，称为电势常数 励磁磁通 电动机转速 稳态运行时 Ia 等于常数，所以有 a =0 dI dt 电动机正常运转时，E 是 U 的主要构成部分，当 堵转时 E0 ，压降主要在电枢电阻上，电枢大量发 热，急剧升温。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电

5、学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 eaada CUnRRI aad a ee RRU nI CC 2 aad eeT RRU nT CC C Ta CTI又， 该式被称为他励直流电动机的机械特性方程。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 当电源电压 U=UN，励磁磁通 = N，电 枢回路不外接电阻时，其机械特性称固有机械 特性。 2 N Na eNeT UR nT CC C 0 N eN U n C 理想空载转速理想空载转速( T=0 时转速时转速) 2 N a N eT R k C C 常数，固有机械特性斜率常数，固有机械特性斜率

6、 0N nnk T 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 他励直流电动机机械特性分析 0N nnk T 1) 是一根向下倾斜的直线，它决定于 a. 截距 n0（和纵轴的交点）。 b. 斜率 k k 大则倾斜度大，当电动机输出转矩变化时， 转速的波动大；反之k 小则倾斜度小，当电动机输 出转矩变化时，转速的波动小。 由他励直流电动机机械特性方程可知，其机械特性有如 下几个特点： k 习惯上称为电机的硬度， k 大称为特性软， k 小称为特性硬。 k = 0 称为绝对硬。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系

7、统 2) 由于电动机的转矩 T 和 Ia 之间是线性 函数关系 而且 Ia 通常比 T 容易测量得多，所以他励 直流电动机常以静特性方程 n = f(Ia ) 即 来代替 n = f(T) Ta CTI aad a ee RRU nI CC 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 3) 无论是n0 还是 k 都可以人为改变 这些正是可以对直流电机进行调速的前提 0 e U n C 2 a eT R k C C 固有机械特性：对于任一直流电机只有一条。 人为机械特性：调压调速机械特性族、调磁调速机 械特性族、电枢串电阻调速机械特性族。 西安工业大学机电

8、学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 （二）他励直流电动机的调速方法 电机调速的概念 负载保持不变，用人为的方法改变电路 中的一 个或几个参数，从而得到不同的转速称为速度调节。 速度调节速度调节速度变化速度变化 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 （1）调压调速方法 改变电枢电压进行调速。 由于电机受绝缘耐压强度的限 制，所以电枢电压只允许在额 定值以下调节 2 0 aad eeT RRU nT CC C nkT 每变化一个U，得到一根 机械特性，但各机械特性之间 相互平行。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院

9、 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 特点： a）可以在宽阔的范围内平滑调速。 b）在各种速度下，机械特性的硬度不变。 d）U n2 ，因而有 Ud1 Ud2 。 可见，当负载转矩变化时，调速系统中电机的端电压也随之 变化，即闭环系统的机械特性是由开环系统不同的机械特性 所组成。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 （5）电流截止负反馈 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 n n T T 0 0 T TN N n nN N n n0 0 (I(Ia a) )I Ia0 a0 当电动机过载时，其负载电流会随之增大，如果负载电流 超过一定的数值，就会烧坏电动机。 I I0 0 为

10、避免电动机损坏， 应限制电流的大小，其方 法为： 当电动机负载电流达 到 I0 时，使其转速迅速下 降，直到堵转为止，其堵 转电流为 Ia0，即电动机可 能达到的最大电流。 挖土机特性 (1.2 1.35) (2 2.5) 0N a0N II II 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 概述 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 交流电动机 与直流电动机相比较，结构简单、运行可 靠，但在其早期的应用中，调速是一个难题，因此在很长时 间内限制了其在无极调速等对调速有较高要求的场合。但是 随着功率半导体器件的发展，以及矢量分析法的问世，使该 问题得以解决，所以其目前已经获得普遍应用。 交流

11、电动机主要分为交流异步电动机和同步电动机两大 类。这里我们主要介绍目前应用较多的异步电动机及其无级 调速系统。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 一、交流电动机的工作原理 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 （一）交流电动机的结构 定 子 定子 铁心 由厚度为0.5mm的，相互绝缘 的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均 匀分布的槽，其作用是嵌放定子三 相绕组AX、BY、CZ。 定子 绕组 三组用漆包线绕制好的，对称 地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。 这三相绕组可接成星形或三角形。 机座 机座用铸铁或铸钢

12、制成，其作用 是固定铁心和绕组 转 子 转子 铁心 由厚度为0.5mm的，相互绝缘 的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均 匀分布的槽，其作用是嵌放转子三 相绕组。 转子 绕组 转子绕组有两种形式： 鼠笼式 - 鼠笼式异步电动机。 绕线式 - 绕线式异步电动机。 转轴转轴上加机械负载。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 t ii A i B i C O1 2 0 2 4 0 3 6 0 (a) t = 0 (b) t = 120 (c) t = 240 AAA XXX B B B YYY C CC ZZZ 240sin 120sin sin tIi t

13、Ii tIi mC mB mA （二）旋转磁场的产生 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 转差率 s： 0 0 nn s n 异步电动机运行中异步电动机运行中:0.01 0.09s 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的 转速 n（电动机转速）不可能达到与旋转磁场的转速 n0（同 步转速）相等。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差， 因此我们把这种电动机称为异步电动机。 n0 和 n 之差的大小 用转差率 s 表征。 电动机起动瞬间电动机起动瞬间:1 , 0sn 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流

14、调速系统 （三）异步电动机的转速公式 2p 180 分）转/( 5001 1p 360分）转/( 0003 极对数极对数 每个电流周期每个电流周期 磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度 同步转速同步转速 (50 Hz)f 0 n 3p120 分）转/( 0001 00 60 1,r / min f nnsn p 0 0 nn s n 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 0 60 11 f nnss p 由上面的公式可以看出，异步电动机的调 速方法有三种： 改变极对数 p 改变转差率 s 改变电源频率 f 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院

15、二、三相异步电动机的 机械特性 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 （一）定子电流方程 R1定子绕组电阻； X1 定子绕组漏电抗， 对应定子的漏磁通； Rm 励磁电阻，是铁耗 的等效电阻； X-m 励磁电抗，对应 主磁通； R2折算到定子侧的转 子绕组电阻； X2 折算到定子侧的转 子绕组漏磁通； s 转差率； (1-s)R2/s 电动机输出功 率等效电阻值。 1 1 2 2 12212 1 2 2 2 112 1 U I s RRRXX s U R RXX s 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院

16、5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 （二）转矩方程 由前面的等效电路可以列出转子的输出功率为： 2 212 1 3 s PIR s 2 PT 22 260 PP T n 60 1 f ns p 又： 2 12 2 2 2 112 3 2 U R p T R fsRXX s 所以有： 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 2 12 2 2 2 112 3 2 U R p T R fsRXX s 电动机制成后，极 对数 p，以及 R1 ，R2 ， X1 ，X2 。均可认为 是常数，则当给定 U1 和 f 后，转矩 T 与转差率 s 之间的关系，即

17、 T=f(s) 如右图所示。 1sm Tst Tmax T s 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 利用 n = n0(1-s) ，可以将 T=f(s) 转换为 n=f(T) 的关系曲 线，此曲线称为三相异步电动机的机械特性曲线。 n0 T ns TmaxTstTN nmax sN sm nN O Tst 体现了电动机 带载起动的能力。 Tmax 电机带动最大 负载的能力。 TN 电机在额定电压 下，以额定转速运行， 输出额定功率时，电机 转轴上输出的转矩。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 三、三相异步电动机的调速 5.2 5.2 交流

18、调速系统交流调速系统 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 （一）常用的调速方法 异步电动机的转速公式为： 6 0 1 f ns p 由该公式可以看出异步电动机的调速方法有三种： 改变极对数 p 改变转差率 s 改变电源频率 f p 改变极对数只能实现有级调速； p 变 s 法适用范围有限，在机床上几乎没有实用价值； p 在各工业部门，包括机床工业中应用最广的是变频调速法。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 （二）变频调速法 1111 N1m 4.44UEf N k U1 定子相电压； E1 旋转磁

19、场在每相绕组中产生的 感应电动势的有效值； f1 定子频率； N1 定子每相绕组串联匝数； kN1 基波绕组系数； m 每极气隙磁通量。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 交交 变频 交直交 变频 变 压 变 频 分 类 SPWM 谐波小， 最有发展前途 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 单极性SPWM调制 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.2 5.2 交流调速系统交流调速系统 双极性SPWM调制 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 一、伺服电机 5.3 5.3 伺服及步进电机

20、伺服及步进电机 伺服电机(Servo Motor )多用于自动控制系统 中，它可以接受控制系统发出的指令，并快 速做出反应，进而精确地驱动控制对象达到 要求的速度及位置。 伺服电机具有机电时间常数小、线性度高、 起动转矩大等特性。 伺服电机分为直流伺服和交流伺服两大类。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 二、步进电机 5.3 5.3 伺服及步进电机伺服及步进电机 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。 在非超载的情况下，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。 当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机 按设定的方向转动

21、一个固定的角度，称为“步距角”， 它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。 可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确 定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转 动的速度和加速度，从而达到调速的目的。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.3 5.3 伺服及步进电机伺服及步进电机 三相单三拍反应式步进电机工作原理 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.3 5.3 伺服及步进电机伺服及步进电机 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.3 5.3 伺服及步进电机伺服及步进电机 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.3 5.3 伺服及步进电机伺服及步进电机

22、西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 Thanks for your attention! 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 使线圈连续转动的措施 添加电流换向装置：电刷、滑环。 sinTI 瞬时转矩 222 000 1112 Tsinsin 222 TdIddII 平均 平均转矩 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 2) 由于电动机的转矩 T 和 Ia 之间是线性 函数关系 而且 Ia 通常比 T 容易测量得多，所以他励 直流电动机常以静特性方程 n = f(Ia ) 即 来代替 n = f

23、(T) Ta CTI aad a ee RRU nI CC 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 特点： a）当 Rad = 0 时，就是固有机械特性。 b）当 Rad 加大时， n0 保持不变，但斜率 k 加大， 机械特性变软。 其机械特性是一组以 n0 为中心的放射线。最 上面一根是固有机械特性，串的电阻越大，直线越 向下倾斜。 c）调速时 = N 不变，所以它也是恒转矩调速。 西安工业大学机电学院西安工业大学机电学院 5.1 5.1 直流调速系统直流调速系统 设有一工件，毛坯切削时，车床主轴转速 120 r/min，切削力矩是 196 Nm；

24、精加工时，车床主轴转速 1200 r/min，切削力矩是 19.6 Nm 。 两种情况下切削功率是相等的，均约 2.5 kW。 现选用直流电动机，调压调速直接驱动机床主轴，电动机 UN = 220 V，nN = 1500 r/min。 毛坯加工时，为使电动机转速从1500 r/min 降低到 120 r/min ，电源 电压就要从 220 V 降低到 17.6 V，电机输出功率要求达到 2.5 kW，因此 电机额定电流 IN 142 A，相应的，此电机的额定功率 PN 31.2 kW。电 机的额定功率大大超过要求的切削功率。 （假定电机绝对硬，且内阻为零）（假定电机绝对硬，且内阻为零） *直流电动机直接带动机床主轴的情况下， 机床要求的调速比越大，电动机的功率必须成 正比加大 解决方法：电动机与主轴之间加变速箱 西安工业大学机