毕业设计《三相异步电机的远程控制》完整版

1、西安邮电大学 毕 业 设 计（论 文）题 目：三相异步电机调速闭环控制系统设计 系 别： 自动化学院 专 业： 自动化专业 班 级： 自动0703班 学生姓名： 导师姓名： 职称： 讲师 起止时间：2006年01月10日 至 2006年06月17日毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文 三相异步电机调速闭环控制系统设计 是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注；对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全清楚本声明的法律后果，申请学位论文和资料若有不实之处，本人愿承担相应的法律责任。

2、论文作者签名： 时间： 年 月 日指导教师签名： 时间： 年 月 日西 安 邮 电 学 院毕业设计(论文)任务书学生姓名指导教师职称讲师院（系）自动化学院专业自动化题目三相异步电动机调速闭环控制系统设计 任务与要求1、 了解电动机调速的基本原理。2、 熟练掌握组态王6.52软件。3、 会使用组态王6.52软件画组态界面。4、 绘制电气原理图、装配图、接线图。5、 熟练掌握s7-300软件，具有一定的编程能力开始日期1月10日完成日期6月17日院长(签字)2011年1月10日西 安 邮 电 学 院毕 业 设 计 (论文) 工 作 计 划 学生姓名_苗晓强_指导教师_沈建冬_职称_讲师_院（系）_

3、自动化学院_专业_自动化_题目_三相异步电动机调速闭环控制系统设计_工作进程起 止 时 间工 作 内 容 1月10日4月5日 了解电动机调速的基本原理 4月6日4月20日 熟悉s7-300软件编程环境及组态王软件 4月21日5月4日 画出组态王监控画面 5月5日5月20日 编写并调试电动机调速控制程序 5月21日6月17日 撰写毕业论文主要参考书目(资料)1 贾贵玺，张臣刚等.高压变频调速技术的研究及其应用.天津：电气传动，no.4，1999，14172 吴洪洋，何湘宁.高功率多电平变换器的研究和应用.天津：电气传动，no.2,2000,7123 陈伯时，谢鸿鸣.交流传动系统的控制策略.cav

4、d99, 174 苏彦民，李宏.交流调速系统的控制策略.北京：机械工业出版社，1998主要参考书目(资料)主要仪器设备及材料电动机及s7-300软件、组态王软件论文(设计)过程中教师的指导安排 每周三下午、周五下午对计划的说明西 安 邮 电 学 院毕业设计(论文)开题报告自动化 学院 自动化 专业 07 级 03 班 课题名称：三相异步电机调速闭环控制系统设计学生姓名： 苗晓强 学号 06071088 指导教师： 沈建冬 职称 讲师 报告日期： 2010年03月30日 1本课题所涉及的问题及应用现状综述在电力系统中，以电动机为主电力传动系统广泛应用于工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中

5、，其中很多场合有调速要求，如车辆、天梯、空调、机床及造纸机械等，而风机、水泵等位了节约电能同样也需要调速。电力传动系统的控制性能和节能水平的不断提高时其技术进步的主要内容，变频调速技术及其系统的应用能够使电力系统的控制性能和节能水平有较大的幅度的提高，这一点已经被大家所公认。在实际应用中，电动机作为把电能转化成机械能的主要设备，一是要具备较高的转换效率；二是可以根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的转速。电动机的调速性能对提高产品的质量、提高劳动生产效率和节能有着直接的关系。为了控制电动机的运行，需要为电动机配上控制装置。由电动机、控制装置就构成了电力传动自动控制系统。2本课题需要重点研究的

6、关键问题、解决的思路及实现预期目标的可行性分析 三相异步电动机工作原理如下分析：当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。通过上述分析可以总结出电动机工作原理为

7、：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），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。3完成本课题的工作方案第一周：了解题目，寻找相关的资料。第二周至第五周：掌握变频调速原理，设计控制系统。第六周至第七周：熟悉s7-300软件和组态王软件。第八周至第九周：编写控制程序，画组态画面。第十周：仿真该控制方案，并进行实际操作。第十一周至第十三周：撰写论文。第十四周：提交论文，并进行答辩。4指

8、导教师审阅意见 指导教师(签字)： 年 月 日说明：本报告必须由承担毕业论文(设计)课题任务的学生在毕业论文(设计) 正式开始的第1周周五之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。西安邮电学院毕业设计 (论文)成绩评定表学生姓名苗晓强性别男学号06071088专 业班 级自动0703班课题名称三相异步电动机调速闭环控制系统设计课题类型理论研究难度一般毕业设计（论文）时间2011 年1 月10 日6 月17 日指导教师沈建冬(职称 讲师 )课题任务完成情况论文 (千字)； 设计、计算说明书 (千字)； 图纸 (张)；其它(含附件)：指导教师意见分项得分：开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分；

9、创新 分；论文撰写（规范） 分； 学习态度 分； 外文翻译 分指导教师审阅成绩：指导教师(签字)： 年 月 日评阅教师意见分项得分：选题 分； 开题调研论证 分； 课题质量（论文内容） 分； 创新 分；论文撰写（规范） 分； 外文翻译 分评阅成绩： 评阅教师(签字)： 年 月 日验收小组意见分项得分：准备情况 分； 毕业设计（论文）质量 分； （操作）回答问题 分验收成绩：验收教师(组长)(签字)： 年 月 日答辩小组意见分项得分：准备情况 分； 陈述情况 分； 回答问题 分； 仪表 分答辩成绩： 答辩小组组长(签字)： 年 月 日成绩计算方法(填写本系实用比例)指导教师成绩 () 评阅成绩

10、() 验收成绩 () 答辩成绩 ()学生实得成绩(百分制)指导教师成绩 评阅成绩 验收成绩 答辩成绩 总评 答辩委员会意见毕业论文(设计)总评成绩(等级)： 系答辩委员会主任(签字)： 系(签章) 年 月 日备注西安邮电学院毕业论文(设计)成绩评定表(续表)摘 要iabstractii1 绪论11.1 课题研究的意义11.2 电动机调速发展现状11.3 变频调速国内外现状21.3.1 国内现状21.3.2 国外现状21.4 课题研究的主要工作32 电动机的调速原理及方法42.1 异进电动机的简介与分类42.2 三相异步电动机的工作原理42.3 异步电动机调速52.3.1 调速原理52.3.2

11、电动机调速系统的基本结构52.3.3 三相异步电动机的调速方法63 电动机的闭环变频调速原理93.1 电动机变频调速技术93.2变频器103.2.1变频器的功用及原理103.2.2变频器容量的确定113.3 编码器123.3.1光电编码器的介绍及分类123.3.2光电编码器的测量方法133.4 pid控制的基本原理143.4.1 pid控制概述143.4.2 比例（p）控制153.4.3 积分（i）控制163.4.4 比例微分（pd）控制环节163.4.5比例积分微分（pid）控制173.5 三相异步电动机的闭环变频调速控制系统原理分析183.6 系统硬件设计194 编程软件及程序设计204.

12、1 s7-300的简介204.1.1 系统组成204.1.2 功能及通讯214.2 编程软件简介224.2.1 项目的组建与硬件组态224.2.2 程序编写244.2.3 程序流程图254.3 程序设计265 组态设计及系统监控295.1 组态设计295.1.1 新建工程295.1.2 创建组态画面305.1.3 变量连接315.2 系统组态监控实现345.3 结论35结束语37参考文献38致 谢39摘 要电机广泛应用于工业控制的各个领域，因此如何更经济有效地控制电机对于工业自动化地发展尤为重要，直流电机的特点是调速简单但制造昂贵且噪音大，而交流电机虽然克服了直流电机的上述缺点但调速较为困难，

13、但随着交流变频技术的发展，通过变频器来改变交流电的频率，从而改变交流电机的调速，本课题就是主要通过plc控制变频器实现对电机转速的控制，编码器做信号反馈，即实现闭环控制，这样实时地反馈电机的当前转速送给plc进行运算处理，使得对电机转速的控制更加精确，反应实时性更高，通过系统的组态仿真我们可以清晰的看到该控制系统的优越性。 关键词：三相异步电机，编码器，西门子变频器，s7-300abstractmotor is widely used in industrial control each domain, therefore how more economy effectively contro

14、l motor for industrial automation development particularly important, dc motor speed the characteristics of simple but manufacturing is expensive and noise, and ac motor although overcame dc motor of the above-mentioned drawback but speed is very difficult, but with ac frequency conversion technolog

15、y development, through the inverter to change the frequency of the alternating current, which changes ac motor speed control, this topic is mainly controlled by plc inverter to the realization of the motor speed control, encoder, i.e. signal feedback closed-loop control to achieve such real-time fee

16、dback motor for the current speed plc for computing, which makes the motor speed control is more accurate, reaction, through the system more real-time configuration simulation we can clearly see the superiority of the control system. keywords: three-phase asynchronous motor, encoders, siemens s7-300

17、 transducer.1绪论1.1 课题研究的意义 在电力系统中，以电动机为主电力传动系统广泛应用于工农业生产、交通运输、国防军事以及日常生活中，其中很多场合有调速要求，如车辆、天梯、空调、机床及造纸机械等，而风机、水泵等位了节约电能同样也需要调速。电力传动系统的控制性能和节能水平越来越被人们重视，变频调速技术恰好能够使电力系统的控制性能和节能水平有较大的幅度的提高，这一点已经被大家所公认。在实际应用中，电动机作为把电能转化成机械能的主要设备，一是要具备较高的转换效率；二是能够根据生产工艺的具体要求控制和调节电动机的转速。电动机的调速性能对提高产品的质量、提高劳动生产效率和节能有着直接的关系

18、。为了更精确和实时地控制电动机的转速及运行，需要为电动机配上控制装置（如plc）和反馈装置（如编码器）。由电动机、控制装置和反馈装置就构成了电力传动自动控制系统。现代工业控制系统朝智能化、网络化和开放式结构的方向发展。本设计也将把现场总线通信与变频控制技术统一起来，对该电机闭环调速系统进行组态监控，将推动交流电机群控制技术以及设备远程控制技术的发展。profibus作为一种通用的现场总线，已经得到很广泛的应用，很多厂商的工控器、plc、变频器、智能i/o与a/d模块具备profibus通讯接口。用profibus总线控制电动机的调速，能更加精确的调节电动机的转速，从而提高电动机的效率。同时，通

19、过该设计，回顾大学知识，作为进入社会的一次实践，提高我们对知识的应用能力。1.2 电动机调速发展现状 电动机调速系统的发展实际上是依赖电力电子技术、计算机控制、现代控制理论和逆变技术以及交流电动机制造技术的发展。智能控制理论的应用和电力电子器件的技术、计算机控制技术的迅速更新是推动电机调速系统不断进步的动力。电机调速是目前电力电子技术应用的最大领域之一，具有极强的吸引力，同时也具有较强的挑战性。它的市场大，据报道，全球大约有100亿以上各种电机在工作。2006年我国空调的产量已达到5500万台，仅此一项说明市场已非常庞大；另外，其应用领域及其广泛，例如数控机床、电梯、电力机车、家用电器、汽车、

20、航空航天、船舶、造纸和纺织行业等。直流电机由于其转矩便于控制，因此它作为调速电动机的代表在20世纪的大部分年代广泛应用于工业生产中。虽然直流调速系统的理论和实践应用比较成熟，但由于电动机的单机容量、最高转速及负载能力等主要技术指标受机械转向制约，限制了直流调速的发展。随着电力电子技术的发展，各种新型器件和先进的控制方法在电机调速系统中广泛应用，很多场合直流电机正逐渐被交流电动机所代替，因此有的学者认为，在二十一世纪，直流电机将会在电气传动领域消失，而异步电动机和其它类型的交流电动机的应用范围将逐步增加。特别是鼠笼型交流异步电动机，由于它结构简单，制造方便，价格低廉，体积小（与同容量的直流电动机

21、相比），并且坚固耐用，具有的转动惯量小，运行可靠，维护简单等优点，是工业领域中广泛使用的一种电气设备。从前面的叙述我们可以看出，与直流电机相比，异步电机具有适应性强、结构简单、价格低廉、容易实现高速和大容量化等特点，因此未来电机调速传动领域，将以异步电动机等交流电机为主。而我们要研究的就是如何使交流电机的转速调速精度高、输出性能最佳。1.3 变频调速国内外现状1.3.1 国内现状我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国各类在用电机中，80%以上为0.55-220kw以下的中小型异步电动机。我

22、国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右，所以变频调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。现在，我国有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部分在自行设计制造的成套装置中采用外国进口和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统，在变频调速技术

23、的应用和研究上取得了很大的成绩。但应看到，由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖仍很严重。很多国内生产制造的产品（如家电）还是与国外的产品有着一定的差距，究其原因还是我们国内的变频核心技术有待提高，不管是从节约能源的角度出发还是从使中国国内产业超越国外产品出发，研究变频调速这一课题已刻不容缓。1.3.2 国外现状（1）市场有大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在冶金、机械、石油、化工、纺织、造纸、食品等各个行业以及风机、水泵等节能场合，并取得了显著的经济效益。 （2）功率器件发展迅速变频调速技术是建立在电力电子技术基础之上的。近年来，高电压

24、、大电流的scr、gto、igbt、igct 以及智能模块ipm (intelligentpower module) 等器件的生产以及并联、串联技术应用的发展，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。 （3）控制理论和微电子技术的支持在现代自动化控制领域中，以现代控制论为基础，融入模糊控制、专家控制、神经网络控制等新的控制理论为高性能变频调速提供了理论基础；16 位、32 位高速微处理器以及信号处理器(dsp)和专用集成电路(asic)技术的快速发展，则为实现变频调速的高精度、多功能提供了硬件手段。1.4 课题研究的主要工作 （1）本文主要研究电动机闭环调速控制，根据变频调速原理，设计

25、控制系统，使电动机的调速更精确、简单、快速。（2）研究编码器在电动机调速系统中的应用，设计好的控制系统用s7-3编程实现控制。（3）对控制方案进行组态监控，确定其可行性和系统运行情况。2 电动机的调速原理及方法2.1 异进电动机的简介与分类异步电机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转自绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩，所以，异步电机又叫感应电机。异步电动机的优点是结构简单、容易制造、运行可靠、价格低、坚固耐用、运行效率较高且适用性强，缺点是功率因数较差。异步电机运行时，必须从电网里吸收滞后性的无功功率，它的功率因数总是小于1。但电网的功率因数可以别

26、的方法进行补偿，所以并不妨碍异步电机的广泛使用。目前，异步电动机的电力拖动已被广泛地应用在各个工业电气自动化领域中。异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类。例如：（1）按定子相数分，有单相、两相、三相异步电动机。（2）按转子结构分，有绕线式异步电动机和鼠笼式异步电机。其中鼠笼式异步电动机又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机及深槽式异步电动机。（3）按有无换向器分，有无换向器异步电动机和换向器异步电动机。2.2 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机工作原理如下分析：当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n1沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁

27、场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转。通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度），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

28、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。2.3 异步电动机调速2.3.1 调速原理 调速即速度调节或速度控制，是通过改变电动机的参数、结构或外加电气量（如供电电压、电流的大小或频率）来改变电动机的速度，以满足工作机械的要求。调速要靠改变电动机的特性曲线来改变。如图2-1（a）中工作机械即负载特性曲线为线ml,通过调速装置改变的电动机特性曲线为线m1、m2、和m3与线ml的交点分别为点1、2、3，于此相对应的角速度为1、2和3，亦即电动机将有不同的角速度值，实现调速。与此相反，不改变电动机的特性，而靠改变负载转矩虽也可以使速度变化，

29、如图2-1（b）中负载转矩由ml1增加到ml2、ml3虽也可以使电动降速，但这不是调速，而属于扰动，一般是不希望的，并且是要实现稳速所要克服的重要问题。（a）调速时的特性曲线 （b）负载变化时的特性曲线2-1电动机调速变化曲线2.3.2 电动机调速系统的基本结构 图2-2示出电动机调速系统的主要组成部分。电动机m是以一定转矩和转速带动工作机械运动的受控对象，其主要空置量是定子侧电压u1、电流i1、频率f1或磁通1，或者转子侧电压u2、电流i2、频率f2或磁通2。其输出量为转矩m或角速度。变流装置将具有一定电压、电流和频率的电源能量变换为具有可调电压、可调电流或可调频率电源能量的功率装置，起电能

30、变换和控制作用。调节装置用于按照一定规律控制变流装置能量的流动，通过硬件或软件产生满足控制要求的算法或校正量，以提高或校正系统的静态性能。反馈装置用以检验和变换反馈信号。在电动机调速系统中主要反馈量有电压、电流、转速、转矩、磁通和转子位置角等。控制装置时根据给定信号和反馈信号产生所需要的控制指令和偏差信号。在要求不很高的场合，没有反馈装置而采用开环控制，但前提是电机本身应具有足够的稳定性和可调性。 图 2-2 电动机调速系统的基本结构图2.3.3 三相异步电动机的调速方法三相异步电动机转速公式为： n=60f/p(1-s) (2-1) 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

31、太到改变转速的目的。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等。 从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁

32、离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。 （1）变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：a具有较硬的机械特性，稳定性良好；b无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；c可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。 本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。 （2）变频调速方法变频调速是改变电动机定子电

33、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，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：a效率高，调速过程中没有附加损耗；b应用范围广，可用于笼型异步电动机； c调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。 本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。 (3)串级调速方法 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级

34、调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：a可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；b装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上；c调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；d晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。 本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。(4)绕线式电动机转子串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属

35、有级调速，机械特性较软。(5)定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点： a调压调速线路简

36、单，易实现自动控制；b调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100kw以下的生产机械。(6)电磁调速电动机调速方法 电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。 电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对n、s极性交替的磁极

37、，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速n1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点： a装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便； b调速平滑、无级调速； c对电网无谐影响； d速度失大、效率低。 本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。3 电动机的闭环变频调速原理3.1 电动机变频调速技术20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论

38、的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，价格不断降低，特别是变频调速节电效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。 1.交流变频调速的优异特性 (1)调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 (2)调速范围较大，精度高。(3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 (5)易于实现过程自动化。 (6)必须有专

39、用的变频电源，目前造价较高。 (7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。 2.与其它调速方法的比较 交流电动机的调速方法有三种：变极调速、改变转差率调速和变频调速。其中，变频调速最具优势。这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。 在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点： 第一，直流电机的单机容量一般为12-14mw，还常制成双电枢形式，而交流电机单机容量却可以数倍于它。 第二，直流电机由于受换

40、向限制，其电枢电压最高只能做到一千多伏，而交流电机可做到6-10kv。第三，直流电机受换向器部分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，一般仅为每分钟数百转到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；如果利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速

41、进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的50%；如果采用变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。 3.合理应用 交流变频调速技术在工业发达国已得到广泛应用。美国有60%-65%的发电量用于电机驱动，由于有效地利用了变频调速技术，仅工业传动用电就节约了15%-20%的电量。 采用变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素： (1)变频调速系统自身损耗小，工作效率高。 (2)电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。 (3)可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。 在采用变频调速时，需从工艺要求、节约效益

42、、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利： 根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。 用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。 用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、水泵、压缩机等。例如：锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉锅炉控制系统得到了

43、快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。 3.2变频器3.2.1变频器的功用及原理将频率固定（通常为工频50hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0400hz）的三相交流电源。图3-1为三相变频器的功能示意图，其输入端接至频率固定的三相交流电源，输出端输出的是频率在一定范围了连续可调的三相交流电，直接驱动三相电动机。 图 3-1 变频器的功用 图 3-2 交直交变频器的主 此三相变频器实质上是一个三相的交直交变化器，其主电路如图3-2，由图可见，它有两个部分组成：交流道直流的变换电路和再由直流回到交流的变换电路。 交直部分： （1）整流管vd1vd6组成三相整流桥，它将三相交

44、流电源全波整流成脉动直流。 （2）滤波电容器cf其功能是： a 滤平全波整流后的电压纹波； b 当负载变化时，使直流电压保持平稳。 直交部分： （1）逆变管v3v6组成逆变桥，它是变频器的核心部分，它把v1v6整流所得的直流电，再“逆变”成频率可调的交流电。执行时，只要用合适的控制信号分别加在v1v6六个逆变管上，按照一定的规律来控制它们的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电了。而逆变后的电压频率，则可以在上述导通规律不变的前提下，通过改变控制信号的变化周期来进行调节。通过这种办法，亦即实现了对的改变。（2）续流二极管vd7vd12器主要功能有：a电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分

45、量vd7vd12为无功电路返回直流电源时提供“通道”。b当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过vd7vd12返回给直流电路。cv1v6进行逆变的基本工作过程是，统一桥臂的两个逆变管，处于不停地交替导通和截止的状态。在这交替导通和截止的换相过程中，也不时需要vd7vd12提供通路。3.2.2变频器容量的确定 变频调速是通过变频器来实现的，对于变频器的容量确定至关重要。合理的容量选择本身就是一种节能降耗措施。根据现有资料和经验，比较简便的方法有三种： (1)电机实际功率确定发首先测定电机的实际功率，以此来选用变频器的容量。 (2)公式法设安全系数取1.05，则变频器的容量pb为pb=

46、1.05pm/hmcosy(kw) 式中，pm为电机负载；hm为电机功率。 计算出pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。 in为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流i。 (3)电机额定电流法变频器变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、也较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，但实际匹配中要考虑电机的实际功率与额定功率相差多少，通常都是设备所选能力偏大，而实际需要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，避免选用的变频器过大，使投资增大。 虽然变频调速有诸多优点，但也有其不利因素，主要问题是电流中含

47、高次谐波较多，除对电网有污染外，也使电机自身增加损耗，引起电机发热。再有，变频器价格贵、投资回收器长、技术复杂、尤其在实现闭环自动控制时，还需进行技术处理。 此外，不是任何情况下变频器都节电，如果电机负载变化不大，或深井泵配有水塔，节电、节水效果都不大，就不宜使用变频调速。3.3 编码器3.3.1光电编码器的介绍及分类光电编码器是通过读取光电编码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息的。根据光电编码器的工作原理可以将光电编码器分为绝对式光电编码器与增量式光电编码器，下面我就这两种光电编码器的结构与工作原理做介绍。1、绝对式光电编码器绝对式光电编码器如图所示，他是通过读取

48、编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息的。编码盘是按照一定的编码形式制成的圆盘。编码盘由透光部分和不透光部分组成，透光的用“0”来表示;不透光的用“1”来表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制数的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧的是最高位。如果编码盘有4个码道，每个码道可以表示二进制的0或1，4位二进制可形成16个二进制数，因此就将圆盘划分16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000、0001、1111。按照码盘上形成的码道配置相应的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二极管和驱动电子线路。当码盘转到一定的角度时，扇区中透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平

49、“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”，这样形成与编码方式一致的高、低电平输出，从而获得扇区的位置脚。2、增量式光电编码器增量式光电编码器是码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此达到位置检测的目的。它是由光源、透镜、主光栅码盘、鉴向盘、光敏元件和电子线路组成。增量式光电编码器的工作原理是是由旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转，在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘，在鉴向盘上有两条彼此错开90o相位的窄缝，并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。工作时，鉴向盘不动，主光栅码盘随转子旋转，光源经透镜平行射

50、向主光栅码盘，通过主光栅码盘和鉴向盘后由光敏二极管接收相位差90o的近似正弦信号，再由逻辑电路形成转向信号和计数脉冲信号。为了获得绝对位置角，在增量式光电编码器有零位脉冲，即主光栅每旋转一周，输出一个零位脉冲，使位置角清零。利用增量式光电编码器可以检测电机的位置和速度。3.3.2光电编码器的测量方法光电编码器在电机控制中可以用来测量电机转子的磁场位置和机械位置以及转子的磁场和机械位置的变化速度与变化方向。下面就我就光电编码器在这几方面的应用方法做一下介绍。1、使用光电编码器来测量电机的转速可以利用定时器/计数器配合光电编码器的输出脉冲信号来测量电机的转速。具体的测速方法有m法、t法和m/t法3

51、种。m法又称之为测频法，其测速原理是在规定的检测时间tc内，对光电编码器输出的脉冲信号计数的测速方法，如图2所示，例如光电编码器是n线的，则每旋转一周可以有4n个脉冲，因为两路脉冲的上升沿与下降沿正好使编码器信号4倍频。现在假设检测时间是tc，计数器的记录的脉冲数是m1 图3-3 m法测速法在实际的测量中，时间tc内的脉冲个数不一定正好是整数，而且存在最大半个脉冲的误差。如果要求测量的误差小于规定的范围，比如说是小于百分之一，那么m1就应该大于50。在一定的转速下要增大检测脉冲数m1以减小误差，可以增大检测时间tc单考虑到实际的应用检测时间很短，例如伺服系统中的测量速度用于反馈控制，一般应在0

52、.01秒以下。由此可见，减小测量误差的方法是采用高线数的光电编码器。m法测速适用于测量高转速，因为对于给定的光电编码器线数n机测量时间tc条件下，转速越高，计数脉冲m1越大，误差也就越小。t法也称之为测周法，该测速方法是在一个脉冲周期内对时钟信号脉冲进行计数的方法，如图3所示。例如时钟频率为fclk,计数器记录的脉冲数为m2，光电编码器是n线的，每线输出4n个脉冲。图3-4 t方法测速原理为了减小误差，希望尽可能记录较多的脉冲数，因此t法测速适用于低速运行的场合。但转速太低，一个编码器输出脉冲的时间太长，时钟脉冲数会超过计数器最大计数值而产生溢出;另外，时间太长也会影响控制的快速性。与m法测速一样，选用线数较多的光电编码器可以提高对电机转速测量的快速性与精度。m/t法测速是将m法和t法两种方法结合在一起使用，在一定的时间范围内，