第3章 电机调速控制线路【第3讲】

3电机调速控制线路3.8三相异步电动机的变频调速控制线路3.9直流电动机的控制线路(以三菱FR-A540变频器为例)3.9.3直流电动机的基本控制线路——起动和正反转控制3.9.4直流电动机调速控制线路3.9.1直流电动机的基本原理3.9.2直流电动机的基本分类回顾2/4/20231机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.9直流电动机的控制线路3.9.4直流电动机调速控制线路常用方法：(1)电枢回路串电阻调速——即在直流电动机的电枢回路中串联一只调速变阻器来实现调速的

方法，如图所示：他励直流电动机电枢回路串电阻调速原理图电枢回路串电阻调速法只能使电动机的转速在额定转速以下范围内进行调速。调速范围较小，且稳定性较差，能量损耗较大。由于这种调速方法设备简单，操作方便，所以在短期工作、容量较小且机械特性硬度要求不太高的场合，仍然使用这种调速方法。2/4/20232机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.9直流电动机的控制线路3.9.4直流电动机调速控制线路常用方法：(2)改变励磁磁通调速——通过改变励磁电流的大小来实现调速。下图通过调节励磁电路的附加电阻R来改变励磁电流的大小，从而实现调速。他励直流电动机调磁调速原理图2/4/20233机电系统与测控技术研究所改变励磁电流进行调速的控制线路二相整流电路(1)电枢回路串电阻R启动(2)制动时限流电阻调速电阻启动按钮停止按钮启动：按下起动按钮SB2，KM2、KT得电吸合并自锁，电动机M串电阻R起动，KT延时后使KM3吸合并自保，切除起动电阻R，启动过程结束。工作过程2/4/20234机电系统与测控技术研究所改变励磁电流进行调速的控制线路调速：调节电阻器R3，改变电动机的转速。停车制动：正常运行时，按下按钮SB1，KM2及KM3断电释放，KM1通电吸合，通过R使能耗制动回路接通，同时短接电容C，电源电压全部加于励磁绕组实现制动过程中的强励作用。松开按钮SB1，制动结束，电路又处于准备工作状态。2/4/20235机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.9直流电动机的控制线路3.9.4直流电动机调速控制线路常用方法：(2)改变励磁磁通调速——通过改变励磁电流的大小来实现调速。(3)改变电枢电压调速(4)混合调速：把调压调速与调磁调速结合起来(1)电路回路串电阻调速2/4/20236机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.1步进电机的基本概念定义：步进电动机是一种把电脉冲转换成角位移的电动机。用专用的驱动电源向步进电动机供给一系列的且有一定规律的电脉冲信号，每输入一个电脉冲，步进电机就前进一步，其角位移与脉冲数成正比，电机转速与脉冲频率成正比，而且转速和转向与各相绕组的通电方式有关。分类：根据励磁方式的不同，步进电动机分为：反应式——转子无绕组励磁式——转子有绕组混合式（又叫永磁感应式）——转子无绕组，有磁钢目前反应式步进电动机应用较多。

2/4/20237机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.2步进电机的基本结构步进电机与一般电机结构类似，除了托架、外壳之外，就是转子和定子，转子为永久磁铁，线圈是绕在定子上。1)

定子——由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，由环形分配器送来电脉冲，对多相定子绕组轮流励磁。2)

转子——用硅钢片叠成或软磁性材料做成的凸极结构。绕组定子铁心转子铁心相磁通2/4/20238机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.2步进电机的基本结构绕组定子铁心转子铁心相磁通根据线圈的配置，可分为2相、3相、4相、5相等。3相步进电机是由三组线圈所构成，如右图所示。2/4/20239机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.3步进电机的工作原理◆定子上均匀地分布了六个磁极，每个磁极上绕有绕组。◆转子上没有绕组，且假设转子仅有两个齿。(1)三相单三拍■当只有A相绕组通电时，转子将受到磁场拉力，旋转到与A相绕组轴线对齐。■将A相通电换接为只有B相绕组通电，转子便转到使其轴线与B相绕组轴线重合的位置。■若三相绕组按A-B-C轮流导电，每换接一相，则磁场轴线沿A-B-C方向转过60°，步进电机转子在空间上转过一个角度，该角度称为步距角。2/4/202310机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.3步进电机的工作原理(1)三相单三拍说明：“三相”——定子为三相绕组；“单”——每次只有一相绕组通电，如果每次有两相通电，则称为“双”；“拍”——通电次数（即从一种通电状态转到另一种通电状态）。若三相绕组按A-B-C轮流导电，每换接一相，则磁场轴线沿

A-B-C方向转过60°，其过程如右图所示。2/4/202311机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.3步进电机的工作原理如果三相步进电机按A-AB-B-BC-C-CA-A方式通电，则一个通电周期共换接六次，故称为三相六拍。每换接一相，则磁场轴线沿A-B-C方向转过30°，其过程如右图所示。(2)三相六拍三相步进电机按AB-BC-CA-AB方式通电。(3)三相双三拍2/4/202312机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.3步进电机的工作原理式中：Z——转子齿数；

m——相数；

K——与通电方式相关的系数；当m相m拍通电时，

K=1；m相2m拍通电时，K=2。步距角定义：当外加一个脉冲信号于步进电机时其转轴就转过一个角度所转动的角度称为步距角。三相六拍步距角：。步距角公式：30°？2/4/202313机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.4步进电机控制(1)功率放大器一般控制脉冲信号都很弱，必须经过功率放大器才能驱动步进电机。应用较多的步进驱动有：高低压驱动、恒流斩波驱动、调频调压驱动、细分控制驱动。L298：双H桥式驱动器，恒流斩波驱动。(2)环形分配器控制系统输出脉冲必须进行首先环形分配，使得步进电机绕组按照一定时序通断电，然后才能经功率放大驱动步进电机某一相绕组。脉冲环形分配方式：软件环形分配——通过软件依次给绕组通断电。硬件环形分配——L297：步进电动机控制器（包括环形分配器）。2/4/202314机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.4步进电机控制——软件分配四相八拍的步进电机2/4/202315机电系统与测控技术研究所3.10.4步进电机控制——软件分配OUT1OUT2OUT4OUT3IN1、IN2、IN3、IN4接P1.3口、P1.2口、P1.1口、P1.0口。2/4/202316机电系统与测控技术研究所

AP1.3

BP1.2C

P1.1DP1.0十六制（P1口）

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0x09while(1){inti;for(i=1;i<=8;i++){switch(i){case1:P2OUT=0X08;break;case2:P2OUT=0X0c;break;case3:P2OUT=0X04;break;case4:P2OUT=0X06;break;case5:P2OUT=0X02;break;case6:P2OUT=0X03;break;case7:P2OUT=0X01;break;case8:P2OUT=0X09;break;}Delays();}}3.10.4步进电机控制——软件分配2/4/202317机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.4步进电机控制——硬件分配方向信号脉冲信号使能信号2/4/202318机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.4步进电机控制西安骊山电子工业总厂：SH2024B2步进电机驱动器。2/4/202319机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.4步进电机控制A+红A-绿B+黄B-蓝OPTO：为输入信号的公共端，OPTO端须接外部系统的VCC。DIR：方向电平信号输入端，高低电平控制电机正/反转。FREE：脱机信号(低电平有效)，当此输入控制端为低时，电机励磁电流

被关断，电机处于脱机自由状态。CP：步进脉冲信号输入，下降沿有效，信号电平稳定时间不小于3us。2/4/202320机电系统与测控技术研究所3电机调速控制线路3.10步进电动机的调速控制3.10.4步进电机控制当采用N步细分控制时，当输入N个步进脉冲时才相当于运行一个电周期，电机转动一个步距角

电流设定（位123）123电流123电流0000.5A1001.2A0010.6A1011.3A0100.8A1101.5A0111.0A1112.0A细分设定（位456）456细分数456细分数000110016001210132010411064011811164拨位设定ON=1OFF=0步进电机细分控制本质：通过对步进电机的励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分。2/4/202321机电系统与测控技术研究所课后习题解答2/4/202322机电系统与测控技术研究所第二章部分习题解答1.电气系统图主要有哪些？各有什么作用和特点？答：电气原理图、电器布置图和电气安装接线图。

电气原理图：根据控制线图工作原理绘制，具有结构简单，层次分明。主要用于研究和分析电路工作原理。电气布置安装图：主要用来表明各种电气设备在机械设备上和电气控制柜中的实际安装位置，为机械电气在控制设备的制造、安装、维护、维修提供必要的资料。电气安装接线图：是为了进行装置、设备或成套装置的布线提供各个安装接线图项目之间电气连接的详细信息，包括连接关系，线缆种类和敷设线路。2/4/202323机电系统与测控技术研究所2.电气原理图中电QS、FU、KM、KA、KT、KS、FR、SB、SQ分别代表什么电气元件的文字符号？答：QS刀开关、FU熔断器、KM接触器、KA中间继电器、KT时间继电器、KS速度继电器、FR热继电器、SB按钮、SQ行程开关。

2/4/202324机电系统与测控技术研究所3.电气原理图中，电器元件的技术数据如何标注？答：可以采用下面两种方法：（1）电气元件明细表：元器件名称、符号、功能、型号、数量等；（2）用小号字体注在其电气原理图中的图形符号旁边。2/4/202325机电系统与测控技术研究所4.什么是失电压、欠电压保护？采用什么电器元件来实现失电压，欠电压保护？答：失电压保护：当电力元件失去电压时执行相应保护动作(如断路器跳闸)的保护方式。主要采用接触器来进行保护。欠电压保护：是指在供电过程中由于某种原因，会出现电网电压急剧降低，此时，开关自动跳闸，切断供电电源。主要采用接触器和电压继电器来进行保护。2/4/202326机电系统与测控技术研究所5.点动、长动在控制电路上的区别是什么？试用按钮、转换开关、中间继电器、接触器等电器，分别设计出既能长动又能点动的控制线路。答：点动按钮两端并未并联上能实现自锁功能的接触器常开触点，反之，长动按钮两端并联了自锁按钮。2/4/202327机电系统与测控技术研究所5.点动、长动在控制电路上的区别是什么？试用按钮、转换开关、中间继电器、接触器等电器，分别设计出既能长动又能点动的控制线路。点动连动点动连动2/4/202328机电系统与测控技术研究所7.在电动机可逆运行的控制线路中，为什么必须采用联锁环节控制？在图2.7(c)中已采用了机械联锁，为什么还要采用电气联锁？若两种触头接错，线路会产生什么现象？答：可逆运行控制线路如下：若仅有电气互锁：电气互锁机械互锁不足：要反转，必须先按下SB1进行停转，目的是断开KM1先去电2/4/202329机电系统与测控技术研究所答：(1)联锁控制是在控制线路中一条支路通电时保证另一条支路断电。电气互锁控制过程为从一个运行状态到另一个运行状态必须经过停止既“正-停-反”。双重互锁从一个运行状态到另一个运行状态可以直接切换既“正-反-停”。(2)机械互锁具有滞后特性，往往在0.1秒之后才会响应。因此，一方面为提高可靠性，机械联锁在一些场合可靠性是无法保证的，如长距离、频繁动作等场合。另一方面为保护元件，如线圈，如误操作，机械部分卡住，线圈长时间带电就会烧坏的。7.在电动机可逆运行的控制线路中，为什么必须采用联锁环节控制？在图2.7(c)中已采用了机械联锁，为什么还要采用电气联锁？若两种触头接错，线路会产生什么现象？(3)不能正常运转。2/4/202330机电系统与测控技术研究所8.某机床的主轴和油泵分别由两台笼型异步电动机M1和M2来拖动。试设计控制线路，其要求如下：①油泵电动机M2启动后主轴电动机M1才能启动；②主轴电动机能正反转，且能单独停车；③该控制线路具有短路、过载、失压欠压保护。电源保护电源开关主轴电动机短路保护油泵电机主轴电机控制油泵电机控制12345672/4/202331机电系统与测控技术研究所答：直接启动：将电动机的定子绕组直接接入电源，在额定电压下起动。主要优点：简单、方便、经济和启动时间短，其启动电流对电网的不利影响会随着电源容量的增加而减小。主要缺点：当电动机容量较大(大于10kw)，启动时产生较大的启动电流，会引起电网电压下降。交流异步电动机直接启动受到电源容量的限制，一般仅适用于功率在10kw以下的电动机。9.什么叫直接启动？直接启动有何优缺点？在什么条件下可允许交流异步电动机直接启动？2/4/202332机电系统与测控技术研究所答：降压启动：利用起动设备将电压适当降低后加到电动机的定子绕组上进行起动，待电动机起动运转后，再使其电压恢复到额定值正常运行。降压启动方法：笼型异步电动机——(1)定子绕组中串接电阻降压起动；【特点：起动转矩小，加速平滑，但电阻损耗大。场合：电动机容量不大，起动不频繁且平稳。】(2)Y/△降压起动；【特点：起动转矩小，仅为额定值的1/3；转矩特性差(起动转矩下降为原来的l／3)。场合：电动机正常工作时定子绕组必须△接，轻载起动。】(3)自耦变压器降压起动；【特点：起动转矩大(60%、80%抽头)，损耗低，但设备庞大成本高。场合：重载起动。】10.什么叫降压启动？有哪几种方法？各有什么特点及适用场合？2/4/202333机电系统与测控技术研究所降压启动方法：(4)延边三角形降压起动。【特点：起动时，定子绕组接成延边三角形，以减小起动电流，待电动机起动后，再换接成三角形，使电动机在全压下运行。场合：要求启动转矩较大的场合】绕线式异步电动机——(1)转子绕组串