电工技术第章-PLC-变频器与交流伺服技术(与“控制”有关的共151张)

第11章PCL、变频器与交流伺服技术11.1PLC控制技术11.2交流电动机的变频调速技术11.3交流伺服技术本章小结第一页，共151页。11.1PLC控制技术

可编程逻辑控制器简称PLC，的引入避免了继电器控制系统的下列缺点：

（1）硬接线电路的故障率高。

（2）电器触头的使用寿命有限。

（3）诊断、排除故障的速度慢。

（4）以硬接线实现控制逻辑，当控制逻辑需要修改时难于改动接线。第二页，共151页。PLC产品以软件控制取代了常规电气控制系统中的硬件控制，具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便、体积小、重量轻等优点，目前已在工业生产的各个领域获得广泛使用，成为工业控制的支柱产品。

国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：可编程逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用了可编程序的存储器，用来在

其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各类机械的生产过程。第三页，共151页。（1） 高可靠性与高抗干扰能力。PLC产品是专为工业控制环境设计的，机内采取了一系列抗干扰措施，其平均无故障时间可高达4~5万小时，远远超过采用硬接线的继电-接触器控制系统，也远远高于一般的计算机控制系统。如在软件设计上采用了循环扫描、集中采样、集中输出的工作方式，设置了多种实时监控、自诊断、自保护、自恢复程序；在硬件设计上采用了屏蔽、隔离、滤波、联锁等抗干扰电路结构，并实现了整体结构的模块化。PLC适用于恶劣的工业环境，这是PLC优于普通微机控制系统的首要特点。第四页，共151页。（2） 通用、灵活、方便。PLC作为专用微机控制系统产品，采用了标准化的通用模块结构，其I/O电路又采用了足够的抗干扰设计，既可以使用模拟量，也可以使用开关量，现场信号可以直接接入，用户不需要进行硬件的二次开发，控制规模又可以根据控制对象的信号数量与所需功能进行灵活方便的模块组合，具有接线简单，使用、维护十分方便的优点。第五页，共151页。（3） 编程简单，易于掌握。这是PLC产品优于普通微机控制系统的另一个特点。可编程控制器的程序编写一般不需要高级语言，其通常使用的梯形图语言类似于继电器控制原理图，即使未掌握专门计算机知识的现场工程技术人员也可以很快熟悉和使用，这种面向问题和控制过程的编程语言，直观、清晰、修改方便且易于掌握。当然，不同机型PLC在编程语言上是多样化的，但同一档次不同机型的控制功能可以十分方便地相互转换。第六页，共151页。（4）开发周期短。设计一套常规继电器控制系统需顺序进行电路设计、安装接线、逻辑调试三个步骤，只有进行完前一步才能进入下一步，开发周期长，线路修改困难，工程越大这一缺点就越明显。而使用PLC完成一套电气控制系统，只要电气总体设计完成，I/O点分配完毕，则软件设计模拟调试与硬件设计施工就可以同时分别进行。在软件调试方面，控制程序可以反复修改；在硬件施工方面，安装接线只涉及输入和输出装置，不涉及复杂的继电器控制线路，硬件投资较少，故障率低。第七页，共151页。（5） 功能强、体积小、重量轻。由于PLC产品是以微型计算机为核心的，所以具有许多计算机控制系统的优

点。以日本三菱公司的FX2N-32MR小型可编程控制器为例，该PLC的外型尺寸是87mm×40mm×90mm，重量是0.65kg，内部包含各类继电器3228个，状态寄存器1000个，定时器256个，计数器241个，数据寄存器8122个，耗电量为150W，其应用指令包括程序控制、传送比较、四则逻辑运算、移位、数据（包括模拟量）处理等多种功能，指令执行时间为每步小于0.1μs，无论在体积、重量上，还是执行速度、控制功能上，都是常规继电器控制系统所无法相比的。第八页，共151页。PLC产品按I/O点数和存储容量可分为小型、中型和大型PLC三个等级。小型PLC的I/O点数在256点以下，存储容量为2k步，具有逻辑控制、定时、计数等功能，目前的小型PLC产品也具有算术运算、数据通信和模拟量处理功能。中型PLC的I/O点数在256~2048点之间，存储容量为2~8k步，具有逻辑运算、算术运算、数据传送、中断、数据通信、模拟量处理等功能，用于多种开关量、多通道模拟量或数字量与模拟量混合控制的复杂控制系统。第九页，共151页。大型PLC的I/O点数在2048点以上，存储容量达8k步以上，具有逻辑运算、算术运算、模拟量处理、联网通信、监视记录、打印等功能，有中断、智能控制、远程控制能力，可完成大规模的过程控制，也可构成分布式控制网络完成整个工厂的网络化自动控制。第十页，共151页。

PLC实质上是一种为工业控制而设计的专用微机控制系统，因此其硬件结构与微型计算机控制系统相似，但输入、输出电路要求具有更强的抗干扰能力。一套可编程控制器在硬件上由基本单元（主机）、I/O扩展单元及外围设备组成，通过各自的端口连成一个整体。图11-1为PLC的硬件结构图。第十一页，共151页。图11-1PLC的硬件结构图第十二页，共151页。1．PLC基本单元

CPU的功能是：

（1）接收编程器、PC机或其他外围设备输入的用户程序、数据等信息。

（2）扫描接收现场输入信号，并存入指定内部继电器或寄存器。

（3）读取、解释用户程序，执行用户控制程序，获得正确的逻辑运算或算术运算结果。

（4）更新有关的内部继电器或寄存器，并将运算结果传送至输出电路，以实现对现场设备的准确动作控制。

（5）如需输出打印或状态监控，还需将有关信息传送至外围设备。第十三页，共151页。存储器的功能是：

（1）系统存储器（ROM区）用于储存PLC产品生产厂编写的各种系统工作程序，用户不能更改或调用。

（2）用户存储器（RAM区）用来储存用户编写的控制程序和用户数据，该区域用户可读可写，可随意增加或删减。在PLC中一般采用锂电池对用户程序进行掉电保护（一般能保持5~10年，经常带负载可保存2~5年）。第十四页，共151页。I/O接口电路的功能是：

（1）输入接口电路：输入接口电路的作用是将来自现场设备的输入信号，通过电平变换、速度匹配、信号隔离和功率放大，转换成可供CPU处理的标准电平信号。图11-2为PLC产品中常见的一种直流24V传感器输入电路。如输入器件为按钮、开关类无源器件，+24V端子仍需接24V电源，但输入按钮或开关则可直接连在输入端子和COM端之间，电路更为简单。只要程序运行，PLC内部就可以识别输入端子和COM之间的通或断。第十五页，共151页。图11-2直流24V输入电路第十六页，共151页。（2）输出接口电路：输出接口电路的作用是将CPU的程序运行结果，经过电平转换、隔离和功率放大，转换成能带一定负载的具体的输出状态。基本单元上的输出信号一般为开关量，输出接口电路分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三种，如图11-3所示。第十七页，共151页。图11-3PLC的输出电路第十八页，共151页。2．PLC的扩展单元

每个系列的PLC产品都有一系列与基本单元相匹配的扩展单元，以便根据所控制对象的控制规模大小去灵活组成电气控制系统。扩展单元内部不配备CPU和存储器，仅扩展输入输出电路，各扩展单元的输入信息经扩展连接电缆进入主机总线，由主机的CPU统一处理，执行程序后，需要输出的信息也由扩展连接电缆送至各扩展单元的输出电路。PLC处

理模拟量输入输出信号时，要使用模拟量扩展单元，这时的输入接口电路为A/D转换电路，输出接口电路为D/A转换电路。第十九页，共151页。3．PLC的外围设备

PLC的编程器主要由键盘、显示屏、工作方式选择开关和外存储器接口等部件组成。按功能可分为简易型和智能型

两大类。以三菱FX2N系列PLC为例，它可以使用手持式简易编程器FX2N-20P-E-SETO编程，也可以使用更高级的智能型图形编程器GP-80FX-E来编程，后者的功能更强，但价格更高。第二十页，共151页。由于PLC产品一般在程序调试或需要监控时才插上编程器，当电气控制系统正常运行时不必使用编程器，所以目前对PLC编程许多场合采用了个人电脑（装载专用编程软件）

加PC-PLC专用连接电缆，不使用专用编程器的编程方法，即用计算机键盘通过屏幕对话完成图形编程、图形显示、通信联网、修改调试、输出打印等任务。目前各PLC公司均开

发有相应的编程软件，另外，利用个人电脑还可以运行更多的工业控制软件。第二十一页，共151页。图11-4为三菱FX2N小型PLC产品主机及扩展单元示意

图。图中FX2N-32MR为基本单元，带有32个I/O点（16入16出），M表示主机，R表示该单元为继电器输出型；FX2N-32ER为32点开关量扩展单元，E表示该单元为扩展单元；FX2N-2AD为两路模拟量输入扩展单元；FX2N-2DA为两路模拟量输出扩展单元。PLC产品的扩展单元种类很多，扩展单元的功能及与主机的配合细节可查阅有关手册。第二十二页，共151页。图11-4三菱FX2N小型PLC产品示意图第二十三页，共151页。1．PLC的性能规格

FX2N系列PLC的性能规格如表11-1所示。第二十四页，共151页。表11-1FX2N系列PLC的性能规格第二十五页，共151页。第二十六页，共151页。第二十七页，共151页。第二十八页，共151页。2．PLC的内部资源

(1)输入触点X。FX2N的基本单元中的输入点按照X000～X007，X010～X017…，这样的八进制格式进行编号。扩展单元的输入点则接着基本单元的输入点顺序进行编号。来自现场设备的外部输入信号与硬件上的输入点一一对应，被PLC扫描读入后，存入输入映象寄存器，表现为程序可多次调用的输入触点状态。输入触点X的基本功能是读取外部

输入信号的状态。第二十九页，共151页。(2)输出继电器Y。FX2N的基本单元中的输出点按照Y000～Y007，X010～X017，…这样的八进制格式进行编号。扩展单元的输出点也接着基本单元的输出点顺序进行编号。PLC运行时，要接受各路X的输入状态，运行控制程序，然后将运行结果传送至输出继电器Y进行输出，因此，所有输出继电器都对应一个硬件上的输出信号，用来驱动PLC的各路负载。输出继电器Y的基本功能是可以在用户程序的控制下改变负载的状态。第三十页，共151页。(3)内部继电器M。在可编程控制器内部可多次使用但不能输出的继电器叫做内部继电器或辅助继电器。内部继电器与输出继电器的不同点是它只在程序中使用，既不能直

接读取外部输入状态，也不能直接驱动外部负载。内部继电器M在程序中的作用相当于继电器控制系统中的中间继电器，其功能是在程序中用于中间状态暂存、移位、辅助运算或赋予特别用途。PLC的内部继电器分普通型、掉电保持型和赋予特殊用途型三类。第三十一页，共151页。普通型继电器在断电或停止运行时线圈将失电，机内不记忆停电瞬间的状态，再通电时从失电状态开始执行程序。FX2N系列PLC中普通型内部继电器按十进制编号，从M0～M499共500个。

掉电保持型继电器在断电或停止运行时，机内（用锂电池）记忆停电瞬间的状态，再通电时恢复停电瞬间的状态，从此时状态开始执行程序。FX2N系列PLC中掉电保持型内部继电器按十进制编号，从M500～M1023共524个。第三十二页，共151页。赋予特殊用途的内部继电器有两类，第一类信号由PLC的系统程序自动产生，用户编程时可调用其触点。如特殊继电器M8000的功能是在程序RUN时保持ON状态；M8002的功能是在程序RUN的第一个周期产生一个脉冲宽度为一个扫描周期（即一个程序执行周期）的脉冲输出，供用户初始化使用；M8011～M8014的功能是提供10ms、100ms、1s、

1min的周期性脉冲输出等。第二类信号由PLC的用户程序驱动，用户编程时可置位其线圈。如程序置位M8033，则程序停止运行时输出会保持，如程序置位M8034，则PLC的输

出全被禁止。第三十三页，共151页。（4）状态寄存器S。状态寄存器是用于步进顺序控制时表达工序号的继电器。FX2N系列PLC中状态寄存器S按十进制编号，从S0～999共1000点，其中S0～S9供初始状态使用，S10～S19供返回原点使用，S20～S499为普通型，S500～S899为断电保持型，S900～S999供报警使用。状态寄存器不作工序号使用时，可作为内部继电器使用。第三十四页，共151页。(5)定时器T。定时器是将可编程控制器内的1ms、10ms、100ms等时钟脉冲进行加法计数，当它达到规定的设定值时，其输出点就工作。定时器利用内部时钟脉冲的可测量

范围为0．001～3276．7s。FX2N系列PLC中的定时器按十进制编号，从T0～T255共256个，其中T0～T199是100ms普通定时器，当定时线圈的驱动输入变为OFF时，当前值不保持，线圈再得电时计数从零开始。第三十五页，共151页。(6)计数器C。计数器的计数方式分为向上计数和向下计数。向上计数是在线圈得电时从零开始对被计脉冲计数，计到预置值时触点动作；向下计数则是在线圈得电时从预置

值开始计数，计到零时触点动作。FX2N系列PLC中的计数器按十进制编号，从C0～C255共256个，其中C0～C99是16位向上计数的普通计数器，当计数线圈的驱动输入变为OFF

时，当前值不保持，线圈再得电时计数从头开始。第三十六页，共151页。C100～C199是16位向上计数的断电保持型计数器，当计数线圈的驱动输入为OFF时，当前值将被保持，线圈再得电时计数从原计数值开始，16位向上计数的范围为1～3276732。C200～C219是32位可逆计数的普通计数器；C200～C234是32位可逆计数的断电保持型计数器；32位可逆计数的范围为

-2147483648～+2147483648。这些计数器是供可编程控制器的内部信号用的，其应答速度通常为数十赫兹以下。第三十七页，共151页。(7)数据寄存器D、V、Z。数据寄存器是存储数值数据的元件。FX2N系列PLC中的数据寄存器全是16位的（最高位为正负位），用两个寄存器组合就可以处理32位（最高位

为正负位）数值，数值范围可参考“计数器”的相关说明。D寄存器按十进制编号，从D0～D8195共8196个，其中D0～D199是通用数据寄存器，D200～D511是断电保持的数据寄存器，D512～D7999是断电保持的专用数据寄存器，D8000～D8195是已被系统程序赋予了特殊用途的数据寄存器。第三十八页，共151页。数据寄存器之中还有称为寻址用的V、Z寄存器，范围从V0～V7，Z0～Z7，共16点。

(8)常数与指针。PLC程序中使用常数数值时，K表示十进制整数值，H表示十六进制数值。

PLC程序中指针有分支用和中断用的两种。分支指针P用于指定条件跳转，或子程序调入地址。中断指针I用于指定输入中断、定时中断、计数中断的中断子程序。第三十九页，共151页。PLC在运行状态下采用周期循环扫描方式执行用户程序。一个用户程序的扫描周期由三个阶段构成：

（1）输入采样阶段。本阶段检测每个输入触点的状态（通为“1”，断为“0”），然后顺序存入输入映象寄存器。第四十页，共151页。（2）程序执行阶段。对用户梯形图程序按先左后右、从上到下的顺序，逐句执行指令。包括从输入映象寄存器和各种内部寄存器中读取状态和数据，完成程序要求的运算和把结果写入有关内部寄存器或输出继电器。

（3）输出刷新阶段。将输出继电器状态输出至输出锁存器，经隔离、功放、输出端子去驱动负载。第四十一页，共151页。1．输入触点X的编程

工业控制系统输入电路中的选择开关、按钮、限位开关等在梯形图中以输入触点表示，在编程时输入触点X可由常开

和常闭两种指令来编程，但梯形图中的常开或常闭指令与外电路中X实际接常开还是常闭触点并无对应关系，无论外电路使用什么样的按钮、旋钮、限位开关，无论使用的是这些开关的常开或常闭点，当PLC处于RUN方式时，扫描输入只遵循如下规则：第四十二页，共151页。(1）梯形图中的常开触点X，与外电路中X的通断逻辑相一致。如外接线中X5是导通的（无论其外部物理连接于常开还是常闭点），程序中的X5即处理为闭合(ON)，反之，如外部X5连线断开，则程序中的X5就处理为断开（OFF）。第四十三页，共151页。(2）梯形图中的常闭触点X，与外电路中X的通断逻辑相反。如外接线中X5是导通的（无论其外部物理连接于常开还是常闭点），程序中的X5处理为断开（OFF），反之，如外部X5连线断开，则程序中的X5就处理为闭合（ON）。第四十四页，共151页。梯形图中几个触点串联表示“与”操作，几个触点并联表示“或”操作。

按上述规则，将PLC应用于电机的启动停车控制，外部按图11-5接线，则采用图11-6所示梯形图即可实现按钮X0启动，输出Y0得电并自锁，按钮X1停车的控制逻辑。用一

个接触器KM控制电动机的主电路见第10章。第四十五页，共151页。图11-5PLC控制的启动停车电路接线图第四十六页，共151页。图11-6启动停车梯形图第四十七页，共151页。2．输出继电器Y和内部继电器M的编程

继电器具有逻辑线圈及可以多次调用的常开触点、常闭触点。输出继电器和普通内部继电器的简单程序如图11-7

所示。

PC进入RUN方式时，输出线圈Y0通电，0#输出信号

灯亮。第四十八页，共151页。图11-7继电器简单程序第四十九页，共151页。当接通输入触点X10后，内部线圈M100通电，M100的常闭触点断开，常开触点导通，因此输出端Y0失电，0#灯熄灭间，Y1得电，1#灯亮。

掉电保持型继电器M510的简单程序如图11-8所示。第五十页，共151页。图11-8掉电保持型继电器简单程序第五十一页，共151页。使输出端子X11接通一下，梯形图中X11的常开点即闭合，内部线圈M100通电，常开触点M100通电闭合，对线圈M100起自保作用，另一个闭合的M100触点则接通输出线

圈Y1，使1#输出灯亮。同时，M510起类似M100的作用，使7#输出灯亮，这两者的差别在于如果将PC置于HALT（暂停）状态，仍然再返回RUN方式，或者使PC断电后再复电，那么1#灯不会亮（因为输入端X11没有接通），但7#灯仍然亮，这就表明了线圈M510的锁存作用。第五十二页，共151页。3．定时器T的编程

以100ms普通定时器为例，图11-9(a)为T0定时器的简单程序，图11-9(b)为执行该程序的时序图。第五十三页，共151页。图11-9普通定时器的简单程序(a)定时器梯形图(b）定时器时序图第五十四页，共151页。初始状态时，线圈Y0、T0均不通电，0#输出信号灯灭。X0闭合时，定时器T0的线圈通电，并开始记时，K123表示计数值为常数123，定时时间为100ms×123=12.3s，当T0线圈通电够12.3s后，定时器动作，其常开触点T0闭合，使Y0输出灯亮，从启动定时器开始到定时器触点动作，其间延迟时间由程序确定。第五十五页，共151页。4.计数器C的编程

以16位向上计数的普通计数器C0为例。图11-10(a)为C0定时器的梯形图，11-10(b)为执行该程序的时序图。第五十六页，共151页。图11-10普通计数器的简单程序(a)计数器梯形图;(b）计数器时序图第五十七页，共151页。图11-10中，X1为计数脉冲输入端子，计数线圈C0的计数值为常数5；X0为计数复位输入端子，当X0为ON时，计数线圈C0不允许计数且计数值被清零，只有当X0为OFF时，计数线圈C0才对X0的输入脉冲进行加1计数。在允许计数期间，如计数线圈C0计数够5个，则C0动作，常开触点闭合，Y0得电。C0计满动作后如出现X0变为ON，则C0的触点、线圈均清零复位。第五十八页，共151页。5.上升或下降沿检测的编程

上升沿或下降沿检测指令用来将输入信号的上升或下降沿检出并通过线圈输出一个扫描周期的电信号。图11-11(a)为上升、下降沿检出的梯形图，11-11(b)为执行该程序的时序图。第五十九页，共151页。图11-11上升、下降沿检出的简单程序(a)梯形图;(b)时序图第六十页，共151页。程序中，X0为外部信号输入端子，PLS表示取上升沿，X0信号由OFF变ON时，内部继电器M0得电一个扫描周期；X1为另一路外部信号输入端子，PLF表示取下降沿，

X1信号由ON变OFF时，内部继电器M1得电一个扫描周期；程序中M0与M1两个触点的任务分别是将内部继电器M50置位与复位；END为程序结束符，用于所有主程序的结束。第六十一页，共151页。1．电动机的Y－△启动电路

图11-12(a）为电动机主电路，接触器KM1、KM2同时接通时，电动机工作在星形启动状态，而当接触器KM2、KM3同时接通时，电动机就转入三角形接法的正常工作状态。第六十二页，共151页。图11-12电动机Y—△启动电路(a)主电路;(b)控制电路第六十三页，共151页。电动机的Y－△启动电路梯形图如图11-13(a)所示。定时器T1确定启动时间，其预置值（TS）应与电机相匹配。当电动机绕组由星形切换到三角形时，在继电器控制电路中

是利用常闭点断开在先，而常开点的闭合在后，这种机械动作的延时，保证KM1完全断开后，KM3再接通，从而达到防短路的目的。第六十四页，共151页。图11-13Y－△启动梯形图和时序图(a)梯形图;(b）时序图第六十五页，共151页。2．电动机的正反转控制

异步电动机由正转到反转，或由反转到正转切换时，使用两个接触器KM1、KM2去切换三相电源中的任何两相即可，在设计控制电路时，必须防止由于电源换相引起的短路

事故。例如，由正向运转切换到反向运转，当发出使KM1断电的指令时，断开的主回路触点由于短时间内产生电弧，这个触点仍处于接通状态，如果这时立即使KM2通电，KM2触点闭合，就会造成电源故障，必须在完全没有电弧时再使KM2接通。第六十六页，共151页。PLC控制电路与机械动作的继电器控制电路不同，在其内部处理中，触点的切换几乎没有时间延时，因此必须采用防止电源短路的方法，例如使用定时器来设计切换的时间滞后。图11-14（a）为PLC控制的电动机可逆运行外部电路，（b）为相应的梯形图。X1、X2接正、反转控制按钮，是常开型；X3接停止按钮，是常闭型。梯形图中M101、M102为内部继电器，T1、T2为定时器分别设置对正转指令和反转指令的延迟时间。第六十七页，共151页。图11-14电动机正反转接线图与梯形图（a）接线图;（b）梯形图第六十八页，共151页。3.加热反应炉自动控制系统

图11-15为加热反应炉结构示意图。第六十九页，共151页。图11-15加热反应炉结构图第七十页，共151页。第一阶段：进料控制。

（1）检测下液面X1、炉温X2、炉内压力X4，确定它们是否都小于给定值（均为逻辑0），即PLC输入点X1、X2、X4是否都处于断开状态。

（2）若是，则开启排气阀Y1和进料阀Y2。

（3）当液面上升到位，使X3闭合时，关闭排气阀Y1和进料阀Y2。

（4）延时20s，开启氮气阀Y3，使氮气进入炉内，提高炉内压力。

(5）当压力上升到给定值(X4=1)时，关断氮气阀Y3，进料过程结束。第七十一页，共151页。第二阶段：加热反应控制。

(1)此时温度肯定低于要求值（X2=0），应接通加热炉电源Y5。

(2)当温度达到要求值(X2=1)后，切断加热电源。

(3)加温到要求值后，维持保温10min，在此时间内炉温实现通断控制，保持X2=1。第七十二页，共151页。第三阶段：泄放控制。

(1)保温够10min时，打开排气阀Y2，使炉内压力逐渐降到起始值(X4=0)。

(2)保持排气阀打开，并打开泄料阀Y4，当炉内液面下降到下液面以下（X1=0）时，关闭泄放阀Y4和排气阀Y2，系统恢复到原始状态，重新进入下一循环。

根据上述工艺规律，设计PLC梯形图，如图11-16所示。第七十三页，共151页。图11-16反应炉控制梯形图第七十四页，共151页。11.2交流电动机的变频调速技术

由第7章知道，异步电动机的同步转速表达式为第七十五页，共151页。因此，只要平滑地调节异步电动机的定子供电频率f1，就可以平滑调节异步电动机的同步转速n1。由于转子是跟随旋转磁场的同步速旋转的，转子转速为n=n1(1－s)，所以变频能通过同步转速的改变实现异步电动机的无级调速。

从表面看来，似乎只要改变定子电压的频率f1就可以调节转速大小了，但是事实上,只改变f1并不能正常调速。参考异步电动机的电压方程第七十六页，共151页。假设现在只改变f1进行调速，设供电频率f1上下调节，而供电电压U1不变，因K1N1为常数，则异步电动机的主磁通Φm必将改变：如f1向上调，则Φm会下降，这带来的问题是拖动转矩T下降，因为T=CTΦmI2cosφ2，电动机的拖动能力会降低，对恒转矩负载会因拖不动而堵转；如f1向下调，则Φm会增强，这会带来更大的危险，因为电机铁磁材料的磁化曲线不是直线而具有饱和特性，设计电机时为了建立更强的磁场，其工频下的工作点已经接近磁饱和，如再增强磁场势必引起励磁电流（体现在定子电流上）急剧升高，最终烧坏电机。第七十七页，共151页。由上可知，只改变频率f1实际上并不能正常调速。在许多场合，要求在调节定子供电频率f1的同时，调节定子供电电压U1的大小，通过U1和f1的不同配合来实现安全的调频调速。第七十八页，共151页。1．保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式

由于Φm∝E1/f1≈U1/f1，故调节三相异步电动机的供电频率f1时，比例调节供电电压U1的大小，可以近似实现Φm为常数。以星形接法的电机为例，变频调速时，如供电50Hz对应220V相电压（一般为额定点），则25Hz需提供110V相电压，10Hz需提供44V相电压。第七十九页，共151页。在机械特性上，保持U1/f1=常数的近似恒磁通控制方式的机械特性曲线族体现为近似恒转矩性质，如图11-17所示。

由机械特性曲线可以看出，U1/f1=常数调速方式在低频低速运行时拖动力矩不足，显然，U1/f1=常数的调速方式并不是真正的恒磁通调速，出现这个问题的主要原因在于电动机的主磁通Φm与E1/f1成正比。第八十页，共151页。图11-17保持U1/f1=常数控制方式的机械特性第八十一页，共151页。2．保持E1/f1＝常数的严格恒磁通控制方式

在三相异步电动机中，E1不是一个可以直接测量和控制的物理量，所以，变频调速所能做的仍然是通过控制供电电压U1来间接控制反电势E1。在通用变频器产品中，通常

采用的措施是低频段电压补偿法，使U1与f1满足图11-18的配合关系。图中U1n和f1n分别为电动机的额定电压和额定频率。第八十二页，共151页。图11-18实现严格恒磁通的U1与f1配合关系第八十三页，共151页。利用图11-18实现严格恒磁通的基本思路是以近似恒磁通控制方式为基础，在U1/f1等于常数的基础上增加一定的供电电压U1，以补偿定子内阻压降对反电势E1的影响，使E1/f1

=常数。

由于低频低速运行时内阻压降较大，故需要加强U1的补偿量；而额定工作点附近（50Hz）内阻压降较大，可以不加补偿。第八十四页，共151页。严格恒磁通控制方式下，变频调速电动机的机械特性如图11-19所示，特性曲线族呈现恒转矩性质。实际补偿时，必须根据不同参数的电动机运用不同的补偿曲线，才能取得理想的补偿效果，补偿不足会造成拉力不足，过度补偿则会造成启动时的大电流。第八十五页，共151页。图11-19保持E1/f1＝常数控制方式的机械特性第八十六页，共151页。1.变频器概述

变频器可分为交—交变频器与交-直－交变频器两大类型，其结构对比如图11-20所示。第八十七页，共151页。图11-20两种类型的变频器(a)交－交变频器;(b)交-直－交变频器第八十八页，共151页。交－交变频器没有明显的中间滤波环节，电网交流电被直接变成可调频调压的交流电，又称为直接变频器。而交-直一交变频器先把电网交流电转换为直流电，经过中间滤波环节之后，再经过逆变才转换为变频变压的交流电，故称为间接变频器。从图11-20(a)、(b)的对比中可以看出，交－直-交变频器有一个明显的中间滤波环节，按照这个中间滤波环节是电容性或是电感性可以将交—直—交变频器划分为电压（源）型或电流（源）型交—直—交变频器。第八十九页，共151页。目前通用变频器产品最常用的是交—直—交电压型电路形式，结构如图11-21所示。该电路首先用二极管整流器接入电网，将交流电变成直流电，整流之后采用电容滤波，获得平直的直流电压，再由逆变器将直流能量逆变成可以调频调压的新交流电。第九十页，共151页。图11-21交—直—交电压型变频器的结构形式第九十一页，共151页。2.SPWM逆变器的脉宽调制原理

图11-22是PWM变频器的主电路示意图。整流电路采用三相二极管整流桥，相对比较简单；中间滤波环节的电解电容在实际变频器中可能只有一个，也可能根据容量或耐压需要串并联几个，图中的0点仅仅是为了原理分析引入的零电位参考点，并非实际接线点。第九十二页，共151页。图11-22PWM变频器的主电路示意图第九十三页，共151页。（1）单极性脉宽调制。图11-23为单极性SPWM调制波形图，这种调制方式中，U相控制信号为单极性正弦波urU，载波为高频三角波ut；图中中间的倒向信号作区分正、负半周的矩形波使用，高电平表示在正半周，低电平表示在负半周；uUo即为图11-22中负载U相的交流输出信号（相对于0点）。变频器的这种输出波形是由表11-2所示的单极性的调制规律决定的。第九十四页，共151页。图11-23单极性SPWM调制波形第九十五页，共151页。第九十六页，共151页。U相的输出电压uUo，主要取决于图11-22中VT1与VT4两个功率开关的通断状态。按照11-2表中指示的调制规律，控制信号在正半周：在正弦波urU>载波ut的时间段，应设法使VT1闭合、VT4断开，U对0点来讲相当于获得直流电压的正一半，为Ud/2；在正弦波urU<载波ut的时间段，应使VT1、VT4都断开，对0点来讲认为U点获得电压为零；于是整个正半周的输出电压由一系列恒幅、不等宽（宽度受urU控制的正弦规律窄-宽-窄变化）的脉冲波列组成。第九十七页，共151页。而当控制信号在负半周：在正弦波urU>载波ut的时间段，控制使VT4闭合、VT1断开，U对0点来讲又相当于获得直流电压的负一半，为－Ud/2；在正弦波urU<载波ut的时间段，使VT1、VT4都断开，对0点来讲也认为U点获得电压为零；

于是整个负半周的输出电压也由一系列恒幅、不等宽（宽度受urU控制的正弦规律窄-宽-窄变化）的负脉冲波列组成。第九十八页，共151页。（2）双极性脉宽调制。

图11-24为双极性SPWM调制波形图，这种调制方式中，U相、V相、W相控制信号均为互差120°的普通正弦波urU、urV、urW，载波为双极性高频三角波ut，三相双极性控制信号本身有正负，不需要倒向信号来区分正负；图中的uUo、uVo、uWo即为负载U相、V相、W相的交流输出信号（相对于0点）。第九十九页，共151页。以U相为例，双极性SPWM的调制规律为：不分正负半周，在正弦波urU>载波ut的时间段，使VT1闭合、VT4断开，Ｕ对0点来讲相当于获得直流电压的正一半，为Ud/2；在正弦波urU<载波ut的时间段，使VT1断开、VT4闭合，对0

点来讲认为Ｕ点获得电压直流电压的负一半，为－Ud/2；由图11-24可知，采用双极性SPWM控制的输出交流电uUo尽管在正半周会出现－Ud/2，负半周又会出现Ud/2，但脉冲宽度仍基本上呈正弦分布。第一百页，共151页。图11-24双极性SPWM调制波形第一百零一页，共151页。双极性脉冲宽度调制方式控制的逆变器，其调压调频方式与单极性相同。如要改变输出交流电压uUo的大小，需要调节弱电控制电压urU的幅值，而对输出交流电压uUo的变频则要靠改变控制波urU的频率来实现。在实际的变频器控制中，各控制波信号及载波信号的产生及VT1～VT6功率开关的开关点实时控制均由微机程序配合大规模专用集成电路来完成。第一百零二页，共151页。

1.通用变频器的内部结构

图11-25为变频器产品的外形图，图11-26为目前常见的通用变频器内部结构图。变频器内部由主电路、给定电路、微机控制系统、隔离驱动电路、保护电路、显示电路等部分组成。第一百零三页，共151页。图11-25变频器产品外形图第一百零四页，共151页。图11-26通用变频器的内部结构图第一百零五页，共151页。在实际的变频主电路中，功率开关VT1～VT6并不使用有触点开关，而是使用各种被称为现代功率器件的无触点功率开关，本图中所示为绝缘栅晶体管，文字符号为IGBT，这种管子的开通和关断受其栅极电压的控制，属于全控型功率器件，目前其耐压可达到一千多伏，电流达到几百安，主开关反并联的二极管为续流二极管，用于上下开关高速切

换时为负载提供电流通路，防止电感性负载电流突变引起高压造成元件击穿。第一百零六页，共151页。给定电路用来选择变频器的运行频率，一般由键盘设定，也可以用电位器设定；微机控制系统根据用户所要求的运行频率，在内部进行图11-18所示的恒磁通补偿运算，算出与频率相匹配的电压数值，产生各相控制电压、载波电压，并进行SPWM开关点运算，给主电路的六个功率元件发出弱电的通断信号。隔离驱动电路的作用是将微机控制系统计算发出的弱电信号加以强弱电隔离，并进行功率放大，送往功率开关VT1～VT6的控制电极。第一百零七页，共151页。2.通用变频器的外围接线

图11-27为日本富士公司FRENIC5000P9S400V系列变频器产品的外围接线图。该变频器有9个强电接线端子及多组弱电接线端子。第一百零八页，共151页。图11-27变频器产品的外围接线图第一百零九页，共151页。强电接线端子中，L1、L2、L3为功率输入端子，接电网三相交流电；U、V、W为交流输出端子，接电动机；P1、P之间用来连接功率因数校正电抗器；P、N之间用来连接制动单元。R0、T0为辅助控制电源输入端，小功率变频器不设置这两个端子。第一百一十页，共151页。X1、X2、X3—多挡转速选择端，使用这三个端子与公用

点之间的不同通断状态组合，可以预选设定变频器的多挡工作速度，如000表示选择第0挡速度，001表示第1挡速度，…，111表示第7挡速度。X4、X5—多挡升降速强度控制端，这两点的通断状态配合决定变频器升降速时的强度挡位，如00表示选择第0挡加减速时间，01表示选择第1挡加减速时间。第一百一十一页，共151页。11.3交流伺服技术

1.永磁式同步电动机

永磁式同步电动机的定子绕组可采用三相或多相绕组，空间上均匀分布，只要通以错开一定相位的交流电，就能产生旋转磁场，其转子磁极由永久磁体构成，当定子通电时，转子受旋转磁场的牵引作同步旋转。第一百一十二页，共151页。永磁式同步电动机的转子结构更为简单：转子直接贴装永久磁体，形成规律排列的N、S磁极，图11-28（a）为一个四极的永磁式同步电动机结构示意图。当旋转磁场旋转时，会带动转子的对应磁极一起旋转，当稳定运行时，转子的转速与旋转磁场的同步转速相同，故为同步电动机。在稳定状态，转子与旋转磁场的空间相对位置稳定，差角θ如图11-28（b）所示，轻载下θ角较小，满载时θ角较大。在额定工况下θ角一般在30°左右。第一百一十三页，共151页。图11-28永磁式同步电动机的内部结构及旋转示意图（a）四极永磁式同步电动机的内部结构；（b）转子与旋转磁场的相对位置示意图第一百一十四页，共151页。2．三相绕组无刷直流伺服电动机

无刷直流伺服电动机的磁极位置传感器安装于同步电动机内部，用来检出转子磁极的当前旋转位置，常用传感器有光电器件、霍尔元件、旋转编码器等。电子开关电路的作用是根据位置传感器检出的转子位置信号，运算判断后决定下一步向定子绕组的哪些相送电，以维持转子继续受力转动。第一百一十五页，共151页。图11-29为一个三相绕组无刷直流伺服电动机的电机本体示意图，图中A-A′、B-B′、C-C′分别为三相定子绕组的首末端；中心的N-S为转子永久磁极；2/3扇形片为遮光板，

装于转子上，随该N-S极一起转动；VP1~VP3为三个光电器件，均由光源和感光器组成，不随转子和遮光板转动。这三个光电器件在遮光板转动时，如果光线不被遮光板挡住（透光），则识别为高电平；如果光线被遮光板挡住（不透光），则识别为低电平，用来检测转子的位置。第一百一十六页，共151页。图11-29三相绕组无刷直流伺服电动机的电机本体示意图第一百一十七页，共151页。欲使该电机的转子向逆时针方向旋转。参考图11-29(a)的转子位置，VP1、VP2、VP3三个传感器中，VP1开始透光，为高电平，VP2、VP3不透光，为低电平。这时可控制定子电路让A相通电，获得定子旋转磁场位置如图11-29(a）中的N′-S′所示，转子的受力方向即为逆时针方向。第一百一十八页，共151页。转子逆时针方向转过120°，走到图11-29(b)的转子位置，三个传感器中，VP2开始透光，VP1、VP3不透光，为了保证转子继续逆向旋转，应控制定子电路让B相通电，获得定子旋转磁场位置如图11-29(b)中的N′—S′所示，转子的受力方向即为逆时针方向。第一百一十九页，共151页。转子逆时针方向再转过120°，走到图11-29(c)的转子位置，位置传感器检出VP3开始透光为高电平，VP1、VP2不透光为低电平，这时控制定子电路让C相通电，获得定子

旋转磁场位置如图11-29(c)中的N′—S′所示，转子的受力方向又为逆时针方向。这样，转子可以受力逆向转回到(a）位置，只要定子电路的供电控制模式保证旋转磁场对转子磁极产生连续的逆向拉力，转子就能连续旋转。第一百二十页，共151页。图11-30为三相绕组无刷直流伺服电动机的单相半控桥式电子开关电路示意图。其电路功能是接受三个转子位置传感器的电平信号，将它们送到运算判断电路及功率开关

驱动电路，控制功率开关VT1、VT2、VT3按特定通电模式去运行，实现电动机的连续运转。运算判断电路如控制功率开关改变相序，则可以改变转子的受力方向。第一百二十一页，共151页。图11-30三相半控桥式电子开关电路第一百二十二页，共151页。由于三相半控桥式电路每次只通电一只管子，一相绕组供电，定子磁场每周切换3次，产生的力矩小且跳跃大，缺点比较明显。因此，更常用的电子开关主电路是三相全控桥式电路，与通用变频器的主电路类似，如图11-31所示。控制运算电路可采用两两或三三通电方式，定子磁场每周切换6次，所产生的力矩较大且脉动跳跃减少。第一百二十三页，共151页。图11-31三相全控桥式电子开关主电路第一百二十四页，共151页。3.四相绕组无刷直流伺服电动机

图11-32为一个四相绕组无刷直流伺服电动机的电机本体示意图，图中A-A′、B-B′、C-C′、D-D′分别为四相定子绕组的首末端；中心的N-S为转子永久磁极；转子位置检测器采用两个霍尔元件H1和H2，固定安装于定子内侧；转子旋转中，如有转子的N极靠近则被霍尔元件识别为高电平，S极靠近则被霍尔元件识别为负电平，如没有磁极靠近则检测识别为零电平。第一百二十五页，共151页。图11-32四相绕组无刷直流伺服电动机的电机本体示意图第一百二十六页，共151页。欲使该电机的转子向逆时针方向旋转。参考图11-32(a)的转子位置，H1因N极靠近应识别为高电平，转子磁极不靠近H2故H2为零电平输出，这时如运算判断电路控制定子电路的A相通电，获得11-32(a）的定子旋转磁场位置如图中的N′-S′所示，转子的受力方向即为逆时针方向。第一百二十七页，共151页。转子逆时针方向转过90°，走到图11-32(b)的转子位置，H1传感器将变成零电平，H2则因为S极靠近变成负电平。为了保证转子继续逆向旋转，应控制定子电路让B相通电，获得定子旋转磁场位置如图11-32(b)中的N′-S′所示，转子的受力方向为逆时针方向。第一百二十八页，共151页。转子逆时针方向再转过90°，走到图11-32(c)的转子位置，H1传感器检出负电平，H2变成零电平，这时控制定子电路让C相通电，获得定子旋转磁场位置如图11-32(c）中的N′-S′所示，转子的受力方向又为逆时针方向。第一百二十九页，共151页。同样，当转子到达图11-32(d)位置时，H1、H2也能识别出来，这时，运算判断电路应相应控制定子电路的D相通电，获得图11-32(d)的定子旋转磁场N′-S′位置，转子

将继续受力转回图11-32(a）的初始位置，并连续运转。

图11-33为四相绕组无刷直流伺服电动机的单相半控桥式电子开关电路示意图。当然，本电路也可以设计成四相全控桥式电路，比通用变频器的主电路还要多用两只功率开关。第一百三十页，共151页。图11-33四相半控桥式电子开关电路第一百三十一页，共151页。4.无刷直流电动机的交流伺服系统

以西门子810M/T数控系统的进给伺服轴控制为例，图11-34是进给伺服系统（设为X轴）的结构示意图。第一百三十二页，共151页。图11-34西门子810M/T数控系统的进给伺服轴结构图第一百三十三页，共151页。X轴控制系统是一个多环控制系统，控制对象是三相绕组无刷直流电动机，其内部装有转子位置传感器，轴上装有测速发电机及旋转编码器，分别用于检测转子磁极位置（供

电子开关电路换流使用）、转子旋转速度（供伺服驱动器使用）及数字化的转子当前实际角位移信号（提供给数控主机）；CNC主机从用户程序中获得位置命令（程序可从第一操作面板输入），又从旋转编码器获得当前实际位置反馈信息，通过运算进行位置自动控制。第一百三十四页，共151页。伺服驱动器接受CNC主机的速度命令信号，又从测速发电机获得当前转子旋转速度的反馈信息，通过运算进行速度自动控制；功率开关控制电路只要根据转子位置传感器的磁

极位置信息，控制功率开关切换并完成PWM调制，保证定子绕组获得连续运转的旋转磁场，拖动转子连续稳定地旋转，即可实现交流伺服驱动。第一百三十五页，共151页。

1．正弦波永磁同步电动机交流伺服系统的原理

正弦波永磁同步电动机的交流伺服系统由永磁同步电动

机、光电编码器和SPWM变频器电路三部分组成，光电编码器既可以检测电动机的转子位置，也可以检测转子速度。图11-35为正弦波永磁交流伺服系统的结构框图。第一百三十六页，共151页。图中，CNC系统发出当前位置指令信号，与编码器检测出的转子实际位置进行比较，经位置控