教材--电机调速

1、第8章 电机调速控制本 章 导 读本章要求了解掌握步进电机、交流伺服电机、三相交流异步电机及直流电机的基本概念与基本工作原理。理解这几种电机的调速原理，掌握脉冲输出指令、脉宽调制指令的应用，掌握步进驱动器、交流伺服驱动器、变频器、直流电机驱动器的基本使用方法。并能够熟练编制程序，实现对这几种电机的调速控制。8.1 步进电机调速控制8.1.1步进电机的基本概念步进电机又叫做脉冲电机，是控制系统中的一种执行元件，它是工业过程控制及仪表中的主要控制元件之一，能够将控制脉冲信号变换成角位移或直线位移。步进电机接收到一个脉冲电信号，就转动一个角度或前进一步，因此只要控制输入脉冲的个数，便可控制步进电机前

2、进的位移，从而实现精确定位，同时也可以通过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。步进电机的角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量的变化，便可实现对它们的控制。例如在机械结构中，可以用丝杠把步进电机的旋转角度变成直线位移，也可以用它带动螺旋定位器，调节电压和电流，实现对执行机构的控制。步进电机实际上是一个数字/角度转换器，输人一个电脉冲，电动机转动一个固定的角度，称为“一步”，这个固定的角度称为步距角，由于步进电机的运动状态是步进式的，故称为“步进电机”。步进电机主要用于开环控制系统，也可用于闭环控制系统。1.步进电机的特点1)电

3、动机输出轴的角位移与输入脉冲数成正比；转速与脉冲频率成正比；转向与通电相序有关。当它转一周后，没有累积误差，具有良好的跟随性。2)由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。3)步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。4)步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。5)步进电机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差。控制输人脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序，可得到各种需要的运行特性。2.步进电机的常用术语1）相数：电动机定子上有磁极，磁极对数称为相数。有6个磁极，则为三相，

4、称该电动机为三相步进电机。10个磁极为五相，称该电动机为五相步进电机。2）拍数：电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍。3）步距角：转子经过一拍转过的空间角度。4）齿距角：转子上齿距在空间的角度。5）细分：指电动机运行时的实际步距角。如驱动器的细分为10时，其步距角为电机固有步距角的1/10，通过细分可以改善步进电机的控制精度。6）保持转矩：指的步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。8.1.2 步进电机的基本工作原理步进电机的工作原理是基于电磁感应原理。步进电机和工频旋转电动机一样，分为定子和转子两大部分，定子由硅钢片叠成，装上一定相数的控制绕组，输人电脉冲对多相定子绕组轮流进行励磁

5、。转子用硅钢片叠成或用软磁性材料做成凸极结构，转子本身没有励磁绕组的称为“反应式”步进电机，用永久磁铁做转子的称为“永磁式”步进电机，目前以反应式步进电机用得较多。 下面以三相反应式步进电机为例,来说明反应式步进电机的工作原理。图8-1所示为一台三相反应式步进电机的工作原理图，它的定子有6个磁极，构成“三相”，转子是4个均匀分布的齿，上面没有绕组。步进电机的工作原理近似于电磁铁的工作原理，当A相绕组通电时，B相、C相都不通电。利用磁通总是要沿着磁阻最小的路径通过的特点，将使转子齿1、3的轴线向定子A极的轴线对齐，即在电磁吸力作用下，将转子1、3齿吸引到A极下。此时，因转子只受到径向力而无切向力

6、，故转矩为零，转子被自锁在这个位置，如图8-1（a）所示。A相断电，B相控制绕组通电时，则转子将在空间转过30°，使转子齿2、4与B相定子齿对齐，如图8-1（b）所示。再使B相断电，C相通电，转子又将在空间转过30°，使转子齿1、3与C相定子齿对齐，如图8-1（c）所示。可见通电顺序为ABCA时，电动机的转子便一步一步按逆时针方向转动，每步转过的角度均为30°，步进电机每步转过的角度称为步距角。电流换接3次，磁场旋转一周。若按ACBA的顺序通电，则步进电机就反向转动。因此改变通电顺序，就可改变步进电机的旋转方向。 图8-1 三相反应式步进电机的工作原理图8.1.3

7、 基于PLC的步进电机调速控制本节实例中的步进电机采用两相混合式步进电机，其内部结构为上下是两个磁铁，中间是线圈。线圈通了直流电以后，就成了电磁铁，上下的磁铁被吸引后就产生了偏转，但是因为中间连接电磁铁的两根线不是直接连接的，是采用在转轴的位置用一个滑动的接触片。这样如果电磁铁转过了头，原先连接电磁铁的两根线刚好相反，则电磁铁的N极S极就和以前相反，但是电机上下的磁铁是不变的，又可以继续吸引中间的电磁铁。当电磁铁续转，由于惯性过了头，所以电机又相反了，重复上述过程就使步进电机转动。根据这个原理，两相混合式步进电机的正转步骤为实现电流方向，实现电流方向，实现电流方向，实现电流方向，如果是反转则按

8、照、的顺序控制。根据上述原理，采用PLC直接控制步进电机方式，只要控制步进电机的线圈A、B两相的A、B、四个端子按照一定的顺序分别得电，即可控制步进电机正转或反转。通过控制PLC发出脉冲的频率，即可控制步进电机的转速。通过控制PLC发出脉冲的个数，即可控制步进电机带动负载移动的距离。1无驱动器的控制下面的实例利用PLC的输出端直接控制步进电机，通过依次改变输出端的得电顺序，改变步进电机的转动方向。PLC的I/O分配如表8-1。表8-1 步进电机调速I/O分配表输入点输出点X0正/反转运行COM1DC+12VX2自动/手动Y0X3单步运行Y1X4频率增加Y2X5频率减少Y3COM2DC12V G

9、NDY4Y5Y6Y7X0用于控制步进电机的正反转运行方向切换，X2用于自动与手动运行的切换，每按X3一下，步进电机运行一步，每按X4一下，步进电机运行速度增加，每按X5一下，步进电机运行速度减小。Y0接步进电机的两相线圈的A端，Y1接步进电机的两相线圈的B端，Y2接步进电机的两相线圈的端，Y3接步进电机的两相线圈的端。Y4接步进电机的两相线圈的端，Y5接步进电机的两相线圈的端，Y6接步进电机的两相线圈的A端，Y7接步进电机的两相线圈的B端。COM1接+12V电源。PLC的I/O接口如图8-2所示图8-2 步进电机调速I/O分配图无驱动器的步进电机控制梯形图如图8-3所示。程序中采用积算定时器T

10、246为脉冲发生器，如果PLC为继电器输出类型，其通断频率过高有可能会损坏PLC，故设定范围为100ms1000ms，则步进电机可获得110步/秒的变速范围。X0为OFF，输出正脉冲序列，步进电机正转。当X0为ON时，T246以D10值为预置值开始计时，时间到，T246导通，执行DECO指令，根据D0数值（首次为0），指定M0输出，Y0、Y4为ON，步进电机A相通电，且实现电流方向；D0加1，然后，T246马上自行复位，重新计时，时间到，T246又导通，再执行DECO指令，根据D0数值（此次为1），指定M1输出，Y1、Y5为ON，步进电机B相通电，且实现电流方向；D0加1，T246马上又自行复

11、位，重新计时，时间到，T246又导通，再执行DECO命令，根据D0数值（此时为2），指定M2输出，Y2、Y6为ON，步进电机A相通电，且实现电流方向；D0加1，T246马上又自行复位，重新计时，时间到，T246又导通，再执行DECO命令，根据D0数值（此次为3），指定M3输出，Y3、Y7为ON，步进电机B相通电，且实现电流方向；当M3为ON，D0复位，重新开始新一轮正脉冲序列的产生。X0为ON，输出反脉冲序列，步进电机反转。当X1为ON时，T246以D10值为预置值开始计时，时间到，T246导通，执行DECO指令，根据D0数值（首次为0），指定M0输出，Y3、Y7为ON，步进电机B相通电，且实

12、现电流方向，依次类推，完成实现A相反向电流B相正方向电流、A相正方向电流三个脉冲序列输出；当M3为ON，D0复位，重新开始新一轮反脉冲序列的产生。当X2为ON时，程序由自动转为手动模式，每点动一次X3，对D0数值（首次为0）加1，分别指定M0、M1、M2及M3输出，从而完成一轮正（反）脉冲序列的产生。如果在练习时没有步进电机，也可考虑用指示灯代替，将脉冲频率调低一点，通过观察灯亮次序和灯闪烁的频率确定程序的正确与否。注意观察输出信号的频率和顺序变化，分析其动作是否与控制要求一致。调速时按X4或X5按钮，观察D0 的变化，当变化值为所需速度值时释放。如动作情况与控制要求一致表明程序正确，保存程序

13、。如发现程序运行与控制要求不符，应仔细分析，找出原因，重新修改，直到程序与控制要求相符为止。图8-3 无驱动器的步进电机调速梯形图2.有驱动器的控制在实际应用中，一般在步进电机的前端加一个步进驱动器来实现对步进电机进行驱动和控制，目的在于把控制系统发出的脉冲信号加以放大，以能够带动负载工作。下面以KINCO M2E50型步进驱动器对两相双极型步进电机的应用为例，该驱动器采用双极型恒流驱动方式，最大驱动电流可达3.5A，采用专用驱动控制芯片，对于电机的驱动输出相电流可通过DIP开关调整，以配合不同规格的电机。驱动器的DIP1-DIP4可设置细分数，即步进电机每转一圈所需的脉冲个数，细分数越大，步

14、进电机的控制精度越高，本例中细分数设置为4000。将驱动器四个输出端A+、A-、B+、B-分别和步进电机的红、蓝、绿、黑线相连接。PLC的Y0端和驱动器的PLS-端相连接，作为驱动器的脉冲输入信号。PLC的Y3端与驱动器的DIR-端相连用于控制步进电机的转动方向，DIR+端和PLS+端共同连接到5V电源的正极，PLC的COM1端接到5V电源的负极。电气原理图如图8-4所示。 图8-4 步进驱动器接线示意图有驱动器的步进电机控制程序梯形图如图8-5所示。程序中，X0为正向控制按钮，X1为反向控制按钮，X3为停止按钮。三菱FX 3U系列PLC中的脉冲输出指令为PLSY S1 S2 D，其中S1为输

15、出脉冲的频率，S2为发出的脉冲个数，D为脉冲信号输出的目标地址操作数。本实例程序中的脉冲输出程序段PLSY K4000 K12000 Y0，即输出脉冲的频率为每秒4000个脉冲，总共输出12000个脉冲，即步进电机转动3圈，脉冲信号从PLC的Y0端输出。Y3用于控制步进电机的转动方向。如果在练习时想改变步进电机转动的圈数，只需改变PLSY指令中的S2的值，即将K12000设置为其他值，如果想改变步进电机转动的速度，只需改变PLSY指令中的S1的值，即将K4000设置为其他值。图8-5 带驱动器的步进电机调速梯形图8.2伺服电机调速控制伺服控制电机是电气伺服控制系统的动力部件，由于可工作在很宽的

16、速度和负载范围内，并可进行连续精确的控制，因而在各种机电传动控制系统中得到广泛应用。在自动控制系统中，使输出量能够以自动、快速、准确地跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统，也叫随动系统或自动跟踪系统。伺服系统的机械参数主要包括位移、角度、力转矩、速度和加速度。按照使用的驱动元件分类，伺服系统主要分为步进伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统，本节主要以利用三菱FX3U PLC控制交流伺服电机的调速系统为例来进行介绍。8.2.1交流伺服电机的基本概念伺服电机是一种用电脉冲信号进行控制的，并将脉冲信号转变成相应的角位移或直线位移和角速度的执行元件，故又称执行电机，它是控制电机的一种，可以通过检测

17、装置（编码器）时刻监督伺服马达是否按照所输入的指令移动。伺服电机的转子惯量较小，可达成急加速、急减速、急停等要求，并且具备更精密的位置及速度控制功能。构成伺服机构的元件叫伺服元件，由驱动放大器（AC放大器），驱动电机（AC伺服驱动电机）和检测器组成，伺服系统结构如图8-6所示。图8-6 伺服系统结构示意图1.伺服电机分类伺服电机可分为直流DC伺服电机和交流AC伺服电机。1）直流DC伺服电机的特点是线圈会旋转，定子为永久磁铁，有碳刷及整流子。其驱动器设计较为容易，但是须定期保养，使用寿命较短，噪音较大，响应较差，启动转矩为额定扭矩。2）交流AC伺服电机的特点是定子为线圈，转子为永久磁铁，无碳刷及

18、整流子。其驱动器设计较为复杂，但是无须定期保养，使用寿命长，噪音小，响应快，启动转矩为三倍的额定扭矩。2.伺服的作用1）按照定位指令装置输出的脉冲串，对工件进行定位控制。2）伺服电机锁定功能：当偏差计数器的输出为零时，如果有外力使伺服电机转动，由编码器将反馈脉冲输入偏差计数器，偏差计数器发出速度指令，旋转修正电机使之停止在滞留脉冲为零的位置上，该停留于固定位置的功能，称为伺服锁定。3）进行适合机械负荷的位置环路增益和速度环路增益调整。3.伺服系统控制方式根据控制对象的不同，由伺服电机组成的伺服系统一般有三种基本控制方式。1） 转矩控制。通过外部模拟量的输入或直接地址的赋值来设定电机轴对外输出转

19、矩的大小，主要应用于需要严格控制转矩的场合。例如绕线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。2）速度控制。通过模拟量的输入或脉冲的频率对转动速度进行控制。3）位置控制。伺服中最常用的控制，位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度。由于位置控制模式可以对速度和位置有严格的控制，所以一般应用于定位装置，如数控机床、印刷机械等。8.2.3 基于PLC的交流伺服电机调速控制基于PLC控制的伺服控制系统结构简单，功能强大，稳定性好，充分发挥了 PLC 和伺服驱动单元各自的优势，具有控制灵活

20、、响应快速、定位精准等特点，能够满足位置控制的性能要求。本节以三菱MR-E-20A-K11003型伺服放大器，三菱HF-KN23J-S100型伺服电机为例进行讲解。伺服系统的接线很简单，我们只需要按照规定接入相对应的插头即可。将三相电源线L1，L2，L3插头接入CNP1。CNP2中的P、D短接，L1、L2连接220V交流电源。将伺服电机插头接入CNP3，即伺服驱动放大器的U、V、W分别与伺服电机的U、V、W端对应连接。将CN2通过编码器电缆与编码器连接。CN1的第4针（SON，使能端）与SG相连，接PLC的COM1，并与直流电源24V的负极（DCCOM）相连。23针（PP，输入脉冲端）与PLC

21、的Y0端连接，输入脉冲信号。25针（NP，反转控制端）与PLC的Y3端连接，作为反转控制信号。2针（OPC）与直流电源24V的电源线相连。伺服放大器的接线图如图8-7所示。图8-7 伺服放大器接线图将伺服放大器与PLC及伺服电机接线之后上电，并与PC机连好通信电缆，打开MR-E伺服设置软件，点击参数，选择参数设定，参数设置界面如图8-8所示。图8-8 伺服设置软件参数设置界面 两个直径不同的齿轮结合在一起转动，直径大的齿轮转速自然会比直径小的齿轮转慢一些，它们的转速比例和齿轮直径大小成反比，这个比例称为齿轮比。电子齿轮比的作用是用于对指令脉冲的指令调节，实现机械可以以任意倍率的输入脉冲进行移动

22、。例如伺服电机驱动的对象为丝杠，丝杠的螺距为4mm，实例中编码器的分辨率（即编码器转一圈计的脉冲个数）为131072 p/r，如果伺服电机1个脉冲步进的距离为0.001mm，则丝杠转一圈需要4000个脉冲，根据131072/4000=CMX/CDV，则对应的参数Pr.3，Pr.4参数经过化简计算后分别取电子齿轮比的分子CMX=4096，电子齿轮比的分母CDV=125。在本节的实例中，伺服放大器的参数设置如表8-2所示。表8-2 伺服放大器参数设置值参数Pr.设置值参数含义19000C可以修改所有参数180011表示控制模式的状态显示为伺服电机的转速210001PP端输入脉冲信号34096电子齿

23、轮比的分子4125电子齿轮比的分母其他参数可根据实际系统需要参考产品说明书进行设定。本节实例的I/O分配如表8-3所示。表8-3 交流伺服电机调速I/O分配表输入点输出点X0启动正转运行COM1DC +12VX1反转运行Y0PP（脉冲信号）X2转速增加Y3NP（反转控制）X3转速减少X4停止 本节实例的控制程序如图8-9所示。程序中，X0接通，Y0以每秒100个脉冲的频率输出，可输出10000个脉冲，丝杠可转2圈半。X1接通，Y3输出，电机反转。按一下X2，Y0输出的脉冲频率增加100，电机的转速增加，即丝杠移动的速度加快。按一下X3，Y0输出的脉冲频率减小100，电机的转速减小，即丝杠移动的

24、速度减慢。按下X4，停止脉冲输出，电机停止。图8-9 交流伺服电机调速梯形图在实际练习时，如需改变丝杠移动的距离，可改变程序中D2的值。同时，还需考虑丝杠移动到极限位置时要加行程开关等保护措施，使电机能够及时停止运行。8.3 交流电机调速控制8.3.1 交流电机基本概念目前较常用的交流电动机有两种：1、三相异步电动机。2、单相交流电动机。第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上，本节主要以三相异步电动机为例进行介绍。三相异步电动机由定子和转子构成，定子和转子之间有气隙。定子由铁心、绕组和机座三部分组成。铁心由0.5mm的硅钢片叠压而成，三相绕组连接成星形或三角形，机座一般用铸铁做成，主要用

25、于固定和支撑定子铁心。转子由铁心和绕组组成，转子铁心同样由硅钢片叠压而成，压装在转轴上，转子绕组分为鼠笼式和线绕式两种，线绕式异步电动机还有滑环和电刷机构。图8-10鼠笼式三相异步电动机的结构鼠笼式三相异步电动机的结构如图8-10所示。图中的1、2为电机的端盖，3为电机的接线端子，4为电机的外壳，5为电机的定子铁心，6为电机的定子绕组，7为电机的转轴，8为电机的转子，9为电机的风扇，10为风扇外罩，11为电机的轴承，12为电机的机座。相对于直流电动机来说，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单，制造成本低，坚固耐用，运行可靠，维护方便，惯性小，动态响应好，以及易于向高压、高速和大功率方向

26、发展等优点。因此，近几十年以来，不少国家都在致力于交流调速系统的研究，用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机，突破它的限制。8.3.2 交流电机基本工作原理三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。我们知道，三相电源相与相之间的电压在相位上是相差的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场。电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。三相正弦交流电通入电动机定子的三相绕组，产生旋转磁场，旋转磁场的转速称之为同步

27、转速。旋转磁场切割转子导体，产生感应电势， 转子绕组中感生电流， 转子电流在旋转磁场中产生力，形成电磁转矩，电动机就转动起来了。电动机的转速始终不会达到旋转磁场的转速，否则就不能切割磁力线，也就没有感应电势，电动机就会停下来，转子转速与同步转速不一样，故称之为异步。旋转磁场的转速为： 式中，是电源频率（Hz）；是磁场的磁极对数；是旋转磁场的转速。根据此式可知，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速主要有改变磁极法和变频法。以往多用第一种方法，现在则主要利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制，本节的实例也是利用PLC控制变频器，以实现对三相交流电动机的变频调速控

28、制。单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是

29、零，转子将顺着推动方向旋转起来。8.3.3 交流电机调速方法及特点由电机学知识可知，交流异步电动机的转速公式如下： 式中是电动机定子绕阻的磁极对数，是电动机定子电压供电频率，是电动机的转差率。从式中可以看出，调节交流异步电动机的转速有三大类方案。分别为改变电动机的磁极对数，改变电动机的频率，改变电动机的转差率。1改变电动机的磁极对数在供电电源频率不变的条件下，通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数，即可改变异步电动机的同步转速，从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单，只要求电动机定子绕组有多个抽头，然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式，电动机转速的

30、变化是有级的，不是连续的，一般最多只有三档，适用于自动化程度不高，且只须有级调速的场合。优点：无附加转差损耗，效率高；控制电路简单，易维修，价格低；与定子调压或电磁转差离合器配合可得到效率较高的平滑调速。缺点：有级调速，不能实现无级平滑的调速，且由于受到交流电机结构和制造工艺的限制，通常只能实现23种极对数的有级调速，调速范围相当有限。2变频调速从交流异步电机的转速公式中可以看出，当异步电动机的磁极对数一定，转差率定时，改变定子绕组的供电频率可以达到调速目的，电动机转速基本上与电源的频率成正比，因此平滑地调节供电电源的频率，就能平滑、无级地调节异步电动机的转速。变频调速的调速范围大，低速特性较

31、硬，在基频50Hz以下属于恒转矩调速方式，在基频以上属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似，且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动电流，增加起动转矩，所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。优点：无附加转差损耗，效率高，调速范围宽；对于低负载运行时间较长，或起、停较频繁的场合，可以达到节电和保护电机的目的。缺点：技术较复杂，价格较高。3变转差率调速改变转差率调速的方法很多，常用的方案有：异步电动机定子调压调速，电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速，串级调速等。(1)定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为

32、交流电压控制器，这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行，一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。优点：线路简单，装置体积小，价格便宜；使用、维修方便。缺点：调速过程中增加转差损耗，此损耗使转子发热，效率较低；调速范围比较小；要求采用高转差电机，比如特殊设计的力矩电机，所以特性较软，一段适用于55kW以下的异步电动机。(2)电磁转差离台器调速系统，是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动，通过对电磁离合器励磁

33、电流的控制实现对其磁极的速度调节，这种系统一般也采用转速闭环控制。优点：结构简单，控制装置容量小，价格便宜；运行可靠，维修容易；无谐波干扰。缺点：速度损失大，因为电磁转差离合器本身转差较大，所以输出轴的最高转速仅为电机同步转速的8090；调速过程中转差功率全部转化成热能形式的损耗，效率低。(3)绕线式异步电动机转子回路串电阻调速系统，就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速，这种调速方法简单，但调速是有级的，串入较大附加电阻后，电动机的机械特性很软，低速运行损耗大，稳定性差。优点：技术要求较低，易于掌握；设备费用低；无电磁谐波干扰。缺点：串铸铁电阻只能进行有级调速。若用液体电阻进行无级调速，则维

34、护、保养要求较高； 调速过程中附加的转差功率全部转化为所串电阻发热形式的损耗，效率低；调速范围不大。(4)绕线式异步电动机串级调速系统，就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势，只要改变这个附加的反向电势，就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。反向电势越大，电动机转速越低。优点：可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用。效率高；装置容量与调速范围成正比，适用于7095的调速。缺点：功率因素较低，有谐波干扰，正常运行时无制动转矩，适用于单象限运行的负载。 综上所述，交流电机最理想的调速方法应该是改变电动机供电电源的频率，这就是变频调速。随着电力电子技术的飞速发展，变频调速的性能指

35、标完全可以达到甚至超过直流电机调速系统。8.3.4 变频器调速方法本节实例中采用的变频器为三菱FR-A740型变频器，通过控制变频器的RH、RM、RL三个端子进行不同的组合，实现交流电机的七段变频调速控制。当然，变频器也可外部接入模拟量输入信号或利用RS485总线等方式实现交流电机的无极调速，具体控制方法可在变频器等相关课程中学习。变频器的RH、RM、RL功能端不同组合对应的频率如表8-4所示，表中的1表示对应的Y端有输出，0表示对应的Y端无输出。表8-4 变频器的RH、RM、RL组合对应频率表RHRMRL运行频率001H1010H2011H3100H4101H5110H6111H7在系统运行

36、之前，要先设置变频器的运行参数。旋动变频器的旋扭，在变频器上设置不同的参数，注意每设置一个参数后按一下SET按钮。对应变频器的七段速度运行而设置的参数如表8-5所示。表8-5 变频器参数设置表Pr设置值参数含义150电机运行上限频率45H1为5赫兹510H2为10赫兹615H3为15赫兹2420H4为20赫兹2525H5为25赫兹2630H6为30赫兹2735H7为35赫兹793或4外部/PU模式组合71加速时间为1秒81减速时间1秒本节实例的PLC输入/输出端子I/O分配如表8-6所示。表8-6 交流异步电机变频调速I/O分配表输入点输出点X1H1COM1SDX2H2Y0RL X3H3Y1R

37、MX4H4Y2RHX5H5X6H6X7H7X10停止本节实例的交流电机变频调速程序如图8-11所示。按一下X1，Y0接通，电机以H1的频率运行；按一下X2，Y1接通，电机以H2的频率运行；按一下X3，Y0和Y1接通，电机以H3的频率运行；按一下X4，Y2接通，电机以H4的频率运行；按一下X5，Y0和Y2接通，电机以H5的频率运行；按一下X6，Y1和Y2接通，电机以H6的频率运行；按一下X7，Y0，Y1和Y2都接通，电机以H7的频率运行；按一下X10，电机停止运行。图8-11 交流电机变频调速梯形图8.4 直流电机调速8.4.1直流电动机的基本概念直流电动机将直流电转变为机械能，是最早发明的电动

38、机。它具有调速范围广、易于平滑调速，起动、制动、过载转矩大，易于控制、可靠性高等特点。由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。直流电动机主要由定子和转子构成，定子和转子靠两个端盖连接，两个端盖分别固定在定子机座的两端，支撑转子，起保护定子和转子的作用。定子主要

39、包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等，转子主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴、轴承等。直流电动机的励磁方式主要有他励式，并励式，串励式，复励式。1）他励式。直流电源独立供电，主磁场由永久磁铁建立，与电枢电流无关。2）并励式。励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组上的电压与电枢绕组的端电压相同。3）串励式。励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电流与电枢绕组的电流相同。4）复励式。主磁极铁心上装有两套励磁绕组分别与电枢绕组并联、串联。8.4.2直流电动机的基本工作原理 直流电动机使电机的绕组在直流磁场中旋转感应出交流电，再经过机械整流得到直流电。将直流电机转子的电刷A、B接在直流电源上，假设电刷A是

40、正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d，如图8-12（a）所示。由于载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，导体受力的方向用左手定则确定，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过180

41、°之后，导体cd转到 N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷 A流入，经导体cd 、ab 后，从电刷B流出ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，虽然ab与cd的位置调换了，但是，由于换向片和电刷的作用，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动，如图8-12（b）所示。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体 ab和cd 流入，使线圈边只要处于N 极下，其中通过电流的方向总是由电刷A 流入的方向，而在S 极下

42、时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变，换向器和电刷就是完成这个任务的装置。当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。图8-12 直流电机基本工作原理图8.4.3 直流电机的调速控制方法直流电机转速的表达式为: 式中，为电枢端电压，

43、为电枢电流，为电枢电路总电阻，每极磁通量；为与电机结构有关的常数。由上式可知，直流电机转速的控制方法主要有三种:(1)调节电枢电压。改变电枢电压主要从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属于恒转矩调速方法。动态响应快，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。可调的直流电源有以下三种：旋转变流机组：用交流电动和直流发电机组成机组以获得可调的流电源。这种方法的优点是可以在许的转矩范围内四象限运行，缺点设备多、体积大、费用高、效率低安装须打地基、运行有噪声、维护方便，50年代广泛使用，今天很少用。静止式可控整流器：用静止可控整流器，如晶闸管可控整流器以获得可控直流电

44、压。直流斩波器和脉宽调制变器：以恒定直流电源供电，用直流波器和脉宽调制变换器获得可控的平电压。(2)改变电机主磁通，又称弱磁调速。保持直流电机电枢电源电压不变、电枢回路电阻不变，电动机拖动负载转矩小于额定转矩时，减小励磁磁通，电动机转速升高。但是这种调速只能减弱磁通，使电动机从额定转速向上变速，调速范围为基速与允许最高转速之间，调速范围有限，属恒功率调速方法。该方法的优点是设备简单、调节方便，运行效率高，能够实现平滑调速，适合恒功率负载；缺点是动态响应较慢，励磁过弱时机械特性变软，转速稳定性差，调速范围小。现已很少单独使用，通常以非独立控制励磁的方式出现。(3)改变电枢电路电阻。他励、并励直流

45、电动机在拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值，在电动机电枢回路外串不同的电阻进行调速。该方法的优点是系统结构简单、调节方便，但是只能有级调速，调速范围仅限于在基速与零速之间，平滑性差、机械特性软、效率低。因此，该方法适于小功率直流电机、开环控制且仅能有级调速。比较上面三种直流调速方法可看出，改变电阻调速缺点很多，目前很少使用，仅在一些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，做额定转速以上作小范围升速。因此自动控制的直流调速系统往往以调节电枢电压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速配合使用。改变电枢电压主要有

46、三种方式:旋转变流机组、静止变流装置、脉宽调制（PWM）变换器(或称直流斩波器)。(l)旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组以获得可调直流电压，简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统，这是最早的调压调速系统。G-M系统具有很好的调速性能，但系统复杂、体积大、效率低、运行有噪音、维护不方便。(2)20世纪50年代，开始用汞弧整流器和闸流管组成的静止变流装置取代旋转变流机组，但到50年代后期又很快让位于更为经济可靠的晶闸管变流装置。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统，通过控制电压的改变来改变晶闸管触发控制角，进而改变整流电压的大小，达到调节直流电动机转速的目的。V-M在调速性能、可靠性、经济性上都具有优越性，成为直流调速系统的主要形式。(3) 脉宽调制 (PWM)变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件通断实现控制，调节通断时间比例