伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇與設(shè)計(jì)

第三章機(jī)電一體化系統(tǒng)執(zhí)行元件的選擇與設(shè)計(jì)

第一節(jié)伺服系統(tǒng)與執(zhí)行元件概述

第二節(jié)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)

第三節(jié)直流（DC）伺服電動(dòng)機(jī)

第四節(jié)交流伺服電機(jī)

第五節(jié)執(zhí)行元件的特性分析第一節(jié)伺服系統(tǒng)與執(zhí)行元件概述一、伺服系統(tǒng)的基本概念及一般組成（一）伺服系統(tǒng)定義

伺服系統(tǒng)：以機(jī)械參數(shù)（位移、速度、加速度、力和力矩等）作為被控制量的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)。它在控制命令的指揮下，控制執(zhí)行元件工作，使機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件按照控制命令的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并具有良好的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的驅(qū)動(dòng)（操作）功能。（二）一般組成圖伺服系統(tǒng)的一般組成電源裝置檢測(cè)裝置信號(hào)轉(zhuǎn)換電路放大裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象信號(hào)輸入輸出補(bǔ)償裝置＋－二、伺服系統(tǒng)的分類

1、按其控制原理——開(kāi)環(huán)、全閉環(huán)和半閉環(huán)；

2、按其驅(qū)動(dòng)方式

——電氣伺服、氣壓伺服、液壓伺服

3、按其被測(cè)控量的性質(zhì)

——速度、位置、同步、扭矩控制等形式；

4、按其執(zhí)行元件

——步進(jìn)伺服、直流伺服、交流伺服等形式。應(yīng)用提示：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的執(zhí)行元件大多采用步進(jìn)電機(jī)、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件大多采用直流伺服電機(jī)。三、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)其伺服系統(tǒng)的要求

1）快速性：

2）精確性：

3）穩(wěn)定性：

即輸出量能迅速而精確地響應(yīng)指令輸入的變化，稱為隨動(dòng)系統(tǒng)或自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。四、執(zhí)行元件的類型及特點(diǎn)1、執(zhí)行元件作用它位于電氣（電子）裝置與機(jī)械部件之間，根據(jù)指令進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的各種形式的能量（如電能、液壓能、氣壓能、化學(xué)能等）轉(zhuǎn)換為機(jī)械能（機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)所需的）。圖執(zhí)行元件的種類2、執(zhí)行元件的種類圖常用電動(dòng)機(jī)適用范圍控制用電機(jī)的種類、特點(diǎn)及選用（結(jié)合表書3.2）類型特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)電氣式可使用商用電源；信號(hào)與動(dòng)力的傳送方向相同；有交流和直流之別，須注意電壓的大小操作簡(jiǎn)單；編程容易；能實(shí)現(xiàn)規(guī)定位伺服；響應(yīng)快、易與CPU相接；體積小，動(dòng)力較大；無(wú)污染瞬時(shí)輸出功率大；過(guò)載差，特別是由于某種原因而卡住時(shí)，會(huì)引起燒毀事故，易受外部噪聲影響。氣壓式空氣壓力源的壓力為（5～7）×105Pa；要求操作人員技術(shù)熟悉。氣源方便、成本低；無(wú)泄漏污染；速度快、操作比較簡(jiǎn)單功率小，體積大，動(dòng)作不夠平穩(wěn)；不易小型化；遠(yuǎn)距離傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服、液壓式要求操作人員技術(shù)熟練；液壓源壓力為（20～80）×105Pa輸出功率大，速度快，動(dòng)作平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)定位伺服；易與CPU相接；響應(yīng)快。設(shè)備難于小型化；液壓源或液壓油要求（雜質(zhì)、溫度、測(cè)量、質(zhì)量）嚴(yán)格，易泄漏且有污染3、執(zhí)行元件的特點(diǎn)五、機(jī)電一體化系統(tǒng)對(duì)執(zhí)行元件的要求1、慣量小、動(dòng)力大；

2、體積小，重量輕；

3、便于維修，安裝；

4、快速性能好，即加（減）速扭矩大，頻率特性好；

5、可靠性高，壽命長(zhǎng)；

6、便于微機(jī)控制。六、伺服系統(tǒng)選擇和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、選擇適用范圍的伺服系統(tǒng)；

2、適當(dāng)精度的控制方式；

3、簡(jiǎn)單的機(jī)械傳動(dòng)方案。第二節(jié)步進(jìn)電機(jī)及其控制一、步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)

1、輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖嚴(yán)格成正比，且在方向上與輸入脈沖同步。每輸入一個(gè)電脈沖，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度（步距角），當(dāng)連續(xù)不斷地輸入脈沖，就一步一步不斷轉(zhuǎn)動(dòng)。若控制輸入脈沖數(shù)量、頻率及電機(jī)各相繞組的通電順序可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向（很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制）。

步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的直線位移（或角位移）的數(shù)字/模擬變換器。2、輸出轉(zhuǎn)角的精度高，雖有（相鄰）步距角誤差，但無(wú)累積誤差，有步距角誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)以后，其（一轉(zhuǎn)內(nèi)）累積誤差為“0”,不會(huì)長(zhǎng)期積累。

3、可實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。調(diào)速范圍較寬。

4、步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素影響（如電壓波動(dòng)，負(fù)載變化，環(huán)境誤差的影響），只要干擾因素不引起“丟步”，就不影響正常工作。

5、其它：?jiǎn)⑼r(shí)間短，一般在信號(hào)輸入幾毫秒后就使電動(dòng)機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，信號(hào)切斷后電機(jī)立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。二、步進(jìn)電機(jī)的種類（一）按運(yùn)動(dòng)形式：有旋轉(zhuǎn)式和直線步進(jìn)電機(jī)；（二）從勵(lì)磁相數(shù)分有（3、4、5、6相等）。（三）就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)可分為三種：1、反應(yīng)式（可變磁阻型）圖反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)1－定子2－轉(zhuǎn)子3、混合式(HB)

2、永磁式（PM）；圖步進(jìn)電機(jī)1－定子2－轉(zhuǎn)子3－勵(lì)磁線圈U2U1W2W1V1V2步進(jìn)電機(jī)工作原理典型結(jié)構(gòu)圖步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)圖三、步進(jìn)電機(jī)工作原理（以反應(yīng)式為例）

拍——定子繞組每改變一次通電方式。（旋轉(zhuǎn)一周改變次數(shù)）

單——每次切換前后只有項(xiàng)通電。

雙——有兩相通電。相數(shù)環(huán)形分配方式名稱系數(shù)k33A－B－C－A……AB－BC－CA－AB……三相單三拍（1相勵(lì)磁）三相雙三拍（2相勵(lì)磁）113A－AB－B－BC－C－CA－A……三相六拍（1－2相勵(lì)磁）2444A－B－C－D－A……AB－BC－CD－DA－AB……A－AB－B－BC－C－CD―D―DA－A……四相單四拍（1相勵(lì)磁）四相雙四拍（2相勵(lì)磁）四相八拍（1－2相勵(lì)磁）112555A－B－C－D―E―A……AB－BC－CD－DE－EA－AB……AB－ABC－BC－BCD－CD－CDE－DE－DEA－EA－EAB－AB……五相單五拍（1相勵(lì)磁）五相雙五拍（2相勵(lì)磁）五相十拍（2－3相勵(lì)磁）1126666A－B－C－D－E－F－A……AB－BC－CD－DE－EF－FA－AB……ABC－BCD－CDE－DEF－EFA－FAB－ABC……AB－ABC－BC－BCD－CD－CDE－DE－DEF－EF－EFA－FA－FAB－AB……六相單六拍（1相勵(lì)磁）六相雙六拍（2相勵(lì)磁）六相六拍（3相勵(lì)磁）六相十二拍(2－3相勵(lì)磁)1112表反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配方式四、主要性能指標(biāo)

1、步距角，

②目前我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.360～900，最常用的為：7.50/150，30/60，0.90/1.80，0.750/1.50，1.60/3.20，0.360/0.720等幾種。

③靜態(tài)步距誤差（步距角精度）由于定、轉(zhuǎn)子的齒距因分度不均勻，定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻等會(huì)使實(shí)際步距角間有偏差。步距角越小，分辨力越高。注，

①；2、靜態(tài)特性（最大靜轉(zhuǎn)矩、距角特性、最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩）

靜態(tài)：靜態(tài)——即步進(jìn)電機(jī)的穩(wěn)定狀態(tài)（步進(jìn)電機(jī)處于通電狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)子保持不動(dòng)的定位狀態(tài)）。

靜轉(zhuǎn)矩：步進(jìn)電機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩。

失調(diào)角：在靜態(tài)下如果在轉(zhuǎn)子軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度（θ），并能穩(wěn)定下來(lái)，這時(shí)轉(zhuǎn)子受到的電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，該電磁轉(zhuǎn)矩為靜轉(zhuǎn)矩，而θ稱為失調(diào)角。

矩-角特性：靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（M）與失調(diào)角（θ）的對(duì)應(yīng)關(guān)系叫矩角特性M與θ之間大致為正弦關(guān)系。最大靜轉(zhuǎn)矩：矩-角特性曲線上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。

圖失調(diào)角示意圖圖矩角特性曲線3、起動(dòng)頻率和連續(xù)運(yùn)行頻率（1）起動(dòng)頻率：指在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步地起動(dòng)的最高脈沖頻率。

（2）連續(xù)運(yùn)行頻率：指步機(jī)啟動(dòng)后，逐漸升速（脈沖頻率連續(xù)上升）所能達(dá)到的不失步運(yùn)行的最高頻率。4、動(dòng)態(tài)特性：圖距角特性圖曲線族（1）動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩：在運(yùn)行狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩。（2）動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)：步進(jìn)電機(jī)從一相通電狀態(tài)切換到另一相通電狀態(tài)時(shí)，不致引起丟步，該區(qū)域被稱為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。（3）矩角特性族：在某一通電方式下各相（如三相）矩角特性的總和。表不同相數(shù)步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

運(yùn)行方式相數(shù)3456拍數(shù)3648510612Mq/Mjmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866（4）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Mq）——步進(jìn)電機(jī)矩角特性曲線上兩相之交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩（Mq），它表示步進(jìn)電機(jī)所能承受的極限負(fù)載轉(zhuǎn)矩（電機(jī)單相勵(lì)磁時(shí)），不同相數(shù)步機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是不同的，如：Mf圖矩-頻特性（5）矩—頻特性：動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與脈沖頻率（運(yùn)行頻率）的關(guān)系（運(yùn)行頻率增加，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩變?。＃?）空載起動(dòng)頻率與慣－頻特性在空載狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)能夠不失步地起動(dòng)的最大控制頻率稱為空載起動(dòng)頻率或空載突跳頻率（fq）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)慣性負(fù)載時(shí)的起跳頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之間的關(guān)系為慣-頻特性。5、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)實(shí)例五、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制控制器微機(jī)脈沖分配器功率放大器步進(jìn)電機(jī)圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理示意圖

1、步進(jìn)電機(jī)環(huán)形脈沖分配器相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)圖雙三拍正反轉(zhuǎn)控制的環(huán)形分配器的邏輯電路圖（一）步進(jìn)電機(jī)的環(huán)形分配器

圖CH250管腳及三相六拍連接圖存儲(chǔ)地址通電狀態(tài)通電狀態(tài)狀態(tài)字PB2PB1PB0CBATABLE02000H001A01HTABLE12001H011AB03HTABLE22002H010B02HTABLE32003H110BC06HTABLE42004H100C04HTABLE52005H101CA05H表環(huán)分分配表2、實(shí)現(xiàn)軟件環(huán)分的步驟（1）先建立環(huán)分表（以三相六拍為例）圖用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件環(huán)分（2）確定接口通道；圖正轉(zhuǎn)子程序框圖（3）軟件設(shè)計(jì)俄卡-50“黑鯊”武裝直升機(jī)取索引值狀態(tài)表首地址→HLHL←HL＋1（索引值加1）輸出新的狀態(tài)字（步進(jìn)電機(jī)走一步）到表低（正轉(zhuǎn)的最后一個(gè)供電狀態(tài)）結(jié)束開(kāi)始NY是否結(jié)束YN（二）功率放大器

作用和定義：從計(jì)算機(jī)輸出口或環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般比較小（只有幾個(gè)毫安），不能直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖信號(hào)放大，使其增大到能夠驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行（幾至幾十安培）。這種裝置稱為功率放大器。1、步進(jìn)電機(jī)對(duì)放大器要求①為步進(jìn)電機(jī)繞組提供幅值足夠，波形良好的脈沖電流（電流波形盡量接近矩形）。②功耗低，效率高。2、常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)電路

（1）單電壓驅(qū)動(dòng)電路圖單電壓驅(qū)動(dòng)電路示意圖RDR圖單電壓功率放大電路應(yīng)用（2）雙電壓驅(qū)動(dòng)電路圖雙電壓驅(qū)動(dòng)電路示意圖圖高低壓功率放大電路應(yīng)用（3）恒流源功率放大電路（略）011（4）斬波恒流功率放大電路（略）*輸入低電平，電機(jī)不工作00＝010*輸入高電平，電機(jī)工作11ABCDE（5）調(diào)頻調(diào)壓功放電路（略）A、調(diào)頻調(diào)壓功放電路的基本原理：B、實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓控制的硬件電路：*充電（UCT負(fù)脈沖）*放電（UCT正脈沖）注意：U2大小取決因素

#UCT負(fù)脈沖寬度，調(diào)整UCT負(fù)脈沖寬度，可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓。工作過(guò)程：（三）細(xì)分驅(qū)動(dòng)

1、定義：將一個(gè)步距角細(xì)分成若干步的驅(qū)動(dòng)方法被稱為細(xì)分驅(qū)動(dòng)。2、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）在不改動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能夠使步距角減小；（2）能使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、提高均勻性；（3）能減小或消除振蕩。缺點(diǎn)：（1）細(xì)分后的步距角精度不高；（2）功率放大器驅(qū)動(dòng)電路相應(yīng)復(fù)雜。3、實(shí)現(xiàn)細(xì)分電流波形的方法（1）采用多路功率開(kāi)關(guān)器件圖功率開(kāi)關(guān)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電源*工作原理：*特點(diǎn)（2）將開(kāi)關(guān)的控制脈沖信號(hào)進(jìn)行疊加圖疊加細(xì)分驅(qū)動(dòng)原理圖階梯波合成原理圖a）先放大后疊加b）先疊加后放大（四）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的微機(jī)控制圖開(kāi)環(huán)串行控制功能框圖1、開(kāi)環(huán)串行控制2、開(kāi)環(huán)并行控制圖開(kāi)環(huán)并行控制功能框圖3、步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制圖閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制功能框圖4、步進(jìn)電機(jī)速度控制圖點(diǎn)-位控制的加減速過(guò)程第三節(jié)直流（DC）伺服電動(dòng)機(jī)直流伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)中使用最早，也是應(yīng)用最廣的執(zhí)行元件。直流伺服電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理與普通直流電機(jī)基本相同，不同之點(diǎn)只是它做得比較長(zhǎng)一些，慣量小一些，以便能滿足快速響應(yīng)的要求以及靈敏性、特性線性度、控制功耗和動(dòng)靜態(tài)控制性能指標(biāo)。在性能要求較高的系統(tǒng)中多采用直流伺服電機(jī)。應(yīng)用最早的是：小慣量直流伺服電機(jī)（20世紀(jì)60年代研制）。特點(diǎn)是—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，反應(yīng)靈敏，動(dòng)態(tài)特性好，適用于高速且負(fù)載慣量較小的場(chǎng)合，否則，為了使慣量匹配（為得到的合理比值，以達(dá)到電機(jī)的靈敏度，快速性，而增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置，增加成本）而使調(diào)整麻煩。20世紀(jì)70年代，大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī)研制成功，由于在結(jié)構(gòu)上采取了一些措施。提高了轉(zhuǎn)矩，改善了動(dòng)態(tài)特性，使其既具有一般直流電機(jī)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，又具有小慣量直流伺服電機(jī)的快速響應(yīng)性能，同時(shí)又易與較大慣性負(fù)載匹配而較好滿足伺服系統(tǒng)的要求，而在機(jī)電一體化產(chǎn)品中（如數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等）得到了廣泛應(yīng)用，特別在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。種類：直流電動(dòng)機(jī)有永磁式、它激式、串激式和并激式幾種。永磁式和它激式直流電動(dòng)機(jī)具有線性的機(jī)械特性，有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，特別適合伺服驅(qū)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成：包括直流電動(dòng)機(jī)、位置或速度反饋裝置、直流電源及控制驅(qū)動(dòng)電路等幾大部分。此處只對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和動(dòng)特性進(jìn)行分析，以掌握直流電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)的原理及特點(diǎn)，以便在選擇驅(qū)動(dòng)類型時(shí)做出決策。一、直流伺服電動(dòng)機(jī)的特性和調(diào)速原理1、直流伺服電動(dòng)機(jī)種類與典型特點(diǎn)直流電動(dòng)機(jī)的分類種類：直流電動(dòng)機(jī)有永磁式、它激式、串激式和并激式幾種。永磁式和它激式直流電動(dòng)機(jī)具有線性的機(jī)械特性，有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，特別適合伺服驅(qū)動(dòng)。

供給勵(lì)磁繞組電流的方式稱為勵(lì)磁方式。他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)

他勵(lì)：直流電機(jī)的勵(lì)磁電流由其它直流電源單獨(dú)供給。如圖所示。他勵(lì)直流電機(jī)的電樞電流和負(fù)載電流相同，即：并勵(lì)：電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由同一電源供電。且滿足：

如圖所示并勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)

串勵(lì)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足

串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)

復(fù)勵(lì)：并勵(lì)和串勵(lì)兩種勵(lì)磁方式的結(jié)合。電機(jī)有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)。(先并后串/先串后并)積復(fù)勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)

組成：

（1）定子：定子上有磁極，可以用直流線圈來(lái)激磁，也可以用永久磁鐵。（2）轉(zhuǎn)子：在轉(zhuǎn)子軸上繞有多相線圈(稱為電樞繞組)，通以直流電時(shí)，會(huì)在定子磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。（3）換相機(jī)構(gòu)：換相機(jī)構(gòu)包括電刷與換相片，電刷與直流電源相連，換相片與電樞中繞組相連，目的是使轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，轉(zhuǎn)子上各相繞組依序通電，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持恒定方向，可使轉(zhuǎn)子沿固定方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。圖直流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理2、直流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理

2.1直流電機(jī)的基本工作原理補(bǔ)充：分析電機(jī)常用的基本電磁定律

(1)電磁力定律：垂直于磁力線的導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)，會(huì)受到力的作用。力的方向用左手定則確定：

若與磁力線垂直的導(dǎo)體通過(guò)電流，導(dǎo)體受的力為：F=B·L·IF：力，NB：磁感應(yīng)強(qiáng)度,Wb/m2或T(特斯拉)L:導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，mI：導(dǎo)體中的電流，A若導(dǎo)體與磁力線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體中感應(yīng)的電勢(shì)為：E=B·L·VE：感應(yīng)電勢(shì)，VB：磁感應(yīng)強(qiáng)度,Wb/m2或T(特斯拉)L:導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，mV：導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度，m/s感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則確定：

2.1直流電機(jī)的基本工作原理(2)電磁感應(yīng)定律：若導(dǎo)體切割磁力線，導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

2.1直流電機(jī)的基本工作原理(3)電流磁效應(yīng)：通電的導(dǎo)體周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的方向用右手螺旋定則確定：

2.1直流電機(jī)的基本工作原理

2.1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

N和S是一對(duì)固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中將電流流過(guò)，電流方向a到b到c到d到a。在磁場(chǎng)作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如右圖。

a)圖1-1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理2.1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)到右圖所示位置時(shí)原N極性下導(dǎo)體ab轉(zhuǎn)到S極下，受力方向從左向右，原S極下導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉(zhuǎn)矩作用下繼續(xù)逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。實(shí)際的直流電動(dòng)機(jī)，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應(yīng)地?fù)Q向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產(chǎn)生的總的電磁轉(zhuǎn)矩足夠大并且比較均勻，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就比較均勻。

b)

圖1-1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理2.1.1直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理電機(jī)的各組成部件圖直流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理原理：一匝繞組在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周時(shí)產(chǎn)生的電磁力的大小是變化的。實(shí)際的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上當(dāng)然不可能是一匝繞組，而是在轉(zhuǎn)子的圓周上均勻均布了許多繞組，總的電磁力是這些繞組產(chǎn)生的電磁力的總和。轉(zhuǎn)子上分布的繞組越密，總的電磁力越大，越接近恒定。3、直流伺服電動(dòng)機(jī)的基本方程（1）電路工作描述

根據(jù)直流電機(jī)的工作原理，當(dāng)給電機(jī)的激磁繞組通以直流電時(shí)，會(huì)在電機(jī)氣隙中建立極性不變的磁場(chǎng)(永磁電機(jī)由永久磁鐵產(chǎn)生)。

電樞繞組兩端加直流控制電壓Ua時(shí)，電樞繞組中便產(chǎn)生電樞電流Ia，處于氣隙磁場(chǎng)中的電樞載流導(dǎo)體受到磁場(chǎng)力的作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩M，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。電機(jī)一但旋轉(zhuǎn)起來(lái)之后，電樞導(dǎo)體將切割氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)Ea，其極性與Ua相反，稱為反電勢(shì)。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)參數(shù)（3）直流伺服電動(dòng)機(jī)基本方程的建立5、直流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速公式：直流電機(jī)的調(diào)速方法通常有三種：

(1)通過(guò)改變電樞電壓Ua進(jìn)行調(diào)理；電樞電壓調(diào)速具有起動(dòng)力矩大，阻尼效果好，響應(yīng)速度快且線性較好等特點(diǎn)，所以在伺服系統(tǒng)中普遍采用(t=C)。

(2)在電樞回路中串入可調(diào)電阻Ra進(jìn)行調(diào)速；

(3)Ua保持恒定，在激磁回路中串入調(diào)節(jié)電阻Rf調(diào)速(弱磁調(diào)速)(p=C)。串入電阻調(diào)速將引起功率損耗，效率低，機(jī)械特變軟，而且只能將轉(zhuǎn)速調(diào)低。弱磁調(diào)理的調(diào)理范圍小，所以在伺服系統(tǒng)的調(diào)速中，這兩種方法都很少采用。（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁=N；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：改變電壓UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁=N

；保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過(guò)程：減小勵(lì)磁N

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線

三種調(diào)速方法的性能與比較

對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。二、直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)調(diào)速方法

直流電機(jī)的電樞電壓調(diào)理要求靈活地控制電樞電壓的大小和極性，因此直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)可控的大功率整流電路。常用的方法有可控硅法和PWM法等。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主要方式常用的可控直流電源有以下三種：1、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組2、靜止可控整流器3、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器1、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組----用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，以獲得可調(diào)的直流電壓（G-M系統(tǒng)）。

交流電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)，工作時(shí)轉(zhuǎn)速基本恒定，由它拖動(dòng)的直流發(fā)電機(jī)G給需要調(diào)速的直流電動(dòng)M的電樞供電。GE為一臺(tái)小型直流發(fā)電機(jī)，可與交流電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)同軸相連，也可另設(shè)一臺(tái)小型交流電動(dòng)機(jī)對(duì)其拖動(dòng)，它提供一小容量的直流電源供直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁用，所以又稱GE為勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)可簡(jiǎn)稱為G-M系統(tǒng)。改變G的勵(lì)磁電流If的大小時(shí)，也就改變了G的輸出電壓U，進(jìn)而改變了直流電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速。組成：由~M拖動(dòng)=G→=G給=M供電→直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GE給=G和=M勵(lì)磁。原理：調(diào)節(jié)→U改變→轉(zhuǎn)速n變化。改變方向，n轉(zhuǎn)向跟著改變。特點(diǎn)：設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝維護(hù)不便、運(yùn)行有噪聲。2、靜止可控整流器--利用靜止的可控整流器(如晶閘管可控整流器)，獲得可調(diào)的直流電壓。（V-M系統(tǒng)）GT為晶閘管觸發(fā)裝置，V為晶閘管整流器，合起來(lái)為一可控直流電源?？煽刂绷麟娫唇o直流電動(dòng)機(jī)電樞供電組成直流調(diào)速系統(tǒng)。這類直流調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)晶閘管整流器可以是單相、三相或多相；電路形式可以是半波、全波、半控、全控等類型；改變GT的輸入信號(hào)大小，就可改變GT輸出脈沖的相位，晶閘管在不同的相位處開(kāi)始導(dǎo)通，使整流器輸出的電壓平均值Ud大小變化，進(jìn)而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn):整流裝置效率高、體積小、成本低、無(wú)噪聲。缺點(diǎn):可逆難；過(guò)電壓、過(guò)電流能力差；諧波電流大。組成：原理：3、直流斬波器（二）PWM法1、何謂PWM電路原理圖（1）電路原理與工作過(guò)程：A、可控開(kāi)關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)。B、當(dāng)S接通時(shí)，供電電源US通過(guò)開(kāi)關(guān)S施加到電機(jī)M的兩端，電源向電機(jī)提供能量，電機(jī)儲(chǔ)能；C、當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，中斷了供電電源US向電機(jī)M提供能量。這時(shí)，在S接通期間電樞電感所儲(chǔ)存的能量將通過(guò)續(xù)流二極管使電機(jī)電流繼續(xù)流通。（2）電壓的平均值為：

電路原理圖占空比A、PWM：B、PFM：A、脈沖頻率不變（T不變），改變脈沖寬度（ton改變），從而改變占空比a，這就是脈沖寬度調(diào)制，英文名稱PulseWidthModulation，簡(jiǎn)寫為PWM。本控制方式為目前直流電機(jī)調(diào)速主要方式。B、脈沖寬度不變（ton不變），改變脈沖頻率（T改變），從而改變占空比a，這就是脈沖頻率調(diào)制，英文名稱PulseFrequencyModulation，簡(jiǎn)寫為PFM。2、PWM驅(qū)動(dòng)電路裝置（1）直流PWM驅(qū)動(dòng)裝置涵義

PWM驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)作用，將恒定的直流電源電壓轉(zhuǎn)換成一定頻率的方波電壓，加在直流電機(jī)的電樞上通過(guò)對(duì)方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。根據(jù)PWM的工作原理，必須有一種電路或裝置將控制轉(zhuǎn)速的指令轉(zhuǎn)換成脈沖的寬度，其中元件工作在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這種裝置叫直流PWM驅(qū)動(dòng)裝置。脈寬調(diào)速系統(tǒng)早已出現(xiàn)，但因缺乏高速開(kāi)關(guān)元件而未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。只是近年來(lái)，由于大功率晶體三極管的制造成功和成本的下降，晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)才又受到重視，并在生產(chǎn)實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。圖PWM驅(qū)動(dòng)電路框圖（2）PWM驅(qū)動(dòng)電路裝置組成與原理脈沖頻率發(fā)生器頻率脈沖發(fā)生器可以是三角波發(fā)生器或者鋸齒波發(fā)生器，它的作用是產(chǎn)生一個(gè)頻率固定的調(diào)制信號(hào)U0。電壓-脈沖變換電壓-脈沖變換器的作用是將外加直流控制電平信號(hào)Ue與脈沖頻率發(fā)生器送來(lái)的三角波電壓U0在其中混合后，產(chǎn)生一個(gè)寬度被調(diào)制了的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)。分配器分配器的作用是將電壓-脈沖變換器輸出的脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系分配到功率放大器的各個(gè)晶體管基極，以保證各晶體管協(xié)調(diào)工作。功率放大器基極驅(qū)動(dòng)電路工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，它對(duì)寬度被調(diào)制了的脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)主電路的功率晶體管。3、PWM驅(qū)動(dòng)電路裝置雙向調(diào)速實(shí)現(xiàn)圖PWM系統(tǒng)的主回路電氣原理第四節(jié)交流伺服電機(jī)

直流伺服電機(jī)具有電刷和整流子，尺寸較大且必須經(jīng)常維修，使用環(huán)境也受到一定影響，特別是其容量鉸小，受換向器限制，很多特性參數(shù)隨速度而變化，因而限制了直流伺服電機(jī)向高特速、大容量發(fā)展。

交流伺服電機(jī)采用了全封閉無(wú)刷結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，不需要定期檢查和維修。其定子省去了鑄件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊、外形小、重量輕（只有同類直流電機(jī)的75％～90％）。定子鐵芯較一般電機(jī)開(kāi)槽多且深，繞組繞在定于鐵芯上，絕緣可靠，磁場(chǎng)均勻?？蓪?duì)定子鐵芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機(jī)械部分的熱量小，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩/慣量比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，運(yùn)行平穩(wěn)。因此交流伺服電機(jī)以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應(yīng)用。但是交流電機(jī)的控制性能沒(méi)有直流的好，也正是由于這一點(diǎn)，交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展歷史沒(méi)有直流伺服系統(tǒng)早，在過(guò)去較長(zhǎng)的一段時(shí)間遠(yuǎn)沒(méi)有直流伺服系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。人們一直在從事研究，提高改善交流電機(jī)的控制性能。早在20世紀(jì)60年代，隨著電子學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體交流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代以來(lái)，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代控制技術(shù)的應(yīng)用，為交流伺服電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流伺服驅(qū)動(dòng)具備了調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等良好的技術(shù)性能。在調(diào)速性能方面已經(jīng)可與直流伺服驅(qū)動(dòng)媲美，應(yīng)用越來(lái)起廣泛。一、交流伺服電動(dòng)機(jī)工作原理與調(diào)速方法（一）交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理（以感應(yīng)式交流電動(dòng)機(jī)為例）圖交流電動(dòng)機(jī)工作原理1、感應(yīng)式交流電動(dòng)機(jī)組成

定子：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)子：切割磁場(chǎng)力線

當(dāng)轉(zhuǎn)子處在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中時(shí)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子不斷地切割磁場(chǎng)（更確切地說(shuō)，是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不斷地切割轉(zhuǎn)子），設(shè)定子的磁場(chǎng)以逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖所示，則轉(zhuǎn)子相當(dāng)于以順時(shí)針?lè)较蚯懈畲艌?chǎng)力線。若把金屬圓筒形看成由很多根金屬條線組成，則由電磁感應(yīng)定律可知，圓筒的上半周金屬條中產(chǎn)生向里的感應(yīng)電勢(shì)，下半周金屬條中產(chǎn)生向外的感應(yīng)電勢(shì)（均垂直于紙面），在金屬條中形成的感應(yīng)電流和感應(yīng)電勢(shì)方向相同。此感應(yīng)電流與磁場(chǎng)將產(chǎn)生磁力，由右手定理，電磁力F的方向在轉(zhuǎn)子的上半周向左，下半周向右，轉(zhuǎn)子在此電磁力作用下，也將以逆時(shí)針?lè)较颍ㄅc旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相同的方向）旋轉(zhuǎn)。當(dāng)定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子也將跟著以反方向旋轉(zhuǎn)。2、工作原理圖交流電動(dòng)機(jī)工作原理（二）交流電機(jī)的調(diào)速公式與調(diào)速方法1、交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：轉(zhuǎn)速公式：轉(zhuǎn)差率公式：其中，n0——同步轉(zhuǎn)速；

P——極對(duì)數(shù)；

f——定子電源頻率；

S——轉(zhuǎn)差率。①改變S（A、轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)電阻改變S；B、改變定子電壓改變S）；②改變P（有級(jí)的）；③改變f（交流變頻調(diào)速，此法最理想），采用變頻器調(diào)速裝置（VFD）。轉(zhuǎn)速公式：2、交流伺服電機(jī)調(diào)速方法：

交流調(diào)速系統(tǒng)的主要類型

交流電機(jī)主要分為異步電機(jī)（即感應(yīng)電機(jī)）和同步電機(jī)兩大類，每類電機(jī)又有不同類型的調(diào)速系統(tǒng)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中介紹的異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)種類繁多，可按照不同的角度進(jìn)行分類。按電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類常見(jiàn)的交流調(diào)速方法有：①降電壓調(diào)速；②轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；③轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速；④繞線電機(jī)串級(jí)調(diào)速或雙饋電機(jī)調(diào)速；⑤變極對(duì)數(shù)調(diào)速；⑥變壓變頻調(diào)速等等。

在研究開(kāi)發(fā)階段，人們從多方面探索調(diào)速的途徑，因而種類繁多是很自然的?，F(xiàn)在交流調(diào)速的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，為了深入掌握其基本原理，就不能滿足于這種表面上的羅列，而要進(jìn)一步探討其本質(zhì)，認(rèn)識(shí)交流調(diào)速的基本規(guī)律。~按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類

按照交流異步電機(jī)的原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，稱作機(jī)械功率；另一部分是傳輸給轉(zhuǎn)子電路的轉(zhuǎn)差功率，與轉(zhuǎn)差率s成正比。PmechPmPs

即Pm=Pmech+Ps

Pmech=(1–

s)Pm

Ps=sPm

從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評(píng)價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三類。1.轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

這種類型的全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能消耗在轉(zhuǎn)子回路中，上述的第①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三類異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，而且越到低速時(shí)效率越低，它是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低的（恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)）?？墒沁@類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本最低，所以還有一定的應(yīng)用價(jià)值。2.轉(zhuǎn)差功率饋送型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，除轉(zhuǎn)子銅損外，大部分轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子側(cè)通過(guò)變流裝置饋出或饋入，轉(zhuǎn)速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調(diào)速方法屬于這一類。無(wú)論是饋出還是饋入的轉(zhuǎn)差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉(zhuǎn)化成有用的功率，因此這類系統(tǒng)的效率較高，但要增加一些設(shè)備。3.轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)

在這類系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率只有轉(zhuǎn)子銅損，而且無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對(duì)數(shù)調(diào)速是有級(jí)的，應(yīng)用場(chǎng)合有限。只有變壓變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速；但在定子電路中須配備與電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)淖儔鹤冾l器，相比之下，設(shè)備成本最高。

同步電機(jī)的調(diào)速

同步電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差，也就沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率，所以同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是轉(zhuǎn)差功率不變型（恒等于0）的，而同步電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)又是固定的，因此只能靠變壓變頻調(diào)速，沒(méi)有像異步電機(jī)那樣的多種調(diào)速方法。在同步電機(jī)的變壓變頻調(diào)速方法中，從頻率控制的方式來(lái)看，可分為他控變頻調(diào)速和自控變頻調(diào)速兩類。

自控變頻調(diào)速利用轉(zhuǎn)子磁極位置的檢測(cè)信號(hào)來(lái)控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機(jī)中電刷和換向器的作用，因此有時(shí)又稱作無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速，或無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種特殊型式的同步電機(jī)，有其獨(dú)特的比較簡(jiǎn)單的調(diào)速方法，在小容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中很有發(fā)展前途。二、變頻器調(diào)速裝置（VFD）1、按變頻方式分類（一）變頻器分類（1）交－直－交變頻器變頻調(diào)速系統(tǒng)中廣泛使用的方法。（2）交-交變頻器只適用于低速(最高頻率為電源頻率的1/3～1/2)、大容量的場(chǎng)合。圖電流型和電壓型變頻器框圖2、根據(jù)無(wú)功能量的處理方式分類

由于變頻器的負(fù)載通常為異步電機(jī)，其功率因素是滯后的，同時(shí)因直流環(huán)節(jié)不便向負(fù)載提供無(wú)功功率，必須在期間設(shè)置儲(chǔ)能元件，以吞吐系統(tǒng)的無(wú)功能量。（1）電流型(CurrentStructureInverter簡(jiǎn)稱CSI)（2）電壓型(VoltageStructureInverter簡(jiǎn)稱VSI)

在CSI和VSI中，逆變器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心。選擇怎樣的控制方法對(duì)逆變器各開(kāi)關(guān)器件的通斷次序及通斷時(shí)間進(jìn)行控制，與開(kāi)關(guān)器件的特性密切相關(guān)。（二）SPWM變頻調(diào)速的工作原理1、脈寬調(diào)制技術(shù)涵義

脈寬調(diào)制技術(shù)是利用通訊技術(shù)中“調(diào)制”的概念，以所期望的波形作為調(diào)制波，而將被調(diào)制的信號(hào)稱為載波。由于三角波是上下對(duì)稱變化的波形，常以它作為載波同步信號(hào)，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑的調(diào)制信號(hào)曲線相交時(shí)，就可調(diào)制矩形（載波）的寬度，使調(diào)制波為一組等幅而脈沖寬度正比于該調(diào)制信號(hào)曲線函數(shù)值的矩形脈沖。這就是脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）。圖SPWM調(diào)制波2、正弦波脈寬調(diào)制

取正弦波作為調(diào)制信號(hào)，它與三角波(載波同步信號(hào))相比較后可調(diào)制矩形波(載波)，得到的調(diào)制波是一組寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，這種調(diào)制方式稱為正弦被脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱SPWM。三、交流伺服系統(tǒng)組成（一）同步（SM）型伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)1、同步（SM）型交流伺服電動(dòng)機(jī)概述

同步型電動(dòng)機(jī)采用永久磁鐵磁場(chǎng)，不需要磁化電流，只要檢測(cè)磁鐵轉(zhuǎn)子的位置即可，這種交流伺服電動(dòng)機(jī)也叫做無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)。由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電機(jī)容易控制。其轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)理與直流伺服電動(dòng)機(jī)相同。2、SM型交流伺服電動(dòng)機(jī)構(gòu)成與原理圖同步（SM）型伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖CONV.—整流器；SM—同步電機(jī)；INV.—變換器；PS—磁極位置檢測(cè)器；REF—速度基準(zhǔn)；IFG—電流函數(shù)發(fā)生器；SC—速度控制放大器；CC—電流控制放大器；RD—速度變換器；PWM—脈寬調(diào)制器；iu、iv、iw—相電流；P.B.U.—再生電力吸收電路（二）感應(yīng)式伺服電機(jī)控制系統(tǒng)1、感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī)概述

感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī)是籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因?yàn)槭切D(zhuǎn)磁場(chǎng)，由于氣隙磁場(chǎng)難于直接檢驗(yàn)，可以用轉(zhuǎn)子的位置和速度的等效控制來(lái)代替，其中之一是矢量控制。

交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制是交流伺服系統(tǒng)的關(guān)鍵，可以利用微處理器和計(jì)算機(jī)數(shù)控CNC對(duì)交流電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的控制，從而獲得對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的最佳控制。（a）等效電路