機(jī)電傳動(dòng)控制13

第三章步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路3.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)電脈沖后，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，稱(chēng)為一步。脈沖數(shù)增加，直線(xiàn)或角位移隨之增加；脈沖頻率高，則電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度就高；改變分配脈沖的相序，電動(dòng)機(jī)便逆轉(zhuǎn)。3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)區(qū)別步進(jìn)電機(jī)普通電機(jī)運(yùn)動(dòng)形式步進(jìn)連續(xù)驅(qū)動(dòng)電源脈沖電壓正旋交流或直流

概念：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)或角位移的執(zhí)行元件。

差別：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是受其輸入信號(hào)，即一系列的電脈沖控制而動(dòng)作的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源和控制器構(gòu)成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)將電脈沖信號(hào)按一定的順序加到電動(dòng)機(jī)的各相繞組上步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)控制特性好：誤差不長(zhǎng)期積累；步距值不受各種干擾因素的影響。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的速度主要取決于脈沖信號(hào)的頻率，總位移量取決于總的脈沖信號(hào)數(shù)；故它作為伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于控制系統(tǒng)時(shí)，往往可以使系統(tǒng)簡(jiǎn)化，工作可靠，而且可獲得較高的控制精度，在多數(shù)情況下，可以代替交直流伺服電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用在機(jī)械、電子、紡織、輕工、化工、石油、郵電、冶金、文教和衛(wèi)生等行業(yè)，特別是在數(shù)控機(jī)床上都獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本章從應(yīng)用的角度介紹步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、主要技術(shù)指標(biāo)、運(yùn)行持性和影響因素，環(huán)形分配器方式和功率驅(qū)動(dòng)電路等。3.1.1

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理3.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

定子由硅鋼片疊成，裝上一定相數(shù)的控制繞組；

轉(zhuǎn)子用硅鋼片疊成或用軟磁性材料做成凸極結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有勵(lì)磁繞組的叫做“反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”；用永久磁鐵做轉(zhuǎn)子的叫做“永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)”。定子有6個(gè)磁極，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的磁極上繞有一相控制繞組。轉(zhuǎn)子上裝有4個(gè)凸齒。2、工作原理U-V-W-UU相通電，V、W相不通電——轉(zhuǎn)子齒1和3與U對(duì)齊。而V、W兩相的定、轉(zhuǎn)子齒各錯(cuò)開(kāi)30°（1）基本工作原理V相通電，U、W相不通電——轉(zhuǎn)子齒2和4與V對(duì)齊，轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)30°W相通電，U、V相不通電——轉(zhuǎn)子齒1和3與W對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)30°結(jié)論：當(dāng)通電順序?yàn)閁—V—W—U時(shí)，轉(zhuǎn)子便按順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)。每換接一次，則轉(zhuǎn)子前進(jìn)一步，一步所對(duì)應(yīng)的角度稱(chēng)為步距角(30°)。電流換接三次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)一個(gè)齒距的位置，一個(gè)齒距所對(duì)應(yīng)的角度稱(chēng)為齒距角(此例中轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒，齒距角為90°)。換向：只要改變通電順序，如U-W-V-U。轉(zhuǎn)一圈所步數(shù)：3×4=m×z。（2）通電方式

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速即取決于控制繞組通電的頻率，又取決于繞組通電方式。1)單相輪流通電方式：

“單”是指每次切換前后只有一相繞組通電，

這種通電分配方式叫做m相單m狀態(tài)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以一種通電狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種通電狀態(tài)就叫做一“拍”。上例就是單相輪流通電方式，即三相單三拍通電，步距角為30°。特點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)工作的穩(wěn)定性較差，容易失步。

m相，z個(gè)齒的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所需步數(shù)為mz2)雙相輪流通電方式

“雙”是指每次有兩相繞組通電

這種通電分配方式叫做m相雙m狀態(tài)，按照UV—VW—WU—UV稱(chēng)為三相雙三拍通電，步距角為30°。特點(diǎn)：由于兩相通電，力矩就大些，定位精度高而不易失步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)步數(shù)亦為mz步。當(dāng)U和V兩相同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定位置將會(huì)停留在U、V兩定子磁極對(duì)稱(chēng)的中心位置上，三相六拍步距角為15°。

是單和雙兩種通電方式的組合應(yīng)用，這種通電分配方式叫做m相2m狀態(tài)，轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)所需步數(shù)為2mz步。

如U—UV—V—VW—W—WU—U稱(chēng)為三相六拍通電。

3)單雙相輪流通電方式

3.1.2小步距角電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓上均有齒和槽，且定子和轉(zhuǎn)子的齒寬和齒距相等。齒距：

設(shè)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)是Z，則齒距為τ=360°/Z

設(shè)Z為40，則τ為9°

定子轉(zhuǎn)子若和U相磁極中心對(duì)齊的轉(zhuǎn)子齒為1號(hào)齒，因V相磁極與U相磁極差120°，且120°/9°=13（1/3），故轉(zhuǎn)子齒不能與V相定子齒對(duì)齊，只有13號(hào)小齒靠近V相磁極的中心線(xiàn)，與中心線(xiàn)相差3°；錯(cuò)位定子和轉(zhuǎn)子小齒符合如下規(guī)則：當(dāng)U相定子齒和轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊，則V相的定子齒相對(duì)于轉(zhuǎn)子齒順時(shí)針?lè)较蝈e(cuò)開(kāi)1／3齒距；而w相的定子齒相對(duì)于轉(zhuǎn)子齒順時(shí)針?lè)较蝈e(cuò)開(kāi)2／3齒距；依此類(lèi)推電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的工作原理總結(jié)：錯(cuò)齒是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的根本原因當(dāng)定子繞組按U—V—W順序輪流通電時(shí)，轉(zhuǎn)子就順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降匾苿?dòng)，各相繞組輪流通電一次，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。步距角步距角——繞組每通電一次（即運(yùn)行一拍），轉(zhuǎn)子就走一步，即轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。若步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的Z＝40時(shí)，其步距角為三相單三拍三相雙三拍結(jié)論：z越多，相數(shù)越大，則電機(jī)運(yùn)行拍數(shù)越多，步距角越小，精度越高步進(jìn)電機(jī)即可按角度控制，也可按速度控制1、按工作原理分類(lèi)勵(lì)磁式：電機(jī)的定子轉(zhuǎn)子均有繞組，靠電磁力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。反應(yīng)式：轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，定子繞組勵(lì)磁后產(chǎn)生反應(yīng)力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。這是我國(guó)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)展的主要類(lèi)型

特點(diǎn)：氣隙小，定位精度高；步距較小，控制準(zhǔn)確；勵(lì)磁電流大，要求驅(qū)動(dòng)電源功率大；電動(dòng)機(jī)內(nèi)部阻尼較長(zhǎng)，相數(shù)小時(shí)，單步運(yùn)行震蕩時(shí)間較長(zhǎng)；斷電后無(wú)定位轉(zhuǎn)矩，使用中需自鎖定位。3.1.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分類(lèi)永磁式：轉(zhuǎn)子或定子的某一方具有永久磁鋼，另一方是由軟磁材料制成。繞組輪流通電，建立的磁場(chǎng)與永久磁鋼的恒定磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。特點(diǎn)：控制精度不高，控制功率小，效率高；內(nèi)阻尼較大，震蕩時(shí)間短；斷電后有一定的自鎖功能混合式(即永磁感應(yīng)子式)

它與反應(yīng)式的主要區(qū)別是轉(zhuǎn)子上置有磁鋼。永磁感應(yīng)式電機(jī)具有驅(qū)動(dòng)電流小、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前途的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

特點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電流小，效率高，過(guò)載能力強(qiáng)、控制精度高，代表著步進(jìn)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)

1、按工作原理分類(lèi)快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)該類(lèi)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩一般為0.07N.m～4N.m?？煽刂菩⌒途軝C(jī)床的工作臺(tái)(例如，線(xiàn)切割機(jī)床)。功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)其輸出轉(zhuǎn)矩一般為5N.m～40N.m?？芍苯域?qū)動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件。2、按輸出轉(zhuǎn)矩大小分按勵(lì)磁相數(shù)可分為三相、四相、五相、六相等。相數(shù)越多，步距角越小，但結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。按定子排列還可分為多段式(軸向式)和單段式(徑向式)。軸向式的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速性和穩(wěn)定性好，功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多為軸向式。3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器3.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式環(huán)形分配器——把輸入的脈沖轉(zhuǎn)換成環(huán)型脈沖，以控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，并能進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制功率放大器——把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出的環(huán)型脈沖放大，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)典型的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成3.2.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的環(huán)形分配器

環(huán)形分配器是根據(jù)指令把脈沖信號(hào)按一定的邏輯關(guān)系加到放大器上，使各相繞組按一定的順序和時(shí)間導(dǎo)通和關(guān)斷

步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和內(nèi)部繞組的通電順序有關(guān)

環(huán)形分配器由電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組數(shù)（相數(shù)）和工作方式?jīng)Q定

環(huán)形分配器有硬件和軟件兩種硬件環(huán)分：較好的響應(yīng)速度，直觀、維護(hù)方便等特點(diǎn)；軟件環(huán)分：往往受到微機(jī)運(yùn)算速度的限制，有時(shí)難以滿(mǎn)足高速、實(shí)時(shí)控制的要求。1.硬件環(huán)形分配器表3.1環(huán)形分配器邏輯真值序號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)輸出狀態(tài)導(dǎo)電繞組CAJCBJCCJQAQBQC0110100A1010110AB2011010B3001011BC4101001C5100101CA6110100A

CH50是專(zhuān)為三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器，這種集成電路采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。它的管腳圖及三相六拍工作時(shí)的接線(xiàn)圖如圖3．9所示

(1)集成脈沖分配器

12.軟件環(huán)分

一般微機(jī)需作如下設(shè)置

設(shè)置輸出口存儲(chǔ)單元地址單元內(nèi)容對(duì)應(yīng)通電相K+0K+1K+2K+3K+4K+501H(0001)03H(0011)02H(0010)06H(0110)04H(0100)05H(0101)AABBBCCCA

設(shè)計(jì)環(huán)形分配子程序

設(shè)計(jì)延時(shí)子程序：改變步進(jìn)頻率3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路3.3.1單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路R：縮短了繞組中電流的上升時(shí)間C：加速電容VD：續(xù)流和保護(hù)作用特點(diǎn)：線(xiàn)路簡(jiǎn)單，成本低，低頻時(shí)響應(yīng)好缺點(diǎn)：效率低，電阻R上有功率消耗，高頻帶載能力差，實(shí)際應(yīng)用少3.3.2雙電壓驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)點(diǎn)：功耗小，起動(dòng)力矩大，突跳頻率和工作頻率高，高頻段出力較大；適于高頻大功率步進(jìn)電機(jī)。缺點(diǎn)：低頻運(yùn)行時(shí)輸入能量過(guò)大，造成低頻振蕩加劇，波形呈凹形，輸出轉(zhuǎn)矩下降；大功率管的數(shù)量要多一倍，增加了驅(qū)動(dòng)電源。環(huán)形分配器經(jīng)放大后提供定時(shí)器或定流器經(jīng)放大后提供3.3.3斬波驅(qū)動(dòng)電路斬波電路是為了彌補(bǔ)雙電壓電路波形呈現(xiàn)凹形的缺陷，改善輸出轉(zhuǎn)矩下降，使勵(lì)磁繞組中的電流維持在額定值附近。特點(diǎn)：

結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

效高率。由于沒(méi)有外接阻；由于驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流上升很快；加反饋，繞組電流恒定，在很大的頻率范圍內(nèi)輸出轉(zhuǎn)矩恒定，大大改善了高頻響應(yīng)特性。斬波驅(qū)動(dòng)分為自激式和他激式。3.3.4升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路提高供電電壓導(dǎo)致低頻振動(dòng)加劇為了減小低頻振動(dòng)，要求驅(qū)動(dòng)電源對(duì)繞組提供的電壓與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率建立直接聯(lián)系：

低頻時(shí)用較低電壓供電，使低速時(shí)繞組電流上升的前沿較平緩，這樣才能使轉(zhuǎn)子在到達(dá)新的穩(wěn)定平衡位置時(shí)不產(chǎn)生過(guò)沖；

高頻時(shí)用較高電壓供電，在高速時(shí)則應(yīng)使電流有較陡的前沿，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，才能提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的帶載能力。

升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路可滿(mǎn)足此要求。升頻升壓驅(qū)動(dòng)電路3.3.5細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路特點(diǎn)：1)不改動(dòng)電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，能使步距角減小，但細(xì)分后的齒距角精度不高，且驅(qū)動(dòng)電源的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復(fù)雜。

2)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，提高均勻性，并能減弱或消除振蕩。3)繞組電流不是方波而是階梯波將一個(gè)步距角細(xì)分為若干個(gè)步的驅(qū)動(dòng)電路稱(chēng)為細(xì)分電路。實(shí)現(xiàn)階梯波供電的方法

1)先放大后疊加。是將通過(guò)細(xì)分環(huán)形分配器所形成的各個(gè)等幅等寬的脈沖，分別進(jìn)行放大，然后在電動(dòng)機(jī)繞組中疊加起來(lái)形成階梯波。

2)先疊加后放大。利用運(yùn)算放大器來(lái)疊加，或采用公共負(fù)載的方法，把方波合成變成階梯波，然后對(duì)階梯波進(jìn)行放大再去驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其中的放大器可采用線(xiàn)形放大器或恒波斬波放大器等。3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路單電壓限流型驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際接線(xiàn)缺點(diǎn)：電阻R上有功率消耗

3.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及使用基本特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的步數(shù)或轉(zhuǎn)速既不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受環(huán)境條件(溫度、壓力、沖擊和振動(dòng)等)變化的影響，只與控制脈沖同步，它又能按照控制的要求進(jìn)行啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)或改變速度(且能在較寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)速)。同時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有自鎖能力，當(dāng)控制電脈沖停止輸人，而讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通人直流時(shí)，則電動(dòng)機(jī)可以保持在固定的位置上。3.4.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性及影響因素初始穩(wěn)定平衡位置:指單相通電時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在空載情況下，轉(zhuǎn)子齒將和通電相磁極上的小齒對(duì)齊，此位置為~；偏轉(zhuǎn)角θ：轉(zhuǎn)子齒偏離初始平衡位置的角度θ(空間角)。1矩角特性矩角特性

是反映步進(jìn)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T隨偏轉(zhuǎn)角θ

的關(guān)系。1矩角特性若用電角度θe表示偏轉(zhuǎn)角則θe=zθ

矩角特性曲線(xiàn)：

T=f（θe）此曲線(xiàn)可近似的用一條正弦曲線(xiàn)表示最大靜轉(zhuǎn)矩步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最主要性能之一，反映了電機(jī)帶負(fù)載的能力。2、單步運(yùn)行特性指步進(jìn)電機(jī)在單相或多相通電狀態(tài)下，僅改變一次通電狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行方式或輸入頻率很低，以致加第二脈沖前，前一步已走完，轉(zhuǎn)子運(yùn)行已經(jīng)停止的狀態(tài)稱(chēng)為單步運(yùn)行狀態(tài)（1）穩(wěn)定區(qū)穩(wěn)定區(qū)｛靜穩(wěn)定區(qū)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)在空載時(shí)，穩(wěn)定平衡位置對(duì)應(yīng)于θ=0°處，而θ=180°則為不穩(wěn)定平衡位置。在靜態(tài)情況下，如受外力矩的作用使轉(zhuǎn)子偏離穩(wěn)定平衡位置，但沒(méi)有超出相鄰的不穩(wěn)定平衡點(diǎn)，則當(dāng)外力矩除去以后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在靜態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下仍能回到原來(lái)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)，所以二個(gè)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)之間的區(qū)域構(gòu)成靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)。

靜態(tài)穩(wěn)態(tài)區(qū)最大靜轉(zhuǎn)矩若改變通電狀態(tài)由U相轉(zhuǎn)為V相，矩角特性將向前移動(dòng)一個(gè)矩角θbe，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)到新的穩(wěn)定平衡位置O1，新穩(wěn)定區(qū)為。在改變通電狀態(tài)時(shí)，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子起始位置位于ab之間才能使它向O1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。因此稱(chēng)區(qū)間ab為電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)ab（2）單步運(yùn)行特性（2）單步運(yùn)行特性衰減周期衰減時(shí)間（2）單步運(yùn)行特性3.連續(xù)脈沖運(yùn)行特性

(1)極低頻條件下運(yùn)行

指控制脈沖周期大于轉(zhuǎn)子單步運(yùn)行振蕩的衰減時(shí)間。與單步運(yùn)行方式相同。轉(zhuǎn)子的運(yùn)行特性具有典型的步進(jìn)特性；運(yùn)行的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)多數(shù)處于欠阻尼狀態(tài)，不可避免地產(chǎn)生振蕩，但其振幅不會(huì)超過(guò)步距角，因此不會(huì)出現(xiàn)失步和越步現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子運(yùn)行特點(diǎn)是前一個(gè)脈沖使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的振蕩還沒(méi)衰減完，第二個(gè)脈沖已經(jīng)到來(lái)，轉(zhuǎn)子所處的位置與脈沖頻率有關(guān)，該位置是第二個(gè)脈沖轉(zhuǎn)子的起始位置。

(2)低頻條件下運(yùn)行

第一種情況：U相O0V相SV相b點(diǎn)W相c點(diǎn)不失步第二種情況：U相O0V相SV相b’點(diǎn)W相c’點(diǎn)失三步脈沖頻率過(guò)高是失步的一原因

使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能正常啟動(dòng)的最高頻率。拍數(shù)越多，極限起動(dòng)頻率越高；負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，起動(dòng)頻率越低；（起動(dòng)矩頻特性）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，起動(dòng)頻率越高。（起動(dòng)慣頻特性）A2點(diǎn)越接近O0點(diǎn)，起動(dòng)頻率越高極限啟動(dòng)頻率：

高頻狀態(tài)時(shí)，在前一個(gè)脈沖作用下，轉(zhuǎn)子的振蕩尚沒(méi)到達(dá)第一個(gè)振幅，第二個(gè)脈沖已來(lái)而又一次改變通電狀態(tài)。

效果：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)、平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂扑枷耄翰竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)在小于極限起動(dòng)頻率下正常起動(dòng)后，控制脈沖再緩慢地升高。因?yàn)榫徛呙}沖頻率，轉(zhuǎn)子加速度很小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響可以忽略。但此時(shí)電動(dòng)機(jī)隨運(yùn)行頻率增高，負(fù)載能力變差，反映了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率特性。(3)

脈沖頻率條件下運(yùn)行最高運(yùn)行頻率受限注意：最高運(yùn)行頻率受限原因有三：

1、頻率增高，輸入矩形脈沖信號(hào)發(fā)生畸變，使電流平均值下降，引起輸出轉(zhuǎn)矩下降；

2、頻率增高，定子繞組中產(chǎn)生附加感應(yīng)電勢(shì)，最大動(dòng)機(jī)阻尼；

3、鐵心中渦流損耗增加最終造成轉(zhuǎn)子跟不上脈沖變化而導(dǎo)致失步。4、加減速特性步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率或由工作頻率到靜止過(guò)程中，勵(lì)磁通電頻率與時(shí)間的關(guān)系要求：頻率升，轉(zhuǎn)速升；頻率降，轉(zhuǎn)速降。限制：升速和減速時(shí)間不能過(guò)小，否則易失步或越步5、脈沖信號(hào)頻率對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響

頻率增高，輸入矩形脈沖信號(hào)發(fā)生畸變，使電流平均值下降，引起輸出轉(zhuǎn)矩下降；最終造成電機(jī)起動(dòng)不了或轉(zhuǎn)子跟不上脈沖變化而導(dǎo)致失步。最高運(yùn)行頻率受限提高頻率的措施減小電機(jī)的時(shí)間常數(shù)、提高動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩、減小慣量、釆用阻尼等來(lái)提高fmax慣性影響從兩方面分析：

1、起動(dòng)：使電機(jī)起動(dòng)不起來(lái)；

2、運(yùn)行中：失步。（由于振蕩）消除方法：阻尼法6、轉(zhuǎn)子機(jī)械慣性對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的影響當(dāng)控制脈沖的時(shí)間間隔大于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)，電動(dòng)機(jī)呈步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)，即輸入脈沖頻率較低，在第二步走之前第一步已經(jīng)結(jié)束。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中存在振蕩，它有一個(gè)固有頻率，若輸入脈沖頻率等于固有頻率時(shí)就要產(chǎn)生共振，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)振蕩不前。對(duì)同一電動(dòng)機(jī)，在不同負(fù)載(如不同機(jī)床)情況下，其共振區(qū)是不同的，必要時(shí)可外加調(diào)節(jié)阻尼器，以保證工作正常進(jìn)行。7、步進(jìn)運(yùn)行和低頻振蕩3.4.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)和應(yīng)用1.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)1.步距角2.精度┄步距角精度3.轉(zhuǎn)矩

1）保持轉(zhuǎn)矩：繞組不通電時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的最大值。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩為零

2）靜轉(zhuǎn)矩：不改變通電狀態(tài)即電機(jī)靜止時(shí)轉(zhuǎn)矩，是電流與偏轉(zhuǎn)角的函數(shù)。3）動(dòng)轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)最大輸出轉(zhuǎn)矩，與運(yùn)行頻率有關(guān)4、響應(yīng)頻率

響應(yīng)頻率：在某一頻率范圍，步進(jìn)電機(jī)可以任意運(yùn)行而不丟步,則這一最大頻率為~。突跳頻率或牽入頻率：通常用起動(dòng)頻率來(lái)作為衡量的指標(biāo)，它是能不丟步地起動(dòng)的極限頻率。與負(fù)載的大小有關(guān)，負(fù)載的大小包含負(fù)載轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量?jī)蓚€(gè)方面的意義。技術(shù)參數(shù)中常給出空載起動(dòng)頻率，它隨負(fù)載的增加而顯著下降，選用時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。5、運(yùn)行頻率運(yùn)行頻率：指頻率連續(xù)上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)能不失步運(yùn)行的極限頻率。它的值也與負(fù)載的大小有關(guān)。在相同負(fù)載情況下，連續(xù)頻率的值遠(yuǎn)大于響應(yīng)頻率或起動(dòng)頻率。它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。6、矩頻特性fst=f(TL)——起動(dòng)矩頻特性fst=f(J)——起動(dòng)慣頻特性fc=f(TL)——運(yùn)行矩頻特性2.使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題(l)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩選擇：根據(jù)式（3.13）。(2)步距角及步距累積誤差。(3)起動(dòng)頻率和最高頻率滿(mǎn)足要求。(4)驅(qū)動(dòng)電源的優(yōu)劣對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行影響極大，使用時(shí)要特別注意，需根據(jù)運(yùn)行要求，盡量采用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電源，以滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能。(5)若所帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，則應(yīng)在低頻下啟動(dòng)，然后再上升到工作頻率，停車(chē)時(shí)也應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率再停車(chē)。2.使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

(6)在工作過(guò)程中，應(yīng)盡量避免由于負(fù)載突變而引起的誤差。(7)若在工作中發(fā)生失步現(xiàn)象，首先，應(yīng)檢查負(fù)載是否過(guò)大，電源電壓是否正常，再檢查驅(qū)動(dòng)電源輸出波形是否正常，在處理問(wèn)題時(shí)不應(yīng)隨意變換元件。

例題

例3.1一臺(tái)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，采用三相六拍分配方式，轉(zhuǎn)子有40個(gè)齒，脈沖源頻率為600Hz，求：(1)寫(xiě)出一個(gè)循環(huán)的通電程序,(2)求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角(3)求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n

解

(1)脈沖分配方式有兩種：A-AB-B-BC-C-CAA-AC-C-CB-B-BA例3.2

若一臺(tái)BF系列四相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其步矩角為1.80/0.90。試問(wèn)：

(1)1.80/0.90表示什么意思?(2)轉(zhuǎn)于齒數(shù)為多少?(3)寫(xiě)出四相八拍運(yùn)行方式的一個(gè)通電順序。

(4)在A相測(cè)得頻率為400Hz時(shí)，其每分鐘的轉(zhuǎn)速為多少?解(I)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的概念可知1.80/0.90分別表示單四拍運(yùn)行的步距角和單雙八拍運(yùn)行的步距角。

(3)A-AB-B-BC-C-CD-D-DA第四章機(jī)電傳動(dòng)速度連續(xù)控制4.1概述4.2電力電子器件介紹4.3直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)4.4交流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)4.1.1無(wú)級(jí)調(diào)速無(wú)級(jí)調(diào)速:機(jī)電傳動(dòng)速度連續(xù)控制是指在一定的控制下，工作機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)任意連續(xù)的速度變化，即無(wú)級(jí)調(diào)速。無(wú)級(jí)調(diào)速方式：機(jī)械傳動(dòng)、流體傳動(dòng)、氣體傳動(dòng)或電氣傳動(dòng)等。4.1概述電氣無(wú)級(jí)調(diào)速

實(shí)際上是通過(guò)不同的電氣控制系統(tǒng)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制（改變電壓、頻率等參數(shù)），使其輸出軸的轉(zhuǎn)速連續(xù)而任意地變化，分別稱(chēng)為直流調(diào)速和交流調(diào)速。各自?xún)?yōu)點(diǎn)：

直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速：具有良好的調(diào)速特性和寬廣的調(diào)速范圍。交流異步電動(dòng)機(jī)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠。異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速方法后，調(diào)速范圍廣，系統(tǒng)效率高。4.1.2無(wú)級(jí)調(diào)速靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)1）靜差率電動(dòng)機(jī)在某一機(jī)械特性曲線(xiàn)所示狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，額定負(fù)載下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，即稱(chēng)為靜差率，用S表示。無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)指標(biāo)有分為靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

1、靜態(tài)技術(shù)指標(biāo)主要有靜差率、調(diào)速范圍兩項(xiàng)。轉(zhuǎn)差率表示了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度.n0

一定時(shí)，S與機(jī)械特性硬度有關(guān):特性越硬，S越小，電動(dòng)機(jī)越穩(wěn)定S與同步轉(zhuǎn)速n0成反比。最低轉(zhuǎn)速受允許靜差率限制2）調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下調(diào)速時(shí)，允許的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，稱(chēng)調(diào)速范圍，用D表示，即表示系統(tǒng)調(diào)速范圍、靜差度、轉(zhuǎn)速降與最大轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。最高轉(zhuǎn)速nmax--電動(dòng)機(jī)銘牌確定;S2--

應(yīng)該等于或小于生產(chǎn)機(jī)械要求的靜差度S;D--生產(chǎn)機(jī)械的要求所決定.

在這三者為定值時(shí)，則要求△nN也為定值。也可以說(shuō)，同一個(gè)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中,△nN一定時(shí)，在不同的靜差度下就有不同的調(diào)速范圍。靜差度越高，調(diào)速范圍越小。

因此，在說(shuō)明調(diào)速系統(tǒng)所能達(dá)到的調(diào)速范圍時(shí)，必須同時(shí)說(shuō)明其所能允許的最小靜差度，否則，就毫無(wú)意義。式還指出了在保證一定靜差度的前提下，擴(kuò)大系統(tǒng)調(diào)速范圍的方法是提高電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性硬度以減小△nN。4.2電力電子器件簡(jiǎn)介4.2.1電力電子器件分類(lèi)兩大分支：半控型器件和全控型器件全控型器件又分為單極性、雙極性和混合型G控制極K陰極G陽(yáng)極

AP1P2N1N2四層半導(dǎo)體晶閘管是具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu),其外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖。(c)結(jié)構(gòu)KGA(b)符號(hào)(a)外形晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào)三個(gè)

PN

結(jié)4.2電力電子器件簡(jiǎn)介4.2.2電力電子器件開(kāi)關(guān)特性1、普通晶閘管（SCR）（1）在0~t1之間:開(kāi)關(guān)S未合上，ug=0，盡管uAK>0，但ud=0，即晶閘管未導(dǎo)通；（2）在t1~t2之間:uAK>0，由于開(kāi)關(guān)S合上，使ug>0，而，即晶閘管導(dǎo)通；B、晶閘管的工作原理（3）在t2~t3之間，uAK<0，盡管ug>0，但ud=0，即晶閘管關(guān)斷；（4）在t3~t4之間，uAK>0，這時(shí)ug>0,而，所以，晶閘管又導(dǎo)通；（5）當(dāng)t=t4時(shí)，ug=0，但uAK>0，，即晶閘管仍處于導(dǎo)通狀態(tài)；（6）當(dāng)t=t5時(shí)，uAK=0，ug=0，而ud=0，即晶閘管關(guān)斷，晶閘管處于阻斷狀態(tài)。

B.晶閘管的工作原理結(jié)論：1、起始時(shí)若控制極不加電壓，則不論陽(yáng)極加正電還是反電，晶閘管均不通，說(shuō)明具有雙向阻斷能力；2、導(dǎo)通條件：陽(yáng)極和控制極同時(shí)加正壓；3、晶閘管導(dǎo)通后，G極失去作用，若使晶閘管再次阻斷，必須將A極正向電壓降低到一定值.T1T2A

在極短時(shí)間內(nèi)使兩個(gè)三極管均飽和導(dǎo)通，此過(guò)程稱(chēng)觸發(fā)導(dǎo)通。形成正反饋過(guò)程KGEA>0、EG>0EGEA+_R

晶閘管導(dǎo)通后，去掉EG

，依靠正反饋，仍可維持導(dǎo)通狀態(tài)。C.晶閘管的伏安特性觸發(fā)電壓（電流）A、K間加直流6V時(shí)，使元件導(dǎo)通的控制極最小電壓（電流）

晶閘管陽(yáng)極對(duì)陰極的電壓和流過(guò)晶閘管的電流之間的關(guān)系稱(chēng)為晶閘管的伏安特性。

D晶閘管型號(hào)及其含義導(dǎo)通時(shí)平均電壓組別共九級(jí),用字母A~I表示0.4~1.2V額定電壓,用百位或千位數(shù)表示取UFRM或URRM較小者額定正向平均電流(IF)（晶閘管類(lèi)型）P--普通晶閘管K--快速晶閘管S--雙向晶閘管

晶閘管KP普通型如KP5-7表示額定正向平均電流為5A,額定電壓為700V。E主要參數(shù)UFRM:正向重復(fù)峰值電壓（晶閘管耐壓值）晶閘管控制極開(kāi)路且正向阻斷情況下,允許重復(fù)加在晶閘管兩端的正向峰值電壓。一般取UFRM

=80%UB0

。普通晶閘管UFRM

為100V—3000V反向重復(fù)峰值電壓控制極開(kāi)路時(shí),允許重復(fù)作用在晶閘管元件上的反向峰值電壓。一般取URRM

=80%UBR

普通晶閘管URRM為100V—3000VURRM：正向平均電流環(huán)境溫度為40

C及標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，晶閘管處于全導(dǎo)通時(shí)可以連續(xù)通過(guò)的工頻正弦半波電流的平均值。

IF：IF

t

2

如果正弦半波電流的最大值為Im,則普通晶閘管IF為1A—1000A。

利用萬(wàn)用表的歐姆檔來(lái)識(shí)別管腳和判別管子好壞的辦法。其測(cè)試方法可按表進(jìn)行。如何判別管子的好壞F.晶閘管的應(yīng)用1)順變裝置（交流電變成直流電）可變電壓電源、恒壓、恒流源、直流電機(jī)電源2)逆變裝置（直流變成交流電源）頻率精度高，負(fù)荷變化時(shí)輸岀穩(wěn)定，恒頻率電源、不間斷電源、交流電機(jī)電源。3)變頻裝置（順變和逆變的組合）用于同步機(jī)和異步機(jī)的調(diào)速。4)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速（可代替直流發(fā)電機(jī)）效率高、響應(yīng)快、體積小、重量輕。2、可關(guān)斷晶閘管工作特點(diǎn)：1.G極可控制元件導(dǎo)通與關(guān)斷（不同極性脈沖信號(hào)）2.觸發(fā)電流(20mA)比普通晶閘管大(30uA）3.應(yīng)用直流調(diào)壓和開(kāi)關(guān)電路（大容量）。大功率晶體管也稱(chēng)雙極結(jié)型晶體管（BJT)，可在高電壓和強(qiáng)電流下使用的這種晶體管稱(chēng)為功率晶體管。3、大功率晶體管（GTR）

(

1)基本構(gòu)成

變頻器用的一般都是達(dá)林頓晶體管(復(fù)合管)模塊，其內(nèi)部的基本電路如圖(4.4a)所示。它的三個(gè)極分別是集電極(C)、發(fā)射極(E)和基極(B)。根據(jù)變頻器的工作特點(diǎn)，在晶體管旁還并聯(lián)了一個(gè)反向聯(lián)接的續(xù)流二極管。又根據(jù)逆變橋的特點(diǎn)，常做成雙管模塊(見(jiàn)圖4.4b)，甚至做成6管模塊。(2)工作狀態(tài)和普通晶體管一樣，GTR也具有三種基本的工作狀態(tài)。

1）放大狀態(tài)

2）飽和狀態(tài)3）截止?fàn)顟B(tài)IC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安全工作區(qū)（3）

主要參數(shù)擊穿電壓漏電流飽和電流飽和壓降截止參數(shù)飽和參數(shù)開(kāi)關(guān)參數(shù)（4）應(yīng)用

它已在直流脈寬調(diào)速和交流矢量控制的PWM調(diào)速中及變頻調(diào)速中得到廣泛應(yīng)用。開(kāi)關(guān)過(guò)程中參數(shù)①開(kāi)通時(shí)間toN：從B極通人正向信號(hào)電流時(shí)起，到集電極電流上升到0.9ICS所需要的時(shí)間。②關(guān)斷時(shí)間toFF：從基極電流撤消時(shí)起，至Ic下降至0.1ICS所需的時(shí)間。

(4)變頻器用GTR的選用

1）UCEO

：通常按電源線(xiàn)電壓ULl峰值的2倍來(lái)選擇。

2）ICM按額定負(fù)載下，通過(guò)GTR的額定電流IN峰值的2倍進(jìn)行選擇，即

GTR是用電流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，所需驅(qū)動(dòng)功率較大，故基極驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，并使工作頻率難以提高，這是其不足之處。4、絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管（功率MOSFET）符號(hào)

分類(lèi)：

MOS管也分為N溝道和P溝道兩種。根據(jù)工作方式的不同又分為增強(qiáng)型和耗盡型兩類(lèi)。1、符號(hào)和分類(lèi)D——漏極；S——源極；G——柵極控制信號(hào)ID改變單極型、電壓控制型器件：G與S間的控制信號(hào)是電壓信號(hào)，改變uGS的大小，主電路的漏極電流ID跟著改變。由于G與S間輸入電阻大，故控制電流幾乎為0，控制端基本上不需要電流，所需驅(qū)動(dòng)功率小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)速度非常快10~100ns；頻率在100KHZ以上熱穩(wěn)定性好、安全工作區(qū)大等優(yōu)點(diǎn)。與大功率晶體管相比有許多優(yōu)點(diǎn)：電流容量小，耐壓低典型的應(yīng)用有高頻開(kāi)關(guān)電源。供直流和交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速用的斬波器和逆變器系統(tǒng)、感應(yīng)加熱用高頻發(fā)生器、超聲波發(fā)生器、音頻放大器、調(diào)幅發(fā)射機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、通訊設(shè)備以及一些特殊場(chǎng)合。缺點(diǎn)：應(yīng)用：5、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）P-MOSFET通斷驅(qū)動(dòng)控制功率小開(kāi)關(guān)速度快通態(tài)壓降大難制成高壓大電流器件GTR通斷驅(qū)動(dòng)控制功率大開(kāi)關(guān)速度慢通態(tài)壓降小可制成高壓大電流器件IGBT組成：輸入采用P-MOSFET

輸出采用GRT4.3直流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)4.3.1他勵(lì)直流電機(jī)1、基本結(jié)構(gòu)換向器定子轉(zhuǎn)子根據(jù)電動(dòng)機(jī)的工作原理，直流電機(jī)的組成可分為定子、轉(zhuǎn)子和換向器三大部分。

定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵(lì)磁繞組兩部分組成。

轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。

換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動(dòng)接觸。定子剖面圖主磁極換向極磁極數(shù)－主磁極的個(gè)數(shù)磁極對(duì)數(shù)=磁極數(shù)/2轉(zhuǎn)子換向片轉(zhuǎn)軸電樞線(xiàn)圈轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖(轉(zhuǎn)子硅鋼沖片圖）電樞鐵芯硅鋼沖片電刷換向片

換向器圖2、直流電動(dòng)機(jī)的工作原理為了討論直流電機(jī)的工作原理，可把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為電機(jī)具有一對(duì)主磁極，電樞繞組只是一個(gè)線(xiàn)圈，線(xiàn)圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷A和B。1—主磁極：勵(lì)磁繞組上加上直流電壓，勵(lì)磁繞組上有勵(lì)磁電流通過(guò)，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場(chǎng)。

2—電樞繞組：在固定的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。3、4—換向器：電刷固定不動(dòng)，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)，主要作用對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。電機(jī)運(yùn)行方式E與Ia方向E作用T性質(zhì)轉(zhuǎn)矩間關(guān)系發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)相同相反電源電動(dòng)勢(shì)反電動(dòng)勢(shì)阻轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1=T+T0T=TL+T0電機(jī)在不同運(yùn)行方式下，E和T的作用4.3.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

電樞回路電壓平衡方程電動(dòng)勢(shì)電磁轉(zhuǎn)矩直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性n=f(T)T0n0---理想空載轉(zhuǎn)速（T=0）△n—速度降K—機(jī)械特性的斜率，反映出特性的軟硬度機(jī)械特性方程式TdTnn0當(dāng)n=0時(shí)堵轉(zhuǎn)電流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性硬特性β＞10軟特性β＜10絕對(duì)硬特性β→∞堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性硬度4.3.1

他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.固有機(jī)械特性

n=f(T)由求（1）估算電樞電阻Ra（2）計(jì)算額定條件下反電勢(shì)（3）求理想空載轉(zhuǎn)速（4）求額定轉(zhuǎn)矩2、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法速度調(diào)節(jié)-----在一定的負(fù)載下，人為改變參數(shù)，達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。速度變化-----由于負(fù)載發(fā)生變化而引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變。速度調(diào)節(jié)速度變化1）改變電源電壓調(diào)速特點(diǎn)1.連續(xù)平滑調(diào)速，在nN以下調(diào)速；2.機(jī)械特性硬度不變；3.調(diào)速時(shí)電流不變，轉(zhuǎn)矩不變，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。2）改變主磁通φ特點(diǎn)1）只能在nN以上進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速；2）機(jī)械特性變軟，調(diào)速范圍不大；3）恒功率調(diào)速（P=UIa）通常同調(diào)壓調(diào)速配合使用（nN以下用調(diào)壓，nN以上用調(diào)磁通的方法）。注意！輕載時(shí)產(chǎn)生飛車(chē)事故缺點(diǎn)1.機(jī)械特性變軟，穩(wěn)定性差；2.輕載時(shí)調(diào)速范圍不大；3.無(wú)級(jí)調(diào)速困難；電阻上消耗大量電能；4.啟動(dòng)電阻不能用來(lái)調(diào)速。適用于起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)。3)

電樞電路外串電阻Rad3、調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和功率電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作允許輸出的電磁轉(zhuǎn)矩和允許輸出的功率由電動(dòng)機(jī)發(fā)熱來(lái)決定。而發(fā)熱又主要取決于電樞電流I。額定電流IN

就是電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作所能允許的電流值。2）調(diào)磁調(diào)速

——恒功率調(diào)速1）調(diào)壓調(diào)速

——恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速1、單相橋式整流電路1.

電路2.

工作原理VT1和VT4承受正向電壓。VT1和VT4控制極加觸發(fā)電壓,則它們導(dǎo)通，電流的通路為T(mén)1、T2

晶閘管D1、D2

晶體管aRLVT4VT1b(1)電壓u

為正半周時(shí)io此時(shí)，VT2和VT3均承受反向電壓而截止，VT1和VT4

自然關(guān)斷。+–+–VT1VT3RLuoVT2VT4a

u+–b4.3.3可控整流電路

VT3和VT2承受正向電壓。VT2和VT3控制極加觸發(fā)電壓,則它們導(dǎo)通，電流的通路為(2)電壓u

為負(fù)半周時(shí)bRLVT2VT4a此時(shí)，VT1和VT4均承受反向電壓而截止，電壓過(guò)零時(shí)，VT3和VT2

自然關(guān)斷。+–+–VT1VT3RLuoVT2VT4a

u+–b

t

tO

tO3.工作波形2

tO1、42、34.輸出電壓及電流的平均值2、三相可控整流電路2.工作原理在每一瞬間共陰極組中陽(yáng)極電位最高的晶閘管導(dǎo)通；共陽(yáng)極組中陰極電位最低的晶閘管導(dǎo)通。1.電路VT1RLuoVT6VT3VT5VT4VT2io

Cba+–共陽(yáng)極組共陰極組在t1~

t2

期間共陰極組中a點(diǎn)電位最高，D1導(dǎo)通；

共陽(yáng)極組中b點(diǎn)電位最低，D4導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓uab。負(fù)載電壓2.工作原理uouaubuC2

uoot1t2t3t4t5t6t7t8t9VT1RLVT6VT3VT5VT4VT2io

Cba在t2~

t3

期間共陰極組中a點(diǎn)電位最高，VT

1導(dǎo)通；

共陽(yáng)極組中c點(diǎn)電位最低，VT6

導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓

uac=ua-uc。RLuoio

Cbau++––

o負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2

t1t2t3t4t5t6t7t8t9uooVT1VT3VT5VT2VT4VT6在t3~

t4

期間共陰極組中b點(diǎn)電位最高，VT

3導(dǎo)通；

共陽(yáng)極組中c點(diǎn)電位最低，VT

6導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓ubC。負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2

t1t2t3t4t5t6t7t8t9uooRLio

Cbau++––

oVT1VT3VT5VT2VT4VT6在t4~

t5

期間共陰極組中b點(diǎn)電位最高，VT3導(dǎo)通；

共陽(yáng)極組中a點(diǎn)電位最低，VT2導(dǎo)通。負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓uba。負(fù)載電壓2.工作原理變壓器副邊電壓uouaubuC2

t1t2t3t4t5t6t7t8t9uooRLio

Cbau++––

oVT1VT3VT5VT2VT4VT6t1t2t3t4t5t6t7t8t9uoo2.工作原理結(jié)論：

在一個(gè)周期中，每個(gè)晶閘管只有三分之一的時(shí)間導(dǎo)通（導(dǎo)通角為120°）。變壓器副邊電壓負(fù)載電壓負(fù)載兩端的電壓為線(xiàn)電壓。uouaubuC2

RLio

Cbau++––

oVT1VT3VT5VT2VT4VT6uo時(shí)的波形圖VT1RLuoVT6VT3VT5VT4VT2io

Cba+–輸出電壓的均值1、2、注：此處的U為線(xiàn)電壓有效值4.3.4

閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)△U=UG-UFUk=Kp△U控制觸發(fā)角α輸出一定的整流電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速1、系統(tǒng)組成及工作原理穩(wěn)定轉(zhuǎn)速原理2、系統(tǒng)靜特性分析1）放大器放大器的輸出電壓可用下式表示Uk=KA△U2）觸發(fā)器、整流器整流器輸出電壓與觸發(fā)器輸入電壓之間的關(guān)系，可近似看成線(xiàn)性關(guān)系，即Ud=KVUk3）電動(dòng)機(jī)電樞回路

電樞回路的電壓平衡方程式為4）測(cè)速發(fā)電機(jī)Uf=Knn綜合上式得到系統(tǒng)靜態(tài)特性方程式為當(dāng)負(fù)載為零時(shí)，繞組電流I=0，則增大KA、KV、Kn，可以大大減小閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降，使系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度提高。減小了靜差率，從而可增大系統(tǒng)調(diào)速范圍。2、電流截止負(fù)反饋電流負(fù)反饋會(huì)使△U隨著負(fù)載電流的增加而減少，使電動(dòng)機(jī)的速度迅速降低，可是這種反饋卻可以人為地造成“堵轉(zhuǎn)”，防止電樞電流過(guò)大而燒壞電動(dòng)機(jī)。加有電流負(fù)反饋的系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)一定數(shù)值，電流負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，它足以將給定信號(hào)的絕大部分抵消掉，使電動(dòng)機(jī)速度降到零，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而起到保護(hù)作用。否則，如果電動(dòng)機(jī)的速度在負(fù)載過(guò)分增大時(shí)也不會(huì)降下來(lái)，這就會(huì)使電樞過(guò)流而燒壞。本來(lái)采用過(guò)流保護(hù)繼電器也可以保護(hù)這種嚴(yán)重過(guò)載，但是過(guò)流保護(hù)繼電器，要觸頭斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)斷電方能保護(hù)，而采用電流負(fù)反饋?zhàn)鳛楸Ｗo(hù)手段，則不必切斷電動(dòng)機(jī)的電路，只是使它的速度暫時(shí)降下來(lái)，一旦過(guò)負(fù)載去掉后，它的速度又會(huì)自動(dòng)升起來(lái)，這樣有利于生產(chǎn)。當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋叫做電流截止負(fù)反饋。組成：串入電動(dòng)機(jī)電樞回路的小阻值電阻R：電流反饋信號(hào)取自此；

比較電壓回路：二極管、電位器及比較電源組成。具有電流截止反饋的直流電機(jī)的靜特性堵轉(zhuǎn)電流工作過(guò)程采用單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，既能得到轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào)節(jié)，又能獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從擴(kuò)大調(diào)速范圍的角度來(lái)看，它已基本上滿(mǎn)足一般生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速的要求。但有些生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常處于正反轉(zhuǎn)工作狀態(tài)（如龍門(mén)刨床、可逆軋鋼機(jī)等），為了提高生產(chǎn)率，要求盡量縮短啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間，當(dāng)然可用加大過(guò)渡過(guò)程中的電流即加大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩來(lái)實(shí)現(xiàn)，但電流不能超過(guò)晶閘管和電動(dòng)機(jī)的允許值。為了解決這個(gè)矛盾，可以采用電流截止負(fù)反饋，而得到如圖中實(shí)線(xiàn)所示的啟動(dòng)電流波形，波形的峰值為晶閘管和電動(dòng)機(jī)所允許的最大沖擊電流，啟動(dòng)時(shí)間為t1。3、雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)為了進(jìn)一步加快過(guò)渡過(guò)程，而又不增加電流的最大值，若使啟動(dòng)電流的波形變成圖中虛線(xiàn)所示，使波形的充滿(mǎn)系數(shù)接近1，這樣整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中就有最大的加速度，啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間可最短，只要t2的時(shí)間就可以了。為此我們把電流作為被調(diào)量,使系統(tǒng)在啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間內(nèi)維持電流為最大值不變。這樣，在啟動(dòng)過(guò)程中電流、轉(zhuǎn)速、可控整流器輸出電壓波形就可以出現(xiàn)接近于圖所示的理想啟動(dòng)過(guò)程的波形，以做到在充分利用電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力的條件下獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。起動(dòng)時(shí)的電流波形理想的起動(dòng)過(guò)程曲線(xiàn)在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再增加電流負(fù)反饋控制環(huán)路，就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)。（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理動(dòng)態(tài)分析：其動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，分別為：1）電流上升階段；2）恒電流等加速階段；3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段;轉(zhuǎn)速環(huán)在第一和第三階段起調(diào)節(jié)作用，在第二階段電流環(huán)起作用，速度環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，為轉(zhuǎn)速環(huán)提供最大起動(dòng)電流，使電機(jī)迅速起動(dòng)。在抑制擾動(dòng)方面，對(duì)于負(fù)載擾動(dòng)，由轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)，對(duì)于電流環(huán)內(nèi)部的擾動(dòng)由電流環(huán)調(diào)節(jié)。1）額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)主回路的電壓平衡關(guān)系系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析：對(duì)上式兩邊取拉氏變換，得式中：τa為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)2)整流觸發(fā)裝置輸入：觸發(fā)電路的控制電壓；輸出：平均輸出整流電壓該裝置是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，最大之后時(shí)間τ是兩個(gè)自然換相點(diǎn)的間隔時(shí)間即τmax=1/mf其中，m——整流電壓在一周內(nèi)的波頭數(shù)；

f——交流電源頻率晶閘管和整流電路的傳遞函數(shù)

WS=ks/(1+τs）3)比例、積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）具有限幅電路的比例積分調(diào)節(jié)器如圖4.22所示。由運(yùn)算放大器原理可知當(dāng)輸入為階躍信號(hào)時(shí)，輸出波形如圖4.23所示。最大值由限幅電位器RP調(diào)定。4）轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)電路轉(zhuǎn)速、電流檢測(cè)電路為純比例環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)就是各自的反饋系數(shù)Kn與KI。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形ST飽和其動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，分別為：第1階段：電流上升階段;第2階段：恒電流等加速階段第3階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。轉(zhuǎn)速環(huán)在第一和第三階段起調(diào)節(jié)作用，在第二階段電流環(huán)起作用，速度環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，為轉(zhuǎn)速環(huán)提供最大起動(dòng)電流，使電機(jī)迅速起動(dòng)。在抑制擾動(dòng)方面，對(duì)于負(fù)載擾動(dòng)，由轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)，對(duì)于電流環(huán)內(nèi)部的擾動(dòng)由電流環(huán)調(diào)節(jié)。4.3.5

直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)與晶閘管相控整流直流調(diào)速系統(tǒng)相比，在很多方面具有較大的優(yōu)越性：1、主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用的功率元件少；2、開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小；3、低速性能好，穩(wěn)速精度高。因而調(diào)速范圍寬；4、系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；5、主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高；6、直流電源采用不控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。1、脈寬調(diào)制變換器脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，實(shí)際上就是采用脈沖寬度調(diào)制的一種直流斬波器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器(pulse-widthmodulation)變換器有不可逆和可逆兩類(lèi)，可逆斬波器主電路的形式有，H型和T等。

1）雙極式可逆PWM變換器

H型變換器由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。

H型變換器在控制方式上分雙極式、單極式和受限單極交換器。4個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VTl和

VT4

同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4，VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=-Ub1。工作原理及其響應(yīng)波形0≤t≤

ton

VTl和

VT4

同時(shí)導(dǎo)通，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4=+Uk

而Ub2=Ub3=-Uk工作原理及其響應(yīng)波形ton≤t

≤T驅(qū)動(dòng)電壓Ub1=Ub4=-Uk

而Ub2=Ub3=+UkVTl和

VT4

同時(shí)截止，但VT2和VT3并不立即導(dǎo)通

雙極式可逆PWM變換器的“可逆”的作用要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。電樞平均端電壓用公式表示為調(diào)速時(shí)ρ的變化范圍是-1≤ρ≤1。ρ＞0時(shí)，輸出平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；ρ＜0時(shí)，輸出平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；ρ

=0時(shí)，輸出平均電壓為零。

雙極式可逆PWM變換器的“可逆”的作用要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。電樞平均端電壓用公式表示為調(diào)速時(shí)ρ的變化范圍是0≤ρ≤1。ρ＞1/2時(shí)，輸出平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；ρ＜1/2時(shí)，輸出平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；ρ=1/2時(shí)，輸出平均電壓為零。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：①電流一定連續(xù)；②可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行；③電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；④低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；⑤低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。缺點(diǎn)：容易發(fā)生上、下兩管直通(即同時(shí)導(dǎo)通，也稱(chēng)“共態(tài)直通”)的事故，降低了裝置的可靠性。為了防止上、下兩管直通，在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。2)

單極式可逆PWM變換器電路不同點(diǎn)（與雙極式相比）：

主電路相同；控制電路有所區(qū)別。

左邊兩個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)脈沖Ub1=-Ub2；交替導(dǎo)通右邊兩管據(jù)電機(jī)正反轉(zhuǎn)需求而不同。正轉(zhuǎn)：Ub3恒負(fù)，

Ub4恒正反轉(zhuǎn)：Ub3恒正，Ub4恒負(fù)

“單極式”由于在電動(dòng)機(jī)朝一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，PWM變換器只在一個(gè)階段中輸出某一極性的脈沖電壓，在另一階段中為零。電路輸出電壓平均值優(yōu)缺點(diǎn)：由于單極式變換器的電力晶體管vT3和vT4二者之中總其一個(gè)常通，—個(gè)常截止，