智能制造裝備電氣傳動控制系統(tǒng)安裝與調試 課件全套 第1-10章 數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)結構組成認識-數(shù)控機床電氣傳動新技術

項目1數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)

結構組成認識本課程的學習任務數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)的結構組成主軸控制系統(tǒng)的組成進給控制系統(tǒng)的結構組成數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類（1）回顧加工實習過程中，零件如何加工生產出來的？（2）觀看數(shù)控機床零件加工過程視頻；引出本課程的學習內容。（見講義的引言）1、本門課程的學習任務1、本門課程的學習任務本門課程是本專業(yè)的主干專業(yè)課程介紹用于典型智能制造裝備數(shù)控機床的直流電動機及直流調速器、交流異步感應電動機及變頻器、步進電動機及步進驅動器、伺服電動機及伺服驅動器等各種電動機和驅動器的結構組成、工作原理，以及由這些電動機和驅動器構成的數(shù)控機床的各種主軸驅動、進給驅動的控制系統(tǒng)和用于數(shù)控機床的直線電動機、電主軸、電滾珠絲杠等新型傳動技術，同時通過典型案例介紹了在數(shù)控技術領域使用廣泛的西門子數(shù)控系統(tǒng)的SIMODRIVE611、SINAMICSS120專用伺服驅動系統(tǒng)，發(fā)那科數(shù)控系統(tǒng)的αi、βi專用伺服驅動系統(tǒng)等。高端數(shù)控機床和工業(yè)機器人技術是智能制造裝備技術其中的兩個關鍵技術！都離不開電氣傳動技術！我們該怎么來學習好這方面的知識呢？1、數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)的結構組成（1）根據(jù)一般自動控制系統(tǒng)的結構組成，引導學生畫出機床控制系統(tǒng)的組成。機床控制系統(tǒng)的目的？被控制對象是什么？（機床需要控制哪些裝置？）執(zhí)行機構是什么？（怎么完成對被控制對象的控制？）控制器是什么？檢測裝置是什么？輸入給定裝置？1、數(shù)控機床自動控制系統(tǒng)的結構組成(2)數(shù)控機床控制系統(tǒng)組成框圖操作面板輸入輸出裝置系統(tǒng)鍵盤PLC數(shù)控裝置CNC機床I/O電路和裝置主軸驅動器主軸電機進給伺服驅動器伺服電機主軸傳動機構滾珠絲杠螺母工作臺刀具檢測裝置X、Y、Z等各進給驅動軸傳動機構輔助裝置工作臺刀具輔助裝置本專業(yè)研究的具體對象是數(shù)控機床。根據(jù)以上數(shù)控機床的結構組成框圖，思考：1、本課程所學知識對應哪部分？2、已經學習過的課程對應哪些部分？3、我們還會學習哪些課程呢？2、數(shù)控機床進給控制系統(tǒng)數(shù)控機床進給控制系統(tǒng)是一個伺服系統(tǒng)，主要控制工作臺沿各坐標軸的移動位置、速度。什么是伺服系統(tǒng)？（隨動系統(tǒng)）進給伺服系統(tǒng)是一個位置、速度雙閉環(huán)系統(tǒng)。位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋2、數(shù)控機床進給控制系統(tǒng)內環(huán)是速度環(huán)，外環(huán)是位置環(huán)。速度環(huán)由速度調節(jié)器、電流調節(jié)器及功率放大器等部分組成。位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋2、數(shù)控機床進給控制系統(tǒng)

速度調節(jié)器的輸入信號有兩個：一個是位置環(huán)的輸出，作為速度環(huán)的指令信號送給速度環(huán)；電動機轉速檢測裝置測得的速度信號作為負反饋送給速度環(huán)。速度環(huán)中用作速度反饋檢測的裝置通常為測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋2、數(shù)控機床進給控制系統(tǒng)位置環(huán)的輸入信號是計算機給出的指令信號和位置檢測裝置反饋的位置信號。位置檢測裝置通常有光電編碼器、旋轉變壓器、光柵尺、感應同步器或磁柵尺等。它們或者直接對位移進行檢測，或者間接對位移進行檢測。位置控制調節(jié)器速度控制調節(jié)與驅動檢測與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機機械執(zhí)行部件CNC插補指令實際位置反饋實際速度反饋3、數(shù)控機床主軸控制系統(tǒng)

進給伺服系統(tǒng)主要是在控制工作臺沿各坐標軸的運動，數(shù)控機床上還有另一類運動，主要在控制刀具的旋轉（如銑床、加工中心）或工件的旋轉（如數(shù)控車床）。這是數(shù)控機床的主軸驅動，一般來說，主軸只是一個速度控制系統(tǒng)，它只需要滿足主軸調速及正反轉功能即可，無需絲杠或其他直線運動裝置。 但當要求機床有螺紋加工功能、準停定位功能和恒線速加工功能時，對主軸會提出相應的位置控制要求，這時主軸控制系統(tǒng)也可稱為主軸伺服系統(tǒng)，只是位置控制性能比進給伺服系統(tǒng)低得多。4、數(shù)控機床輔助控制系統(tǒng)

刀架控制、冷卻控制、潤滑控制、排屑控制等。5、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類按用途和功能分為：進給驅動系統(tǒng)主軸驅動系統(tǒng)按控制原理和有無檢測反饋環(huán)節(jié)分：開環(huán)伺服系統(tǒng)閉環(huán)伺服系統(tǒng)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)按使用的執(zhí)行元件分

：電液伺服系統(tǒng)電氣伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)步進伺服系統(tǒng)按反饋比較控制方式分：脈沖數(shù)字比較伺服系統(tǒng)相位比較伺服系統(tǒng)幅值比較伺服系統(tǒng)(1)進給驅動系統(tǒng)：是用于數(shù)控機床工作臺坐標或刀架坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程所需的力矩。(2)主軸驅動系統(tǒng)：控制機床主軸的旋轉運動，為機床主軸提供驅動功率和所需的切削力。主要關心其力矩大小、調速范圍大小、調節(jié)精度高低、動態(tài)響應的快速性;包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。主要關心其是否有足夠的功率、寬的恒功率調節(jié)范圍及速度調節(jié)范圍；只是一個速度控制系統(tǒng)。1.按用途和功能分2.按使用的執(zhí)行元件分：(1)電液伺服系統(tǒng)電液脈沖馬達和電液伺服馬達。優(yōu)點：在低速下可以得到很高的輸出力矩，剛性好，時間常數(shù)小、反應快和速度平穩(wěn)。缺點：液壓系統(tǒng)需要供油系統(tǒng)，體積大。噪聲、漏油。（2）電氣伺服系統(tǒng)伺服電機（步進電機、直流電機和交流電機）優(yōu)點：操作維護方便，可靠性高1）直流伺服系統(tǒng)進給運動系統(tǒng)采用大慣量寬調速永磁直流伺服電機和中小慣量直流伺服電機；主運動系統(tǒng)采用他激直流伺服電機。優(yōu)點：調速性能好。缺點：有電刷，速度不高。2）交流伺服系統(tǒng)交流感應異步伺服電機（一般用于主軸伺服系統(tǒng)）和永磁同步伺服電機（一般用于進給伺服系統(tǒng)）。優(yōu)點：結構簡單、不需維護、適合于在惡劣環(huán)境下工作。動態(tài)響應好、轉速高和容量大。（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數(shù)控裝置→進給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。3.按控制原理分開環(huán)伺服系統(tǒng)的特點：2.無位置反饋，精度相對閉環(huán)系統(tǒng)來講不高，機床運動精度主要取決于伺服驅動電機和機械傳動機構的性能和精度。步進電機步距誤差，齒輪副、絲杠螺母副的傳動誤差都會反映在零件上，影響零件的精度。1.一般以功率步進電機作為伺服驅動元件。3.結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉；因此在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用。一般用于經濟型數(shù)控機床。（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)有反饋控制系統(tǒng),位置采樣點從工作臺引出，可直接對最終運動部件的實際位置進行檢測。能得到更高的速度、精度和驅動功率閉環(huán)伺服系統(tǒng)的特點：從理論上講，可以消除整個驅動和傳動環(huán)節(jié)的誤差、間隙和失動量。具有很高的位置控制精度。從理論上講，機床運動精度只取決于檢測裝置的精度，與傳動鏈誤差無關。但實際對傳動鏈和機床結構仍有嚴格要求。2.由于位置環(huán)內的許多機械傳動環(huán)節(jié)的摩擦特性、剛性和間隙都是非線性的，故很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使閉環(huán)系統(tǒng)的設計、安裝和調試都相當困難。

該系統(tǒng)主要用于精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數(shù)控機床等。（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置采樣點是從伺服電機或絲杠的端部引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測最終運動部件的實際位置。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的特點：1.半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只包括少量機械傳動環(huán)節(jié)，因此可獲得穩(wěn)定的控制性能，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性雖不如開環(huán)系統(tǒng)，但比閉環(huán)要好。2.由于絲杠的螺距誤差和齒輪間隙引起的運動誤差難以消除,因此，其精度較閉環(huán)差，較開環(huán)好。但可對這類誤差進行補償，因而仍可獲得滿意的精度。3.由于半閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構簡單、調試方便、精度也較高，因而在現(xiàn)代CNC機床中得到了廣泛應用。行業(yè)榜樣余剛2009年畢業(yè)于四川工程職業(yè)技術學院數(shù)控技術（維修方向）專業(yè)，現(xiàn)就職于中國工程物理研究院（綿陽九院），機床裝調維修工高級技師。2014年在“中國技能大賽第六屆全國數(shù)控技能大賽數(shù)控機床裝調與維修賽項”中取得職工組第六名，2015年在“第五屆全國職工職業(yè)技能大賽數(shù)控機床裝調維修工決賽”中取得第十二名。獲“四川省五一勞動獎章”、“全國技術能手”等榮譽。

項目2數(shù)控機床主軸驅動系統(tǒng)的結構認識數(shù)控機床對主軸驅動的要求主軸的傳動結構主軸的配置方案1、數(shù)控機床對主軸驅動的要求機床主傳動主要是旋轉運動，無需絲杠或其他直線運動裝置。（1）具有足夠功率,滿足切削要求要求主轉動電動機應有2.2-250KW的功率范圍，既要能輸出大的功率，又要求主軸結構簡單。（2）寬調速范圍數(shù)控機床主軸的速度是由數(shù)控加工程序中的Ｓ指令控制的，要求能在較大的轉速范圍內進行無級連續(xù)調速，減少中間傳動環(huán)節(jié)，簡化主軸的機械結構，一般要求主軸具備1∶（100～1000）的恒轉矩調速范圍和1∶10的恒功率調速范圍。1、數(shù)控機床對主軸的驅動要求（3）螺紋加工功能在車削中心上，為了使之具有螺紋車削功能，要求主軸與進給驅動實行同步控制，即主軸具有旋轉進給軸（C軸）的控制功能。（4）準停功能在加工中心上自動換刀時，主軸須停止在一個固定不變的方位上，以保證換刀位置的準確以及某些加工工藝的需要，即要求主軸具有高精度的準停功能。1、數(shù)控機床對主軸的驅動要求（5）配合進給實現(xiàn)恒線速度利用車床和磨床進行工件端面加工時，為了保證端面加工時粗糙度的一致性，要求刀具切削的線速度為恒定值。2、主軸的傳動結構（1）帶有二級齒輪變速 主軸電動機經過二級齒輪變速，使主軸獲得低速和高速兩種轉速系列，這是大中型數(shù)控機床采用較多的一種配置方式。這種分段無級變速，確保低速時的大扭矩，滿足機床對扭矩特性的要求。2、主軸的傳動結構（2）帶有定比傳動 主軸電動機經定比傳動傳遞給主軸，定比傳動采用齒輪傳動或帶傳動。帶傳動主要應用于小型數(shù)控機床，可以避免齒輪傳動的噪聲與震動。2、主軸的傳動結構（3）由主軸電動機直接驅動

電動機與主軸用聯(lián)軸器同軸連接。這種方式大大簡化了主軸結構，有效地提高了主軸剛度。但主軸輸出扭矩小，電動機的發(fā)熱對主軸精度影響大。近年來出現(xiàn)另外一種內裝電動機主軸，即主軸與電動機轉子合二為一。其優(yōu)點是主軸部件結構更緊湊，重量輕，慣量小，可提高啟動、停止的響應特性；缺點同樣是熱變形問題。3、主軸的配置方案方案1：機械調速方案設備配置：普通三相異步電動機+齒輪變速箱，當需要加工螺紋時，需要配置主軸編碼器。方案1：機械調速方案最經濟的一種方法，但只能實現(xiàn)有級調速，由于電動機始終工作在額定轉速，經齒輪減速后，在主軸低速下輸出力矩大，重切削能力強，非常適合粗加工和半精加工的要求。適合加工產品比較單一，對主軸速度沒有太高要求。缺點是噪音比較大，電機工作在工頻下，主軸轉速范圍不大，不適合有色金屬和需要頻繁變換主軸速度的加工場合。3、主軸的配置方案方案2：直流驅動方案設備配置：直流調速器+直流電動機，當需要加工螺紋時，需要配置主軸編碼器。3、主軸的配置方案方案2：直流驅動方案設備配置直流電動機（需配測速發(fā)電機）+直流調速器+編碼器優(yōu)點

性能優(yōu)良，起動力矩大，響應快，低速性能好，調速范圍廣缺點：由于直流電機有機械換向機構，因此維護工作量較大。電機結構復雜，價格較貴；不能實現(xiàn)準停。應用場合適用于大型機床，小型機床較少使用說明如果不需要加工螺紋可以不配編碼器3、主軸的配置方案方案3：變頻驅動方案設備配置：變頻器+三相交流電動機，當需要加工螺紋時，需要配置主軸編碼器。3、主軸的配置方案方案3：變頻器+三相交流電動機普通籠型異步電動機配簡易型變頻器可實現(xiàn)主軸的無級調速，主軸電動機只有工作在約500轉/分鐘以上才能有比較滿意的力矩輸出，否則，特別是車床容易出現(xiàn)堵轉的情況。一般會采用兩檔齒輪或皮帶變速，但主軸仍然只能工作在中高速范圍，調速范圍受到較大限制。這種方案適合需要無級調速但對低速和高速都不要求的場合，例如數(shù)控鉆銑床。國產的簡易型變頻器較多。3、主軸的配置方案普通籠型異步電動機配通用變頻器進口的通用變頻器，除具有V/F曲線調節(jié)，一般還具有反饋矢量控制功能，會對電動機的低速特性有所改善，配合兩級齒輪變速，基本可滿足車床低速（100-200轉/分鐘）小加工余量的加工，但同樣受最高電動機速度的限制。這是目前經濟型數(shù)控機床比較常用的主軸驅動系統(tǒng)。3、主軸的配置方案專用變頻電動機配專用變頻器一般采用有反饋矢量控制，低速甚至零速時都可以有較大的力矩輸出，有些還具有定向甚至分度進給的功能。中檔數(shù)控機床主要采用這種方案，主軸傳動兩檔變速甚至一檔即可實現(xiàn)轉速在100-200r/min左右時車、銑的重力切削。若應用在加工中心上，不很理想，必須采用其他輔助機構完成定向換刀的功能，而且也不能達到剛性攻絲的要求。3、主軸的配置方案方案4：伺服驅動方案設備配置：伺服驅動器+主軸伺服電機3、主軸的配置方案伺服主軸驅動系統(tǒng)伺服主軸驅動系統(tǒng)具有響應快、速度高、過載能力強的特點，還可以實現(xiàn)定向和進給功能，價格也是最高的，通常是同功率變頻器主軸驅動系統(tǒng)的2-3倍以上。主要應用在加工中心上，用以滿足系統(tǒng)自動換刀、剛性攻絲、主軸C軸進給功能等對主軸位置控制性能要求很高的加工。3、主軸的配置方案工程中不同的要求可以有不同的解決方案，面對生活中出現(xiàn)的不同事物，遇到的不同情況，我們該怎么去面對呢？實訓任務2

認識數(shù)控機床主軸驅動系統(tǒng)的結構組成1.實訓目的了解數(shù)控機床主軸的機械傳動形式；掌握數(shù)控機床主軸驅動系統(tǒng)的結構組成；掌握主軸驅動系統(tǒng)的配置方案及應用場合。2.任務說明根據(jù)現(xiàn)場具體的數(shù)控機床，完成下列任務：（1）畫出主軸的機械傳動結構圖；（2）列出主軸的配置方案；（3）畫出主軸驅動的控制系統(tǒng)框圖。2016級學生丁鵬，四川省技術能手，四川省五一勞動獎章獲得者，他對我說過一句話：“我不是優(yōu)秀，只是平時比別人多付出了一點點！”項目3

直流主軸電氣控制系統(tǒng)安裝與調試3.1調速系統(tǒng)3.2直流電動機3.3晶閘管供電的直流調速系統(tǒng)3.4直流調速器及應用3.1調速系統(tǒng)3.1.1調速的概念在生產的各個部門，有大量的生產機械要求在不同的場合，用不同的速度進行工作，以提高生產率和保證產品的質量。要求具有速度調節(jié)（簡稱調速）功能的生產機械很多，如各種機床、軋鋼機、起重運輸設備、造紙機、紡織機械等。調速：指在某一負載下，通過改變電動機或電源參數(shù)，來改變機械特性曲線，從而使電動機的轉速發(fā)生變化或保持不變。機械調速：機械配合的方法來實現(xiàn)速度的調節(jié)。在用純機械方法調速的設備中，驅動用電動機一般運行在固有機械特性的一個轉速上，速度的調節(jié)是通過變速齒輪箱或幾套變速皮帶輪或其它變速機構來實現(xiàn)的。3.1.2調速系統(tǒng)的類型電氣調速：電氣調速有許多優(yōu)點，如可簡化機械變速機構，提高傳動效率，操作簡單，易于獲得無極調速，便于實現(xiàn)遠距離控制和自動控制，因此，在生產機械中廣泛采用電氣方法調速。當然僅用電氣方法調速時，電氣系統(tǒng)要復雜一些，投資要大些。按拖動電機的類型有直流調速系統(tǒng)和交流調速系統(tǒng)。

3.1.2調速系統(tǒng)的類型電氣調速系統(tǒng)的發(fā)展直流傳動和交流傳動在19世紀中期限后誕生；20世紀70年代以前，直流調速系統(tǒng)一直占主導地位。直流電動機具有良好的機械特性，能夠在大范圍內平滑調速，起動制動性能良好。由于換向器的存在，使直流電動機的維護工作量加大，單機容量、最高轉速以及使用環(huán)境都受到限制。交流電機由于調速性能差，直到20世紀80年代，借助于新興的電力電子技術，特別是變頻和矢量控制技術的完善，很好解決了交流調速存在的問題，使交流調速系統(tǒng)發(fā)生了質的飛躍，逐步取代直流調速系統(tǒng)，成為主要傳動裝置。3.1.2調速系統(tǒng)的類型（1）調速系統(tǒng)的基本要求調速——按照一定的工藝要求，在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔（有級）或平滑（無級）調節(jié)電動機的轉速。穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量；加、減速——頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起制動盡量平穩(wěn)。3.1.3調速系統(tǒng)的性能指標（1）調速系統(tǒng)的基本要求 以上三個方面有時都須具備，有時只要求其中一項或兩項，其中調速和穩(wěn)速兩項，若都要實現(xiàn)，?；ハ嗝?。為了保證產品質量，要求系統(tǒng)在各級轉速下工作時，不允許有過大的速度波動。因些為了進行定量的分析，提出性能指標。 根據(jù)生產機械對調速系統(tǒng)提出的調速技術指標來決定調速方案。3.1.3調速系統(tǒng)的性能指標（2）動態(tài)性能指標跟隨性指標：對給定輸入應該能不失真地準確跟蹤上升時間tr峰值時間tp調節(jié)時間ts超調量σ±5%（或±2%）

0Otrts3.1.3調速系統(tǒng)的性能指標抗擾性能指標：標志系統(tǒng)抵抗擾動的能力

最大動態(tài)降落：系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一個約定的標準的負擾動量，在過渡過程中所引起的輸出量最大降落值叫做動態(tài)降落。

調節(jié)時間：從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復穩(wěn)態(tài)，距新穩(wěn)態(tài)值之差進人某基準量的5％（或）2％范圍之內所需的時間，定義為恢復時間。一般來說，調速系統(tǒng)的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統(tǒng)的動態(tài)指標則以跟隨性能為主?！?%（或±2%）

O

tmtvCb3.1.3調速系統(tǒng)的性能指標（3）靜態(tài)調速指標調速范圍電動機在額定負載下調速時，它的最高轉速和最低轉速之比，用字母D表示，即nmin

和nmax

對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉速。3.1.3調速系統(tǒng)的性能指標靜差率當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落

nnom

，與理想空載轉速n0之比，稱作靜差率s

，即或用百分數(shù)表示

式中

nnom=n0-nnom

3.1.3調速系統(tǒng)的性能指標說明靜差率s表示調速系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，s越小，相對穩(wěn)定性越好。0TeNTen0A?nNa

B?nNb

n直流電動機電樞串電阻調速機械特性n0相同，Δn不同：電機機械特性硬，轉速穩(wěn)定性好（s?。?；電機機械特性軟，轉速的穩(wěn)定性差（s大）。0TeNTen0an0bab?nNa

?nNb

nn0不同，Δn相同：高轉速時，轉速穩(wěn)定性好（s?。?；低轉速時，轉速的穩(wěn)定性差（s大）。直流電動機調壓調速機械特性AB工程設計時以最低速特性所對應的靜差率為依據(jù)。此時為電動機最困難的工作條件；在低速時的靜差率能滿足要求，在高速時的靜差率也能滿足要求。調速范圍和靜差率兩項指標并不是孤立的，必須同時考慮才有意義。一個調速系統(tǒng)的調速范圍是指在最低轉速時（額定負載下）還能滿足靜差率要求的轉速可調范圍；沒有靜差率的要求，系統(tǒng)的調速范圍可以很大（最低轉速可以很?。x開s談D無意義；沒有調速范圍的限制，靜差率的值可以很?。ǜ咚贂r靜差率很?。x開D談s無意義。調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系

設：電機額定轉速nnom為最高轉速，轉速降落為

nnom，則按照上面分析的結果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉速為

而調速范圍為

將上面的式代入nmin，得

從公式角度充分體現(xiàn)了D和s不是孤立的，而是相互依存的；調速范圍和靜差率都是在額定負載工況下來談的；S越小，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍D越小。3.2直流電動機3.2.1直流電動機的結構組成包括定子和轉子部分（1）定子部分機座主磁極電刷裝置換向極3.2.1直流電動機的結構組成包括定子和轉子部分（2）轉子部分電樞鐵芯電樞繞組換向器轉軸3.2.1直流電動機的結構組成包括定子和轉子部分3.2.1直流電動機的結構組成實例3.2.1直流電動機的結構組成3.2.2直流電動機的工作原理直流電動機模型在定子的勵磁繞組中通入直流電，產生磁場。如模型中所示上N下S。在轉子的電樞繞組中通入直流電，方向如圖所示。3.2.2直流電動機的工作原理在磁場中的電流會受到力的作用，根據(jù)左手定則（把左手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入手心，手心面向N極，四指指向電流所指方向，則大拇指的方向就是導體受力的方向），則轉子受到力的方向如圖所示，轉子就旋轉起來。3.2.2直流電動機的工作原理加于直流電機的直流電源，借助于換向器和電刷的作用，使直流電樞線圈流過的電流方向是交變的，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不變，確保直流電機朝確定的方向連續(xù)旋轉。如果要改變電機的旋轉方向呢？3.2.3直流電動機的類型直流電動機根據(jù)勵磁的不同，可分為：他勵直流電動、永磁直流電動機、串勵直流電動機、并勵直流電動機、復勵直流電動機。（1）直流電動機速度公式：n—轉速（r/min）；Ud0—

電樞電壓（V）；Id—

電樞電流（A）；RΣ

—

電樞回路總電阻（)；Φ—

勵磁磁通（Wb）；Ke—由電機結構決定的電動勢常數(shù)3.2.4直流電動機的調速方法（2）調速方法由式可以看出，有三種方法調節(jié)電動機的轉速：

調節(jié)電樞供電電壓U。減弱勵磁磁通

。改變電樞回路電阻R。

哪種調速方法更好呢？工程上一般采用哪種方法調速呢？3.2.4直流電動機的調速方法（1）電機機械特性的表達式

直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：稱為理想空載轉速。實際空載轉速3.2.5直流電動機的機械特性（2）固有機械特性當時的機械特性稱為固有機械特性：

由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，即β很小，所以固有機械特性是硬特性。

當T=TN時，n=nN，此點為電動機額定工作點，轉速差Δn=n0-nN，為額定轉速差。

當n=0時，即電動機起動時，電磁轉矩Tem=Ts，稱為起動轉矩。令：3.2.5直流電動機的機械特性電樞串電阻時的人為機械特性

保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點：1）不變，變大；

2）越大，特性越軟。（3）人為機械特性當改變或或得到的機械特性稱為人為機械特性。

故電樞串電阻的人為機械特性是通過理想空載點的一簇放射性直線。3.2.5直流電動機的機械特性降低電樞電壓時的人為機械特性

保持不變，只改變電樞電壓時的人為特性：特點：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。

因此降低電樞電壓時的人為機械特性曲線是一組平行于固有機械特性的直線。3.2.5直流電動機的機械特性減弱勵磁磁通時的人為特性

保持不變，只改變勵磁回路調節(jié)電阻的人為特性：特點：1）弱磁，

增大；

2）弱磁，增大

注：他勵直流電動機起動和運行過程中，絕不允許勵磁回路斷開。3.2.5直流電動機的機械特性實際上，電機轉矩與電樞電流Id成比例，電流比電機轉矩利于測量，所以通常都用電機的轉速特性n=f(Id)來代表其機械特性n=f(Te)直流電動機速度：n—轉速（r/min）；Ud0—

電樞電壓（V）；Id—

電樞電流（A）；RΣ

—

電樞回路總電阻（)；Φ—

勵磁磁通（Wb）；Ke—由電機結構決定的電動勢常數(shù)。其中稱為轉速降。

3.2.5直流電動機的機械特性比較這三種的人工機械特性，選擇哪一種調速方法好呢？一般工程上采用調壓調速。3.2.5直流電動機的機械特性行業(yè)榜樣馬剛星2010年畢業(yè)于四川工程職業(yè)技術學院數(shù)控技術（維修方向）專業(yè)，先后就職于東方電氣集團東方汽輪機有限公司、四川三聯(lián)新材料有限公司，維修電工高級技師。畢業(yè)后不斷努力，刻苦鉆研技術，多次獲得各種技能比賽大獎，在2014年中國技能大賽-四川省德陽市職業(yè)技能大賽維修電工項目競賽中，榮獲三等獎，2017年四川省德陽市職業(yè)技能大賽電工項目競賽中，榮獲第一名，2018年獲得“德陽市技術能手示范個人”，2019年在第十五屆“振興杯”全國青年職業(yè)技能大賽中榮獲電工第12名，在四川技能大賽-2019年四川省青年職業(yè)技能大賽電工比賽中獲得第4名，多次榮獲集團公司“崗位能手”、“崗位標兵”、“先進工作者”等諸多榮譽。2021年獲得“四川工匠”稱號。3.3晶閘管供電的直流調速系統(tǒng)3.3.1開環(huán)直流調速系統(tǒng)(1)開環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主。(2)開環(huán)系統(tǒng)存在的問題當外界有擾動時，轉速有較大波動，不能自我調節(jié)補償靜差率大，對靜差率有一定要求的系統(tǒng)，不能滿足要求。開環(huán)系統(tǒng)只適用用于對調速精度要求不高的場合，但許多需要無級調速的生產機械為了保證加工精度，常常對調速精度提出一定的要求，這時，開環(huán)調速已不能滿足要求。3.3.1開環(huán)直流調速系統(tǒng)3.3.2轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)靜差率大，不能滿足系統(tǒng)要求，就需要減小靜差率，但靜差率減小，也會使調速范圍減小，但我們往往需要較大的調速范圍，這就存在矛盾，引入負反饋可以解決這個矛盾。引入轉速負反饋也可減小轉速降，系統(tǒng)可以對外界干擾進行自我調節(jié)。（1）轉速負反饋調速系統(tǒng)組成3.3.2轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)3.3.2轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)（1）整個系統(tǒng)的組成框圖3.3.2轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)Id閉環(huán)靜特性n開環(huán)機械特性0Id1Id3Id2Id4OABCA′DUd4Ud3Ud2Ud1（2）工作調節(jié)過程3.3.2轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性是保持電樞兩端電壓不變，轉速與負荷之間的關系；閉環(huán)系統(tǒng)靜特性是保持給定電壓不變，轉速與負荷之間的關系；（給定電壓不變，系統(tǒng)會自我調節(jié)，電樞兩端電壓是不斷變化的，工作在不同的機械特性曲線上）3.3.2轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)（3）開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關系系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為

而閉環(huán)時的靜特性可寫成

（1）閉環(huán)系統(tǒng)速降小,靜特性硬

它們的關系是在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為（2）系統(tǒng)的靜差率小,穩(wěn)速精度高

開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為（3）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調速范圍。則得（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器。

上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K要足夠大，因此必須設置放大器。如果電動機的最高轉速都是，而對最低速靜差率的要求相同，那么：K能否足夠大?根據(jù)前面的比例控制規(guī)律,如果K太大,可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定該類調速系統(tǒng)調節(jié)器使用的是P調節(jié)器，不能消除偏差，把它稱為有差調速系統(tǒng)。3.3.2轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)3.3.3無靜差調速系統(tǒng)(1)問題的引出如前，采用P放大器控制的有靜差的調速系統(tǒng)，Kp

越大，系統(tǒng)精度越高；但Kp

過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。根據(jù)自動控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，我們知道，調節(jié)器采用比例規(guī)律，不可能消除偏差，要構成無靜差系統(tǒng)，須引入積分控制規(guī)律無靜差直流調速系統(tǒng)示例

（2）無靜差直流調速系統(tǒng)的組成3.3.3無靜差調速系統(tǒng)由開環(huán)——有差調速系統(tǒng)——無差調速系統(tǒng)。。。。面對工程中出現(xiàn)新的問題，我們怎么一步步解決？對你有什么啟示？結論：閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

降低速降的實質是什么?提高電樞兩端的電壓3.4直流調速器及應用3.4.1什么是直流調速器直流電動機觸發(fā)整流裝置勵磁電源電樞電源測速裝置控制器輸入給定裝置轉速直流調速器(1)直流調速系統(tǒng)的組成（2）直流調速器直流調速器就是調節(jié)直流電動機速度的設備（3）直流調速器實例3.4.1什么是直流調速器直流調速器將交流電轉換成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機勵磁（定子），一路輸入給直流電機電樞（轉子），直流調速器通過控制電樞直流電壓來調節(jié)直流電動機轉速。3.4.2直流調速器的工作原理直流調速器的應用場合（1）需要較寬的調速范圍；（2）需要較快的動態(tài)響應過程；（3）加、減速時需要自動平滑的過度過程；（4）需要低速運轉時力矩大；（5）需要較好的挖土機特性，能將過載電流自動限制在設定電流上。3.4.2直流調速器的工作原理3.4.3直流調速系統(tǒng)電氣原理圖設計

提出問題：怎么用一個具體的直流調速器連接成一個直流調速系統(tǒng)？以英杰M1R10直流調速器為例講解。

查閱技術手冊，了解各接線端口的功能及連接。3.4.3直流調速系統(tǒng)電氣原理圖設計3.4.3直流調速系統(tǒng)電氣原理圖設計以西門子802C系統(tǒng)作控制器，英杰M1R10直流調速器作驅動器，設計直流主軸控制系統(tǒng)。3.4.3直流調速系統(tǒng)電氣原理圖設計行業(yè)榜樣周紅良2010年畢業(yè)于四川工程職業(yè)技術學院數(shù)控技術（維修方向）專業(yè)，現(xiàn)就職于東方電氣集團東方汽輪機有限公司，維修電工高級技師?！暗玛柺惺紫紟煛?、“德陽市技術能手”、東汽集團“十佳青年崗位技術能手”?，F(xiàn)任東汽裝備能源部裝備大修工段副工段長、高技能人才創(chuàng)新工作室秘書長、裝備能源部黨支部宣傳委員、裝備能源部分會維修支會主席、公司人力資源部兼職教師。項目4

變頻主軸電氣控制系統(tǒng)安裝與調試4.1三相交流異步感應電動機4.2三相交流異步感應電動機變頻調速原理4.3變頻器的工作原理4.4變頻器的應用4.1三相交流異步感應電動機4.1.1三相交流異步感應電動機結構組成三相異步電動機由定子和轉子構成,定子和轉子之間有氣隙.

(1)定子定子由鐵心,繞組,機座三部分組成.

鐵心由0.5mm的硅鋼片疊壓而成;

三相繞組連接成星形或三角形;

機座一般用鑄鐵作成,主要用于固定和支撐定子鐵心.

(2)轉子轉子由鐵心和繞組組成.

轉子同樣由硅鋼片疊壓而成,壓裝在轉軸上;

轉子繞組分為鼠籠式和線繞式兩種.

線繞式異步電動機還有滑環(huán),電刷機構.鼠籠式三相異步電動機的結構示意圖1、2端蓋3、接線端子盒4、定子外殼5.定子鐵心,6.定子繞組,7.轉軸,8.轉子,9.風扇,10、風扇罩11.軸承,12.機座4.1.1三相交流異步感應電動機結構組成前端蓋機座風罩（和后端蓋固定在一起，風扇在后端蓋外）接線盒三相驅動電源U、V、W（由變頻器提供）定子繞組定子鐵心籠型轉子去掉鐵心后導條

三相交流異步電動機的定子鐵心由硅鋼片疊合而成，線圈槽中嵌有三相對稱繞組，外接三相交流電源；轉子也由硅鋼片疊合而成，線圈槽中有導條。4.1.1三相交流異步感應電動機結構組成鼠籠式轉子

轉子鐵心中有鑄鋁導條或安裝銅導條，兩端有短路環(huán)。去掉鐵心后，剩下的導條形似鼠籠，因此，三相交流異步電動機俗稱鼠籠式電動機。4.1.1三相交流異步感應電動機結構組成三相繞線式轉子4.1.1三相交流異步感應電動機結構組成4.1.2三相交流異步感應電動機的工作原理工作過程描述(1)三相正弦交流電通入電動機定子的三相繞組,產生旋轉磁場,旋轉磁場的轉速稱之為同步轉速;(2)旋轉磁場切割轉子導體,產生感應電勢;(3)轉子繞組中感生電流;(4)轉子電流在旋轉磁場中產生力,形成電磁轉矩,電動機就轉動起來了.

電動機的轉速達不到旋轉磁場的轉速,否則,就不能切割磁力線,就沒有感應電勢,電動機就停下來了.轉子轉速與同步轉速不一樣,差那么一些,稱之為異步.

設同步轉速為no,電動機的轉速為n,則轉速差為;no-n;

電動機的轉速差與同步轉速之比定義為異步電動機的轉差率S,S是分析異步電動機運行情況的主要參數(shù),且

（1）三相異步電動機的旋轉磁場(1)旋轉磁場的產生設電動機為2極,每相繞組只有一個線圈.在0-T/2這個區(qū)間,分析有一相電流為零的幾個點.規(guī)定:當電流為正時,從首端進尾端出;電流為負時,從尾端進首端出.4.1.2三相交流異步感應電動機的工作原理t=0時，iA=0;iB為負，電流實際方向與正方向相反，即電流從Y端流到B端；iC為正，電流實際方向與正方向一致，即電流從C端流到Z端。按右手螺旋法則確定三相電流產生的合成磁場，如圖(a)中箭頭所示。t=0時，iA=0;iB為負，iC為正t=T/6時，ωt=ωT/6=π/3,iA為正(電流從A端流到X端)；iB為負(電流從Y端流到B端)；iC=0。此時的合成磁場如圖(b)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了π/3。t=T/6時，ωt=ωT/6=π/3,iA為正；iB為負；iC=0此時的合成磁場如圖(c)所示，合成磁場已從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了2π/3。t=T/3時，ωt=ωT/3=2π/3,iA為正;iB=0；iC為負此時的合成磁場如圖(d)所示。合成磁場從t=0瞬間所在位置順時針方向旋轉了π。按以上分析可以證明：當三相電流隨時間不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不斷旋轉，這樣就產生了旋轉磁場。t=T/2時，ωt=ωT/2=π,iA=0；iB為正；iC為負。旋轉磁場的旋轉方向與三相交流電的相序一致;改變三相交流電的相序,即A-B-C變?yōu)镃-B-A,旋轉磁場反向;要改變電動機的轉向,只要任意對調三相電源的兩根接線.(2)旋轉磁場的旋轉方向式中,f為電源頻率50HZ;p為電動機的磁極對數(shù).電動機的磁極對數(shù)為1時,同步轉速為3000r/min;電動機的磁極對數(shù)為2時,同步轉速為1500r/min;電動機的磁極對數(shù)為3時,同步轉速為1000r/min.(3)旋轉磁場的旋轉速度-----同步轉速no

4.1.2三相交流異步感應電動機的工作原理注意:三相繞組連接成星形,每相繞組承受相電壓220V;

三相繞組連接成三角形,每相繞組承受線電壓380V.4.1.3三相交流異步感應電動機的接線方式電動機銘牌數(shù)據(jù):額定功率PN;額定電壓UN;額定頻率f=50Hz;額定電流IN;額定轉速nN;有的參數(shù)要經過計算得出:額定效率額定負載轉矩額定效率額定負載轉矩（1）三相異步電動機的銘牌4.1.4三相交流異步感應電動機的銘牌數(shù)據(jù)（1）銘牌上有哪些數(shù)據(jù)?（2）該電機同步轉速是多少？有幾對磁極？轉差率是多少？（3）正常工作時，該電機繞組應該連接成星形還是三角形？（4）該電機能否采用Y/△降壓起動？4.1.4三相交流異步感應電動機的銘牌數(shù)據(jù)（2）三相異步電動機的能流圖P2等于P1減去電動機的總損耗電源輸入的功率P1:電動機的輸出功率P2(銘牌功率)4.1.4三相交流異步感應電動機的銘牌數(shù)據(jù)三相交流異步感應電動機檢測（1）用萬用表測量三相繞組電阻值，測得的三個數(shù)據(jù)應相等，電機功率越大，電阻值越小。（2）用兆歐表測量三相繞組之間的絕緣，正常情況下兆歐表讀數(shù)應該大于0.5MΩ。（3）用兆歐表測量繞組與外殼之間的絕緣，正常情況下兆歐表讀數(shù)應該大于0.5MΩ。（4）用手轉動電機轉軸，應該能輕松的旋轉。4.1.4三相交流異步感應電動機的銘牌數(shù)據(jù)

固有機械特性(自然機械特性):在額定電壓和額定頻率下,定子和轉子電路中不接任何電阻或電抗時,電動機的機械特性n=f(T).(2)額定工作點

T=TN,n=nN,S=SN;此時有自然特性上有4個特殊點:(1)理想空載轉速點noT=0,n=no,S=0;4.1.5三相交流異步感應電動機的機械特性(3)起動工作點

T=Tst,n=0,S=1;此時有(4)臨界工作點

T=Tanm,n=nm,s=Sm;有:自然機械特性人為機械特性介紹4種人為特性,即:降低定子電壓時,定子電路串入電阻或電抗時,變頻率時,線繞電動機轉子串電阻時.

(1)降低電壓時的人工特性電壓越低,人工特性曲線越往左移;

電動機的過載能力和起動轉矩會大大降低;

電壓降低,負載轉矩不變時,電動機過熱;

電壓降低太多,電動機將帶不動負載(不能起動).(2)定子電路串入電阻或電抗時的人工特性

定子電路串電阻或電抗時的人工機械特性如右圖中虛線2所示,1為電壓降低時的人工機械特性;

曲線2與曲線1相比較,最大轉矩要大一些.(3)改變定子電源頻率時的人工特性

隨著頻率的降低,理想空載轉速只能在電源額定頻率以下調節(jié);轉速no減小,臨界轉差率Sm減小,起動轉矩Tst增大,最大轉矩Tmax不變.(4)三相線繞式異步電動機轉子電路外接電阻時的人工特性電路圖如右圖中(a)所示,三相轉子繞組通過滑環(huán)電刷機構與外接電阻相聯(lián)接;起動轉矩增加(有利),理想空載轉速和最大轉矩不變.思考：通過以上幾種電動機的機械特性對比，哪種特性更優(yōu)呢？4.1.6交流電動機的調速方法

由此可見，要改變電機轉速可采用以下幾種方法。①改變磁極對數(shù)P它是通過改變定子繞組接線以改變磁極對數(shù)來調速的。②改變轉差率調速常用的是降低定子電壓調速、電磁轉差離合器調速、繞線式異步電動機轉子串電阻調速或串級調速等。③變頻調速變頻調速是平滑改變定子供電電壓頻率而使轉速平滑變化的調速方法，這是交流電動機的一種理想調速方法。電機從高速到低速其轉差率都很小，因而變頻調速的效率和功率因數(shù)都很高。

4.2三相交流電機變頻調速原理在實際調速時，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來看一下變頻時電動機的機械特性的變化情況，由電機學知：式中E1—感應電勢；

Kr1—基波繞組系數(shù)；

N1—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

Φm—每極氣隙磁通量。當略去定子阻抗壓降時，定子相電壓U1為4.2.1變頻調速要保持磁通不變可以看出，Φm減小導致電機允許輸出轉矩T下降，則電機利用率下降，電機的最大轉矩也將降低，嚴重時可能發(fā)生負載轉矩超過最大轉矩，電機就帶不動了，即所謂堵轉現(xiàn)象。又當電壓U1不變，減小f1時，Φm上升會造成磁路飽合，激磁電流會上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機帶負載能力降低。故在調頻調速中，要求在變頻的同時改變定子電壓U1，以維持Φm接近不變，由U1，f1不同的相互關系,而得出不同的變頻調速方式、不同的調速機械特性。由式可見，定子電壓不變時，隨f1的上升，氣隙磁通Φm將減小。又從轉矩公式式中CT—轉矩常數(shù)；

I2—折算到定子上的轉子電流；

cosφ2

—轉子電路功率因數(shù)。4.2.1變頻調速要保持磁通不變定子感應電勢平衡方程式為E=4.44f1W1K1Ф電動機轉矩關系變頻調速時，必須根據(jù)不同的要求，在調節(jié)頻率的同時，也要改變定子的電勢E值，以維持氣隙磁通Ф不變。這就是恒定電勢頻率比的調速方式，即

=常數(shù)但定子電勢E是很難控制的，也不便測量出來。頻率較高時，定子繞組上的阻抗壓降可以忽略，即可認為定子電壓U1≈E，即=常數(shù)，此方式稱為恒壓頻比控制方式。4.2.2變頻調速的控制方式

4.2.3基頻以上和基頻以下的調速要保持磁通恒定，在改變頻率的同時，必須相應改變電機的端電壓，即改變電壓改變頻率（VariableVoltageVariableFrequency,VVVF），讓U/F為一定值，這稱為恒壓頻比的變頻調速。把電機的額定頻率稱為基頻，變頻調速可以在基頻以下或以上進行，它們的特性不一樣。（1）基頻以上調速當在額定頻率以上進行調速時，頻率可以從基頻fn向上升，但相電壓不能增加得比額定電壓高，最多只能保持額定電壓，(為什么？）輸出功率基本不變，所以基頻以上的調速稱為恒功率調速。4.2.3基頻以上和基頻以下的調速（2）基頻以下調速當額定頻率以下調速時，可以按照，頻率減小時，相應的減小相電壓，磁通量基本恒定。如果電動機在不同轉速下都具有額定電流，電動機在溫升允許的條件下長期運行，這時的轉矩基本隨著磁通量變化，所以基頻以下的調速稱為恒轉矩調速。4.2.3基頻以上和基頻以下的調速異步電動機變頻調速的機械特性異步電動機變頻調速控制特征4.2.3基頻以上和基頻以下的調速4.3變頻器工作原理4.3.1變頻器的結構組成(1)變頻器的組成框圖 變頻器是將恒壓恒頻的交流電源轉換成頻率和電壓都連續(xù)可調的三相交流電源的裝置。通常先將頻率和電壓固定的交流電源整流成直流電，然后再把直流電逆變成三相交流電源?！麟娐窞V波電路逆變電路M控制電路交流直流直流交流電源電動機制動電路制動電阻直流(1)變頻器的組成框圖幾個名詞說明：整流：交流——直流濾波：直流消除紋波斬波：直流——直流逆變：直流——交流4.3.1變頻器的結構組成(2)變頻器主回路整流電路通常用二極管或晶閘管構成的橋式電路組成，將交流電源變成直流電。濾波電路一般用電容或電感進行濾波，用電容濾波構成電壓源型變頻器，用電感濾波構成電流源型變頻器。逆變電路一般用大功率的晶體管構成，將直流電轉換成電壓和頻率均可連續(xù)變化的交流電供給電動機。制動電路及制動電阻：外接制動電阻，消耗過多的回饋能量，保持直流母線電壓不超過最大值。整個變頻器的主回路如圖4.3.1變頻器的結構組成(2)變頻器的主回路以上電路存在的問題？電容直接接到整流橋后可能會發(fā)生什么情況？一個電容接到整流橋后可能會發(fā)生什么情況？4.3.1變頻器的結構組成(2)變頻器的主回路整流橋模塊4.3.1變頻器的結構組成(2)變頻器的主回路逆變橋使用的器件大功率晶體管（GTR）絕緣門極晶體管（IGBT）GTR模塊（單橋）單管IGBT單橋IGBT模塊全橋IGBT模塊4.3.1變頻器的結構組成(2)變頻器的主回路逆變橋使用的器件IPM模塊（智能功率模塊）PIM模塊（功率集成模塊）4.3.1變頻器的結構組成(3)變頻器的控制回路控制回路：對主回路進行控制，主要根據(jù)輸入命令，控制逆變電路的晶體管的導通時間、導通順序，從而讓變頻器輸出頻率和電壓均連續(xù)可變的交流電。 變頻器的控制命令可以從變頻器面板鍵盤輸入，實現(xiàn)就地控制，也可從變頻器的外接控制端口輸入，實現(xiàn)遠程控制。在數(shù)控機床上，由數(shù)控系統(tǒng)輸出0-10V的速度信號及電機的正反轉信號。幾種控制命令的輸入形式：4.3.1變頻器的結構組成變頻器端子實物輸入單相或三相電源外接制動電阻變頻器的輸出，接到電動機外接信號的控制端子4.3.1變頻器的結構組成(4)變頻器實物

4.3.1變頻器的結構組成4.3.2逆變器的工作原理(1)單相逆變電路什么是交流電？大小和方向隨時間呈周期性變化的電流或電壓看如下電路圖

當S1、S4兩個開關閉合，S2、S3兩個開關斷開時，直流電流過負載是從a到b；當S1、S4兩個開關斷開，S2、S3兩個開關閉合時，直流電流過負載是從b到a。

可見在負載上得到了交變的電流(1)單相逆變電路當控制S1-S4四個開關閉合或斷開的時間時，負載上形成的波形如圖

當S1-S4四個開關通斷的頻率越快，得到的交流電的頻率越高，如圖中上方的波形；當四個開關通斷頻率越慢，得到的交流電的頻率越低。先前開關的通斷順序為：S1、S4先閉合，S2、S3后閉合，如果S2、S3先閉合，S1、S4后閉合，會得到怎樣的交流電？4.3.2逆變器的工作原理(2)三相逆變電路 與單相逆變橋相似，再增加兩個開關，控制S1-S6六個開關的通斷順序及時間，即可將直流電源變成電壓和頻率連續(xù)可調的三相交流電。

在實際中，為了讓S1-S6六個開關的通斷的頻率更快，一般用GTO、IGBT等晶體管4.3.2逆變器的工作原理4.3.3恒壓頻比的變頻調速變頻器在變頻調速時重要的是變壓變頻（VariableVoltageVariableFrequency,VVVF），保持電動機的磁通量為一定值。怎么能實現(xiàn)呢？有以下方法：脈沖寬度調制PWM（PulseWidthModulation,PWM）正弦波脈沖寬度調制SPWM（SinusoidalPWM）(1)理論基礎在控制理論中有一個重要結論，沖量（窄脈沖的面積）相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。這是PWM控制的重要理論基礎。圖中面積相等的不同形狀的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上（如電感負載、電容負載），他們的效果基本相同。4.3.3恒壓頻比的變頻調速(2)脈沖寬度調制用一系列等幅等寬的脈沖序列來獲得不同頻率不同電壓若整流后的電壓為Us，經PWM后，輸出的電壓

圖a中的是圖b中的兩倍，而相同。由上可見：圖a中的電壓是圖b中的1/2；圖a中的頻率是圖b中的1/2。4.3.3恒壓頻比的變頻調速(3)正弦波脈沖寬度調制（SPWM）將一個正弦波電壓分為N等份，并把正弦曲線每一等份所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，脈沖的寬度與正弦波的大小成正比，這樣就得到寬度按正弦變化規(guī)律變化的脈沖序列，簡稱為SPWM波

按照V/F控制方式的變頻器輸出的電壓波形是一系列的矩形波，并不是標準的三相正弦波交流電，特別在低頻時，存在諧波損耗，轉矩會出現(xiàn)脈動，低頻時轉矩輸出會減小，調速范圍會受到限制。Ou>Ou>4.3.3恒壓頻比的變頻調速4.3.4矢量控制方式的變頻調速依照直流電動機，在理論上將定子側電流分解成建立磁場的勵磁分量和產生轉矩的轉矩分量兩個正交矢量來處理，進行分別控制。用這種控制方式的變頻器可以讓交流電動機獲得與直流調速類似或更加優(yōu)越的性能?？梢蕴岣叩皖l時的輸出轉矩。行業(yè)榜樣何波何波，第十五屆“中華技能大獎”獲得者，曾獲得全國技術能手、天府工匠、四川工匠、成都市勞動模范、中央企業(yè)青年崗位能手、中國電科技術能手、中國電科青年崗位能手等榮譽稱號。他是國家級技能大師工作室?guī)ь^人、四川省示范勞模創(chuàng)新工作室?guī)ь^人，享受國務院政府特殊津貼。何波秉承“獻身國防、追求卓越”的堅定信念，始終堅守在電子裝備的科研生產一線，刻苦鉆研，用實力和魄力肩挑電子裝備研制重擔，成為我國精密數(shù)控加工領域知名的專家型技能人才。他憑借精湛的技藝，攻克多個國家重點型號研制中的精密制造技術難題，多次實現(xiàn)電子裝備的跨代發(fā)展。多年來，他完成技術創(chuàng)新成果280余項，獲得國家專利10項，發(fā)表技術論文2篇，撰寫技術規(guī)范8篇，累計創(chuàng)造經濟效益4500萬元，培養(yǎng)了一大批高技能人才，為我國新一代電子裝備研制和技能人才培養(yǎng)做出了突出貢獻。4.4變頻器的應用4.4.1變頻器的類型（1）根據(jù)變流環(huán)節(jié)分類交-直-交變頻器交-直-交變頻器是先將頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率可變的交流電。頻率變化不受限制。大多數(shù)變頻器屬于此類。交-交變頻器把頻率固定的交流電直接變換成頻率連續(xù)可調的交流電。因只需一次電能轉換，效率高，工作可靠，但是頻率的變化范圍有限。（最高頻率小于電網頻率的1/2）該類變頻器只在低轉速、大容量的系統(tǒng)，如軋鋼機、水泥回轉窯等場合使用。（2）根據(jù)直流電路的濾波方式分類電壓型變頻器在逆變器前使用大電容來緩沖無功功率，直流電壓波形比較平直，相當于一個理想情況下的內阻抗為零的恒壓源。對負載電動機來說，變頻器是一個交流電源，在不超過容量的情況下，可以驅動多臺電動機并聯(lián)運行。電流型變頻器在逆變器前使用大電感來緩沖無功功率，直流電流波形比較平直；其突出特點是容易實現(xiàn)回饋制動，調速系統(tǒng)動態(tài)響應快。適用于頻繁急加速的大容量電動機的傳動系統(tǒng)。4.4.1變頻器的類型（3）根據(jù)控制方式分類V/F控制變壓變頻，使電動機的磁通保持恒定。多用于通用變頻器，如風機和泵類機械的節(jié)能運行、生產流水線的傳送控制和空調等家用電器。（直流變頻空調是怎么回事？）特點：a.最簡單的一種控制方式，不用選擇電動機，通用性優(yōu)良；b.與其他控制方式相比，在低速區(qū)內電壓調整困難，故調速范圍窄，通常在1：10左右的調速范圍內使用；c.急加速、減速或負載過大時，抑制過電流能力有限；d.不能精密控制電動機的實際速度，不適合用于同步運轉場合。4.4.1變頻器的類型（3）根據(jù)控制方式分類矢量控制使交流異步電動機具有與直流電動機相同的控制性能。特點：需要使用電動機參數(shù)，一般用做專用變頻器；調速范圍在1：100以上；速度響應性極高，適合于急加速、減速運轉和連續(xù)四象限運轉，能適用于任何場合。直接轉矩控制直接轉矩控制（DirectTorqueControl，DTC）變頻調速，是繼矢量控制技術之后又一新型的高效變頻調速技術。它不是控制電壓、電流等，而是把轉矩作為被控制變量。4.4.1變頻器的類型（4）根據(jù)輸入電源的相數(shù)分類單相變頻器變頻器輸入端為單相交流電，輸出端為三相交流電。適用于家用電器和小容量的場合。三相變頻器變頻器的輸入端和輸出端均為三相交流電，絕大多數(shù)變頻器都是這種三進/三出型。4.4.1變頻器的類型4.4.2變頻器的主要技術參數(shù)（1）輸入側額定工作電壓：給變頻器供電的額定工作電壓，各國家不完全一樣。中國是220V/單相/50HZ或380V/3相/50HZ電壓允許波動：限制變頻器的最高和最低工作電壓，避免損壞變頻器，當電壓超過最高值時變頻器并沒有保護能力頻率波動范圍：50/60Hz±5％（2）輸出側額定電壓：因為變頻器的輸出電壓是隨頻率的變化而變化的，所以規(guī)定變頻器的最大輸出電壓為額定輸出電壓。額定電流：允許長時間通過的最大電流，是用戶在選擇變頻器容量的主要依據(jù)。額定容量：由額定輸出電壓和額定輸出電流的乘積決定。配用電動機容量：指在帶動連續(xù)不變負載的情況下，能夠配用的最大電動機容量。輸出頻率范圍：輸出頻率的調節(jié)范圍。頻率精度：輸出頻率的準確度（相對于設定頻率）頻率分辯率：指給定運行頻率的最小改變量（3）防護等級IPXX4.4.2變頻器的主要技術參數(shù)變頻器銘牌實例4.4.2變頻器的主要技術參數(shù)4.4.3變頻器的選用變頻器的選用主要包括種類選擇和容量選擇兩大方面（1）變頻器種類選擇通用型變頻器：一般的U/f控制方式的變頻器，實現(xiàn)一般性能的調速，成本較低，使用較為廣泛。高性能變頻器：采取矢量控制方式或直接轉矩控制方式，實現(xiàn)高性能的調速。用于對調速性能要求高的場合。專用變頻器：專門針對某種類型的機械而設計的變頻器，如風機、泵用變頻器，電梯專用變頻器，起重機械專用變頻器，張力控制專用變頻器等。（還有伺服型、高壓型）（2）容量選擇歸根到底是選擇其額定電流，總的原則是變頻器的額定電流一定要大于拖動系統(tǒng)在運行過程中的最大電流?？紤]以下情況：變頻器是驅動一臺電動機還是多臺？電動機是直接在額定電壓、額定頻率下直接啟動，還是軟啟動。驅動多個電動機時，是同時啟動還是分別啟動。大多數(shù)情況下使用變頻驅動單一的電動機，并且是軟啟動，這時候變頻器的額定電流選擇為電動機額定電流的1.05-1.1倍。當驅動多臺電動機時，多數(shù)情況下也是分別單獨進行軟啟動，這時候變頻器額定電流選擇為多個電動機中最大電動機額定電流的1.05-1.1倍。4.4.3變頻器的選用（3）其他方面的考慮工作電壓、使用環(huán)境變頻器配件的選擇對于變頻器的選配件選配，必須要把握以下幾個原則：A.以下情況要選用交流輸入電抗器、直流電抗器民用場合，如：賓館中央空調、電機功率大于55KW以上；電網品質惡劣或容量偏小的場合；如不選用可能會造成干擾、三相電流偏差大，變頻器頻繁停機。B.以下情況要選用交流輸出電抗器變頻器到電機線路超過100米（一般原則）。C.以下情況一般要選用制動單元和制動電阻提升負載；頻繁快速加減速；大慣量（自由停車需要1min以上，恒速運行電流小于加速電流的設備）。4.4.3變頻器的選用變頻器選用實例現(xiàn)場主軸電機的銘牌，選用一臺變頻器4.4.3變頻器的選用4.4.4西門子G110變頻器介紹（1）變頻器的方框圖（2）電源及電動機接線端子4.4.4西門子G110變頻器介紹（3）控制端子4.4.4西門子G110變頻器介紹（4）調試參數(shù)設置修改權限基本參數(shù)設置（電機的電壓、電流、頻率等額定參數(shù)）命令信號源的選擇（變頻器的面板控制還是端子控制）各端口功能的設置4.4.4西門子G110變頻器介紹案例1用一個轉換開關控制正反轉，一個電位器給定速度信號，設計一個變頻調速系統(tǒng)。4.4.5變頻器典型應用實例案例2用三個按鈕分別控制交流電機正轉、反轉、停止，一個電位器給定速度信號，設計一個變頻調速系統(tǒng)。4.4.5變頻器典型應用實例案例3用三個按鈕分別控制交流電機正轉、反轉、停止，用PLC作控制器，（一個電位器作速度給定信號或PLC輸出速度給定信號），設計一個變頻調速系統(tǒng)。4.4.5變頻器典型應用實例案例4：變頻器在數(shù)控機床主軸的案例4.4.5變頻器典型應用實例行業(yè)榜樣沈玉軍2016年畢業(yè)于四川工程職業(yè)技術學院數(shù)控設備應用與維護專業(yè)，現(xiàn)就職于成飛集團，維修電工高級技師?！暗诹鶎盟拇ㄊ÷毠ぢ殬I(yè)技能大賽數(shù)控裝調與維修競賽”第一名、“2017年成都市青羊區(qū)百萬職工技能大賽維修電工競賽“第一名。獲“四川工匠”、“四川省五一勞動獎章”、“四川省技術能手”和“成都市技術能手”等榮譽。項目5

數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的結構組成認識5.1進給伺服系統(tǒng)的結構組成5.2進給伺服系統(tǒng)的基本要求5.3進給伺服系統(tǒng)的配置方案5.1進給伺服系統(tǒng)的結構組成（1）概述伺服系統(tǒng)（ServoSystem）是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化，也稱隨動系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。它的根本任務是實現(xiàn)執(zhí)行機構對給定指令的準確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、連續(xù)、精確地復現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。

驅動各加工坐標軸運動的傳動裝置稱為進給伺服系統(tǒng)。它包括機械傳動部件和產生主動力矩以及控制其運動的各種驅動裝置。數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)是一種精密的位置跟蹤與定位系統(tǒng)，是以位置為被控變量的自動控制系統(tǒng)5.1進給伺服系統(tǒng)的結構組成數(shù)控機床的進給伺服系統(tǒng)（FeedServoSystem）是數(shù)控裝置與機床本體間電傳動聯(lián)系的環(huán)節(jié)，也是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。它用于接收數(shù)控裝置插補器發(fā)出的進給脈沖或進給位移量信息，經過一定的信號轉換和電壓、功率放大，由伺服電機帶動傳動機構，最后轉化為機床工作臺相對于刀具的直線位移或回轉位移。在數(shù)控機床中，伺服是指有關的傳動或運動參數(shù)均嚴格按照數(shù)控裝置的控制指令實現(xiàn)，這些參數(shù)主要包括運動的速度、運動的方向和運動的起停位置等。數(shù)控機床的性能在很大程度上取決于進給伺服系統(tǒng)的性能。5.1進給伺服系統(tǒng)的結構組成（2）位置、速度、電流三閉環(huán)結構5.1進給伺服系統(tǒng)的結構組成5.2進給伺服系統(tǒng)的基本要求（1）穩(wěn)定性好： 穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調節(jié)過程后，達到新的或者恢復到原來的平衡狀態(tài)。通常要求承受額定力矩變化時，靜態(tài)速降小于5%，動態(tài)速降小于10%。當負載變化時，輸出速度應基本不變。即△n盡可能小；當負載突變時，要求速度的恢復時間短且無振蕩。即△t盡可能短；直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。tn△t△n(2)精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。

靜態(tài)：要求定位精度和重復定位精度要高，即定位誤差和重復定位誤差要小。(以保證尺寸精度)

動態(tài)：要求跟隨精度高，即跟隨誤差要小，這是動態(tài)性能指標。(以保證輪廓精度)現(xiàn)代數(shù)控機床的位移精度一般為0.01~0.001㎜，甚至可高達0.1μm，以保證加工質量的一致性，保證復雜曲線、曲面零件的加工精度。另外，要求靈敏度高，有足夠高的分辨率。5.2進給伺服系統(tǒng)的基本要求（3）響應速度快且無超調要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。伺服系統(tǒng)處于頻繁地啟動、制動、加速、減速等動態(tài)過程中，為了提高生產率和保證加工質量，則要求加、減速度足夠大，以縮短過渡過程時間。通常要求從0→Nmax（Nmax→0),其時間應小200ms，且不能有超調，否則對機械部件不利，有害于加工質量。當負載突變時，過渡過程前沿要陡，恢復時間要短，且無振蕩。這樣才能得到光滑的加工表面。tntp5.2進給伺服系統(tǒng)的基本要求（4）調速范圍寬調速范圍是指最高進給速度和最低進給速度之比。由于加工所用刀具、被加工零件材質以及零件加工要求的變化范圍很廣，為了保證在所有加工情況下都能得到最佳的切削條件和加工質量，要求進給速度能在很大的范圍內變化，即有很大的調速范圍。目前最先進水平是在脈沖當量或最小設定單位為1μm的情況下，進給速度能在0～240m／min的范圍內連續(xù)可調。一般數(shù)控機床的進給速度能在0～240m／min的范圍之內連續(xù)可調并能滿足加工要求。在這一調速范圍內，要求速度均勻、穩(wěn)定，低速時無爬行。還要求在零速時伺服電機處于電磁鎖住狀態(tài)，以保證定位精度不變。5.2進給伺服系統(tǒng)的基本要求（5）低速大轉矩機床加工，大多是低速時進行切削，即在低速時進給驅動要有大的轉矩輸出。

（6）可逆運行綜上所述：對伺服系統(tǒng)的要求包括靜態(tài)和動態(tài)特性兩方面；對高精度的數(shù)控機床，對其動態(tài)性能的要求更嚴。5.2進給伺服系統(tǒng)的基本要求5.3進給伺服系統(tǒng)配置方案方案1：開環(huán)進給伺服方案（1）設備配置：步進驅動器+步進電機步進驅動器步進電機機械執(zhí)行部件CNC數(shù)控系統(tǒng)方案1：開環(huán)進給伺服方案（2）特點：

該方案沒有位置反饋檢測裝置，構成開環(huán)進給伺服系統(tǒng)，因執(zhí)行電機采用步進電機，也稱為步進伺服系統(tǒng)。步進電機步距誤差，齒輪副、絲杠螺母副等的傳動誤差都會反映在零件上，影響零件的精度。機床運動精度主要取決于步進電機和機械傳動機構的性能和精度。結構簡單、工作穩(wěn)定、調試方便、維修簡單、價格低廉。（3）應用

在精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合得到廣泛應用，一般用于經濟型數(shù)控機床。5.3進給伺服系統(tǒng)配置方案方案2：半閉環(huán)進給伺服方案（1）設備配置：伺服驅動器+伺服電機CNC數(shù)控系統(tǒng)伺服驅動器編碼器反饋信號-電機機械執(zhí)行部件5.3進給伺服系統(tǒng)配置方案4、數(shù)控機床進給驅動配置方案方案2：半閉環(huán)進給伺服方案（2）特點：

利用伺服電機自帶的編碼器作位置和速度檢測，構成半閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)。在半閉環(huán)環(huán)路內不包括或只