電機(jī)控制系統(tǒng)論文

1、 網(wǎng)絡(luò)高等教育本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 題 目：電機(jī)控制系統(tǒng)研究 學(xué)習(xí)中心： 層 次： ?？破瘘c(diǎn)本科 專 業(yè)： 年 級(jí)： 年 春/秋 季 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 年 月 日內(nèi)容摘要電機(jī)是電能生產(chǎn)傳輸和分配的主要設(shè)備。在發(fā)電廠，發(fā)電機(jī)由汽輪機(jī)、水輪機(jī)、柴油機(jī)或其他動(dòng)力機(jī)械帶動(dòng)，這些原動(dòng)機(jī)將燃料燃燒的熱能、水的的位能、原子核裂變的原子能等轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸入到發(fā)電機(jī)，由發(fā)電將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓再通過升壓變壓器升降后向遠(yuǎn)距離輸送；在各用電區(qū)域，又通過不同電壓等級(jí)的降壓變壓器將電壓降低供給用戶。在工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用電機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)

2、機(jī)械和設(shè)備，一個(gè)現(xiàn)代化企業(yè)通過電機(jī)控制系統(tǒng)控制著幾百上千的不同電機(jī)，在這寫電機(jī)中每臺(tái)電機(jī)都扮演者自己所特有的角色，它們分工明確團(tuán)隊(duì)的集體效應(yīng)為社會(huì)的工業(yè)發(fā)展作出了極大的貢獻(xiàn)。例如在高級(jí)汽車生產(chǎn)中，為了控制燃料和改善乘車感覺以及顯示有關(guān)裝置狀態(tài)的需要，這部分需要將近50臺(tái)左右的電機(jī)工作，而豪華橋車上的電機(jī)更是要多達(dá)100臺(tái)，和我們生活密切相關(guān)的家用電器，如電風(fēng)扇、電唱機(jī)、電話機(jī)、影碟機(jī)、攝像機(jī)等等在這些設(shè)備內(nèi)部都有或多或少的電機(jī)，正是生活中有著這些電機(jī)控制系統(tǒng)的存在我們的生活才會(huì)變得豐富多彩。電機(jī)的控制系統(tǒng)不僅在生活中占據(jù)著重要地位在軍事領(lǐng)域更是發(fā)揮著毋庸置疑的重要角色，特別是近些年來火炮和雷達(dá)

3、的定位系統(tǒng)，人造衛(wèi)星發(fā)射和飛行的控制，船艦方向舵的自動(dòng)操縱，機(jī)床加工的自動(dòng)控制都用了電機(jī)控制系統(tǒng)。隨著社會(huì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，特別是近年來超導(dǎo)技術(shù)、磁流體發(fā)電技術(shù)、壓電技術(shù)、電力電子技術(shù)和電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為電機(jī)技術(shù)的發(fā)展開辟了更加廣闊的前景。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)、交流電機(jī)目 錄內(nèi)容摘要I引 言11 電機(jī)控制系統(tǒng)介紹21.1 電機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成21.1.1 電動(dòng)機(jī)21.1.2 功率放大與變換裝置31.1.3 控制器31.1.4 傳感器41.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律51.3 電機(jī)控制系統(tǒng)的分類62 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)72.1 概述72.2 直流電機(jī)的調(diào)速方式72.3 交流電機(jī)的調(diào)速方

4、式83 伺服電機(jī)系統(tǒng)113.1 概述113.2 伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理113.3 伺服系統(tǒng)的應(yīng)用及展望124 結(jié) 論14參考文獻(xiàn)15引 言蒸汽機(jī)啟動(dòng)了18世紀(jì)第一次產(chǎn)業(yè)革命，19世紀(jì)末到20世紀(jì)上半年電機(jī)又引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命，使人類進(jìn)入了電氣化時(shí)代。20世紀(jì)下半年的信息技術(shù)引發(fā)了第三次產(chǎn)業(yè)革命，使生產(chǎn)和消費(fèi)從工業(yè)化向自動(dòng)化、智能化時(shí)代轉(zhuǎn)變;推動(dòng)了新一代高性能電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展。21世紀(jì)初始，世界汽車工業(yè)又站在了革命的門檻上。顯然，汽車工業(yè)是推動(dòng)社會(huì)現(xiàn)代化進(jìn)程的重要?jiǎng)恿?，然而汽車工業(yè)的發(fā)展也帶來了愈演愈烈的環(huán)境污染和能源消耗過多的兩大問題。而對(duì)于我國(guó)日益擴(kuò)大的汽車市場(chǎng)，這種危機(jī)就更明顯

5、。據(jù)了解，2000年我國(guó)進(jìn)口汽油7000萬噸，預(yù)計(jì)2010年后將超過1億噸，相當(dāng)于科威特一年的總產(chǎn)量。目前世界上空氣污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市中有7個(gè)在中國(guó)，同時(shí)國(guó)家環(huán)保中心預(yù)測(cè)到在2013年汽車尾氣排放量將占空氣污染源的64%,顯然，加劇使用傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展汽車工業(yè)，將會(huì)給我國(guó)的能源安全和環(huán)境保護(hù)造成巨大的影響。為此，國(guó)家科技部啟動(dòng)了十五“863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)。高密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機(jī)其控制系統(tǒng)既是電動(dòng)汽車的心臟又是電動(dòng)汽車研制的關(guān)鍵技術(shù)之一，已被列為863電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的共性關(guān)鍵技術(shù)課題。面對(duì)目前世界，能源日益緊張，環(huán)境日趨惡化這一問題。節(jié)能減排，改善人類生存的環(huán)境，正成為越

6、來越多人們的共識(shí)。低碳已經(jīng)成為一個(gè)世界性的話題，而電能是屬于二次能源，是所有能源種類中最易被人類使用的一種能源，也是很多其它能源所轉(zhuǎn)換的一個(gè)對(duì)象，因此，對(duì)電能的節(jié)約，也就是相應(yīng)的節(jié)約了其它類型的一次性能源，比如煤、油、氣等非再生能源。利用風(fēng)能和水能發(fā)電即充分的利用了自然界能量又極大的保護(hù)了環(huán)境，因此在近些年的能源開發(fā)和利用中電能越來越被社會(huì)各界人士所認(rèn)同。作為電能的消耗者電機(jī)優(yōu)越的控制系統(tǒng)也越來越被人們所重視。1 電機(jī)控制系統(tǒng)介紹1.1 電機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成電機(jī)控制系統(tǒng)一般是由控制器、功率放大與變換裝置、電動(dòng)機(jī)及負(fù)載裝置、信號(hào)反饋傳感器、及信號(hào)處理器組成。電機(jī)控制系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1.1

7、所示。圖1.1 電機(jī)控制系統(tǒng)的組成框圖1.1.1 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象，主要分為以下三類：電動(dòng)機(jī)是通過電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)能量變換的機(jī)械裝置，電和磁是構(gòu)成電機(jī)的兩大要素，缺一不可。電動(dòng)機(jī)工作原理主要是由于交流線圈在磁場(chǎng)中受力從而帶動(dòng)外在的負(fù)載驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。通過電動(dòng)機(jī)這一裝置充分的把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，電機(jī)在整個(gè)機(jī)械裝置中也被當(dāng)之無愧稱為動(dòng)力源。電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中控制對(duì)象方式，主要分為以下三類：1.直流電動(dòng)機(jī)-結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，電刷和換向器限制了它的轉(zhuǎn)速與容量。優(yōu)點(diǎn)：易于控制。2.交流異步電動(dòng)機(jī)-結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，無需機(jī)械換向器，其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動(dòng)機(jī)。3.同步電動(dòng)機(jī)

8、-轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，具有機(jī)械特性硬，在恒頻電源供電時(shí)調(diào)速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，還解決了其起動(dòng)和失步問題，有效地促進(jìn)了同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用。 1.1.2 功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置是電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行手段在整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)中也扮演著重要的角色。電機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩取決于它的動(dòng)態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流。平均電流越大電機(jī)力矩越大，要達(dá)到平均電流大這就需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)盡量克服電機(jī)的反電勢(shì)。因而不同的場(chǎng)合采取不同的的驅(qū)動(dòng)方式不同，到目前為止，驅(qū)動(dòng)方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅(qū)動(dòng)、恒流、細(xì)分?jǐn)?shù)等。為盡量提高電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，將信號(hào)分配、功率放大組

9、成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。功率放大與變換裝置主要由各種電力、電子器件的控制器組成。例如SCR半控型器件，方便地應(yīng)用于相控整流器(ACDC)和有源逆變器(DCAC) ，但用于無源逆變(DCAC)或直流PWM方式調(diào)壓（DCDC）時(shí)，必須增加強(qiáng)迫換流回路，使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著科技的進(jìn)步GTO、BJT、IGBT、MOSFET等控制器被研發(fā)出來 。此類器件用于無源逆變(DCAC) 和直流調(diào)壓（DCDC）時(shí)，無須強(qiáng)迫換流回路，主回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。另一個(gè)特點(diǎn)是可以大大提高開關(guān)頻率，用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)控制功率器件的開通與關(guān)斷，可大大提高可控電源的質(zhì)量。截止目前為止電子工程師們已研發(fā)出具有驅(qū)動(dòng)、保護(hù)功能的復(fù)合功率模塊

10、，大大提高了使用的安全性和可靠性，為工業(yè)電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。1.1.3 控制器在整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)中控制器是重要組成部分，一般控制器使用PLC控制或者單片機(jī)控制，控制器內(nèi)部的程序直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行方案?？刂破髟诮邮馨l(fā)送信號(hào)時(shí)一般有兩種信號(hào)，即數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)。在硬件上便也產(chǎn)生了可編程控制的模擬量控制器和數(shù)字量控制器。1.模擬量控制器：模擬量控制器常用運(yùn)算放大器及相應(yīng)的電氣元件實(shí)現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。所以使用模擬量通訊線一般要求帶屏蔽的同時(shí)要盡量

11、避開其它大功率設(shè)備及會(huì)影響信號(hào)誤差的設(shè)備及裝置。 2.數(shù)字量控制器：硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高、制作成本低、而且不受器件溫度漂移的影響?？刂埔?guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改起來靈活方便。此外，還擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器無法實(shí)現(xiàn)的功能。同時(shí)數(shù)字量控制器對(duì)通訊電纜要求就不那么高只要能有驅(qū)動(dòng)控制器反應(yīng)的能量即可，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器的電量無較高要求。1.1.4 傳感器電機(jī)控制系統(tǒng)中常用電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置的反饋信號(hào)是，為了真實(shí)可靠地得到這些信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)功率電路（強(qiáng)電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應(yīng)的傳感器。通過這些傳感器反饋信號(hào)的數(shù)據(jù)間接的控制著控制器的控制邏輯。 根據(jù)傳感器工作原理，可分為

12、物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類：傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長(zhǎng)。按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為：集成傳感器薄膜傳感器厚膜傳感器陶瓷傳感器：集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)

13、體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測(cè)信號(hào)的部分電路也集成在同一芯片上。薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時(shí)，同樣可將部分電路制造在此基板上，利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。每種工藝技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)和不足。由于研究、開發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以

14、及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。轉(zhuǎn)速傳感器-就是旋轉(zhuǎn)編碼器，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖波（5VDC)送入PLC或其它處理器進(jìn)行處理。電流傳感器-就是電流變送器，將0-5A或更大的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成420mA或020mA的標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)給處理器。電壓傳感器-就是電壓變送器，將0100V或更大的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成010V的標(biāo)準(zhǔn)控制信號(hào)給處理器。振動(dòng)傳感器-檢測(cè)機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)，進(jìn)行線性輸出或繼電器輸出?；魻杺鞲衅?就是電感式的接近開關(guān)，采用霍爾原理。檢測(cè)距離不會(huì)超過10mm。輸出信號(hào)一般都是直流三線制的PNP或NPN輸出。缸壓傳感器就是壓力傳感器，可以輸出繼電器信號(hào)也可以是線性信號(hào)?？諝饬髁?/p>

15、傳感器可以輸出繼電器信號(hào)或電壓、電流的線性信號(hào)。溫度傳感器這個(gè)一般都是線性的電壓輸出。并且要配合溫控器使用還有。1.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式： （1.1）其中：機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度；轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角。（1）運(yùn)動(dòng)控制的目的：電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中因不同的工藝要求需要對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行控制；（2）對(duì)于水平運(yùn)行的電機(jī)主要是控制其水平移動(dòng)的距離以及水平移動(dòng)的速度；（3）通過控制電機(jī)的給定頻率可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速同時(shí)對(duì)于控制不進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以控制其電磁轉(zhuǎn)矩來達(dá)到人們期望的電機(jī)運(yùn)動(dòng)效果。（4）在高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，用轉(zhuǎn)速偏差來調(diào)節(jié)系

16、統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。1.3 電機(jī)控制系統(tǒng)的分類電機(jī)控制系統(tǒng)中有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和測(cè)速電機(jī)控制系統(tǒng)等。 其中伺服電機(jī)控制系統(tǒng)是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象此時(shí)轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降與此同時(shí)體積小、重量輕、輸出功率和轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)方便調(diào)試。步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負(fù)載大小的影響也不像普通電機(jī)，當(dāng)負(fù)載加大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進(jìn)電機(jī)的使用在對(duì)速度和位置都有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合下才方便控制。步進(jìn)電機(jī)是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的具有數(shù)字特征比較明顯的電機(jī)控制系統(tǒng)這樣就給計(jì)算機(jī)控制帶來了很大的方便與此同時(shí)反過來計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)也為步進(jìn)電機(jī)開辟了

17、更為廣闊的使用市場(chǎng)。傳統(tǒng)的機(jī)械速度和位置控制結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜在調(diào)整時(shí)較為困難但使用步進(jìn)電機(jī)后使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單和緊湊。測(cè)速電機(jī)控制系統(tǒng)是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并傳遞到輸入端作為反饋信號(hào)。測(cè)速電機(jī)為一種輔助型電機(jī)在普通直流電機(jī)的尾端安裝測(cè)速電機(jī)以使得通過測(cè)速電機(jī)所產(chǎn)生的電壓反饋給直流電源來達(dá)到控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。伺服電機(jī)是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)它是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)換器。作為液壓閥控制器的伺服電機(jī)是屬于功率很小的微特電機(jī)以永磁式直流伺服電機(jī)和并激式直流伺服電機(jī)最為常用。而步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目

18、前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)使得交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似脈沖串和方向信號(hào)在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異。2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1 概述電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防中的各個(gè)部門各種需要調(diào)速的設(shè)備上都大量的使用著。近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究開發(fā)，已有不少產(chǎn)品在市場(chǎng)上銷售，但這些產(chǎn)品只是對(duì)單個(gè)交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能，在多電機(jī)的同步調(diào)速控制方面尚未進(jìn)行深入研究和

19、探討，也沒有很好的發(fā)揮計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的智能控制作用如何在全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用國(guó)內(nèi)外控制領(lǐng)域中的各個(gè)最新產(chǎn)品和成果進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能這對(duì)當(dāng)前的傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造是非常有意義的。在工業(yè)生產(chǎn)與生活休閑領(lǐng)域電機(jī)主要的作用就是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。為此在電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中就不得不考慮轉(zhuǎn)化過程中能量的轉(zhuǎn)化效率問題了。同時(shí)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度也是對(duì)電機(jī)的一種重要控制。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能如何對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。直流電機(jī)的調(diào)速控制在工程運(yùn)用中最為廣泛，雖然直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)較為復(fù)雜但比起優(yōu)越的調(diào)速性能這些繁瑣的缺點(diǎn)就

20、微不足道了。直流電機(jī)可以通過改變電樞電壓的方法實(shí)現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也可通過改變勵(lì)磁的方法實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。因此，長(zhǎng)期以來，在變速傳動(dòng)領(lǐng)域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導(dǎo)地位。2.2 直流電機(jī)的調(diào)速方式1、直流電機(jī)是指將直流電送到直流電動(dòng)機(jī)，把直流電動(dòng)機(jī)的電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。六十年代以前采用的是發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（F-D），這種方法只有在電動(dòng)機(jī)由專用的發(fā)電機(jī)供電時(shí)才有可能。2、另一種是可控硅-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（SCR-D）。直流電機(jī)的調(diào)速還比較方便，可以通過調(diào)節(jié)電樞供電電壓，電樞中串聯(lián)電阻，激磁回路串聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)?？梢娭绷麟姍C(jī)調(diào)速有三種方法，而且調(diào)節(jié)電樞

21、供電電壓的方法容易實(shí)現(xiàn)平滑、無級(jí)、寬范圍、低損耗的要求。盡管直流電機(jī)調(diào)速就其性能而言，可以相當(dāng)滿意，但因其結(jié)構(gòu)夏雜，慣量大，維護(hù)麻煩，不適宜在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，不易實(shí)現(xiàn)大容量化、高壓化、高速化，而且價(jià)格昂貴。2.3 交流電機(jī)的調(diào)速方式交流電機(jī)的調(diào)試方式和直流電機(jī)調(diào)速方式剛好相反。由于交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、慣量小、維護(hù)方便，可在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，容易實(shí)現(xiàn)大容量化，高壓化、高速化，而且價(jià)格低廉。1、從節(jié)能的角度看，交流電機(jī)的調(diào)速裝置可以分為高效調(diào)速裝置和低效調(diào)速裝置兩大類。高效調(diào)速裝置的特點(diǎn)是：調(diào)速時(shí)基本保持額定轉(zhuǎn)差，不增加轉(zhuǎn)差損耗，或可以將轉(zhuǎn)差動(dòng)率回饋至電網(wǎng)。2、低效調(diào)速裝置的特點(diǎn)是：調(diào)速時(shí)改變轉(zhuǎn)差，

22、增加轉(zhuǎn)差損耗。（一）具體的交流調(diào)速裝置有：高效調(diào)速方法包括：改變極對(duì)數(shù)調(diào)速鼠籠式電機(jī)變頻調(diào)速鼠籠式電機(jī)串級(jí)調(diào)速繞線式電機(jī)換向器電機(jī)調(diào)速同步電機(jī)低效調(diào)速方法包括：定子調(diào)壓調(diào)速鼠籠式電機(jī)電磁滑差離合器調(diào)速鼠籠式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線式電機(jī)（二）調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的方法及各種調(diào)速裝置的特點(diǎn)：（1）改變極對(duì)數(shù)調(diào)速：優(yōu)點(diǎn)：無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高；控制電路簡(jiǎn)單，易維修，價(jià)格低；與定子調(diào)壓或電磁轉(zhuǎn)差離合器配合可得到效率較高的平滑調(diào)速。缺點(diǎn)：有級(jí)調(diào)速，不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑的調(diào)速。且由于受到交流電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實(shí)現(xiàn)23種極對(duì)數(shù)的有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍相當(dāng)有限。（2）變頻調(diào)速：優(yōu)點(diǎn)：無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高

23、，調(diào)速范圍寬；對(duì)于低負(fù)載運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，或起、停較頻繁的場(chǎng)合，可以達(dá)到節(jié)電和保護(hù)電機(jī)的目的。缺點(diǎn)：技術(shù)較復(fù)雜，價(jià)格較高。（3）換向器電機(jī)調(diào)速：優(yōu)點(diǎn)：具有交流同步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和直流電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能；低速時(shí)用電源電壓、高速時(shí)用電機(jī)反電勢(shì)自然換流，運(yùn)行可靠；無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高，適用于高速大容量同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速。缺點(diǎn)：過載能力較低，原有電機(jī)的容量不能充分發(fā)揮。（4）串級(jí)調(diào)速：優(yōu)點(diǎn)：可以將調(diào)速過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差能量加以回饋利用。效率高；裝置容量與調(diào)速范圍成正比，適用于7095的調(diào)速。缺點(diǎn)：功率因素較低，有諧波干擾，正常運(yùn)行時(shí)無制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，適用于單象限運(yùn)行的負(fù)載。（5）定子調(diào)壓調(diào)速：優(yōu)點(diǎn)：線路簡(jiǎn)

24、單，裝置體積小，價(jià)格便宜；使用、維修方便。缺點(diǎn)：調(diào)速過程中增加轉(zhuǎn)差損耗，此損耗使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低；調(diào)速范圍比較??；要求采用高轉(zhuǎn)差電機(jī)，比如特殊設(shè)計(jì)的力矩電機(jī)，所以特性較軟，一段適用于55kW以下的異步電動(dòng)機(jī)。（6）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制裝置容量小，價(jià)值便宜。運(yùn)行可靠，維修容易。 無諧波干擾。缺點(diǎn)：速度損失大，因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)差離合器本身轉(zhuǎn)差較大，所以輸出軸的最高轉(zhuǎn)速僅為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的8090；調(diào)速過程中轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)化成熱能形式的損耗，效率低。（7）轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速：優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)要求較低，易于掌握；設(shè)備費(fèi)用低；無電磁諧波干擾。缺點(diǎn)：串鑄鐵電阻只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速。若用液體電阻進(jìn)行無級(jí)調(diào)速

25、，則維護(hù)、保養(yǎng)要求較高；調(diào)速過程中附加的轉(zhuǎn)差功率全部轉(zhuǎn)化為所串電阻發(fā)熱形式的損耗，效率低。調(diào)速范圍不大。綜上所述，交流電機(jī)最理想的調(diào)速方法應(yīng)該是改變電動(dòng)機(jī)供電電源的頻率，這就是變頻調(diào)速。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速的性能指標(biāo)完全可以達(dá)到甚至超過直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。3 伺服電機(jī)系統(tǒng)3.1 概述伺服電動(dòng)機(jī)又稱執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機(jī),控制速度位置精度非常準(zhǔn)確。伺服電機(jī)在伺服系統(tǒng)中控制著機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，

26、并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。3.2 伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理伺服系統(tǒng)亦稱隨動(dòng)系統(tǒng)，屬于自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一種，它用來控制被控對(duì)象的轉(zhuǎn)角(或位移)，使其能自動(dòng)地、連續(xù)地、精確地復(fù)規(guī)輸入指令的變化規(guī)律。它通常是具有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的場(chǎng)合也可以用開環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)其功能。在實(shí)際應(yīng)用中一般以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求

27、具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大等特點(diǎn)，這類專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。其基本工作原理和普通的交直流電機(jī)沒有什么不同。該類電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)單元稱為伺服驅(qū)動(dòng)單元，有時(shí)簡(jiǎn)稱為伺服，一般其內(nèi)部包括轉(zhuǎn)矩（電流）、速度和/或位置閉環(huán)。其工作原理簡(jiǎn)單的說就是在開環(huán)控制的交直流電機(jī)的基礎(chǔ)上將速度和位置信號(hào)通過旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等反饋給驅(qū)動(dòng)器做閉環(huán)負(fù)反饋的PID調(diào)節(jié)控制。再加上驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部的電流閉環(huán)，通過這3個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機(jī)的輸出對(duì)設(shè)定值追隨的準(zhǔn)確性和時(shí)間響應(yīng)特性都提高很多。伺服系統(tǒng)是個(gè)動(dòng)態(tài)的隨動(dòng)系統(tǒng)，達(dá)到的穩(wěn)態(tài)平衡也是動(dòng)態(tài)的平衡。全數(shù)字伺服系統(tǒng)一般采用位置控制、速度控制和力矩控制的三環(huán)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)硬件大致

28、由以下幾部分組成：電源單元；功率逆變和保護(hù)單元；檢測(cè)器單元；數(shù)字控制器單元；接口單元。相對(duì)應(yīng)伺服系統(tǒng)由外到內(nèi)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩三個(gè)閉環(huán)，伺服系統(tǒng)一般分為三種控制方式。在使用位置控制方式時(shí)，伺服完成所有的三個(gè)閉環(huán)的控制。在使用速度控制方式時(shí)，伺服完成速度和扭矩（電流）兩個(gè)閉環(huán)的控制。一般來講，我們的需要位置控制的系統(tǒng)，既可以使用伺服的位置控制方式，也可以使用速度控制方式，只是上位機(jī)的處理不同。另外，有人認(rèn)為位置控制方式容易受到干擾。而扭矩控制方式是伺服系統(tǒng)只進(jìn)行扭矩的閉環(huán)控制，即電流控制，只需要發(fā)送給伺服單元一個(gè)目標(biāo)扭矩值，多用在單一的扭矩控制場(chǎng)合，比如在小角度裁斷機(jī)中，一個(gè)電機(jī)用速度或位置控制

29、方式，用來向前傳送材料，另一個(gè)電機(jī)用作扭矩控制方式，用來形成恒定的張力。3.3 伺服系統(tǒng)的應(yīng)用及展望交流異步伺服通過在三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生幅值、頻率可變的正弦電流，該正弦電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。其中，正弦電流的幅值可分解為給定或可調(diào)的勵(lì)磁電流與等效轉(zhuǎn)子力矩電流的矢量和；正弦電流的頻率可分解為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)差之和，以實(shí)現(xiàn)矢量化控制。 交流異步伺服通常有模擬式、數(shù)字式兩種方式。與模擬式相比，數(shù)字式伺服加速特性近似直線，時(shí)間短，且可提高主軸定位控制時(shí)系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便，是主軸驅(qū)動(dòng)采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個(gè)主要問題：一是轉(zhuǎn)子發(fā)熱，效率較低，轉(zhuǎn)矩密度較小，體積較大；二是功率因數(shù)較低，因此，要獲得較寬的恒功率調(diào)速范圍，要求較大的逆變器容量。 交流同步伺服系統(tǒng) 近年來，隨著高能低價(jià)永磁體的開發(fā)和性能的不斷提高，使得采用永磁同步調(diào)速電動(dòng)機(jī)的交流同步伺服系統(tǒng)的性能日益突出，為解決交流異步伺服存在的問題帶來了希望。與采用矢量控制的異步伺服相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對(duì)機(jī)床環(huán)境的溫度影響小，容易達(dá)到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，特別適合強(qiáng)力切削加工。同時(shí)其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好，特別適合高生產(chǎn)率運(yùn)行。較容易達(dá)到很