1、第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,经由微处理器发出控制指令，经变换和放大后，通过执行机构转化为机械运动。,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,主要掌握内容：,1、负载载荷的计算。,2、相关传动比的计算与确定。,2、执行装置:DC、AC、步进电机的原理、特性、变速及其相关驱动电路。,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：,设某伺服传动装置的运动要求及载荷数据如下： 1、运动要求 (1)正弦运动：振幅300，周期9s; (2)峰值要求：在转速LP=300/s时具有角加速度LP=570/s2. 2.载荷数据 摩擦
2、力矩Mf=490N.m;负载惯量：JL=1050kg.m2;风力矩和不平衡力矩：Mw=840N.m(只用于峰值工作状态) 试确定该伺服装置，并确定该传动装置的总传动比。,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例2：,已知，拖板重量W=2000N，拖板与贴塑导轨之间的摩擦系数=0.06,车削时最大切削负载Fz=2150N(与运动方向相反)，Y向切削分力Fy=4300N,要求导轨的进给速度1=10500mm/min，快速行程速度2=300mm/min，拖板最大行程为1150mm,定位精度0.01mm，滚珠丝杠名义直径d0=32mm,tsp=6mm,l=1400mm. 试确定合适的电机，并检查其起动
3、特性和工作速度。,4.1概述,选型,1、机电一体化机械系统的特殊要求,1）较高的定位精度。2）良好的动态响应特性。响应快、稳定性好。3）无间隙、低摩擦、低惯量、大刚度。4）高的谐振频率、合理的阻尼比。,4.1概述,选型,2、主要措施和手段,1）采用低摩擦阻力的传动部件和导向支撑件。,2）缩短传动链，提高传动与支承刚度。大扭矩、宽调速的伺服电动机；轴端预紧或预拉伸、滚珠丝杠副或滚动导轨副预紧消除间歇提高刚度。,3）选择合理（最佳）传动比，提高系统分辨率，减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能的提高系统的加速能力,4）尽可能地减小或消除传动误差和反转误差、减少支承变形，最终缩小反向死区误
4、差。,5）改进和合理设计支承件和机架结构，提高刚度、减少振动和噪音。,4.1典型载荷分析,确定方法：类比法、计算法、实验法,4.1.1摩擦载荷,选型,计算：,4.1典型载荷分析,4.1.2惯性载荷,选型,1、计算：,2、折算,4.1.3环境载荷,4.1典型载荷分析,4.1.3环境载荷,环境载荷指除了摩擦载荷和惯性载荷以外的载荷,露天作用的系统受到的风载荷，高温作用下的温度载荷,外载荷的确定，要视具体情况而定，有的可以从理论上进行推导，有的需要借助于实验来测定。,4.2负载的力矩特性,1、分析的目的,选型,为了选择电动机或其它原动机，使之满足功率的要求,关键参数,2、确定设计载荷的方法,计算法、
5、类比法和实测法,3、电动机克服负载力矩的两种典型情况,一种为峰值力矩，它对应于电动机最严重的工作情况； 一种为均方根力矩，它对应于电动机长期连续地变载荷工作的情况。,4.2负载的力矩特性,一、负载的峰值力矩特性（以雷达天线伺服驱动为例）,选型,1、计算：,关键参数,4.2负载的力矩特性,一、负载的峰值力矩特性（以雷达天线伺服驱动为例）,1、计算：,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性（以雷达天线伺服驱动为例）,选型,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性（以雷达天线伺服驱动为例）,选型,1均方根风力矩,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性（以雷达天线伺服驱动为例）,
6、选型,1均方根风力矩,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性（以雷达天线伺服驱动为例）,选型,2均方根摩擦力矩,3均方根惯性力矩,4.2负载的力矩特性,一、负载的均方根力矩特性（以雷达天线伺服驱动为例）,选型,折算到电机轴上的负载均方根力矩为：,4.2负载的力矩特性,选型,3.最佳总传动比,配置传动比的目的：满足驱动元件与负载之间的匹配位移）、速度、加速度、转矩、惯量、传动精度（误差）相互匹配由于机电一体化系统的传动负载、传动特性、传动精度、工作条件差异很大，齿轮传动部件传动比的配置应主要依据不同系统的实际工作情况与要求进行配置。,4.2负载的力矩特性,选型,3.最佳总传动比,（1）折
7、算负载峰值力矩最小的最佳传动比，实现了力的最佳传递。,针对各种目标的最佳传动比：,（2）折算负载均方根力矩最小的最佳传动比，实现了功率（能量）的最佳传递。,（3）加速度最大最佳传动比，能够提高负载的快速响应性,除考虑伺服电机与负载的最佳匹配外，还要考虑总传动比对系统的稳定性、精确性、快速性的影响。,4.2负载的力矩特性,3.最佳总传动比,选型,1折算峰值力矩最小的最佳总传动比,4.2负载的力矩特性,选型,2折算均方根力矩最小的最佳总传动比,3.最佳总传动比,4.2负载的力矩特性,选型,3转矩储备最大的最佳传动比,3.最佳总传动比,4.2负载的力矩特性,选型,4惯量匹配总传动比,3.最佳总传动比
8、,负载角加速度最大原则表明了：换算到电动机轴上的转动惯量正好等于电动机转子的转动惯量，此时电动机的输出转距一半用于加速 电机转子 ，一半用于加速 负载 ，达到了惯量负载和转距的最佳匹配。,4.2负载的力矩特性,选型,4. 总传动比的选择与确定,在一般情况下，可重点考虑如下几方面内容：运动参量匹配 传递形式与类型功率/力/力矩匹配 结构强度与刚度转动惯量 系统响应特性（静态/动态）传递精度传递间隙、平稳性、低速震荡（爬行现象）,4.2负载的力矩特性,选型,偏离最佳值时的影响：,(1)功率传递欠佳,(2)总传动比偏大时,(3)总传动比偏小时,传动链加长、响应加快、力矩误差减少、速度误差加大、利于低
9、速性能,4. 总传动比的选择与确定,4.2负载的力矩特性,选型,总传动比的分配,（补充）,(1)最小等效转动惯量原则 (2)重量最轻原则 (3)输出轴转角误差最小原则,4.3传动链的精度分析,一、传动精度的概念,1、传动误差：指输入轴单向转动时，输出轴转角的实际值相对于理论值的变动量,2、空程误差：输入轴正向回转变为反向回转时，输出轴在转角上的滞后量。,4.3传动链的精度分析,二、提高传动精度的结构措施,1、适当提高零部件本身的精度。,2、合理设计传动链：传动方式、传动级数、传动比分配及布置。,3、采用消隙机构。,1中心距可调消隙。,2弹簧加载双片齿轮消隙。,3螺旋传动的消隙。,4.3传动链的
10、精度分析,3、采用消隙机构。,1中心距可调消隙。,4.3传动链的精度分析,3、采用消隙机构。,2弹簧加载双片齿轮消隙。,4.3传动链的精度分析,3、采用消隙机构。,3螺旋传动的消隙。,4.4.1直流伺服电动机,技术数据,了解DC电机的原理和类型；掌握其转矩特性并进行相关计算和选择、掌握PWM调速原理及相关驱动电路。,主要内容：,概述：原理,其通常输出功率为1600W，也可达数千瓦；电压有6、9、12、24、27、48、110、220V,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述：分类,按照励磁方式：电磁式和永磁式。 按结构：一般电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式、空心杯转子、无刷式等 按控制方
11、式：磁场控制式和电枢控制式,例如：28SY03-C,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述：结构特点,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述：结构特点,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述：结构特点,4.4.1直流伺服电动机,习题,概述：结构特点,4.4.1直流伺服电动机,力矩曲线,技术数据,具有良好的调速特性、较大的起动转矩、相对功率大、快速响应、结构复杂、成本较高,习题,一、转矩特性,动态参数,4.4.1直流伺服电动机,力矩曲线,技术数据,习题,一、转矩特性,动态参数,4.4.1直流伺服电动机,一、转矩特性,动态方程,Ra：电枢电阻，KE：电势常数，KM：转矩常数，m：电枢转速Mm：电动机转矩
12、，Uc：电枢绕组的控制电压,4.4.1直流伺服电动机,1特性曲线,一、转矩特性,4.4.1直流伺服电动机,2调速特性,一、转矩特性,特点:线性调速，且当Ra较大时，Ia基本不变，可进行恒转矩调速。,4.4.1直流伺服电动机,2调速特性,一、转矩特性,特点:非线性调速，转矩波动较大，可进行恒功率调速。,4.4.1直流伺服电动机,2调速特性,一、转矩特性,特点:非线性调速，为有级调速，同时损耗较大，可用于小功率场合。,4.4.1直流伺服电动机,二、选用,低速性能、快速性、调速范围、机械硬度和强度,1、功率,2、惯量匹配：,3、性能：,=0.70.9,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：,设
13、某伺服传动装置的运动要求及载荷数据如下： 1、运动要求 (1)正弦运动：振幅300，周期9s; (2)峰值要求：在转速LP=300/s时具有角加速度LP=570/s2. 2.载荷数据 摩擦力矩Mf=490N.m;负载惯量：JL=1050kg.m2;风力矩和不平衡力矩：Mw=840N.m(只用于峰值工作状态) 试确定该伺服装置，并确定该传动装置的总传动比。,二、选用,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：解,1计算正弦运动时的角速度和角加速度,二、选用,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：解,2选择电机所需电机功率,二、选用,负载均方根力矩：,所需功率：,2选择电机选取电机,第四章
14、 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：解,二、选用,2选择电机选取电机,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：解,3计算负载力矩特性折算负载均方根力矩特性,二、选用,确定传动比it待选区为：464,757,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：解,3计算负载力矩特性折算负载峰值力矩特性,二、选用,确定传动比it待选区为：127，605,故：同时满足两种工作状态的总传动比待选区为：464,605,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：解,4总传动比确定按折算负载均方根力矩最小选择,二、选用,故：最后拟确定it=600,按折算负载峰值力矩最小选择,按转矩储备最大选择,按惯量匹配选
15、择,第四章 机电系统的驱动技术与执行装置,例1：解,5校核正弦状态时的功率校核,二、选用,峰值工作状态时的校核,故：所选电机满足工作要求,4.4.1直流伺服电动机,驱动器,晶闸管驱动,三、驱动,晶闸管直流脉宽调速驱动：,大功率，大容量，过载能力强，调速范围一般可达100-150r/min,晶体管直流脉宽调制驱动：,需用较少的可控器件，功率因数高，快速性好，调速范围可达6000-10000r/min,概述,通过对晶闸管触发角的控制来控制电机电枢电压以达到调速的目的,后者相对前者，功耗低，效率高，有利于克服伺服电机的静摩擦，同时体积小，价格低，工作可靠等。,线性功率放大器和PWM功率放大器,4.4
16、.1直流伺服电动机,互补式,驱动器,晶闸管驱动,三、驱动,1、晶体管功率输出级,1T1、T2：功率放大。注：工作于饱和状态即开关状态 2二极管：续流，防止晶体管被反电势击穿。,元件：,电机正反转的实现,过程：,控制简单，但需要两个电源，晶体管承受两倍电源电压。,优缺点：,4.4.1直流伺服电动机,线性桥式,驱动器,晶闸管驱动,三、驱动,1、晶体管功率输出级,1T1、T2、T3、T4：功率放大。 2二极管：续流，防止晶体管被反电势击穿。,元件：,电机正反转的实现,过程：,只需1个电源，晶体管承受1倍电源电压。,优缺点：,4.4.1直流伺服电动机,利用大功率晶体管的开关作用，将直流电源电压转换成一
17、定频率的方波电压，加在直流电机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制改变电枢的平均电压，从而调节电机的转速。,三、驱动,2、PWM（pulse width modulation）脉宽调制调速（ PWM功率放大器 ）,结构方框图及原理,4.4.1直流伺服电动机,驱动器,1控制原理,二、驱动,2、PWM脉宽调制调速,转速的控制转换为平均电压的控制，进而转换为时间长短的控制,4.4.1直流伺服电动机,驱动器,1控制原理,二、驱动,2、PWM脉宽调制调速,周期不变,脉宽,脉宽,脉宽,脉宽,平均直流电压,U,t,周期不变,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,原理图,二、驱动,2、PWM脉宽调制调速,Va
18、:锯齿波信号,Vin:速度控制电压,Vo:调零电压, ,Vc为幅值相等宽度不等的矩形波信号,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,原理图,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,电压比较器,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,锯齿波脉宽调制器波形图,VIN=0,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,A、将控制电压Vin转换成宽度可调的方波Vc,而开关功率放大器输出的电压波形和VC相同，不过功率增大，可直接驱动伺服电机。B、当VC为正负对称矩形波，所以直流分量为零，伺服电机不会转动，只是在交流分量的作用下在停止的位置处微振，这对克服起动时的静摩擦有利。,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,锯齿波
19、脉宽调制器波形图,VIN0,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,A、Vin0时，Vc正脉冲宽负脉冲窄,功率放大后驱动电机，由于直流分量为正，故电机正转。 B、 Vin越大，当VC为正脉冲越宽，直流分量越大，正向旋转越快。,4.4.1直流伺服电动机,2PWM原理,锯齿波脉宽调制器波形图,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,A、Vin0时，Vc正脉冲窄负脉冲宽,功率放大后驱动电机，由于直流分量为负，故电机反转。 B、 Vin越负，当VC为负脉冲越宽，负直流分量越大，反向旋转越快。,VIN0,4.4.1直流伺服电动机, PWM放大器电路图,三、选用,2PWM原理,三、驱动,2、PWM脉宽调制调速,4.4
20、.1直流伺服电动机,驱动器,晶闸管驱动,三、驱动,脉宽调制（PWMpulse width modulation）控制的位置伺服系统,4.5.2交流电动机,4.5.2交流电动机,一、分类,4.5.2交流电动机,一、分类,1、异步型（反应式）（IM）：空心杯转子式、鼠笼式,2、同步型（SM）：电磁式、非电磁式,永磁式同步电动机（无刷直流伺服电机）：优点：结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高，和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点。和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；缺点：但它与异步
21、电机相比，也有成本高、起动困难等缺点,鼠笼式:优点：单位输入功率具有较大的起动转矩，激磁电流小，同样体积和重量较小；缺点：转动惯量较大。低速运行不够平稳。,空心杯式:优点：转动惯量小，转矩波动小，运转平稳，噪声小。；缺点：激磁电流大，体积和重量大，机械强度较差。,例如：稀土永磁电机的单台容量已超过1000KW ，最高转速已超过 300000r/min ，最低转速低于0.01r/min ，最小电机的外径只有 0.8mm ，长 1.2mm 。,4.5.2交流电动机,一、分类,4.5.2交流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交
22、流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,根据转矩公式,得特性曲线：,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,复习：三相异步电机的转矩转速特性,4.5.2交流电动机,二、转矩转速特性,4.5.2交流电动机,三、调速方法,4.5.2交流电动机,三、调速方法,1、改变极对数P:,有级
23、调速,3、变频调速f:,为低效型,2、调节转差率S:,可实现平滑调速，调速范围宽、效率和功率因数高，调速的动态特性好等特点。,4.5.2交流电动机,变频调速的几个问题：,a、变频调速有什么优点？（为什么?）,b、变频调速怎样实现？,所依据的理论基础,硬件电路如何实现,c、变频调速后系统有怎样的转矩特性？,d、怎样使用变频调速？,变频器的选择,如何与传动装置配合,常用参数设定,4.5.2交流电动机,变频器分类,四、变频调速,按变换环节分类：,A、交-直-交变频器,B、交-交变频器,4.5.2交流电动机,变频器分类,四、变频调速,按变换环节分类：,A、交-直-交变频器,B、交-交变频器,4.5.2
24、交流电动机,变频器分类,四、变频调速,按逆变器开关方式分类,D、SVPWM控制-空间矢量脉宽调制，pwm波在接入电机三相定子绕组中时，使电机的定子产生圆形旋转磁场。空间矢量指的是三相定子电压的合成矢量，正弦脉宽调制(SPWM)的一个特例。,A、PAM控制-脉冲幅度调制,B、 PWM控制-脉冲宽度调制,C、 SPWM控制-在PWM的基础上脉冲宽度时间占空比按正弦规率排列，经过适当的滤波可以做到正弦波输出，在变频器领域被广泛的采用。,4.5.2交流电动机,变频器分类,四、变频调速,按照工作原理分类,在基频以下实现恒转矩调速，基频以上实现恒功率调速。它是一种转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单
25、，多应用于精度要求不高的场合。,A、V/f控制变频器,B、矢量控制变频器,主要是为了提高变频调速的动态性能。模仿自然解耦的直流电动机的控制方式，对异步电动机的磁场和转矩分别进行控制，以获得类似于直流调速系统的动态性能。,4.5.2交流电动机,变频器分类,四、变频调速,按照工作原理分类,D、转差频率控制变频器,主要是检测电机转速构成速度环，速度调节器的输出为转差频率，而变频器的输出频率则由电机实际转速与所需转差频率之和决定。由于控制转差频率来控制转矩和电流，与U/F控制相比加减速特性和限制过流能力得到提高。,C、直接转矩控制变频器,一种新型的变频器。该系统的转矩响应迅速，无超调，是一种具有高静态
26、和动态性能的交流调速方法。,4.5.2交流电动机,变频器分类,四、变频调速,B、高性能通用变频器,C、专业变频器,按变频器的用途分类,A、通用变频器,应用最为广泛的一种。主要包含两大类：节能型变频器和高性能通用变频器。,具有较丰富的功能。如：PID调节、PG闭环速度控制等。除了可以应用于节能型变频器的所有应用领域之外，还广泛用于电梯、数控机床等调速性能要求较高的场合。,是一种针对某一种特定的应用场合而设计的变频器。如电梯及起重机用变频器等，还包括一些高频、大容量、高压等变频器。,4.5.2交流电动机,1、变频基础,四、变频调速,1、磁通变化结果,变小：频率提高，磁通下降，电流不能超过额定，故而
27、转矩下降，电机带载能力下降，,变大：频率降低，磁通变大，励磁电流出现尖峰值。,4.5.2交流电动机,1、变频基础,四、变频调速,2、控制方式,1恒压频调速（恒转矩调速）：基频以下调速,基本概念：,调压比：,调频比：,基本U/f线：,基本频率：与最大输出电压对应的频率。一般等于额定频率。,4.5.2交流电动机,1、变频基础,四、变频调速,2、控制方式,2恒功率调速:基频以上调速,由于电动机不能超过额定电压运行，所以频率由额定值向上升高时，定子电压不可能随之升高，只能保持在额定值不变。这样必然会使m随着1的升高而下降，类似于直流电动机的弱磁调速。 由于TM（U1/1）2，保持U1恒定时，TM随着1
28、的升高而下降，电动机带动负载的能力变小；随着1的升高，m下降，电磁转矩T下降，而转速上升，属于近似恒功率调速。,4.5.2交流电动机,2、实现电路,四、变频调速,1脉冲宽度调制（PWM）原理,概念：,PWM：是通过按照一定的规则和要求对一系列脉冲宽度进行调制，来得到所需要的等效波形。,对变频调速PWM含义：一般异步电动机需要的是正弦交流电，而逆变电路输出的往往是脉冲。PWM控制的目的就是通过对逆变电路输出脉冲的宽度进行调制，使之与正弦波等效。这样，虽然电动机的输入信号仍为脉冲，但它是与正弦波等效的调制波，,4.5.2交流电动机,2、实现电路,四、变频调速,1脉冲宽度调制（PWM）原理,PWM技
29、术的基本原理：,PWM技术的理论基础：采样控制理论中的一个重要结论面积等效控制原理,SPWM原理：将一个正弦半波电压分为N等份，并把正弦曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应正弦等份的中点重合，得到脉冲列，与正弦波等效的脉宽调制波 。,4.5.2交流电动机,2、实现电路,四、变频调速,2SPWM波的形成,按照调制脉冲的极性关系，PWM逆变电路的控制方式分：,单极性控制 双极性控制,单相桥式SPWM逆变电路,双向相桥式SPWM逆变电路,4.5.2交流电动机,2、实现电路,四、变频调速,2SPWM波的形成,单相桥式SPWM逆变电路分析,在ur正半周
30、，让VT1一直保持通态，VT4保持断态。当uruT时，控制VT3为通态，负载输出电压uo=Ud；当uruT时，控制VT3为断态，负载输出电压uo=0，此时负载电流可以经过VT1与VD2续流。,在ur负半周，让VT4一直保持通态，VT1保持断态。当uruT时，控制VT2为通态，负载输出电压uo=-Ud；当uruT时，控制VT2为断态，负载输出电压uo=0，此时负载电流可以经过VT4与VD3续流。,4.5.2交流电动机,2、实现电路,四、变频调速,2SPWM波的形成,单相桥式SPWM逆变电路分析,4.5.2交流电动机,2、实现电路,四、变频调速,2SPWM波的形成,双向相桥式SPWM逆变电路,当u
31、ruT时，给VT2和VT4导通信号，而给VT1和VT3关断信号，负载输出电压uo=-Ud。这样，就得到了SPWM波uo。可见，在任一半个周期中，SPWM波在正、负两个方向交替，故称为双性SPWM控制方式。改变ur的幅值和频率，即可调压、调频。,定调制波ur、载波uT，载波uT改为正负两个方向变化的等腰三角波，如图1-17a所示。当uruT时，给VT1和VT3导通信号，而给VT2和VT4关断信号，负载输出电压uo=Ud；,4.5.2交流电动机,2、实现电路,四、变频调速,2SPWM波的形成,双向相桥式SPWM逆变电路,4.5.2交流电动机,2、实现电路,四、变频调速,2SPWM波的形成,变频器的
32、三相桥式SPWM逆变电路,2、转矩特性,四、变频调速,1 u/f=const的机械特性,例如：额定状态，f=50hz,U1=380v,电阻压降30v，则反电势为350v ,这时磁通为额定磁通，相对值为100%.但当f=10hz时，U1=76v，反电势为76v ，磁通相对值为64%,低频运行磁通会减少,2、转矩特性,四、变频调速,2 转矩提升,适当补偿电压来增加磁通，从而争抢低频带载能力，称为电压补偿或转矩补偿或转矩提升（说明书）,2、转矩特性,四、变频调速,2 转矩提升,例如：一离心浇注机：机械特性如图。预置转矩提升为15% ,结果频率上升到10Hz是变频器就跳闸了，现实过电流。当把转矩提升曾
33、为25%时，不到6Hz就跳闸。电动机额定数据：90kw、164.3A 、1480r/min；运行时加铁水前的运行电流约为50A，加铁水后电流约为160A，可能达到170A。,转矩提升不能过分,2、转矩特性,四、变频调速,2 转矩提升,例如：一离心浇注机：机械特性如图。预置转矩提升为15% ,结果频率上升到10Hz是变频器就跳闸了，现实过电流。当把转矩提升曾为25%时，不到6Hz就跳闸。电动机额定数据：90kw、164.3A 、1480r/min；运行时加铁水前的运行电流约为50A，加铁水后电流约为160A，可能达到170A。,转矩提升不能过分,2、转矩特性,四、变频调速,3 预置转矩提升,第一
34、类：,各变频器都设置了可供用户选择的转矩提升功能（u/f线）,负载类型与提升量分别预置型,选择u/f线,应用：,根据负载需要低频特性，决定转矩提升量,2、转矩特性（转矩提升）,四、变频调速,3 预置转矩提升,第二类：,各变频器都设置了可供用户选择的转矩提升功能（u/f线）,分段补偿型,2、转矩特性（转矩提升）,四、变频调速,3 预置转矩提升,自动转矩提升功能：,可以提高电动机的启动转矩，但容易引起振荡。,2、转矩特性（转矩提升）,四、变频调速,4 调整基本频率,a、当电动机额定数据和电源不符合时，,例如：郊区电压网路较低，通常只有350V。如何用变频？,基本频率：与最大输出电压对应的频率。（一
35、般等于额定频率。）,应用：,b、高频区适当加大转矩,2、转矩特性（转矩提升）,四、变频调速,4 调整基本频率,a、当电动机额定数据和电源不符合时，,例如：一电动机数据：Pmn=280kw，Imn=506A,配用315kw的变频器。长时间在40hz运行。经测量I为560A。即便经转矩提升，电流仍在530A ,是否是电动机的容量不够？,基本频率：与最大输出电压对应的频率。（一般等于额定频率。）,应用：,b、高频区适当加大转矩,四、变频调速,1 额定频率以下的有效转矩线,有效转矩：是指在非额定状态下，允许长时间运行的最大转矩。,无转矩提升时：,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,四、变频调速,1 额定
36、频率以下的有效转矩线,有效转矩：是指在非额定状态下，允许长时间运行的最大转矩。,补偿正好时：,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,四、变频调速,1 额定频率以下的有效转矩线,有专用散热风扇时：,无专用散热风扇时：,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,四、变频调速,2 额定频率以上的有效转矩线,额频以上的机械特性：,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,四、变频调速,2 额定频率以上的有效转矩线,额频以上的有效转矩曲线：,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,四、变频调速,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,四、变频调速,3 有效转矩线与工作点,拖动系统的工作点是由负载的机械特性曲线和电动机的机械特性曲线的交
37、点决定的。,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,恒转矩负载,要使拖动系统在全调速范围内能正常运行，必须使有效转矩线把负载机械特性曲线的运行段包围在内。,四、变频调速,3 有效转矩线与工作点,拖动系统的工作点是由负载的机械特性曲线和电动机的机械特性曲线的交点决定的。,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,恒转矩负载,要使拖动系统在全调速范围内能正常运行，必须使有效转矩线把负载机械特性曲线的运行段包围在内。,四、变频调速,3 有效转矩线与工作点,拖动系统的工作点是由负载的机械特性曲线和电动机的机械特性曲线的交点决定的。,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,恒功率负载,要使拖动系统在全调速范围内能正常运行，
38、必须使有效转矩线把负载机械特性曲线的运行段包围在内。,四、变频调速,3 有效转矩线与工作点,拖动系统的工作点是由负载的机械特性曲线和电动机的机械特性曲线的交点决定的。,3、有效转矩曲线（有效工作范围）,恒功率负载,要使拖动系统在全调速范围内能正常运行，必须使有效转矩线把负载机械特性曲线的运行段包围在内。,四、变频调速,1 系统运行条件,基本条件切记,4、变频与传动机构,1、功率条件必须满足,2、转矩条件必须满足,电动机轴上输出的有效功率是和转速成正比的。降低转述时，有效功率将减少。,能不能带得动负载，还和传动机构的传动比有关。当传动比较小时，负载的折算转矩较大，电动机的负荷率也较大。反之，当传
39、动比较大时，负载的折算转矩较小，电动机的负荷率也较小。,四、变频调速,例：,负荷率：,4、变频与传动机构,四、变频调速,例1：,某一恒转矩负载，原由直流电动机拖动：有关数据如下：负载侧转速范围为80-800，负载率为85%,传动比为2。,现改为变频调速系统，交流电机为4极，如果传动比不变，则负荷率为85%时，最高频率分别为60hz和12hz，则电机最高转速和最低转速分别为1800和360r/min，调速范围为5；,分析,当负荷率为70%,则最高和最低频率为70和6Hz，电机最高和最低转速为2100和180r/min，调速范围为12。,传动比选择：,校核：,4、变频与传动机构,四、变频调速,例2
40、：,某一卷取机，负载转速范围为（3-318）r/min,电动机额定转速为960r/min,传动比为3,4、变频与传动机构,四、变频调速,例2：,计算电动机容量：fmax=fn,：转矩,：转速,：容量,4、变频与传动机构,四、变频调速,例2：,计算电动机容量：fmax=2fn,：传动比,：转矩,：容量,4、变频与传动机构,四、变频调速,例2：,计算电动机容量：fmax=3fn,：传动比,：转矩,：容量,4、变频与传动机构,四、变频调速,名牌,5、变频器的选择,四、变频调速,1根据负载类型选择变频器类型和控制方式。,5、变频器的选择,2根据负载特性选择传动机构及变频器的容量。,3选择变频器选件。,
41、四、变频调速,1根据负载类型选择变频器类型和控制方式。,5、变频器的选择,：恒转矩负载,控制要求：,选择：选通用变频器，并将容量提高一档，加大电动机的功率来提高低速转矩；或选用具有转矩控制功能的矢量控制式通用变频器。,具有低频转矩提升和短时过流能力。,：恒功率负载,选择：一般选用工业设备的通用变频器。对于动态性能和精度要求较高的轧钢、造纸可选用精度高、响应快的矢量控制高性能用用变频器。,四、变频调速,1根据负载类型选择变频器类型和控制方式。,5、变频器的选择,：平方转矩负载,普通U/F控制或专用变频器。变频器容量等于电动机容量即可。但对空气压缩机、喷泉等，工作时冲击电流很大，选择时应留有一定裕
42、量。,四、变频调速,1根据负载类型选择变频器类型和控制方式。,5、变频器的选择,四、变频调速,2选择变频器容量。,5、变频器的选择,步骤：电动机的额定电压根据电动机容量和工作状态核算变频器的输出电流。,根本原则：变频器的额定电流必须大于电动机在运行过程中的最大电流。,四、变频调速,2选择变频器容量。,5、变频器的选择,四、变频调速,2选择变频器容量。,5、变频器的选择,四、变频调速,2选择变频器容量。,5、变频器的选择,四、变频调速,2选择变频器容量。,5、变频器的选择,4.5.2交流电动机,五、交流伺服电机特点（于直流伺服电机相比）,1、全封闭无刷结构，外形小，重量轻,3、容量大，调速范围大
43、，可达1：10000,2、转动惯量小，转矩-转动惯量比高，动态 相应性好， 运行平稳,4、变频调速装置复杂,直流电机,缺点：电刷和换向器限制其应用范围和最大高转速，且制造复杂。,优点：良好的调速特性，较大的启动转矩和相对较大的功率。,交流电机,4.5.2交流电动机,六、选择,1、不需调速或转速固定时:,2、需要调速：,1交流调速性能不能满足要求时，可考虑直流电机,4当与大惯量负载匹配时，可考虑直流电机。,2当转速功率之积大于106KWr/min，,3环境恶劣时优选交流电机,首选交流电机，仅在起动、制动等不能满足要求时，选直流电机,4.5.3步进电动机,技术数据,应用,主要内容：,步进电机的分类
44、、工作原理、运行性能和驱动,主要掌握其各种性能参数与选择、相关驱动电路,概述：,一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的执行元件。,主要特点：1不易受各种干扰因素影响。 2步距角有误差，但累计误差为零。 3易与微机I/O构成开环位置 伺服系统。,4.5.3步进电动机,技术数据,应用,一、分类,1、反应式（可变磁阻式）,特点：,1步距角：1.50-150,2转子直径小，利于高速相应,3励磁电流大，驱动电源功率大,4断电后无定位转矩。,4.5.3步进电动机,技术数据,应用,一、分类,1、反应式（可变磁阻式）,4.5.3步进电动机,技术数据,应用,一、分类,2、永磁式,特点：,1步距角：7.50-
45、180,2转子直径大，不利于高速相应,3控制功率小，效率高,4断电后有定位转矩。,4.4.3步进电动机,技术数据,应用,一、分类,3、混合式,特点：,1步距角：0.90-3.60,2转子直径大，不利于高速相应,3效率高,4断电后有定位转矩。,4.4.3步进电动机,技术数据,应用,一、分类,3、混合式,特点：,1步距角：0.90-3.60,2转子直径大，不利于高速相应,3效率高,4断电后有定位转矩。,4.4.3步进电动机,技术数据,应用,二、反应式步进电机工作原理,1、结构组成,定子：固定部分，具有若干绕组的磁极,转子：转动部分具有许多小齿的铁心,4.4.3步进电动机,三相单三拍,2、工作过程,
46、1控制信号,2转动过程,三相绕组依次通断电，依据磁阻最小原理而产生的电磁转矩促使转子不停转动起来。,4.4.3步进电动机,2、工作过程,利用控制脉冲的频率、个数、通电顺序来控制电机的步进转速、转角、转向。,3控制原理,4转动条件：,若定子的相邻极属于不同相时，在某一极小定子和转子对齐时，则要求相邻的定子和转子错开齿距的1/m，即,4.4.3步进电动机,3、工作方式,4.4.3步进电动机,3、工作方式,相：产生不同极对数磁场的激磁线圈（被控绕组的相数),拍：每一次通断电切换或每移动一步距角,单或双：每次同时通电的相数。,例如：三相步进电机的工作方式有：,三相单三拍：A-B-C；三相六拍：A-AB
47、-B-BC-C-CA 三相双三拍：AB-BC-CA,4.4.3步进电动机,三相六拍工作方式,步进电机工作原理,三相六拍工作方式,4.4.3步进电动机,三相双三拍工作方式,4.4.3步进电动机,技术数据,应用,三、步进电机的运行性能,一、步距角和静态步距角误差,故：步距角越小，分辨力越高，但当脉冲频率不变时，速度下降。,2静态步距角误差,1步距角：,定子绕组每改变一次通电状态，转子转过的空间角度。,计算：,实际步距角和理论步距角之间的偏差,4.4.3步进电动机,三、运行特性及性能指标,二静态特性,1、矩角特性:,是指在不改变通电状态的条件下（即控制绕组电流不变），步进电机的静转矩与失调角之间的关系M=f(),
