电机传动

第二章电力拖动继电接触控制

1.试分析什么叫点动，什么叫自锁，并比较图2-1和图2-2的结构和功能上有什么区别1？

点动就是在对电动机的控制要求一点一动，即按一次按钮动一下，连续按则连续动，不按则不动的状态;

自锁，是在接触器线圈得电后，利用自身的常开辅助触头保持回路的接通状态。

图2-2比图2-1多了热继电器FR1和接触器SB2,以及辅助触头KM1，热继电器可以实现过载保护，SB2和辅助触头KM1可以实现自锁控制，图2-1没有此功能。

2.图2-2电路能否对电动机实现过流、短路、欠压和失压保护？

图2-2电路实现了对电机的过流、短路、欠压和失压保护。

图2-2中利用了四个熔断器FU以实现短路保护。熔断器FU串联于被保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔体能自动迅速熔断，从而切断电路，使导线和电器设备不致损坏。最终实现短路保护。

当电路短路过流时，即使熔断器还没工作，由于电流的热效应导致电路升温，热继电器及时切断控制回路，接触器线圈失电而触点断开，切断了电机与电源电路。

当电路欠压或失压时，接触器线圈就失电，触点断开，电机脱离电源而得到保护，过后即使电压恢复只要不按下启动按钮，电机就不会自动启动运转。

3.接触器和按钮的联锁触点在继电接触控制中起到什么作用？

接触器的联锁触点是继电器的殿后线圈使使常闭触点断开实现联锁，属于电气联锁；而按钮的联锁触点则是利用按钮按下时使其常闭开关断开来实现联锁的，属于机械联锁。

4.在图2-4中，欲使电机反转，为什么要把手柄扳到“停止”使电动机M停转后，才能扳向“反转”使之反转，若直接扳至“反转”会造成什么后果？

若直接扳至“反转”，电动机的工作状态相当于反接电源制动，制动期间电枢电动势E和电源电动势是串联相加的，因此会产生较大的电枢电流，在串接的限流电阻不够的情况下易产生过流。

5.试分析图2-4、2-5、2-6、2-7各有什么特点？并画出运行原理流程图。

图2-5采用KM接触器互锁，其运行的正常与否取决于接触器的反应速度与先后顺序。图2-6采用按钮互锁其运行的正常与否取决于按钮的反应速度与先后顺序。图2-7采用按钮和接触器双重联锁正反转控制线路，其安全性与稳定性最高，避免因其中一种互锁失效而导致电源短路。

原理流程图略

6.图2-5、2-6虽然也能实现电动机正反转直接控制，但容易产生什么故障，为什么？图2-7比图2-5和2-6有什么优点？

图2-5由于继电器的响应时间有可能出现瞬间短路的情况；图2-6可能由于触点处电弧的吸合或机械按钮的失效也造成系统短路。图2-7采用按钮和接触器双重联锁保护，可以实现电机正反转的直接切换，系统的可靠度和安全性提高。

7.简单说明采用继电器、接触器控制电机正反转实验与采用PLC控制实验的优缺点。

继电器、接触器控制：优点是控制电器结构简单、价格便宜、应用广泛，能够满足生产机械一般的生产要求；缺点是电器接线复杂，容易出错，所用到的电器较多，对于操作人员的要求高。

PLC 控制：优点是接线简单、操作方便、有监视和诊断功能，安全性高，易于实现自动化控制。缺点是价格昂贵，操作人员需具备

较好的编程能力。2

8.

针对PLC 与继电控制线路工作方式上的不同，如何避免在PLC 扫描周期小于接触器动作响应时间情况下出现正反转回路短路？

可以在PLC 程序中添加延时程序，使正反转切换过程中被切断的接触器瞬时动作，而接通的接触器要延时一段时间才动作，以保

证系统工作的可靠性。

第三章 直流电机起动、制动、机械特性和调速特性测试实验

1、用什么方法可以改变直流电动机的转向？

改变直流电动机的转向，实质上是改变电动机电磁转矩的方向，由直流电动机的原理可知，电磁转矩的方向由主磁通和电枢电流

的方向决定，所以改变两者中的一个即可改变电磁转矩的方向，所以有两种方法可以改变直流电动机的转向：(1)是对调励磁绕组接入电源的两个接线端，改变励磁电压的极性，(2)对调电枢绕组接入电源的两个线端，改变电枢电流的方向。

2、当电动机的负载转矩和励磁电流不变时，减小电枢端电压，为什么会引起电动机转速降低？

当电机的负载转矩和励磁电流不变时(这是I a 也不变)，由转速公式Φ

∑-=t a a C R I U n 可知，当电枢端电压U 减小时，转速n 减小，所以电机的转速下降。3、在电动机轻载及额定负载时，增大电枢回路的调节电阻，电机的转速如何变化？增大励磁回路的调节电阻，转速又如何变化？ 由电磁转矩方程a T T

I C φ=可知，当电动机轻载时，电枢电流很小，由()a a s e e U I R R E n C C φφ

-+==可知增大电枢回路电阻电机转速变化很小；当电机处在额定负载时，如果增大电枢回路的调节电阻电机转速将有较大幅度的降低。增大励磁回路的调节电阻，励磁电流降低，φ减小，由2a s e e e T R R E U n T C C C C φφφ

+==-可知，不管电机处于轻载还是额定负载，其转速均增大。 4、当电动机的负载转矩和电枢端电压不变时，减小励磁电流会引起转速的升高，为什么？ 由转速公式Φ

∑-=t a a C R I U n 可知，当其他因素不变时，(这时I a 变化很小，可从数据观测出)，转速与磁通成反比的关系，而减小励磁电流会使磁通减小，所以电机的转速会上升。

5、并励电动机在负载运行中，当磁场回路断线时是否一定会出现“飞车”？为什么？

不一定会出现“飞车”，在磁场回路断线时，电枢电流变得很大，励磁电流很小，导致磁通也

很小，只剩下剩磁，理论上说此时电机的转矩很大，转速趋于无穷大，但由于电机带有一定负载，

且电机中还有剩磁，当电枢电流突变为很大时，因为电机的转速不能突变，有可能在负载和剩磁的

作用下使电机停止。所以不一定会出现飞车。

6、回馈制动实验中，如何判别电动机运行在理想空载点？

如右图所示直流他励电动机反馈制动的机械特性可知，电动机运行在理想空载点时有两个基本

特性，即T=0和0n n =。实验中转速测量仪不易读准转速，因此判别电动机的理想空载点依据是实

直流他励电动机反馈制动

的机械特性

验电路中的

2A 表的电流值为0。电枢电流为零，输出转矩为零，电动机空载。 第三章

交流电机起动、制动及工作特性和调速特性测试实验

1、起动电流和外施电压成正比，起动转矩和外施电压的平方成正比在什么情况下才能成立？(这道题考察的是工控点n=0，s=1的

状态，或许这样问会更容易理解 “电枢电流和外施电压成正比，电磁转矩和外施电压的平方成正比在什么情况下才能成立？”)

成立条件：转速n ＝0，转差率S ＝1。在电动机启动瞬间，n=0，此时转差率S=1， 2

222220st R U T K R X =+， 1f =50Hz 恒定，

若不考虑温度对电阻和电感的影响，R 2与X 20是定值，于是得出起动转矩和外施电压的平方成正比；由

22cos t T K I ?=Φ，同理

可得起动电流和外施电压成正比。

2、起动时的实际情况和上述假定是否相符，不相符的主要因素是什么？ 起动时的实际情况和上述假定不相符，其主要原因是电机启动时电流是急速上升到启动电流，并非理论上的跃变，这就使得转差

率S 有变化；在加上电流的积肤效应等作用使得转子每相绕组的电阻、感抗有一些变化，这样使得启动实际情况与上述假定不相符。

3、与其它起动方式相比变频器软起动方式有什么特点和优势？

上述的几种常用的启动方法都是有级（一级）降压启动，启动过程中电

流有两次冲击，其幅值比

直接启动时电流（右图曲线a ）低，而启动时间略长（曲线b ），而变频软启

动器可以限制启动电流并保持恒值，直到转速升高后电流自动衰减下来（曲线c ），启动时间也比

一级启动短，而且对于高性能的变频器，只要通过控制施加到电机定子绕组上的电压的频率和幅值，

就可以快速、平滑启动。

4、三相交流异步电机直流能耗制动的原理是什么？

三相交流异步电机直流能耗制动的原理图如右图所示。能耗制动

时，首先将定子绕组从三相交流电源断开（KM1 打开），接着立即将一低压直流电源通入绕组（KM2 闭合）。直流电流通过定子绕组后，在电动机内部建立一个固定不变的磁场，由于转子在运动系统储存的机械能作用下继续旋转，转子导体内就产

生感应电动势和电流，该电流与恒定磁场相互作用产生作用方向与转子实际旋转方向相反的制动转矩。在它的作用下，电动机转

速迅速下降，此时运动系统储存的机械能被电动机转换成电能消耗在转子电路的电阻中。

5、三相交流电机定子绕组首末端判定原理是什么？

当任意两相是首末连接并接通电源时，通过这两相的线圈的电流会对第三相产生感应电动势，所以第三相的电压不为零；当任意

两相是首端和首端或者是末端与末端连接是，由于这两相产生的合磁场在第三相处几乎为零，所以第三相没有感应电动势，所以第三相的电压几乎为零。

（有其他同学提到了其他判定方法的原理，但实验中的方法是最简单的！）

6、由直接负载法测得的电机效率有哪些因素会引起误差？

引起误差的各因素：①测功机本身有一定的机械效率，这对测量也会引起误差。②每相的电阻值不同，用不同的绕组测量会有不

同的数值，每组的电阻值随着温度的升高阻值会变化。③电动机的工作状态不是十分稳定，各种仪表精度上的误差以及读数时的人为误差。

7、变压调速有何特点？变频调速的原理是什么？

变压调速的特点：能够无级调速但调速范围不大，适用于高转差率的电动机（为了使电动机能在低速下稳定运行且不至过热），调速平滑性好，设备投资小，在较低转速时，能量消耗比较大，定子调压调速特别适合通风机及泵类等机械；

变频调速的原理：根据公式{n0}=60{f}HZ/p以及改变定子电源频率时人为的机械特性图可知，异步电动机的转速n正比于定子电源的频率f，连续的调节定子电源的频率f，即可实现连续地改变电动机的转速n。

勘误：

6月4日在解释能耗制动时，我曾提到“制动电阻越大，机械特性越硬，制动效果越好”

后来经一位同学指出，现作出修正“制动电阻越大，制动效果越好”，这里不需强调它的硬度，若细究的话，特性应该是制动电阻越大，机械特性越软。因为“硬度”是用于衡量机械特性的平直程度。

对考试的说明：

考试采用开卷形式，题型类似于实验指导书的思考题，共6~7个大题，大题下或包含几个小题。结合所学知识，主要考察实验的内容，重点是前三个实验。包括实验设备的作用，实验现象的解释，实验原理解释等等。

张芳瑜

2010-6-12

二、感应子式步进电机工作原理

1）、反应式步进电机原理

由于反应式步进电机工作原理比较简单。下面先叙述三相反应式步进电机原理。

1、结构：

电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。

不多。

3、力矩：

电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量Ф）当转子与定子错开一定角度产生力F与（dФ/dθ）成正比

其磁通量Ф=Br*S

Br为磁密，S为导磁面积

F与L*D*Br成正比

L为铁芯有效长度，D为转子直径

Br=N·I/R

N·I为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。

力矩=力*半径

力矩与电机有效体积*安匝数*磁密成正比（只考虑线性状态）

因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。

（二）感应子式步进电机

1、特点：

感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。

感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍运行方式.不难发现

其条件为C=,D=.

一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，可以作二相电机绕组串联或并联使用。

2、分类

感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为：42BYG(BYG为感应子式步进电机代号）、57BYG、86BYG、110BYG、（国际标准），而像70BYG、90BYG、130BYG等均为国内标准。

3、步进电机的静态指标术语

相数：产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。

拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.

步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用θ表示。θ=360度（转子齿数J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为θ=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为θ=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。

定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）

静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。

虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。

4、步进电机动态指标及术语：

1、步距角精度：

步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。

2、失步：

电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。

3、失调角：

转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。

4、最大空载起动频率：

电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。

5、最大空载的运行频率：

电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。

6、运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。如下图所示：

其它特性还有惯频特性、起动频率特性等。

电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。

如下图所示：

其中，曲线3电流最大、或电压最高;曲线1电流最小、或电压最低，曲线与负载的交点为负载的最大速度点。

要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的电机。

7、电机的共振点：

步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。

8、电机正反转控制：

当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。

三、驱动控制系统组成

使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：

1、脉冲信号的产生。

脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

3、功率放大

功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均

为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的

的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

4、细分驱动器

在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是通过改变相邻（A ，B ）电流

的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

旋转磁场的旋转方向

旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致;

改变三相交流电的相序,即A-B-C 变为C-B-A,旋转磁场反向;

要改变电动机的转向,只要任意对调三相电源的两根接线.

式中, f 为电源频率50HZ;p 为电动机的磁极对数.

电动机的磁极对数为1时,同步转速为3000r/min; 电动机的磁极对数为2时,同步转速为1500r/min; 电动机的磁极对数为3时,同步转速为1000r/min.

定子绕组线端连接方式 注意: 三相绕组连接成星形,每相绕组承受相电压220V;

三相绕组连接成三角形,每相绕组承受线电压380V

p f n 60

=

例2:一台4极三相异步电动机,电源频率50Hz, 额定转速1440r/min,转子电阻0.02欧,转子电抗0.08欧,转子电动势E20=20V ,求: 1)电动机的同步转速;2)电动机起动时的转子电流.

解; 1)电动机为4极,磁极对数p=2, 有n0=60f/P=3000/2=1500r/min

2)电动机起动时的转子电流

三相异步电动机的转矩

三相异步电动机的转矩是由旋转磁场的每极磁通

与转子电流相互作用而产生的:

2

20222

2)(SX R U

SR K T +=

注意,转矩与电压平方成正比

自然特性上有4个特殊点:

(1)理想空载转速点no

T=0, n=no, S=0;

(2)额定工作点

T=T N , n=nN, S=S N ;此时有 (3)起动工作点

T=Tst, n=0, S=1;此时有 (4)临界工作点 T=Tanm, n=nm, s=Sm;有:

人工机械特性

介绍4种人工特性,即:降低定子电压时,定子电路串入电阻或电抗时,

变频率时,线绕电动机转子串电阻时。

(1)降低电压时的人工特性

电压越低,人工特性曲线越往左移;

电动机的过载能力和起动转矩会大大降低;

电压降低,负载转矩不变时,电动机过热;

电压降低太多,电动机将带不动负载(不能起动).

(2)定子电路串入电阻或电抗时的人工特性

定子电路串电阻或电抗时的人工机械特性如右图中

虚线2所示,1为电压降低时的人工机械特性;

曲线2与曲线1相比较,最大转矩要大一些.

(3)改变定子电源频率时的人工特性

随着频率的降低,理想空载转速只能在电源额

定频率以下调节;

A

X R E I st 5.24208.002.020

22

2202220

2=+=

+=N N N n P T 9550=0

0n n n S N N =

220222

2X R U

R K T st +=N

st st

T T =λ202

X R S m =2022X U K T man =N

man

m T T

=λ

转速no减小,临界转差率Sm减小,起动转矩Tst

增大,最大转矩Tmax不变.

(4)三相线绕式异步电动机转子电路外接电阻时的人工特性

电路图如右图中(a)所示,三相转子绕组通过滑环电刷

机构与外接电阻相联接;

起动转矩增加(有利),理想空载转速和最大转矩不变.

生产机械对电动机起动的要求是:起动转矩大,起动电流小.

1) .三相鼠笼式异步电动机的起动方法

三相异步电动机起动电流是额定电流的(5-7)倍,为满足起动要求,三相异步电动机的起动方法分为直接起动和降压起动两类. (1) 直接起动(全电压起动)适用范围;

电动机功率<20%变压器容量.一般中小型鼠笼式异步电动机都采用

全电压直接起动.

(2) 降压起动:容量大的电动机起动电流大,为了限制过大的起动电流,

采用降压起动.在工厂常用的降压起动方法有4种:定子串电阻或

电抗器,Y-△变换,自耦变压器,延边三角形.

1) 定子绕组串电阻或电抗器降压起动电路图如右图;

不足之处:起动转矩随定子电压的平方下降;

不经济.

应用场合:电动机空载或轻载起动.

2) Y- △降压起动:只有正常运行时定子三相绕组是△接法

的电动机才能采用Y- △降压起动.对于国产JO,JO2,Y,Y2

系列电动机,功率大于4.5kW的都是采用△接线.也就是说,

大容量电动机都可以用Y- △降压起动.

Y- △降压起动的电气原理图如右图所示.起动时,三相绕组

接成Y形,运行时,绕组接成△形.电流下降1/3,转矩也下降1/3.

特点:电动机Y形起动过程中,可提高电动机的效率和功率因数;

起动转矩小,只适用于空载或轻载起动的场合;

设备简单,经济;在机床工业上应用较普遍.

例1:一台Y280S-4三相鼠笼式异步电动机,PN=75kW,nN=1480r/min,Tst/TN=1.9,电动机由320kV A的变压器单独供电,电动机所带负载转矩TL=200Nm,问(1)电动机能否直接起动?(2)电动机能否用Y- △降压起动?

解(1) 电动机额定功率与供电变压器容量之比为75/320=0.234>0.2 电动机不宜直接起动.

(2) 电动机的额定转矩和起动转矩分别为TN=9550(PN/nN)= 9550(750/1480)=484Nm

Tst=1.9TN=1.9X484=920Nm

如果采用Y- △降压起动,则起动转矩仅为起动转矩的三分之一,即TstY=1/3X920=307>200=TL

因此,可以采用Y- △降压起动.

一、变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接红方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：

1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；

2、无转差损耗，效率高；

3、接线简单、控制方便、价格低；

4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；

5、可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。

本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。

二、变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流－直流－交流变频器和交流－交流变频器两大类，目前国内大都使用交－直－交变频器。其特点：

1、效率高，调速过程中没有附加损耗；

2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；

3、调速范围大，特性硬，精度高；

4、技术复杂，造价高，维护检修困难。

5、本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。

三、串级调速方法

串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：

1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；

2、装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70％－90％的生产机械上；

3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；

4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。

5、本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。

四、绕线式电动机转子串电阻调速方法

绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。

五、定子调压调速方法

当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。

调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：

1、调压调速线路简单，易实现自动控制；

2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。

3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。

六、电磁调速电动机调速方法

电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电磁转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动；磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1，这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的

输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：

1、装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；

2、调速平滑、无级调速；

3、对电网无谐影响；

4、速度失大、效率低。

5、本方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。

七、液力耦合器调速方法

液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为：

1、功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；

2、结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；

3、尺寸小，能容大；

4、控制调节方便，容易实现自动控制。

5、本方法适用于风机、水泵的调速。

三相异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s)

从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转两种。

在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速有能无换向电动机调速等。

从调速时的能耗观点来看，有高效调速方法与低效调速方法两种：高效调速指时转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）。有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。

直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。

直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为

(1)式中U a——电枢供电电压（V）；I a ——电枢电流（A）；Ф——励磁磁通（Wb）；

R a——电枢回路总电阻（Ω）；C E——电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

由式1可以看出，式中U a、R a、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻R a；；(2)改变电枢供电电压U a；(3)改变励磁磁通Ф。

1. 改变电枢回路电阻调速

各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图1(a)所示。此时转速特性公式为

(2)

式中R w为电枢回路中的外接电阻（Ω）。{{分页}}

图1(a) 改变电枢电阻调速电路图1(b) 改变电枢电阻调速时的机械特性

当负载一定时，随着串入的外接电阻R w的增大，电枢回路总电阻R=(R a+R w)增大，电动机转速就降低。其机械特性如图1(b)所示。R w的改变可用接触器或主令开关切换来实现。

这种调速方法为有级调速，调速比一般约为2：1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。

2. 改变电枢电压调速

连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。

如前所述，改变电枢供电电压的方法有两种，一种是采用发电机-电动机组供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。下面分别介绍这两种调速系统。

1. 采用发电机-电动机组调速方法

图2 (a)发电机-电动机调速电路{{分页}}

(b)发电机-电动机组调速时的机械特性

如图2(a)所示，通过改变发电机励磁电流I F来改变发电机的输出电压U a，从而改变电动机的转速n。在不同的电枢电压U a时，其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线，如图2(b)所示。由于电动机既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流的方向，如图2(a)中切换接触器ZC和FC，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。

由图可知，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机(LF)，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。为克服这些缺点，50年代开始采用水银整流器（大容量）和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。

2. 采用晶闸管变流器供电的调速方法

图3 (a) 晶闸管供电的调速电路

(b) 晶闸管供电时调速系统的机械特性

有晶闸管变流器供电的调速电路如图3(a)所示。通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。在此调速方法下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图3(b)中。

图3(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角a时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区，则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。

变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统，调速范围可达50:1～150：1,甚至更大。

3. 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法

脉宽调速系统出现的历史久远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产实际中推广应用。今年来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导体器件实现的直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。{{分页}}

4. 改变励磁电流调速

当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1可看出，电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩T e是磁通Ф和电枢电流I a的乘积（即T e=C TФI a），电枢电流不变时，随着磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Ф的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为1.5:1～3:1，特殊电动机可达到5:1。这种调速电路的实现很简单，只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现。

1.伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。

2.交流伺服电机也是无刷电机，分为同步和异步电机，目前运动控制中一般都用同步电机，它的功率范围大，可以做到很大的功率。大惯量，最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。

3.伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

什么是伺服电机？有几种类型？工作特点是什么？

答：伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？

答：交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比较简单，便宜。永磁交流伺服电动机20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较，主要优点有：⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。⑵定子绕组散热比较方便。⑶惯量小，易于提高系统的快速性。⑷适应于高速大力矩工作状态。⑸同功率下有较小的体积和重量。

伺服电机原理

一、交流伺服电动机

交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf上；另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。

交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式，但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性，无“自转”现象和快速响应的性能，它与普通电动机相比，应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子，为了减小转子的转动惯量，转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子，杯壁很薄，仅0.2-0.3mm，为了减小磁路的磁阻，要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小，反应迅速，而且运转平稳，因此被广泛采用。

交流伺服电动机在没有控制电压时，定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子静止不动。当有控制电压时，定子内便产生一个旋转

磁场，转子沿旋转磁场的方向旋转，在负载恒定的情况下，电动机的转速随控制电压的大小而变化，当控制电压的相位相反时，伺服电动机将反转。

交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似，但前者的转子电阻比后者大得多，所以伺服电动机与单机异步电动机相比，有三个显著特点：1、起动转矩大由于转子电阻大，与普通异步电动机的转矩特性曲线2相比，有明显的区别。它可使临界转差率S0＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩。因此，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。2、运行范围较广3、无自转现象正常运转的伺服电动机，只要失去控制电压，电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后，它处于单相运行状态，由于转子电阻大，定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性（T1－S1、T2－S2曲线）以及合成转矩特性（T－S曲线）交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz，电压有36V、110V、220、380V；当电源频率为400Hz，电压有20V、26V、36V、115V等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性，并且由于转子电阻大，损耗大，效率低，因此与同容量直流伺服电动机相比，体积大、重量重，所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。

第十一章

11.1何谓开循环控制系统？何谓闭循环系统？两者各有什么优缺点？

系统只有控制量(输出量)的单向控制作用,而不存在被控制量的影响和联系,这称之为开环控制系统.优点是结构简单能满足一般的生产需要.缺点是不能满足高要求的生产机械的需要.

负反馈控制系统是按偏差控制原理建立的控制系统,其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用,又有反向的反馈控制作用,形成一个闭环控制系统或反馈控制系统.缺点是结构复杂,优点可以实现高要求的生产机械的需要. 11.2什么叫调速范围、静差度？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速范围。

电动机所能达到的调速范围,使电动机在额定负载下所许可的最高转速何在保证生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速之比(D).转速变化率即调速系统的静差度电动机有理想空载到额定负载时转速降与理想空载转速的比值(S) 两者之间的关系时

D=n max S2/Δn N(1-S2),在保证一定静差度的前提下,扩大系统调速范围的方法是提高电动机的机械特性的硬度以减小Δn N

11.3生产机械对调速系统提出的静态、动态技术的指标有哪些？为什么要提出这些技术指标？

生产机械对调速系统提出的静态技术的指标有静差度,调速范围,调速的平滑性.动态技术指标有最大超调量,过渡过程时间,振荡次数.

因为机电传动控制系统调速方案的选择,主要是根据生产机械对调速系统提出的调速指标来决定的.

11.4为什么电动机的调速性质应与生产机械的负载特性想适应？两者如何配合才能算适应。

电动机在调速过程中,在不同的转速下运行时,实际输出转矩和输出功率能否达到且不超过其润许长期输出的最大转矩和最大功率,并不决定于电动机本身,而是决定于生产机械在调速过程中负载转矩及负载功率的大小和变化规律,所以,为了使电动机的负载能力得到最充分的利用,在选择调速方案时,必须注意电动机的调速性质与生产机械的负载特性要适合.

负载为恒转矩型的生产机械应近可能选择恒转矩性质的调速方法,且电动机的额定转矩应等于或略大于负载转矩,负载为转矩恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方法,且电动机的额定功率应等于或略大于生产机械的负载转矩.

11.5为什么调速系统中加负载后转速会降低，闭环调速系统为什么可以减少转速降？

当负载增加时，Ia加大，由于IaR∑的作用，所以电动机转矩下降。闭环调速系统可以减小转速降是因为测速发电机的电压U BR下降，是反馈电压U f下降到U f’，但这时给定电压Ug并没有改变，于是偏差信号增加到ΔU‘=Ug- U f’，使放大器输出电压上升到U k’，它使晶闸管整流器的控制角α减小整流电压上升到U d’，电动机转速又回升到近似等于n0。

11.6为什么电压负反馈顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的调速降？

因为电动机端电压即使由于电压负反馈的作用而维持不变，但负载增加时，电动机电枢内阻Ra所引起的内压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。

11.7电流正负反馈在调速系统中起什么作用？如果反馈强度调得不适当会产生什么后果？

电流正负反馈，是把反映电动机电枢电流大小的量IaRa取出，与电压负反馈一起加到放大器输入端，由于市政反馈，

当反馈电流增加时，放大器输入信号也增加，使晶闸管整流输出电压U d增加，以次来补偿电动机电枢电阻所产生的

压降，由于这种反馈方式的转降落比仅有电压负反载时小了许多，因此扩大了调速范围。

如果反馈强度调得不适当会产生不能准确的反馈速度，静特性不理想。。

11.8为什么由电压负反馈和电流正反馈一起可以组成转速反馈调速系统？

因为由于电压反馈调速系统对电动机电枢电阻压降引起的转速降落不能与以补偿，因而转速降落较大，静特性不够

理想，使润许的调速范围减小。为了补偿电枢电阻压降IaRa，就需要在电压反馈的基础上再增加一个电流正负反馈

环节。

11.9电流截止负反馈的作用是什么？转折点电流如何选？堵转电流如何选？比较电压如何选？

电流负反馈会使ΔU随着负载电流的增加而减小，会使电动机的速度迅速降低，可是这种反馈却可以人为地造成阻

转，防止电枢电流过大而烧坏电动机。堵转电流I Ao=（2—2.5）I An一般转折电流I0为额定电流I An的1.35倍.且比

较电压越大,则电流截止负载的转折点电流越大,比较电压小,则转折点电流小.一般按照转折电流I0=KI An选取比较电

压.

11.10积分调节器在调速系统中为什么能消除静态系统的静态偏差？在系统稳定运行时，积分调节器输入偏差电

压△U=0，其输出电压决定于什么？为什么？

因为在积分调节器系统中插入了PI调节器是一个典型的无差元件,它在系统出现偏差时动作以消除偏差.当偏差为

零时停止动作.可控整流电压U d等于原晶态时的数值U d1加上调节过程进行后的增量(ΔU d1+ ΔU d2),在调节过程结束

时,可控整流电压U d稳定在一个大于U d1的新的数值U d2上.增加的那一部分电压正好补偿由于负载增加引起的那部分

主回路压降.

11.11在无静差调速系统中，为什么要引入PI调节器？

因为无差系统必须插入无差元件,它在系统出现偏差时动作以消除偏差.当偏差为零时停止工作. PI调节器是一个典

型的无差元件.所以要引入.

11.12无静差调速系统的稳定精度是否受给定电源和测速发电机精度的影响？为什么？

无静差调速系统的稳定精度受给定电源和测速发电机精度的影响,因为给定电源的信号要与速度反馈信号比较,速度

调节信号要经过测速发电机转化为电压信号.

11.13由PI调节器组成的单闭环无静差调速系统的调速性能以相当理想，为什么有的场合还要采用转速、电流双

闭环调速系统呢？

因为采用PI调节器组成速度调节器ASR的但闭环节调速范围,既能得到无静差调节,又能获得较快的动态相应,速度

调节系统基本满足要求.但在生产机械经常处于正反转工作状态,为了提高生产率,要求尽量缩短启动,制动和反转过

渡过程的时间,当然可用加大过渡中的电流即加大动态转矩来时间,但电流不能超过晶闸管和电动机的许可值,为了

解决这个矛盾可以采用电流截止负反馈,这样就要求由一个电流调节器.

11.14双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差（给定与反馈之差）是多少？它们的输出电压是多少？

为什么？

来自速度给定电位器的信号Ugn与速度反馈信号Ufn比较后,偏差ΔUn=Ugn-Ufn,送到速度调节器ASR的输入端,速度

调节器的输入Ugi与速度反馈信号Ufi比较后,偏差为ΔUi=Ugi-Ufi,送到电流调节器ACR的输入端,电流调节器的输入Uk送到触发器,以控制可控整流器,整流器为电动机提供直流电压Ud.

11.15在双闭环调速系统中转速调节器的作用是什么？它的输出限副值按什么来整定？电流调节器的作用是什

么？它的限副值按什么来整定？

转速调节器的作用是产生电压负反馈(速度反馈信号U fn),与给定电位器的信号U gn.相比较. 它的输出限副值按电压整定,电流调节器的作用是把速度调节器的输出作为电流调节器ACR的给定信号,与电流反馈信号U fi比较.它的限副值按电流整定.

11.16欲改变双闭环调速系统的转速，可调节什么参数？改变转速反馈系数γ行不行？为改变最大允许电流（堵

转电流），则应调节什么参数？

欲改变双闭环调速系统的转速，可调节电压参数和电流参数,改变转速反馈系数γ行,未改变最大许可电流,则应调节U fi .

11.17直流电动机的调速系统可以采取哪些办法组成可逆系统。

直流电动机的调速系统可以采取1;利用接触器进行切换的可逆线路,2利用晶闸管切换的可逆线路3采用两套晶闸管变流器的可逆线路.

11.18试论述三相半波反并联可逆线路逻辑控制无环流工作的基本工作原理。

电动机要正转时,应控制供养机组的α1角由90度逐渐减小,与此同时封锁供养机组的触发脉冲.共阴极组输出直流电压U dα1由零逐渐增加,电动机启动并正转加速.若欲使电动机制动应利用逻辑电路封锁共阴极组触发脉冲使之停止给电动机供电,电动机由于惯性转速瞬间降不下来,其反电动势的极性为上正下负,开放共阳极阻使之投入工作,控制共阳极组的α2角由180度逐渐减小,共阳极组输出直流电压平均值U dβ2的极性为上正下负,且使U dβ2<=E,以产生足够的制动电流,使电动机转速很快制动到零,当电动机转速制动为零时,若使共阳极组电路的α2角在0-90度范围变化,则输出电压U dβ2逐渐增加,即行为上负下正,电动机启动并反转加速,电动机工作在反转电动状态.

11.19试简述直流脉宽调速系统的基本工作原理和主要特点。

基本工作原理：三相交流电源经整流滤波变成电压恒定的直流电压，VT1~VT4为四只大功率晶体三极管，工作在开关状态，其中，处于对角线上的一对三极管的基极，因接受同一控制信号而同时导通或截止。若VT1和VT4导通，则电动机电枢上加正向电压；若VT2和VT3导通，则电动机电枢上加反向电压。

主要特点：（1）主电路所需的功率元件少。（2）控制电路简单。（3）晶体管脉宽调制（PWM）放大器的开关频率一般为1KHZ~3KHZ，有的甚至可达5KHZ。它的动态响应速度和稳速精度等性能指标比较好。晶体管脉宽调制放大器的开关频率高，电动机电枢电流容易连续，且脉动分量小。因而，电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及由它引起的电动机的附加损耗都小。（4）晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出电压的改变而变化，而晶闸管整流器的电压放大系数在输出电压低时变小。

11.20双极性双极式脉宽调节放大器是怎样工作的？

双极性双极式脉宽调制放大器中四只晶体管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组。同一组中的两只三极管同时导通，同时关断，且两组三极管之间可以是交替地导通和关断。

11．25 电动机停止不动，但电枢电压U的瞬时值不等于零，而是正、负脉冲电压的宽度相等，即电枢电路中流过一个交变的电流i a。这个电流一方面增大了电动机的空载损耗，但另一方面它使电动机发生高频率微动，可以减小静摩擦，起着动力润滑的作用。

11.21在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压，电枢电路中是否还有电流？为什

么？

电动机停止不动，但电枢电压U的瞬时值不等于零，而是正、负脉冲电压的宽度相等，即电枢电路中流过一个交变的电流i a。这个电流一方面增大了电动机的空载损耗，但另一方面它使电动机发生高频率微动，可以减小静摩擦，起着动力润滑的作用。

11.22试论述脉宽调速系统中控制电路各部分的作用和工作原理。

控制电路由（1）速度调节器ASR和电流调节器ACR （2）三角波发生器由运算放大器N1和N2组成，N1在开环状态下工作，它的输出电压不是正饱和值就是负饱和值，电阻R3和稳压管VZ组成一个限幅电路，限制N1输出电压的幅值。N2为一个积分器，当输入电压U1为正时，其输出电压U2向负方向变化；当输入电压U1为负时，其输出电压U2向正方向变化。当输入电压U1正负交替变化时，它的输出电压U2就变成了一个三角波。（3）电压-脉冲变换器当运算放大器N工作在开环状态。当它的输入电压极性改变时，其输出电压总是在正饱和值和负饱和值之间变化，这样，它就可以实现把连续的控制电压U K转换成脉冲电压，再经限幅器（由电阻R4和二极管V组成）削去脉冲电压的负半波，在BU的输出端形成一串正脉冲电压U4。（4）脉冲分配器及功率放大

脉冲分配器其作用是把BU产生的矩形脉冲电压U4（经光电隔离器和功率放大器）分配到主电路被控三极管的基极。当U4为高电平时，门1输出低电平，一方面它使门5的输出U C1，4为高电平，V1截止，光电管B1也截止，则U R1=0，经功率放大电路，其输出U b1,4为低电平，使三极管VT1、VT4截止；另一方面门2输出高电平，其后使门6的输出U C2，3为低电平，V2导通发光，使光电管B2导通，则U R2为高电平，经功率放大后，其输出U b2，3为高电平，使三极管VT2、VT3可以导通。反之，当U4为高电平时，U C2，3为高电平，B2截止，U b2，3为低电平，使VT2、VT3截止；而U C1，4为低电平，B1导通，U b1，4为高电平，使VT1、VT4可以导通。随着电压U4的周期性变化，电压U b1，4与U b2，3正、负交替变化，从而控制三极管VT1、VT4与VT2、VT3的交替导通与截止。功率放大电路的作用是把控制信号放大，使能驱动大功率晶体三极管。（5）其他控制电路过流失速保护环节。当电枢电流过大和电动机失速时，该环节输出低电压，封锁门5和门6，其输出U C1，4和U C2，3均为高电平，使U b1，4和U b2，3均为低电平，从而关断三极管VT1~VT4，致使电动机停转。

*11.27 微型计算机控制的直流传动系统有哪些主要特点？

微型机算计机控制的直流传动系统这种系统的控制规律主要由软件实现，只需配备少量的接口电路就能形成一个完整的控制系统；其硬件结构简单，可以通过容易更改的软件来实现不同的控制规律或不同的性能要求。此外单片微机除了能实现系统的控制外，还具有系统的保护、诊断和自检等功能。

电机降速机构

行程 机构循环要求 电机降速机构 960r/min 1件/min m=3 电机降速： 传动比为i=n输入/n输出=960/1

齿轮传动： n1=1r/min； 令z1=80，d1=240，z2=20，d2=60，i21=4/1； n2=n3； z3=80，d3=240，z4=20，d4=60，i43=4/1； n4=n5； 蜗轮蜗杆传动： Mx5=Mt6=2 z5=120，d5=240，z6=2，d6=35.5，i65=60/1。 动力刀头进退机构 已知钻孔18mm，则进退刀大于18mm，令进退刀程L1=30mm。两传动齿轮一样大，令圆弧齿轮旋转角度为30°，则分度圆直径应d1=360/πmm=114.60mm，机架2到滑块的距离d2=d1=360/πmm=114.60mm，滑块与滚子连杆长d3=100mm，r滚子=8mm。由此可知，h=120√3/πmm=66.16mm。 对心凸轮：r0=100mm，δ0=90°，δ01=0°，δ’0=80°,δ02=170°.h=120√3/πmm=66.16mm。 定位和锁紧机构 已知圆盘的底盘直径为ψ40mm，按方案二，将锁紧机构和定位机构的杆长差设定为25mm。定位后，定位机构继续向前移动5mm，锁紧机构到达锁紧指定位置，实现先定位后锁紧。滚子到锁紧顶端距离80mm，r滚子8mm，定位杆与锁紧杆焊接点到锁

紧机构顶端距离为15mm。 由此可知，h=25mm。 对心凸轮：r0=50mm，δ0=60°，δ01=160°，δ’0=80°,δ02=60°，h=25mm。 送料机构 根据圆盘直径为ψ40mm，设定曲柄滑块主动件长为20mm，连杆长为80mm。最小压力角arcCos1/4=75.52°。

Z轴传动机构

Z 轴传动机构 该铣床的工作原理是由Z 轴伺服电机提供动力，通过联轴器连接的丝杠带动滚珠丝杠螺母副，从而带主轴的上下移动，达到Z 轴的直线移动的目的，所以滚珠丝杠螺母副的精度就直接影响了这小型数控铣床的加工精度。通过主轴的转动进行加工。系统将控制指令经变换与放大后，经过伺服进给系统将指令转化为机械执行元件的准确位移、速度、加速度，用来控制被控对象的位移（或转角）、速度、加速度，使其能自动、连续、稳定、快速、精确的复现输入指令的变换规律。我总结了Z 轴传动各部件之间的联系，以下为上文分析的传动主要部件的部分UG 图。如图2-3所示： 伺服电机：伺服电机状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移。 电机座：根据联轴器的外径，轴承的外径，电机的型号，确定电机座尺寸型号。 联轴器：联轴器是联结两轴使它们同时回转并传递转矩的一种部件，选用挠性联轴器结构简单，弹性元件的连接没有间隙，不需润滑，维护方便，平衡容易、质量小，但扭转弹性较低，缓冲减振性能差，主要用于载荷平稳的高速传动。 丝杆：滚珠丝杠的精度直接影响数控机床的定位精度，在滚珠丝杠的精度参数中，其导程误差对机床定位精度最明显。 图2-3 各主要部件图 轴承:由于滚珠丝杠的延伸长的直径Φ12mm ，所以选择的轴承的内径为Φ12mm ，以满足滚珠丝杠的结构需要。本设计选用圆锥滚子轴承，为了能保证其能承受轴向力。

导轨:机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨，进给运动导 图2-4 轴承和矩形导轨经过UG的组装得到以下视图：