1、 網(wǎng)絡高等教育本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設 計） 題 目：電機控制系統(tǒng)研究 學習中心： 層 次： ?？破瘘c本科 專 業(yè)： 年 級： 年 春/秋 季 學 號： 學 生： 指導教師： 完成日期： 年 月 日內(nèi)容摘要電機是電能生產(chǎn)傳輸和分配的主要設備。在發(fā)電廠，發(fā)電機由汽輪機、水輪機、柴油機或其他動力機械帶動，這些原動機將燃料燃燒的熱能、水的的位能、原子核裂變的原子能等轉(zhuǎn)化為機械能輸入到發(fā)電機，由發(fā)電將機械能轉(zhuǎn)化為電能；發(fā)電機發(fā)出的電壓再通過升壓變壓器升降后向遠距離輸送；在各用電區(qū)域，又通過不同電壓等級的降壓變壓器將電壓降低供給用戶。在工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟的各個生產(chǎn)領域，廣泛應用電機控制系統(tǒng)驅(qū)動生產(chǎn)

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

3、的定位系統(tǒng)，人造衛(wèi)星發(fā)射和飛行的控制，船艦方向舵的自動操縱，機床加工的自動控制都用了電機控制系統(tǒng)。隨著社會發(fā)展和科學技術的進步，特別是近年來超導技術、磁流體發(fā)電技術、壓電技術、電力電子技術和電子與計算機技術的迅猛發(fā)展，為電機技術的發(fā)展開辟了更加廣闊的前景。關鍵詞：直流電機、交流電機目 錄內(nèi)容摘要I引 言11 電機控制系統(tǒng)介紹21.1 電機控制系統(tǒng)的基本組成21.1.1 電動機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 運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律51.3 電機控制系統(tǒng)的分類62 電機調(diào)速系統(tǒng)72.1 概述72.2 直流電機的調(diào)速方式72.3 交流電機的調(diào)速方

4、式83 伺服電機系統(tǒng)113.1 概述113.2 伺服電機的結(jié)構(gòu)及工作原理113.3 伺服系統(tǒng)的應用及展望124 結(jié) 論14參考文獻15引 言蒸汽機啟動了18世紀第一次產(chǎn)業(yè)革命，19世紀末到20世紀上半年電機又引發(fā)了第二次產(chǎn)業(yè)革命，使人類進入了電氣化時代。20世紀下半年的信息技術引發(fā)了第三次產(chǎn)業(yè)革命，使生產(chǎn)和消費從工業(yè)化向自動化、智能化時代轉(zhuǎn)變;推動了新一代高性能電機控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展。21世紀初始，世界汽車工業(yè)又站在了革命的門檻上。顯然，汽車工業(yè)是推動社會現(xiàn)代化進程的重要動力，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。而對于我國日益擴大的汽車市場，這種危機就更明顯

5、。據(jù)了解，2000年我國進口汽油7000萬噸，預計2010年后將超過1億噸，相當于科威特一年的總產(chǎn)量。目前世界上空氣污染最嚴重的10個城市中有7個在中國，同時國家環(huán)保中心預測到在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)燃機技術發(fā)展汽車工業(yè)，將會給我國的能源安全和環(huán)境保護造成巨大的影響。為此，國家科技部啟動了十五“863電動汽車重大專項。高密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機其控制系統(tǒng)既是電動汽車的心臟又是電動汽車研制的關鍵技術之一，已被列為863電動汽車重大專項的共性關鍵技術課題。面對目前世界，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。低碳已經(jīng)成為一個世界性的話題，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)換的一個對象，因此，對電能的節(jié)約，也就是相應的節(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各界人士所認同。作為電能的消耗者電機優(yōu)越的控制系統(tǒng)也越來越被人們所重視。1 電機控制系統(tǒng)介紹1.1 電機控制系統(tǒng)的基本組成電機控制系統(tǒng)一般是由控制器、功率放大與變換裝置、電動機及負載裝置、信號反饋傳感器、及信號處理器組成。電機控制系統(tǒng)的基本組成框圖如圖1.1

7、所示。圖1.1 電機控制系統(tǒng)的組成框圖1.1.1 電動機電動機是電機運動控制系統(tǒng)的控制對象，主要分為以下三類：電動機是通過電磁感應原理來實現(xiàn)能量變換的機械裝置，電和磁是構(gòu)成電機的兩大要素，缺一不可。電動機工作原理主要是由于交流線圈在磁場中受力從而帶動外在的負載驅(qū)動運動。通過電動機這一裝置充分的把電能轉(zhuǎn)化為機械能，電機在整個機械裝置中也被當之無愧稱為動力源。電動機在控制系統(tǒng)中控制對象方式，主要分為以下三類：1.直流電動機-結(jié)構(gòu)復雜，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：易于控制。2.交流異步電動機-結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，無需機械換向器，其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動機。3.同步電動機

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

9、成電機的驅(qū)動電源。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，必須增加強迫換流回路，使電路結(jié)構(gòu)復雜。隨著科技的進步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，無須強迫換流回路，主回路結(jié)構(gòu)簡單。另一個特點是可以大大提高開關頻率，用脈寬調(diào)制（PWM）技術控制功率器件的開通與關斷，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、保護功能的復合功率模塊

10、，大大提高了使用的安全性和可靠性，為工業(yè)電機控制系統(tǒng)的發(fā)展作出了巨大貢獻。1.1.3 控制器在整個電機控制系統(tǒng)中控制器是重要組成部分，一般控制器使用PLC控制或者單片機控制，控制器內(nèi)部的程序直接決定著整個系統(tǒng)的運行方案?？刂破髟诮邮馨l(fā)送信號時一般有兩種信號，即數(shù)字量信號和模擬量信號。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算放大器及相應的電氣元件實現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點，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要盡量

11、避開其它大功率設備及會影響信號誤差的設備及裝置。 2.數(shù)字量控制器：硬件電路標準化程度高、制作成本低、而且不受器件溫度漂移的影響。控制規(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、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器無法實現(xiàn)的功能。同時數(shù)字量控制器對通訊電纜要求就不那么高只要能有驅(qū)動控制器反應的能量即可，對驅(qū)動控制器的電量無較高要求。1.1.4 傳感器電機控制系統(tǒng)中常用電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置的反饋信號是，為了真實可靠地得到這些信號，并實現(xiàn)功率電路（強電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應的傳感器。通過這些傳感器反饋信號的數(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、物理傳感器和化學傳感器二大類：傳感器工作原理的分類物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現(xiàn)象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎運作的?；瘜W傳感器技術問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學傳感器的應用將會有巨大增長。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：集成傳感器是用標準的生產(chǎn)硅基半導

13、體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號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，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上，利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。陶瓷傳感器采用標準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?shù)念A備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結(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，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。每種工藝技術都有自己的優(yōu)點和不足。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或更大的電流信號轉(zhuǎn)換成420mA或020mA的標準控制信號給處理器。電壓傳感器-就是電壓變送器，將0100V或更大的電壓信號轉(zhuǎn)換成010V的標準控制信號給處理器。振動傳感器-檢測機械設備的振動，進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，采用霍爾原理。檢測距離不會超過10mm。輸出信號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也可以是線性信號?？諝饬髁?/p>

15、傳感器可以輸出繼電器信號或電壓、電流的線性信號。溫度傳感器這個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 運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)的基本運動方程式： （1.1）其中：機械轉(zhuǎn)動慣量；轉(zhuǎn)子的機械角速度；轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角。（1）運動控制的目的：電機在運動過程中因不同的工藝要求需要對電機的轉(zhuǎn)速以及電機轉(zhuǎn)動角度進行控制；（2）對于水平運行的電機主要是控制其水平移動的距離以及水平移動的速度；（3）通過控制電機的給定頻率可以控制電機的轉(zhuǎn)速同時對于控制不進電機的轉(zhuǎn)動角度可以控制其電磁轉(zhuǎn)矩來達到人們期望的電機運動效果。（4）在高性能的運動控制系統(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)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。1.3 電機控制系統(tǒng)的分類電機控制系統(tǒng)中有直流電機、步進電機和測速電機控制系統(tǒng)等。 其中伺服電機控制系統(tǒng)是將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象此時轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降與此同時體積小、重量輕、輸出功率和轉(zhuǎn)矩大的電機方便調(diào)試。步進電機是將脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移或線位移。一是過載性好。其轉(zhuǎn)速不受負載大小的影響也不像普通電機，當負載加大時就會出現(xiàn)速度下降的情況，所以步進電機的使用在對速度和位置都有嚴格要求的場合下才方便控制。步進電機是以“步”為單位旋轉(zhuǎn)的具有數(shù)字特征比較明顯的電機控制系統(tǒng)這樣就給計算機控制帶來了很大的方便與此同時反過來計算機的出現(xiàn)也為步進電機開辟了

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

18、前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中步進電機的應用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)使得交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應數(shù)字控制的發(fā)展趨勢在運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似脈沖串和方向信號在使用性能和應用場合上存在著較大的差異。2 電機調(diào)速系統(tǒng)2.1 概述電機調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)上廣泛應用的系統(tǒng)，在國民經(jīng)濟和國防中的各個部門各種需要調(diào)速的設備上都大量的使用著。近年來國內(nèi)外對全數(shù)字化的交流調(diào)速系統(tǒng)進行了大量的研究開發(fā)，已有不少產(chǎn)品在市場上銷售，但這些產(chǎn)品只是對單個交流電機實現(xiàn)調(diào)速功能，在多電機的同步調(diào)速控制方面尚未進行深入研究和

19、探討，也沒有很好的發(fā)揮計算機強大的智能控制作用如何在全數(shù)字化交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎上，應用國內(nèi)外控制領域中的各個最新產(chǎn)品和成果進一步實現(xiàn)多電機調(diào)速系統(tǒng)的性能這對當前的傳統(tǒng)工業(yè)的技術改造是非常有意義的。在工業(yè)生產(chǎn)與生活休閑領域電機主要的作用就是將電能轉(zhuǎn)化為機械能。為此在電能轉(zhuǎn)化為機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。同時控制電機的運轉(zhuǎn)速度也是對電機的一種重要控制。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。因此，調(diào)速技術一直是研究的熱點。直流電機的調(diào)速控制在工程運用中最為廣泛，雖然直流電機的結(jié)構(gòu)特點較為復雜但比起優(yōu)越的調(diào)速性能這些繁瑣的缺點就

20、微不足道了。直流電機可以通過改變電樞電壓的方法實現(xiàn)恒定轉(zhuǎn)矩調(diào)速，也可通過改變勵磁的方法實現(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、動態(tài)調(diào)速特性。因此，長期以來，在變速傳動領域中，直流調(diào)速一直占據(jù)主導地位。2.2 直流電機的調(diào)速方式1、直流電機是指將直流電送到直流電動機，把直流電動機的電能轉(zhuǎn)換成機械能。六十年代以前采用的是發(fā)電機-電動機系統(tǒng)（F-D），這種方法只有在電動機由專用的發(fā)電機供電時才有可能。2、另一種是可控硅-電動機系統(tǒng)（SCR-D）。直流電機的調(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)電阻來實現(xiàn)?？梢娭绷麟姍C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現(xiàn)平滑、無級、寬范圍、低損耗的要求。盡管直流電機調(diào)速就其性能而言，可以相當滿意，但因其結(jié)構(gòu)夏雜，慣量大，維護麻煩，不適宜在惡劣環(huán)境中運行，不易實現(xiàn)大容量化、高壓化、高速化，而且價格昂貴。2.3 交流電機的調(diào)速方式交流電機的調(diào)試方式和直流電機調(diào)速方式剛好相反。由于交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、慣量小、維護方便，可在惡劣環(huán)境中運行，容易實現(xiàn)大容量化，高壓化、高速化，而且價格低廉。1、從節(jié)能的角度看，交流電機的調(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)速裝置的特點是：調(diào)速時基本保持額定轉(zhuǎn)差，不增加轉(zhuǎn)差損耗，或可以將轉(zhuǎn)差動率回饋至電網(wǎng)。2、低效調(diào)速裝置的特點是：調(diào)速時改變轉(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：改變極對數(shù)調(diào)速鼠籠式電機變頻調(diào)速鼠籠式電機串級調(diào)速繞線式電機換向器電機調(diào)速同步電機低效調(diào)速方法包括：定子調(diào)壓調(diào)速鼠籠式電機電磁滑差離合器調(diào)速鼠籠式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速繞線式電機（二）調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速的方法及各種調(diào)速裝置的特點：（1）改變極對數(shù)調(diào)速：優(yōu)點：無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高；控制電路簡單，易維修，價格低；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：有級調(diào)速，不能實現(xiàn)無級平滑的調(diào)速。且由于受到交流電機結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn)23種極對數(shù)的有級調(diào)速，調(diào)速范圍相當有限。（2）變頻調(diào)速：優(yōu)點：無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高

23、，調(diào)速范圍寬；對于低負載運行時間較長，或起、停較頻繁的場合，可以達到節(jié)電和保護電機的目的。缺點：技術較復雜，價格較高。（3）換向器電機調(diào)速：優(yōu)點：具有交流同步電動機結(jié)構(gòu)簡單和直流電動機良好的調(diào)速性能；低速時用電源電壓、高速時用電機反電勢自然換流，運行可靠；無附加轉(zhuǎn)差損耗，效率高，適用于高速大容量同步電動機的啟動和調(diào)速。缺點：過載能力較低，原有電機的容量不能充分發(fā)揮。（4）串級調(diào)速：優(yōu)點：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：功率因素較低，有諧波干擾，正常運行時無制動轉(zhuǎn)矩，適用于單象限運行的負載。（5）定子調(diào)壓調(diào)速：優(yōu)點：線路簡

24、單，裝置體積小，價格便宜；使用、維修方便。缺點：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?。灰蟛捎酶咿D(zhuǎn)差電機，比如特殊設計的力矩電機，所以特性較軟，一段適用于55kW以下的異步電動機。（6）電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，控制裝置容量小，價值便宜。運行可靠，維修容易。 無諧波干擾。缺點：速度損失大，因為電磁轉(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：技術要求較低，易于掌握；設備費用低；無電磁諧波干擾。缺點：串鑄鐵電阻只能進行有級調(diào)速。若用液體電阻進行無級調(diào)速

25、，則維護、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，交流電機最理想的調(diào)速方法應該是改變電動機供電電源的頻率，這就是變頻調(diào)速。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，變頻調(diào)速的性能指標完全可以達到甚至超過直流電機調(diào)速系統(tǒng)。3 伺服電機系統(tǒng)3.1 概述伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機,控制速度位置精度非常準確。伺服電機在伺服系統(tǒng)中控制著機械元件運轉(zhuǎn)，是一種補助馬達間接變速裝置。伺服電機可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，

26、并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。3.2 伺服電機的結(jié)構(gòu)及工作原理伺服系統(tǒng)亦稱隨動系統(tǒng)，屬于自動控制系統(tǒng)中的一種，它用來控制被控對象的轉(zhuǎn)角(或位移)，使其能自動地、連續(xù)地、精確地復規(guī)輸入指令的變化規(guī)律。它通常是具有負反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，有的場合也可以用開環(huán)控制來實現(xiàn)其功能。在實際應用中一般以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機要求

27、具有響應速度快、定位準確、轉(zhuǎn)動慣量較大等特點，這類專用的電機稱為伺服電機。其基本工作原理和普通的交直流電機沒有什么不同。該類電機的專用驅(qū)動單元稱為伺服驅(qū)動單元，有時簡稱為伺服，一般其內(nèi)部包括轉(zhuǎn)矩（電流）、速度和/或位置閉環(huán)。其工作原理簡單的說就是在開環(huán)控制的交直流電機的基礎上將速度和位置信號通過旋轉(zhuǎn)編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器等反饋給驅(qū)動器做閉環(huán)負反饋的PID調(diào)節(jié)控制。再加上驅(qū)動器內(nèi)部的電流閉環(huán)，通過這3個閉環(huán)調(diào)節(jié)，使電機的輸出對設定值追隨的準確性和時間響應特性都提高很多。伺服系統(tǒng)是個動態(tài)的隨動系統(tǒng)，達到的穩(wěn)態(tài)平衡也是動態(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；功率逆變和保護單元；檢測器單元；數(shù)字控制器單元；接口單元。相對應伺服系統(tǒng)由外到內(nèi)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩三個閉環(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，伺服完成所有的三個閉環(huán)的控制。在使用速度控制方式時，伺服完成速度和扭矩（電流）兩個閉環(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，只是上位機的處理不同。另外，有人認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)送給伺服單元一個目標扭矩值，多用在單一的扭矩控制場合，比如在小角度裁斷機中，一個電機用速度或位置控制

29、方式，用來向前傳送材料，另一個電機用作扭矩控制方式，用來形成恒定的張力。3.3 伺服系統(tǒng)的應用及展望交流異步伺服通過在三相異步電動機的定子繞組中產(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)磁場與電動機轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應電流相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電動機的旋轉(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，時間短，且可提高主軸定位控制時系統(tǒng)的剛性和精度，操作方便，是主軸驅(qū)動采用的主要形式。然而交流異步伺服存在兩個主要問題：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)速電動機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，永磁同步電動機轉(zhuǎn)子溫度低，軸向連接位置精度高，要求的冷卻條件不高，對機床環(huán)境的溫度影響小，容易達到極小的低限速度。即使在低限速度下，也可作恒轉(zhuǎn)矩運行，特別適合強力切削加工。同時其轉(zhuǎn)矩密度高，轉(zhuǎn)動慣量小，動態(tài)響應特性好，特別適合高生產(chǎn)率運行。較容易達到很