第十一章步进电动机传动控制系统
11.1 步进电动机
步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。
图11.1 步进电动机实物图
步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。
步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。
步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。存在低频振荡、高频失步等缺陷。另外，步进电机自身的噪声和振动较大。
一、步进电动机的工作原理
步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。
步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。
如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。和一般旋转电动机一样，
步进电机也分为定子和转子两大部分。定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励
磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。
转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有4个凸齿。
若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。
比如，给A 相绕组通电时，转子位置如图（a ），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁
磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。
A'A K1K2K3
B'C'
B
C
对于上述三相反应式步进电机，其运行方式有单三拍、单双拍及双三拍等通电方式。“单”、“双”、“拍”的意思是：“单”是指每次切换前后只有一相绕组通电，“双”就是指每次有两相绕相通电；而从一种通电状态转换到另一种通电状态就叫做一“拍”。
下面请仔细观看动画演示
结论：
1)三相单三拍工作方式：指对三相绕组单独轮流通电，三次换相（三拍）完成一个通电循环。通电顺序为A—B－Ｃ－Ａ时，转子按顺时针方向一步一步转动。通电顺序改为A－Ｃ－Ｂ－Ａ，时，转子按逆时针方向一步一步转动。可见，欲改变步进电机的旋转方向，则只要改变通电顺序即可。
电流换接三次，磁场旋转一周，转子前进一个齿距角（此例中转子有四个齿，则齿距角为90°）电流每换接一次转子前进一个角度称为步距角。此例中电流换接三次走完一个齿距角，则步距角为30°
2）三相单、双六拍工作方式：按A-AB-B-BC-C-CA-A或A-CA-C-BC-B-AB-A相序循环通电。同样，通电顺序改变时，旋转方向改变。而电流换接次数多了一倍，步子走得更细了，步距角为15°
3）三相双三拍工作方式：按AB-BC-CA-AB或AC-CA-BC-AC相序循环通电。步距角与三相单三拍工作方式相同也30°，运行稳定性较前者好。
综上所述，可得出：
?通电频率提高，步进电动机的转速升高。
?每一循环中通电拍数越多，步距角减小。步进电动机的转速降低。
二、小步距角步进电机
上述三相反应式步进电机的步距角显然太大，不适合一般用途的要求，下面讨论实际的小步距角步进电动机。
小步距角步进电动机结构特点：如图
定转子外园均有齿和槽。定子、转子的齿宽和齿距相等。定子极面小齿和转子上的小齿位置符合下列规律：当A 相的定子齿和转子齿对齐时(如图所对应位置)，B 相的定子齿应相对于转子齿顺时针方向错开1/3齿距，而C 相的定子齿又应相对于转子齿顺时针方向错开2/3齿距。 也就是，当某一相磁极下定子与转子的齿相对时，下一相磁极下定子与转子齿的位置则刚好错开t /m 、2t/m 、
3t/m …依此类推。（ t ——齿距；m ——相数）
当定子通电循环一周时，转子转过一个齿距。设转子齿数为Z ，
则转子齿距为：
因为每通电一次，转子走一步，故步距角为:
β＝齿距/拍数＝360?/ZKm
式中，K ——状态系数(单三拍、双三拍时，K =1；单、双六拍时，K =2)。
若步进电动机的Z=40，三相单三拍运行时，其步距角
3403360=?=
β 若按三相六拍运行时，步距角
5.140
32360=??=
β 由此可见，步进电动机的转子齿数Z 和定子相数(或运行拍数)愈多，则步距角愈小，控制越精确。
当定子控制绕组按着一定顺序不断地轮流通电时，步进电动机就持续不断地旋转。如果电脉冲的频率为f (HZ)，步距角用弧度表示，则步进电动机的转速为：
f KmZ
f KmZ f n 606022602===ππ
πβ
z
/360?=
τ
13.2步进电动机的驱动电源
一、驱动电源的组成
步进电机的运行要求足够功率的电脉冲信号按一定的顺序分配到各相绕组。所以，与其它旋转电机不同的是步进电机的工作需要专门的驱动。步进电机的驱动包含脉冲分配（环行分配）和功率放大两部分。如图所示。步进电机与驱动部分是一个不可分开的有机整体，步进电机系统的性能除了与电机本身的性能有关外，在很大程度上取决于所使用的功率驱动电路的类型与优劣。下图为常见的三相步进电机驱动系统结构示意图。
图中，若步进电机按三相单三拍方式运行，则脉冲分配器输出的A 、B 、C 如下图所示。 当方向电平为低时，脉冲分配器的输出按A-B-C 的顺序循环产生脉冲。
当方向电平为高时，脉冲分配器的输出按A-C-B 的顺序循环产生脉冲。
f A B
C
f
脉冲分配器输出的每一相脉冲信号都需要通过功率放大以后才可连接到步进电机的各相绕组，从而使步进电机产生足够大的电磁转矩带动负载。 二、步进电动机的脉冲分配器
步进电动机的脉冲分配器可由硬件或软件方法来实现。硬件环形分配器有较好的响应速度，且具有直观、维护方便等优点。软件环分则往往受到微型计算机运算速度的限制，有时难以满足高速实时控制的要求。
1.硬件环形分配器硬件环形分配器需根据步进电动机的相数和步进电机绕组的通电方式设计,图所示是一个三相六拍的环形分配器。
分配器的主体是三个J-K 触发器。三个J-K 触发器的Q 输出端分
别经各自的功放电路与步进电动机A 、B 、C 三相绕组连接。电机正转
时，要使A 、B 、C 按
A —A
B —B —B
C —C —CA 顺序循环产生脉冲信号输出。电机反转时，则
应以A —AC —C —CB —B —BA 的顺序循环。电路中，决定正、反转的信
号为W+、W-。 当使W+=1、W-=0时对应正转； W+=0、W-=1时对应反转。正、反转工作原理类似，下面仅对正转时的工作情况进行分析。根据数字电子技术基础分析电路的工作原理可知，当复位端来一个脉冲信号时，三个J-K 触发器被置初值，即 Q A 、Q B 、Q C 依次置为1、0、0。 每一个CP 脉冲的下降沿将J-K 触发器J 端的状态锁存到Q 端，可得出正转（W+=1、W-=0）时环形分配器的逻辑状态真值表。 表
3.1
。
A B
C f
W -
W +
A 相
B 相
C 相
由此可见，连续的输入脉冲CP ，将循环不断地在Q A 、Q B 、Q C 产生三相六拍式脉冲输出。
2．软件环形分配：软件环分的方法是利用计算机程序来设定硬件接口的位状态，从而产生一定的脉冲分配输出。对于不同的计算机和接口器件，软件环分有不同的形式。现以MCS-51系列单片机8031为例加以说明。
8031单片机本身包含4个8位
I/O 端口，分别为P0、P1、P2、P3。若要实现三相六拍方式的脉冲分配，需要三根输出口线，本例中选P1口的P1.0、P1.1、P1.2位作为脉冲分配的输出。如图所示。
根据8031单片机的基本原理，对P1.0、P1.1、P1.2位编程使其按表3.2规定改变输出状态就实现了三相六拍分配任务。 表3.2
8031P1.0P1.1P1.2
A B C
驱动
器
表中P1.3~P1.7位在此例中不相干，可任意设为1或0。若设定为0，则向端口P1输送的内容依次为：
01H、03H、02H、06H、04H、05H。
编写程序时，将这些值按顺序存放在固定的只读存储器中，设计一个正转子程序和一个反转子程序供主程序调用。正转子程序按顺序取表中的内容输出到P1端口，而反转子程序按逆序取表中的内容输出到P1端口。主程序每调用一次子程序，就完成一次P1端口的输出。主程序调用子程序的时间间隔（可用软件延时或中断的方法实现）决定了输出脉冲的频率，从而决定步进电机转速。下面是正转子程序清单，反转子程序与此相类似。
正转子程序：
CW：CJNE R0，#6，CW1；R0指示数据表中数据输出的相对指针
MOV R0，#0；若指针已指到表尾，则将指针重指表头
CW1：MOV A，R0
MOV DPTR，#TABLE；指针DPTR指向表头
MOVC A，@A+DPTR；从表中取值送到A中
MOV P1，A；A的内容送到输出端口P1
INC R0；为取下一个数做准备
RET
三、步进电动机的驱动电路
步进电动机的功率驱动电路实际上是一种脉冲放大电路，使脉冲具有一定的功率驱动能力。由于功率放大器的输出直接驱动电动机绕组，因此，功率放大电路的性能对步进电动机的运行性能影响很大。对驱动电路要求的核心问题则是如何提高步进电动机的快速性和平稳性。常见的经济型数控机床步进电动机驱动电路主要有以下几种。
1．单电压驱动电路
U b1
U b2I 123图所示是步进电动机一相的驱动电路，L 是电动机绕
组，晶体管VT 可以认为是一个无触点开关，它的理想工作状态应使电流流过绕组L 的波形尽可能接近矩形波。但由于电感线圈中电流不能突变，在接通电源后绕组中的电流按指
数规律上升。
)1(L τt e r
R U
i -
+=
时间常数()r R L +=τ
绕组中的电流须经一段时间后才能达到稳态电流（L
为绕组电感，r 为绕组电阻）。由于步进电动机绕组本身的电阻很小（约为零点几欧），所以，若不加外接电阻R 其时间常数为L/r 很大，绕组中电流上升速度很慢,从而严重影响电动机的启动频率。串以电阻R 后，时间常数由变成L/（R+r ），缩短了绕组中电流上升的过渡过程，从而提高了工作速度。
在电阻R 两端并联电容C ，是由于电容上的电压不能突变，在绕组由截止到导通的瞬间，电源电压全部降落在绕组上，使电流上升更快，所以，电容C 又称为加速电容。
二极管V 在晶体管VT 截止时起续流和保护作用，以防止晶体管截止瞬间绕组产生的反电势造成管子击穿，串联电阻使电流下降更快，从而使绕组电流波形后沿变陡。
这种电路的缺点是R 上有功率消耗，为了提高快速性，需加大R 的阻值，随着阻值的加大，电源电压也势必提高（稳态电流达到一定值），功率消耗也进一步加大，正因为这样，单电压限流型驱动电路的使用受到了限制。
2． 高低压切换型驱动电路
高低压切换型驱动电路的最后一级如图所示。这种电路中，采用高压和低压两种电压
供电，一般高压为低压的数倍。
D
V
单电压驱动电路
若加在VT1和VT2管基极的电压和b2U 如图(b)所示，则在2~1t t 时间内，VT1和VT2均饱和导通，+80V 的高压电源经VT1和VT2管加在步进电动机的绕组L 上，使绕组电流迅速上升。
当时间到达时（采取定时方式），或当电流上升到某一数值时（采用定流方式），b2U 变为低电平，VT2管截止，电动机绕组的电流由+12V 电源经VT1管来维持，此时，以2t 处的电流为初值，电流下降到电动机的额定电流.
当时间到达3t 时，b1U 也为低电平，VT1管截止，电动机绕组电流经续流回路下降到零。
高低压驱动线路的优点是：功耗小，启动力矩大，突跳频率和工作频率高。缺点是：
大功率管的数量要多用一倍，增加了驱动电源。
13.3
步进电动机的运行特性及选用中应注意的问题
一、步进电动机的运行特性及影响因素 1．步进电动机的基本特点
反应式步进电动机可以按特定指令进行角度控制，也可以进行速度控制。
角度控制时，每输入一个脉冲，定子绕组换接一次，输出轴就转过一个角度，其步数与脉冲数一致，输出轴转动的角位移与输入脉冲数成正比。
速度控制时，各相绕组不断地轮流通电，步进电动机就连续转动。反应式步进电动机转速只取决于脉冲频率、转子齿数和拍数，而与电压、负载、温度等因素无关。当步进电动机的通电方式选定后，其转速只与输入脉冲频率成正比，改变脉冲频率就可以改变转速，故可进行无级调速，调速范围很宽。同时步进电动机具有自锁能力，当控制电脉冲停止输入，而让最后一个脉冲控制的绕组继续通入直流时，则电动机可以保持在固定的位置上，这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。
综上所述，步进电动机工作时的步数或转速既不受电压波动和负载变化的影响(在允许负载范围内)，也不受环境条件(温度、压力、冲击和振动等)变化的影响，只与控制脉冲同步，同时，它又能按照控制的要求进行启动、停止、反转或改变速度，这就是它被广泛地应用于各种数字控制系统中的原因。
2．矩角特性
高低压切换型驱动电路
矩角特性又称静态特性，指绕组中电流恒定，使转子处在各个不同位置且固定不动时电
磁转矩随偏转角的变化关系。定子一相绕组通以
直流后，如果转子上没有负载转矩的作用，转子齿和通电相磁极上的小齿对齐，这个位置称为步进电动机的初始平衡位置。如图所示：
若用外力（静负载转矩不为零）使转子错开初始平衡位置一个角度。转子齿偏离初始平衡位置的
角度就叫转子偏转角(空间角)，若用电角度θe 表示，则由于定子每相绕组通电循环一周(电角度)，对应转子在空间转过一个齿距(空间角度)，故电角度是空间角度的Z 倍。就是矩角
特性曲线。可以证明，此曲线可近似地用一条正弦曲线表示，
如图所示。
从图看出，达到2π±时，即在定子齿与转子齿顺时针或反时针错开1/4个齿距时，转矩T 沿对应方向达到最大值，
称为最大静转矩SMAX T ，负载转矩必须小于最大静转矩，否则，根本带不动负载。为了能稳定运行，负载转矩一般只能是最大静转矩的30%~50%左右。因此，这一特性反映了步进电动机带负载的能力，通常在技术资料中都有说明，它是
步进电动机的最主要的性能指针之一。
3．脉冲信号频率对步进电动机进行的影响
当脉冲信号频率很低时，控制脉冲以矩形波输入，电流波形比较接近于理想的矩形波；
随着脉冲信号频率增高，由于电动
机绕组中的电感有阻止电流变化的作用，因此电流波形发生畸变，
频率越高，畸变越严重。如图所示，如果脉冲频率过高，电流还来不及上升到稳定值I 就开始下降，于是，电流的幅值降低(由I 下降到I ')，因而产生的转矩减小，致使带负载
i
i
1I I
i I I'始平衡位置
的能力下降。故频率过高会使步进电动机启动不了或运行时失步而停下。因此，对脉冲信号频率是有限制的。
4．转子机械惯性对步进电动机运行的影响
从物理学可知，机械惯性对瞬时运动的物体要发生作用，当步进电动机从静止到起步，由于转子部分的机械惯性作用，转子一下子转不起来，因此，要落后于它应转过的角度，如果落后不太大，还会跟上来，如果落后太多，或者脉冲频率过高，电动机将会启动不起来。
另外，即使电动机在运转，也不是每走一步都迅速地停留在相应的位置，而是受机械惯性的作用，要经过几次振荡后才停下来，如果这种情况严重，就可能引起失步。因此，步进电动机都采用阻尼方法，以消除(或减弱)步进电动机的振荡。
二、 步进电动机的主要性能指标和使用
1．步进电动机的主要性能指针 1）步距角
步距角是步进电动机的主要性能指针之一。不同的应用场合，对步距角大小的要求不同。它的大小直接影响步进电动机的启动和运行频率，因此，在选择步进电动机的步距角时，若通电方式和系统的传动比已初步确定，则步距角应满足min θβi =
式中，i ——传动比；
min θ——负载轴要求的最小位移增量(或称脉冲当量，即每一个脉冲所对应的负
载轴的位移增量)。
例：如图所示。传动比i =4，丝杠导程=2mm ，步距角09.0=β。求每一个脉冲所对应的丝杠的角位移量和工作台的线位移量。
解：本题已知步距角、传动比，求负载轴对应的脉冲位移增量。当步进电机选定，机械传动部分设计完成以后，负载轴对应的脉冲位移增量为θβi = 则 0225.049.0==θ
设步进电机每步对应工作台线位移为X(mm)，由于丝杠（单头）每转360?对应一个螺距的线位移，本例中螺距为2mm ，所以
m 25.1360/225.02360/2000μθ=?=?=X
2）最大静转矩max s T
负载转矩与最大静转矩的关系为
()smax L 5.0~3.0T T =
为保证步进电动机在系统中正常工作，还必须满足
Lmax ST T T >
式中，ST T ——步进电动机启动转矩；
Lmax T ——最大静负载转矩。
通常取()st Lmax 5.0~3.0T T =以便有相当的力矩储备。 3）启动频率
突然给电机加上某一频率的输入脉冲使转子从静止状态启动，保证转子能不失步正常运行的最高脉冲频率称为启动频率。启动频率因负载不同而异。负载启动频率q f 比空载启动频率ost f 大很多。因此，在选用电动机时应该注意到这一点。启动频率反映了步进电机跟踪的快速性。
4）精度
精度是用一周内最大的步距角误差值表示的。对于所选用的步进电动机，其步距精度应满足
()L ΔΔββi =
式中，L Δβ——负载轴上所允许的角度误差。 5）连续运行频率c f 和矩频特性
步进电动机运行频率连续上升时，电动机不失步运行的最高频率称为连续运行频率c f ，它的值也与负载有关。很显然，在同样负载下，运行频率c f 远大于启动频率。c f 反映了步进电机的最高运行速度，直接影响生产率。
在连续运行状态下，步进电动机的电磁力矩随频率的升高而急剧下降。这两者之间的关系称为矩频特性，如图所示为某步进电动机的矩频特性。
三、使用步进电动机时应注意的几个问题
（1）驱动电源的优劣对步进电动机控制系统的运行影响极大，使用时要特别注意，需根据运行要求，尽量采用先进的驱动电源，以满足步进电动机的运行性能。
（2）若所带负载转动惯量较大，则应在低频下启动，然后再上升到工作频率，停车时也应从工作频率下降到适当频率再停车。
（3）在工作过程中，应尽量避免由于负载突变而引起误差。
（4）若在工作中发生失步现象，首先，应检查负载是否过大，电源电压是否正常，再检查驱动电源输出波形是否正常，在处理问题时不应随意变换组件。
矩频特性
习题与思考题 第二章机电传动系统的动力学基础 2.1 说明机电传动系统运动方程中的拖动转矩，静态转矩和动态转矩。 拖动转矩是由电动机产生用来克服负载转矩，以带动生产机械运动的。静态转矩就是由 生产机械产生的负载转矩。动态转矩是拖动转矩减去静态转矩。 2.2 从运动方程式怎样看出系统是处于加速，减速，稳态的和静态的工作状态。 TM-TL>0说明系统处于加速，TM-TL<0 说明系统处于减速，TM-TL=0说明系统处于稳态（即 静态）的工作状态。 2.3 试列出以下几种情况下（见题2.3图）系统的运动方程式，并说明系统的运动状态是加 速，减速，还是匀速？（图中箭头方向表示转矩的实际作用方向） TM=TL TM< TL TM-TL<0说明系统处于减速。 TM-TL<0 说明系统处于减速 T M T L T M T L T M> T L M>L 系统的运动状态是减速系统的运动状态是加速 T M T L T T L T M= T L T M= T L 系统的运动状态是减速系统的运动状态是匀速 2.4 多轴拖动系统为什么要折算成单轴拖动系统？转矩折算为什么依据折算前后功率不变
的原则？转动惯量折算为什么依据折算前后动能不变的原则？ 因为许多生产机械要求低转速运行，而电动机一般具有较高的额定转速。这样，电动机与生产机械之间就得装设减速机构，如减速齿轮箱或蜗轮蜗杆，皮带等减速装置。所以为了列出系统运动方程，必须先将各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量这算到一根轴上。转矩折算前后功率不变的原则是P=Tω, p不变。转动惯量折算前后动能不变原则是能量守恒MV=0.5Jω2 2.5为什么低速轴转矩大，高速轴转矩小？ 因为P= Tω,P不变ω越小T越大，ω越大T 越小。 2.6为什么机电传动系统中低速轴的GD2比高速轴的GD2大得多? 因为P=Tω，T=G?D2/375. P=ωG?D2/375. ,P不变转速越小GD2越大，转速越大GD2越小。 2.7 如图2.3（a）所示，电动机轴上的转动惯量J M=2.5kgm2, 转速n M=900r/min; 中间传动 轴的转动惯量J L=16kgm2,转速n L=60 r/min。试求折算到电动机轴上的等效专惯量。 折算到电动机轴上的等效转动惯量:j=Nm/N1=900/300=3,j1=Nm/Nl=15 J=JM+J1/j2+ JL/j12=2.5+2/9+16/225=2.79kgm2 .2.8如图2.3（b）所示，电动机转速n M=950 r/min，齿轮减速箱的传动比J1= J2=4，卷筒直径D=0.24m,滑轮的减速比J3=2，起重负荷力F=100N,电动机的费轮转距GD2M=1.05N m2, 齿轮，滑轮和卷筒总的传动效率为0.83。试球体胜速度v和折算到电动机轴上的静态转矩T L以及折算到电动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量GD2z.。 ωM=3.14*2n/60=99.43 rad/s. 提升重物的轴上的角速度ω=ωM/j1j2j3=99.43/4*4*2=3.11rad/s v=ωD/2=0.24/2*3.11=0.373m/s T L=9.55FV/ηC n M=9.55*100*0.373/0.83*950=0.45NM GD2Z=δGD M2+ GD L2/j L2 =1.25*1.05+100*0.242/322 =1.318NM2 2.9 一般生产机械按其运动受阻力的性质来分可有哪几种类型的负载？ 可分为1恒转矩型机械特性2离心式通风机型机械特性3直线型机械特性4恒功率型机械特性,4种类型的负载. 2.10反抗静态转矩与位能静态转矩有何区别，各有什么特点？ 反抗转矩的方向与运动方向相反,,方向发生改变时,负载转矩的方向也会随着改变,因而他总是阻碍运动的.位能转矩的作用方向恒定,与运动方向无关，它在某方向阻碍运动，而在相反方向便促使运动。 2.11 在题2.11图中，曲线1和2分别为电动机和负载的机械特性，试判断哪些是系统的稳定平衡点？哪些不是？ 交点是系统的稳定平衡点. 交点是系统的平衡点
《机电传动与控制》实验教学大纲 课程代码：18044333 课程性质：非独立实验课课程分类：专业课程实验学时：8学时 适用专业：机械制造设计及其自动化开课单位：矿业工程系一、实验教学目标 机电传动与控制是机械设计制造及其自动化专业的一门专业必修课程，作为实践环节的本实验课，其地位是认识不同类型电机，了解电机控制方法以及实际对电机控制回路进行接线。通过实验更好地提高学生的实验操作技能和解决实际问题的能力，使学生对实验课的地位得到应有的认识，使学生理解组成机电系统的各个部分是如何工作的，进一步提高学生的动手、动脑能力和理论应用能力，为后继课程的学习打下坚实的基础。 二、主要仪器设备名称 电力拖动试验台 液压试验台 GE实验室柔性生产线 三、实验基本要求 对布置的实验题目能够进行分析，结合实验器材，自行设计方案，在实验装置上调试，实现规定的操作，并写出合乎规范的实验报告。 ①实验前必须预习与实验相关的教材内容，了解实验内容， 弄清实验原理。 ②实验中，必须熟练掌握单片机实验系统的硬件的连接及使 用，并能熟练使用相应的实验软件，认真调试程序。 ③每次实验学生必须完成相应的实验要求才能离开实验室。
④实验完成后必须有该次实验的相应实验报告，报告内容包 括：实验目的，实验原理，实验连线图 ⑤每次实验成绩按10分计，依据实验前的预习，实验时的 考勤，实验中的操作，实验后的报告等各部分的完成情况 来计分。 四、实验项目设置与内容 序 号 实验名称实验学时每组人数实验类型开出要求 1 机电控制系统与传动系统认知 实验 2 1 认知必做 2 液压控制回路的搭建 2 1 综合必做 3 三相异步电动机基本控制线 路 2 2 验证必做 4 三相异步电动机的正反转控 制线路 2 2 验证必做 五、实验考核 根据实际操作能力和实验报告综合评定成绩。实验满分为20分，计入《机电传动与控制》课程的总成绩。 六、教材及主要教学参考书 程宪平，机电传动与控制，华中科技大学出版社，2011年7月（教材） 执笔人：李瑾
1. 2.电动机中的短路保护、过电流保护和长期过载（热）保护有何区别？ 答：电动机中的短路保护是指电源线的电线发生短路，防止电动机过大的电枢电路损坏而自动切断电源的保护动作。 过电流保护是指当电动机发生严重过载时，保护电动机不超过最大许可电流。长期过载保护是指电动机的短时过载是可以的，但长期过载时电动机就要发热，防止电动机的温度超过电动机的最高绝缘温度。 3.为什么热继电器不能做短路保护而只能作长期过载保护？而熔断器则相 反，为什么？ 答：因为热继电器的发热元件达到一定温度时才动作，如果短路热继电器不能马上动作，这样就会造成电动机的损坏。而熔断器，电源一旦短路立即动作，切断电源。 4.时间继电器的四个延时触点符号各代表什么意思？ 延时闭合的动合触点 延时断开的动断触点 延时闭合的动断触点 延时断开的动合触点
5.请绘制延时吸合型时间继电器的图形符号（包含线圈和触点）P124 6.直线电动机的主要特点是什么？ 答：直线电动机的优点是:①直线电动机无需中间传动机构，因而使整个机构得到简化，提高了精度，减少了振动和噪声。②反应快速。③散热良好，额定值高，电流密度可取很大，对启动的限制小。④装配灵活，往往可将电动机的定子和动子分别于其他机体合成一体。 缺点是存在着效率和功率因数低，电源功率大及低速性能差等。 7.异步电动机的启动方法有哪些，并说明其各自特点和应用场合。 直接起动：优点：起动简单；缺点：起动电流大，对电网冲击大。 星三角起动：优点：起动电流为全压起动时的1／3；缺点：起动转矩均为全压起动时的1／3。 自耦降压起动：优点：起动较平稳，设备较简单；缺点：不能频繁起动。 延边三角起动：优点：起动电流小，转矩较星三角大；缺点：仅适用于定子绕组有中间抽头的电机。 定子串电阻（电抗）起动：优点：可用于调速；缺点：电阻损耗大，不能频繁起动。 软启动：优点：启动平滑，对电网冲击少；缺点：费用较高，有谐波干扰。 变频启动：优点：启动平滑，对电网冲击少，起动转矩大，可用于调速；缺点：费用高，有谐波干扰。 转子串电阻起动（绕线式异步电动机）：优点是起动转矩大；缺点是启动损耗较大。 转子串接频敏变阻器起动（绕线式异步电动机）：优点：接线简单；缺点：起动转矩不很大。 8.异步电动机有哪几种制动状态？各有何特点？ 答：（1）反馈制动。当电动机的运行速度高于它的同步转速，异步电动机就进入发电状态。这时转子导体切割旋转磁场的方向与电动状态时的方向相反，电流改变了方向，电磁转矩也随之改变方向，于是起制动作用。 （2）反接制动。电源反接，改变电动机的三相电源的相序，则改变旋转磁场的方向，电磁转矩由正变负，这种方法容易造成反转。倒拉制动，出现在位能
第十一章步进电动机传动控制系统 11.1 步进电动机 步进电动机是一种将电脉冲信号转换成机械位移的机电执行元件。每当一个脉冲信号施加于电机的控制绕组时，其转轴就转过一个固定的角度（步距角），顺序连续地发给脉冲，则电机轴一步接一步地运转。 图11.1 步进电动机实物图 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比，运行中无累积误差。 步进电机能方便地实现正、反转和调速、定位控制。特别是不需位置传感器或速度传感器就可以在开环控制下精确定位或同步运行。因此，步进电动机广泛应用在数字控制的各个领域。如各种数控机械、办公自动化产品、工厂自动化机器、计算机外设等。 步进电动机的缺点是不能达到很高的转速（一般小于1000到2000转/min）。存在低频振荡、高频失步等缺陷。另外，步进电机自身的噪声和振动较大。 一、步进电动机的工作原理 步进电动机的种类很多，按工作原理分，有反应式（Variable-reluctance）、永磁式（Permanent-magnet）、混合式（Hybrid）三种。按输出转矩大小分，有快速步进电机、功率步进电机。按励磁相数分有二、三、四、五、六、八相等。按定子排列还可分为多段式(轴向式)和单段式(径向式)。 步进电动机的结构形式虽然繁多，但工作原理基本相同，下面仅以三相反应式步进电动机为例说明之。
如图11.2所示为一台三相反应式步进电动机的结构示意图。和一般旋转电动机一样， 步进电机也分为定子和转子两大部分。定子部分由定子铁心、绕组、绝缘材料等组成。定子铁心是由硅钢片叠压而成的有齿的圆环状铁心。图中定子有6个磁极，每对磁极上绕有励 磁绕组，由外部脉冲信号对各相绕组轮流励磁。如图所示。 转子部分由转子铁心、转轴等组成。转子铁心是由硅钢片或软磁材料叠压而成的齿形铁心。图中转子上有4个凸齿。 若对励磁绕组以一定方式通以直流励磁电流，则转子以相应的方式转动。其转动原理其实就是电磁铁的工作原理 。 比如，给A 相绕组通电时，转子位置如图（a ），转子齿偏离定子齿一个角度。由于励磁 磁通力图沿磁阻最小路径通过，因此对转子产生电磁吸力，迫使转子齿转动，当转子转到与定子齿对齐位置时(图b)，因转子只受径向力而无切线力，故转矩为零，转子被锁定在这个位置上。由此可见：错齿是助使步进电机旋转的根本原因。 A'A K1K2K3 B'C' B C
第3章直流电机的工作原理及特性 习题3.1 为什么直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？ 答案：直流电动机工作时，（1）电枢绕组中流过交变电流，它产生的磁通当然是交变的。这个（2）变化的磁通在铁芯中产生感应电流。铁芯中产生的感应电流，在（3）垂直于磁通方向的平面内环流，所以叫涡流。涡流损耗会使铁芯发热。为了减小这种涡流损耗，电枢铁芯采用彼此绝缘的硅钢片叠压而成，使涡流在狭长形的回路中，通过较小的截面，以（4）增大涡流通路上的电阻，从而起到（5）减小涡流的作用。如果没有绝缘层，会使整个电枢铁芯成为一体，涡流将增大，使铁芯发热。因此，如果没有绝缘，就起不到削减涡流的作用。 习题3.4 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势E ＝E1，如负载转矩TL ＝常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳定值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于E1？ 答案：∵当电动机再次达到稳定状态后，输出转矩仍等于负载转矩，即输出转矩T ＝T L ＝常 2 00a a e e a e m a e m e e R U n I K K R U n E K n T K I n n n K K K U T K =Φ=?ΦΦ=∴ =Φ?Φ∴??= Φ=Φ Q Q 又 当 T=0 a a U E I R =+
数。又根据公式（3.2）， T ＝K t ФI a 。 ∵励磁磁通Ф减小，T 、K t 不变。 ∴电枢电流I a 增大。 再根据公式（3.11），U ＝E ＋I a ·R a 。 ∴E=U －I a ·R a 。 又∵U 、R a 不变，I a 增大。 ∴E 减小 即减弱励磁到达稳定后，电动机反电势将小于E 1。 习题3.8 一台他励直流电动机的铭牌数据为：P N ＝5.5KW ，U N ＝110V ，I N ＝62A ，n N ＝1000r/min ，试绘出它的固有机械特性曲线。 （1）第一步，求出n 0 （2）第二步，求出（T N ，n N ） 答案：根据公式（3.15），（1-1）Ra ＝（0.50~0.75）(N N N I U P ? 1)N N I U
机电传动控制实验指导书 实验一、继电—接触器控制三相异步电动机 一、实验目的 1．熟悉继电—接触器断续控制系统的电路原理图、元件布局图和接线图的读图方式；2．掌握三相异步电动机主回路和控制回路的接线方法； 3．了解继电—接触器断续控制电路的组成 二、实验使用仪器、设备 1．DB电工实验台； 2．三相异步电动机二台； 3．万用表一台； 4．专用连接线一套。 三、实验要求 实现三相异步电动机的正、反转、点动、互锁、连锁控制。满足以下具体要求： (1) M1可以正、反向点动调整控制； (2) M1正向起动之后，才能起动M2； (3) 停车时，M2停止后，才能停M1； (4) 具有短路和过载保护； (5) 画出主电路和控制电路。 四、实验参考电路
五、实验步骤 1．按布局图要求将各元器件定位； 2．按接线图要求，以正确的规格电线连接各器件；3．按接线图要求，连接电动机的定子线圈； 4．自查并互查连接线； 5．合上电源，调试电路； 6．观察电动机的运行情况。 六、实验注意事项 1．操作前切断总电源； 2．接线完毕，必须检查接线情况，并做好记录；3．在指导老师认可后，方能接通电源。 七、思考题 1．熔断器与热继电器可否省去其中任何一个？为什么？2．熔断器与热继电器的规格可否随意选择？为什么？3．连接电线的规格可否随意选择？为什么？ 4．交流接触器可否带直流负载？为什么？
实验二、PLC控制三相异步电动机 一、实验目的 1．了解PLC——AC电动机断续控制系统的电路原理图、元件布局图和接线图的读图方式；2．掌握继电—接触器逻辑电路与PLC梯形图的转换方式； 3．熟悉PLC控制系统的接线方法； 3．了解PLC断续控制电路的组成。 二、实验使用仪器、设备 1．PLC模拟实验台； 2．三相异步电动机二台； 3．万用表一台； 4．专用连接线一套。 三、实验要求 实现PLC对三相异步电动机的正、反转、点动、互锁、连锁控制。满足以下具体要求： (1) M1可以正、反向点动调整控制； (2) M1正向起动之后，延时5分钟再可起动M2； (3) 停车时，M2停止后，延时2分钟再可停M1； (4) 主电路同实验一。 四、实验参考电路与梯形图 1．电路
《机电传动控制》课程总复习2013.01 一、选择题 1、电 动机所产 生的转矩 在任何情 况下，总是 由轴上的 负载转矩 和 _________ 之和所平 衡。 （ D ）A．静态转矩B．加速转矩 C．减速转矩 D．动态转矩 2、机电传动系统稳定工作时中如果T M>T L，电动机旋转方向与T M相同，转速将产生的变化是。（ B ）A．减速 B．加速 C．匀速 D．停止 3、机电传动系统中如果T M 1. 引言 1.1 课程设计的目的： 电气控制系统是由各种低压电器和PLC 控制器按一定要求组成的控制系统。通过机电传动系统课程设计，进一步掌握各种低压电器和PLC 的结构原理、选用及使用；正确处理使用中出现的各种问题；了解器件和系统之间的关系；培养正确的设计思想、理论联系实际的工作作风、分析问题和解决问题的能力、运用标准与规范的能力、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。 1.2 课程设计的内容及要实现的目标： 如图所示： 图1. 模型图 主要内容包括： 1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等； 2. 系统有启动、停止功能; 3. 运用功能指令进行PLC 控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序； 4. 程序结构与控制功能自行设计； 5. 进行系统调试，实现机械手臂搬运加工流程的控制要求。 要实现的目标： 有两部机械对工作物进行加工，对象由输送带A 送到加工位置，然后由机械手将加工物送至工作台1的位置进行第一次加工，当第一步骤加工完成后，机械手臂将工作物夹 起送至工作台2进行第二步加工：当第二步骤加工完成后，机械手臂将工作物放到输送带B送走，然后由7段数码管显示加工完成的数量。 15 左移 ST4 14 上升 YA3 ST1 图2. 机械手工艺流程图 机械手工作前应位于原点，不同的位置分别装有行程开关。ST1为下限为开关，ST2为上限位开关，ST3为右极限位开关，ST3为左限位开关。 机械手的上、下、左、右移动以及工件的夹紧，均由电磁阀驱动气缸来实现。电磁阀YA1通电，机械手下降；电磁阀YA2通电，夹紧工件；电磁阀YA3通电，机械手上升；电磁阀YA4通电，电磁阀右移；电磁阀YA5通电，机械手左移。 第四章 5.1 有一台四极三相异步电动机，电源电压的频率为50H Z，满载时电 动机的转差率为0.02求电动机的同步转速、转子转速和转子电流频率。 n0=60f/p S=(n0-n)/ n0 =60*50/2 0.02=(1500-n)/1500 =1500r/min n=1470r/min 电动机的同步转速1500r/min.转子转速1470 r/min, 转子电流频率.f2=Sf1=0.02*50=1 H Z 5.2将三相异步电动机接三相电源的三根引线中的两根对调，此电动 机是否会反转？为什么？ 如果将定子绕组接至电源的三相导线中的任意两根线对调,例如将B,C两根线对调,即使B相遇C相绕组中电流的相位对调,此时A相绕组内的电流导前于C相绕组的电流2π/3因此旋转方向也将变为A-C-B向逆时针方向旋转,与未对调的旋转方向相反. 5.3 有一台三相异步电动机，其n N=1470r/min,电源频率为50H Z。设 在额定负载下运行，试求： ①定子旋转磁场对定子的转速； 1500 r/min ②定子旋转磁场对转子的转速； 30 r/min ③转子旋转磁场对转子的转速； 30 r/min ④转子旋转磁场对定子的转速； 1500 r/min ⑤转子旋转磁场对定子旋转磁场的转速。 0 r/min 5.4当三相异步电动机的负载增加时，为什么定子电流会随转子电流的增加而增加？ 因为负载增加n减小,转子与旋转磁场间的相对转速( n0-n)增加,转子导体被磁感线切割的速度提高,于是转子的感应电动势增加,转子电流特增加,.定子的感应电动使因为转子的电流增加而变大,所以定子的电流也随之提高. 5.5 三相异步电动机带动一定的负载运行时，若电源电压降低了，此 时电动机的转矩、电流及转速有无变化？如何变化？ 若电源电压降低, 电动机的转矩减小, 电流也减小. 转速不变. 5.6 有一台三相异步电动机，其技术数据如下表所示。 试求：①线电压为380V时，三相定子绕组应如何接法？ ②求n0,p,S N,T N,T st,T max和I st； ③额定负载时电动机的输入功率是多少？ ①线电压为380V时，三相定子绕组应为Y型接法. ②T N=9.55P N/n N=9.55*3000/960=29.8Nm 华中科大机电传动控制(第五版)课后习题答案解析 2.7 如图所示，电动机轴上的转动惯量JM ＝2.5kg.m2，转速nM ＝900r/mim ；中间传动轴的转动惯量J1＝2kg.m2，转速n1＝300r/mim ；生产机械轴的惯量JL ＝16kg.m2，转速nL ＝60r/mim 。试求折算到电动机轴上的等效转动惯量。 答： j1=ωM/ω1= nM/n1=900/300=3 jL=ωM/ωL= nM/nL=900/60=15 )(8.21516 325.2222211m kg j J j J J J L L M Z ?=++=++= 2.8 如图所示，电动机转速nM ＝950r/mim ，齿轮减速箱的传动比J1＝ J2 ＝4，卷筒直径D ＝0.24m ，滑轮的减速比J3 ＝2，起重负荷力F ＝ 100N ，电动机的飞轮转矩GDM2＝1.05N.m ，齿轮、滑轮和卷筒总的传动效率为0.83。试求提升速度v 和折算到电动机轴上的静态转矩TL 以及折算到电动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量GDZ2。 答： min) /(4.594 495021r j j n n M L =?== ) /(37.02 604 .5924.0603 s m j Dn v L =???= = ππ TL=9.55Fv/(η1nM)=9.55×100×0.37/(0.83× 950)=0.45N.m 2 2 22365M M Z n Fv GD GD +=δ 2 22 232.1~16.195037.010036505.1)25.1~1.1(m N GD Z ?=??+?= 3.3 一台他励直流电动机所拖动的负载转矩TL ＝常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流的大小？为什么？这时拖动系统中哪些量必然要发生变化？ 机电传动控制(全套完整版) ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 机电传动控制教案 学院、系：机械电子工程学院机电系 任课教师：任有志 授课专业：机械设计制造及其自动化课程学分： 课程总学时：60学时 课程周学时： 2006年2月20日 机电传动控制教学进程 周次课 次 章节计划学时教学手段教学环境 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 16 16 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 §1.1§1.2§1.3§2.1 §2.3§2.4 §3.1§3.2 §3.3 §3.4§3.5§3.6 §5.1§5.2§5.3§5.4 §5.4§5.5§5.7§5.8 §6.1§6.2§6.3 §6.4 §6.5 §6.7§7.1§7.2 §7.3 §7.4§7.5 §7.6 电动机原理习题讨论课 §8.1 §8.1 §8.2 实验课继电器接触器控 制实验 习题讨论课：§8.3 §8.4 §9.1 §9.2 实验课：可编程序控制器 认识实验 §9.3 §9.3 实验课：可编程序控制器 编程练习 §10.1 §10.2 §10.3§10.5 §10.6 实验课：晶闸管特性及触 发原理 §11.1 §11.2 §11.3 §11.4 §12.1 §13.1 §13.2 §13.3 §13.4 实验课 题讨论课 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 辅导 讲授 讲授 讲授 指导 辅导 讲授 讲授 指导 讲授 指导 讲授 讲授 指导 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 讲授 指导 辅导 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 机电实验室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 机电实验室 多媒体教室 机电实验室 多媒体教室 多媒体教室 机电实验室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 多媒体教室 机电实验室 多媒体教室 《机电传动控制》试卷 A 适用专业：机制考试日期： 考试时间：120分钟考试形式：闭卷试卷总分：100分 一、填空（每空1分）： 1. 直流电动机的调速方法有____ __ ，和。 2．一台三相异步电动机的额定转速为980r/min，则其极数为，同步转速为，起动时转差率为，额定转差率为。 3．鼠笼型异步电动机的减压起动方法有、、和。 4. 通电延时的时间继电器有两种延时动作的触头。即，符号为；和符号为。 5. 电气控制系统中常设的保护环节有、 和、。 6. F-40M型PLC的内部等效继电器有、、 、和几种。 二、简答题。（每小题5分） 1．交流电器的线圈能否串联使用？为什么？ 2．三相鼠笼式电动机在运行中断了一根电源线未及时发现会导致什么后果？3．简述直流电动机能耗制动的方法。 4．当三相交流异步电动机在额定负载下运行时，由于某种原因，电源电压降低了30%，问此时通入电动机定子绕组的电流是增大还是减少？为什么？5. 试说明下图几种情况下，系统的运行状态是加速？减速？还是匀速？（图中箭头方向为转矩的实际方向）。 a b c d e 三、计算题（每题12分）： 1. 一台U N=220V，I N=136.5A，R a=0.22Ω的他励直流电动机。 1）如直接起动，起动电流I St是多少？ 2）若要求起动电流是额定电流的两倍，采用电枢回路串电阻起动，应串多大的电阻？采用降低电源电压起动，电压应降至多少？ 2. 一台交流三相鼠笼式异步电动机，其额定数据为：P N=10kW， n N=1460r/min，U N=380 V，△接法，ηN=0.868，cosφ=0.88；试求：1） 额定输入电功率；2）额定电流；3）输出的额定转矩；4）采用Y-△ 换接启动时的启动转矩。 四、设计题： 1. 设计某机床刀架进给电动机的控制线路，应满足如下的工艺要 求： 按下启动按钮后，电机正转，带动刀架进给，进给到一定位置时，刀架停止，进行无进刀切削，经一段时间后刀架自动返回，回到原位 又自动停止。试画出主电路和控制线路。（本题15分） 2. 试用F—40M型PLC设计一台小于10KW的三相鼠笼式异步电 动机正反转的控制程序，要求：（本题12分） 1）绘出电动机主电路（应有必要的保护）2）绘出PLC的安装接线 图 3）绘出PLC的梯形图4）写出PLC的指令程序 课后习题答案 第一章 第二章 答：运动方程式：dt d J T T L M ω=- d L M T T T =-Td>0时：系统加速； Td=0 时：系统稳速；Td<0时，系统减速或反向加速 答：拖动转矩：电动机产生的转矩Tm 或负载转矩TL 与转速n 相同时，就是拖动转矩。 静态转矩：电动机轴上的负载转矩TL ，它不随系统加速或减速而变化。 动态转矩：系统加速或减速时，存在一个动态转矩Td ，它使系统的运动状态发生变化。 答：a 匀速，b 减速，c 减速，d 加速，e 减速，f 匀速 答：在多轴拖动系统情况下，为了列出这个系统运动方程，必须先把各传动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量都折算到电动机轴上。 由于负载转矩是静态转矩，所以可根据静态时功率守恒原则进行折算。 由于转动惯量和飞轮转矩与运动系统动能有关，所以可根据动能守恒原则进行折算。 答：忽略磨擦损失的情况下，传动系统的低速轴和调速轴传递的功率是一样的，即P1＝P2而P1＝T1ω1，P2＝T2ω2所以T1ω1＝T2ω2，当ω1＞ω2时， T1＜T2 答：因为低速轴的转矩大，所设计的低速轴的直径及轴上的齿轮等零件尺寸大，质量也大，所以GD2大，而高速轴正好相反。 答： j1=ωM/ω1= nM/n1=900/300=3 jL=ωM/ωL= nM/nL=900/60=15 )(8.21516325.22 22211m kg j J j J J J L L M Z ?=++=++ = 答：min)/(4.594495021r j j n n M L =?== )/(37.02604.5924.0603s m j Dn v L =???==ππ TL=(η1nM)=×100××950)= 2 2 22 365M M Z n Fv GD GD +=δ 2 222 32.1~16.195037.010036505.1)25.1~1.1(m N GD Z ?=??+?= 答：恒转矩型、泵类、直线型、恒功率型。 答：反抗性恒转矩负载恒与运动方向相反。 位能性恒转矩负载作用方向恒定，与运动方向无关。 答：（d ）不是稳定运动点，其余都是稳定运行点。 《机电传动控制》实验报告 天津理工大学机械工程学院 2014年9月 实验一 直流他励电动机调速实验 一、实验目的 1.深入了解直流他励电动机的调速性能； 2.进一步学习PLC 控制系统硬件电路设计和程序设计、调试。 二、实验原理 1.直流他励电动机的调速原理、调速方法 电动机的调速就是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。 从直流他励电动机机械特性方程式 T K K R R K U n t e ad a e 2φφ+-= 可知，改变串入电枢回路的电阻Rad ，电枢供电电压U 或主磁通Φ，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速的方法有以下三种。 （1）改变电枢回路外串电阻Rad 如图7.1所示为串电阻调速的特性曲线，从图中可看出，在一定的负载转矩T L 下，串入不同的电阻可以得到不同的转速，如在电阻分别为R a 、R 3、R 2、R 1的情况下，可以得到对应于A 、C 、D 和E 点的转速n A 、n C 、n D 和n E 。在不考虑电枢回路的电感时，电动机调速时的机电过程（如降低转速）见图中沿A →B →C 的箭头方向所示，即从稳定转速n A 调至新的稳定转速n C 。这种调速方法存在不少缺点，如机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；在空载或轻载时，调速范围不大；实现无级调速困难；在调速电阻上消耗大量电能等。 图7.1 电枢回路串电阻调速的特性曲线 （2）改变电动机电枢供电电压U 改变电枢供电电压U可得到人为机械特性，如图7.2所示，从图中可看出，在一定负载转矩T L下，加上不同的电压U N、U1、U2、U3、…，可以得到不同的转速n a、n b、n c、n d、…，即改变电枢电压可以达到调速的目的。 这种调速方法的特点是： ①当电源电压连续变化时，转速可平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节； ②调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大； ③当T L=常数时，稳定运行状态下的电枢电流Ia与电压U无关，且Φ=ΦN，故电动机转矩T=KtΦN Ia不变，属于恒转矩调速，适合于对恒转矩型负载进行调速； ④可以靠调节电枢电压来启动电动机，而不用其他启动设备。 图7.2 改变电枢供电电压调速的特性 判 断 哪组 是正 确 的 (a ) T M T L (b) T M T L (C ) T M T L A :图(a ) T M 为正，是拖动转矩，加速状态 B :图(b ) T M = T L ，匀速状态 C :图(c ) T M 为正，T L 为负，减速状态 2、 关于交流电动机调速方法正确的有： A :变频调速； B :改变磁通调速； C :改变转差率调速； D :定子串电阻调速 3、 三相异步电动机正在运行时，转子突然被卡住，这时电动机的电流会 _____ < A :减少； B :增加； C :等于零。 4、三相鼠笼异步电动机在相同电源电压下，空载启动比满载启动的启动转 1和曲线2分别为电动机和负载的机械特性。试问：电动 A :能； B :不能； 6 .恒功率型机械特性为负载转矩与转速成: A 正比；B 反比。 7、有一台三相异步电动机，正常运行时为 接法，在额定电压下启动，其 丁戎1.2T N ，若采用 换接启动，试问当负载转矩 T L 35%T N ，电动机能否 启动? A :能； B :不能； C :不能确定 8 ?三相异步电动机的何种制动又叫发电制动。 A :相同; B :大; C :小。 5、如下图所示，曲线 机能否在A 点稳定运行? 1 如 图所示 A 反接制动； B 反馈制动；C能耗制动 9．晶体管直流脉宽调速系统比晶闸管直流调速系统动态响应速度： A 高； B 低； C 一样。 10 、直流电动机当电枢回路中串接电阻后，其固有的机械特性曲线是： A ：由（0，no ）出发的一簇向下倾斜的直线； B：—簇平行于固有特性曲线的人为特性曲线； C:;由（0, no ）出发的一簇向上倾斜的直线； D ：不确定； 11 、下列方法中哪一个不是消除交流伺服电动机“自转”的方法： A :增大转子转动惯量； B :增大转子电阻； C:减小转子转动惯量 12 .直流发电机E与la的方向： A 相同； B 相反； C 不一定。。 二、简答题 1 常用的变频调速方式有哪几种? 变压变频调速、恒压弱磁调速。 2 晶闸管触发电路的基本组成部分有哪些? 脉冲形成及放大、移相控制、同步电压、控制电压信号等 3 交流电动机的结构组成及其工作原理如何？其调速方法和调速特性怎样？ 交流电动机由定子,转子,机座等组成; 其工作原理为在定子三相绕组通以三相交流电流所形成的旋转磁场作用下, 转子绕组旋感应电流; 带电转子绕组在旋转磁场作用下又感应电磁力,形成电磁转距, 带动转子而旋转, 称为交流感应电动机；其调速方法有变频（无级平滑）,变极（有级不平滑）,变S（特性变软） 4 什么是调速？它包含哪两方面的涵意？衡量直流调速系统好坏的性能指标有哪些？各表示什么意义？ 通过人为改变电动机参数来改变电动机速度称为调速；它包括人为变速和自动稳速两方面；衡量直流调速系统好坏的性能指标有衡量直流调速系统好坏的性能指标有调速范围（D）, 转差率（S）, 平滑性, 经济性. 三、计算题 1、一台并励电动机,额定功率P N 2.2kW , 额定电压U N 220V , 额定电流l N 12.2A, 额定转速n N 3000r / min , 最大励磁功率P fN 68.2W 。试求:（1）最大励磁电流l fN； 0.31A （2）额定运行时的电枢电流l aN ；11.89（3）额定转矩T N ；7NM （4）额定运行时的效率N 。0.82 2、有一台三相鼠笼式异步电动机,其额定数据为: P2N 10kW , 2.1 说明机电传动系统运动方程中的拖动转矩，静态转矩和动态转矩。 拖动转矩是由电动机产生用来克服负载转矩，以带动生产机械运动的。静态转矩就是由生产机械产生的负载转矩。动态转矩是拖动转矩减去静态转矩。 2.2 从运动方程式怎样看出系统是处于加速，减速，稳态的和静态的工作状态。 TM-TL>0说明系统处于加速，TM-TL<0 说明系统处于减速，TM-TL=0说明系统处于稳态（即静态）的工作状态。 2.4 多轴拖动系统为什么要折算成单轴拖动系统？转矩折算为什么依据折算前后功率不变的原则？转动惯量折算为什么依据折算前后动能不变的原则？ 因为许多生产机械要求低转速运行，而电动机一般具有较高的额定转速。这样，电动机与生产机械之间就得装设减速机构，如减速齿轮箱或蜗轮蜗杆，皮带等减速装置。所以为了列出系统运动方程，必须先将各转动部分的转矩和转动惯量或直线运动部分的质量这算到一根轴上。转矩折算前后功率不变的原则是P=Tω, p不变。转动惯量折算前后动能不变原则是能量守恒MV=0.5Jω2 2.6为什么机电传动系统中低速轴的GD2比高速轴的GD2大得多? 因为P=Tω，T=G?D2/375. P=ωG?D2/375. ,P不变转速越小GD2越大，转速越大GD2越小。 2.7 如图2.3（a）所示，电动机轴上的转动惯量J M=2.5kgm2, 转速n M=900r/min; 中间传动 轴的转动惯量J L=16kgm2,转速n L=60 r/min。试求折算到电动机轴上的等效专惯量。 折算到电动机轴上的等效转动惯量:j=Nm/N1=900/300=3,j1=Nm/Nl=15 J=JM+J1/j2+ JL/j12=2.5+2/9+16/225=2.79kgm2 . 2.8如图2.3（b）所示，电动机转速n M=950 r/min，齿轮减速箱的传动比J1= J2=4，卷筒直径D=0.24m,滑轮的减速比J3=2，起重负荷力 F=100N,电动机的费轮转距GD2M=1.05N m2, 齿轮，滑轮和卷筒总的传动效率为0.83。试球体胜速度v和折算到电动机轴上的静态转矩T L以及折算到电动机轴上整个拖动系统的飞轮惯量GD2z.。 ωM=3.14*2n/60=99.43 rad/s. 提升重物的轴上的角速度ω=ωM/j1j2j3=99.43/4*4*2=3.11rad/s v=ωD/2=0.24/2*3.11=0.373m/s T L=9.55FV/ηC n M=9.55*100*0.373/0.83*950=0.45NM GD2Z=δGD M2+ GD L2/j L2 =1.25*1.05+100*0.242/322 =1.318NM2 2.9 一般生产机械按其运动受阻力的性质来分可有哪几种类型的负载？ 可分为1恒转矩型机械特性2离心式通风机型机械特性3直线型机械特性4恒功率型机械特性,4种类型的负载. 2.10反抗静态转矩与位能静态转矩有何区别，各有什么特点？ 反抗转矩的方向与运动方向相反,,方向发生改变时,负载转矩的方向也会随着改变,因而他总是阻碍运动的.位能转矩的作用方向恒定,与运动方向无关，它在某方向阻碍运动，而在相反方向便促使运动。 第三章 3.1为什么直流电机的转子要用表面有绝缘层的硅钢片叠压而成？ 答：防止电涡流对电能的损耗.. 3.2并励直流发电机正传时可以自励，反转时能否自励？ 不能,因为反转起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩与磁场方向相反,这样磁场被消除,所以不能自励. 东莞理工学院自编教材 机电传动控制实验指导 ——基于DRlab虚拟实验平台 王卫平黄泳波李帅编写 东莞理工学院机电工程系 2007年7月 目录 实验一实验平台的了解 (2) 实验二电器基本元件的认识实验 (6) 实验三直流电机特性实验 (8) 实验四步进电机传动控制系统实验 (9) 实验五直流电机速度调节和方向控制实验 (10) 实验六直流电机位置PID控制实验 (11) 实验一实验平台的了解 一、实验目的 1．了解实验平台的基本构成 2．了解虚拟仪器实验平台DRlab的工作原理 二、实验设备简介 1．软件简介 DRLab实验室的核心是DRVI可重组虚拟仪器实验平台和DRLink可重组计算机实验平台。DRVI可重组虚拟仪器实验平台由德 普施科技自主研发；DRLink是在DRVI可重 组虚拟仪器实验平台的基础上开发德可重组 计算机控制平台，具有所有DRVI所具有的 优点和特色；DRVI/DRLink实验平台是基于 软件总线和软件芯片技术结构，采用软件总 线开放结构和COM/DCOM组件的即插即用 特性，具有PC开放结构、模块化、组件化的 特点，是面向用户的可在线编程、调试和重 组的新型虚拟实验技术。DRVI/DRLink平台 实验组建过程没有编译、链接环节，支持软 件模块热插/拔和即插即用，系统开发平台和 运行平台一体化，实验环节功能可根据需要 完全由用户自己设计、定义，而不是仅能由 专业开发人员定义。 2．软件功能 1）可视化、图形化编程 DRVI/DRLink是一个可视化、图形化的支持软件芯片插接的操作平台，该操作平台提供了虚拟仪器软件面包板、软件芯片插件组、快捷工具、嵌入式Web服务器、VBScript脚本语言、浏览器信息栏等功能支持。如图所示。 2）开放性软件平台 为方便进行功能扩展和二次开发，DRLab系列软件平台提供了三重扩展方式： 采用VC设计DLL扩展插件，通过添加扩展件的方式添加到“用户定义软件芯片扩展插件组”中使用 采用VBScript设计ActiveX扩展插件，通过“扩展件”菜单中的“添加VB ActiveX控件”功能添加到软件平台上使用 使用VBScript脚本芯片，用Signal VBScript中的函数进行编程，设计用户自定义芯片，完成特殊功能 3）丰富的软件芯片集 DRLab系列软件平台提供从操作按钮、信号源、硬件控制、曲线显视到信号分析处理、微积分环节、振荡环节、PID调节环节等共计200个软件芯片，利用这些软件芯片可很方便的搭建各种测试控制环节。 4）形像的虚拟仪器仿真面板 使用期DRVI 虚拟仪器平台可以很方便的搭建各种虚拟仪器，比如频谱分析仪、数字滤波器、频率计、双踪示波器、数字万用表、噪声测试仪等等。 3. 运动控制台 《机电传动控制》课程总复习2013、01 一、选择题 1、电动机所产生的转矩在任何情况下,总就是由轴上的负载转矩与_________之与所平衡。 ( D ) A.静态转矩 B.加速转矩 C.减速转矩 D.动态转矩 2、机电传动系统稳定工作时中如果T M>T L,电动机旋转方向与T M相同,转速将产生的变化就是。( B ) A.减速 B.加速 C.匀速 D.停止 3、机电传动系统中如果T M C.反抗型恒转矩 D.直线型机械特性 8、下面哪个部分就是属于直流电动机的定子部分？( C ) A.换向器 B.电枢绕组 C.励磁绕组 D.风扇 9、复励直流电机的励磁绕组与电枢绕组就是。( D ) A.串联 B.并联 C.单独分开连接 D.一部分串联其她的并联 10、直流电动机最常用的启动方式就是_________。( B ) A.串电阻启动 B.降压启动 C.直接启动 D.调节励磁启动 11、_________的调速方式可以实现对恒转矩型负载的无极调速。( A ) A.调压调速 B.串电阻调速 C.弱磁调速 D.A与B 12、直流电动机调速系统,若想采用恒功率调速,则可改变_________。( B ) A.K e B.Φ C.I a D.U 13、直流电动机调速系统,若想采用恒转矩调速,则可改变_________。( D ) A.K e B.Φ C.I a D.U 14、τm就是反映机电传动系统_________的物理量。( B ) A.时间惯性 B.机械惯性 C.热惯性 D.电磁惯性 15、加快机电传动系统的过渡过程,可以减少_________。( A ) A.GD2 B.n C.T d D.T M 16、绕线式异步电动机采用转子串电阻启动时,所串电阻愈大,启动转矩_________。( D ) A.愈大 B.愈小 C.不变 D.不一定 17、三相异步电动机正在运行时,转子突然被卡住,这时电动机的电流会_________。( A ) A.增加 B.不变 C.减小 D.等于零机电传动控制
机电传动与控制第五版答案第四章
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