电机的分类及功能特性

电机分类

电机的种类

1．按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。

1.1直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。

1.1.1有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。

1.1.1.1电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。

1.1.1.2永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

1.1其中交流电机还可分：单相电机和三相电机。

2．按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。

2.1同步电机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。

2.2异步电机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。

2.2.1感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。

2.2.2交流换向器电动机可划分：单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机

3．按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4．按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机。

4.1驱动用电动机划分：电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。

4.2控制用电动机又划分：步进电动机和伺服电动机等。

5．按转子的结构划分：笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。

6．按运转速度划分：高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。

1、什么是直流电机？

答：输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机

2、什么是交流电机

答：输出或输入为交流电能的旋转电机，称为交流电机。

3、什么是步进电机

答：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

4、什么是伺服电机

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，

防爆电机？

防爆电机是一种可以在易燃易爆厂所使用的一种电机，运行时不产生电火花。

防爆电机主要用于煤矿、石油天然气、石油化工和化学工业。此外，在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用。防爆电机作为主要的动力设备，通常用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械。

随着科技、生产的发展，存在爆炸危险的场所也在不断增加。例如，食用油生产过去是用传统的压榨法工艺，20世纪70年代以后，我国开始引进国外先进的浸出油工艺，但此工艺中要使用含有己烷的化学溶剂，己烷是易燃易爆物质；因此浸出油车间就成了爆炸危险场所，需要使用防爆电

机和其他防爆电气产品。又如，近年来我国公路发展迅速，一大批燃油加油站出现，也给防爆电机提供了新的市场。

防爆电机产品分类：

1． 按电机原理分

可分为防爆异步电机、防爆同步电机及防爆直流电机等。

2． 按使用场所分

可分为煤矿井下用防爆电机及工厂用防爆电机。

3． 按防爆原理分

可分为隔爆型电机、增安型电机、正压型电机、无火花型电机及粉尘防爆电机等。

4． 按配套的主机分

可分为煤矿运输机用防爆电机、煤矿绞车用防爆电机、装岩机用防爆电机、煤矿局部扇风机用防爆电机、阀门用防爆电机、风机用防爆电机、船用防爆电机、起重冶金用防爆电机及加氢装置配套用增安型无刷励磁同步电机等。此外，还可以按额定电压、效率等技术指标来分，如高压防爆电机、高效防爆电机、高转差率防爆电机及高起动转矩防爆电机等。本文按防爆原理分类介绍。

防爆电机产品系列及其特点：

1． 隔熄型电机

它采用隔爆外壳把可能产生火花、电弧和危险温度的电气部分与周围的爆炸性气体混合物隔开。但是，这种外壳并非是密封的，周围的爆炸性气体混合物可以通过外壳的各部分接合面间隙进入电机内部。当与外壳内的火花、电弧、危险高温等引燃源接触时就可能发生爆炸，这时电机的隔爆外壳不仅不会损坏或变形，而且爆炸火焰或炽热气体通过接合面间隙传出时，也不能引燃周围的爆炸性气体混合物。

我国当前广泛应用的低压隔爆型电机产品的基本系列是YB系列隔爆型三相异步电机，它是Y系列(IP44)三相异步电机的派生产品。防爆性能符合GB3836．1—83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836．2—83《爆炸性环境用防爆电气设备隔爆型电气设备“d”，》的规定；电机功率范围为O．55—200kW，相对应的机座号范围是机座中心高为80—315nun；防爆标志为dI、dIIAT4、dIIBT4，分别适用于煤矿井下固定式设备或工厂IIA、IIB级，温度组别为T1—T4组的可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的场所；主体外壳防护等级为IP44，也可制成IP%4，接线盒防护等级为IP54；额定频率为50Hz，额定电压为380、1660、1140、380／660、660／140V；电机绝缘等级为F级，但按B级考核定子绕组的温升，具有较大的温升裕度。低压隔爆型三相异步电机派生系列的主要型号有：YB系列(dIIcT4)(机座中心高为80—315mm)，YBSO系列(小功率，机座中心高为63—90mm)，YBF系列(风机用，机座中心高为63—160mm)，YB—H系列(船用，机座中心高为80~280mm)，YB系列(中型，机座中心高为355—450mm)，YBK系列(煤矿用，机座中心高为100—315mm)，YB—W、B—TH、YB—WTH系列(机座中心高为80—315mm)，YBDF—WF系列(户外防腐隔爆型电动阀门用，机座中心高为80—315mm)及YBDC系列(隔爆型电容起动单相异步电机，机座中心高为71—100mm)和YBZS系列起重用隔爆型双速三相异步电机。另外，还有YB系列高压隔爆型三相异步电机(机座中心高为355~450mm，560—710mm)。行业联合设计的YB2系列已于1四年底通过了全国鉴定，将逐步取代YB系列，成为我国隔爆型三相异步电机的基本系列。YB2系列共15个机座号(机座中心高为63、355nmm)，功率范围为O．12—315kW。

其主要特点是：

(1) 功率等级、安装尺寸及转速的对应关系与DIN42673一致，同时考虑到与YB系列 的继承性和Y2系列的互换性，作了必要调整，更加有效和适用。

(2) 全系列采用F级绝缘，温升按B级考核。

(3) 噪声限值比YB系列低，接近YB系列的I级噪声，振动限值与YB系列相当。

(4) 外壳防护等级提高到IP55。

(5) 全系列选用低噪声深沟球轴承，机座中心高在180mm以上电机设注排油装置。

(6) 电机散热片有平行水平分布和辐射分布两种，以平行水平分布为主。

(7) 主要性能指标达到20世纪90年代初国际先进水平。

2.增安型电机

它是在正常运行条件下不会产生电弧、火花或危险高温的电机结构上，再采取一些机械、电气和热的保护措施，使之进一步避免在正常或认可的过载条件下出现电弧、火花或高温的危险，从而确保其防爆安全性。

我国当前应用的低压增安型的基本系列是YA系列增安型三相异步电动机，它是Y系列(IP44)三相异步电机的派生产品。防爆性能符合GB3836．1—83《爆炸性环境用防爆电气设备通用要求》和GB3836．3—83《爆炸性环境用防爆电气设备增安型电气设备“e”》的规定；功率范围为

O．55~90kW，相对应的机座中心高为80—280mm； 防爆标志为eIITl、eIIT2、eIIT3，分别适用于工厂中具有温度组别为Tl—T3组爆炸性混合物并具有轻微腐蚀介质的场所；主体外壳的防护等级为IP54，接线盒防护等级为IP55；额定频率为50Hz，额定电压为380V；电机采用F级绝缘。

低压增安型电机派生系列的主要型号有：YASO系列小功率增安型三相异步电机(机座中心高为56—90mm)，YA—W、YA—WFl系列户外、户内防腐增安型三相异步电机(机座中心高为80—280mm)。

目前，已完成YA2、系列的行业联合设计工作，并正在组织试制，以取代YA系列。YA2全系列共15个机座号(机座中心高为63—355mm)，功率范围为0．12—400kW，将使我国增安型电机达到国际上同类产品20世纪80年代先进水平。

高压(6kV)增安型三相异步电机系列有：YA355—450，功率160—450kW；YA560—900，功率500—1800kW；YAm355—630水冷，功率220—2500kw；YAKK355~630空—空冷，功率185—2000kW。1999年试制生产的TAKW4000—20／2600、4000kW增安型无刷励磁同步电机，是适应炼油厂石油深加工加氢装置需要而发展的新型防爆电机。

其特点是：

(1)满足增安型防爆电机的要求，采取一系列可靠的防止火花、电弧和危险高温的措施，可以安全运行于2区爆炸危险场所。

(2)采用无刷励磁，设置旋转整流盘和静态励磁柜，励磁控制系统可靠；顺极性转差投励准确，无冲击；励磁系统失步保护可靠，再整步能力强；线路设计合理，放电电阻在工作中不发热；励磁电流调节范围宽。

(3)同步机、交流励磁机及旋转整流盘同轴。整流盘位于主电机和励磁机之间，或置于轴承座之外。

(4)外壳防护等级为IP54。

(5)采用F级绝缘，温升按B级考核。

(6)改变传统的下水冷为上水冷，即水冷却器置于电机上部。

(7)设增安型防潮加热器，固定在电机底部的罩内，用于停机时加热防潮用。

(8) 选优质原材料，电气及机械计算留有较大裕度，能满足运行可靠性和增安型电机的温度要求。

(9)设置有完善的监控措施；主接线盒内设置用于差动保护的增安型自平衡电流互感器；定子绕组埋设工作和备用的铂热电阻，分度号为Pt100；设漏水监控仪，监控水冷却器的泄漏；两端座式滑动轴承分别设现场温度显示仪表和远传信号端子。

3.正压型电机 是正压型电气设备的一种。

其结构特点是：

(1) 配置有一套完整的通风系统，电机内部不存在可能影响通风的结构死角。

(2) 外壳和管道由不燃材料制成，并具有足够的机械强度。

(3) 外壳及主管道内相对于外界大气保持足够大的正压。

(4) 电机须有安全保护装置(如时间继电器和流量监测器)，以保证足够的换气量， 还必须有壳内气压欠压的自动保护或报警装置。

(5) 外壳上的快开门或盖须有与电源联锁的装置。我国目前尚无统一的正压型电机系列产品。

4．无火花型电机 是指在正常运行条件下，不会点燃周围爆炸性混合物，且一般又不会发生点燃故障的电机。与增安型电机相比，除对绝缘介电强度试验电压、绕组温升、te(在最高环境温度下达到额定运行最终温度后的交流绕组，从开始通过起动电流时计起至上升到极限温度的时间)以及起动电流比不像增安型那样有特殊规定外，其他方面与增安型电机的设计要求一样。

无火花型电机符合GB3836．1—83和GB3836．8—87《爆炸性环境用防爆电气设备无火花型电气设备“n”》的规定。设计上注重电机的密封措施，主体外壳防护等级为IP54、IP55，接线盒为IP55。额定电压在660V以上的电机，其空间加热器或其他辅助装置的连接件应置于单独的接线盒内。

目前，国内已研制、生产了YW系列无火花型电机产品(机座中心高度为80~315mm)。防爆标志为nIIT3，适用于工厂含有温度组别为T1—T3组的可燃性气体或蒸气与空气形成的爆炸性混合物的2区场所。额定频率为50Hz，额定电压为380、660、380／660V，电机采用F绝缘，但按B级考核定子绕组的温升限值，具有较大的温升裕度及较高的安全可靠性，功率为0．55~200kW。

5． 粉尘防爆电机：指其外壳按规定条件设计制造，能阻止粉尘进入电机外壳内或虽不能完全阻止粉尘进入，但其进入量不妨碍电机安全运行，且内部粉尘的堆积不易产生点燃危险，使用时也不会引起周围爆炸性粉尘混合物爆炸的电机。其特点是：

(1) 外壳具有较高的密封性，以减少或阻止粉尘进入外壳内，即使进入，其进入量也不致于形成点燃危险。

(2) 控制外壳最高表面允许温度不超过规定的温度组别。目前，已用于国家粮食储备库的机械化设备上。粉尘防爆电气设备的国家标准为 GBl2476．1—90《爆炸性粉尘环境用防爆电气设备》。

防爆电机发展趋势：

1． 矿用防爆电机

(1) 发展大功率电机：目前世界上采煤机的最大装机容量已超过1200kw，其驱动电机功率达600kW；相适应的采区工作面刮板输送机的最大装机容量已超过1500kW，其驱动电机功率已达725kW。国内目前的采煤机驱动电机最大功率是400kW，刮板输送机驱动电机最大功率是315kW。

(2) 发展3．3kV、6kV和IOkV级电压的矿用电机：这是因为普及综合机械化采煤机组后采区走向加长，导致电压降增大，同时大功率电机的使用也要求提高电压等级。

(3) 发展矿用双速电机：为了适应煤矿输送机低速起动和高速运行的工作需要，国外矿用刮板输送机都是采用双速电机驱动的。但目前国产矿用双速电机的功率范围、性能指标及配套控制开关的性能等与国外先进水平相比均有一定差距。

(4) 提高矿用电机的可靠性：矿用防爆电机的工况条件较差，电机频繁大负荷起动、负荷变化大、电压波动大、环境温度高且有一定的腐蚀性等，这些都影响电机的使用可靠性和寿命。

(5) 加快矿用防爆电机的更新换代。

(6) 统一矿用防爆电机的标准。

2． 石化系统用防爆电机

(1) 增安型和无火花型电机的需求将呈上升趋势。石化系统的用户在使用实践中；已认识到发展我国增安型和无火花型电机的必要性。此外，大量20世纪70年代弓[进装置中配套的增安型、无火花型电机目前已到了采用合适的国产品替代的时候。

(2) 防爆电机的可靠性已越来越被石化系统用户关注。石化企业发展日趋装置大型化、运行连续化，要求系统运行实现长周期、免维修或少维修。因此，防爆电机就成为保证上述要求的关键设备。

(3) 防爆和高效变频调速电机已成为石化用户迫切要求开发的节能产品。近年已系列生产了YBx、YAX防爆高效电机，投入市场后很受用户欢迎。防爆电机节能有两方面工作：一是研制高效率防爆电机产品，二是大量开发各种防爆调速电机的专用产品，尤其是将具有巨大节能潜力的风机、泵和压缩机配套的电机设计为调速电机。

(4) 沿海石化企业的发展带来的新要求。我国沿海一带将建一批炼油厂，原油均需进口，而进口原油含硫量高、腐蚀性严重，因而要求防爆电机提高防腐性能；另外进口原油均需海运，其储油罐就需要配套高扬程大流量油泵的防爆电机。

(5) 我国西部石油工业的大发展，要求开发适于沙漠干热环境的防爆电机产品。加氢装置配套用的中大容量的增安型无刷励磁同步电机的市场需要将逐年增长。

步进电机

是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器

虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 目前,生产步进电机的厂家的确不少，但具有专业技术人员，能够自行开发，研制的厂家却非常少，大部分的厂家只一、二十人，连最基本的设备都没有。仅仅处于一种盲目的仿制阶段。这就给户在产品选型、使用中造成许多麻烦。鉴于上述情况，我们决定以广泛的感应子式步进电机为例。叙述其基本工作原理。望能对广大用户在选型、使用、及整机改进时有所帮助。

二、感应子式步进电机工作原理

（一）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。 0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5

就是齿1）下面是定转子的展开图：

2、旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。 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。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3て改变为1/6て。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3て变为1/12て，1/24て，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

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 S 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： 感应子式与传统的反应式相比，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。 感应子式某种程度上可以看作是低速同步的电机。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，但过分采用减小气隙，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、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或()时为正转，通电时序为DA-CD-BC-AB或()时为反转。

步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。

永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；

反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。

步进电机的一些基本参数：

电机固有步距角：

它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时给出了一个步距角的值，如86BYG250A型电机给出的值为0.9°/1.8°（表示半步工作时为0.9°、整步工作时为1.8°），这个步距角可以称之为‘电机固有步距角’，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动器有关。

步进电机的相数：

是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9°/1.8°、三相的为0.75°/1.5°、五相的为0.36°/0.72° 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则‘相数’将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。

保持转矩（HOLDING TORQUE）：

是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

DETENT TORQUE：

是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一

的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

步进电机特点：

1．一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

2．步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

3．步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

4．步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术

的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

步进电机小知识＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

1、步进电机分哪几种?

步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。

2、什么是保持转矩（HOLDING TORQUE）?

保持转矩（HOLDING TORQUE）是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。

3、什么是DETENT TORQUE?

DETENT TORQUE 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。DETENT TORQUE 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有DETENT TORQUE。

4、步进电机精度为多少？是否累积?

一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。

5、步进电机的外表温度允许达到多少?

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

6、为什么步进电机的力矩会随转速的升高而下降?

当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。

7、为什么步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声?

步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。

8、如何克服两相混合式步进电机在低速运转时的振动和噪声?

步进电机低速转动时振动和噪声大是其固有的缺点，一般可采用以下方案来克服：

A.如步进电机正好工作在共振区，可通过改变减速比等机械传动避开共振区；

B.采用带有细分功能的驱动器，这是最常用的、最简便的方法；

C.换成步距角更小的步进电机，如三相或五相步进电机；

D.换成交流伺服电机，几乎可以完全克服震动和噪声，但成本较高；

E.在电机轴上加磁性阻尼器，市场上已有这种产品，但机械结构改变较大。

9、.细分驱动器的细分数是否能代表精度?

步进电机的细分技术实质上是一种电子阻尼技术（请参考有关文献），其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，提高电机的运转精度只是细分技术的一个附带功能。比如对于步进角为1.8°的两相混合式步进电机，如果细分驱动器的细分数设置为4，那么电机的运转分辨率为每个脉冲0.45°，电机的精度能否达到或接近0.45°，还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大；细分数越大精度越难控制。

10、.四相混合式步进电机与驱动器的串联接法和并联接法有什么区别?

四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较低的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的0.7倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4倍，因而电机发热较大。

11、.如何确定步进电机驱动器的直流供电电源?

A.电压的确定

混合式步进电机驱动器的供电电源电压一般是一个较宽的范围（比如IM483的供电电压为12～48VDC），电源电压通常根据电机的工作转速和响应要求来选择。如果电机工作转速较高或响应要求较快，那么电压取值也高，但注意电源电压的纹波不能超过驱动器的最大输入电压，否则可能损坏驱动器。

B.电流的确定

供电电源电流一般根据驱动器的输出相电流I来确定。如果采用线性电源，电源电流一般可取I的1.1～1.3倍；如果采用开关电源，电源电流一般可取I 的1.5～2.0倍。

12、.混合式步进电机驱动器的脱机信号FREE一般在什么情况下使用?

当脱机信号FREE为低电平时，驱动器输出到电机的电流被切断，电机转子处于自由状态（脱机状态）。在有些自动化设备中，如果在驱动器不断电的情况下要求直接转动电机轴（手动方式），就可以将FREE信号置低，使电机脱机，进行手动操作或调节。手动完成后，再将FREE信号置高，以继续自动控制。

13、.如果用简单的方法调整两相步进电机通电后的转动方向?

只需将电机与驱动器接线的A+和A-（或者B+和B-）对调即可。

步进电机的主要特性：

1 步进电机必须加驱动才可以运转， 驱动型号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候， 步进电机

静止， 如

果加入适当的脉冲信号， 就会以一定的角度（称为步角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。

2 腾龙版步进电机的步进角度为7.5 度，一圈360 度， 需要48 个脉冲完成。 3 步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。

4 改变脉冲的顺序， 可以方便的改变转动的方向。

因此，目前打印机，绘图仪，机器人，等等设备都以步进电机为动力核心。

步进电机原理＝＝＝＝＝＝＝＝＝

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

我们使用的单极四相步进电机为例。其结构如图1：

四个绕组引出四相(相A1相A2相B1相B2)和两个公共线(接到电源的正机)。把绕组的某一相接到电源的地线。这样该绕组就会受到激励。我们采用四相八拍的控制方式，即1相与2相交替导通，这样可提高分辨率。每一步可转0.9°控制电机正转的励磁顺序如下表：

若要求电机反转，将励磁信号倒过来传送即可。 2 控制方案

控制系统的框图如下

本方案采用ATS51作为主控制器件。它与ATC51兼容，同时还增加了SPI接口和看门狗模块，这不但使程序调试变得方便而且也使程序运行更加稳定。在方案中该单片机主要实现现场信号的采集并计算出步进电机运转的方向和速度信息。然后传送给CPLD。

CPLD采用EPM7128SLC84-15，EPM7128是可编程的大规模逻辑器件，为ALTERA公司的MAX7000系列产品。具有高阻抗、电可擦等特点，可用单元为2500个，工作电压为+5V。CPLD接收到单片机发送过来的信息后，转换成对应的控制信号输出给步进电机驱动器。驱动器则把控制信号处理后输入电机绕组，实现了电机的有效控制。 2.1 电机驱动器硬件结构

电机的驱动器采用如下电路：

其中R1-R8的电阻值为320Ω。R9-R12的电阻值为2.2KΩ。Q1-Q4为达林顿管D401A，Q5-Q8为S8550。J1、J2与步进电机的六条引线相连

伺服电动机

伺服电动机servomotor

用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。伺服：一词源于希腊语“奴隶”的意思。人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。由于它的“伺服”性能，因此而得名。

伺服电动机分类

伺服电动机分交、直流两类。交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点。直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。电动机转速n为

n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j式中E为电枢反电动势；K为常数；j为每极磁通；Ua，Ia为电枢电压和电枢电流；Ra为电枢电阻。改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法。在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。

直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。

伺服电动机

伺服电动机（或称执行电动机）是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件。其作用为把接受的电信号转换为电动机转轴的角位移或角速度。按电流种类的不同，伺服电动机可分为直流和交流两大类。

一、交流伺服电动机

1、结构和原理

交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似，它的定子上装有两个在空间相差90°电角度的绕组，即励磁绕组和控制绕组。运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压，控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压。转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种。笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同，但转子做的细长，转子导体用高电阻率的材料作成。其目的是为了减小转子的转动惯量，增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象。空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分。外定子的结构与笼型交流伺服电动机的定子相同，铁心槽内放有两相绕组。空心杯形转子由导电的非磁性材料（如铝）做成薄壁筒形，放在内、外定子之间。杯子底部固定于转轴上，杯臂薄而轻，厚度一般在0.2—0.8mm，因而转动惯量小，动作快且灵敏。

交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似，LL是有固定电压励磁的励磁绕组，LK是有伺服放大器供电的控制绕组，两相绕组在空间相差90°电角度。如果IL与Ik 的相位差为90°，而两相绕组的磁动势幅值又相等，这种状态称为对称状态。与单相异步电动机一样，这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场，其转速称为同步转速。旋转磁场与转子导体相对切割，在转子中产生感应电流。转子电流与旋转磁场相互作用产生转矩，使转子旋转。如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差，就破坏了对称状态，使旋转磁场减弱，电动机的转速下降。电机的工作状态越不对称，总电磁转矩就越小，当除去控制绕组上信号电压以后，电动机立即停止转动。这是交流伺服电动机在运行上与普通异步电动机的区别。

交流伺服电动机有以下三种转速控制方式：

（1）幅值控制 控制电流与励磁电流的相位差保持90°不变，改变控制电压的大小。

（2） 相位控制 控制电压与励磁电压的大小，保持额定值不变，改变控制电压的相位。

（3）幅值—相位控制 同时改变控制电压幅值和相位。交流伺服电动机转轴的转向随控制电压

相位的反相而改变。

2、工作特性和用途

伺服电动机的工作特性是以机械特性和调节特性为表征。在控制电压一定时，负载增加，转速下降；它的调节特性是在负载一定时，控制电压越高，转速也越高。伺服电动机有三个显著特点：

（1）启动转矩大 由于转子导体电阻很大，可使临界转差率Ｓｍ＞１，定子一加上控制电压，转子立即启动运转．

（２）运行范围宽 在转差率从０到１的范围内都能稳定运转．

（３）无自转现象 控制信号消失后，电动机旋转不停的现象称＂自转＂．自转现象破坏了伺服性，显然要避免．

正常运转的伺服电动机只要失去控制电压后，伺服电动机就处于单相运行状态。由于转子导体电阻足够大，使得总电磁转矩始终是制动性的转矩，当电动机正转时失去Ｕｋ（控制电压），产生的转矩为负（０＜Ｓ＜１）。而反转时失去UK，产生的转矩为正（1〈S〈2时〉，不会产生自转现象，可以自行制动，迅速停止运转，这也是交流伺服电动机与异步电动机的重要区别。

不同类型的交流伺服电动机具有不同的特点。笼型转子交流伺服电动机具有励磁电流较小、体积较小、机械强度高等特点；但是低速运行不够平稳，有抖动现象。空心杯形转子交流伺服电动机具有结构简单、维护方便、转动惯量小、运行平滑、噪声小、没有无线电干扰、无抖动现象等优点；但是励磁电流较大，体积也较大，转子易变形，性能上不及直流伺服电动机。

交流伺服电动机适用于0.1—100W小功率自动控制系统中，频率有50Hz、400Hz等多种。

笼型转子交流伺服电动机产品为SL系列。空心杯形转子交流伺服电动机为SK系列，用于要求运行平滑的系统中。

二、直流伺服电动机

直流伺服电动机的基本结构与普通他励直流电动机一样，所不同的是直流伺服电动机的电枢电流很小，换向并不困难，因此都不用装换向磁极，并且转子做得细长，气隙较小，磁路不饱和，电枢电阻较大。按励磁方式不同，可分为电磁式和永磁式两种，电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁绕组产生，一般用他励式；永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流，可减小体积和损耗。为了适应各种不同系统的需要，从结构上作了许多改进，又发展了低惯量的无槽电枢、空心杯形电枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机等品种。

电磁式直流伺服电动机的工作原理和他励式直流电动机同，因此电磁式直流伺服电动机有两种控制转速方式：电枢控制和磁场控制。对永磁式直流伺服电动机来说，当然只有电枢控制调速一种方式。由于磁场控制调速方式的性能不如电枢控制调速方式，故直流伺服电动机一般都采用电枢控制调速。直流伺服电动机转轴的转向随控制电压的极性改变而改变。

直流伺服电动机的机械特性与他励直流电动机相似，即n=n0-αT。当励磁不变时，对不同电压Ua有一组下降的平行直线。

直流伺服电动机适用于功率稍大（1—600W）的自动控制系统中。与交流伺服电动机相比，它的调速线性好，体积小，质量轻，启动转矩大，输出功率大。但它的结构复杂，特别是低速稳定性差，有火花会引起无线电干扰。近年来，发展了低惯量的无槽电枢电动机、空心杯形电枢电动机、印制绕组电枢电动机和无刷直流伺服电动机，来提高快速响应能力，适应自动控制系统的发展需要，如电视摄象机、录音机、X—Y函数记录仪及机床控制系统等。

不同类型的交流伺服电动机具有不同的特点。笼型转子交流伺服电动机具有励磁电流较小、体积较小、机械强度高等特点；但是低速运行不够平稳，有抖动现象。空心杯形转子交流伺服电动机具有结构简单、维护方便、转动惯量小、运行平滑、噪声小、没有无线电干扰、无抖动现象等优点；但是励磁电流较大，体积也较大，转子易变形，性能上不及直流伺服电动机。

交流伺服电动机适用于0.1—100W小功率自动控制系统中，频率有50Hz、400Hz等多种。笼型转子交流伺服电动机产品为SL系列。空心杯形转子交流伺服电动机为SK系列，用于要求运行平滑的系统中。

二、直流伺服电动机

直流伺服电动机的基本结构与普通他励直流电动机一样，所不同的是直流伺服电动机的电枢电流很小，换向并不困难，因此都不用装换向磁极，并且转子做得细长，气隙较小，磁路不饱和，电枢电阻较大。按励磁方式不同，可分为电磁式和永磁式两种，电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁绕组产生，一般用他励式；永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生，无需励磁绕组和励磁电流，可减小体积和损耗。为了适应各种不同系统的需要，从结构上作了许多改进，又发展了低惯量的无槽电枢、空心杯形电枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机等品种。

电磁式直流伺服电动机的工作原理和他励式直流电动机同，因此电磁式直流伺服电动机有两种控制转速方式：电枢控制和磁场控制。对永磁式直流伺服电动机来说，当然只有电枢控制调速一种方式。由于磁场控制调速方式的性能不如电枢控制调速方式，故直流伺服电动机一般都采用电枢控制调速。直流伺服电动机转轴的转向随控制电压的极性改变而改变。

直流伺服电动机的机械特性与他励直流电动机相似，即n=n0-αT。当励磁不变时，对不同电压Ua有一组下降的平行直线。

直流伺服电动机适用于功率稍大（1—600W）的自动控制系统中。与交流伺服电动机相比，它的调速线性好，体积小，质量轻，启动转矩大，输出功率大。但它的结构复杂，特别是低速稳定性差，有火花会引起无线电干扰。近年来，发展了低惯量的无槽电枢电动机、空心杯形电枢电动机、印制绕组电枢电动机和无刷直流伺服电动机，来提高快速响应能力，适应自动控制系统的发展需要，如电视摄象机、录音机、X—Y函数记录仪及机床控制系统等。

一、数控机床伺服系统

（一）开环伺服系统。开环伺服系统不设检测反馈装置，不构成运动反馈控制回路，电动机按数控装置发出的指令脉冲工作，对运动误差没有检测反馈和处理修正过程，采用步进电机作为驱动器件，机床的位置精度完全取决于步进电动机的步距角精度和机械部分的传动精度，难以达到比较高精度要求。步进电动机的转速不可能很高，运动部件的速度受到。但步进电机结构简单、可靠性高、成本低，且其控制电路也简单。所以开环控制系统多用于精度和速度要求不高的经济型数控机床。

（二）全闭环伺服系统。闭环伺服系统主要由比较环节、伺服驱动放大器，进给伺服电动机、机械传动装置和直线位移测量装置组成。对机床运动部件的移动量具有检测与反馈修正功能，采用直流伺服电动机或交流伺服电动机作为驱动部件。可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。系统的直线位移检测器安装在移动部件上，其精度主要取决于位移检测装置的精度和灵敏度，其产生的加工精度比较高。但机械传动装置的刚度、摩擦阻尼特性、反向间隙等各种非线性因素，对系统稳定性有很大影响，使闭环进给伺服系统安装调试比较复杂。因此只是用在高精度和大型数控机床上。

（三）半闭环伺服系统。半闭环伺服系统的工作原理与全闭环伺服系统相同，同样采用伺服电动机作为驱动部件，可以采用内装于电机内的脉冲编码器，无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/ 速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，其系统的反馈信号取自电机轴或丝杆上，进给系统中的

机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便。机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿等项功能，在传动装置精度不太高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。故半闭环伺服系统在数控机床中应用很广。

二、伺服电机控制性能优越

（一）低频特性好。步进电机易出现低速时低频振动现象。交流伺服电机不会出现此现象，运转非常平稳，交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能，可检测出机械的共振点，便于系统调整。

（二）控制精度高。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。例如松下全数字式交流伺服电机，对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

（三）过载能力强。步进电机不具有过载能力，为了克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩，选型时需要选取额定转矩比负载转矩大很多的电机，造成了力矩浪费的现象。而交流伺服电机具有较强的过载能力，例如松下交流伺服系统中的伺服电机的最大转矩达到额定转矩的三倍，可用于克服启动瞬间的惯性力矩。

（四）速度响应快。步进电机从静止加速到额定转速需要200～400毫秒。交流伺服系统的速度响应较快，例如松下MSMA 400W交流伺服电机，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒。

（五）矩频特性佳。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时转矩会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩。

交流电机

A.C.machine

交流电机是用于实现机械能和交流电能相互转换的机械。

一、交流电机概述

由于交流电力系统的巨大发展，交流电机已成为最常用的电机。交流电机与直流电机相比，由于没有换向器（见直流电机的换向），因此结构简单，制造方便，比较牢固，容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大，从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初，最大的汽轮发电机已达150万千瓦。

二、交流电机分类

2.1、交流电机按其功能通常分为交流发电机、交流电动机和同步调相机几大类。由于电机工作状态的可逆性，同一台电机既

可作发电机又可作电动机。

把电机分为发电机与电动机并不很确切，只是有些电机主要作发电机运行，有些电机主要作电

动机运行。

2.2、交流电机按品种分有同步电机、异步电机两大类。同步电机转子的转速ns与旋转磁场的转速相同，称为同步转速。ns与所接交流电的频率 (f)、电机的磁极对数(P)之间有严格的关系

ns＝f/P

在中国，电源频率为50赫，所以三相交流电机中一对极电机的同步转速为3000转/分，三相交流电机中两对极电机的同步转速为1500转/分，余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10％以内。

转差率

S=n0-n/n0 (n0为同步转速，n为空载转速）

由此可知，交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率，而以往要改变电源频率是比较复杂的。所以70年代以前，在要求调速的场合，多用直流电机。随着电力电子技术的发展，交流电动机的变频调速技术已开始得到实用。

三、交流电机的电源

交流电机一般采用三相制，因为三相交流电机与单相电机相比，无论在性能指标，原材料利用和价格等方面均有明显的优越性。同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，价格低。三相电动机有自起动能力。单相电机没有起动转矩，为解决起动问题，需采取一些特殊的措施。单相电

机的转矩是脉动的，噪声也比较大，但所需的电源比较简单，特别是在家庭中使用十分方便。因此小型家用电机和仪用电机多采用单相电机。

四、交流电机直接转矩控制

目前几种比较常见的直接转矩控制策略中，对于中小容量而言，控制方案重点在于进行转矩、磁链无差拍控制和提高载波频率。对大容量来说，其区别在于低速时采用了间接转矩控制，从而达到低速时降低转矩脉动的目的。

4.1、直接转矩控制技术概述

相对于直流电机在结构简单、维护容易、对环境要求低以及节能和提高生产力等方面具有足够的优势，使得交流调速已经广泛运用于工农业生产、交通运输、国防以及日常生活之中。随着电力电子技术、微电子技术、控制理论的高速发展，交流调速技术也得到了长足的发展。目前在高性能的交流调速领域主要有矢量控制和直接转矩控制两种。1968年Darmstader工科大学的Hasse博士初步提出了磁场定向控制(Field Orientation)理论，之后在1971年由西门子公司的F.Blaschke对此理论进行了总结和实现，并以专利的形式发表，逐步完善并形成了现在的各种矢量控制方法。

对于直接转矩控制来说，一般文献认为它由德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi于1985年首先分别提出的。对于磁链圆形的直接转矩控制来说，其基本思想是在准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度，来改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。在控制思想上与矢量控制不同的是直接转矩控制通过直接控制转矩和磁链来间接控制电流，不需要复杂的坐标变换，因此具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点。

事实上，1977年A·B·Plunkett曾经在IEEE的工业应用期刊上提出了类似于目前直接转矩控制的结构和思想的直接磁链和转矩调节方法，在这种方法中，转矩给定与反馈之差通过PI调节得到滑差频率，此滑差频率加上电机转子机械速度得到逆变器应该输出的电压定子频率;定子磁链给定与反馈之差通过积分运算得到一个电压与频率之比的量，并使之与定子频率相乘得到逆变器应该输出的电压，最后通过SPWM方法对电机进行控制。

直接转矩控制提出来将近有20年了，目前在此基础上已经发展出来了多种控制策略及其数字化实现方案、磁链观测以及速度辨识的方法，本文将对它们进行分类，并作分析和比较。

4.2、电机模型和直接转矩控制策略

直接转矩控制是基于静止坐标系 下来进行控制的，如图1所示，在传统的直接转矩控制中，通过检测定子两相电流、直流母线电压和电机转速(在无速度传感器DTC中不需要测速)进行定子磁链观测和转矩计算，使二者分别与定子磁链给定和转矩给定相减，其差值又分别通过各自的滞环相比较，输出转矩和磁链的增、减信号，把这两个信号输入优化矢量开关表，再加上定子磁链所在的扇区就得到了满足磁链为圆形、转矩输出跟随转矩给定的电压矢量。磁链和转矩的滞环可以设置多级，并且其宽度可变，滞环宽度越小，开关频率越高，控制越精确。

直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但它却是建立在单一矢量、转矩和磁链滞环的Bang-Bang控制基础之上的控制方法，不可避免地造成了低速开关频率低、开关频率不固定以及转矩脉动大，了直接转矩控制在低速区的应用。针对于此，国内外有很多学者提出了各种提高开关频率、固定开关频率以及减小转矩脉动的方法，本节将逐一列出分析比较。

4.3、无差拍空间矢量调制方法

4.3.1、 T.G.Habetler的空间矢量调制方法

把无差拍方法应用于直接转矩控制首先是由美国人T.G.Habetler提出来的。这种方法的主要思想是在本次采样周期得到转矩的给定值与反馈值之差。

空间电压矢量的幅值和相位是任意的，可以通过相邻的两个基本的电压矢量合成而得。利用计算出来的空间电压矢量可以达到转矩和磁链无差拍的目的。

利用Habetler的无差拍方法，从理论上可以完全使磁链和转矩误差为零，从而消除转矩脉动，可以弥补传统DTC的Bang-Bang控制的不足，使电机可以运行于极低速下。另外，通过无差拍控制得到的空间电压矢量可以使开关频率相对于单一矢量大幅提高并且使之固定，这对于减少电压谐波和电机噪声是很有帮助的。

但是，空间电压矢量作用时间可能会大于采样周期，这说明不能同时满足磁链和转矩无差拍控制。因此作者提出了三个步骤，首先是否转矩满足无差拍，如果不满足再看是否磁链满足无差拍，如果还不满足就按照原有直接转矩控制矢量表来选取下一周期的单一电压矢量。因此按照Habetler的无差拍方法最大的计算量有四个步骤，这将耗费很大的计算资源，不易实现，另外在整个计算过程中对电机参数的依赖性比较大，这将降低控制的鲁棒性。

4.3.2、转矩或磁链的预测控制方法

在T·G·Habetler的无差拍的直接转矩控制方法中，由于计算量很大而不易实现，因此出现了一系列的简化的无差拍直接转

矩控制，比较典型的是转矩跟踪预测方法。在这种方法中，分析了低速转矩脉动的情况，得出转矩脉动锯齿不对称的结论。

非零电压矢量和零电压矢量对转矩变化的作用是不同的，前者可以使转矩上升或下降，而后者总是使转矩下降。另外，在不同的速度范围内二者对转矩作用产生的变化率也在变化。在转矩预测控制方法中，电压矢量在空间的位置是固定不变的，合成在两个单一电压矢量的中间，但是电压矢量不是作用整个采样周期，而是有一定的占空比，在一个采样周期中可以分为非零电压矢量和零电压矢量。如果使下一采样周期非零电压矢量和零电压矢量共同作用产生的转矩变化等于本周期计算出来的转矩误差。

将消除转矩误差，达到转矩无差拍控制的目的。即使出现计算出来的电压矢量作用时间超出采样周期，也可以用满电压矢量来代替，因此是非常易于实现的，从实验结果来看，转矩脉动的锯齿基本上对称，说明转矩的脉动已经大为减少。上法认为磁链被准确控制或变化缓慢，而没有考虑磁链的无差拍控制，在文献中对磁链也进行了预测控制，在这中方法中，通过磁链的空间矢量和电压矢量关系可近似得到：

其中ΔΨS是在电压矢量作用下的磁链幅值改变量，θVΨ是二者的空间角度。设第k采样周期的磁链误差为ΔΨSO，那么根据公式(5),可以得到使第k+1周期磁链误差为零的矢量作用时间为:。以转矩控制优先为原则，根据转矩预测控制计算出来的矢量作用时间和磁链预测控制计算出来的作

用时间可以得到综合的矢量作用时间。考虑磁链的无差拍控制之后相对于单纯的转矩无差拍控制效果好，既消除了转矩脉动，又不会产生磁链畸变，并且计算量不会太大。除了上述的转矩无差拍控制方法，在文献中也采用了类似的方法，最后的电压矢量计算作用时间也基本相同，此处不详述。同Habetler的无差拍方法一样，预测方法也要用到比较多的电机参数，如果能在线实时辨识定子电阻和转子时间常数，将大大提高控制精度。

4.3.3、基于检测反电势的离散时间直接转矩控制(DTDTC)

使用离散时间的方法进行异步电机的控制在文献中已经有了比较详细的介绍，在文献中，首次把这种方法使用于直接转矩控制，其基本方法如下:对由电机的基本电路模型得到的电压方程和磁链方程进行离散化如下：

a，b的定义对转矩方程也进行离散化，并把方程(7)代入其中，同时也把方程(7)代入到磁链的幅值平方表达式中去，利用离散的转矩方程和离散的磁链幅值平方式可以求解出下一周期的的空间电压矢量的增量ΔVSx和ΔVSy，代入以下方程可以得到转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，并对其进行了限幅：

离散时间直接转矩控制可以通过差分方程，把k+1周期的所应达到的转矩和磁链递推出来，因此可以同时达到转矩和磁链的无差拍控制，从实现方式上是很适合于数字化控制的，另外这种方法主要基于定子侧进行控制，所需的电机参数只有定子电阻和电感，对电机参数变化的鲁棒性比较好，从实验结果来看，系统的动态响应性能是比较好的。但是在这种方法中，需要检测电机的相电压，这增加的系统硬件的复杂性，另外，计算量也比较大。

4.3.4、基于几何图形的无差拍控制

在文献中，对定子磁链方程、转子磁链方程以及由定、转子磁链表达的转矩方程进行离散化，

之后把前两个方程带入到转矩方程中去。通过离散的转矩方程分析可以知道施加电压矢量可以使转矩误差为零，转矩变化到平面上的一条直线上，这条直线与转子磁链矢量方向平行。采取同样的方法可以分析知道施加电压矢量可以使磁链误差为零，磁链变化到平面上的一个园上，这个园与与磁链园同心。于是利用直线和园的交点就可以得到使转矩和磁链无差拍控制的电压矢量，当然这个电压矢量受到逆变器所能输出的电压大小的。

把几何图形引入到无差拍的控制中来是一个比较好的思路，可以得到最优的无差拍控制的电压矢量，同时也有助于理论上的分析。但是就如何把图形方式和数字化控制结合起来从实现方式上来说还是存在有一定的难度。

4.4、离散空间矢量调制(DSVM)方法

无差拍的直接转矩控制从理论上可以最大化地消除转矩和磁链的的误差，克服了Bang-Bang控制不精确性的弱点，但是需要比较大的计算量，并且这些计算都是与电机参数有关，容易引起计算上的误差。因此在文献中提出了既不需要多少计算，又能提高转矩和磁链控制精度的离散空间矢量调制方法。

在离散空间矢量调制方法中，通过对两电平逆变器输出的六个基本电压矢量中的相邻电压矢量和零电压矢量进行有规律的合成，如图3是使用相邻的单一矢量2和单一矢量3以及零电压矢量合成出来的空间电压矢量。从图3中可以看出其合成方法是把整个采样周期平均分为3段，每一段由非零电压矢量或零电压矢量组成，如空间电压矢量23Z是由矢量2和矢量3以及零电压矢量各作用1/3采样周期，可以采用5段式或7段式方式合成(文中没说明)，利用这种有规律的合成方法一共可以合成出10个电压矢量。

细化的电压矢量可以对转矩和磁链进行更精确的控制，文献中对磁链使用了传统的2级滞环Bang-Bang控制，而考虑到转

矩需要动态响应快，对其划分了5级滞环Bang-Bang控制，如图4所示，不同的误差带内使用不同的电压矢量表。另外，作者通过推导得到电压矢量对转矩变化的影响式子如下所示：

从式(10)中可以看出同一电压矢量在低速和高速对转矩变化的影响是不同的。因此，在不同的速度范围使用了不同的电压矢量，如图3所示。从另一方面看，低速使用幅值小的电压矢量以及高速使用幅值大的电压矢量也是符合V/f=C这一规律的。传统的直接转矩控制在低速时连续使用较多的零电压矢量使开关频率很低，转矩脉动大。而按照离散空间矢量调制的方法由于低速使用幅值小的电压矢量，因此连续使用的零电压矢量少，开关频率高，转矩脉动小。另外，由于高速时的电压矢量比较多，可以划分12个扇区，使用两个电压矢量表，这样可以进行更精确的控制。

从以上分析可以看出，离散的空间矢量调制方法易于实现，不需要有无差拍控制那样多的计算，保持了传统Bang-Bang控制的优点，因此鲁棒性好，但相对于传统的直接转矩控制又可以提高转矩和磁链控制精度，减小低速转矩脉动。但是控制精度越提高，矢量划分就越细，电压矢量控制表就越多越大，这将增加控制的复杂性。因此，如果能让离散的空间矢量调制与无差拍控制结合起来，将会有助于克服这个缺点。

4.5、由PI调节器输出空间电压矢量的方法

在直接转矩控制中，如果能获得任意相位的空间电压矢量，将有助于减小低速下的转矩脉动，达到矢量控制在低速下的稳态性能。第3节中的无差拍控制就能得到任意相位的空间电压矢量，但是计算比较复杂，实现比较困难。另一种获得任意相位的空间电压矢量的方法是使用PI调节器。

A·B·Plunkett的直接转矩和磁链调节方法就是一种PI调节方法，只是那时候还没有空间电压矢量这个概念，只能使用SPWM方法输出电机控制电压。在文献中,所提出的直接转矩控制使用PI调节的方法，并且用于SVM的方法输出空间电压矢量。

由转矩给定和转矩反馈获得转矩误差输入PI调节器中，经过PI调节得到q轴电压矢量,由定子磁链给定和定子磁链反馈获得定子磁链误差输入PI调节器中，经过PI调节得到d轴电压矢量,之后将d轴和q轴的电压矢量旋转变换到静止坐标系下的α轴和β上，用于空间电压矢量的输出，显然这个空间电压矢量在空间位置上的相位是任意的。从结构上看基于PI调节的直接转矩控制相似于定子磁链定向的矢量控制，但二者是有区别的，定子磁链定向的矢量控制基于同步旋转坐标系，定向于定子磁链d轴，q轴磁链为零，另外在d轴方向还要对磁链和和q轴方向上的电流进行解耦，而这些对于基于PI调节的直接转矩控制不需要，其中只需要使转矩输出和定子磁链反馈通过PI调节方法来跟随上给定即可，因此从实现上是比较简单的，同时鲁棒性也比较好，并且相对于传统的直接转矩控制可以提高开关频率，减小了低速下的转矩脉动，但是在这种方法当中需要选取合适的PI参数，否则会影响控制系统的动、静态性能。除了以上这种PI调节的直接转矩控制外，在文献中还在A·B·Plunkeet的直接转矩和磁链调节法的基础上做了进一步的研究，使用空间电压矢量的方式输出，此处不详细叙述。

4.6、注入高频抖动提高开关频率

在前面的各种直接转矩控制策略中都谈到提高低速下的开关频率可以降低转矩脉动，同时也可以降低噪声。在文献中，提出了一种在传统的直接转矩控制基础上注入高频抖动的方法提高开关频率，其中作者用图表的方式显示了开关频率随转矩和磁链滞环宽度的减小而提高，但是这种提高是有限的，一个最主要的原因是磁链和转矩控制上的延迟，滞后越大开关频率就越低。例如从仿真来看10μs延迟有14kHz的开关频率，但当有20μs的延迟时只有8kHz的开关频率。文献中提出的提高开关频率方法是在转矩和磁链滞环内叠加上高频的三角波，其幅值与滞环宽度相当。

当反馈值大于三角波时电压矢量减小，当反馈值小于三角波时电压矢量增大，因此，即使控制上有延迟，但随着三角波频率的增大，开关频率也就提高了，例如当三角波的频率为30kHz时，开关频率可达10kHz。文献中采用的是单一电压矢量的方法，如果能采用空间任意电压矢量的方法，可以使开关频率进一步提高。

4.7、大容量的直接转矩控制的低速控制策略

直接转矩控制当初在德国提出来是为了解决大容量的机车控制的问题，其中最重要的一点就是要降低开关频率。目前以GTO作为逆变器的功率器件时，其开关频率一般不超过200Hz，使用IGBT时，一般也不能超过500Hz。因此以上的各节所描述的直接转矩控制策略将不适用于大容量的直接转矩控制，否则将造成比较高的开关频率。在低速下，如果使用直接转矩进行控制，首先是采样周期很小，否则转矩脉动大，而且容易过流。其次是要求圆形磁链，否则转矩脉动大;再次是要使用单一电压矢量，并且占空比为100％，这样才能减少至少一半的开关频率;最后是转矩和磁链要有比较大的滞环，否则开关频率也比较高，但是，如果转矩和磁链的滞环太大，又会造成比较大的转矩脉动。因此在大容量的调速中不易使用传统的直接转矩控制。目前使用的最成熟的方法是间接转矩控制。

这种控制方法其实是在A·B·Plunkett的直接转矩和磁链调节法上的一种改进，其中转矩调节器输出的是动态滑差在一个采用周期的积分动态增量ΔXd，而稳态滑差由磁链和转矩计算出来。动态滑差与电机机械角速度之和得到同步角速度，对其在一个采样周期进行积分就可以得到磁链在一个周期内的相位稳态增量ΔX0，使之与动态增量相加可得磁链在一个采样周期总的相位增量ΔX。磁链调节器输出幅值增量kψ，利用相位增量和幅值增量以及电压方程可以得到控制电机的空间电压矢量。从以上分析可以看出间接转矩控制的物理概念是很清晰的。通过计算磁链的幅值增量和相位增量来决定空间电压矢量，不但可以保证磁链轨迹为圆形，而且还对转矩进行了稳态和动态的调节。另外，可以象矢量控制那样通过增大采样周期来减小开关频率而不会产生额外的转矩脉动，这主要是因为磁链的幅值增量和相位增量在一个采样周期中是可以准确计算出来的。因此间接转矩控制具

有很好的稳态和动态性能，在大容量的调速中能大大减小低速转矩脉动，增大调速范围。

4.8、直接转矩控制技术的未来

相对于传统的直接转矩控制来说，目前对于中小容量电机控制的改进方法主要是进行转矩、磁链无差拍控制和提高、固定开关频率。同时实现转矩和磁链的无差拍控制来说比较困难，因此出现了单独的转矩和磁链的预测跟踪控制，以及界于无差拍控制和Bang-Bang控制之间的离散空间电压矢量控制，不但简化了控制算法，还提高了控制精度。运用PI调节器进行转矩和磁链控制是一种比较直接的方法，省却了无差拍控制的复杂计算，易于实现。无论是无差拍控制或PI调节的方式都可以输出任意或比较多的空间电压矢量，这自然提高并且固定了开关频率，对于降低转矩脉动和减少噪音是很有帮助的。但是应该清楚的看到，目前的小容量直接转矩控制的低速性能还达不到矢量控制那样，转矩脉动和噪音都比后者大，因此就如何降低转矩脉动和减小噪音上来说还有待进一步的研究，另外，把间接转矩控制引入到小容量的低速控制中来也是一种比较好的思路。

对于大容量的直接转矩控制策略来说，与中小容量的主要区别是开关频率在一定的范围之内，由于在低速采用了间接转矩控制，因此转矩脉动比较小，几乎能达到矢量控制那样的低速性能。随着电力电子器件的不断向着大功率化和高频化发展，将有助于大容量直接转矩控制的进一步发展。

异步电机调速

异步电机调速的分类与方法

与按n＝ 60f1/p·（1-S）表达式不同，根据本文所述的电机调速功率控制理论，异步机调速可分类表示如下：

变频电动机的特点

1、电磁设计

对普通异步电动机来说，再设计时主要考虑的性能参数是过载能力、启动性能、效率和功率因数。而变频电动机，由于临界转差率反比于电源频率，可以在临界转差率接近1时直接启动，因此，过载能力和启动性能不在需要过多考虑，而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力。方式一般如下：

1） 尽可能的减小定子和转子电阻。

减小定子电阻即可降低基波铜耗，以弥补高次谐波引起的铜耗增

2）为抑制电流中的高次谐波，需适当增加电动机的电感。但转子槽漏抗较大其集肤效应也大，高次谐波铜耗也增大。因此，电动机漏抗的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。

3）变频电动机的主磁路一般设计成不饱和状态，一是考虑高次谐波会加深磁路饱和，二是考虑在低频时，为了提高输出转矩而适当提高变频器的输出电压。

2、结构设计

再结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般注意以下问题：

1）绝缘等级，一般为F级或更高，加强对地绝缘和线匝绝缘强度，特别要考虑绝缘耐冲击电压的能力。

2）对电机的振动、噪声问题，要充分考虑电动机构件及整体的刚性，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。

3）冷却方式：一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用的电机驱动。

4）防止轴电流措施，对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其他高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，所以一般要采取绝缘措施。

5）对恒功率变频电动机，当转速超过3000/min时，应采用耐高温的特殊润滑脂，以补偿轴承的温度升高。

单相交流电机调速器的工作原理是在电动机控制回路中串入双向可控硅，控制可控硅的导通角从而控制电动机的端电压。当外接电源电压或负载波动引起转速变动时与电动机同軸联接的测速发电机输出信号通过积分器与转速给定信号比较,其误差放大后和过零触发信号经驱动移相触发器实

现电压自动调整从而使转速稳定在给定值,需要改变转向时,只需将电动机正反转接头对换即可。

在异步电动机调速系统中，调速性能最好、应用最广的系统是变压变频调速系统。在这种系统中，要调节电动机的转速，须同时调节定子供电电源的电压和频率，可以使机械特性平滑地上下移动，并获得很高的运行效率。但是，这种系统需要一台专用的变压变频电源，增加了系统的成本。近来，由于交流调速日益普及，对变压变频器的需求量不断增长，加上市场竞争的因素，其售价逐渐走低，使得变压变频调速系统的应用与日俱增。下面首先叙述异步电动机的变压变频调速原理。

1.1 异步电动机变压变频调速原理

在进行电动机调速时，常须考虑的一个重要因素就是:希望保持电动机中每极磁通量 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费;如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电动机。在交流异步电动机中，由于磁通是由定子和转子磁动势合成产生的，需要采取一定的控制方式才能保持磁通恒定。

三相异步电动机定子每相电动势的有效值是

eg=4.44f1nsknsφm (1-1)

式中

eg——气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(v);

f1——定子频率(hz);

ns——定子每相绕组串联匝数;

kns——定子基波绕组系数;

φm ——每极气隙磁通量(wb)。

由式(1-1)可知，只要控制好电动势eg和频率f1，便可达到控制磁通φm 的目的，对此，需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。

1.1.1 基频以下调速

由式(1-1)可知，要保持φm 不变，当频率f1从额定值f1n向下调节时，必须同时降低电动势eg，使

常值 (1-2)

即采用电动势频率比为恒值的控制方式。

然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁

阻抗压降，而认为定子相电压us≈eg，则得

(1-3)

这是恒压频比的控制方式。

低频时，us和eg都较小，定子漏磁阻抗压降所占的份量就比较显著，不能再忽略。这时，可以人为地把电压us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性如

图1-1所示的2线，无补偿的控制特性则为1线。

1——无补偿 2——带定子压降补偿

图1-1 恒压频比控制特性

在实际应用中，由于负载大小不同，需要补偿的定子压降值也不一样，在控制软件中，须备有不同斜率的补偿特性，以便用户选择。

1.1.2 基频以上调速

在基频以上调速时，频率应该从 fin向上升高，但定子电压us不可能超过额定电压usn，最多只能保持us=usn，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电动机弱磁升速的情况。

把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图1-2所示。如果电动机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，

按照电气传动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时，转矩降低，基本上属于“恒功率调速”性质。

图1-2 异步电动机变压变频调速的控制特性

1.2 异步电动机电压-频率协制时的稳态特性

1.2.1 异步电动机的稳态等效电路和感应电动势

图1-3 异步电动机的稳态等效电路和感应电动势

按照异步电动机原理，它的稳态等效电路如图1-3所示，图中标明了不同磁通所产生的感应电动势，其意义如下:

eg——气隙磁通(或互感磁通)在定子每相绕组中的感应电动势;

es——定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势;

er——转子全磁通在转子绕组中的感应电动势(折合到定子侧)。

式(1-1)已给出气隙磁通的感应电动势，现再写在下面:

eg=4.44f1nsknsφm (1-1)

与此相仿

es=4.44f1nsknsφsm (1-4)

er=4.44f1nsknsφrm (1-5)

1.2.2 恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性

异步电动机正常工作时，定子由恒压恒频的正弦波电源供电，由于定子电压us和电源角频率ω1均为恒值，这时的机械特性方程式te=f(s)可写成如式(1-6)所示的形式:

(1-6)

当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则

(1-7)

也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性te=f(s)是一段直线，当s逐渐增大后，机械特性呈现明显的非线性，如图1-4所示。

图1-4 恒压恒频时异步电动机的机械特性

1.2.3 基频以下电压-频率协制时的机械特性

由式(1-6)的机械特性方程式可以看出，当负载要求某一组转矩te和转速n(或转差率s)的数值时，电压us和频率ω1可以有多种配合。在us和ω1的不同配合下，机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压-频率协制。

(1)恒压频比控制( u1/ω1=恒值) 前已指出，为了近似地保持气隙磁通φm不变，以便充分利用电动机铁心，发挥电动机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速no(r/min)自然要随频率变化。

(1-8)

带负载时，转速降落△n(r/min)为

(1-9)

在式(1-7)所表示的机械特性近似直线段上，可以导出

(1-10)

由此可见，当us/ω1为恒值时，对于同一转矩te值，sω1基本不变，因而△n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下，改变频率 ω1时，机械特性基本上也是平行下移，如图1-5所示。异步电动机的机械特性上有一个转矩的最大值，如式(1-11)所示，频率越低，最大转矩值越小，频率很低时，te max太小，将电动机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压us，可以增强带载能力，如图1-5所示。

图1-5 恒压频比控制时变频调速的机械特性

(1-11)

(2)恒eg/ω1控制 如果在电压-频率协制中，恰当地提高电压us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持eg/ω1为恒值(基频以下)，则由式(1-1)可知，无论频率高低，每极磁通φm均为常值，且由图1-3所示的等效电路可以看出

(1-12)

代入电磁转矩关系式，得

(1-13)

这就是恒eg/ω1时的机械特性方程式。机械特性曲线的形状与恒压频比特性相似，图1-6中给出了不同控制方式时的机械特性。

将式(1-13)对s求导，并令dts/ds=0，可得恒eg/ω1控制特性在最大转矩时的转差率

(1-14)

和最大转矩

(1-15)

值得注意的是，在式(1-15)中，当eg/ω1为恒值时，ee max恒定不变。可见恒 eg/ω1控制的稳态性能是优于恒us/ω1控制的，它正是恒us/ω1控制中补偿定子压降所追求的目标。

(3)恒er/ω1控制 如果把电压-频率协制中的电压us再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒er/ω1控制，那么，机械特性会怎样呢？由图1-3可写出

(1-16)

1——恒us/ω1控制 2——恒eg/ω1控制 3——恒er/ω1控制

图1-6 不同电压-频率协制方式时的机械特性

代入电磁转矩基本关系式，得

(1-17)

很明显，这时的机械特性te=f(s)完全是一条直线，也把它画在图1-6上。显然，恒er/ω1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电动机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。

问题是，怎样控制变频装置的电压和频率才能获得恒定的er/ω1呢？按照电动势和磁通的关系[见式(1-5)]可以看出，当频率恒定时，电动势er与转子全磁通幅值φrm成正比。由此可见，只要能够按照转子全磁通幅值φrm=恒值得进行控制，就可以获得恒er/ω1了。

1.2.4 基频以上恒压变频控制时的机械特性

在基频fin以上变频调速时，由于电压us=usn不变，式(1-6)的机械特性方程式可写成

(1-18)

而式(1-11)的最大转矩表达式可改写成

(1-19)

同步转速的表达式仍和式(1-8)一样。由此可见，当角频率ω1提高时，同步转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图1-7所示。

图1-7 基频以上恒压变频调速的机械特性

由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速却升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。

最后应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源中含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电动机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。

力矩电机调速器-交流伺服电动机的速度控制原理是什么

力矩电机调速器

交流伺服电动机的速度控制原理是什么

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。我的问题是：伺服电机的转速是依靠改变U/V/W三相电的电压、频率还是别的什么来达到调速的目的的？

随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用全数字式交流伺服电机作为执行电动机。在控制方式上用脉冲串和方向信号实现。

一般伺服都有三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式 。

速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的。位置控制是通过发脉冲来控制的。具体采用什么控制方式要根据客户的要求，满足何种运动功能来选择。

如果您对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。

如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。如果本身要求不是很高，或者，基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。

就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模

式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。

对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。

换一种说法是：

1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如10V对应5Nm的话，当外部模拟量设定为5V时电机轴输出为2.5Nm:如果电机轴负载低于2.5Nm时电机正转，外部负载等于2.5Nm时电机不转，大于2.5Nm时电机反转（通常在有重力负载情况下产生）。可以通过即时的改变模拟量的设定来改变设定的力矩电机调速器大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠绕半径的变化而改变。

2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控制，所以一般应用于定位装置。应用领域如数控机床、印刷机械等等。

3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，此时的电机轴端的编码器只检

测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加了整个系统的定位精度。

现在主要是调节频率来达到的，现在为了调速，最有效的方法就是变频，这也是普遍采用的技术了，所以，一般要接变频器来调速。

以前是通过调压来达到的。

两种都可以，但现在多采用变频

交流进给伺服电机的速度控制系统

(1).系统的组成：速度环、电流环、SPWM电路、功放电路、检测反馈电路

(2) SPWM电路原理

SPWM的控制方法：

⑴模拟控制：是一种原始的控制方法；

⑵数字控制

①微机存储事先算好的SPWM数据表格，由指令调出，或通过软件实时生成。

②专用集成芯片

③单片机微处理器直接带有SPWM信号产生功能，并有其输出端口，如8098、8XC196MC。

SPWM变压变频调速的优点：

1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；

2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；

3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响

4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形。

近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的改进及功率半导体器件价格的降低，变频调速越来越被工业上所采用。如何选择性能好的变频其应用到工业控制中，是我们专业技术人员共同追求的目标。下面结合作者的实际经验谈谈变频器的工作原理和控制方式：

1 变频器的工作原理

我们知道，交流电动机的同步转速表达式位：

n＝60 f(1－s)/p (1)

式中 n———异步电动机的转速；

f———异步电动机的频率；

s———电动机转差率；

p———电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

2变频器控制方式

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。其控制方式经历了以下四代。

2.1U/f=C的正弦脉宽调制（SPWM）控制方式

其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。

2.2电压空间矢量（SVPWM）控制方式

它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以

系统性能没有得到根本改善。

2.3矢量控制（VC）方式

矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流Ia、Ib、Ic、通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1（Im1相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

2.4直接转矩控制（DTC）方式

1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。

直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

2.5矩阵式交—交控制方式

VVVF变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交—直—交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交—交变频应运而生。由于矩阵式交—交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。具体方法是：

——控制定子磁链引入定子磁链观测器，实现无速度传感器方式；

——自动识别（ID）依靠精确的电机数学模型，对电机参数自动识别；

——算出实际值对应定子阻抗、互感、磁饱和因素、惯量等算出实际的转矩、定子磁链、转子速度进行实时控制；

——实现Band—Band控制按磁链和转矩的Band—Band控制产生PWM信号，对逆变器开关状态进行控制。

矩阵式交—交变频具有快速的转矩响应（<2ms），很高的速度精度（±2％，无PG反馈），高转矩精度（<＋3％）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括0速度时），可输出150％～200％转矩。直流无刷电机为通用型电动机，适用于驱动各种机械设备，如：金属切削机床、风机、水泵、农业机械、运输机械等。特别适用于耗电量大、要求启动力矩大、运行过程中负载变化大的行业。如：油田机采系统抽油机上;节电效果明显,是目前油田抽油机异步驱动电机的最佳更新换代节能产品。

技术特点

● 全面替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；

● 可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；

● 具有传统直流电机的所有优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

● 转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转达矩大，启动电流小；

● 无级调速，调速范围广，过载能力强；

● 体积小、重量轻、出力大、转子惯量小，易于控制；

● 软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；

● 效率高，电机本身没有励磁和碳刷损耗，消除了多级减速损耗，自然平均功率因数由0.5左右提高到0.95以上，综合节电率可达20%~60%，仅节电一项一年收回购置成本；

三相异步电机变频调速的工作原理

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

变频器选型：

变频器选型时要确定以下几点：

1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。

2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

3) 变频器与负载的匹配问题；

I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

III.转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

5) 变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

6) 对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

变频器控制原理图设计：

1) 首先确认变频器的安装环境；

I.工作温度。变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

II. 环境温度。温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。

III.腐蚀性气体。使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。

IV. 振动和冲击。装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

V. 电磁波干扰。变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。

2) 变频器和电机的距离确定电缆和布线方法；

I.变频器和电机的距离应该尽量的短。这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。

II. 控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

III.电机电缆应于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。

IV. 与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。

3) 变频器控制原理图；

I.主回路：电抗器的作用是防止变频器产生的高次谐波通过电源的输入回路返回到电网从而影响其他的受电设备，需要根据变频器的容量大小来决定是否需要加电抗器；滤波器是安装在变频器的输出端，减少变频器输出的高次谐波，当变频器到电机的距离较远时，应该安装滤波器。虽然变频器本身有各种保护功能，但缺相保护却并不完美，断路器在主回路中起到过载，缺相等保护，选型时可按照变频器的容量进行选择。可以用变频器本身的过载保护代替热继电器。

II. 控制回路：具有工频变频的手动切换，以便在变频出现故障时可以手动切工频运行，因输出端不能加电压，固工频和变频要有互锁。

4) 变频器的接地；

变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。

变频器控制柜设计：

变频器应该安装在控制柜内部，控制柜在设计时要注意以下问题

1) 散热问题：变频器的发热是由内部的损耗产生的。在变频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热我们通常采用风扇散热；变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行；大功率的变频器还需要在控制柜上加风扇，控制柜的风道要设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积；根据变频器说明书的通风量来选择匹配的风扇，风扇安装要注意防震问题。

2) 电磁干扰问题：

I.变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，而且会产生高次谐波，这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络，从而影响其他仪表。如果变频器的功率很大占整个系统25%以上，需要考虑控制电源的抗干扰措施。

II.当系统中有高频冲击负载如电焊机、电镀电源时，变频器本身会因为干扰而出现保护，则考虑整个系统的电源质量问题。

3) 防护问题需要注意以下几点：

I.防水防结露：如果变频器放在现场，需要注意变频器柜上方不的有管道法兰或其他漏点，在变频器附近不能有喷溅水流，总之现场柜体防护等级要在IP43以上。

II. 防尘：所有进风口要设置防尘网阻隔絮状杂物进入，防尘网应该设计为可拆卸式，以方便清理，维护。防尘网的网格根据现场的具体情况确定，防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。

III.防腐蚀性气体：在化工行业这种情况比较多见，此时可以将变频柜放在控制室中。

变频器接线规范：

信号线与动力线必须分开走线：使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在30cm以上。即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m。

信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部：连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰；同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开。

1) 模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。

2) 为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。

变频器的运行和相关参数的设置：

变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。

控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式。采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。

最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。

载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。

电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。

常见故障分析：

1) 过流故障：过流故障可分为加速、减速、恒速过电流。其可能是由于变频器的加减速时间太短、负载发生突变、负荷分配不均，输出短路等原因引起的。这时一般可通过延长加减速时间、减少负荷的突变、外加能耗制动元件、进行负荷分配设计、对线路进行检查。如果断开负载变频器还是过流故障，说明变频器逆变电路已环，需要更换变频器。

2) 过载故障：过载故障包括变频过载和电机过载。其可能是加速时间太短，电网电压太低、负载过重等原因引起的。一般可通过延长加速时间、延长制动时间、检查电网电压等。负载过重，所选的电机和变频器不能拖动该负载，也可能是由于机械润滑不好引起。如前者则必须更换大功率的电机和变频器；如后者则要对生产机械进行检修。

3) 欠压：说明变频器电源输入部分有问题，需检查后才可以运行。

电机转速和扭矩（转矩）计算公式

1kg=9.8N 1千克的物体受到地球的吸引力是9.8牛顿 。

9.8N·m 推力点垂直作用在离磨盘中心1米的位置上的力为了9.8N。

转速公式：n＝60f/P

(n＝转速，f＝电源频率，P＝磁极对数)

扭矩公式：T=9550P/n

T是扭矩，单位N·m

P是输出功率，单位KW

n是电机转速，单位r/min

扭矩公式：T=973P/n

T是扭矩，单位Kg·m

P是输出功率，单位KW

n是电机转速，单位r/min

三相电与单相电的负载电流计算

对于单相电路而言，电机功率的计算公式是：P=IUcosφ，

相电流I=P/Ucosφ；

式中：

I为相电流，它等于线电流

P为电机功率

U为相电压，一般是220V

cosφ是电机功率因素，一般取0.75

对于三相平衡电路而言，三相电机功率的计算公式是：

P=1.732IUcosφ。

由三相电机功率公式可推出线电流公式：I=P/1.732Ucosφ

式中：

P为电机功率

U为线电压，一般是380V

cosφ是电机功率因素，一般取0.75