第11章PCL、變頻器與交流伺服技術11.1

PLC控制技術11.2交流電動機的變頻調速技術11.3交流伺服技術本章小結

11.1PLC控制技術

11.1.1可編程控制器概述

可編程邏輯控制器簡稱PLC，的引入避免了繼電器控制系統的下列缺點：

（1）硬接線電路的故障率高。

（2）電器觸頭的使用壽命有限。

（3）診斷、排除故障的速度慢。

（4）以硬接線實現控制邏輯，當控制邏輯需要修改時難于改動接線。

PLC產品以軟件控制取代了常規電氣控制系統中的硬件控制，具有功能強、可靠性高、配置靈活、使用方便、體積小、重量輕等優點，目前已在工業生產的各個領域獲得廣泛使用，成為工業控制的支柱產品。

國際電工委員會（IEC）對可編程控制器的定義是：可編程邏輯控制器是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計，它采用了可編程序的存儲器，用來在

其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計算和算術運算等操作的指令，并通過數字式和模擬式的輸入和輸出，控制各類機械的生產過程。（1） 高可靠性與高抗干擾能力。PLC產品是專為工業控制環境設計的，機內采取了一系列抗干擾措施，其平均無故障時間可高達4~5萬小時，遠遠超過采用硬接線的繼電-接觸器控制系統，也遠遠高于一般的計算機控制系統。如在軟件設計上采用了循環掃描、集中采樣、集中輸出的工作方式，設置了多種實時監控、自診斷、自保護、自恢復程序；在硬件設計上采用了屏蔽、隔離、濾波、聯鎖等抗干擾電路結構，并實現了整體結構的模塊化。PLC適用于惡劣的工業環境，這是PLC優于普通微機控制系統的首要特點。（2） 通用、靈活、方便。PLC作為專用微機控制系統產品，采用了標準化的通用模塊結構，其I/O電路又采用了足夠的抗干擾設計，既可以使用模擬量，也可以使用開關量，現場信號可以直接接入，用戶不需要進行硬件的二次開發，控制規模又可以根據控制對象的信號數量與所需功能進行靈活方便的模塊組合，具有接線簡單，使用、維護十分方便的優點。（3） 編程簡單，易于掌握。這是PLC產品優于普通微機控制系統的另一個特點。可編程控制器的程序編寫一般不需要高級語言，其通常使用的梯形圖語言類似于繼電器控制原理圖，即使未掌握專門計算機知識的現場工程技術人員也可以很快熟悉和使用，這種面向問題和控制過程的編程語言，直觀、清晰、修改方便且易于掌握。當然，不同機型PLC在編程語言上是多樣化的，但同一檔次不同機型的控制功能可以十分方便地相互轉換。（4）開發周期短。設計一套常規繼電器控制系統需順序進行電路設計、安裝接線、邏輯調試三個步驟，只有進行完前一步才能進入下一步，開發周期長，線路修改困難，工程越大這一缺點就越明顯。而使用PLC完成一套電氣控制系統，只要電氣總體設計完成，I/O點分配完畢，則軟件設計模擬調試與硬件設計施工就可以同時分別進行。在軟件調試方面，控制程序可以反復修改；在硬件施工方面，安裝接線只涉及輸入和輸出裝置，不涉及復雜的繼電器控制線路，硬件投資較少，故障率低。（5） 功能強、體積小、重量輕。由于PLC產品是以微型計算機為核心的，所以具有許多計算機控制系統的優

點。以日本三菱公司的FX2N-32MR小型可編程控制器為例，該PLC的外型尺寸是87mm×40mm×90mm，重量是0.65kg，內部包含各類繼電器3228個，狀態寄存器1000個，定時器256個，計數器241個，數據寄存器8122個，耗電量為150W，其應用指令包括程序控制、傳送比較、四則邏輯運算、移位、數據（包括模擬量）處理等多種功能，指令執行時間為每步小于0.1μs，無論在體積、重量上，還是執行速度、控制功能上，都是常規繼電器控制系統所無法相比的。

PLC產品按I/O點數和存儲容量可分為小型、中型和大型PLC三個等級。小型PLC的I/O點數在256點以下，存儲容量為2k步，具有邏輯控制、定時、計數等功能，目前的小型PLC產品也具有算術運算、數據通信和模擬量處理功能。中型PLC的I/O點數在256~2048點之間，存儲容量為2~8k步，具有邏輯運算、算術運算、數據傳送、中斷、數據通信、模擬量處理等功能，用于多種開關量、多通道模擬量或數字量與模擬量混合控制的復雜控制系統。大型PLC的I/O點數在2048點以上，存儲容量達8k步以上，具有邏輯運算、算術運算、模擬量處理、聯網通信、監視記錄、打印等功能，有中斷、智能控制、遠程控制能力，可完成大規模的過程控制，也可構成分布式控制網絡完成整個工廠的網絡化自動控制。11.1.2PLC的基本組成與功能

PLC實質上是一種為工業控制而設計的專用微機控制系統，因此其硬件結構與微型計算機控制系統相似，但輸入、輸出電路要求具有更強的抗干擾能力。一套可編程控制器在硬件上由基本單元（主機）、I/O擴展單元及外圍設備組成，通過各自的端口連成一個整體。圖11-1為PLC的硬件結構圖。圖11-1PLC的硬件結構圖

1．PLC基本單元

CPU的功能是：

（1）接收編程器、PC機或其他外圍設備輸入的用戶程序、數據等信息。

（2）掃描接收現場輸入信號，并存入指定內部繼電器或寄存器。

（3）讀取、解釋用戶程序，執行用戶控制程序，獲得正確的邏輯運算或算術運算結果。

（4）更新有關的內部繼電器或寄存器，并將運算結果傳送至輸出電路，以實現對現場設備的準確動作控制。

（5）如需輸出打印或狀態監控，還需將有關信息傳送至外圍設備。存儲器的功能是：

（1）系統存儲器（ROM區）用于儲存PLC產品生產廠編寫的各種系統工作程序，用戶不能更改或調用。

（2）用戶存儲器（RAM區）用來儲存用戶編寫的控制程序和用戶數據，該區域用戶可讀可寫，可隨意增加或刪減。在PLC中一般采用鋰電池對用戶程序進行掉電保護（一般能保持5~10年，經常帶負載可保存2~5年）。

I/O接口電路的功能是：

（1）輸入接口電路：輸入接口電路的作用是將來自現場設備的輸入信號，通過電平變換、速度匹配、信號隔離和功率放大，轉換成可供CPU處理的標準電平信號。圖11-2為PLC產品中常見的一種直流24V傳感器輸入電路。如輸入器件為按鈕、開關類無源器件，+24V端子仍需接24V電源，但輸入按鈕或開關則可直接連在輸入端子和COM端之間，電路更為簡單。只要程序運行，PLC內部就可以識別輸入端子和COM之間的通或斷。圖11-2直流24V輸入電路（2）輸出接口電路：輸出接口電路的作用是將CPU的程序運行結果，經過電平轉換、隔離和功率放大，轉換成能帶一定負載的具體的輸出狀態。基本單元上的輸出信號一般為開關量，輸出接口電路分為繼電器輸出型、晶體管輸出型和晶閘管輸出型三種，如圖11-3所示。圖11-3PLC的輸出電路

2．PLC的擴展單元

每個系列的PLC產品都有一系列與基本單元相匹配的擴展單元，以便根據所控制對象的控制規模大小去靈活組成電氣控制系統。擴展單元內部不配備CPU和存儲器，僅擴展輸入輸出電路，各擴展單元的輸入信息經擴展連接電纜進入主機總線，由主機的CPU統一處理，執行程序后，需要輸出的信息也由擴展連接電纜送至各擴展單元的輸出電路。PLC處

理模擬量輸入輸出信號時，要使用模擬量擴展單元，這時的輸入接口電路為A/D轉換電路，輸出接口電路為D/A轉換電路。

3．PLC的外圍設備

PLC的編程器主要由鍵盤、顯示屏、工作方式選擇開關和外存儲器接口等部件組成。按功能可分為簡易型和智能型

兩大類。以三菱FX2N系列PLC為例，它可以使用手持式簡易編程器FX2N-20P-E-SETO編程，也可以使用更高級的智能型圖形編程器GP-80FX-E來編程，后者的功能更強，但價格更高。由于PLC產品一般在程序調試或需要監控時才插上編程器，當電氣控制系統正常運行時不必使用編程器，所以目前對PLC編程許多場合采用了個人電腦（裝載專用編程軟件）

加PC-PLC專用連接電纜，不使用專用編程器的編程方法，即用計算機鍵盤通過屏幕對話完成圖形編程、圖形顯示、通信聯網、修改調試、輸出打印等任務。目前各PLC公司均開

發有相應的編程軟件，另外，利用個人電腦還可以運行更多的工業控制軟件。圖11-4為三菱FX2N小型PLC產品主機及擴展單元示意

圖。圖中FX2N-32MR為基本單元，帶有32個I/O點（16入16出），M表示主機，R表示該單元為繼電器輸出型；FX2N-32ER為32點開關量擴展單元，E表示該單元為擴展單元；FX2N-2AD為兩路模擬量輸入擴展單元；FX2N-2DA為兩路模擬量輸出擴展單元。PLC產品的擴展單元種類很多，擴展單元的功能及與主機的配合細節可查閱有關手冊。圖11-4三菱FX2N小型PLC產品示意圖11.1.3PLC的性能規格與內部資源

1．PLC的性能規格

FX2N系列PLC的性能規格如表11-1所示。表11-1FX2N系列PLC的性能規格

2．PLC的內部資源

(1)輸入觸點X。FX2N的基本單元中的輸入點按照X000～X007，X010～X017…，這樣的八進制格式進行編號。擴展單元的輸入點則接著基本單元的輸入點順序進行編號。來自現場設備的外部輸入信號與硬件上的輸入點一一對應，被PLC掃描讀入后，存入輸入映象寄存器，表現為程序可多次調用的輸入觸點狀態。輸入觸點X的基本功能是讀取外部

輸入信號的狀態。

(2)輸出繼電器Y。FX2N的基本單元中的輸出點按照Y000～Y007，X010～X017，…這樣的八進制格式進行編號。擴展單元的輸出點也接著基本單元的輸出點順序進行編號。PLC運行時，要接受各路X的輸入狀態，運行控制程序，然后將運行結果傳送至輸出繼電器Y進行輸出，因此，所有輸出繼電器都對應一個硬件上的輸出信號，用來驅動PLC的各路負載。輸出繼電器Y的基本功能是可以在用戶程序的控制下改變負載的狀態。

(3)內部繼電器M。在可編程控制器內部可多次使用但不能輸出的繼電器叫做內部繼電器或輔助繼電器。內部繼電器與輸出繼電器的不同點是它只在程序中使用，既不能直

接讀取外部輸入狀態，也不能直接驅動外部負載。內部繼電器M在程序中的作用相當于繼電器控制系統中的中間繼電器，其功能是在程序中用于中間狀態暫存、移位、輔助運算或賦予特別用途。PLC的內部繼電器分普通型、掉電保持型和賦予特殊用途型三類。普通型繼電器在斷電或停止運行時線圈將失電，機內不記憶停電瞬間的狀態，再通電時從失電狀態開始執行程序。FX2N系列PLC中普通型內部繼電器按十進制編號，從M0～M499共500個。

掉電保持型繼電器在斷電或停止運行時，機內（用鋰電池）記憶停電瞬間的狀態，再通電時恢復停電瞬間的狀態，從此時狀態開始執行程序。FX2N系列PLC中掉電保持型內部繼電器按十進制編號，從M500～M1023共524個。賦予特殊用途的內部繼電器有兩類，第一類信號由PLC的系統程序自動產生，用戶編程時可調用其觸點。如特殊繼電器M8000的功能是在程序RUN時保持ON狀態；M8002的功能是在程序RUN的第一個周期產生一個脈沖寬度為一個掃描周期（即一個程序執行周期）的脈沖輸出，供用戶初始化使用；M8011～M8014的功能是提供10ms、100ms、1s、

1min的周期性脈沖輸出等。第二類信號由PLC的用戶程序驅動，用戶編程時可置位其線圈。如程序置位M8033，則程序停止運行時輸出會保持，如程序置位M8034，則PLC的輸

出全被禁止。（4）狀態寄存器S。狀態寄存器是用于步進順序控制時表達工序號的繼電器。FX2N系列PLC中狀態寄存器S按十進制編號，從S0～999共1000點，其中S0～S9供初始狀態使用，S10～S19供返回原點使用，S20～S499為普通型，S500～S899為斷電保持型，S900～S999供報警使用。狀態寄存器不作工序號使用時，可作為內部繼電器使用。

(5)定時器T。定時器是將可編程控制器內的1ms、10ms、100ms等時鐘脈沖進行加法計數，當它達到規定的設定值時，其輸出點就工作。定時器利用內部時鐘脈沖的可測量

范圍為0．001～3276．7s。FX2N系列PLC中的定時器按十進制編號，從T0～T255共256個，其中T0～T199是100ms普通定時器，當定時線圈的驅動輸入變為OFF時，當前值不保持，線圈再得電時計數從零開始。

(6)計數器C。計數器的計數方式分為向上計數和向下計數。向上計數是在線圈得電時從零開始對被計脈沖計數，計到預置值時觸點動作；向下計數則是在線圈得電時從預置

值開始計數，計到零時觸點動作。FX2N系列PLC中的計數器按十進制編號，從C0～C255共256個，其中C0～C99是16位向上計數的普通計數器，當計數線圈的驅動輸入變為OFF

時，當前值不保持，線圈再得電時計數從頭開始。

C100～C199是16位向上計數的斷電保持型計數器，當計數線圈的驅動輸入為OFF時，當前值將被保持，線圈再得電時計數從原計數值開始，16位向上計數的范圍為1～3276732。C200～C219是32位可逆計數的普通計數器；C200～C234是32位可逆計數的斷電保持型計數器；32位可逆計數的范圍為

-2147483648～+2147483648。這些計數器是供可編程控制器的內部信號用的，其應答速度通常為數十赫茲以下。

(7)數據寄存器D、V、Z。數據寄存器是存儲數值數據的元件。FX2N系列PLC中的數據寄存器全是16位的（最高位為正負位），用兩個寄存器組合就可以處理32位（最高位

為正負位）數值，數值范圍可參考“計數器”的相關說明。D寄存器按十進制編號，從D0～D8195共8196個，其中D0～D199是通用數據寄存器，D200～D511是斷電保持的數據寄存器，D512～D7999是斷電保持的專用數據寄存器，D8000～D8195是已被系統程序賦予了特殊用途的數據寄存器。數據寄存器之中還有稱為尋址用的V、Z寄存器，范圍從V0～V7，Z0～Z7，共16點。

(8)常數與指針。PLC程序中使用常數數值時，K表示十進制整數值，H表示十六進制數值。

PLC程序中指針有分支用和中斷用的兩種。分支指針P用于指定條件跳轉，或子程序調入地址。中斷指針I用于指定輸入中斷、定時中斷、計數中斷的中斷子程序。11.1.4PLC的基本指令編程法

PLC在運行狀態下采用周期循環掃描方式執行用戶程序。一個用戶程序的掃描周期由三個階段構成：

（1）輸入采樣階段。本階段檢測每個輸入觸點的狀態（通為“1”，斷為“0”），然后順序存入輸入映象寄存器。（2）程序執行階段。對用戶梯形圖程序按先左后右、從上到下的順序，逐句執行指令。包括從輸入映象寄存器和各種內部寄存器中讀取狀態和數據，完成程序要求的運算和把結果寫入有關內部寄存器或輸出繼電器。

（3）輸出刷新階段。將輸出繼電器狀態輸出至輸出鎖存器，經隔離、功放、輸出端子去驅動負載。

1．輸入觸點X的編程

工業控制系統輸入電路中的選擇開關、按鈕、限位開關等在梯形圖中以輸入觸點表示，在編程時輸入觸點X可由常開

和常閉兩種指令來編程，但梯形圖中的常開或常閉指令與外電路中X實際接常開還是常閉觸點并無對應關系，無論外電路使用什么樣的按鈕、旋鈕、限位開關，無論使用的是這些開關的常開或常閉點，當PLC處于RUN方式時，掃描輸入只遵循如下規則：

(1）梯形圖中的常開觸點X，與外電路中X的通斷邏輯相一致。如外接線中X5是導通的（無論其外部物理連接于常開還是常閉點），程序中的X5即處理為閉合(ON)，反之，如外部X5連線斷開，則程序中的X5就處理為斷開（OFF）。

(2）梯形圖中的常閉觸點X，與外電路中X的通斷邏輯相反。如外接線中X5是導通的（無論其外部物理連接于常開還是常閉點），程序中的X5處理為斷開（OFF），反之，如外部X5連線斷開，則程序中的X5就處理為閉合（ON）。梯形圖中幾個觸點串聯表示“與”操作，幾個觸點并聯表示“或”操作。

按上述規則，將PLC應用于電機的啟動停車控制，外部按圖11-5接線，則采用圖11-6所示梯形圖即可實現按鈕X0啟動，輸出Y0得電并自鎖，按鈕X1停車的控制邏輯。用一

個接觸器KM控制電動機的主電路見第10章。圖11-5PLC控制的啟動停車電路接線圖圖11-6啟動停車梯形圖

2．輸出繼電器Y和內部繼電器M的編程

繼電器具有邏輯線圈及可以多次調用的常開觸點、常閉觸點。輸出繼電器和普通內部繼電器的簡單程序如圖11-7

所示。

PC進入RUN方式時，輸出線圈Y0通電，0#輸出信號

燈亮。圖11-7繼電器簡單程序當接通輸入觸點X10后，內部線圈M100通電，M100的常閉觸點斷開，常開觸點導通，因此輸出端Y0失電，0#燈熄滅間，Y1得電，1#燈亮。

掉電保持型繼電器M510的簡單程序如圖11-8所示。圖11-8掉電保持型繼電器簡單程序使輸出端子X11接通一下，梯形圖中X11的常開點即閉合，內部線圈M100通電，常開觸點M100通電閉合，對線圈M100起自保作用，另一個閉合的M100觸點則接通輸出線

圈Y1，使1#輸出燈亮。同時，M510起類似M100的作用，使7#輸出燈亮，這兩者的差別在于如果將PC置于HALT（暫停）狀態，仍然再返回RUN方式，或者使PC斷電后再復電，那么1#燈不會亮（因為輸入端X11沒有接通），但7#燈仍然亮，這就表明了線圈M510的鎖存作用。

3．定時器T的編程

以100ms普通定時器為例，圖11-9(a)為T0定時器的簡單程序，圖11-9(b)為執行該程序的時序圖。圖11-9普通定時器的簡單程序(a)定時器梯形圖(b）定時器時序圖初始狀態時，線圈Y0、T0均不通電，0#輸出信號燈滅。X0閉合時，定時器T0的線圈通電，并開始記時，K123表示計數值為常數123，定時時間為100ms×123=12.3s，當T0線圈通電夠12.3s后，定時器動作，其常開觸點T0閉合，使Y0輸出燈亮，從啟動定時器開始到定時器觸點動作，其間延遲時間由程序確定。

4.計數器C的編程

以16位向上計數的普通計數器C0為例。圖11-10(a)為C0定時器的梯形圖，11-10(b)為執行該程序的時序圖。圖11-10普通計數器的簡單程序(a)計數器梯形圖;(b）計數器時序圖圖11-10中，X1為計數脈沖輸入端子，計數線圈C0的計數值為常數5；X0為計數復位輸入端子，當X0為ON時，計數線圈C0不允許計數且計數值被清零，只有當X0為OFF時，計數線圈C0才對X0的輸入脈沖進行加1計數。在允許計數期間，如計數線圈C0計數夠5個，則C0動作，常開觸點閉合，Y0得電。C0計滿動作后如出現X0變為ON，則C0的觸點、線圈均清零復位。

5.上升或下降沿檢測的編程

上升沿或下降沿檢測指令用來將輸入信號的上升或下降沿檢出并通過線圈輸出一個掃描周期的電信號。圖11-11(a)為上升、下降沿檢出的梯形圖，11-11(b)為執行該程序的時序圖。圖11-11上升、下降沿檢出的簡單程序(a)梯形圖;(b)時序圖程序中，X0為外部信號輸入端子，PLS表示取上升沿，X0信號由OFF變ON時，內部繼電器M0得電一個掃描周期；X1為另一路外部信號輸入端子，PLF表示取下降沿，

X1信號由ON變OFF時，內部繼電器M1得電一個掃描周期；程序中M0與M1兩個觸點的任務分別是將內部繼電器M50置位與復位；END為程序結束符，用于所有主程序的結束。11.1.5FX系列PLC應用舉例

1．電動機的Y－△啟動電路

圖11-12(a）為電動機主電路，接觸器KM1、KM2同時接通時，電動機工作在星形啟動狀態，而當接觸器KM2、KM3同時接通時，電動機就轉入三角形接法的正常工作狀態。圖11-12電動機Y—△啟動電路(a)主電路;(b)控制電路電動機的Y－△啟動電路梯形圖如圖11-13(a)所示。定時器T1確定啟動時間，其預置值（TS）應與電機相匹配。當電動機繞組由星形切換到三角形時，在繼電器控制電路中

是利用常閉點斷開在先，而常開點的閉合在后，這種機械動作的延時，保證KM1完全斷開后，KM3再接通，從而達到防短路的目的。圖11-13Y－△啟動梯形圖和時序圖(a)梯形圖;(b）時序圖

2．電動機的正反轉控制

異步電動機由正轉到反轉，或由反轉到正轉切換時，使用兩個接觸器KM1、KM2去切換三相電源中的任何兩相即可，在設計控制電路時，必須防止由于電源換相引起的短路

事故。例如，由正向運轉切換到反向運轉，當發出使KM1斷電的指令時，斷開的主回路觸點由于短時間內產生電弧，這個觸點仍處于接通狀態，如果這時立即使KM2通電，KM2觸點閉合，就會造成電源故障，必須在完全沒有電弧時再使KM2接通。

PLC控制電路與機械動作的繼電器控制電路不同，在其內部處理中，觸點的切換幾乎沒有時間延時，因此必須采用防止電源短路的方法，例如使用定時器來設計切換的時間滯后。圖11-14（a）為PLC控制的電動機可逆運行外部電路，（b）為相應的梯形圖。X1、X2接正、反轉控制按鈕，是常開型；X3接停止按鈕，是常閉型。梯形圖中M101、M102為內部繼電器，T1、T2為定時器分別設置對正轉指令和反轉指令的延遲時間。圖11-14電動機正反轉接線圖與梯形圖（a）接線圖;（b）梯形圖

3.加熱反應爐自動控制系統

圖11-15為加熱反應爐結構示意圖。圖11-15加熱反應爐結構圖第一階段：進料控制。

（1）檢測下液面X1、爐溫X2、爐內壓力X4，確定它們是否都小于給定值（均為邏輯0），即PLC輸入點X1、X2、X4是否都處于斷開狀態。

（2）若是，則開啟排氣閥Y1和進料閥Y2。

（3）當液面上升到位，使X3閉合時，關閉排氣閥Y1和進料閥Y2。

（4）延時20s，開啟氮氣閥Y3，使氮氣進入爐內，提高爐內壓力。

(5）當壓力上升到給定值(X4=1)時，關斷氮氣閥Y3，進料過程結束。第二階段：加熱反應控制。

(1)此時溫度肯定低于要求值（X2=0），應接通加熱爐電源Y5。

(2)當溫度達到要求值(X2=1)后，切斷加熱電源。

(3)加溫到要求值后，維持保溫10min，在此時間內爐溫實現通斷控制，保持X2=1。第三階段：泄放控制。

(1)保溫夠10min時，打開排氣閥Y2，使爐內壓力逐漸降到起始值(X4=0)。

(2)保持排氣閥打開，并打開泄料閥Y4，當爐內液面下降到下液面以下（X1=0）時，關閉泄放閥Y4和排氣閥Y2，系統恢復到原始狀態，重新進入下一循環。

根據上述工藝規律，設計PLC梯形圖，如圖11-16所示。圖11-16反應爐控制梯形圖11.2交流電動機的變頻調速技術

11.2.1變頻調速的控制方式與機械特性

由第7章知道，異步電動機的同步轉速表達式為因此，只要平滑地調節異步電動機的定子供電頻率f1，就可以平滑調節異步電動機的同步轉速n1。由于轉子是跟隨旋轉磁場的同步速旋轉的，轉子轉速為n=n1(1－s)，所以變頻能通過同步轉速的改變實現異步電動機的無級調速。

從表面看來，似乎只要改變定子電壓的頻率f1就可以調節轉速大小了，但是事實上,只改變f1并不能正常調速。參考異步電動機的電壓方程假設現在只改變f1進行調速，設供電頻率f1上下調節，而供電電壓U1不變，因K1N1為常數，則異步電動機的主磁通Φm必將改變：如f1向上調，則Φm會下降，這帶來的問題是拖動轉矩T下降，因為T=CTΦmI2cosφ2，電動機的拖動能力會降低，對恒轉矩負載會因拖不動而堵轉；如f1向下調，則Φm會增強，這會帶來更大的危險，因為電機鐵磁材料的磁化曲線不是直線而具有飽和特性，設計電機時為了建立更強的磁場，其工頻下的工作點已經接近磁飽和，如再增強磁場勢必引起勵磁電流（體現在定子電流上）急劇升高，最終燒壞電機。由上可知，只改變頻率f1實際上并不能正常調速。在許多場合，要求在調節定子供電頻率f1的同時，調節定子供電電壓U1的大小，通過U1和f1的不同配合來實現安全的調頻調速。

1．保持U1/f1=常數的近似恒磁通控制方式

由于Φm∝E1/f1≈U1/f1，故調節三相異步電動機的供電頻率f1時，比例調節供電電壓U1的大小，可以近似實現Φm為常數。以星形接法的電機為例，變頻調速時，如供電50Hz對應220V相電壓（一般為額定點），則25Hz需提供110V相電壓，10Hz需提供44V相電壓。在機械特性上，保持U1/f1=常數的近似恒磁通控制方式的機械特性曲線族體現為近似恒轉矩性質，如圖11-17所示。

由機械特性曲線可以看出，U1/f1=常數調速方式在低頻低速運行時拖動力矩不足，顯然，U1/f1=常數的調速方式并不是真正的恒磁通調速，出現這個問題的主要原因在于電動機的主磁通Φm與E1/f1成正比。圖11-17保持U1/f1=常數控制方式的機械特性

2．保持E1/f1＝常數的嚴格恒磁通控制方式

在三相異步電動機中，E1不是一個可以直接測量和控制的物理量，所以，變頻調速所能做的仍然是通過控制供電電壓U1來間接控制反電勢E1。在通用變頻器產品中，通常

采用的措施是低頻段電壓補償法，使U1與f1滿足圖11-18的配合關系。圖中U1n和f1n分別為電動機的額定電壓和額定頻率。圖11-18實現嚴格恒磁通的U1與f1配合關系利用圖11-18實現嚴格恒磁通的基本思路是以近似恒磁通控制方式為基礎，在U1/f1等于常數的基礎上增加一定的供電電壓U1，以補償定子內阻壓降對反電勢E1的影響，使E1/f1

=常數。

由于低頻低速運行時內阻壓降較大，故需要加強U1的補償量；而額定工作點附近（50Hz）內阻壓降較大，可以不加補償。嚴格恒磁通控制方式下，變頻調速電動機的機械特性如圖11-19所示，特性曲線族呈現恒轉矩性質。實際補償時，必須根據不同參數的電動機運用不同的補償曲線，才能取得理想的補償效果，補償不足會造成拉力不足，過度補償則會造成啟動時的大電流。圖11-19保持E1/f1＝常數控制方式的機械特性12.2.2變頻器的工作原理

1.變頻器概述

變頻器可分為交—交變頻器與交-直－交變頻器兩大類型，其結構對比如圖11-20所示。圖11-20兩種類型的變頻器(a)交－交變頻器;(b)交-直－交變頻器交－交變頻器沒有明顯的中間濾波環節，電網交流電被直接變成可調頻調壓的交流電，又稱為直接變頻器。而交-直一交變頻器先把電網交流電轉換為直流電，經過中間濾波環節之后，再經過逆變才轉換為變頻變壓的交流電，故稱為間接變頻器。從圖11-20(a)、(b)的對比中可以看出，交－直-交變頻器有一個明顯的中間濾波環節，按照這個中間濾波環節是電容性或是電感性可以將交—直—交變頻器劃分為電壓（源）型或電流（源）型交—直—交變頻器。目前通用變頻器產品最常用的是交—直—交電壓型電路形式，結構如圖11-21所示。該電路首先用二極管整流器接入電網，將交流電變成直流電，整流之后采用電容濾波，獲得平直的直流電壓，再由逆變器將直流能量逆變成可以調頻調壓的新交流電。圖11-21交—直—交電壓型變頻器的結構形式

2.SPWM逆變器的脈寬調制原理

圖11-22是PWM變頻器的主電路示意圖。整流電路采用三相二極管整流橋，相對比較簡單；中間濾波環節的電解電容在實際變頻器中可能只有一個，也可能根據容量或耐壓需要串并聯幾個，圖中的0點僅僅是為了原理分析引入的零電位參考點，并非實際接線點。圖11-22PWM變頻器的主電路示意圖（1）單極性脈寬調制。圖11-23為單極性SPWM調制波形圖，這種調制方式中，U相控制信號為單極性正弦波urU，載波為高頻三角波ut；圖中中間的倒向信號作區分正、負半周的矩形波使用，高電平表示在正半周，低電平表示在負半周；

uUo即為圖11-22中負載U相的交流輸出信號（相對于0點）。變頻器的這種輸出波形是由表11-2所示的單極性的調制規律決定的。圖11-23單極性SPWM調制波形

U相的輸出電壓uUo，主要取決于圖11-22中VT1與VT4兩個功率開關的通斷狀態。按照11-2表中指示的調制規律，控制信號在正半周：在正弦波urU>載波ut的時間段，應設法使VT1閉合、VT4斷開，U對0點來講相當于獲得直流電壓的正一半，為Ud/2；在正弦波urU<載波ut的時間段，應使VT1、VT4都斷開，對0點來講認為U點獲得電壓為零；于是整個正半周的輸出電壓由一系列恒幅、不等寬（寬度受urU控制的正弦規律窄-寬-窄變化）的脈沖波列組成。而當控制信號在負半周：在正弦波urU>載波ut的時間段，控制使VT4閉合、VT1斷開，U對0點來講又相當于獲得直流電壓的負一半，為－Ud/2；在正弦波urU<載波ut的時間段，使VT1、VT4都斷開，對0點來講也認為U點獲得電壓為零；

于是整個負半周的輸出電壓也由一系列恒幅、不等寬（寬度受urU控制的正弦規律窄-寬-窄變化）的負脈沖波列組成。（2）雙極性脈寬調制。

圖11-24為雙極性SPWM調制波形圖，這種調制方式中，U相、V相、W相控制信號均為互差120°的普通正弦波urU、urV、urW，載波為雙極性高頻三角波ut，三相雙極性控制信號本身有正負，不需要倒向信號來區分正負；圖中的uUo、uVo、uWo即為負載U相、V相、W相的交流輸出信號（相對于0點）。以U相為例，雙極性SPWM的調制規律為：不分正負半周，在正弦波urU>載波ut的時間段，使VT1閉合、VT4斷開，Ｕ對0點來講相當于獲得直流電壓的正一半，為Ud/2；在正弦波urU<載波ut的時間段，使VT1斷開、VT4閉合，對0

點來講認為Ｕ點獲得電壓直流電壓的負一半，為－Ud/2；由圖11-24可知，采用雙極性SPWM控制的輸出交流電uUo盡管在正半周會出現－Ud/2，負半周又會出現Ud/2，但脈沖寬度仍基本上呈正弦分布。圖11-24雙極性SPWM調制波形雙極性脈沖寬度調制方式控制的逆變器，其調壓調頻方式與單極性相同。如要改變輸出交流電壓uUo的大小，需要調節弱電控制電壓urU的幅值，而對輸出交流電壓uUo的變頻則要靠改變控制波urU的頻率來實現。在實際的變頻器控制中，各控制波信號及載波信號的產生及VT1～VT6功率開關的開關點實時控制均由微機程序配合大規模專用集成電路來完成。11.2.3變頻器的內部結構及外圍接線

1.通用變頻器的內部結構

圖11-25為變頻器產品的外形圖，圖11-26為目前常見的通用變頻器內部結構圖。變頻器內部由主電路、給定電路、微機控制系統、隔離驅動電路、保護電路、顯示電路等部分組成。圖11-25變頻器產品外形圖圖11-26通用變頻器的內部結構圖在實際的變頻主電路中，功率開關VT1～VT6并不使用有觸點開關，而是使用各種被稱為現代功率器件的無觸點功率開關，本圖中所示為絕緣柵晶體管，文字符號為IGBT，這種管子的開通和關斷受其柵極電壓的控制，屬于全控型功率器件，目前其耐壓可達到一千多伏，電流達到幾百安，主開關反并聯的二極管為續流二極管，用于上下開關高速切

換時為負載提供電流通路，防止電感性負載電流突變引起高壓造成元件擊穿。給定電路用來選擇變頻器的運行頻率，一般由鍵盤設定，也可以用電位器設定；微機控制系統根據用戶所要求的運行頻率，在內部進行圖11-18所示的恒磁通補償運算，算出與頻率相匹配的電壓數值，產生各相控制電壓、載波電壓，并進行SPWM開關點運算，給主電路的六個功率元件發出弱電的通斷信號。隔離驅動電路的作用是將微機控制系統計算發出的弱電信號加以強弱電隔離，并進行功率放大，送往功率開關VT1～VT6的控制電極。

2.通用變頻器的外圍接線

圖11-27為日本富士公司FRENIC5000P9S400V系列變頻器產品的外圍接線圖。該變頻器有9個強電接線端子及多組弱電接線端子。圖11-27變頻器產品的外圍接線圖強電接線端子中，L1、L2、L3為功率輸入端子，接電網三相交流電；U、V、W為交流輸出端子，接電動機；P1、P之間用來連接功率因數校正電抗器；P、N之間用來連接制動單元。R0、T0為輔助控制電源輸入端，小功率變頻器不設置這兩個端子。

X1、X2、X3—多擋轉速選擇端，使用這三個端子與公用

點之間的不同通斷狀態組合，可以預選設定變頻器的多擋工作速度，如000表示選擇第0擋速度，001表示第1擋速度，…，111表示第7擋速度。X4、X5—多擋升降速強度控制端，這兩點的通斷狀態配合決定變頻器升降速時的強度擋位，如00表示選擇第0擋加減速時間，01表示選擇第1擋加減速時間。

11.3交流伺服技術

11.3.1無刷直流電動機的交流伺服系統

1.永磁式同步電動機

永磁式同步電動機的定子繞組可采用三相或多相繞組，空間上均勻分布，只要通以錯開一定相位的交流電，就能產生旋轉磁場，其轉子磁極由永久磁體構成，當定子通電時，轉子受旋轉磁場的牽引作同步旋轉。永磁式同步電動機的轉子結構更為簡單：轉子直接貼裝永久磁體，形成規律排列的N、S磁極，圖11-28（a）為一個四極的永磁式同步電動機結構示意圖。當旋轉磁場旋轉時，會帶動轉子的對應磁極一起旋轉，當穩定運行時，轉子的轉速與旋轉磁場的同步轉速相同，故為同步電動機。在穩定狀態，轉子與旋轉磁場的空間相對位置穩定，差角θ如圖11-28（b）所示，輕載下θ角較小，滿載時θ角較大。在額定工況下θ角一般在30°左右。圖11-28永磁式同步電動機的內部結構及旋轉示意圖（a）四極永磁式同步電動機的內部結構；（b）轉子與旋轉磁場的相對位置示意圖

2．三相繞組無刷直流伺服電動機

無刷直流伺服電動機的磁極位置傳感器安裝于同步電動機內部，用來檢出轉子磁極的當前旋轉位置，常用傳感器有光電器件、霍爾元件、旋轉編碼器等。電子開關電路的作用是根據位置傳感器檢出的轉子位置信號，運算判斷后決定下一步向定子繞組的哪些相送電，以維持轉子繼續受力轉動。圖11-29為一個三相繞組無刷直流伺服電動機的電機本體示意圖，圖中A-A′、B-B′、C-C′分別為三相定子繞組的首末端；中心的N-S為轉子永久磁極；2/3扇形片為遮光板，

裝于轉子上，隨該N-S極一起轉動；VP1~VP3為三個光電器件，均由光源和感光器組成，不隨轉子和遮光板轉動。這三個光電器件在遮光板轉動時，如果光線不被遮光板擋住（透光），則識別為高電平；如果光線被遮光板擋住（不透光），則識別為低電平，用來檢測轉子的位置。圖11-29三相繞組無刷直流伺服電動機的電機本體示意圖欲使該電機的轉子向逆時針方向旋轉。參考圖11-29(a)的轉子位置，VP1、VP2、VP3三個傳感器中，VP1開始透光，為高電平，VP2、VP3不透光，為低電平。這時可控制定子電路讓A相通電，獲得定子旋轉磁場位置如圖11-29(a）中的N′-S′所示，轉子的受力方向即為逆時針方向。轉子逆時針方向轉過120°，走到圖11-29(b)的轉子位置，三個傳感器中，VP2開始透光，VP1、VP3不透光，為了保證轉子繼續逆向旋轉，應控制定子電路讓B相通電，獲得定子旋轉磁場位置如圖11-29(b)中的N′—S′所示，轉子的受力方向即為逆時針方向。轉子逆時針方向再轉過120°，走到圖11-29(c)的轉子位置，位置傳感器檢出VP3開始透光為高電平，VP1、VP2不透光為低電平，這時控制定子電路讓C相通電，獲得定子

旋轉磁場位置如圖11-29(c)中的N′—S′所示，轉子的受力方向又為逆時針方向。這樣，轉子可以受力逆向轉回到(a）位置，只要定子電路的供電控制模式保證旋轉磁場對轉子磁極產生連續的逆向拉力，轉子就能連續旋轉。圖11-30為三相繞組無刷直流伺服電動機的單相半控橋式電子開關電路示意圖。其電路功能是接受三個轉子位置傳感器的電平信號，將它們送到運算判斷電路及功率開關

驅動電路，控制功率開關VT1、VT2、VT3按特定通電模式去運行，實現電動機的連續運轉。運算判斷電路如控制功率開關改變相序，則可以改變轉子的受力方向。圖11-30三相半控橋式電子開關電路由于三相半控橋式電路每次只通電一只管子，一相繞組供電，定子磁場每周切換3次，產生的力矩小且跳躍大，缺點比較明顯。因此，更常用的電子開關主電路是三相全控橋式電路，與通用變頻器的主電路類似，如圖11-31所示。控制運算電路可采用兩兩或三三通電方式，定子磁場每周切換6次，所產生的力矩較大且脈動跳躍減少。圖11-31三相全控橋式電子開關主電路

3.四相繞組無刷直流伺服電動機

圖11-32為一個四相繞組無刷直流伺服電動機的電機本體示意圖，圖中A-A′、B-B′、C-C′、D-D′分別為四相定子繞組的首末端；中心的N-S為轉子永久磁極；轉子位置檢測器采用兩個霍爾元件H1和H2，固定安裝于定子內側；轉子旋轉中，如有轉子的N極靠近則被霍爾元件識別為高電平，S極靠近則被霍爾元件識別為負電平，如沒有磁極靠近則檢測識別為零電平。圖11-32四相繞組無刷直流伺服電動機的電機本體示意圖欲使該電機的轉子向逆時針方向旋轉。參考圖11-32(a)的轉子位置，H1因N極靠近應識別為高電平，轉子磁極不靠近H2故H2為零電平輸出，這時如運算判斷電路控制定子電路的A相通電，獲得11-32(a）的定子旋轉磁場位置如圖中的N′-S′所示，轉子的受力方向即為逆時針方向。轉子逆時針方向轉過90°，走到圖11-32(b)的轉子位置，H1傳感器將變成零電平，H2則因為S極靠近變成負電平。為了保證轉子繼續逆向旋轉，應控制定子電路讓B相通電，獲得定子旋轉磁場位置如圖11-32(b)中的N′-S′所示，轉子的受力方向為逆時針方向。轉子逆時針方向再轉過90°，走到圖11-32(c)的轉子位置，H1傳感器檢出負電平，H2變成零電平，這時控制定子電路讓C相通電，獲得定子旋轉磁場位置如圖11-32(c）中的N′-S′所示，轉子的受力方向又為逆時針方向。同樣，當轉子到達圖11-32(d)位置時，H1、H2也能識別出來，這時，運算判斷電路應相應控制定子電路的D相通電，獲得圖11-32(d)的定子旋轉磁場N′-S′位置，轉子

將繼續受力轉回圖11-32(a）的初始位置，并連續運轉。

圖11-33為四相繞組無刷直流伺服電動機的單相半控橋式電子開關電路示意圖。當然，本電路也可以設計成四相全控橋式電路，比通用變頻器的主電路還要多用兩只功率開關。圖11-33四相半控橋式電子開關電路

4.無刷直流電動機的交流伺服系統

以西門子810M/T數控系統的進給伺服軸控制為例，圖11-34是進給伺服系統（設為X軸）的結構示意圖。圖11-34西門子810M/T數控系統的進給伺服軸結構圖

X軸控制系統是一個多環控制系統，控制對象是三相繞組無刷直流電動機，其內部裝有轉子位置傳感器，軸上裝有測速發電機及旋轉編碼器，分別用于檢測轉子磁極位置（供

電子開關電路換流使用）、轉子旋轉速度（供伺服驅動器使用）及數字化的轉子當前實際角位移信號（提供給數控主機）；CNC主機從用戶程序中獲得位置命令（程序可從第一操作面板輸入），又從旋轉編碼器獲得當前實際位置反饋信息，通過運算進行位置自動控制。伺服驅動器接受CNC主機的速度命令信號，又從測速發電機獲得當前轉子旋轉速度的反饋信息，通過運算進行速度自動控制；功率開關控制電路只要根據轉子位置傳感器的磁

極位置信息，控制功率開關切換并完成PWM調制，保證定子繞組獲得連續運轉的旋轉磁場，拖動轉子連續穩定地旋轉，即可實現交流伺服驅動。11.3.2正弦波永磁同步電動機的交流伺服系統

1．正弦波永磁同步電動機交流伺服系統的原理

正弦波永磁同步電動機的交流伺服系統由永磁同步電動

機、光電編碼器和SPWM變頻器電路三部分組成，光電編碼器既可以檢測電動機的轉子位置，也可以檢測轉子速度。圖11-35為正弦波永磁交流伺服系統的結構框圖。圖中，CNC系統發出當前位置指令信號，與編碼器檢測出的轉子實際位置進行比較，經位置控制器的控制運算，向后面的速度控制器輸出速度指令信號ω*。速度指令又與編碼器測出的轉子實際速度值ω相比較，經速度調節器ASR的運算得到轉子當前的希望力矩。因力矩正比于希望的定子電流幅值I*m，故后級采用了三個電流調節器ASR分別控制定子的三相電流，進而控制SPWM