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内容简介
《伺服驱动技术完全精通教程:变频器与步进》从基础和实用出发,详细讲解了变频器与步进驱动、伺服驱动技术。涵盖的内容主要包括异步电动机、步进电动机和伺服电动机的结构和工作原理;变频器的工作原理;变频器的外围电路;三菱和西门子变频器的速度给定;步进驱动系统及其应用;三菱和西门子伺服驱动系统及其应用。
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《伺服驱动技术完全精通教程:变频器与步进》可供学习变频器、步进驱动和伺服驱动技术的工程技术人员使用,也可作为大中专院校的机电类、信息类专业的教材。
作者简介
向晓汉,锡职业技术学院,系主任、讲师,95.7~98.8 锡建材仪器机械厂,技术员,从事机电产品设计;
98.9~01.7 小天鹅华印电机有限公司,技术/管理,主管,从事机电产品设计;
01.8~03.8 中力科技有限公司,技术/管理,部门经理,从事机电产品设计;
03.9~05.5 江南大学,研究生在读,主修机电一体化技术;
05.6~今 锡职业技术学院,教师,教研室主任/系主任,主要从事自动控制方向的教学与研究;
江苏省青蓝工程骨干教师培养对象 江苏省教育厅,2008年。
内页插图
目录
第1章 电气传动和变频器基础
1.1 电气传动概述
1.1.1 电气传动技术的概念
1.1.2 直流电气传动
1.1.3 交流电气传动
1.2 交流调速基础
1.2.1 三相交流电动机的结构和原理
1.2.2 三相异步电动机的机械特性和调速原理
1.3 变频器概述
1.3.1 变频器的发展
1.3.2 变频器的分类
1.3.3 变频器关键技术指标
1.3.4 变频器的应用
1.3.5 主流变频器介绍
小结
习题
第2章 变频器的工作原理
2.1 电力电子器件
2.2 变频器的变频原理
2.2.1 交-直-交变换简介
2.2.2 变频变压的原理
2.2.3 正弦脉宽调制波的实现方法
2.3 变频器的主电路
2.4 变频器的控制电路
小结
习题
第3章 通用变频器的常用功能
3.1 频率控制功能
3.1.1 变频器的输出频率设定
3.1.2 极限频率和回避频率
3.1.3 频率增益和频率偏置
3.2 U/F控制功能
3.2.1 U/f控制方式
3.2.2 转矩补偿功能
3.2.3 节能运行控制功能
3.3 矢量控制功能
3.3.1 他励直流电动机的调速原理
3.3.2 三相异步电动机的矢量控制原理
3.3.3 变频器的矢量控制功能
3.4 运行控制与保护功能
3.4.1 加速曲线和减速曲线
3.4.2 点动控制
3.4.3 制动控制
3.4.4 过载保护功能
3.5 变频器的PID闭环控制功能
3.5.1 PID控制原理简介
3.5.2 变频器的转速闭环控制
3.5.3 变频器的PID控制应用实例
小结
习题
第4章 西门子变频器的技术应用
4.1 西门子变频器的接线与参数设置
4.1.1 西门子MM440变频器的接线
4.1.2 西门子MM440变频器的参数设置
4.2 西门子变频器的速度给定
4.2.1 手动键盘速度给定
4.2.2 变频器多段速度给定
4.2.3 变频器模拟量速度给定
4.2.4 变频器的通信速度给定
4.3 西门子变频器的正反转和制动控制
4.3.1 西门子变频器的正反转控制
4.3.2 西门子变频器的制动控制
4.4 西门子变频器应用实例
4.4.1 刨床控制系统的设计
4.4.2 物料搅拌机的控制系统设计
4.4.3 跳动度测试仪
小结
习题
第5章 三菱变频器的技术应用
5.1 三菱变频器的接线与参数设置
5.1.1 三菱FR-A740变频器的接线
5.1.2 三菱FR-A740变频器的参数设定
5.2 三菱变频器的速度给定
5.2.1 运输站变频器的控制面板速度给定
5.2.2 运输站变频器的模拟量速度给定
5.2.3 运输站变频器的多段速度给定
5.2.4 运输站变频器的通信速度给定
5.3 三菱变频器的正反转和制动控制
5.3.1 三菱变频器的正反转控制
5.3.2 三菱变频器的制动控制
5.4 三菱变频器的其他应用
5.4.1 三菱变频器的过流保护
5.4.2 三菱变频器的失速防止
5.4.3 使用变频器时的常见疑问
小结
习题
第6章 变频器的常用电路
6.1 变频器启动与正反转控制
6.1.1 变频器的启动控制
6.1.2 变频器的正反转控制
6.2 变频器并联控制电路
6.2.1 由模拟电压输入端子控制的并联运行
6.2.2 由升降速端子控制的同速运行
6.3 变频器制动及保护控制电路
6.3.1 制动控制电路
6.3.2 报警及保护控制电路
6.4 工频-变频切换控制电路
6.4.1 继电器控制的变频/工频切换电路
6.4.2 PLC控制的变频/工频自动切换电路
小结
习题
第7章 变频器外围器件与变频器的选型
7.1 变频器的配线和外围开关器件
7.1.1 主电路的配线
7.1.2 接触器的选用
7.1.3 断路器的选用
7.1.4 快速熔断器的选用
7.2 电抗器
7.2.1 交流电抗器的选用
7.2.2 直流电抗器的选用
7.3 变频器电气制动
7.3.1 直流制动
7.3.2 回馈制动
7.3.3 能耗制动
7.4 变频器的选型
7.4.1 根据负载的机械特性选择变频器
7.4.2 根据负载的工艺特性选择变频器
7.4.3 变频器的容量选择
7.4.4 变频器的箱体结构选择
7.4.5 选用变频器的其他事项
小结
习题
第8章 变频器常见故障分析与维护
8.1 变频器故障判断及处理
8.1.1 逆变功率模块的损坏
8.1.2 整流桥的损坏
8.1.3 滤波电解电容器损坏
8.1.4 散热风扇的损坏
8.1.5 开关电源的损坏
8.1.6 接触器的损坏
8.1.7 印制电路板的损坏
8.1.8 变频器内部打火或燃烧
8.1.9 常见运行中的故障
8.2 变频器故障维修实例
8.2.1 西门子变频器常见故障及处理方法
8.2.2 三菱变频器常见故障及处理方法
8.2.3 安川变频器常见故障及处理方法
8.2.4 富士变频器常见故障及处理方法
小结
习题
第9章 步进驱动系统原理及应用
9.1 步进驱动系统的结构和工作原理
9.1.1 步进电动机简介
9.1.2 步进电动机的结构和工作原理
9.1.3 步进驱动器工作原理
9.2 步进电动机的选型
9.2.1 步进电动机最大速度选择
9.2.2 步进电动机定位精度的选择
9.2.3 步进电动机力矩选择
9.3 步进驱动系统的应用
9.3.1 直接使用PLC的高速输出点控制步进电动机
9.3.2 用西门子S7-200控制步进电动机的调速
9.3.3 步进电动机的正反转
小结
习题
第10章 伺服系统及原理
10.1 伺服系统概述
10.1.1 伺服系统的概念
10.1.2 主流伺服系统介绍
10.2 伺服系统行业应用
10.3 伺服技术的发展趋势
10.4 伺服电动机及其控制技术
10.4.1 伺服电动机的特点
10.4.2 直流伺服电动机
10.4.3 交流伺服电动机
10.4.4 直接驱动电动机
10.4.5 伺服电动机的选型
10.5 伺服系统的检测元件
小结
习题
第11章 伺服系统工程应用
11.1 三菱伺服系统工程应用
11.1.1 三菱伺服系统简介
11.1.2 三菱伺服系统基本使用
11.1.3 三菱伺服系统工程应用
11.2 西门子主流伺服系统工程应用
11.2.1 西门子主流伺服系统简介
11.2.2 西门子伺服系统工程应用
11.3 西门子SINAMICSV80伺服系统工程应用
11.3.1 SINAMICSV80伺服系统简介
11.3.2 PCB板下载检测线控制系统安装与调试
小结
习题
参考文献
前言/序言
《工业自动化核心技术解读:从基础原理到前沿应用》 引言 工业自动化,作为现代制造业的基石,正以惊人的速度改变着我们的生产方式和生活质量。从流水线上的精密机械臂,到高精度生产设备上的智能控制,再到日益普及的智能家居系统,无一不闪耀着自动化的智慧之光。而在这璀璨的星空中,驱动技术无疑是最耀眼的存在之一。它们是赋予机器生命、使其能够精准执行指令的“心脏”和“大脑”。本教程旨在深入剖析工业自动化领域至关重要的驱动技术,从其基本原理出发,层层递进,直至触及前沿应用,为广大技术爱好者、工程师、学生以及相关从业人员提供一份系统、全面、深入的学习资料。我们将带领读者走进一个充满挑战与机遇的领域,一同探索驱动技术的奥秘。 第一篇:驱动技术基础理论与核心概念 在深入探讨具体技术之前,理解其背后的基本原理至关重要。本篇将为读者打下坚实的理论基础。 第一章:电动机基础理论回顾 驱动技术的核心是电动机,它们将电能转化为机械能。本章将回顾电动机的几种主要类型,包括: 直流电动机(DC Motor): 介绍其工作原理,包括有刷和无刷直流电动机的区别,以及它们在转速控制、扭矩输出等方面的特性。我们将探讨电枢电流、磁场强度与转矩的关系,以及换向器在有刷直流电动机中的作用。 交流电动机(AC Motor): 重点介绍感应电动机(异步电动机)和同步电动机。 感应电动机: 详细讲解其旋转磁场产生的原理,转子感应电流与定子磁场相互作用产生转矩的过程。我们将分析转差率的概念,以及它对电动机性能的影响。 同步电动机: 阐述其转子与定子旋转磁场同步旋转的原理,以及励磁方式(永磁同步、电励磁同步)。 其他电动机类型: 简要介绍步进电动机、伺服电动机等特殊类型电动机的特点和应用场景,为后续章节铺垫。 第二章:机械动力学与控制基础 理解驱动器的控制对象——机械系统,是实现精准控制的前提。本章将涵盖: 力矩与转矩: 定义并区分力和力矩,详细讲解转矩的计算方法,包括静态转矩、动态转矩、负载转矩、驱动转矩等。 惯性与加速度: 解释转动惯量的概念,以及它对电动机启动、停止和速度变化的影响。讲解牛顿第二定律在旋转运动中的应用,即转矩与角加速度的关系。 摩擦与阻力: 分析不同类型的摩擦(静摩擦、动摩擦、滚动摩擦)对驱动系统性能的影响,以及其他阻力(空气阻力、负载阻力)的处理。 运动学与动力学模型: 介绍如何建立简单机械系统的运动学模型和动力学模型,为后续的控制算法设计提供基础。 第三章:反馈控制系统原理 驱动技术的核心在于闭环控制,即通过反馈来修正输出。本章将深入浅出地介绍反馈控制的基本概念: 开环控制与闭环控制: 对比两者的工作方式、优缺点以及适用场景。 控制器类型: 比例(P)控制: 解释比例增益的作用,以及纯比例控制的局限性。 积分(I)控制: 阐述积分作用如何消除稳态误差,以及可能带来的超调问题。 微分(D)控制: 说明微分作用如何预测未来趋势,抑制超调,提高响应速度,以及其对噪声的敏感性。 PID控制: 详细讲解比例、积分、微分三者结合的PID控制原理,分析各参数对系统性能的影响,并介绍PID参数整定的基本方法(如Ziegler-Nichols方法)。 系统稳定性与鲁棒性: 介绍稳定性判据(如Routh-Hurwitz判据),以及鲁棒性在实际应用中的重要性。 第二篇:经典驱动技术详解 在掌握了基础理论后,本篇将聚焦于当前工业自动化中最常用的几类驱动技术。 第四章:直流驱动系统 尽管交流驱动技术占据主导地位,但直流驱动系统在某些特定应用中仍有不可替代的优势。 直流电动机的调速方法: 改变电枢电压: 讲解通过改变供电电压来调速的原理,以及相应的电源电路(如线性电源、开关电源)。 改变励磁电流: 针对他励直流电动机,分析改变励磁电流对转速的影响。 串电阻调速: 介绍在电枢回路串联电阻进行调速的方法,及其能量损耗问题。 直流斩波器(Chopper): 讲解其工作原理,如何通过开关器件(如MOSFET、IGBT)对直流电压进行脉冲宽度调制(PWM),从而实现平滑的电压调节,提高效率。 直流伺服系统: 结合直流电动机和PID控制,介绍直流伺服系统如何实现高精度位置、速度和力矩控制。 第五章:交流感应电动机驱动 感应电动机以其结构简单、坚固耐用、成本低廉等优点,在工业领域应用最为广泛。 感应电动机的调速原理: 改变极对数: 介绍通过改变电动机定子绕组的接线方式来改变极对数,从而实现阶梯式调速。 改变电源频率(变频调速): 重点讲解通过改变供电电源的频率来控制转速的原理。分析当频率降低时,为了维持恒定的磁通,需要降低电压(V/f恒定控制),反之亦然。 改变电源电压: 讲解改变电压对转速和转矩的影响,以及其效率较低的缺点。 改变转子电阻(绕线式异步电动机): 介绍通过改变转子回路的电阻来调节转速的方法,但会损失能量。 V/f 恒定比控制: 详细阐述V/f控制的核心思想,以及其在简单调速应用中的优势和局限性。 变频器(VFD)基本原理: 整流器(Rectifier): 将交流电转换为直流电。 直流母线(DC Bus): 存储和滤波直流电。 逆变器(Inverter): 将直流电转换为可变频率、可变电压的交流电。 控制电路: 实现PWM调制,生成控制信号。 感应电动机的矢量控制(Field-Oriented Control, FOC): 介绍矢量控制的思想,即通过将定子电流分解为磁场分量和转矩分量,实现对转矩的独立控制,从而获得接近直流电动机的动态性能。详细讲解其坐标变换(Clarke变换、Park变换)和电流环、磁链环的控制。 第六章:交流同步电动机驱动 同步电动机在需要恒速运行或高效率的场合具有显著优势。 同步电动机的类型: 永磁同步电动机(PMSM): 介绍其转子上安装永磁体,具有高功率密度、高效率的特点。 电励磁同步电动机: 介绍其通过外加励磁电流来产生磁场。 同步电动机的控制原理: 无感启动与自启动: 探讨同步电动机如何实现启动。 同步锁相控制: 讲解如何使电动机转子的磁场与定子旋转磁场同步,保持恒定转速。 矢量控制(FOC)在同步电动机中的应用: 强调矢量控制对于PMSM等同步电动机实现精确的转速和力矩控制的重要性,与感应电动机的FOC相比,同步电动机的FOC通常更为简单高效。 同步电动机驱动器的优势与应用: 讨论其高效率、高精度、宽调速范围等优点,以及在电动汽车、机器人、精密机床等领域的应用。 第七章:步进电动机与精密定位 步进电动机以其开环即可实现精确步进运动的特性,在定位和低速精确控制领域备受青睐。 步进电动机的工作原理: 混合式步进电动机: 详细介绍其内外磁齿结构,以及定子绕组的励磁顺序如何驱动转子旋转。 全步、半步、微步模式: 讲解不同驱动模式下步距角的变化和精度提升。 步进电机的驱动器: 恒流驱动: 解释恒流驱动如何保证线圈中的电流恒定,提高力矩输出。 细分技术: 深入剖析微步细分如何通过对线圈电流进行平滑的插值,实现比最小步距角更小的分辨率,提高平稳性和精度。 步进电机控制与应用: 脉冲与方向控制: 介绍步进电机驱动器接收的控制信号。 步进电机的选择: 根据负载特性、精度要求、速度要求进行选择。 常见应用: 3D打印机、CNC加工中心、印刷设备、扫描仪等。 步进电机控制的局限性与改进: 讨论在高速下可能出现的失步问题,以及如何通过闭环反馈(与编码器结合)来提高其可靠性和性能。 第三篇:驱动技术的进阶与前沿应用 本篇将进一步拓展读者的视野,探索驱动技术的进阶应用和未来发展趋势。 第八章:伺服驱动系统深度解析 伺服驱动系统以其高精度、高响应速度、高动态性能而著称,是现代自动化生产的核心。 伺服系统组成: 伺服电机: 主要为高性能的永磁同步电机(PMSM),但也包含某些特殊设计的直流或交流感应伺服电机。 伺服驱动器(Servo Drive): 负责接收控制器的指令,并产生精确的电流和电压来驱动伺服电机。 编码器(Encoder): 提供电机转速、位置的反馈信息,是伺服系统实现闭环控制的关键。 控制器(Controller): 通常为PLC、运动控制器或PC,负责发送指令和处理反馈。 伺服驱动器的控制算法: 位置控制(Position Control): 强调如何通过编码器反馈,精确控制电机到达指定位置。 速度控制(Velocity Control): 实现对电机恒定速度的精确控制。 力矩控制(Torque Control): 精确控制电机输出的力矩,在需要恒定压力或恒定张力的场合至关重要。 高级控制策略: 如前馈控制、自适应控制、柔性制造中的动态补偿等。 伺服系统的通信协议: 介绍EtherNet/IP, PROFINET, SERCOS等工业以太网通信协议,以及RS485等串行通信方式,实现控制器与驱动器之间的高速、实时通信。 伺服系统的选型与调试: 讲解如何根据应用需求选择合适的伺服电机和驱动器,以及调试过程中需要注意的关键参数和步骤。 第九章:驱动技术的关键技术与发展趋势 驱动技术一直在不断发展,以满足日益严苛的工业需求。 电机材料与结构创新: 高性能永磁材料: 如钕铁硼(NdFeB)永磁体,提升电机功率密度和效率。 新型电机拓扑结构: 如轴向磁通电机、盘式电机等,优化性能和尺寸。 电力电子技术进展: 宽禁带半导体器件(Wide Bandgap Semiconductors): 如SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)器件,提升开关频率,降低损耗,缩小驱动器体积,提高耐温能力。 先进的PWM控制技术: 如空间矢量脉宽调制(SVPWM)、模型预测控制(MPC)等,提高控制精度和效率。 智能化与数字化驱动: 电机诊断与预测性维护: 利用传感器数据和AI算法,提前预测电机故障,减少停机时间。 集成式驱动与控制: 将驱动器、控制器甚至部分执行机构集成,简化系统结构。 物联网(IoT)与云计算: 实现驱动设备的远程监控、参数优化和数据分析。 新能源汽车驱动技术: 简要介绍电动汽车中对电机、驱动器和电池管理系统的特殊要求和发展趋势。 机器人与协作机器人驱动: 探讨对机器人关节驱动的轻量化、高精度、高安全性的要求。 第十章:工业应用案例分析 理论最终要应用于实践。本章将通过多个实际的工业应用案例,展示驱动技术在不同场景下的应用效果。 数控机床(CNC)中的驱动应用: 分析伺服驱动如何实现高精度定位、曲线插补和加工过程中的力矩控制。 自动化生产线上的应用: 讨论传送带、装配机器人、包装设备等不同环节的驱动解决方案。 印刷与纺织机械的驱动: 介绍如何通过精确的速度同步和张力控制实现高品质的生产。 风力发电与新能源领域的驱动: 探讨大型电机驱动在能量转换中的作用。 智能仓储与物流系统的驱动: 分析AGV(自动导引车)、堆垛机等设备所需的驱动技术。 结论 驱动技术是现代工业自动化的灵魂。从基础的电动机原理到复杂的伺服控制算法,再到前沿的智能化发展,这个领域充满了无限的可能性。本教程的目的是为读者提供一个坚实的基础和广阔的视野,帮助大家更好地理解和掌握驱动技术的精髓,并在实际工作中灵活运用。希望通过本书的学习,能够激发各位读者对驱动技术的兴趣,并在工业自动化的道路上取得更大的成就。