激光设备控制技术教材——第一章第六节讲解
激光设备电气控制系统介绍讲解
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总结：
介绍了激光设备的电气控制系统
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作业：
1、激光设备控制系统有哪些关键技术。
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本次课到此结束，谢谢！
ห้องสมุดไป่ตู้
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教学目标：
了解激光设备的设备电气控制系统
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一、激光设备的电气控制系统的硬件框架
人机交互
运动控制
主控制器
激光控制
通讯接口
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二、主控制器
采用传统PLC控制 专用数控系统 采用基于ARM和DSP的嵌入式系统
软件方面 支持矢量图软件 比如AutoCAD CorelDraw等
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三、运动控制
要实现高精度高速度的激光焊接、激光切割 必须采用全闭环系统：运动控制器+直线电机+光栅尺反馈。
关键的地方就是运动控制器，必须支持前瞻控制技术、比如直线圆弧插补混合 运动，增强型S曲线加减速算法等
伺服电机 步进电机 光栅尺位置反馈 运动控制插补算法
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五、CAN通讯接口
控制器局域网总线（CAN，Controller Area Network）是一种用于 实时应用的串行通讯协议总线，它可以使用双绞线来传输信号，是 世界上应用最广泛的现场总线之一。 CAN协议最早用于汽车中各种不同元件之间的通信，以此取代昂 贵而笨重的配电线束。该协议的健壮性使其用途延伸到其他自动化 和工业应用，广泛用于工业现场。 CAN协议的特性包括完整性的串行数据通讯、提供实时支持、传 输速率高达1Mb/s、同时具有11位的寻址以及检错能力。
激光设备控制技术教材——第一章第二节讲解
1 第二节 直流电机的感应电动势和电磁转矩无论是直流电动机还是直流发电机，在转动时，其电枢绕组都会由于切割主磁极产生的磁力线而感应出电动势。
同时，由于电枢绕组中有电流流过，电枢电流与主磁场作用又会产生电磁转矩。
因此，直流电机的电枢绕组中同时存在着感应电动势和电磁转矩，它们对电机的运行起着重要的作用。
不同的是，直流发电机中是感应电动势在起主要作用，直流电动机中是电磁转矩在起主要作用。
本节主要介绍感应电动势和电磁转矩的计算公式及性质。
一、直流电机的感应电动势对电枢绕组电路进行分析，可得直流电机电枢绕组的感应电动势E a 为a e E C n =Φ （1-5） 式中，Φ为电机的每极磁通；n 为电机的转速；C e 是与电机结构有关的常数，称为电动势常数，60e Np C a=。
E a 的方向由Φ与n 的方向按右手定则确定。
从式 (1-5)可以看出，若要改变E a 的大小，可以改变Φ(由励磁电流I f 决定)或n 的大小。
若要改变E a 的方向，可以改变Φ的方向或电机的旋转方向。
无论直流电动机还是直流发电机，电枢绕组中都存在感应电动势，在发电机中E a 与电枢电流I a 方向相同，是电源电动势；而在电动机中E a 与I a 的方向相反，是反电动势。
二、直流电机的电磁转矩同样，我们也能分析得到电磁转矩T 为T a T C I =Φ （1-6） 式中，I a 为电枢电流；C T 也是一个与电机结构相关的常数，称为转矩常数。
电磁转矩T 的方向由磁通Φ及电枢电流I a 的方向按左手定则确定。
式（1-6）表明：若要改变电磁转矩的大小，只要改变Φ或I a 的大小即可；若要改变T 的方向，只要改变Φ或I a 其中之一的方向即可。
转矩常数C T 与电动势常数C e 之间有固定的比值关系：9.55T e C C = （1-7） 例1.3 已知一台直流电机的数据为：单叠绕组，极数2p =4，电枢总元件数N =400，电枢电流I a =10A ，每极磁通Φ=2.1×10-2Wb ，求转速n =1000r/min 时的电枢电动势为多少？此时的电磁转矩又为多少？解：在计算过程中首先要弄清电机的绕组形式，是单波绕组还是单叠绕组，即公式中的a 为多少。
激光(振镜)运动控制器用户手册
PCI：PCI 总线
输出类型 LASER：激光运动控制器 SCAN：激光振镜运动控制器
1
第一章 概述
1.3 激光（振镜）运动控制器功能列表
功能 总线 控制周期 模拟量输出
脉冲量输出 限位信号输入 原点信号输入 驱动报警信号输入 驱动使能信号输出 驱动复位信号输出 通用数字信号输入 通用数字信号输出 A/D 看门狗 插补运动 硬件捕获
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用户手册的用途
用户通过阅读本手册，能够了解激光（振镜）运动控制器的基本结构，正确安装运动控制器， 连接控制器与电机控制系统，完成运动控制系统的基本调试。
用户手册的使用对象
本编程手册适用于，具有硬件基本知识，对控制有一定了解的工程人员。
用户手册的主要内容
本手册由三章内容和附录组成。第一章“概述”，简介激光（振镜）运动控制器及如何构成激 光控制系统；第二章“快速使用”，介绍运动控制器安装、接线和驱动程序的安装；第三章“系统 调试”，介绍利用运动控制器配套软件，进行系统调试；附录提供了：运动控制器技术参数；典型 接线；故障处理。
支持扫描方式和矢量方式
支持扫描方式和矢量方式
首脉冲信号脉宽可调
CO2 等气体激光器，YAG 激光器 CO2 等气体激光器，YAG 激光器（Q
（Q 开关）
激光设备电气控制系统介绍讲解课件
通过采集和分析设备运行数据，快速定位故障原因，提高维修效率。
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远程技术支持
通过网络与远程技术支持中心连接，获取专业人员的故障诊断和处理建议。
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故障自诊断
系统具备自诊断功能，能自动检测和识别故障部位，为快速维修提供便利。
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故障处理预案
针对不同故障类型，制定相应的处理预案，缩短故障处理时间。
新型激光材料如稀土掺杂光纤、非线性晶体等具有优异的光学性能，能够实现激光波长的转换和调控。新型激光器件如光子晶体激光器、微纳激光器等具有小型化、集成化的特点，适用于各种便携式和嵌入式应用场景。
总结词
详细描述
06
CHAPTER
激光设备电气控制系统的维护与保养
电源故障
传感器故障
电路故障
软件故障
01
VS
高功率激光技术是未来发展的重要方向，将广泛应用于工业、医疗等领域。
详细描述
随着激光技术的不断突破，高功率激光器的输出功率不断提高，能够满足各种高难度加工和医疗需求。高功率激光技术将推动激光设备在切割、焊接、熔覆等领域的更广泛应用，同时为医疗领域提供更高效、安全的治疗手段。
总结词
新型激光材料与器件的发展将为激光设备带来更高的性能和更广泛的应用领域。
环保
05
CHAPTER
激光设备电气控制系统的未来发展趋势
总结词
随着人工智能和物联网技术的快速发展，激光设备电气控制系统将更加智能化，实现自动化和自主化控制。
详细描述
通过集成AI算法和传感器技术，激光设备能够实时感知自身状态和环境变化，自动调整参数和运行模式，提高生产效率和设备寿命。同时，智能化的控制系统能够减少人工干预，降低操作难度，提升设备使用的便捷性。
激光设备控制技术教材——第一章第十二节讲解
第十二节 伺服系统一、进给伺服系统概述伺服一词来自英文单词Servo ，指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。
在数控机床中伺服系统一般有主轴伺服系统和进给伺服系统。
主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。
但当要求机床有螺纹加 工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。
主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。
随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。
而在激光机床设备中，主轴伺服一般由激光器组成。
进给伺服系统是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统，主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电机)、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。
机床对进给伺服系统有以下几方面的要求：1. 调速范围要宽式中， n R 为调速范围，max n 和min n 分别为生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速，一般都指额定负载时的转速(对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载时的转速)。
在数控机床中，往往加工刀具、被加工材质以及零件加工要求不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动必须具有足够宽的调速范围。
实现如此宽的调速范围是伺服系统设计的一个难题。
2. 输出位置精度要高为了保证加工出高精度零件，进给伺服系统必须具有足够高的精度。
常用的精度指标是定位精度和零件的综合加工精度：定位精度是指工作台或刀架由某点移到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值；综合加工精度是指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸的误差。
伺服系统要具有较好的静态特性和较高的伺服刚度，才能达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差(目前进给伺服系统的分辨率可达1 或0.1 ，甚至0.01 )。
激光设备控制技术教材——第一章第八节讲解
激光设备控制技术教材——第一章第八节讲解第一篇：激光设备控制技术教材——第一章第八节讲解第八节他励直流电动机的制动欲使电力拖动系统停车，对反抗性负载来说最简单的方法是断开电枢电源，这时电动机的电磁转矩为零，在空载损耗阻转矩的作用下，系统转速就会逐渐减小至零，这叫做自由停车法。
停车过程中阻转矩通常都很小，这种停车方法一般较慢，特别是空载自由停车，更需要较长的时间。
许多生产机械希望能快速减速或停车，或使位能负载能稳定匀速下放，这就需要拖动系统产生一个与旋转方向相反的转矩，这个起着反抗运动作用的转矩称制动转矩。
产生制动转矩的方法有两种：一是利用机械摩擦获得，称为机械制动，例如常见的抱闸装置；二是在电动机的旋转轴上施加一个与旋转方向相反的电磁转矩，称为电磁制动。
判断电动机是否处于电磁制动状态的条件是：电磁转矩T的方向和转速n的方向是否相反。
是，则为制动状态；否则为电动状态。
与机械制动相比，电磁制动的制动转矩大、操作方便、没有机械磨损，容易实现自动控制，所以在电动机拖动系统中得到广泛应用。
本节主要介绍他励直流电动机的能耗制动、反接制动和回馈制动。
一、能耗制动能耗制动原理图如图1-32所示。
原来KM接通，电动机工作于电动运行状态；制动时KM断开，保持励磁电流不变，将电枢两端从电网断开，并立即接到一个制动电阻Rz上。
能耗制动对应的机械特性如图1-33所示。
这时从机械特性上看，电动机工作点从A点切换到B 点，在B点因为U=0，所以Ia=-Ea/(Ra+Rz)，电枢电流为负值，由此产生的电磁转矩T也随之反向，由原来与n同方向变为与n反方向，进入制动状态，起到制动作用，使电动机减速，工作点沿特性曲线下降，由B点移至O点。
当n=0，T=0时，若是反抗性负载，则电动机停转。
在这过程中，电动机由生产机械的惯性作用拖动，输入机械能而发电，发出的能量消耗在电阻Ra+Rz上，直到电动机停止转动，故称为能耗制动。
为了避免过大的制动电流对系统带来不利影响，应合理选择Rz，通常限制最大制动电流不超过额定电流的2～2.5倍。
激光设备控制技术教材——第五章第六节讲解
第六节斩波电路拓扑结构及其工作原理斩波电路原来是指在电力运用中，出于某种需要,将正弦波的一部分"斩掉"。
(例如在电压为50V的时候，用电子元件使后面的50~0V部分截止，输出电压为0。
)后来借用到DC-DC 开关电源中，主要是在开关电源调压过程中，原来一条直线的电源，被线路"斩"成了一块一块的脉冲。
6种基本斩波电路：降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路。
复合斩波电路——不同结构基本斩波电路组合。
多相多重斩波电路——相同结构基本斩波电路组合。
一、降压斩波电路直流斩波电路（DC Chopper）：是将直流电变为另一固定电压或可调电压直流电的电路。
也称为直流--直流变换器（DC/DC Converter）。
一般指直接将一直流电变为另一直流电的电路，不包括由直流变为交流，再由交流变为直流的电路。
降压斩波电路又叫BUCK电路。
降压斩波电路结构是由电源、全控型器件、续流二极管、储能电感线圈和负载电阻组成。
假如全控型器件为晶闸管的话必须有辅助关断电路。
电路结构如图5-25所示。
降压斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带动蓄电池负载。
工作原理分析：图5-26 a是电路图，b和c是电流连续时波形图和电流断续时的波形图，在t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，这时输出电压电压u o=E，负载电流i o按指数曲线上升，如图b所示。
当时间t=t1时控制开关器件V关断，二极管VD开始续流，这时输出电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降，处于I2阶段，如图所示。
通常在降压斩波张串接较大电感L使负载电流连续且脉动小在。
电感小电流断续波形图如c图所示。
图5-25 降压斩波电路原理图c)电流断续时的波形E Mi图5-26 降压斩波电流电压波形图路分析可以得到以下结论：输出到负载的电压平均值UO 最大值为E ，若减小占空比，则可以使输出电压随之减少，因此该电路称为降压斩波电路。
激光设备电气控制系统介绍讲解课件
稳定性
稳定性是指激光设备电气控制系统在长时间运行过程中保持稳定的能力。该系统 采用了先进的控制算法和优化设计，确保了在各种复杂环境条件下都能够稳定运 行。
稳定性还体现在其对外部干扰的抑制能力。在生产过程中，各种外部因素可能会 对设备产生干扰，而该系统能够有效地抑制这些干扰，确保设备的正常运行。
安全性
液压元件
如液压缸、液压阀等，在需要大功率驱动时使用，提高执行机构的 刚性和精度。
传感器及检测系统
位置传感器
检测执行机构的位移和位置， 实现位置闭环控制。
速度传感器
检测执行机构的转速和速度， 实现速度闭环控制。
激光功率传感器
检测激光器的输出功率，确保 激光加工的质量和效果。
安全传感器
用于设备安全防护，如光幕传 感器、压力传感器等，防止设 备在运行过程中出现危险情况
安全性是指激光设备电气控制系统具有完善的安全保护功能。该系统采用了多重安全保护机制，确保 了设备和人员的安全。
安全性还体现在其符合各种安全标准和规范的能力。在设计和制造过程中，该系统严格遵守了各种国 家和国际安全标准，从而确保了设备和人员的安全。
智能性
智能性是指激光设备电气控制系统具有高度智能化的特点。该系统采用了先进的控制算法和人工智能技术，能够自动适应各 种复杂环境条件下的工作需求。
激光设备电气控制系统介绍 讲解课件
• 激光设备概述 • 激光设备电气控制系统基本组成 • 激光设备电气控制系统工作原理 • 激光设备电气控制系统特点与优势
• 激光设备电气控制系统未来发展趋 势与挑战
• 激光设备电气控制系统案例分析
01
激光设备概述
激光设备的定义与分类
激光设备的定义
激光设备是一种能够产生激光束的装 置，它利用受激辐射产生高能量密度 的光束，具有高亮度、单色性好、方 向性强等优点。
(整理)烟台飞扬激光光纤激光打标机说明书
烟台飞扬激光光纤激光打标机使用说明书目录第一章：简介第二章：设备操作安全防护第三章：设备技术参数与适用环境3.1设备技术参数3.2设备适用环境第四章：激光标记原理介绍4.1激光理论概述4.2激光器简介4.3激光标记机简介第五章：设备系统说明第六章：设备安装及调试6.1设备的安装及定位要求.6.2开箱及检查6.3设备安装第七章：维护及保养7.1维护时注意事项7.2常见故障及排除方法第一章概述1.1 激光标记机理激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性，是普通照明光源所无法比拟的。
激光束通过聚焦后，在焦点处可产生数千度乃至上万度的高温，使其可能加工几乎所有的材料。
激光打标是用激光束在各种不同的物质表面刻上永久性的标记。
打标的效应是通过表层物质的蒸发露出深层物质，或者是通过光能作用导致表层物质的化学物理变化而“刻”出痕迹，显示出所需刻蚀的图形、文字。
1.2 激光标记特点1）可对多种金属、非金属材料进行加工，尤其对高硬度、高熔点、脆性材料进行标记更显优势。
2）属于非接触加工、不损坏产品，无刀具磨损，标记质量好。
3）激光束细，加工材料消耗很小，加工热影响区小。
4）加工效率高，采用计算机控制，易于实现自动化。
1.3产品概述FYPL10/20W光纤激光打标机是集激光、计算机、自动控制、精密机械技术为一体的高科技产品。
该打标机采用高性能进口数字振镜扫描系统方式，速度快、精度高、能长时间工作。
能在大多数金属材料及部分非金属材料如：硅、橡胶、环氧、陶瓷、大理石等材料进行刻写或制作难以仿制的永久性防伪标记。
FYPL10/20W光纤激光打标机激光光学模式好（M2 < 2），设备体积小，工作稳定可靠，免维护，无需水冷系统，设备电光转换效率高，能耗低；标记质量好；激光功率和频率计算机控制，易于实现标记自动化。
烟台飞扬激光提供基于Windows平台下的专用打标软件。
能对激光功率和脉冲频率实行实时控制。
标记内容可以是文字、图形、图片、序列号、条形码及其组合，并且可以在专用打标软件中直接输入、编辑，也可由AutoCAD或CorelDRAW等图形软件下编辑，通过计算机控制输入与输出。
激光设备控制技术教材——第一章第十一节讲解
第十一节 变频调速系统一、异步电动机变频调速原理异步电动机按转子的机构不同分为鼠笼式和绕线式两类，按使用的电源相数不同分为单相、两相和三相等几种。
变频调速主要用于三相鼠笼式异步电动机。
由电机学可知，三相交流电动机的同步转速（即定子旋转磁场转速）n 0可表示为公式中f 为定子供电的频率，p 为电动机的磁极对数。
根据异步电动机的工作原理，异步电动机要产生转矩，同步转速0n 与转子转速n 必须有差别。
这个转速差（n n -0）与同步转速0n 的比值s 称为转差率。
异步电动机在额定状态运行时，转子转速n 通常与0n 相差不大，因此额定转差率s 一般都很小，其范围在0.01～0.05之间。
如果将电源频率调节为x f ，则同步转速x n 0也随之调节成 异步电动机变频后的转速x n 的表达式为 这就是异步电动机变频调速的理论依据。
二、变频器的工作原理目前投入市场运行的变频器大多数为交-直-交变频器，交-直-交变频器的主电路框图如图1-50所示。
有图可见，主电路包括四个组成部分：整流电路、中间电路、逆变电路和控制电路。
1-整流电路 2-中间电路 3-逆变电路 4-控制电路图1-50 变频器的机构框图1.整流电路整流电路的功能是将交流电转换为直流电。
整流电路按使用的器件不同分为两种类型：不可控整流电路和可控整流电路。
不可控整流电路使用的器件为功率二极管，按输入交流电源的相数不同分为单相整流电路、三相整流电路和多相整流电路。
可控整流电路使用的器件为晶闸管。
2.中间电路虽然利用整流电路可以从电网的交流电源得到直流电压或直流电流，但这种电压或电流含有频率为电源频率六倍的纹波，如果将其直接提供给逆变电路，则逆变后的交流电压、电流纹波很大。
因此，必须对整流电路的输出进行滤波，以减少电压或电流的波动。
这种电路称为滤波电路。
变频器中通常采用大容量的电解电容对整流电路的输出进行滤波。
3.逆变电路逆变电路将固定的直流电压变换成可变电压和频率的交流电压。
激光原理与技术完整ppt课件
1.1.1所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为
Δkx=л/Δx，Δky=л/Δy，Δkz=л/Δy 因此，每个模式在波矢空间占有一个体积元
(1.1.6)
ΔkxΔkyΔkz =л3 /（ΔxΔyΔz）=л3 /V
(1.1. 7)
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在k空间内，波矢绝对值处于|k|～|k|+d|k|区间的体积为(1／8)4л|k|2 d|k|，
可见，一个光波模在相空间也占有一个相格.因此，一个光波模等效于一个光子态。
一个光波模或一个光子态在坐标空间都占有由式(1.1.11)表示的空间体积。
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三、光子的相干性
为了把光子态和光子的相干性两个概念联系起来，下面对光源的相干性进行讨论。
在一般情况下，光的相干性理解为：在不同的空间点上、在不同的时刻的光波场的某
4.4 典型激光器的速率方程
3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗 4.5 均匀加宽工作物质的增益系数
4.6 非均匀加宽工作物质的增益系数
4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系数
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3
第五章 激光振荡特性
5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 5.6 激光器的频率牵引
ε=hv
（1.1.1）
式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。
（2）光子具有运动质量m，并可表示为
（1.1.2）
光子的静止质量为零。
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（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应
（1
式中
n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合， 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。 上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(Arthur Compton)散射实验所证实 (1923年)，并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中，
激光设备激光器功率控制系统控制方式要点
三、激光器功率控制方式——激励信号控制
系统上电后，电压比较器的正端设定正电压 值VSET，负端电压假设为0，则比较器输出的 低电平致使电容充放电模块对电容充电，随着 电容电压的缓慢上升，恒流源的驱动电流不断 升高，激光器输出光强不断升高，PIN探测电 流变大，从而导致反馈回路输出电压升高，直 至高过比较器正端电压VSET后，比较器输出由 低电平跳变为高电平，接着执行上述过程的反 过程：电容放电、激光器功率减小，由此循环 往复，最终稳定激光器发光功率。
.
二、调Q实现方式
（2）声光调Q特点是： ——用于低增益的激光器，可获得脉宽几十纳秒，功率几百千瓦的 高频脉冲； ——对高能量激光器的开关性能差，不宜用高能调Q激光； ——多用于获得中等功率、高重复频率的脉冲激光。
.
二、调Q实Байду номын сангаас方式
（3）染料调Q:是在一个固体激光器的腔内插入一个染料盒构成的 。染料盒内装有可饱和染料。这些染料媒质具有突变的吸收饱和特 点，当波长处于其吸收峰附近且入射光信号较弱时，染料媒质对于 入射光呈现出非常明显的吸收趋势（相当于处于“关闭”状态）； 当入射光信号增强到一定程度时，染料媒质对入射光突然呈现出明
.
一、激光器功率控制方式——调Q控制
调Q技术是在激光器的谐振腔内加入了开关调制器件，使激光以高 能量脉冲的方式输出。调Q控制是对激光能量控制，同时也是对激光 脉冲峰值进行控制。
目前 调Q 技术
转镜调Q 电光调Q 声光调Q 染料调Q
………
.
二、调Q实现方式
（1）电光调Q:是利用晶体的电光效应作为Q开关的元件。
激光电源的激励信号控制法：激励信号可以是直流电压或脉宽调制 （PWM）信号。通过改变激光器输出功率所对应的控制信号以控制 激光电源的输出。PWM脉宽调制是靠改变脉冲宽度来控制输出电压 ，通过改变周期来控制其输出频率。这一方法也用在激光器的速度 控制上。
《激光设备控制技术》课程标准
《激光设备控制技术》课程标准课程代码：学时：48 学分：3一、课程的地位与任务“激光设备控制技术”课程是光电制造与应用技术专业（五年一贯制）开设的一门3学分的必选专业基础课，该课程为激光设备中机械部分的控制知识和技能而设置的，重点讲述低压电气设备与控制系统，PLC控制，伺服控制，数控技术，光机电系统控制案例。
本课程是光电制造与应用技术专业的理论实践教学课程，旨在提高学生的专业基础理论与设计水平。
通过本门课程综合性的学习，让学生了解激光设备中机械部分控制的整体结构、总体设计和，初步掌握简单的、典型的光机电系统机械部分控制的基本技能。
二、课程的主要内容和学时分配1. 课程的主要内容课程的基本内容：低压电器，交流电机控制。
PLC基本单元和定位单元硬件、PLC基本单元和定位单元的基本指令和定位指令及激光加工编程。
步进电机及驱动器、伺服电机及驱动器和激光加工伺服控制。
数控系统和G指令 M指令及激光数控加工编程。
第1章激光设备低压电气设备与控制系统1.1 低压电气控制设备1.2 电机基本控制线路1.3 变频控制器1.4 激光电源中电气控制应用1.5 激光冷却设备控制1.6 典型控制系统电气分析第2章激光设备PLC控制2.1 PLC基本控制单元2.2 PLC基本指令2.3 PLC基本指令编程2.4 PLC定位单元2.5 PLC定位指令及编程2.6 PLC编程开发软件2.7 PLC在激光设备中应用实例第3章激光设备伺服控制3.1 伺服系统3.2 直流电机与驱动3.3 步进电机与驱动器3.4 步进电机及驱动器在激光焊接系统应用实例3.5 伺服电机与驱动器3.6 伺服电机及驱动器在激光设备应用实例3.7 激光切割机XYZ轴伺服控制系统3.8 激光设备电气控制图阅读与分析第4章激光设备数控技术4.1 计算机数控硬件系统4.2 PA8000数控系统指令及编程4.3 G代码指令介绍4.4 M代码指令介绍4.5 参数编程指令4.6 PA8000数控系统在激光加工设备中使用4.7 激光加工设备中数控编程2. 学时分配三、课程的基本要求1．本课程注重学生对光机电系统机械部分控制的基础设计能力培养；2．采取理论教学和实验相结合的方式以增强课程学习的理实性；四、课程的实践环节安排实验一三相异步电动机正反转运行控制实验二三台电动机顺序启动控制实验三 PLC编程实验四使用PLC控制三相异步电动机正反转运行实验五使用PLC控制步进电机实验六数控指令编程实验七数控参数指令编程五、推荐教材和主要参考书《激光加工设备电气控制》杨晟主编电子工业出版社，2014。
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第六节 他励直流电动机的机械特性
从电力拖动系统的运动方程式（1-16）可知，电动机稳定运行时，电动机的电磁转矩T 与负载转矩T L 必须保持平衡，即大小相等，方向相反。
当负载转矩T L 改变时，要求电磁转矩T 也随之改变，以达到新的平衡关系，而电动机电磁转矩T 的变化过程，实际上也就是电动机内部电动势达到新的平衡关系的过程，这个过程称为过渡过程，它将引起电动机转速的改变。
直流电动机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，转速n 与电磁转矩T 之间的关系特性，即n =f （T ），或转速n 与电枢电流I a 的关系n =f （I a ），后者也就是转速特性。
机械特性将决定电动机稳定运行、起动、制动以及调速的工作情况。
下面先以他励直流电动机为例讨论机械特性，再简要介绍电力拖动系统稳定运行的条件。
一、固有机械特性
固有机械特性是指当电动机的工作电压和磁通均为额定值时，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为
(1-17)
固有机械特性如图1-27中R =R a 的曲线所示，由于R a 较小，故他励直流电动机的固有机械特性较硬。
图中n 0为T =0时的转速，称为理想空载转速。
Δn N 为额定转速降。
二、人为机械特性
人为机械特性是指人为地改变电动机参数 (U 、R 、Φ) 而得到的机械特性，他励电动机有以下三种人为机械特性。
1.电枢串接电阻的人为机械特性
此时 U=U N ，Φ=ΦN ，R =R a +R pa 。
人为机械特性与固有特性相比，理想空载转速n 0不变，但转速降Δn 相应增大，R pa 越大，Δn 越大，特性越“软”，如图1-27中曲线 1、2所示。
可见，电枢回路串入电阻后，在同样大小的负载下，电动机的转速将下降，稳定在低速运行。
2.改变电枢电压时的人为机械特性
此时 R pa =0，Φ=ΦN 。
由于电动机的电枢电压一般以额定电压U N 为上限，因此改变电压，通常只能在低于额定电压的范围变化。
与固有机械特性相比，转速降Δn 不变，即机械特性曲线的斜率不变，但理想空载转速n 0随电压成正比减小，因此降压时的人为机械特性是低于固有机械特性曲线的一组平行直线，如图1-28所示。
2e e T U R n T C C C =-ΦΦ
3.减弱磁通时的人为机械特性
减弱磁通可以在励磁回路内串接电阻R f 或降低励磁电压U f ，此时U =U N ，R pa =0。
因为Φ是变量，所以n =f （I a ）和n =f （T ）必须分开表示，其特性曲线分别如图1-29（a ）和 （b ）所示。
当减弱磁通时，理想空载转速n 0增加，转速降Δn 也增加。
通常在负载不是太大的情况下，减弱磁通可使他励直流电动机的转速升高。
三、电力拖动系统稳定运行条件
前面分析了生产机械的负载转矩特性n =f （T L ）和电动机的机械特性n =f （T ），把两种特性配合起来，就可以研究电力拖动系统的稳定运行问题。
电动机带上某一负载，假设原来运行于某一转速，由于受到外界某种短时干扰，如负载的突然变化或电网电压的波动等，而使电动机的转速发生变化，离开原来的平衡状态，如果系统在新的条件下仍能达到新的平衡或者当外界干扰消失后，系统能自动恢复到原来的转速，就称该拖动系统能稳定运行，否则就称不能稳定运行。
不能稳定运行时，即使外界干扰己经消失，系统的速度也会一直上升或一直下降直到停止转动。
为了使系统能稳定运行，电动机的机械特性和负载特性必须配合得当。
为了便于分析，将电动机的机械特性和负载特性画在同一坐标图上，如图1-30所示。
图1-28 他励直流电动机降压时的人为机械特性
图1-27 他励直流电动机固有机械特性
及串电阻时人为机械特性 图1-29 他励直流电动机减弱磁通时的人为机械特性
图1-30电动机稳定运行条件分析
设电动机原来稳定工作在A点，T=T L=T A。
在图1-30（a）所示情况下，如果电网电压突然波动，使机械特性偏高，由曲线1转为曲线2，在这瞬间电动机的转速还来不及变化，而电动机的电磁转矩则增大到B点所对应的值，这时电磁转矩将大于负载转矩，所以转速将沿机械特性曲线2由B点上升到C点。
随着转速的升高，电动机电磁转矩变小，最后在C点达到新的平衡。
当干扰消失后，电动机恢复到机械特性曲线1运行，这时电动机的转速由C点过渡到D点，由于电磁转矩小于负载转矩，转速下降，最后又恢复到A点，在原工作点达到新的平衡。
反之，如果电网电压波动使机械特性偏低，由曲线1转为曲线3，则电动机将经过A→B´→C´，在C´点取得新的平衡。
扰动消失后，工作点将由C´→D´→A，恢复到原工作点A 运行。
图1-30（b）所示则是一种不稳定运行的情况，分析方法与图1-30（a）相同，读者可自行分析。
由于大多数负载转矩都是随转速的升高而增大或保持恒定，因此只要电动机具有下降的机械特性，就能稳定运行。
而如果电动机具有上升的机械特性，一般来说不能稳定运行，除非拖动像通风机这样的特殊负载，在一定的条件下，才能稳定运行。