《交流伺服調(diào)速原理》ppt課件

1、第五章第五章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動機及控制交流伺服電動機及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 5-5-4 永磁同步交流伺服電機的構(gòu)造永磁同步交流伺服電機的構(gòu)造 5-5-5 永磁同步交流伺服電機的數(shù)學(xué)模型永磁同步交流伺服電機的數(shù)學(xué)模型 5-5-6 交流伺服電機的速度控制交流伺服電機的速度控制 5-5-7 交流伺服電機的位置控制交流伺服電機的位置控制 自自20世紀(jì)世紀(jì)80年代中期以來，為處理直流伺服電機電刷和換年代中期以來，為處理直流伺服電機電刷和換向器容易磨損、換向時會產(chǎn)生火花而使最

2、高轉(zhuǎn)速和使運用環(huán)境向器容易磨損、換向時會產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速和使運用環(huán)境遭到限制，以交流伺服電動機作為驅(qū)動元件的交流伺服系統(tǒng)得遭到限制，以交流伺服電動機作為驅(qū)動元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速開展，逐漸取代了直流伺服電機，是當(dāng)今全數(shù)字伺服驅(qū)到迅速開展，逐漸取代了直流伺服電機，是當(dāng)今全數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)的開展趨勢。動系統(tǒng)的開展趨勢。 5-5-1 概述概述 5-5 交流伺服電動機及控制交流伺服電動機及控制交流伺服電機的技術(shù)支持：交流伺服電機的技術(shù)支持：永磁資料永磁資料控制實際和技術(shù)控制實際和技術(shù)大功率半導(dǎo)體器件大功率半導(dǎo)體器件微型計算機技術(shù)微型計算機技術(shù)大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路1. 交流伺服電機的特點

3、交流伺服電機的特點2) 永磁同步交流伺服電動機的特點：永磁同步交流伺服電動機的特點：體積小，效率高，運轉(zhuǎn)可靠。體積小，效率高，運轉(zhuǎn)可靠。調(diào)速方便、機械特性好。調(diào)速方便、機械特性好。調(diào)速范圍寬。調(diào)速范圍寬。建模難度大、控制算法復(fù)雜。建模難度大、控制算法復(fù)雜。1) 異步交流伺服電機的特點：異步交流伺服電機的特點：分量輕，價錢廉價。分量輕，價錢廉價。轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化較大，低速時運動平穩(wěn)性較差轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化較大，低速時運動平穩(wěn)性較差靜止時自鎖轉(zhuǎn)矩小。靜止時自鎖轉(zhuǎn)矩小。 5-5-1 概述概述第五章第五章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動機及控制交流伺服電動機及控制 5-5-1 概述概述 5-

4、5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 5-5-4 永磁同步交流伺服電機的構(gòu)造永磁同步交流伺服電機的構(gòu)造 5-5-5 永磁同步交流伺服電機的數(shù)學(xué)模型永磁同步交流伺服電機的數(shù)學(xué)模型 5-5-6 交流伺服電機的速度控制交流伺服電機的速度控制 5-5-7 交流伺服電機的位置控制交流伺服電機的位置控制1. 交流電機的速度和位置控制根底交流電機的速度和位置控制根底 對電機轉(zhuǎn)矩控制的精度決議了電機的調(diào)速精度，也決議了電機對電機轉(zhuǎn)矩控制的精度決議了電機的調(diào)速精度，也決議了電機的位置控制精度。對直流電機而言，在額定功率以下的調(diào)壓控制可的位置控制精度。對直流電

5、機而言，在額定功率以下的調(diào)壓控制可準(zhǔn)確的控制轉(zhuǎn)矩，因此直流伺服電機可以用于進(jìn)給系統(tǒng)；對于主軸準(zhǔn)確的控制轉(zhuǎn)矩，因此直流伺服電機可以用于進(jìn)給系統(tǒng)；對于主軸驅(qū)動系統(tǒng)的速度控制，直流電機可采用恒功率下的調(diào)磁調(diào)速。驅(qū)動系統(tǒng)的速度控制，直流電機可采用恒功率下的調(diào)磁調(diào)速。 對于交流電機而言，由于其同步轉(zhuǎn)速為對于交流電機而言，由于其同步轉(zhuǎn)速為n=60fn=60f，因此無論對于交，因此無論對于交流永磁同步電機還是異步電機，速度調(diào)理首先必需調(diào)整旋轉(zhuǎn)磁場的流永磁同步電機還是異步電機，速度調(diào)理首先必需調(diào)整旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速。轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速。 對位置精度要求不高的主軸驅(qū)動系統(tǒng)，通常采用對位置精度要求不

6、高的主軸驅(qū)動系統(tǒng)，通常采用“交流異步電機交流異步電機+ +通用變頻器調(diào)理主軸轉(zhuǎn)速。通用變頻器調(diào)理主軸轉(zhuǎn)速。 5-5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理異步交流電機異步交流電機 /600pfn磁場同步轉(zhuǎn)速：磁場同步轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：分）轉(zhuǎn) /( )1(0nsn電機轉(zhuǎn)矩公式：電機轉(zhuǎn)矩公式： 5-5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理 目前，交流調(diào)速中運用最廣的是目前，交流調(diào)速中運用最廣的是“交交直直交變換，普通采用交變換，普通采用PWM逆變器。逆變器。PWM調(diào)制方法有很多種，在交流電機調(diào)速中最根本、調(diào)制方法有很多種，在交流電機調(diào)速中最根本、運用最廣泛的調(diào)制方法是

7、運用最廣泛的調(diào)制方法是SPWM(正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制)、和、和SVPWM空空間矢量脈寬調(diào)制，使定子產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場，進(jìn)而實現(xiàn)交流電機間矢量脈寬調(diào)制，使定子產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場，進(jìn)而實現(xiàn)交流電機的速度控制。的速度控制。2、交流電機的根本調(diào)速原理、交流電機的根本調(diào)速原理 5-5 交流伺服電動機及控制交流伺服電動機及控制IPMVT1VT3VT5VT4VT6VT2RSTUVWM3 開關(guān)功放開關(guān)功放控制信號控制信號1) SPWM1) SPWM根本原理根本原理雙極性調(diào)制法單相雙極性調(diào)制法單相VT1VT2調(diào)制電路UdurucLVD1VD2 5-5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理 單

8、相單相SPWMSPWM根本原理根本原理 SPWM(SPWM(正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制) ) 以三角波為載波，正弦波以三角波為載波，正弦波為調(diào)制波，其頻率和幅值可調(diào)，兩波形交點決議逆變器開為調(diào)制波，其頻率和幅值可調(diào)，兩波形交點決議逆變器開關(guān)管形狀。關(guān)管形狀。單相單相SPWMSPWM根本原理根本原理 當(dāng)調(diào)制波為正半周，當(dāng)正弦波高于三角波時，當(dāng)調(diào)制波為正半周，當(dāng)正弦波高于三角波時，VT1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VT2關(guān)斷，使負(fù)載上得到的相電壓為關(guān)斷，使負(fù)載上得到的相電壓為u0=Ud/2；當(dāng)正弦波低；當(dāng)正弦波低于三角波時，于三角波時，VT1關(guān)斷、關(guān)斷、VD2續(xù)流二極管釋放能量，負(fù)載上的續(xù)流二極管釋放能量，負(fù)載

9、上的相電壓為相電壓為u0 = -Ud/2；實現(xiàn)雙極性調(diào)制。；實現(xiàn)雙極性調(diào)制。VT1VT2調(diào)制電路UdurucLVD1VD2 5-5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理三相三相SPWM根本原理根本原理雙極性調(diào)制法三相雙極性調(diào)制法三相 經(jīng)過改動調(diào)制波的幅值，可改經(jīng)過改動調(diào)制波的幅值，可改 變逆變器輸出電壓的幅值；變逆變器輸出電壓的幅值； 經(jīng)過改動調(diào)制波的頻率，可改經(jīng)過改動調(diào)制波的頻率，可改動逆變器輸出基波的頻率。動逆變器輸出基波的頻率。 5-5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 5-5-2 交流電

10、機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理第五章第五章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動機及控制交流伺服電動機及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 5-5-4 永磁同步交流伺服電機的構(gòu)造永磁同步交流伺服電機的構(gòu)造 5-5-5 永磁同步交流伺服電機的數(shù)學(xué)模型永磁同步交流伺服電機的數(shù)學(xué)模型 5-5-6 交流伺服電機的速度控制交流伺服電機的速度控制 5-5-7 交流伺服電機的位置控制交流伺服電機的位置控制直流伺服電機直流伺服電機 單純的變頻調(diào)速無法處理交流電機的轉(zhuǎn)矩控制，由于交流電單純的變頻調(diào)速無法處理

11、交流電機的轉(zhuǎn)矩控制，由于交流電機的勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流耦合在一同，因此難以象直流電機那機的勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流耦合在一同，因此難以象直流電機那樣直接實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)磁控制，這就是早期進(jìn)給伺服驅(qū)動采用直樣直接實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)磁控制，這就是早期進(jìn)給伺服驅(qū)動采用直流電機的緣由，也是單純采用變頻調(diào)速的主軸系統(tǒng)速度和位置流電機的緣由，也是單純采用變頻調(diào)速的主軸系統(tǒng)速度和位置控制精度不高的緣由。要想使交流電機到達(dá)同樣的調(diào)速性能，控制精度不高的緣由。要想使交流電機到達(dá)同樣的調(diào)速性能，就需求將勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流解耦，這就是矢量控制。就需求將勵磁電流與轉(zhuǎn)矩電流解耦，這就是矢量控制。 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理Te

12、CtIaEaCenUEa+RaIa直流電機方程直流電機方程 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 idiqw0w0F Fqdiaibw0w0F Fb ba aiaibicw0w0F FabcWVU三相交流坐標(biāo)系三相交流坐標(biāo)系a-b-ca-b-c兩相直角坐標(biāo)系兩相直角坐標(biāo)系a - ba - b兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d - qd - qClarkeClarke變換變換3 3相相/2/2相變換相變換ParkPark變換變換ParkPark逆變換逆變換ClarkeClarke逆變換逆變換2 2相相/3/3相變換相變換2. 2. 交流電機矢量變換的數(shù)學(xué)模型交流電機矢量變換的數(shù)學(xué)模型IPMADCCl

13、arke變換Park Clarke變換SVPWMUW整流濾波整流濾波DCAC + +電流控制M3UUUVibPark變換Park逆變換iUiWiaidiq速度控制+ +指令速度iqridriaribr編碼器編碼器微分 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理3. 3. 矢量變換的運用矢量變換的運用矢量變換控制原理框圖矢量變換控制原理框圖第五章第五章 伺服驅(qū)動系統(tǒng)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動機及控制交流伺服電動機及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流電機的根本調(diào)速原理交流電機的根本調(diào)速原理 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 5-5-4 永磁同步交流伺服電機的構(gòu)造永磁同步交流伺服電機

14、的構(gòu)造 5-5-5 永磁同步交流伺服電機的數(shù)學(xué)模型永磁同步交流伺服電機的數(shù)學(xué)模型 5-5-6 交流伺服電機的速度控制交流伺服電機的速度控制 5-5-7 交流伺服電機的位置控制交流伺服電機的位置控制2. 交流伺服電機的任務(wù)方式交流伺服電機的任務(wù)方式 扭矩控制方式；扭矩控制方式； 速度控制方式；速度控制方式； 位置控制方式。位置控制方式。模擬量輸入；模擬量輸入；數(shù)字輸入選擇數(shù)字輸入選擇8-16種內(nèi)部速度；種內(nèi)部速度；串行通訊。串行通訊。脈沖輸入；脈沖輸入；串行通訊。串行通訊。Dir + clkUp Down；AB相正交脈沖。相正交脈沖。模擬量輸入；模擬量輸入； 5-5-1 概述概述 5-5-1 概述概述3. 交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)任務(wù)方式交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)任務(wù)方式1 閉環(huán)速度控制閉環(huán)速度控制/扭矩任務(wù)方式扭矩任務(wù)方式交流伺服驅(qū)動器交流伺服驅(qū)動器速度速度控制控制電流電流控制控制位置位置控制控制d/dtCNC位置位置反響反響位置位置控制控制伺服伺服電機電機任務(wù)臺任務(wù)臺模擬電壓模擬電壓 5-5-1 概述概述3. 交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)任務(wù)方式交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)任務(wù)方式2 高速伺服總線閉環(huán)控制任務(wù)方式高速伺服總線閉環(huán)控制任務(wù)方式伺服伺服驅(qū)動器驅(qū)動器伺服伺服電機電機編碼器編碼器光柵光柵伺服伺服驅(qū)動器驅(qū)動器PLC伺服伺服電機電機CNC 5-5-