交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制

1、第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.4 交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制5.4.1 交流伺服電機(jī)特點(diǎn)及其調(diào)速方法交流伺服電機(jī)特點(diǎn)及其調(diào)速方法 5.4.2 變頻器調(diào)速裝置（變頻器調(diào)速裝置（VFD）5.4.3 交流伺服系統(tǒng)組成交流伺服系統(tǒng)組成5.4.4 交流伺服電機(jī)的矢量控制及應(yīng)用實(shí)例交流伺服電機(jī)的矢量控制及應(yīng)用實(shí)例第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.4.1 交流伺服電機(jī)特點(diǎn)及其調(diào)速方法交流伺服電機(jī)特點(diǎn)及其調(diào)速方法 直流伺服電機(jī)具有電刷和整流子，尺寸較大且必須經(jīng)常維修，使用環(huán)境也受到一定影響，特別是其容量較小，受換向器限制，很多特性參數(shù)隨速度而變化，因而限制

2、了直流伺服電機(jī)向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。 交流伺服電機(jī)采用了全封閉無(wú)刷結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，不需要定期檢查和維修。其定子省去了鑄件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊、外形小、重量輕(只有同類(lèi)直流電機(jī)的7590)。定子鐵芯較一般電機(jī)開(kāi)槽多且深，繞組繞在定子鐵芯上，絕緣可靠，磁場(chǎng)均勻?？蓪?duì)定子鐵芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機(jī)械部分的熱量小，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)子采用具有第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩慣量比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，運(yùn)行平穩(wěn)。因此交流伺服電機(jī)以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應(yīng)用。 但是交流電機(jī)的控制性能沒(méi)有直流電機(jī)的好，也正是由于這一點(diǎn)，交流伺

3、服系統(tǒng)的發(fā)展歷史沒(méi)有直流伺服系統(tǒng)早，在過(guò)去較長(zhǎng)的一段時(shí)間遠(yuǎn)沒(méi)有直流伺服系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。 隨著電子學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服的發(fā)展極為迅速，已進(jìn)入與直流伺服相媲美、相競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，并有取而代之的趨勢(shì)。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：)1(60spfn00nnns 式中，f定子電源頻率，s轉(zhuǎn)差率；p極對(duì)數(shù)，n0同步轉(zhuǎn)速。 根據(jù)上式，可得到不同的交流電機(jī)調(diào)速的方法： (1)轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)電阻改變轉(zhuǎn)差率，這種方法調(diào)速機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行時(shí)電阻損耗很大。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) (2)改變定子電壓來(lái)改變轉(zhuǎn)差率，這種

4、方法損耗也很大。 (3)改變極對(duì)數(shù)來(lái)改變轉(zhuǎn)速，這種方法調(diào)速是有級(jí)的，而且調(diào)速范圍窄。 (4)改變定子供電頻率，可以平滑地改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這種方法最為理想，稱(chēng)又交流變頻調(diào)速交流變頻調(diào)速，其裝置叫變頻器調(diào)速裝置變頻器調(diào)速裝置(VFD)。 目前高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)大都采用變頻調(diào)速方法來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。為了保持在調(diào)速時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通恒定，這時(shí)就需要定子供電電壓做相應(yīng)調(diào)節(jié)。因此，對(duì)交流電機(jī)供電的變頻器一般都要求兼有調(diào)頻調(diào)壓兩種功能。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.4.2 變頻器調(diào)速裝置（變頻器調(diào)速裝置（VFD） 一一.晶閘管變頻器的工作原理晶閘管變頻器的工作原理 圖

5、5-36所示為交直交變頻器的主電路，它由整流器整流器、中間濾波環(huán)節(jié)中間濾波環(huán)節(jié)及逆變器逆變器三部分組成。整流器整流器為晶閘管三相橋式電路，它的作用是將恒壓恒頻交流電變換為直流電，然后再用作逆變器的直流供電電源。逆變器逆變器也是晶閘管三相橋式電路，但它的作用與整流器相反，它是將直流電變換調(diào)制為可調(diào)頻率的交流電，是變頻器的主要組成部分。中間濾波環(huán)節(jié)中間濾波環(huán)節(jié)由電容器、電抗器組成，它的作用是對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 負(fù)載整 流逆 變圖5-36 交直交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(a)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-36 交直交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(

6、b)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) V0R0M3圖5-36 交直交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(c)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 二二.脈寬調(diào)制方法（脈寬調(diào)制方法（PWD） 逆變器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心。圖5-37為三相橋式逆變器的原理電路圖，它采用電力晶體管GTR作開(kāi)關(guān)元件(也可以用其他開(kāi)關(guān)元件)。 負(fù)載為三相對(duì)稱(chēng)電阻負(fù)載。由各開(kāi)關(guān)管的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別整制各開(kāi)關(guān)管的通斷?；鶚O驅(qū)動(dòng)信號(hào)在電路中一般常以載頻信號(hào)uc與參考信號(hào)ur相比較產(chǎn)生，這里uc采用單極性等腰三角形波形，而ur采用直流電壓。在uc和ur波形相交處發(fā)出調(diào)制信號(hào)，部分脈沖調(diào)制波形如圖5-38所示，那是經(jīng)過(guò)三相對(duì)稱(chēng)倒相

7、后a、b兩點(diǎn)的相位波形， uoo和相電壓uao的脈沖列波形。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-37 三相橋式逆變器的原理電路圖(a)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-37 三相橋式逆變器的原理電路圖(b)調(diào)制電路信號(hào)波載波urucUdV1V2VD1VD2RLuoVD3VD4V3V4第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-38第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在圖示的波形中，輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)有12個(gè)等腰三角形。輸出波形正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)，主回路中的6個(gè)開(kāi)關(guān)元件都是半周工作，通斷6次輸出6個(gè)等幅、等寬、等距的脈沖列，另半周總處于截止?fàn)顟B(tài)。這6

8、個(gè)開(kāi)關(guān)元件是以VT1VT6的順序輪流工作的。 輸出的電壓波形每半個(gè)周期出現(xiàn)6個(gè)等寬、等距脈沖，中間2個(gè)脈幅高(等于2U/3)，兩邊4個(gè)脈幅低(等于U/3)，正負(fù)半周對(duì)稱(chēng)。 從波形圖可以清楚地看出：當(dāng)三角形波幅值一定，改變參考直流信號(hào)ur的大小，輸出脈沖的寬度即隨之改變，從而改變輸出的交流電壓大小。當(dāng)改變載頻三角波的頻率而保持每周輸出脈沖數(shù)不變時(shí)，就可以第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。顯然，同時(shí)改變?nèi)遣ǖ念l率和參考直流信號(hào)電壓ur的大小、就可以使逆變器在輸出變頻的同時(shí)相應(yīng)地改變電壓的大小。 如果取正弦波作為參考信號(hào)ur，它與三角波相比較后可得到矩形波，這是一組

9、寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，這種調(diào)制方式稱(chēng)為正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制，簡(jiǎn)稱(chēng)SPWM。 如圖5-39所示，為單相單極性SPWM控制方式原理圖。正弦波參考信號(hào)ur（也稱(chēng)調(diào)制信號(hào)）的正半周由三角波uc （也稱(chēng)載波信號(hào)）劃分為K份，每一份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 等高矩形脈沖的面積所代替，這樣由K個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形uo與正弦波的正半周等效。正弦波調(diào)制信號(hào)的負(fù)半周也可用相同的方法來(lái)等效。 工程上獲得SPWM調(diào)制波的方法是根據(jù)三角波與正弦波的相交點(diǎn)來(lái)確定逆變器功率開(kāi)關(guān)的工作時(shí)間的。調(diào)節(jié)正弦波的頻率或者幅位使可以相

10、應(yīng)地改變逆變器輸出電壓基波的頻率或幅值。 如圖5-40所示，為單相雙極性SPWM控制方式原理圖。在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖5-41所示的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-39 單相單極性SPWM控制方式原理uucurttuofuouoOOUd第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-40 單相雙極性PWM控制方式原理ucuruttuoUdOOUduofuo第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 調(diào)制電路urUV1V4VD1VD2NCC2dU2dUUV3V6VD3VD4VV2VD5VD2WurVurWu

11、c(a)V5圖5-41 三相SPWM逆變電路圖(a)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-41 三相SPWM逆變電路波形圖(b)NU uuOt2dUO2dU UduUNOOUduUVONW u2dU2dU2dUNV uttttt32dU3dU(b)O2dU第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.4.3 交流伺服系統(tǒng)組成交流伺服系統(tǒng)組成 交流伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分組成。電機(jī)主體是永磁同步式或籠型交流電機(jī)，伺服驅(qū)動(dòng)器通常采用電流型脈寬調(diào)制(PWM)三相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外特性與直流伺服系統(tǒng)相似，以足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍(1：

12、10001：10000)和4象限工作能力來(lái)保證它在伺服控制中應(yīng)用。目前常按電機(jī)類(lèi)型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是同步型交流伺服系統(tǒng)(SM)，另一類(lèi)是異步型交流伺服系統(tǒng)(IM)。絕大多數(shù)用于機(jī)床數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動(dòng)控制、工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)控制和其他第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 需要運(yùn)動(dòng)和位置控制場(chǎng)合的是同步型交流伺服電機(jī)。這種伺服電機(jī)通常具有永磁的轉(zhuǎn)子，故稱(chēng)為永磁交流伺服電機(jī)，以區(qū)別于有籠型轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電機(jī)。在這里主要討論永磁交流伺服系統(tǒng)永磁交流伺服系統(tǒng)。 現(xiàn)代永磁交流伺服系統(tǒng)中所采用的永磁同步電機(jī)經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，同軸安裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器、速度傳感器，根據(jù)需要還可以安裝安全制動(dòng)器和

13、強(qiáng)迫冷卻的風(fēng)機(jī)等。 永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按照其工作原理、驅(qū)動(dòng)電流波形和控制方式的不同，又可分為兩種伺服系統(tǒng)；矩形波電流驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)和正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁交流伺服系統(tǒng)。其原理分別如圖5-42和5-43所示。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-42 矩形波交流伺服驅(qū)動(dòng)器原理圖第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖5-43 正弦故交流伺服驅(qū)動(dòng)器原理圖第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.4.4 交流伺服電機(jī)的矢量控制及應(yīng)用實(shí)例交流伺服電機(jī)的矢量控制及應(yīng)用實(shí)例第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.5 直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 思考題思考題 5-1 試敘述伺服系統(tǒng)的含義。伺服系統(tǒng)的基本要求是什么？ 5-2 試比較開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺試比較開(kāi)環(huán)、