直流伺服與交流伺服

1、 常用的直流電動(dòng)機(jī)有：永磁式直流電機(jī)（有槽、無槽、杯型、 印刷繞組） 勵(lì)磁式直流電機(jī) 混合式直流電機(jī) 無刷直流電機(jī) 直流力矩電機(jī) 直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)： 永磁式直流電機(jī)類型中的有槽電樞永磁直 流電機(jī)（普通型）； 直流主軸伺服系統(tǒng)： 勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的他激直流電機(jī)。 6.4 直流伺服電機(jī)( (一）一）直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)極靴極靴機(jī)殼機(jī)殼瓦狀永磁材料（定子）瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極換向極主磁極主磁極定子定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子線圈線圈圖圖6.5永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖圖6.6直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 6.4 直流伺服電機(jī)1.

2、 靜態(tài)特性 電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示: （6.1） KT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； 磁場磁通；Ia 電樞電流；TM 電磁 轉(zhuǎn)矩。電樞回路的電壓平衡方程式為: （6.2） Ua 電樞上的外加電壓；Ra 電樞電阻；Ea 電樞反電勢。 電樞反電勢與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系： （6.3） Ke電勢常數(shù)；電機(jī)轉(zhuǎn)速（角速度）。 根據(jù)以上各式可以求得： （6.4）（二）一般（二）一般直流電機(jī)的工作特性直流電機(jī)的工作特性 aTMIKT aaaaERIU eaKE M2TeaeaTKKRKU 6.4 直流伺服電機(jī) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)： 理想空載轉(zhuǎn)速 （6.5） 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)： 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ( 6.6） 當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)某一負(fù)載TL時(shí) 電機(jī)轉(zhuǎn)速與理

3、想空載轉(zhuǎn)速的差 （6.7） ea0KU TgasKRUT L2TeaTKKR 圖圖6.76.7 直流電機(jī)的機(jī)械特性直流電機(jī)的機(jī)械特性（n n） O OO O TS T TL 6.4 直流伺服電機(jī)（二）一般一般直流電機(jī)的工作特性直流電機(jī)的工作特性 2. 動(dòng)態(tài)特性直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程式為 （6.8） 式中 TM 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； TL 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度； J 電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； t 時(shí)間自變量。 dtdJTTLM 6.4 直流伺服電機(jī)（二）一般一般直流電機(jī)的工作特性直流電機(jī)的工作特性 1. 永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn) 1) 低轉(zhuǎn)速大慣量 2) 轉(zhuǎn)矩大 3) 起動(dòng)力

4、矩大 4) 調(diào)速泛圍大，低速運(yùn)行平穩(wěn)，力矩波動(dòng)小 2. 永磁直流伺服電機(jī)性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述 1) 轉(zhuǎn)矩-速度特性曲線（工作曲線） 2) 負(fù)載-工作周期曲線 過載倍數(shù)Tmd，負(fù)載工作周期比 d。 3) 數(shù)據(jù)表：N、T、時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等。 （三）（三）永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性 6.4 直流伺服電機(jī) d% 80 110% 120% 60 130% 140% 40 160% d 180% 20 200% 0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min) 圖圖69負(fù)載負(fù)載-工作周期曲線工作周期曲線M/（N-cm） 轉(zhuǎn)矩極限轉(zhuǎn)矩極限 12000 10

5、000 瞬時(shí)換向極限瞬時(shí)換向極限 8000 6000 換向極限換向極限 速度極限速度極限 4000 溫度極限溫度極限 2000 0 500 1000 1500 n 圖圖6 68 8永磁直流伺服電機(jī)工作曲線永磁直流伺服電機(jī)工作曲線 區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；區(qū)為連續(xù)工作區(qū)； 區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負(fù)區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負(fù)載載- -工作周期曲線決定工作時(shí)間；工作周期曲線決定工作時(shí)間；區(qū)為瞬時(shí)加區(qū)為瞬時(shí)加減速減速區(qū)區(qū) （三）（三）永磁直流伺服電機(jī)的工作特性永磁直流伺服電機(jī)的工作特性 6.4 直流伺服電機(jī) 3.永磁直流伺服電機(jī)的工作特性曲線永磁直流伺服電機(jī)的工作特性曲線 （四）主軸直流伺服電機(jī)的工作原理和特性 O n

6、j nmax nP,T1 2圖圖6. .10 直流主軸電機(jī)特性曲線直流主軸電機(jī)特性曲線 1-1-轉(zhuǎn)矩特性曲線轉(zhuǎn)矩特性曲線 2-2-功率特性曲線功率特性曲線6.4 直流伺服電機(jī)（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 1.、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理 根據(jù)機(jī)械特性公式可知調(diào)速有二種方法:電樞電壓Ua和氣隙磁通 改變電樞外加電壓Ua :由于繞組絕緣耐壓的限制，調(diào)壓只能在額定 轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 改變氣隙磁通量：改激磁電流即可改，在Ua恒定情況下，磁場接 近飽和，故只能弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行。屬于恒功率調(diào)速。 2.直流速度控制單元調(diào)速控方式 晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng) 晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速

7、系統(tǒng) 0M2TeaeaTKKRKUnnTCCRCUn0M2Teaea 6.4 直流伺服電機(jī)(1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)1）系統(tǒng)的組成 包括 控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。 速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（PI），作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。 電流環(huán)：電流調(diào)節(jié)(P或PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。 觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移。 可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。速度速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器電流電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖發(fā)生器發(fā)生器可控硅可控硅整流器整流器電流反饋電流反饋速度反饋速度反饋電流檢測電流檢測編碼器編碼器電機(jī)電機(jī)UR

8、+-UfIfIR+-E1ES（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制晶 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)2）主回路工作原理組成：由大功率晶閘 管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電路，分成二大部分（ 和 ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。 原理原理 ： 三相整流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成三相整流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成共陰極組共陰極組 （1 1、3 3、5 5）和共陽極組（）和共陽極組（2 2、4 4、6 6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一 個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通。個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通。 1 1、3 3

9、、5 5在正半周導(dǎo)通，在正半周導(dǎo)通， 2 2、4 4、6 6在負(fù)半周導(dǎo)通。每在負(fù)半周導(dǎo)通。每 組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差120120 ，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差180180 。 按管號排列，觸發(fā)脈沖的順序：按管號排列，觸發(fā)脈沖的順序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差，相鄰之間相位差6060 。 為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通，或已截止的相再次導(dǎo)通或已截止的相再次導(dǎo)通， 采用雙脈沖控制。既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通采用雙脈沖控制。既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通6060 后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔

10、助脈沖；也后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也 可以采用寬脈沖控制，寬度大于可以采用寬脈沖控制，寬度大于6060 ，小于，小于120120 。462791113581210ABCMUMUDKMKM+-（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)原理：主回路波形圖主回路波形圖uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056 只要改變可控只要改變可控硅觸發(fā)角（即改變硅觸發(fā)角（即改變導(dǎo)通角），就能改導(dǎo)通角），就能改變可控硅的整流輸變可

11、控硅的整流輸出電壓，從而改變出電壓，從而改變直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。速。 觸發(fā)脈沖提前觸發(fā)脈沖提前來，增大整流輸出來，增大整流輸出電壓；觸發(fā)脈沖延電壓；觸發(fā)脈沖延后來，減小整流輸后來，減小整流輸出電壓。出電壓。（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)3）控制回路分析觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的過程：改變觸發(fā)角，即改變控制角U1U2R1R2R3C-+同步信號同步信號過零信號過零信號由速度由速度F變換來的變換來的電流調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器輸出的器輸出的直流信號直流信號,123同步信號同步信號方波信號方波信號矩齒波矩齒波矩齒波與直矩齒波與直流電壓疊加流電壓疊加 信號信號尖脈沖尖

12、脈沖直流電壓直流電壓（可控硅導(dǎo)通時(shí)間），可調(diào)速?？煽毓鑼?dǎo)通時(shí)間），可調(diào)速。 沒反饋是開環(huán)，特性軟。沒反饋是開環(huán)，特性軟。1-同步電路同步電路 2-移向控制電路移向控制電路3-脈沖分配器脈沖分配器 電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器:同上，加快電流的反應(yīng)。同上，加快電流的反應(yīng)。 觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā)觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā) 電路，與電路，與F直流信號疊加。直流信號疊加。 速度調(diào)節(jié)器：比例積分速度調(diào)節(jié)器：比例積分PI，高放大（相，高放大（相當(dāng)當(dāng) C短路）短路）緩放大緩放大增放大增放大穩(wěn)定（相當(dāng)穩(wěn)定（相當(dāng)C 開路）無靜差。開路）無靜差。（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 (1)晶閘管調(diào)速系

13、統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī) 總結(jié) 速度控制的原理： 調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號增大時(shí)，則有較大的偏差信號加到調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)測速反饋信號也增大，與大的速度給定相匹配達(dá)到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號增大，其輸出信號也增大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。 電網(wǎng)波動(dòng)：電流調(diào)節(jié)器通過電流反饋信號還起快速的維持和調(diào)節(jié)電流 作用，如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于

14、慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原來值，從而抑制了主回路電流的變化。 啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)（2） 晶體管脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)1）系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)速度調(diào)節(jié)器速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)脈寬調(diào)節(jié)振蕩器振蕩器脈寬調(diào)節(jié)脈寬調(diào)節(jié)MG電流反饋電流反饋Uusrus f整流整流功放功放（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制6.4 直流伺服電機(jī) 主回路： 大功率晶體管開關(guān)放大器； 功率整流器。

15、 控制回路： 速度調(diào)節(jié)器； 電流調(diào)節(jié)器； 固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器； 脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。 區(qū)別： 與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié) 器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。 直流脈寬調(diào)制：功率放大器中的大功率晶體管工作在開 關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期 內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度） 的方法來改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制 脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用 則為波動(dòng)很小的直流電壓（平均電壓）。 脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制（2）PWM調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理周

16、期不變周期不變周期不變周期不變脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬脈寬平均直流電壓平均直流電壓脈沖寬度正比代表速度脈沖寬度正比代表速度F值的直流電壓值的直流電壓Ut（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制（2）PWM調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)2） 脈寬調(diào)制器ttU U +U S rU +U S rU S CU S CU S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器電路圖同向加法放大器電路圖U S r 速度指令轉(zhuǎn)化過速度指令轉(zhuǎn)化過 來的直流電壓來的直流電壓U - - 三角波三角波USC- - 脈寬調(diào)制器的輸脈寬調(diào)制器的輸 出（出（ U S r +U ）調(diào)制波形圖調(diào)制波形圖R1+12VUSCR1R3

17、R2+-12VU S rU -US r為為0時(shí)時(shí)調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波平均電壓為平均電壓為0US r為正時(shí)為正時(shí)US r為負(fù)時(shí)為負(fù)時(shí)調(diào)制出脈寬較寬的波形調(diào)制出脈寬較寬的波形平均電壓為正平均電壓為正調(diào)制出脈寬較窄的波形調(diào)制出脈寬較窄的波形平均電壓為負(fù)平均電壓為負(fù)（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制（2）PWM調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)3） 開關(guān)功率放大器主回路：可逆主回路：可逆H型雙極式型雙極式PWM 開關(guān)功率放大器開關(guān)功率放大器電路圖電路圖: 由四個(gè)大功率晶體管由四個(gè)大功率晶體管 （GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4 及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋

18、式電路。式電路。H型：型： 又分為又分為雙極式、單極雙極式、單極式和受限單極式和受限單極式三種。式三種。Ub1、 Ub2、Ub3Ub4 為調(diào)制器為調(diào)制器輸出，經(jīng)脈沖輸出，經(jīng)脈沖分配、基極驅(qū)分配、基極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的動(dòng)轉(zhuǎn)換過來的脈沖電壓。分脈沖電壓。分別加到別加到T1 、T2、T3 、T4的基極。的基極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS -USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（五）

19、直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制（2）PWM調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)工作原理：工作原理： T1 和和T4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub1= Ub4。T2和和T3同同 時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓Ub2= Ub3 = Ub1。以正脈沖較寬為例，。以正脈沖較寬為例， 既正轉(zhuǎn)時(shí)。既正轉(zhuǎn)時(shí)。 負(fù)載較重時(shí)：負(fù)載較重時(shí)：電動(dòng)狀態(tài)：電動(dòng)狀態(tài)：當(dāng)當(dāng)0t t1時(shí)，時(shí)， Ub1、Ub4為正，為正， T1 和和T4 導(dǎo)通；導(dǎo)通；Ub2、Ub3 為負(fù)為負(fù)， T2和和T3截止。電機(jī)端電壓截止。電機(jī)端電壓UAB=US，電樞電流電樞電流id= id1，由，由US T1

20、T4 地。地。續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)：在在t1 t T時(shí)，時(shí)， Ub1、Ub4為負(fù)為負(fù)， T1 和和T4截止；截止； Ub2、Ub3 變正，但變正，但T2和和T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵诓⒉荒芰⒓磳?dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼袃δ艿碾姌须姼袃δ艿?作用下作用下，電樞電流電樞電流id= id2，由，由D2 D3續(xù)流，在續(xù)流，在D2、 D3 上的壓降使上的壓降使T2 、 T3的的c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。極承受反壓不能導(dǎo)通。 UAB=-US。接著再變到接著再變到電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流 維持電動(dòng)狀態(tài)維持電動(dòng)狀態(tài)反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。 負(fù)載較輕時(shí)：負(fù)載較輕時(shí)： 反接制動(dòng)狀態(tài)

21、，電流反向：反接制動(dòng)狀態(tài)，電流反向： 狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則id小，小，續(xù)流續(xù)流 電流很快衰減到零，即電流很快衰減到零，即t =t2 時(shí)時(shí)（見（見上面右圖上面右圖），），id=0。在在t2 T 區(qū)段區(qū)段， T2 、T3 在在US 和反電動(dòng)勢和反電動(dòng)勢E的共同作用下的共同作用下導(dǎo)通導(dǎo)通，電樞電流反向，電樞電流反向，id= id3 由由US T3 T2 地。電機(jī)處于地。電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。反接制動(dòng)狀態(tài)。 電樞電感儲能維持電流反向：電樞電感儲能維持電流反向：在在T t3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變，區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變， T2 、T3截止，因截止，因電樞電感維持電流，電樞

22、電感維持電流， id= id4，由，由D4 D1。（五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制（2）PWM調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止：電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負(fù)由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。 當(dāng)當(dāng)正正脈沖較寬時(shí)，既脈沖較寬時(shí)，既t1 T/2，平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng)當(dāng)正正脈沖較窄時(shí)，既脈沖較窄時(shí)，既t1 T/2 ，平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 如果正、負(fù)如果正、負(fù)脈沖寬度相等，脈沖寬度相等，t1=T/2 ，平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。電機(jī)速度的改變：電機(jī)速度的改變： 電樞上的電樞上的平均平均

23、電壓電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度 決定的。決定的。雙極性雙極性：由以上分析表明：由以上分析表明：可逆可逆H型雙極式型雙極式PWM開關(guān)功率放大器，無論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)開關(guān)功率放大器，無論負(fù)載是重還是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都在是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都在US和和 US之間變換一次，故稱為雙極性。之間變換一次，故稱為雙極性。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制（2）PWM調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)（4）PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)頻帶寬、頻率高: 晶體管“結(jié)電容”小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高

24、于可控（50Hz)， 可達(dá)2-10KHz。快速性好。電流脈動(dòng)小: 由于PWM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對電流脈動(dòng) 由平滑作用，波形系數(shù)接近于1。電源的功率因數(shù)高: SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸 變、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。 PWM 系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。動(dòng)態(tài)硬度好: 校正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，頻帶寬，動(dòng)態(tài)硬度高。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制（2）PWM調(diào)速系統(tǒng)6.4 直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)： 它的電刷和換向器易磨損； 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，應(yīng)用環(huán)境的限制； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； 輸出功率大、

25、電壓和轉(zhuǎn)速提高交流伺服電機(jī)形式： 同步型交流伺服電機(jī)和 異步型交流感應(yīng)伺服電機(jī)。 VSVS6.5 交流伺服電機(jī)交流同步伺服電機(jī)的種類： 勵(lì)磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式 （1）永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 一永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 VSVS定定子轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子 脈沖編碼器脈沖編碼器定子三相繞組定子三相繞組 接線盒接線盒圖圖 永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu) 6.5 交流伺服電機(jī) （2）永磁交流同步伺服電機(jī)工作原理和性能 n（r/min） VSNns nr S 圖圖61 12 工作原理工作原理 圖圖61 13 特性曲線特性曲線T（N-cm） 12000100008000600

26、0400020000100020003000 6.5 交流伺服電機(jī)一永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 交流主軸電機(jī)的要求：大功率低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率 鼠籠式交流異步伺服電機(jī)圖614交流主軸電機(jī)與普通交流 異步感應(yīng)電機(jī)的比較圖示意圖 圖615 交流主軸伺服電機(jī)的特性曲線二交流主軸伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 交流主軸電機(jī)交流主軸電機(jī) 普通交流普通交流 異步感應(yīng)電機(jī)異步感應(yīng)電機(jī) 通風(fēng)孔通風(fēng)孔 P（KW） 8 6 4 2 02000 4000 6000 8000 12000 n（r/min） 6.5 交流伺服電機(jī) （1）永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展 新永磁材料的應(yīng)用 釹鐵硼 永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革 內(nèi)裝

27、永磁交流同步伺服電機(jī) 與機(jī)床部件一體化的電機(jī) 空心軸永磁交流同步伺服電機(jī)（2）交流主軸伺服電機(jī)的發(fā)展 輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī) 三角-星形切換，繞組數(shù)切換或二者組合切換。 液體冷卻電機(jī) 內(nèi)裝式主軸電機(jī)三、交流伺服電機(jī)的發(fā)展 6.5 交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法1.由電機(jī)學(xué)知，交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式：式中：f 定子電源頻率 p 磁激對數(shù) S 轉(zhuǎn)差率 ns 定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速 n 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 s1pf60n1 異步電機(jī)異步電機(jī) 變頻變頻 用于籠型電機(jī)用于籠型電機(jī) 調(diào)壓（定子電壓）調(diào)壓（定子電壓） 電磁磚差離合器電磁磚差離合器 調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組）調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組） 串級調(diào)速串級調(diào)速 交交直直交交 交交交交

28、 交交直直交交 交交交交變轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)差率差率變頻變頻變頻變頻同步電機(jī)同步電機(jī)交流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)ssnnns由此可知調(diào)速方法：由此可知調(diào)速方法：（6.11）（6.12）6.5 交流伺服電機(jī)對于進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電機(jī)，該電機(jī)沒有轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)速對于進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電機(jī)，該電機(jī)沒有轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)速公式變?yōu)椋汗阶優(yōu)椋簆fn160從式中可以看出：只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。從式中可以看出：只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器分為：變頻器分為： 交交直直交變頻器交變頻器 分電

29、壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流 電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交 流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。 交交交變頻器交變頻器 該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電 變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。 目前對于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交目前對于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交直直交變頻器。交變頻器。 2.正弦脈寬調(diào)制（正弦脈寬

30、調(diào)制（SPWM）變壓變頻器）變壓變頻器基本概念基本概念 1964年德國人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的年德國人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的（6.13）6.5 交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。還有空間電壓矢量脈寬調(diào)制。還有空間電壓矢量PWM、最優(yōu)、最優(yōu)PWM、預(yù)測、預(yù)測PWM、隨機(jī)、隨機(jī)PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化、規(guī)則采樣數(shù)字化PWM等等。等等。 SPWM交交直直交變壓變頻器的原理框圖如下：交變壓變頻器的原理框圖如下：M3UIURUR整流器整流

31、器 固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級管橋式整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級管橋式整流器 結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變。結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變?為逆變器的供電。為逆變器的供電。UI 逆變器逆變器 由六個(gè)功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其控由六個(gè)功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其控 制極（大功率晶體管制極（大功率晶體管GTR為基極為基極 ）輸入由基準(zhǔn)正弦波（由速度指）輸入由基準(zhǔn)正弦波（由速度指 令轉(zhuǎn)化過來的）和三角波疊加出來的令轉(zhuǎn)化過來的）和三角波疊加出來的SPWM調(diào)制波（等幅、不等調(diào)制波（等幅、不等 寬的矩形脈沖波）寬的矩形脈沖波） ，使這些大功率晶體管

32、按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止，使這些大功率晶體管按一定規(guī)律導(dǎo)通、截止， 輸出一系列功率級等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等輸出一系列功率級等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等 寬的矩形脈沖電壓波，即功率級寬的矩形脈沖電壓波，即功率級SPWM電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管GTO、功率場效應(yīng)晶、功率場效應(yīng)晶 體管體管MOSFET、絕緣門極晶體管、絕緣門極晶體管IGBT等。等。6.5 交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法2. SPWM變壓變頻器變壓變頻器正弦脈寬調(diào)制原理正弦脈寬調(diào)制原理（以單相為例）（以單相為例） 正弦脈

33、寬調(diào)制正弦脈寬調(diào)制 （SPWM）波形）波形: 與正弦波等效的一系列等幅不等與正弦波等效的一系列等幅不等 寬的矩形脈沖波，如右下圖所示。寬的矩形脈沖波，如右下圖所示。uttuOOa)b) 等效原理等效原理：把：把正弦分正弦分成成 n 等分，每一區(qū)間的面等分，每一區(qū)間的面積用與其相等的等幅不等積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。寬的矩形面積代替。 正弦的正負(fù)半周均如此正弦的正負(fù)半周均如此處理。處理。6.5 交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法2. SPWM變壓變頻器變壓變頻器 SPWM控制波的生成控制波的生成:正弦波正弦波三角波調(diào)制三角波調(diào)制、方波、方波三角波調(diào)制。三角波調(diào)制。方波發(fā)生器方波

34、發(fā)生器（帶正反饋比較（帶正反饋比較 又有又有RC積分）積分）三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器（積分器）（積分器）三角波與基準(zhǔn)三角波與基準(zhǔn)正弦波疊加正弦波疊加（比較器）（比較器）SPWM調(diào)制波調(diào)制波基準(zhǔn)正弦波基準(zhǔn)正弦波(由速度指令由速度指令轉(zhuǎn)化過來的轉(zhuǎn)化過來的)VD1調(diào)制波調(diào)制波載波載波uutu1:utu1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C 1C 2U0 (ua、ub、 uc )tO-+tut:6.5 交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法2. SPWM變壓變頻器變壓變頻器uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5

35、T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0uB0uC0逆變器輸出逆變器輸出A相等效正弦相等效正弦脈寬電壓波脈寬電壓波逆變器輸出逆變器輸出B相等效正弦相等效正弦脈寬電壓波脈寬電壓波逆變器輸出逆變器輸出C相等效正弦相等效正弦脈寬電壓波脈寬電壓波逆變器輸出線逆變器輸出線電壓等效正弦電壓等效正弦脈寬電壓波脈寬電壓波u1:由由F轉(zhuǎn)換來的轉(zhuǎn)換來的ut改變調(diào)制波的頻改變調(diào)制波的頻率、幅值，就可率、幅值，就可改變最終輸出改變最終輸出 ：變頻變壓的交流變頻變壓的交流電壓電壓主回路：主回路：左半部：整流器左半部：整流器右半部：逆變器右半部：逆變器6.5 交流伺服電機(jī)

36、四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法2. SPWM變壓變頻器變壓變頻器(1).系統(tǒng)的組成：速度環(huán)、電流環(huán) SPWM電路、功放電路 檢測反饋電路 3.交流進(jìn)給伺服電機(jī)的速度控制系統(tǒng)校正校正補(bǔ)償補(bǔ)償乘法器乘法器SPWM功率功率放大放大速度反速度反饋信號饋信號轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)子位置檢測電路檢測電路電流信號電流信號處理電路處理電路傳感器信號處理電路傳感器信號處理電路傳感器傳感器MS3電流電流比較比較速度速度比較比較電流電流傳感傳感+-U(t)6.5 交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法(2) SPWM電路原理電路原理SPWM的控制方法：的控制方法：模擬控制模擬控制 原始的控制方法；原始的控制方法；數(shù)字控制數(shù)字控制微

37、機(jī)存儲事先算好的微機(jī)存儲事先算好的SPWM數(shù)據(jù)表格，由指令調(diào)出，或通過軟數(shù)據(jù)表格，由指令調(diào)出，或通過軟 件實(shí)時(shí)生成。件實(shí)時(shí)生成。專用集成芯片專用集成芯片單片機(jī)微處理器直接帶有單片機(jī)微處理器直接帶有SPWM信號產(chǎn)生功能，并有其輸出端信號產(chǎn)生功能，并有其輸出端 口，如口，如8098、8XC196MC。 去主回路三極管基極 u/f 分頻分頻 u/f 分頻分頻 基準(zhǔn)正弦波基準(zhǔn)正弦波 產(chǎn)生產(chǎn)生三角波三角波發(fā)生器發(fā)生器比較器比較器 SPWM比較疊加ui 壓/頻變換、 分頻器 正弦邏輯三角波邏輯指令比較器比較器 比較器比較器 脈沖脈沖分配分配3. 速度控制系統(tǒng)6.5 交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法

38、SPWM變壓變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：變壓變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：1.主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡化了結(jié)構(gòu)；2.采用了不可控整流器。使電網(wǎng)功率因數(shù)提高；采用了不可控整流器。使電網(wǎng)功率因數(shù)提高；3.逆變器同時(shí)調(diào)頻調(diào)壓，動(dòng)態(tài)相應(yīng)不受中間環(huán)節(jié)影響；逆變器同時(shí)調(diào)頻調(diào)壓，動(dòng)態(tài)相應(yīng)不受中間環(huán)節(jié)影響；4.可獲得更接近于正弦波的輸出電壓波形可獲得更接近于正弦波的輸出電壓波形。6.5 交流伺服電機(jī)四.交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng)1.基本組成分類：鑒相式伺服系統(tǒng) 鑒幅式伺服系統(tǒng) 數(shù)字、脈沖比較式采用相位比較的方法實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)或半閉環(huán)控制6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng)

39、 一、鑒相式伺服系統(tǒng)(1)基準(zhǔn)信號發(fā)生器： 輸出的一列具有一定頻率的脈沖信號，為伺服系統(tǒng)提供相位比較的基準(zhǔn)。(2).脈沖調(diào)相器 (數(shù)字相位轉(zhuǎn)換器) ：將進(jìn)給脈沖信號轉(zhuǎn)換為相位變化信號（可用正弦波或方波表示）(3).檢測元件及信號處理線路： 將工作臺的位移檢測出來，并表達(dá)成與基準(zhǔn)信號之間的相位差；相位差的大小代表了工作臺的實(shí)際位移量。(4)鑒相器：有兩路輸入信號：若沒有進(jìn)給脈沖信號輸入，脈沖調(diào)相器的輸出與基準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出的基準(zhǔn)信號同相位，即兩者沒有相位差；若有進(jìn)給脈沖到來，則每輸入一個(gè)正向或反向脈沖，脈沖調(diào)相器的輸出將超前或滯后基準(zhǔn)信號一個(gè)相應(yīng)的相位角。來自脈沖調(diào)相器的指令進(jìn)給信號來自于檢測元

40、件及信號處理線路的反饋信號兩路信號同頻率、同周期；且都用它們與基準(zhǔn)倍號之間的相位差表示作用： 鑒別出這兩個(gè)信號之間的相位差， 并輸出與此相位差信號成正比的電壓信號。6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng)(5).直流放大器：對鑒相器的輸出信號進(jìn)行電壓和功率放大，然后再去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。2.鑒相式伺服系統(tǒng)的工作原理： 當(dāng)數(shù)控裝置要求工作臺沿一個(gè)方向進(jìn)給時(shí)，插補(bǔ)器或插補(bǔ)軟件便產(chǎn)生一列進(jìn)給脈沖；該進(jìn)給脈沖作為指令信號送入伺服系統(tǒng)。 在伺服系統(tǒng)中，進(jìn)給脈沖首先經(jīng)脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ诨鶞?zhǔn)信號的相位差，設(shè)為（代表了指令要求工作臺的進(jìn)給距離）；在鑒相器中： 和進(jìn)行比較；兩者的差值 ，稱為跟隨誤差。跟隨誤差信號

41、經(jīng)電壓和功率放大后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺移動(dòng)。 利用相位比較原理另一方面，來自于測量元件及信號處理線路的反饋信號也表示成相對于基準(zhǔn)信號的相位差，設(shè)為 (代表了機(jī)床工作臺實(shí)際移動(dòng)的距離)。進(jìn)給開始時(shí): =0 進(jìn)給過程中: =0, =0當(dāng) =0時(shí), 進(jìn)給停止6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng) 3鑒相式伺服系統(tǒng)的類別*若選用不同的測量元件，因其工作原理和輸出的信號形式的 不同，會(huì)造成了測量元件的控制及其輸出信號的處理方法不同旋轉(zhuǎn)變壓器 / 感應(yīng)同步器：輸出正弦信號，工作時(shí)需要一組基準(zhǔn)激磁信號 光柵：輸出信號經(jīng)處理后一般為方波信號，工作時(shí)不需任何激磁信號，只是在信息處理時(shí)，需要一個(gè)基準(zhǔn)脈沖信號考慮到系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和簡化鑒相器結(jié)構(gòu)，當(dāng)測量元件的輸出是方波信號時(shí)，脈沖調(diào)相器的輸出設(shè)計(jì)成方波形式，兩列方波信號在鑒相器中進(jìn)行比較。當(dāng)測量元件的輸出是正弦信號，則要將脈沖調(diào)相器的輸出設(shè)計(jì)成正弦信號形式或者將測量元件輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，以保證相同形式的信號在鑒相器中進(jìn)行比較。選用的測量元件不同，鑒相式伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同*不同的執(zhí)行元件也使鑒相式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成有所不同6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng)鑒相式伺服系統(tǒng)的類別(1)以旋轉(zhuǎn)變壓器為測量元件的半閉