異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及主軸驅(qū)動(dòng)

1、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及主軸驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及主軸驅(qū)動(dòng)伺服運(yùn)動(dòng)控制伺服運(yùn)動(dòng)控制第 6 章內(nèi)容提要內(nèi)容提要第第1 1節(jié)節(jié) 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 第第2 2節(jié)節(jié) 數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)和主軸電動(dòng)機(jī)的要求數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)和主軸電動(dòng)機(jī)的要求 第第3 3節(jié)節(jié) 直流主軸控制單元直流主軸控制單元 第第4 4節(jié)節(jié) 交流主軸控制單元交流主軸控制單元 第第5 5節(jié)節(jié) 主軸定向控制主軸定向控制 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組（各相差當(dāng)電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組（各相差120120電角度），通入三相交流電電角度），通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中后，將產(chǎn)生一個(gè)旋

2、轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。 但定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同。但定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同。 三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理：三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理：第第1 1節(jié)節(jié) 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 變頻調(diào)速：變頻調(diào)速：通過改變電動(dòng)機(jī)

3、定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速，從而通過改變電動(dòng)機(jī)定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的一種方法，變頻調(diào)速調(diào)速范圍寬，平滑性好，實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的一種方法，變頻調(diào)速調(diào)速范圍寬，平滑性好，具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。具有優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。u 對交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，需要一套變頻電源，過去大多采用對交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，需要一套變頻電源，過去大多采用旋旋轉(zhuǎn)變頻發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)變頻發(fā)電機(jī)組作為電源，但這些設(shè)備龐大、可靠性差。作為電源，但這些設(shè)備龐大、可靠性差。u 隨著隨著晶閘管及各種大功率電力電子器件晶閘管及各種大功

4、率電力電子器件如：如：GTRGTR、GTOGTO、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT等的問世，各種靜止變頻電源獲得了迅速發(fā)展，它們具有重量輕、等的問世，各種靜止變頻電源獲得了迅速發(fā)展，它們具有重量輕、體積小、維護(hù)方便、慣性小和效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由其組成的變頻電路體積小、維護(hù)方便、慣性小和效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由其組成的變頻電路較復(fù)雜，造價(jià)較高。較復(fù)雜，造價(jià)較高。u 隨著隨著功率集成電路功率集成電路的出現(xiàn)，產(chǎn)品價(jià)格隨之降低，它集功率開關(guān)器件、的出現(xiàn)，產(chǎn)品價(jià)格隨之降低，它集功率開關(guān)器件、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、接口電路于一體，可靠性高，維護(hù)方便。因此，驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、接口電路于一體，可靠性高，維護(hù)

5、方便。因此，目前變頻調(diào)速已成為交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。目前變頻調(diào)速已成為交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。u在變頻技術(shù)日新月異地發(fā)展的同時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)取得了突破在變頻技術(shù)日新月異地發(fā)展的同時(shí)，交流電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。性的進(jìn)展。7070年代初提出的年代初提出的矢量控制理論矢量控制理論，使交流調(diào)速獲得了與直流，使交流調(diào)速獲得了與直流調(diào)速同樣優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的調(diào)速同樣優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的時(shí)代，時(shí)代，8080年代中期又提出了年代中期又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論直接轉(zhuǎn)矩控制理論，其控制結(jié)構(gòu)簡單，便，其控制結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，

6、所以變頻調(diào)速是最有前途的一種交流調(diào)速方式。于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，所以變頻調(diào)速是最有前途的一種交流調(diào)速方式。1. 1. 調(diào)速原理調(diào)速原理 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為：)1 (60)1 (10spfsnn式中，式中，0n異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；1f定子供電頻率；定子供電頻率； p電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)；電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)； s轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率。 一、變頻調(diào)速基本原理一、變頻調(diào)速基本原理n由此可見，若能連續(xù)地改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率由此可見，若能連續(xù)地改變異步電動(dòng)機(jī)的供電頻率, ,就可以平滑地就可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步速度及電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)異步電

7、動(dòng)改變電動(dòng)機(jī)的同步速度及電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無級調(diào)速，機(jī)的無級調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理這就是變頻調(diào)速的基本原理。n變頻調(diào)速的最大特點(diǎn)是：變頻調(diào)速的最大特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)從高速到低速，其轉(zhuǎn)差率始終保電動(dòng)機(jī)從高速到低速，其轉(zhuǎn)差率始終保持最小的數(shù)值，因此變頻調(diào)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)都很高。持最小的數(shù)值，因此變頻調(diào)速時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)都很高。但它需要特殊的變頻裝置供電，以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制。但它需要特殊的變頻裝置供電，以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制。u 三相異步電動(dòng)機(jī)定子三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值每相感應(yīng)電動(dòng)勢的有效值是：是： （6-3）式中，式中， 定子

8、繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)， 基波繞組系數(shù)，基波繞組系數(shù)， 每極氣隙磁通。每極氣隙磁通。 由式由式(6-3)(6-3)可見，只要控制好可見，只要控制好E1E1和和f 1 1，便可達(dá)到，便可達(dá)到控制控制磁通磁通的目的，的目的，對此，對此，需考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。需考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。 mNkNfE 111144. 4 N1k1Nm 變頻調(diào)速的過程中需保持每極磁通恒定，不能太高（鐵心過分飽變頻調(diào)速的過程中需保持每極磁通恒定，不能太高（鐵心過分飽和，勵(lì)磁電流過大，繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低），也不能太低和，勵(lì)磁電流過大，繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)

9、降低），也不能太低（鐵心沒有充分利用）。（鐵心沒有充分利用）。 由式由式(6-3)(6-3)可知，要保持磁通不變，當(dāng)可知，要保持磁通不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低必須同時(shí)降低E1E1使使: : 常數(shù)常數(shù) 即即采用恒電動(dòng)勢頻比控制方式采用恒電動(dòng)勢頻比控制方式。 當(dāng)電動(dòng)勢值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，而認(rèn)為定子當(dāng)電動(dòng)勢值較高時(shí)，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓相電壓U1U1E1E1，則得：，則得： 常數(shù)常數(shù)這是這是恒壓頻比的控制方式恒壓頻比的控制方式。 11fE 11fU2. 2. 基頻以下調(diào)速基頻以下調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從在

10、基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從 往上提高，但電壓往上提高，但電壓 卻不能在額卻不能在額定電壓上增加了，最多只能保持定電壓上增加了，最多只能保持 不變。由式不變。由式(6-3)(6-3)可知，可知，這將迫這將迫使磁通與頻率成反比地減少使磁通與頻率成反比地減少，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速的情況。，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速的情況。 圖圖6-1 6-1 恒壓頻比控制特性恒壓頻比控制特性 圖圖6-2 6-2 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制特性 Nf11UNUU11 3. 3. 基頻以上調(diào)速基頻以上調(diào)速額定電壓額定電壓a-a-恒電壓頻率比恒電壓頻率比b-b-恒電勢頻率比恒電勢頻率比（一）（一）

11、SPWMSPWM逆變器的工作原理逆變器的工作原理 1. 1. 基本概念基本概念 為了更好地控制異步電動(dòng)機(jī)速度，不但要求變頻器輸出為了更好地控制異步電動(dòng)機(jī)速度，不但要求變頻器輸出頻率和電頻率和電壓大小可調(diào)壓大小可調(diào)，而且，而且要求輸出波形盡可能接近正弦波（盡量減少諧波損要求輸出波形盡可能接近正弦波（盡量減少諧波損耗）耗）。即要求采用對稱的三相正弦波電源為三相交流電動(dòng)機(jī)供電。即要求采用對稱的三相正弦波電源為三相交流電動(dòng)機(jī)供電。二、正弦波脈寬調(diào)制（二、正弦波脈寬調(diào)制（SPWMSPWM）原理）原理 在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論，沖量（窄脈沖的面積）相等而形狀不同沖量（窄

12、脈沖的面積）相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同效果基本相同-該結(jié)論是該結(jié)論是PWMPWM控制的控制的重要理論基礎(chǔ)。重要理論基礎(chǔ)。 將圖將圖6-3(a)6-3(a)所示的正弦波分成所示的正弦波分成N N等等份，即把正弦半波看成由份，即把正弦半波看成由N N個(gè)彼此相連個(gè)彼此相連的脈沖所組成。這些脈沖寬度相等（均的脈沖所組成。這些脈沖寬度相等（均為為/N/N），但幅值不等，其幅值是按正），但幅值不等，其幅值是按正弦規(guī)律變化的曲線。弦規(guī)律變化的曲線。 我們把每一等份的正弦曲線與橫軸我們把每一等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

13、的所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形等高矩形脈沖來代替，脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦脈沖的中點(diǎn)重合，且使各矩形脈與正弦脈沖的中點(diǎn)重合，且使各矩形脈沖面積與相應(yīng)各正弦部分面積相等，沖面積與相應(yīng)各正弦部分面積相等，就就得到圖得到圖6-3(b)6-3(b)所示的脈沖序列。所示的脈沖序列。根據(jù)上根據(jù)上述沖量相等效果相同的原理，述沖量相等效果相同的原理，該矩形脈該矩形脈沖序列與正弦半波是等效的。沖序列與正弦半波是等效的。圖圖6-3 6-3 與正弦波等效的等幅脈沖序列與正弦波等效的等幅脈沖序列 a) a) 正弦波形正弦波形 b) b)等效的正弦波形等效的正弦波形 同樣，正弦波的負(fù)

14、半周也可用相同的方法來等效。同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。 由圖由圖6-36-3可見，各矩形脈沖在幅值不變的條件下，其寬度隨正可見，各矩形脈沖在幅值不變的條件下，其寬度隨正弦規(guī)律變化。這種弦規(guī)律變化。這種寬度按正弦規(guī)律變化并和正弦波等效的矩形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化并和正弦波等效的矩形脈沖序列稱為序列稱為SPWMSPWM波形波形。 圖圖6-3(b)6-3(b)的矩形脈沖系列就是的矩形脈沖系列就是所期望的變頻器輸出波形所期望的變頻器輸出波形。通常。通常將輸出為將輸出為SPWMSPWM波形的變頻器稱為波形的變頻器稱為SPWMSPWM型變頻器型變頻器。 當(dāng)變頻器各開關(guān)器件工作在理想狀態(tài)下

15、時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)器件當(dāng)變頻器各開關(guān)器件工作在理想狀態(tài)下時(shí)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為與圖的信號也應(yīng)為與圖6-3(b)6-3(b)形狀相似的一系列脈沖波形。由于各脈沖形狀相似的一系列脈沖波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電可由恒定的直流電源供電，即變頻器中的，即變頻器中的變流器采用不可控的二極管整流器就可以了。變流器采用不可控的二極管整流器就可以了。 圖圖6-4(a)6-4(a)是是SPWMSPWM變頻器的主回路。變頻器的主回路。VT1-VT6是逆變器的六個(gè)功率是逆變器的六個(gè)功率開關(guān)器件，開關(guān)器件， VD1-VD6用于處理無功功率反饋的二極管。整個(gè)

16、逆變器用于處理無功功率反饋的二極管。整個(gè)逆變器由三相整流器提供的恒值直流電壓由三相整流器提供的恒值直流電壓US供電。供電。 2. 2. 工作原理工作原理不可控的二不可控的二極管整流器極管整流器 圖圖6-4(b)6-4(b)是它的控制電路，一組三相對稱的是它的控制電路，一組三相對稱的正弦參考電壓信號正弦參考電壓信號UrUrA A、 Ur UrB B 、UrUrC C由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所有要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)；其幅值也可在一基波頻率，應(yīng)在所有要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)；其幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，以決定輸出電壓的

17、大小。定范圍內(nèi)變化，以決定輸出電壓的大小。 三角波載波信號三角波載波信號UtUt是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出出“正正”或或“零零”的飽和輸出，產(chǎn)生的飽和輸出，產(chǎn)生脈沖序列波：脈沖序列波：UdA,UdB,UdCUdA,UdB,UdC，作為逆變器功率開關(guān)元件的輸出控制信號。作為逆變器功率開關(guān)元件的輸出控制信號。圖圖6-5 6-5 單極性脈寬調(diào)制模式（單相）單極性脈寬調(diào)制模式（單相） 圖圖6-6 6-6 雙極性脈寬調(diào)制模式（單相）雙極性脈寬調(diào)制模式（單相） 控制方式：單極式和雙極式控制方式：單極式和雙極式n采用單極式控制時(shí)，在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)采用單

18、極式控制時(shí)，在正弦波的半個(gè)周期內(nèi)每相只有一個(gè)功率開關(guān)開每相只有一個(gè)功率開關(guān)開通或關(guān)斷通或關(guān)斷。其調(diào)制情況如圖。其調(diào)制情況如圖6-56-5所示。所示。n采用雙極式控制時(shí)，在采用雙極式控制時(shí)，在同一橋臂上下兩個(gè)功率開關(guān)交替通斷，處于互同一橋臂上下兩個(gè)功率開關(guān)交替通斷，處于互補(bǔ)的工作方式補(bǔ)的工作方式，其調(diào)制情況如圖，其調(diào)制情況如圖6-66-6所示。所示。 在在SPWMSPWM逆變器中，逆變器中，三角波電壓頻率三角波電壓頻率f t與與參照電壓頻率參照電壓頻率f r之比之比N=N=f t/ /f r稱為稱為載波比載波比，也稱，也稱調(diào)制比調(diào)制比。根據(jù)載波比的變化與否，。根據(jù)載波比的變化與否，SPWMSPW

19、M調(diào)制方式可調(diào)制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。分為同步式、異步式和分段同步式。 1.1.同步調(diào)制方式同步調(diào)制方式 2.2.異步調(diào)制方式異步調(diào)制方式 3.3.分段同步調(diào)制方式分段同步調(diào)制方式（二）（二）SPWMSPWM逆變器的調(diào)制方式逆變器的調(diào)制方式 載波比載波比N N等于常數(shù)時(shí)稱同步調(diào)制方式等于常數(shù)時(shí)稱同步調(diào)制方式。同步調(diào)制方式在逆變器輸出。同步調(diào)制方式在逆變器輸出電壓每個(gè)周期內(nèi)所采用的三角波電壓數(shù)目是固定的，因而所產(chǎn)生的電壓每個(gè)周期內(nèi)所采用的三角波電壓數(shù)目是固定的，因而所產(chǎn)生的SPWMSPWM脈沖數(shù)是一定的。脈沖數(shù)是一定的。n 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：在逆變器輸出頻率變化的整個(gè)范圍內(nèi)，皆可保持輸

20、出波形的在逆變器輸出頻率變化的整個(gè)范圍內(nèi)，皆可保持輸出波形的正、負(fù)半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴(yán)格保證逆變器輸正、負(fù)半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴(yán)格保證逆變器輸出三相波形之間具有出三相波形之間具有120120相位移的對稱關(guān)系。相位移的對稱關(guān)系。n 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：當(dāng)逆變器輸出頻率很低時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)的當(dāng)逆變器輸出頻率很低時(shí)，每個(gè)周期內(nèi)的SPWMSPWM脈沖數(shù)過少，脈沖數(shù)過少，低頻諧波分量較大，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。低頻諧波分量較大，使負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲。1.1.同步調(diào)制方式同步調(diào)制方式 異步調(diào)制方式：異步調(diào)制方式：即在逆變器的整個(gè)變頻范圍內(nèi)，即在逆變器的整個(gè)變

21、頻范圍內(nèi)，載波比載波比N N不是一個(gè)不是一個(gè)常數(shù)常數(shù)。一般在改變參照波頻率一般在改變參照波頻率f r時(shí)保持三角波頻率時(shí)保持三角波頻率f t不變不變，因而提高了因而提高了低頻時(shí)的載波比，低頻時(shí)的載波比，n 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：這樣逆變器輸出電壓每個(gè)周期內(nèi)這樣逆變器輸出電壓每個(gè)周期內(nèi)PWMPWM脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加低而增加，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲，改善了調(diào)速系，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)與噪聲，改善了調(diào)速系統(tǒng)的低頻工作特性。統(tǒng)的低頻工作特性。n 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：當(dāng)載波比當(dāng)載波比N N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)，它不可能總是隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時(shí)

22、，它不可能總是的倍數(shù)，勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸?shù)谋稊?shù)，勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對稱性，因而引起電動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)。出的對稱性，因而引起電動(dòng)機(jī)工作不平穩(wěn)。 2.2.異步調(diào)制方式異步調(diào)制方式 實(shí)際應(yīng)用中，多采用實(shí)際應(yīng)用中，多采用分段同步調(diào)制方式分段同步調(diào)制方式，具體地說，把整個(gè)變頻范，具體地說，把整個(gè)變頻范圍劃分為若干頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持圍劃分為若干頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)都維持N N恒定，而對不同的頻段取不恒定，而對不同的頻段取不同的同的N N值，值，頻率低時(shí)，頻率低時(shí)，N N值取大些值取大些。n 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：它集同步和異步調(diào)制方式之所長，

23、而克服了兩者的不足。在一它集同步和異步調(diào)制方式之所長，而克服了兩者的不足。在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對稱的優(yōu)點(diǎn)，在低頻運(yùn)行定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對稱的優(yōu)點(diǎn)，在低頻運(yùn)行時(shí)，使載波比有級地增大，以采納異步調(diào)制的長處，這就是分段同步調(diào)時(shí)，使載波比有級地增大，以采納異步調(diào)制的長處，這就是分段同步調(diào)制方式。制方式。n 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：采用分段同步調(diào)制方式，需要增加調(diào)制脈沖切換電路，從而增采用分段同步調(diào)制方式，需要增加調(diào)制脈沖切換電路，從而增加控制電路的復(fù)雜性。加控制電路的復(fù)雜性。 3.3.分段同步調(diào)制方式分段同步調(diào)制方式 SPWMSPWM波可通過波可通過模擬電路模擬電路、

24、數(shù)字電路數(shù)字電路或或?qū)Ｓ玫拇笠?guī)律集成電專用的大規(guī)律集成電路芯片路芯片等硬件實(shí)現(xiàn)，也可用控制計(jì)算機(jī)的等硬件實(shí)現(xiàn)，也可用控制計(jì)算機(jī)的軟件生成軟件生成。 生成生成SPWMSPWM波的方法有多種，但其目標(biāo)只有一個(gè)，盡量減少逆波的方法有多種，但其目標(biāo)只有一個(gè)，盡量減少逆變器的輸出諧波分量和計(jì)算機(jī)的工作量，使計(jì)算機(jī)能更好地完成變器的輸出諧波分量和計(jì)算機(jī)的工作量，使計(jì)算機(jī)能更好地完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)。實(shí)時(shí)控制任務(wù)。（三）（三）SPWMSPWM波的實(shí)現(xiàn)波的實(shí)現(xiàn) 關(guān)于開關(guān)點(diǎn)的算法，可分為兩類：一是采樣法，二是最佳法。關(guān)于開關(guān)點(diǎn)的算法，可分為兩類：一是采樣法，二是最佳法。 采樣法：采樣法：是從載波與調(diào)制波相比較產(chǎn)生是

25、從載波與調(diào)制波相比較產(chǎn)生SPWMSPWM波的思路出發(fā)，導(dǎo)出開關(guān)波的思路出發(fā)，導(dǎo)出開關(guān)點(diǎn)算法，然后按此算法實(shí)時(shí)計(jì)算或離線算出開關(guān)點(diǎn)，通過定時(shí)控制，發(fā)點(diǎn)算法，然后按此算法實(shí)時(shí)計(jì)算或離線算出開關(guān)點(diǎn)，通過定時(shí)控制，發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號的上升沿或下降沿，形成出驅(qū)動(dòng)信號的上升沿或下降沿，形成SPWMSPWM波。波。 最佳法：最佳法：是預(yù)先通過某種指標(biāo)下的優(yōu)化計(jì)算，求出是預(yù)先通過某種指標(biāo)下的優(yōu)化計(jì)算，求出SPWMSPWM波的開關(guān)點(diǎn)，波的開關(guān)點(diǎn)，其其突出優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)先去掉指定階次的諧波突出優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)先去掉指定階次的諧波，最佳法計(jì)算的工作量很大，最佳法計(jì)算的工作量很大，一般要先離線算出最佳開關(guān)點(diǎn)，以表格形勢存入內(nèi)存，

26、運(yùn)行時(shí)再查表進(jìn)一般要先離線算出最佳開關(guān)點(diǎn)，以表格形勢存入內(nèi)存，運(yùn)行時(shí)再查表進(jìn)行定時(shí)控制，發(fā)出行定時(shí)控制，發(fā)出SPWMSPWM信號。信號。 這里討論幾種常用的算法。這里討論幾種常用的算法。 根據(jù)根據(jù)SPWMSPWM逆變器的工作原理，在逆變器的工作原理，在正弦波和三角波的正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻自然交點(diǎn)時(shí)刻控制控制功率開關(guān)元件的通斷，這種生成功率開關(guān)元件的通斷，這種生成SPWMSPWM波的方法稱為波的方法稱為自然采樣法自然采樣法。如圖。如圖6-76-7中，截取了任意一段正弦波與三角波中，截取了任意一段正弦波與三角波的一個(gè)周期長度內(nèi)的相交情況。的一個(gè)周期長度內(nèi)的相交情況。A A點(diǎn)點(diǎn)為脈沖發(fā)生時(shí)刻

27、，為脈沖發(fā)生時(shí)刻，B B電為脈沖結(jié)束時(shí)電為脈沖結(jié)束時(shí)刻，刻，在三角波的一個(gè)周期在三角波的一個(gè)周期T Tc c內(nèi)，內(nèi)，t t2 2為為SPWMSPWM波的高電平時(shí)間，稱作脈寬時(shí)間波的高電平時(shí)間，稱作脈寬時(shí)間，t t1 1與與t t3 3則為低電平時(shí)間，稱為則為低電平時(shí)間，稱為間隙時(shí)間隙時(shí)間間。顯然。顯然: : 。 定義調(diào)制波與載波的幅值比為調(diào)定義調(diào)制波與載波的幅值比為調(diào)制比制比M=Urm/ Utm，設(shè)三角載波幅值，設(shè)三角載波幅值Utm=1，則調(diào)制波，則調(diào)制波: : 321tttTc tMu1rsin 1.1.自然采樣法自然采樣法圖圖6-7 6-7 自然采樣法自然采樣法 式中：式中： 為調(diào)制波角頻

28、率，即輸出角頻率。為調(diào)制波角頻率，即輸出角頻率。A A、B B兩點(diǎn)對三角兩點(diǎn)對三角波的中心線來說是不對稱的，因此，波的中心線來說是不對稱的，因此，t2分成的分成的t2和和t2”兩個(gè)互不相等兩個(gè)互不相等的時(shí)間段，聯(lián)立求解兩對相似直角三角形，則的時(shí)間段，聯(lián)立求解兩對相似直角三角形，則: :2/2cTt2sin1A1tM 2/ 2cTt2sin1B1tM )sin(sin212B1A1C222ttMTttt 自然采樣法雖能真實(shí)地反映脈沖產(chǎn)生與結(jié)束的時(shí)刻自然采樣法雖能真實(shí)地反映脈沖產(chǎn)生與結(jié)束的時(shí)刻，卻難以在實(shí)時(shí)，卻難以在實(shí)時(shí)控制中在線實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?，控制中在線實(shí)現(xiàn)，因?yàn)?，t tA A與與t tB B都是未

29、知數(shù)，都是未知數(shù)，t t22t t3 3，t t22t t2”2”，求，求取時(shí)需花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間。即使可先將計(jì)算結(jié)果存入內(nèi)存，控制過程取時(shí)需花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間。即使可先將計(jì)算結(jié)果存入內(nèi)存，控制過程中查表定時(shí)，也會因參數(shù)過多而占用計(jì)算機(jī)太多內(nèi)存和時(shí)間，所以，中查表定時(shí)，也會因參數(shù)過多而占用計(jì)算機(jī)太多內(nèi)存和時(shí)間，所以，此此法僅限于調(diào)速范圍有限的場合。法僅限于調(diào)速范圍有限的場合。= 規(guī)則采樣法就是在三角載波規(guī)則采樣法就是在三角載波每一周期內(nèi)的固定時(shí)刻每一周期內(nèi)的固定時(shí)刻，找到正弦參考，找到正弦參考波上的對應(yīng)電壓值，以此值對三角波進(jìn)行采樣以決定功率元件的通、斷波上的對應(yīng)電壓值，以此值對三角波進(jìn)行采樣

30、以決定功率元件的通、斷時(shí)刻。時(shí)刻。采樣采樣法：法：圖圖6-8(a)6-8(a)所示為規(guī)則所示為規(guī)則采樣采樣法法生成的生成的SPWMSPWM波。它以波。它以三角波正三角波正峰值時(shí)峰值時(shí)找到正弦波上的對應(yīng)點(diǎn)找到正弦波上的對應(yīng)點(diǎn)D D點(diǎn)，得到點(diǎn)，得到 ，用對三角波采，用對三角波采樣，得到樣，得到A A、B B兩點(diǎn)。兩點(diǎn)。 可見，在此法中，開關(guān)點(diǎn)可見，在此法中，開關(guān)點(diǎn)A A、B B位與正弦波的同一側(cè)，這使所得的脈位與正弦波的同一側(cè)，這使所得的脈沖沖寬度明顯偏小寬度明顯偏小，從而造成較大的控制誤差。，從而造成較大的控制誤差。采樣采樣法：法：在圖在圖6-8(b)6-8(b)所示的規(guī)則所示的規(guī)則采樣采樣法法

31、中，以三角波的中，以三角波的負(fù)峰值負(fù)峰值時(shí)找時(shí)找到正弦波上的對應(yīng)點(diǎn)到正弦波上的對應(yīng)點(diǎn)E E，得到，得到 ，再用對三角波采樣，得到，再用對三角波采樣，得到A A、B B兩開關(guān)點(diǎn)。可見，此時(shí)兩開關(guān)點(diǎn)?？梢姡藭r(shí)A A、B B兩開關(guān)點(diǎn)位于正弦波的兩側(cè)，這樣減少了兩開關(guān)點(diǎn)位于正弦波的兩側(cè)，這樣減少了脈寬生成誤差，使所得脈寬生成誤差，使所得SPWMSPWM波波更為準(zhǔn)確更為準(zhǔn)確。 drdtMU1sin eretMU1sin 2. 2. 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 (a) (a) 規(guī)則采樣規(guī)則采樣法法 (b) (b) 規(guī)則采樣規(guī)則采樣法法 圖圖6-8 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法n在規(guī)則采樣法中，每個(gè)三角載波周期的開關(guān)點(diǎn)

32、都是確定的，所生在規(guī)則采樣法中，每個(gè)三角載波周期的開關(guān)點(diǎn)都是確定的，所生成的成的SPWMSPWM波的脈沖寬度和位置可預(yù)先計(jì)算出來。由圖波的脈沖寬度和位置可預(yù)先計(jì)算出來。由圖6-8(b)6-8(b)的幾的幾何關(guān)系得到何關(guān)系得到脈寬時(shí)間脈寬時(shí)間為：為： 式中，式中，t te e為三角波的中點(diǎn)為三角波的中點(diǎn)( (即負(fù)峰值即負(fù)峰值) )。n間隙時(shí)間為：間隙時(shí)間為：)sin1(2e1C2tMTt )(212C31tTtt 以消去輸出電壓中某些指定次數(shù)諧波（主要是低次諧波）為目以消去輸出電壓中某些指定次數(shù)諧波（主要是低次諧波）為目的，的，通過計(jì)算通過計(jì)算來確定各脈沖的開關(guān)時(shí)刻，這種方法稱為來確定各脈沖的開

33、關(guān)時(shí)刻，這種方法稱為低次諧波消低次諧波消去法去法。在該法中，已經(jīng)不用三角載波和正弦調(diào)制波的比較產(chǎn)生，但。在該法中，已經(jīng)不用三角載波和正弦調(diào)制波的比較產(chǎn)生，但其目的仍是使輸出電壓波形盡可能接近正弦波，因此，也算是其目的仍是使輸出電壓波形盡可能接近正弦波，因此，也算是SPWMSPWM波生成的一種方法。波生成的一種方法。 該法可以很好地消除指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低該法可以很好地消除指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會增大，但它們的次數(shù)已比所消去的諧波次數(shù)高，次諧波的幅值可能會增大，但它們的次數(shù)已比所消去的諧波次數(shù)高，因而較易濾去。因而較易濾去。 3. 3. 指定諧波消除

34、法指定諧波消除法 （一）（一）U/FU/F控制方式及其機(jī)械特性控制方式及其機(jī)械特性 異步電機(jī)要求在調(diào)頻的同時(shí)，改變定子電壓異步電機(jī)要求在調(diào)頻的同時(shí)，改變定子電壓U1以維持以維持m近似不變。近似不變。根據(jù)根據(jù)U1與與f1配合得到不同的控制方式。配合得到不同的控制方式。1. 1. 恒壓恒頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性：恒壓恒頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性： （6-46-4）當(dāng)定子電壓當(dāng)定子電壓U1和頻率和頻率f 1都為恒定值時(shí)都為恒定值時(shí)，可以把它改寫成如下的形式：，可以把它改寫成如下的形式： （6-56-5） 2212211221)()(3xxsrrsrpUTe 22121222121211)()(3LLs

35、rsrrsUpTe 三、三、U/FU/F變頻器調(diào)速系統(tǒng)變頻器調(diào)速系統(tǒng)圖圖6-11 6-11 異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路 當(dāng)當(dāng)S S很小時(shí)：很小時(shí)：s321211 rsUpTe 當(dāng)當(dāng)s s很小時(shí)很小時(shí)，轉(zhuǎn)矩與，轉(zhuǎn)矩與s s近似成正比，機(jī)械特性近似成正比，機(jī)械特性TeTe是一段直線；是一段直線； 當(dāng)當(dāng)s s較大時(shí)較大時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與，轉(zhuǎn)矩近似與s s成反比，機(jī)械特性是對稱于原點(diǎn)的一段雙曲成反比，機(jī)械特性是對稱于原點(diǎn)的一段雙曲線線, ,機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，如圖機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，如圖6-96-9所示。所示。圖圖6-9 6-9 恒壓恒頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的

36、機(jī)械特性恒壓恒頻時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 1 1）恒）恒U1/1控制控制：當(dāng)：當(dāng)U1/1等于恒值時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩等于恒值時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩Te(max)隨角頻率隨角頻率1的的變化關(guān)系為：變化關(guān)系為： 可見可見Te(max)是隨著是隨著1的降低而減小的。頻率很低時(shí)，的降低而減小的。頻率很低時(shí)，Te(max)太小將限制太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力。采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)提高電壓調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力。采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)提高電壓U1U1可以增強(qiáng)帶載可以增強(qiáng)帶載能力如圖能力如圖6-106-10所示。所示。22121111211(max)(123LLrrUpTe 2.2.電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機(jī)械特性電壓、頻率協(xié)調(diào)

37、控制下的機(jī)械特性圖圖6-10 恒壓頻比時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性恒壓頻比時(shí)變頻調(diào)速的機(jī)械特性2 2）恒）恒 控制控制 恒恒 控制時(shí)的機(jī)械特性方程式可由異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路導(dǎo)出，控制時(shí)的機(jī)械特性方程式可由異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路導(dǎo)出，如圖如圖6-116-11所示。所示。 從等效電路圖中可以得出：從等效電路圖中可以得出： （6-86-8） 將式（將式（6-86-8）代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得）代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得 （6-96-9） 這就是恒這就是恒 時(shí)的機(jī)械特性方程式。時(shí)的機(jī)械特性方程式。11 E11E 22212212LsrEI 2221222212113LsrrsEpTe 11 E 與恒壓頻比

38、控制時(shí)相同，與恒壓頻比控制時(shí)相同，當(dāng)當(dāng)s s較小時(shí)較小時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與，轉(zhuǎn)矩近似與s s成正比，機(jī)械特性成正比，機(jī)械特性是一段直線；是一段直線；當(dāng)當(dāng)s s較大時(shí)較大時(shí)，轉(zhuǎn)矩近似與，轉(zhuǎn)矩近似與s s成反比，機(jī)械特性是對稱于原點(diǎn)的一成反比，機(jī)械特性是對稱于原點(diǎn)的一段雙曲線，機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡。段雙曲線，機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡。不同的是不同的是，恒，恒 控控制的轉(zhuǎn)矩公式分母中含制的轉(zhuǎn)矩公式分母中含s s項(xiàng)要小于恒項(xiàng)要小于恒 控制控制的轉(zhuǎn)矩公式中的同類項(xiàng)，控制控制的轉(zhuǎn)矩公式中的同類項(xiàng)，因此，恒因此，恒 控制的機(jī)械特性控制的機(jī)械特性線性段范圍會更寬一些線性段范圍會更寬一些。 圖

39、圖6-126-12中同時(shí)繪出了不同協(xié)調(diào)控制方式的機(jī)械特性。中同時(shí)繪出了不同協(xié)調(diào)控制方式的機(jī)械特性。 將式（將式（6-96-9）對）對s s求導(dǎo)，并令求導(dǎo)，并令 ，求得恒，求得恒 控制時(shí)異步電動(dòng)控制時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為: : (6-13) 可見，保持可見，保持 恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩保持不變。恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩保持不變。所以恒所以恒 控制的穩(wěn)態(tài)性能是優(yōu)于恒壓頻比控制的控制的穩(wěn)態(tài)性能是優(yōu)于恒壓頻比控制的，它正是恒壓頻比控制時(shí)補(bǔ)償定子阻它正是恒壓頻比控制時(shí)補(bǔ)償定子阻抗壓降所追求的目標(biāo)?？箟航邓非蟮哪繕?biāo)。11 E11 E11 U0/ dsdTe11 E1232211

40、(max)LEpTe 11 E11 E圖圖6-12 6-12 不同協(xié)調(diào)控制方式的機(jī)械特性不同協(xié)調(diào)控制方式的機(jī)械特性 在基頻以上調(diào)速時(shí)，應(yīng)保持定子電壓為額定值不變，即在基頻以上調(diào)速時(shí)，應(yīng)保持定子電壓為額定值不變，即 。相應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩為：相應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩為： （6-16） 可見，可見，保持電壓為額定值進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩將隨保持電壓為額定值進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩將隨f 1的升高而的升高而減少。減少。機(jī)械特性如圖（機(jī)械特性如圖（6-136-13）所示。）所示。NUU11 22121211121(max)(23rrrrpUTe 3 3）保持電壓為額定值的恒功率控制方式和機(jī)械特性）保持電壓為額定值的恒功

41、率控制方式和機(jī)械特性圖圖6-13 6-13 保持保持 時(shí)變頻調(diào)速機(jī)械特性時(shí)變頻調(diào)速機(jī)械特性NUU11（二）（二） V/F控制系統(tǒng)組成及工作原理控制系統(tǒng)組成及工作原理1. 1. 恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)1 1）給定積分器）給定積分器GIGI 設(shè)置給定積分器是為了設(shè)置給定積分器是為了將階躍給定信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘枌㈦A躍給定信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘?，作用于整，作用于整流和逆變回路，以清除階躍給定過大的沖擊，使系統(tǒng)中的電壓、電流、流和逆變回路，以清除階躍給定過大的沖擊，使系統(tǒng)中的電壓、電流、逆變頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)步上升，以提高系統(tǒng)的可靠性。因此，給定逆

42、變頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)步上升，以提高系統(tǒng)的可靠性。因此，給定積分器也稱為軟啟動(dòng)器，如圖所示。積分器也稱為軟啟動(dòng)器，如圖所示。系統(tǒng)對給定積分器的要求是：系統(tǒng)對給定積分器的要求是：(1)(1)工作穩(wěn)定、可靠；工作穩(wěn)定、可靠；(2)(2)斜坡的線性度高；斜坡的線性度高；(3)(3)能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)。能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)。給定積分器的原理圖如下頁圖所示。給定積分器的原理圖如下頁圖所示。 A1A1接成高放大倍數(shù)的比例器，采用同相端接成高放大倍數(shù)的比例器，采用同相端(2)(2)輸入。由于輸入。由于A2A2采用反相采用反相端端(1)(1)輸入，因此輸入，因此A1A1(2)的兩個(gè)輸入量

43、是相減的。由于的兩個(gè)輸入量是相減的。由于A1A1是高放大倍數(shù)的是高放大倍數(shù)的比例器，因此只要其比例器，因此只要其(2)(2)端有微小的電壓，就會使端有微小的電壓，就會使A1A1的輸出的輸出(11(11端端) )達(dá)到飽達(dá)到飽和狀態(tài)。在和狀態(tài)。在A1A1的輸出端采用對接的穩(wěn)壓管，以取得恒定的電壓。用電位的輸出端采用對接的穩(wěn)壓管，以取得恒定的電壓。用電位器器RP2RP2取得不同的分壓，供取得不同的分壓，供A2A2使用。使用。具體原理：具體原理： A2A2為積分器，采用反相端輸入。在為積分器，采用反相端輸入。在R7R7和和C C值已定的情況下，值已定的情況下，改變改變RP2RP2的分壓比，即可改變給定

44、積分器的積分時(shí)間常數(shù)。的分壓比，即可改變給定積分器的積分時(shí)間常數(shù)。 A2 A2的輸出經(jīng)電阻的輸出經(jīng)電阻R10R10反饋至第一級運(yùn)算放大器的輸入端，與給定量反饋至第一級運(yùn)算放大器的輸入端，與給定量進(jìn)行比較。在反饋量不等于給定量的情況下，第一級運(yùn)算放大器的輸進(jìn)行比較。在反饋量不等于給定量的情況下，第一級運(yùn)算放大器的輸出點(diǎn)是在飽和狀態(tài)，迫使第二級運(yùn)算放大器繼續(xù)積分，直到反饋量等出點(diǎn)是在飽和狀態(tài)，迫使第二級運(yùn)算放大器繼續(xù)積分，直到反饋量等于給定量。于給定量。 給定積分器的輸出作為絕對值運(yùn)算器和邏輯開關(guān)的輸入。給定積分器的輸出作為絕對值運(yùn)算器和邏輯開關(guān)的輸入。2 2）絕對值運(yùn)算器）絕對值運(yùn)算器 絕對值運(yùn)

45、算器把給定積分器送來的絕對值運(yùn)算器把給定積分器送來的( (正值或負(fù)值正值或負(fù)值) )信號的轉(zhuǎn)換為正值信號的轉(zhuǎn)換為正值信號的輸出。其輸出值的大小跟隨給定積分器送來的輸入值。信號的輸出。其輸出值的大小跟隨給定積分器送來的輸入值。雙向限雙向限幅電路幅電路3 3）函數(shù)發(fā)生器）函數(shù)發(fā)生器4 4）電壓頻率轉(zhuǎn)換器）電壓頻率轉(zhuǎn)換器5 5）環(huán)形分配器）環(huán)形分配器6 6）脈沖功放及脈沖輸出）脈沖功放及脈沖輸出7 7）邏輯開關(guān)（極性鑒別）邏輯開關(guān)（極性鑒別）8 8）頻率）頻率- -電壓轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換器恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)電壓型電壓型逆變器逆變器 轉(zhuǎn)速開環(huán)變

46、頻傳動(dòng)系統(tǒng)由于沒有測速反饋，其調(diào)速性能差于轉(zhuǎn)速閉轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)由于沒有測速反饋，其調(diào)速性能差于轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)。因此，適用于對調(diào)速要求不高的場合，例如，風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)環(huán)系統(tǒng)。因此，適用于對調(diào)速要求不高的場合，例如，風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能調(diào)速就經(jīng)常采用這種系統(tǒng)。能調(diào)速就經(jīng)常采用這種系統(tǒng)。 2. 2. 恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)GFCGFC：動(dòng)態(tài)校：動(dòng)態(tài)校正器，用于加正器，用于加快頻率控制?？祛l率控制。電流型電流型逆變器逆變器 現(xiàn)代現(xiàn)代SPWMSPWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字

47、電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動(dòng)逆變器工作的器工作的SPWMSPWM信號。信號。 微機(jī)芯片主要采用位或微機(jī)芯片主要采用位或1616位單片機(jī)，位單片機(jī)，3232位的位的DSPDSP，現(xiàn)在已有應(yīng)用，現(xiàn)在已有應(yīng)用RISC(RISC(精簡指令集算法精簡指令集算法) )的產(chǎn)品出現(xiàn)。的產(chǎn)品出現(xiàn)。SPWMSPWM信號可以由微機(jī)本身用軟件實(shí)信號可以由微機(jī)本身用軟件實(shí)時(shí)計(jì)算或用查表法生成，也可采用專用的時(shí)計(jì)算或用查表法生成，也可采用專用的SPWMSPWM集成電路芯片。集成電路芯片。 需要設(shè)定的信息主要有需要設(shè)定的信

48、息主要有U/U/f曲線、工作頻率、頻率上升時(shí)間、頻率下曲線、工作頻率、頻率上升時(shí)間、頻率下降時(shí)間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。降時(shí)間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。由于系統(tǒng)本身沒有自動(dòng)限制由于系統(tǒng)本身沒有自動(dòng)限制起、制動(dòng)電流的作用，因此，頻率設(shè)定信號須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩起、制動(dòng)電流的作用，因此，頻率設(shè)定信號須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩的控制作用。的控制作用。 SPWMSPWM變壓變頻器的基本控制作用如圖變壓變頻器的基本控制作用如圖6-176-17所示。所示。3. 3. 數(shù)字控制的數(shù)字控制的SPWMSPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)泵升限制電路泵升限制電路由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的

49、再生制動(dòng)提供反向電流的通路，由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的再生制動(dòng)提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動(dòng)能量。減速制動(dòng)時(shí)，異步電所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動(dòng)能量。減速制動(dòng)時(shí)，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C C充電，當(dāng)中間直流回路的充電，當(dāng)中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時(shí)，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時(shí)，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，將電機(jī)釋放的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻上。將電機(jī)釋放的動(dòng)能消耗在制動(dòng)電阻上。圖圖6

50、-16 6-16 數(shù)字控制數(shù)字控制IGBT-SPWMIGBT-SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng) 圖圖6-17 SPWM SPWM變壓變頻器的基本控制作用變壓變頻器的基本控制作用 第第2 2節(jié)節(jié) 數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)和主軸電動(dòng)機(jī)的要求數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)和主軸電動(dòng)機(jī)的要求要求包括：要求包括：n 要改善主軸的動(dòng)態(tài)性能，需要主軸傳動(dòng)有較大的無級調(diào)速范圍，如：要改善主軸的動(dòng)態(tài)性能，需要主軸傳動(dòng)有較大的無級調(diào)速范圍，如：能在能在（10010010001000）:1:1的范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和和1010：1 1的恒功率調(diào)速的恒功率調(diào)速；而且要求在主軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)向中在任一個(gè)方向都可進(jìn)行加速和

51、減速，即要而且要求在主軸的兩個(gè)轉(zhuǎn)向中在任一個(gè)方向都可進(jìn)行加速和減速，即要求有四象限的驅(qū)動(dòng)能力。求有四象限的驅(qū)動(dòng)能力。一、數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)的要求一、數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)的要求 數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)的要求和進(jìn)給驅(qū)數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)的要求和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有很大的差別。機(jī)床主傳動(dòng)的工作運(yùn)動(dòng)動(dòng)有很大的差別。機(jī)床主傳動(dòng)的工作運(yùn)動(dòng)通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無需絲杠或其它直線運(yùn)通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無需絲杠或其它直線運(yùn)動(dòng)的裝置。動(dòng)的裝置。n在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控車床要占在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控車床要占42% 42% ，數(shù)控鉆、鏜和銑床占，數(shù)控鉆、鏜和銑床占33% 33% ，數(shù)，數(shù)控磨床、沖床占控磨床、沖床占23%23%。其它只占。其它只占2%

52、 2% 。為了滿足前兩類數(shù)控機(jī)床的要求，。為了滿足前兩類數(shù)控機(jī)床的要求，如為使數(shù)控車床等具有螺紋車削功能，如為使數(shù)控車床等具有螺紋車削功能，要求要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步主軸能與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)實(shí)行同步控制控制，在，在加工中心上為了自動(dòng)換刀也要求主軸能進(jìn)行加工中心上為了自動(dòng)換刀也要求主軸能進(jìn)行高精度定位控制高精度定位控制，有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸具有角度控制的功能。有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸具有角度控制的功能。n主軸驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)提供加工各類零件所需的主軸驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)提供加工各類零件所需的切削功率切削功率，無論在何種速，無論在何種速度度( (這取決于不同的材料，如加工鋼或鋁等這取決于不同的材料，如加工鋼或鋁等)

53、 )，用各種不同刀具類型的加，用各種不同刀具類型的加工方法，都必須工方法，都必須提供所需的切削功率提供所需的切削功率。因此，。因此，要求主軸驅(qū)動(dòng)在盡可能大要求主軸驅(qū)動(dòng)在盡可能大的調(diào)速范圍內(nèi)保持恒功率的輸出的調(diào)速范圍內(nèi)保持恒功率的輸出。主軸傳動(dòng)電機(jī)應(yīng)。主軸傳動(dòng)電機(jī)應(yīng)有有2.22.2250kW250kW的功率的功率范圍，既要能輸出大的功率，又要求結(jié)構(gòu)簡單。范圍，既要能輸出大的功率，又要求結(jié)構(gòu)簡單。n現(xiàn)有的主軸轉(zhuǎn)速范圍還必須擴(kuò)大現(xiàn)有的主軸轉(zhuǎn)速范圍還必須擴(kuò)大，因?yàn)榧庸ひ恍╇y加工材料所要求，因?yàn)榧庸ひ恍╇y加工材料所要求的轉(zhuǎn)速范圍相差很大，如鈦需要低速加工，而鋁合金材料則需要高速加的轉(zhuǎn)速范圍相差很大，如鈦

54、需要低速加工，而鋁合金材料則需要高速加工。而用齒輪變速箱滿足這類要求的方法業(yè)已過時(shí)。工。而用齒輪變速箱滿足這類要求的方法業(yè)已過時(shí)。 n 國際上新生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床已有國際上新生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床已有85%85%采用采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這。這是因?yàn)椋菏且驗(yàn)椋?（1 1）制造交流電動(dòng)機(jī)不象直流電機(jī)那樣在高轉(zhuǎn)速和大容量方）制造交流電動(dòng)機(jī)不象直流電機(jī)那樣在高轉(zhuǎn)速和大容量方面受到限制，面受到限制， （2 2）目前的交流主軸驅(qū)動(dòng)的性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平，）目前的交流主軸驅(qū)動(dòng)的性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低，而在價(jià)格上卻比直流主軸驅(qū)動(dòng)低。甚至在噪聲方面還有所降低，而在價(jià)

55、格上卻比直流主軸驅(qū)動(dòng)低。 ( (一一) ) 直流主軸電機(jī)直流主軸電機(jī) 1 1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 為滿足數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)的要求，主軸電機(jī)必須具備下述性能：為滿足數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動(dòng)的要求，主軸電機(jī)必須具備下述性能： 電輸出功率要大；電輸出功率要大； 在大的調(diào)速范圍內(nèi)速度應(yīng)該穩(wěn)定，而且恒功率的速度范圍寬；在大的調(diào)速范圍內(nèi)速度應(yīng)該穩(wěn)定，而且恒功率的速度范圍寬； 在斷續(xù)負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)??；在斷續(xù)負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)小； 加速和減速時(shí)間短；加速和減速時(shí)間短； 電機(jī)溫升低；電機(jī)溫升低； 振動(dòng)、噪聲??；振動(dòng)、噪聲?。?電機(jī)的可靠性高，壽命長，維護(hù)容易；電機(jī)的可靠性高，壽命長，維護(hù)容易； 體積小，重量輕，與機(jī)械

56、連接容易；體積小，重量輕，與機(jī)械連接容易； 電機(jī)過載能力強(qiáng)。電機(jī)過載能力強(qiáng)。二、二、 數(shù)控機(jī)床對主軸電機(jī)的要求數(shù)控機(jī)床對主軸電機(jī)的要求n 直流主軸電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與永磁式直流伺服電機(jī)的不同，因?yàn)橐笾髦绷髦鬏S電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與永磁式直流伺服電機(jī)的不同，因?yàn)橐笾鬏S電機(jī)有大的輸出功率，所以在結(jié)構(gòu)上軸電機(jī)有大的輸出功率，所以在結(jié)構(gòu)上不做成永磁式不做成永磁式，而與普通直流，而與普通直流電機(jī)相同。電機(jī)相同。 圖圖6-196-19直流主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩直流主軸電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩- -轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性1 1功率特性曲線功率特性曲線 2 2轉(zhuǎn)矩特性曲線轉(zhuǎn)矩特性曲線 n由特性曲線圖由特性曲線圖6.196.19可見，在可見，在

57、基本基本速度以下時(shí)屬于恒轉(zhuǎn)矩范圍速度以下時(shí)屬于恒轉(zhuǎn)矩范圍，用，用改變電樞電壓來調(diào)速。在改變電樞電壓來調(diào)速。在基本速基本速度以上屬于恒功率范圍度以上屬于恒功率范圍，采用控，采用控制激磁的調(diào)速方法調(diào)速。一般來制激磁的調(diào)速方法調(diào)速。一般來說，恒轉(zhuǎn)矩的速度范圍與恒功率說，恒轉(zhuǎn)矩的速度范圍與恒功率的速度范圍之比為的速度范圍之比為1 1：2020。n另外，直流主軸電機(jī)另外，直流主軸電機(jī)一般都有過一般都有過載能力載能力，且大都能過載荷，且大都能過載荷150%(150%(即即為連續(xù)額定電流的為連續(xù)額定電流的1.51.5倍倍) )。至于。至于過載時(shí)間，則根據(jù)生產(chǎn)廠的不同，過載時(shí)間，則根據(jù)生產(chǎn)廠的不同，有較大的差

58、別，從有較大的差別，從1min1min至至30min30min不不等。等。 2.2.直流主軸電動(dòng)機(jī)性能直流主軸電動(dòng)機(jī)性能1.1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)有交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)有籠式感應(yīng)電機(jī)籠式感應(yīng)電機(jī)和和永磁式同步電動(dòng)機(jī)永磁式同步電動(dòng)機(jī)二種結(jié)二種結(jié)構(gòu)。交流主軸電動(dòng)機(jī)均采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。這是因?yàn)槭苡来艠?gòu)。交流主軸電動(dòng)機(jī)均采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。這是因?yàn)槭苡来朋w的限制，當(dāng)容量做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)成本太高，使得數(shù)控機(jī)床無法體的限制，當(dāng)容量做得很大時(shí)，電動(dòng)機(jī)成本太高，使得數(shù)控機(jī)床無法使用。更重要的原因是，數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不必像伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用。更重要的原因是，數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

59、不必像伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)那樣，要求如此高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，那樣，要求如此高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用感應(yīng)電采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制就完全可滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。動(dòng)機(jī)進(jìn)行矢量控制就完全可滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。( (二二) ) 交流主軸電機(jī)交流主軸電機(jī)n 一般來說，交流主軸電動(dòng)機(jī)是專門設(shè)計(jì)的，如為了增加輸出功率，一般來說，交流主軸電動(dòng)機(jī)是專門設(shè)計(jì)的，如為了增加輸出功率，縮小電動(dòng)機(jī)的體積，都采用定子鐵心在空氣中直接冷卻的辦法，沒有縮小電動(dòng)機(jī)的體積，都采用定子鐵心在空氣中直接冷卻的辦法，沒有機(jī)殼。而且在定子鐵心上作有軸向孔以利通風(fēng)等。為此在電動(dòng)機(jī)外形機(jī)殼。而且在定子鐵心上作

60、有軸向孔以利通風(fēng)等。為此在電動(dòng)機(jī)外形上是呈多邊形而不是圓形。交流主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的上是呈多邊形而不是圓形。交流主軸電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的比較如圖比較如圖6-206-20所示。所示。1 1一交流主軸電動(dòng)機(jī)一交流主軸電動(dòng)機(jī) 2 2一普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 3 3冷卻通風(fēng)孔冷卻通風(fēng)孔圖圖6-20 6-20 交流主軸電動(dòng)機(jī)與普通感應(yīng)交流主軸電動(dòng)機(jī)與普通感應(yīng) 電動(dòng)機(jī)比較示意圖電動(dòng)機(jī)比較示意圖 交流主軸電動(dòng)機(jī)也是由交流主軸電動(dòng)機(jī)也是由功率功率- -速度速度關(guān)系曲線來反映它的性能，其特性曲線關(guān)系曲線來反映它的性能，其特性曲線如圖如圖6-216-21所示。所示。 從圖中曲線可見，交