交流伺服調速原理

1、第五章第五章 伺服驅動系統(tǒng)伺服驅動系統(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 交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理 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結構永磁同步交流伺服電機的結構 5-5-5 永磁同步交流伺服電機的數(shù)學模型永磁同步交流伺服電機的數(shù)學模型 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世紀世紀80年代中期以來，為解決直流伺服電機電刷和換年代中期以來，為解決直流伺服電機電刷和換向器容易磨損、換向時會產生火花而使最

2、高轉速和使應用環(huán)境向器容易磨損、換向時會產生火花而使最高轉速和使應用環(huán)境受到限制，以交流伺服電動機作為驅動元件的交流伺服系統(tǒng)得受到限制，以交流伺服電動機作為驅動元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，逐漸取代了直流伺服電機，是當今全數(shù)字伺服驅到迅速發(fā)展，逐漸取代了直流伺服電機，是當今全數(shù)字伺服驅動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。動系統(tǒng)的發(fā)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支持：交流伺服電機的技術支持： 永磁材料永磁材料 控制理論和技術控制理論和技術 大功率半導體器件大功率半導體器件 微型計算機技術微型計算機技術 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路1. 交流伺服

3、電機的特點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，運行可靠。體積小，效率高，運行可靠。 調速方便、機械特性好。調速方便、機械特性好。 調速范圍寬。調速范圍寬。 建模難度大、控制算法復雜。建模難度大、控制算法復雜。1) 異步交流伺服電機的特點：異步交流伺服電機的特點： 重量輕，價格便宜。重量輕，價格便宜。 轉速隨負載變化較大，低速時運動平穩(wěn)性較差轉速隨負載變化較大，低速時運動平穩(wěn)性較差 靜止時自鎖轉矩小。靜止時自鎖轉矩小。 5-5-1 概述概述第五章第五章 伺服驅動系統(tǒng)伺服驅動系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動機及控制交流伺服電動機及控制 5

4、-5-1 概述概述 5-5-2 交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理 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結構永磁同步交流伺服電機的結構 5-5-5 永磁同步交流伺服電機的數(shù)學模型永磁同步交流伺服電機的數(shù)學模型 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基礎交流電機的速度和位置控制基礎 對電機轉矩控制的精度決定了電機的調速精度，也決定了電機對電機轉矩控制的精度決定了電機的調速精度，也決定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壓控制可

5、的位置控制精度。對直流電機而言，在額定功率以下的調壓控制可精確的控制轉矩，因此直流伺服電機能夠用于進給系統(tǒng)；對于主軸精確的控制轉矩，因此直流伺服電機能夠用于進給系統(tǒng)；對于主軸驅動系統(tǒng)的速度控制，直流電機可采用恒功率下的調磁調速。驅動系統(tǒng)的速度控制，直流電機可采用恒功率下的調磁調速。 對于交流電機而言，由于其同步轉速為對于交流電機而言，由于其同步轉速為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，速度調節(jié)首先必須調整旋轉磁場的流永磁同步電機還是異步電機，速度調節(jié)首先必須調整旋轉磁場的轉速，這就是轉速，這就是變頻調速變頻調速。 對位置精度要求不高的主軸驅動系統(tǒng)，通

6、常采用對位置精度要求不高的主軸驅動系統(tǒng)，通常采用“交流異步電機交流異步電機+ +通用變頻器通用變頻器”調節(jié)主軸轉速。調節(jié)主軸轉速。 5-5-2 交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理異步交流電機異步交流電機 /600pfn磁場同步轉速：磁場同步轉速：轉子轉速：轉子轉速：分）轉 /( )1(0nsn電機轉矩公式：電機轉矩公式： 5-5-2 交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理 目前，交流調速中應用最廣的是目前，交流調速中應用最廣的是“交交直直交交”變換，一般采用變換，一般采用PWM逆變器。逆變器。PWM調制方法有很多種，在交流電機調速中最基本、調制方法有很多種，在交流電機調速中最基

7、本、應用最廣泛的調制方法是應用最廣泛的調制方法是SPWM(正弦波脈寬調制正弦波脈寬調制)、和、和SVPWM（空（空間矢量脈寬調制），使定子產生所需的旋轉磁場，進而實現(xiàn)交流電機間矢量脈寬調制），使定子產生所需的旋轉磁場，進而實現(xiàn)交流電機的速度控制。的速度控制。2、交流電機的基本調速原理、交流電機的基本調速原理 5-5 交流伺服電動機及控制交流伺服電動機及控制IPMVT1VT3VT5VT4VT6VT2RSTUVWM3 開關功放開關功放控制信號控制信號1) SPWM基本原理基本原理雙極性調制法（單相）雙極性調制法（單相）VT1VT2調制電路UdurucLVD1VD2 5-5-2 交流電機的基本調速原

8、理交流電機的基本調速原理 單相單相SPWM基本原理基本原理 SPWM(正弦波脈寬調制正弦波脈寬調制) 以三角波為載波，正弦波為以三角波為載波，正弦波為調制波，其頻率和幅值可調，兩波形交點決定逆變器開調制波，其頻率和幅值可調，兩波形交點決定逆變器開關管狀態(tài)。關管狀態(tài)。單相單相SPWM基本原理基本原理 當調制波為正半周，當正弦波高于三角波時，當調制波為正半周，當正弦波高于三角波時，VT1導通、導通、VT2關斷，使負載上得到的相電壓為關斷，使負載上得到的相電壓為u0=Ud/2；當正弦波低于；當正弦波低于三角波時，三角波時，VT1關斷、關斷、VD2續(xù)流二極管釋放能量，負載上的相續(xù)流二極管釋放能量，負載

9、上的相電壓為電壓為u0 = -Ud/2；實現(xiàn)雙極性調制。；實現(xiàn)雙極性調制。VT1VT2調制電路UdurucLVD1VD2 5-5-2 交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理三相三相SPWM基本原理基本原理雙極性調制法（三相）雙極性調制法（三相） 通過改變調制波的幅值，可改通過改變調制波的幅值，可改 變逆變器輸出電壓的幅值；變逆變器輸出電壓的幅值； 通過改變調制波的頻率，可改通過改變調制波的頻率，可改變逆變器輸出基波的頻率。變逆變器輸出基波的頻率。 5-5-2 交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理SPWM變頻調速系統(tǒng)變頻調速系統(tǒng)SPWM變頻調速系統(tǒng)框圖變頻調速系統(tǒng)框圖 5-5-2

10、交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理第五章第五章 伺服驅動系統(tǒng)伺服驅動系統(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 交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理 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結構永磁同步交流伺服電機的結構 5-5-5 永磁同步交流伺服電機的數(shù)學模型永磁同步交流伺服電機的數(shù)學模型 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 單純的變頻調速無法解決交流電機的轉矩控制，由于交流電單純的變頻調速無

11、法解決交流電機的轉矩控制，由于交流電機的勵磁電流與轉矩電流耦合在一起，因此難以象直流電機那機的勵磁電流與轉矩電流耦合在一起，因此難以象直流電機那樣直接實現(xiàn)調壓和調磁控制，這就是早期進給伺服驅動采用直樣直接實現(xiàn)調壓和調磁控制，這就是早期進給伺服驅動采用直流電機的原因，也是單純采用變頻調速的主軸系統(tǒng)速度和位置流電機的原因，也是單純采用變頻調速的主軸系統(tǒng)速度和位置控制精度不高的原因。要想使交流電機達到同樣的調速性能，控制精度不高的原因。要想使交流電機達到同樣的調速性能，就需要將勵磁電流與轉矩電流解耦，這就是矢量控制。就需要將勵磁電流與轉矩電流解耦，這就是矢量控制。 5-5-3 矢量變換原矢量變換原理

12、理TeCtIaEaCenUEa+RaIa直流電機方程直流電機方程 5-5-3 矢量變換原矢量變換原理理 idiqw w0 0F Fqdia aib bw w0 0F Fb ba aiaibicw w0 0F FabcWVU三相交流坐標系三相交流坐標系（a-b-c）兩相直角坐標系兩相直角坐標系（a a - b b）兩相旋轉坐標系兩相旋轉坐標系（d - q）2. 交流電機矢量變換的數(shù)學模型交流電機矢量變換的數(shù)學模型IPMADCClarke變換Park Clarke變換SVPWMUW整流濾波整流濾波DCAC + +電流控制M3UUUVib bPark變換Park逆變換iUiWia aidiq速度控制

13、+ +指令速度iqridria arib br編碼器編碼器微分 5-5-3 矢量變換原矢量變換原理理3. 矢量變換的應用矢量變換的應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 伺服驅動系統(tǒng)伺服驅動系統(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 交流電機的基本調速原理交流電機的基本調速原理 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結構永磁同步交流伺服電機的結構 5-5-5 永磁同步交流伺服電機的數(shù)學模型永磁同步交流伺服電機的數(shù)學模型 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

14、電機的位置控制交流伺服電機的位置控制2. 交流伺服電機的工作方式交流伺服電機的工作方式 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種內部速度）；種內部速度）；串行通信。串行通信。脈沖輸入；脈沖輸入；串行通信。串行通信。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. 交流進給伺服系統(tǒng)工作方式交流進給伺服系統(tǒng)工作方式1） 閉環(huán)速度控制閉環(huán)速度控制/扭矩工作方式扭矩工作方式交流伺服驅動器交流伺服驅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位置位置反饋反饋位置位置控制控制伺服伺服電機電機工作臺工作臺模擬電壓模擬電壓 5-5-1 概述概述3. 交流進給伺服系統(tǒng)工作方式交流進給伺服系統(tǒng)工作方式2） 高速伺服總線閉環(huán)控制工作方式高速伺服總線閉環(huán)控制工作方式伺服伺服驅動器驅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動器驅動器PLC伺服伺服電機電機CNC 5-5-1 概