數(shù)控伺服系統(tǒng)概述 2

第6章數(shù)控伺服系統(tǒng)12/17/20226.1概

述

伺服系統(tǒng)是指以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它接受來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給指令信號(hào)，經(jīng)變換、調(diào)節(jié)和放大后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件，轉(zhuǎn)化為直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)是數(shù)控裝置(計(jì)算機(jī))和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)又稱為位置隨動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)或伺服單元。該系統(tǒng)包括了大量的電力電子器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，綜合性強(qiáng)。12/17/20226.1概

述

進(jìn)給伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)主要的子系統(tǒng)。如果說(shuō)C裝置是數(shù)控系統(tǒng)的“大腦”，是發(fā)布“命令”的“指揮所”，那么進(jìn)給伺服系統(tǒng)則是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，是一種“執(zhí)行機(jī)構(gòu)”。它忠實(shí)地執(zhí)行由CNC裝置發(fā)來(lái)的運(yùn)動(dòng)命令，精確控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)給速度與位移量。12/17/20226.1.1伺服系統(tǒng)的組成

組成：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制轉(zhuǎn)換電路電子電力驅(qū)動(dòng)放大模塊

位置調(diào)節(jié)單元速度調(diào)節(jié)單元電流調(diào)節(jié)單元檢測(cè)裝置一般閉環(huán)系統(tǒng)為三環(huán)結(jié)構(gòu)：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。12/17/20226.1.1伺服系統(tǒng)的組成

位置調(diào)解速度調(diào)解電流調(diào)解轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)電流反饋速度反饋位置反饋MG位置、速度和電流環(huán)均由：調(diào)節(jié)控制模塊、檢測(cè)和反饋部分組成。電力電子驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路和功率放大器組成。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)：位置控制包括位置、速度和電流控制；速度控制包括速度和電流控制。12/17/20221．精度高

伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。包括定位精度和輪廓加工精度。2．穩(wěn)定性好

穩(wěn)定是指系統(tǒng)在給定輸入或外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過(guò)程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。直接影響數(shù)控加工的精度和表面粗糙度。3．快速響應(yīng)

快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。4．調(diào)速范圍寬

調(diào)速范圍是指生產(chǎn)機(jī)械要求電機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比。0～24m/min。5．低速大轉(zhuǎn)矩

進(jìn)給坐標(biāo)的伺服控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制，在整個(gè)速度范圍內(nèi)都要保持這個(gè)轉(zhuǎn)矩；主軸坐標(biāo)的伺服控制在低速時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩控制，能提供較大轉(zhuǎn)矩。在高速時(shí)為恒功率控制，具有足夠大的輸出功率。6.1.2對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求

12/17/2022對(duì)伺服電機(jī)的要求：（1）調(diào)運(yùn)范圍寬且有良好的穩(wěn)定性，低速時(shí)的速度平穩(wěn)性（2）電機(jī)應(yīng)具有大的、較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。（3）反應(yīng)速度快，電機(jī)必須具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、較大的轉(zhuǎn)矩、盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù)和很大的加速度

(400rad/s2以上)。（4）能承受頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)。6.1.2對(duì)伺服系統(tǒng)的基本要求

12/17/2022

1．按調(diào)節(jié)理論分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)

（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)

（3）半閉環(huán)伺服系統(tǒng)6.1.2伺服系統(tǒng)的分類指令驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)脈沖伺服電機(jī)速度檢測(cè)速度控制位置控制位置檢測(cè)伺服電機(jī)速度控制位置控制工作臺(tái)脈沖編碼器指令12/17/20226.1.2伺服系統(tǒng)的分類開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有位置測(cè)量裝置，信號(hào)流是單向的（數(shù)控裝置→進(jìn)給系統(tǒng)），故系統(tǒng)穩(wěn)定性好。電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件A相、B相C相、…f、nCNC插補(bǔ)指令脈沖頻率f脈沖個(gè)數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大12/17/2022

6.1.2伺服系統(tǒng)的分類無(wú)位置反饋，精度相對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)講不高，其精度主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能和精度。一般以功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。這類系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、調(diào)試方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在精度和速度要求不高、驅(qū)動(dòng)力矩不大的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。一般用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。12/17/20226.1.2伺服系系統(tǒng)的的分類類半閉環(huán)環(huán)數(shù)控控系統(tǒng)統(tǒng)半閉環(huán)環(huán)數(shù)控控系統(tǒng)統(tǒng)的位位置采采樣點(diǎn)點(diǎn)如圖圖所示示，是是從驅(qū)驅(qū)動(dòng)裝裝置(常用用伺服服電機(jī)機(jī))或或絲杠杠引出出，采采樣旋旋轉(zhuǎn)角角度進(jìn)進(jìn)行檢檢測(cè)，，不是是直接接檢測(cè)測(cè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)部件件的實(shí)實(shí)際位位置。。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋12/12/20226.1.2伺服系系統(tǒng)的的分類類半閉環(huán)環(huán)環(huán)路路內(nèi)不不包括括或只只包括括少量量機(jī)械械傳動(dòng)動(dòng)環(huán)節(jié)節(jié)，因因此可可獲得得穩(wěn)定定的控控制性性能，，其系系統(tǒng)的的穩(wěn)定定性雖雖不如如開環(huán)環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)，但但比閉閉環(huán)要要好。。由于絲絲杠的的螺距距誤差差和齒齒輪間間隙引引起的的運(yùn)動(dòng)動(dòng)誤差差難以以消除除。因因此，，其精精度較較閉環(huán)環(huán)差，，較開開環(huán)好好。但但可對(duì)對(duì)這類類誤差差進(jìn)行行補(bǔ)償償，因因而仍仍可獲獲得滿滿意的的精度度。半閉環(huán)環(huán)數(shù)控控系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)簡(jiǎn)單單、調(diào)調(diào)試方方便、、精度度也較較高，，因而而在現(xiàn)現(xiàn)代CNC機(jī)床床中得得到了了廣泛泛應(yīng)用用。12/12/20226.1.2伺服系系統(tǒng)的的分類類全閉環(huán)環(huán)數(shù)控控系統(tǒng)統(tǒng)全閉環(huán)環(huán)數(shù)控控系統(tǒng)統(tǒng)的位位置采采樣點(diǎn)點(diǎn)如圖圖的虛虛線所所示，，直接接對(duì)運(yùn)運(yùn)動(dòng)部部件的的實(shí)際際位置置進(jìn)行行檢測(cè)測(cè)。位置控制調(diào)節(jié)器速度控制調(diào)節(jié)與驅(qū)動(dòng)檢測(cè)與反饋單元位置控制單元速度控制單元++--電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件CNC插補(bǔ)指令實(shí)際位置反饋實(shí)際速度反饋12/12/20226.1.2伺伺服系系統(tǒng)的分分類從理論上上講，可可以消除除整個(gè)驅(qū)驅(qū)動(dòng)和傳傳動(dòng)環(huán)節(jié)節(jié)的誤差差、間隙隙和失動(dòng)動(dòng)量。具具有很高高的位置置控制精精度。由于位置置環(huán)內(nèi)的的許多機(jī)機(jī)械傳動(dòng)動(dòng)環(huán)節(jié)的的摩擦特特性、剛剛性和間間隙都是是非線性性的，故故很容易易造成系系統(tǒng)的不不穩(wěn)定，，使閉環(huán)環(huán)系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)、、安裝和和調(diào)試都都相當(dāng)困困難。該系統(tǒng)主主要用于于精度要要求很高高的鏜銑銑床、超超精車床床、超精精磨床以以及較大大型的數(shù)數(shù)控機(jī)床床等。12/12/20222．按使用的的執(zhí)行元元件分類類（1）電電液伺服服系統(tǒng)電液脈沖沖馬達(dá)和和電液伺伺服馬達(dá)達(dá)。優(yōu)點(diǎn)：在在低速下下可以得得到很高高的輸出出力矩，，剛性好好，時(shí)間間常數(shù)小、反反應(yīng)快和和速度平平穩(wěn)。缺點(diǎn)：液液壓系統(tǒng)統(tǒng)需要供供油系統(tǒng)統(tǒng)，體積積大。噪噪聲、漏漏油。（2）電電氣伺服服系統(tǒng)伺服電機(jī)機(jī)（步進(jìn)電機(jī)機(jī)、直流電電機(jī)和交交流電機(jī)機(jī)）優(yōu)點(diǎn)：操操作維護(hù)護(hù)方便，，可靠性性高。1）直流伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)采采用大慣慣量寬調(diào)調(diào)速永磁磁直流伺伺服電機(jī)和和中小慣慣量直流流伺服電電機(jī)；主主運(yùn)動(dòng)系系統(tǒng)采用用他激直直流伺服電機(jī)。。優(yōu)點(diǎn)：調(diào)調(diào)速性能能好。缺缺點(diǎn)：有有電刷，，速度不不高。2）交流流伺服系系統(tǒng)交交流感感應(yīng)異步步伺服電電機(jī)（一一般用于于主軸伺伺服系統(tǒng)）和和永永磁同步步伺服電電機(jī)（一一般用于于進(jìn)給伺伺服系統(tǒng)統(tǒng)）。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、不需需維護(hù)、、適合于于在惡劣劣環(huán)境下下工作。。動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)好、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速高和和容量大大。6.1.2伺服系統(tǒng)統(tǒng)的分類類12/12/20223．按被被控對(duì)象象分類（1）進(jìn)進(jìn)給伺服服系統(tǒng)指指一一般概念念的位置置伺服系系統(tǒng)，包包括速度控控制環(huán)和和位置控控制環(huán)。。（2）主主軸伺服服系統(tǒng)只只是是一個(gè)速速度控制制系統(tǒng)。。C軸控制功功能。4．按反反饋比較較控制方方式分類類（1）脈沖沖、數(shù)字比比較伺服系系統(tǒng)（2）相位位比較伺服服系統(tǒng)（3）幅值值比較伺服服系統(tǒng)（4）全數(shù)字伺伺服系統(tǒng)6.1.2伺服系統(tǒng)的的分類12/12/20226.2伺服電動(dòng)機(jī)伺服電動(dòng)機(jī)為數(shù)控伺服系系統(tǒng)的重要組組成部分，是是速度和軌跡控制制的執(zhí)行元件件。數(shù)控機(jī)床中常常用的伺服電電機(jī)：直流伺服電機(jī)機(jī)（調(diào)速性能能良好）交流伺服電機(jī)機(jī)（主要使用用的電機(jī)）步進(jìn)電機(jī)（適適于輕載、負(fù)負(fù)荷變動(dòng)不大大）直線電機(jī)（高高速、高精度度）12/12/2022常用的直流電電動(dòng)機(jī)有：永永磁式直流電電機(jī)（有槽、、無(wú)槽、杯型型、印刷繞組）勵(lì)磁式直流電電機(jī)混合式直流電電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)直流力矩電機(jī)機(jī)直流進(jìn)給伺服服系統(tǒng)：永永磁式直流流電機(jī)類型中中的有槽電樞永磁磁直流電機(jī)（普通通型）；直流主軸伺服服系統(tǒng)：勵(lì)勵(lì)磁式直流流電機(jī)類型中中的他激直流電機(jī)機(jī)。6.2.1直流伺服電機(jī)機(jī)及工作特性性12/12/20221．直流伺服電電機(jī)的結(jié)構(gòu)極靴機(jī)殼瓦狀永磁材料（定子）電樞（轉(zhuǎn)子）換向極主磁極定子轉(zhuǎn)子線圈圖6.5永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)

圖6.6直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖12/12/2022⑴靜態(tài)特性電磁轉(zhuǎn)矩由下下式表示:（6.1）KT—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Φ—磁場(chǎng)磁通；Ia—電樞電流；TM—電磁轉(zhuǎn)矩。電樞回回路的電壓平平衡方程式為為:（6.2）Ua─電樞上的外加加電壓；Ra─電樞電阻；Ea─電樞反電勢(shì)。。電樞反電勢(shì)與與轉(zhuǎn)速之間有有以下關(guān)系：：（6.3）Ke─電勢(shì)常數(shù)；ω─電機(jī)轉(zhuǎn)速（角角速度）。根據(jù)以上各式式可以求得：：（6.4）2一般直流電機(jī)的工工作特性12/12/2022當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為為零時(shí)：理想空載轉(zhuǎn)速速（（6.5）當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)時(shí)：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩(6.6）當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)某某一負(fù)載TL時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速與理理想空載轉(zhuǎn)速速的差（（6.7）2一般直流電機(jī)的工工作特性ωO△ω

圖6.7

直流電機(jī)的機(jī)械特性ω（n）

ωOO△ω

TS

T

TL

12/12/2022⑵動(dòng)態(tài)特性直流電機(jī)的動(dòng)動(dòng)態(tài)力矩平衡衡方程式為（6.8）式中TM─電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩矩；TL─折算到電機(jī)軸軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；ω─電機(jī)轉(zhuǎn)子角速速度；J─電機(jī)轉(zhuǎn)子上總總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；；t─時(shí)間自變量量。2一般直流電機(jī)的工工作特性12/12/2022(1)永磁直流伺服服電機(jī)的性能能特點(diǎn)1)低轉(zhuǎn)速大慣量量2)轉(zhuǎn)矩大3)起動(dòng)力矩大4)調(diào)速泛泛圍大，低速運(yùn)行行平穩(wěn)，力矩矩波動(dòng)小(2)永磁直流伺服服電機(jī)性能用用特性曲線和和數(shù)據(jù)表描述述1)轉(zhuǎn)矩-速度特特性曲線（工作曲線）2)負(fù)載-工作周期曲線線過(guò)載倍數(shù)Tmd，負(fù)載工作周周期比d。3)數(shù)據(jù)表：N、T、時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等等。3．永磁直流伺伺服電機(jī)的工工作特性12/12/20223．永磁直流伺伺服電機(jī)的工工作特性d%80110%120%60130%140%40160%d180%20200%013tR6103060100tR(min)圖6﹒9負(fù)載-工作作周期曲線M/（N-cm）轉(zhuǎn)矩極限

12000

10000

瞬時(shí)換向極限

8000

Ⅲ

6000

Ⅱ

換向極限

速度極限

4000

溫度極限

2000Ⅰ

050010001500n圖6﹒8永磁直流伺服電機(jī)工作曲線

Ⅰ區(qū)為連續(xù)工作區(qū)；Ⅱ區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負(fù)載-工作周期曲線決定工作時(shí)間；Ⅲ區(qū)為瞬時(shí)加減速區(qū)12/12/20224．主軸軸直流伺伺服電機(jī)機(jī)的工作作原理和和特性O(shè)njnmaxnP,T12圖6.10直流主軸電機(jī)特性曲線

1-轉(zhuǎn)矩特性曲線2-功率特性曲線12/12/2022直流伺服服電機(jī)的的缺點(diǎn)：：◆它的電刷刷和換向向器易磨磨損；◆電機(jī)最高高轉(zhuǎn)速的的限制，，應(yīng)用環(huán)環(huán)境的限限制；◆結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜，制造造困難，，成本高高。交流伺服服電機(jī)的的優(yōu)點(diǎn)：：◆動(dòng)態(tài)響應(yīng)應(yīng)好；◆輸出功率率大、電電壓和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提高高交流伺服服電機(jī)形形式：◆同步型交交流伺服服電機(jī)和和◆異步型交交流感應(yīng)應(yīng)伺服電電機(jī)。6.22交交流伺服服電機(jī)及及工作特特性VSVS12/12/2022交流同步步伺服電電機(jī)的種種類：勵(lì)磁式、、永磁式式、磁阻阻式和磁磁滯式（1）永永磁交流流同步伺伺服電機(jī)機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)1．永磁磁交流同同步伺服服電機(jī)的的結(jié)構(gòu)和和工作原原理VSVS定子轉(zhuǎn)子脈沖編碼碼器定子三相相繞組接線盒圖6﹒11永磁交流流同步伺伺服電機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)12/12/20221．永磁磁交流同同步伺服服電機(jī)的的結(jié)構(gòu)和和工作原原理圖6.12永磁交流流同步電電機(jī)12/12/2022（2）永磁交交流同步步伺服電電機(jī)工作作原理和和性能1．永磁交流流同步伺伺服電機(jī)機(jī)的結(jié)構(gòu)構(gòu)和工作作原理n（r/min）VSNnsnr

θ

S

圖6﹒13工作原理圖6﹒14特性曲線T（N-cm）

120001000080006000400020000100020003000Ⅰ

Ⅱ

12/12/2022交流主軸軸電機(jī)的的要求：大功率低速恒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩、高高速恒功功率鼠籠式交交流異步步伺服電電機(jī)圖6﹒15交流主主軸電機(jī)機(jī)與普通通交流圖6．16交流主軸軸伺服電電機(jī)的特特性曲線線異步感應(yīng)應(yīng)電機(jī)的的比較圖圖示意圖圖2．交流主主軸伺服服電機(jī)的的結(jié)構(gòu)和和工作原原理

交流主軸電機(jī)

普通交流異步感應(yīng)電機(jī)

通風(fēng)孔

P（KW）

86420200040006000800012000

n（r/min）

12/12/2022（1）永磁磁交流同同步伺服服電機(jī)的的發(fā)展①新永永磁材料料的應(yīng)用用釹釹鐵硼硼②永久久磁鐵的的結(jié)構(gòu)改改革內(nèi)內(nèi)裝永永磁交流流同步伺伺服電機(jī)機(jī)③與機(jī)機(jī)床部件件一體化化的電機(jī)機(jī)空心心軸永磁磁交流同同步伺服服電機(jī)（2）交交流主軸軸伺服電電機(jī)的發(fā)發(fā)展①輸出出轉(zhuǎn)換型型交流主主軸電機(jī)機(jī)三角-星星形切換換，繞組組數(shù)切換換或二者者組合切切換。②液體體冷卻電電機(jī)③內(nèi)裝裝式主軸軸電機(jī)3、交流流伺服電電機(jī)的發(fā)發(fā)展12/12/20226.3速速度度控制概述：速度控制制系統(tǒng)由由速度控控制單元元、伺服服電機(jī)和和速度檢檢測(cè)裝置組成成。分為為主運(yùn)動(dòng)動(dòng)和進(jìn)給給運(yùn)動(dòng)。。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)動(dòng)：是保證軌軌跡、尺尺寸和形形位精度度的。不不但有速速度控制制，還有位置置控制。。在整個(gè)個(gè)速度范范圍內(nèi)，，保持恒恒轉(zhuǎn)矩。。與主運(yùn)動(dòng)相相比功率率較小。。主運(yùn)動(dòng)：：主要無(wú)級(jí)級(jí)調(diào)速，，但還要要有下面面的控制制功能：：⑴主軸軸與進(jìn)給給驅(qū)動(dòng)的的同步控控制；⑵準(zhǔn)停?？刂?；；⑶分度度控制；；⑷恒線線速度控控制。速度控制制：主要是調(diào)調(diào)速，調(diào)調(diào)速有機(jī)機(jī)械、液壓和電電氣方法法，電氣氣調(diào)速最有利利于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)自動(dòng)化化。12/12/20226.3.1直直流流進(jìn)給給運(yùn)動(dòng)動(dòng)的速速度控控制1.、、直流伺伺服電電機(jī)的的調(diào)速速原理理根據(jù)機(jī)機(jī)械特特性公公式可可知調(diào)調(diào)速有有二種種方法法:電電樞電電壓Ua和氣隙磁磁通Φ⑴改變電電樞外外加電電壓Ua:由于繞繞組絕絕緣耐耐壓的的限制制，調(diào)調(diào)壓只只能在在額定定轉(zhuǎn)速以以下進(jìn)進(jìn)行。。屬于于恒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩調(diào)調(diào)速。。⑵改變變氣隙隙磁通通量Φ：改激磁磁電流流即可可改Φ，在Ua恒定情情況下下，磁磁場(chǎng)接接近飽和和，故故只能能弱磁磁調(diào)速速，在在額定定轉(zhuǎn)速速以上上進(jìn)行行。屬屬于恒恒功率率調(diào)速速。2.直流速速度控控制單單元調(diào)調(diào)速控控方式式◆晶閘管管（可可控硅硅）調(diào)速系系統(tǒng)◆晶體管管脈寬寬調(diào)制制（PWM）調(diào)速系系統(tǒng)（6.9））（6.10）12/12/2022晶閘管管調(diào)速速系統(tǒng)統(tǒng)1）系系統(tǒng)的的組成成包括控制回回路：速度度環(huán)、、電流流環(huán)、、觸發(fā)發(fā)脈沖沖發(fā)生生器等等。主回回路路：：可控控硅硅整整流流放放大大器器等等。。圖6.17可控控硅硅調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)速度度環(huán)環(huán)：：速速度度調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)（（PI）），，作作用用：：好好的的靜靜態(tài)態(tài)、、動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)特特性性。。電流流環(huán)環(huán)：：電電流流調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)(P或或PI)。。作作用用：：加加快快響響應(yīng)應(yīng)、、啟啟動(dòng)動(dòng)、、低低頻頻穩(wěn)穩(wěn)定定等等。。觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖發(fā)發(fā)生生器器：：產(chǎn)產(chǎn)生生移移相相脈脈沖沖，，使使可可控控硅硅觸觸發(fā)發(fā)角角前前移移或或后后移移。?？煽乜毓韫枵髁鞣欧糯蟠笃髌鳎海赫髁鳌?、放放大大、、驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)，，使使電電機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)。。速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器觸發(fā)脈沖發(fā)生器可控硅整流器電流反饋速度反饋電流檢測(cè)編碼器電機(jī)UR+-UfIfIR+-E1ES12/12/20222））主主回回路路工作作原原理理組成成：由大大功功率率晶晶閘閘管管構(gòu)構(gòu)成成的的三三相相全全控控橋橋式式（（三三相相全全波波））反反并并接接可可逆逆電電路路，，分成成二二大大部部分分（（Ⅰ和Ⅱ），，每每部部分分內(nèi)內(nèi)按按三三相相橋橋式式連連接接，，二二組組反反并并接接，，分別別實(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)正正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)和和反反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。。原理理：：三相相整整流流器器，，由由二二個(gè)個(gè)半半波波整整流流電電路路組組成成。。每每部部分分內(nèi)內(nèi)又又分分成成共陰陰極極組組（1、、3、、5）和和共共陽(yáng)陽(yáng)極極組組（（2、、4、、6）。。為為構(gòu)構(gòu)成成回回路路，，這這二二組組中中必必須須各各有有一一個(gè)可可控控硅硅同同時(shí)時(shí)導(dǎo)導(dǎo)通通。。1、、3、、5在正正半半周周導(dǎo)導(dǎo)通通，，2、、4、、6在負(fù)負(fù)半半周周導(dǎo)導(dǎo)通通。。每每組內(nèi)內(nèi)（（即即二二相相間間））觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖相相位位相相差差120o，每每相相內(nèi)內(nèi)二二個(gè)個(gè)觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖相相差差180o。按管管號(hào)號(hào)排排列列，，觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖的的順順序序：：1-2-3-4-5-6，，相相鄰鄰之之間間相相位位差差60o。為保保證證合合閘閘后后兩兩個(gè)個(gè)串串聯(lián)聯(lián)可可控控硅硅能能同同時(shí)時(shí)導(dǎo)導(dǎo)通通，或已已截截止止的的相相再再次次導(dǎo)導(dǎo)通通，采用用雙雙脈脈沖沖控控制制。。既既每每個(gè)個(gè)觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖在在導(dǎo)導(dǎo)通通60o后，，在在補(bǔ)補(bǔ)發(fā)發(fā)一一個(gè)個(gè)輔輔助助脈脈沖沖；；也也可以以采采用用寬寬脈脈沖沖控控制制，，寬寬度度大大于于60o，小小于于120o。462791113581210ABCMⅠⅡUMUDKMKM+-圖6.18可控控硅硅調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)主回路路12/12/2022原理理：：e)uacbcaba)b)c)d)135

①②③④⑤⑥ωtub246bcaωtωtωtωt11335511336224466224135246120°120°180°60°132460°60°56α只要要改改變變可可控控硅觸觸發(fā)發(fā)角角（（即即改改變變導(dǎo)通通角角）），，就就能能改改變可可控控硅硅的的整整流流輸輸出電電壓壓，，從從而而改改變變直流流伺伺服服電電機(jī)機(jī)的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。。觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖提提前前來(lái)，，增增大大整整流流輸輸出出電壓壓；；觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖延延后來(lái)來(lái)，，減減小小整整流流輸輸出電電壓壓。。主回回路路波波形形圖圖圖6.19可控控硅硅調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)主回路路波形形圖圖12/12/20223））控控制制回回路路分分析析觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖產(chǎn)產(chǎn)生生的的過(guò)過(guò)程程：：改變變觸觸發(fā)發(fā)角角，，即即改改變變控控制制角角U1U2R1R2R3C-+同步信號(hào)過(guò)零信號(hào)由速度F變換來(lái)的電流調(diào)節(jié)器輸出的直流信號(hào),123圖6.20可可控控硅硅調(diào)調(diào)速速系系統(tǒng)統(tǒng)控制制回路路及及波形形圖圖窄脈脈沖沖：：即即移相相觸觸發(fā)發(fā)脈脈沖沖同步信號(hào)方波信號(hào)矩齒波矩齒波與直流電壓疊加信號(hào)尖脈沖直流電壓（可控控硅硅導(dǎo)導(dǎo)通通時(shí)時(shí)間間）），，可可調(diào)調(diào)速速。。沒(méi)反反饋饋是是開開環(huán)環(huán)，，特特性性軟軟。。1-同同步步電電路路2-移移向向控控制制電電路路3-脈脈沖沖分分配配器器②電流調(diào)節(jié)器:同上，加快快電流的反應(yīng)應(yīng)。③觸發(fā)脈沖發(fā)生生器：正弦波波同步鋸齒波波觸發(fā)電路，與F直直流信號(hào)疊加加。①速度調(diào)節(jié)器：：比例積分PI，高放大大（相當(dāng)C短路）—緩緩放大—增放放大—穩(wěn)定（（相當(dāng)C開路）無(wú)靜差差。12/12/2022運(yùn)算放大器的的類型⑴反向比例放放大器⑵⑵反向比例例加法運(yùn)算放放大器⑶同向比例放放大器⑷⑷積分運(yùn)算算放大器⑸比例積分運(yùn)運(yùn)算放大器：：⑹⑹比較器R3R3U1U2R1R2R3-+U1R1U2R2C-+U1U2R1R2R3C-+U1U2R1R2-+U3U2R4R2-+U1R1U1U2R2R1-+U2二個(gè)輸入端的的內(nèi)阻非常大大，不向運(yùn)放放內(nèi)流電流，，放大倍數(shù)非常大。。同相端接地地，電位為0，為實(shí)地；；方反向端電為也為為0，虛地。。U2=-U1?R3/R212/12/2022功率因數(shù)（以單向?yàn)槔┙涣麟娮桦娐仿罚汗β?平均)P=UI=I2R=U2/R交流電阻電容容電路：純電電容電路電流流超前電壓相位φ=90o功率(平均)P=UIcosφ交流電阻電感感電路：純電電感電路電流流落后電壓相位φ=90o功率(平均)P=UIcosφ由于交流電路路中電感電容容的存在，平平均功率不等等于電壓電流的乘積積，而差一個(gè)個(gè)cosφ，既與電壓電電流的相位差差有關(guān)。其中cosφ稱為功率因數(shù)數(shù)。cosφ越高越好。造成功率因數(shù)數(shù)不高的主要要原因是感性性負(fù)載，如異異步電機(jī)、工頻爐、、日光燈的功功率因數(shù)都不不高；提高功功率因數(shù)的辦法是在感性性負(fù)載上并聯(lián)聯(lián)電容。12/12/2022[總結(jié)]速度控制的原原理：①調(diào)速：當(dāng)給定的指令令信號(hào)增大時(shí)時(shí)，則有較大大的偏差信號(hào)號(hào)加到調(diào)節(jié)器器的輸入端，產(chǎn)生生前移的觸發(fā)發(fā)脈沖，可控控硅整流器輸輸出直流電壓壓提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。。此時(shí)測(cè)速反反饋信號(hào)也增增大，與大的的速度給定相相匹配達(dá)到新的平衡，電電機(jī)以較高的的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。。②干擾：假如系統(tǒng)受到到外界干擾，，如負(fù)載增加加，電機(jī)轉(zhuǎn)速速下降，速度度反饋電壓降低，，則速度調(diào)節(jié)節(jié)器的輸入偏偏差信號(hào)增大大，其輸出信信號(hào)也增大，，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器器使觸發(fā)脈沖沖前移，晶閘閘管整流器輸輸出電壓升高高，使電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干干擾前的數(shù)值值。③電網(wǎng)波動(dòng)：：電流調(diào)節(jié)器通通過(guò)電流反饋饋信號(hào)還起快快速的維持和和調(diào)節(jié)電流作用，如電網(wǎng)網(wǎng)電壓突然短短時(shí)下降，整整流輸出電壓壓也隨之降低低，在電機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性性還未變化之之前，首先引引起主回路電電流的減小，，立即使電流調(diào)節(jié)器的輸輸出增加，觸觸發(fā)脈沖前移移，使整流器器輸出電壓恢恢復(fù)到原來(lái)值，從而抑制制了主回路電電流的變化。。④啟動(dòng)、制動(dòng)動(dòng)、加減速：：電流調(diào)節(jié)器還還能保證電機(jī)機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)動(dòng)時(shí)的大轉(zhuǎn)矩、加減速的的良好動(dòng)態(tài)性性能。12/12/2022（2）晶體體管脈寬調(diào)制制（PWM））調(diào)速系統(tǒng)1）系統(tǒng)的組組成及特點(diǎn)速度調(diào)節(jié)器電流調(diào)節(jié)器脈寬調(diào)節(jié)振蕩器脈寬調(diào)節(jié)MG電流反饋U～usrusf整流功放圖6.21晶體管脈寬調(diào)調(diào)制（PWM）調(diào)速系統(tǒng)圖12/12/2022①主回路：大功率晶體管管開關(guān)放大器器；功功率率整流器。②控制回路路：速度調(diào)節(jié)器；；電流調(diào)節(jié)器；；固定頻率振蕩蕩器及三角波波發(fā)生器；脈寬調(diào)制器和和基極驅(qū)動(dòng)電電路。區(qū)別：與晶閘管調(diào)速速系統(tǒng)比較，，速度調(diào)節(jié)器器和電流調(diào)節(jié)節(jié)器原理理一樣樣。不不同的的是脈脈寬調(diào)調(diào)制器器和功功率放放大器器。直流脈脈寬調(diào)調(diào)制：：功率放放大器器中的的大功功率晶晶體管管工作作在開開關(guān)狀態(tài)態(tài)下，，開關(guān)關(guān)頻率率保持持恒定定，用用調(diào)整整開關(guān)關(guān)周期期內(nèi)晶體體管導(dǎo)導(dǎo)通時(shí)時(shí)間（（即改改變基基極調(diào)調(diào)制脈脈沖寬寬度））的方法法來(lái)改改變輸輸出。。從而而使電電機(jī)獲獲得脈脈寬受受調(diào)制制脈沖控控制的的電壓壓脈沖沖，由由于頻頻率高高及電電感的的作用用則為波波動(dòng)很很小的的直流流電壓壓（平平均電電壓））。脈寬的的變化化使電電機(jī)電電樞的的直流流電壓壓隨著著變化化。12/12/2022直流脈脈寬調(diào)調(diào)調(diào)制制的基基本原原理周期不不變周期不不變脈寬脈寬脈寬脈寬平均直直流電電壓脈沖寬寬度正正比代代表速速度F值的的直流流電壓壓圖6.22脈寬調(diào)調(diào)制（（PWM））基本原原理圖Uωt12/12/20222）脈脈寬寬調(diào)制制器ttU△U△+USrU△+USrUSCUSCUSC+USrooo-USrtttt同向加加法放放大器器電路路圖USr–速度指指令轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化過(guò)過(guò)來(lái)的直直流電電壓U△-三角波波USC-脈寬調(diào)調(diào)制器器的輸輸出（USr+U△）調(diào)制波波形圖圖R1+12VUSCR1R3R2+-12VUSrU△-USr為0時(shí)時(shí)調(diào)制出出正負(fù)負(fù)脈寬寬一樣樣方波波平均電電壓為為0USr為正時(shí)時(shí)USr為負(fù)時(shí)時(shí)調(diào)制出出脈寬寬較寬寬的波波形平均電電壓為為正調(diào)制出出脈寬寬較窄窄的波波形平均電電壓為為負(fù)圖6.23晶體管管脈寬寬調(diào)制制（PWM）電路及及波形形圖12/12/20223）開開關(guān)關(guān)功率率放大大器主回路路：可可逆H型雙雙極式式PWM開關(guān)功功率放放大器器電路圖圖:由四個(gè)個(gè)大功功率晶晶體管管（GTR））T1、T2、T3、T4及四個(gè)個(gè)續(xù)流流二極極管組組成的的橋式電路路。H型：：又分為為雙極式式、單單極式和受受限單單極式三種種。Ub1、Ub2、Ub3Ub4–為調(diào)制制器輸出，，經(jīng)脈脈沖分配、、基極極驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換換過(guò)來(lái)來(lái)的脈沖電電壓。。分別加到到T1、T2、T3、T4的基極極。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub4Ub2、Ub3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2圖6.24晶體管管脈寬寬調(diào)制制（PWM）功功放電路及及波形形圖12/12/2022工作原原理：：T1和T4同時(shí)導(dǎo)導(dǎo)通和和關(guān)斷斷，其其基極極驅(qū)動(dòng)動(dòng)電壓壓Ub1=Ub4。T2和T3同時(shí)導(dǎo)通通和關(guān)關(guān)斷，，基極極驅(qū)動(dòng)動(dòng)電壓壓Ub2=Ub3=–Ub1。以正正脈沖沖較寬寬為例例，既正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)。。負(fù)載較較重時(shí)時(shí)：①電動(dòng)動(dòng)狀態(tài)態(tài)：當(dāng)0≤t≤t1時(shí)，Ub1、Ub4為正，，T1和T4導(dǎo)通；；Ub2、Ub3為負(fù)，T2和T3截止。。電機(jī)機(jī)端電電壓UAB=US，電樞電電流id=id1，由US→T1→T4→地。②續(xù)流流維持持電動(dòng)動(dòng)狀態(tài)態(tài)：在t1≤t≤T時(shí)，Ub1、Ub4為負(fù)，T1和T4截止；；Ub2、Ub3變正，，但T2和T3并不能能立即即導(dǎo)通通，因因?yàn)樵谠陔姌须婋姼袃?chǔ)儲(chǔ)能的的作用下下，電樞電電流id=id2，由D2→D3續(xù)流，，在D2、D3上的壓壓降使使T2、T3的c-e極承受受反壓壓不能能導(dǎo)通通。UAB=-US。接著再再變到到電動(dòng)狀狀態(tài)、、續(xù)流流維持電電動(dòng)狀狀態(tài)反復(fù)進(jìn)進(jìn)行，，如上上面左左圖。。負(fù)載較較輕時(shí)時(shí)：③反接接制動(dòng)動(dòng)狀態(tài)態(tài)，電電流反反向：：②狀態(tài)中中，在在負(fù)載載較輕輕時(shí)，，則id小，續(xù)流電流很很快衰衰減到到零，，即t=t2時(shí)（見(jiàn)上面右右圖），id=0。。在t2～T區(qū)段，T2、T3在US和反電電動(dòng)勢(shì)勢(shì)E的共同同作用用下導(dǎo)通，電樞電電流反反向，，id=id3由US→T3→T2→地。電電機(jī)處處于反接制制動(dòng)狀狀態(tài)。。④電樞樞電感感儲(chǔ)能能維持持電流流反向向：在T～t3區(qū)段時(shí)時(shí)，驅(qū)驅(qū)動(dòng)脈脈沖極極性改改變，，T2、T3截止，，因電樞電電感維維持電電流，，id=id4，由D4→D1。12/12/2022⑤電機(jī)正轉(zhuǎn)、反反轉(zhuǎn)、停止：：由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓脈沖沖寬窄而定。。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，，既t1>T/2，平均電壓為正正，電機(jī)正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，，既t1<T/2，平均電壓為負(fù)負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖寬度相等等，t1=T/2，平均電壓為零零，電機(jī)停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)。⑥電機(jī)速度的改改變：電樞上的平均電壓UAB越大，轉(zhuǎn)速越越高。它是由由驅(qū)動(dòng)電壓脈沖沖寬度決定的。⑦雙極性：由以上分析表表明：可逆H型雙極極式PWM開開關(guān)功率放大大器，無(wú)論負(fù)負(fù)載是重還是是輕、電機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反反轉(zhuǎn)，加在電電樞上的電壓壓極性在一個(gè)個(gè)開關(guān)周期內(nèi)內(nèi)，都在US和–US之間變換一次次，故稱為雙雙極性。12/12/2022（4）PWM調(diào)速系系統(tǒng)的特點(diǎn)①頻帶寬、頻頻率高:晶體管“結(jié)電電容”小，開開關(guān)頻率遠(yuǎn)高高于可控（50Hz)，，可達(dá)2-10KHz?？炜焖傩院谩＂陔娏髅}動(dòng)小小:由于PWM調(diào)調(diào)制頻率高，，電機(jī)負(fù)載成成感性對(duì)電流流脈動(dòng)由平滑作用，，波形系數(shù)接接近于1。③電源的功率率因數(shù)高:SCR系統(tǒng)由由于導(dǎo)通角的的影響，使交交流電源的波波形畸變、高次諧波波的干擾，降降低了電源功功率因數(shù)。PWM系統(tǒng)的直流電電源為不受控控的整流輸出出，功率因數(shù)數(shù)高。④動(dòng)態(tài)硬度好好:校正瞬態(tài)負(fù)載擾擾動(dòng)能力強(qiáng)，，頻帶寬，動(dòng)動(dòng)態(tài)硬度高。。12/12/20226.3.2直直流主軸驅(qū)動(dòng)動(dòng)的速度控制制1.對(duì)直流主主軸伺服系統(tǒng)統(tǒng)的要求⑴N、M—n特性，低速恒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，高速恒恒功率。⑵良好的加、減減速及換向功功能。⑶過(guò)載能力，150%（額額定電流的1.5倍）。。⑷大的調(diào)速范圍圍。⑸準(zhǔn)停、同步、、恒線速度控控制功能。2.直流主軸軸速度控制單元元：沒(méi)有位置置控制，只是是速度控制系系統(tǒng)。速度比較調(diào)節(jié)電流比較調(diào)節(jié)移相觸發(fā)脈沖及方向控制可控硅整流器電機(jī)激磁電壓反饋電流調(diào)解電壓相位變換脈沖發(fā)生器方向控制整流器~~激磁電流設(shè)定速度指令速度反饋電流反饋調(diào)壓控制部分調(diào)磁控制部分ⅹ電流反饋圖6.25直流主軸伺服服系統(tǒng)12/12/2022組成：調(diào)調(diào)壓部分分—恒恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，，在額定轉(zhuǎn)速速以下調(diào)速。。調(diào)磁部分——恒功率率調(diào)速，在額額定轉(zhuǎn)速以上上調(diào)速。調(diào)壓：一一般采用用晶閘管調(diào)速速系統(tǒng)，同直直流進(jìn)給系統(tǒng)統(tǒng)一樣。包括括速度環(huán)、電流流環(huán)、可控硅硅整流主回路路等。調(diào)磁：◆主軸電機(jī)為它它激式直流電電機(jī)，激磁繞繞組與電樞繞繞組無(wú)直接關(guān)系，，需由另一直直流電源供電電。◆激磁回路由激激磁電流設(shè)定定電路，電樞樞電壓反饋電電路、及激磁反饋電路路三者的比較較輸出信號(hào)，，經(jīng)電流調(diào)節(jié)節(jié)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等等，控制激磁磁電流的大小小，完成恒功功率調(diào)速。調(diào)磁部分的電電壓反饋的作作用：它激直流主軸軸電機(jī)，調(diào)壓壓、調(diào)磁是分分開獨(dú)立工作作的。在額定轉(zhuǎn)速以下下用改變電調(diào)調(diào)電樞端電壓壓調(diào)速，此時(shí)時(shí)調(diào)磁不工作只是維持持額定的磁場(chǎng)場(chǎng)，用電壓反反饋?zhàn)餍盘?hào)，，限制激磁電流反饋。。當(dāng)電樞端端電壓達(dá)到額額定值時(shí)，可可以調(diào)磁，使電機(jī)轉(zhuǎn)速在在高速段調(diào)整整。12/12/20226.3.3交交流進(jìn)給運(yùn)運(yùn)動(dòng)的速度控控制1.交流伺服服電機(jī)的調(diào)速速方法由電機(jī)學(xué)知，，交流電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速公式：式中：f–定子電源頻率率p–磁激對(duì)數(shù)S–轉(zhuǎn)差率ns–定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)場(chǎng)轉(zhuǎn)速n–轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速異步電機(jī)變頻–用于籠型電機(jī)調(diào)壓:定子電壓電磁磚差離合器調(diào)阻:轉(zhuǎn)子電組

串級(jí)調(diào)速

交–直–交交–交交–直–交交–交變轉(zhuǎn)差率變頻變頻同步電機(jī)交流電動(dòng)機(jī)由此可知調(diào)速速方法：（6.11））（6.12））12/12/2022對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)統(tǒng)常使用交流流同步電機(jī)，，該電機(jī)沒(méi)有有轉(zhuǎn)差率，電電機(jī)轉(zhuǎn)速公式式變?yōu)椋簭氖街锌梢钥纯闯觯褐荒苡糜米冾l調(diào)速，，并且是有效效方法。變頻調(diào)速的主主要環(huán)節(jié)是為為交流電機(jī)提提供變頻、變變壓電源的變變頻器，變頻頻器分為：●交–直–交變變頻器分分電壓型和和電流型。電電壓型先將電電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變變?yōu)橹绷?，再再?jīng)逆變器變變?yōu)轭l率和電電壓都可變的的交流電壓。電流流型是切換一一串方波，方方波電流供電電，用于大功功率?！窠花C交變頻器器該該變頻器沒(méi)有有中間環(huán)節(jié)，，直接將電網(wǎng)網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電電壓都可變的的交流電。目前對(duì)于中小小功率電機(jī)，，用得最多的的是電壓型交交–直–交變變頻器。2.正弦脈寬寬調(diào)制（SPWM）變壓壓變頻器⑴基本概念1964年德德國(guó)人率先提提出脈寬調(diào)制制變頻思想，，把通訊系統(tǒng)統(tǒng)中的（6.13））12/12/2022調(diào)制技術(shù)應(yīng)用用于交流變頻頻器。調(diào)制方方法很多，目目前用得最多多的是正弦脈寬調(diào)制。還還有空間電壓壓矢量PWM、最優(yōu)PWM、預(yù)測(cè)測(cè)PWM、隨隨機(jī)PWM、規(guī)則則采樣數(shù)字化化PWM等等等。SPWM交–直–交變壓變頻器器的原理框圖圖如下：M3～UIUR～UR–整流器固固定電壓壓不可控整流流器，常采用用六個(gè)二級(jí)管管橋式整流器器結(jié)構(gòu)將交流變變?yōu)橹绷?，電電壓幅值不變變。為逆變變器的供電。。UI–逆變器由由六個(gè)功功率開關(guān)器件件組成，常采采用大功率晶晶體管。其控控制極（大功率率晶體管GTR為基極））輸入由基基準(zhǔn)正弦波（（由速度指令轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的的）和三角波波疊加出來(lái)的的SPWM調(diào)調(diào)制波（等幅幅、不等寬的矩形脈沖沖波），使使這些大功率率晶體管按一一定規(guī)律導(dǎo)通通、截止，輸出一系列功功率級(jí)等效于于正弦交流電電的可變頻變變壓的等幅、、不等寬的矩形脈沖沖電壓波，即即功率級(jí)SPWM電壓，，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)。功率開關(guān)器件件還可采用：：可關(guān)斷晶閘閘管GTO、、功率場(chǎng)效應(yīng)應(yīng)晶體管MOSFET、絕緣緣門極晶體管管IGBT等等。圖6.26SPWM交–直–交變壓變頻器器12/12/2022⑵正弦脈寬調(diào)制制原理（以單相為例例）正弦脈寬調(diào)制制（SPWM）波形:與正弦弦波等效的一一系列等幅不不等寬的矩形脈沖沖波，如右下下圖所示。uωtωtuOOa)b)①等效原理：把正弦分成n等分分，每一區(qū)間間的面積用與其相等等的等幅不等等寬的矩形面積積代替。正弦的正負(fù)半半周均如此處理。圖6.27正弦脈寬調(diào)制制原理12/12/2022②SPWM控制制波的生成:正弦波—三角角波調(diào)制、方波—三角角波調(diào)制。方波發(fā)生器（帶正反饋比較又有RC積分）三角波發(fā)生器（積分器）三角波與基準(zhǔn)正弦波疊加（比較器）SPWM控制波基準(zhǔn)正弦波(由速度指令轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的)VD1調(diào)制波載波uutu1:utu1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C1C2U0(ua、ub、uc)tO---+++ut:圖6.28SPWM控制制波的生成12/12/2022uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utuduaω1tω1tω1tω1tω1tω1tuA0uB0uC0逆變器輸出A相等效正弦脈寬電壓波逆變器輸出B相等效正弦脈寬電壓波逆變器輸出C相等效正弦脈寬電壓波逆變器輸出線電壓等效正弦脈寬電壓波u1:由F轉(zhuǎn)換來(lái)的ut改變調(diào)制波的頻率、幅值，就可改變最終輸出：變頻變壓的交流電壓主回路：左半部：整流流器右半部：逆變變器圖6.28SPWM調(diào)制制主回路及波波形圖12/12/20221.系統(tǒng)的組組成：速度環(huán)環(huán)、電流環(huán)SPW電路、、功放電路檢測(cè)反饋電路路6.3.4交流進(jìn)給伺服服電機(jī)的速度度控制系統(tǒng)校正補(bǔ)償乘法器SPWM功率放大速度反饋信號(hào)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路電流信號(hào)處理電路傳感器信號(hào)處理電路傳感器MS3~電流比較速度比較電流傳感++--U(t)圖6.29交流進(jìn)給伺服服電機(jī)的速度度控制系統(tǒng)圖12/12/20222.SPWM電路原理SPWM的控控制方法：⑴模擬控制原原始的的控制方法；；⑵數(shù)字控制①微機(jī)存儲(chǔ)事先先算好的SPWM數(shù)據(jù)表表格，由指令令調(diào)出，或通通過(guò)軟件實(shí)時(shí)生成。。②專用集成芯片片③單片機(jī)微處理理器直接帶有有SPWM信信號(hào)產(chǎn)生功能能，并有其輸輸出端口，如8098、8XC196MC。

去主回路三極管基極u/f

分頻u/f

分頻

基準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生比較器

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

脈沖分配三角波發(fā)生器圖6.30SPWM控制波電路原理圖12/12/2022SPWM變壓變頻頻調(diào)速的的優(yōu)點(diǎn)：：1.主電電路只有有一個(gè)可可控的功功率環(huán)節(jié)節(jié)，簡(jiǎn)化化了結(jié)構(gòu)構(gòu)；2.采用用了不可可控整流流器。使使電網(wǎng)功功率因數(shù)數(shù)提高；；3.逆變變器同時(shí)時(shí)調(diào)頻調(diào)調(diào)壓，動(dòng)動(dòng)態(tài)相應(yīng)應(yīng)不受中中間環(huán)節(jié)節(jié)影響；；4.可獲獲得更接接近于正正弦波的的輸出電電壓波形形。12/12/20226.3.5交流流主軸電電機(jī)的速速度控制制交流主軸軸驅(qū)動(dòng)系系統(tǒng)：交交流感應(yīng)應(yīng)異步電電機(jī)調(diào)速方法法很多，，變頻調(diào)調(diào)速是最最適用的的方法，，主要有有：壓頻（u/f）調(diào)速矢量變換換控制調(diào)調(diào)速1.變壓壓變頻調(diào)調(diào)速的基基本控制制方式在電機(jī)調(diào)調(diào)速時(shí)，，希望保保持每極極磁通為為額定值值。磁通過(guò)弱弱—沒(méi)沒(méi)有充分分利用鐵鐵心，是是一種浪浪費(fèi)。磁通過(guò)強(qiáng)強(qiáng)—使使鐵心飽飽和，產(chǎn)產(chǎn)生過(guò)大大的勵(lì)磁磁電流，，嚴(yán)重時(shí)時(shí)因繞組過(guò)熱燒燒毀電機(jī)機(jī)。交流異步步電機(jī)中中，磁通是定定子和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁動(dòng)動(dòng)勢(shì)合成成產(chǎn)生的的，所以不能單單獨(dú)調(diào)頻頻。三相異步步電機(jī)定定子每相相電動(dòng)勢(shì)勢(shì)的有效效值為：：Eg=4.44f1N1kN1Φm≈u1（u1定子相電電壓）式中f1—定子頻率率（Hz）；N1—定子電動(dòng)動(dòng)繞組串串聯(lián)匝數(shù)數(shù)；Kn1—基波波繞組系系數(shù)；Φm—每極氣隙磁磁通量（6.14）12/12/2022由上式可可知Φm≈Eg/f1或Φm≈u1/f1頻壓協(xié)調(diào)調(diào)控制：在降低低頻率調(diào)調(diào)速時(shí)，，必須降降低電壓壓，才能能保持Φm不變。2.基頻頻以下調(diào)調(diào)速1)恒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩調(diào)速速交流異步步電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的物物理表達(dá)達(dá)式T=CTΦmI2cosφ2（6.15）式中：CT–轉(zhuǎn)矩常數(shù)數(shù)；I2–折算到定定子上的的電流；；cosφ2–轉(zhuǎn)子電路路功率因數(shù)。如如此知：：T與Φm、I2成正比，，要保持持T不變，則則需要Φm不變。nT10203040100020003000恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線圖6.31

即要求u1/f1=常數(shù)數(shù)此時(shí)，機(jī)機(jī)械特性性曲線族族如圖6.31。這這些曲線族的線線性段基基本平行行，但最最大轉(zhuǎn)矩矩Tm隨著f1的下降而而減小。。原因是是：f1高時(shí)→u1值大→定子電流流子在定定子繞組中中造成的的壓降與與u1相比，所所占比例例很小，認(rèn)認(rèn)為u1=Eg。f1很低時(shí)→u1很小→定子電流流在定繞組中造造成的壓壓降與u1相比所占占比例很很大u1和Eg相差很大大；所以Φm減小，使使Tm下降。12/12/2022Tn10203040100020003000恒Tm調(diào)速特性曲線圖6.32

2)恒最最大轉(zhuǎn)矩矩（Tm）調(diào)速為了使低低速時(shí)，，Tm不下降，，必須使使E1/f1=常數(shù)數(shù)采取E1、f1協(xié)調(diào)控制制。然而而繞組中中感應(yīng)電電勢(shì)難以以直接控控制，亦亦采用隨轉(zhuǎn)數(shù)數(shù)的降低低，定子子電壓要要適當(dāng)提提高的辦辦法，以以補(bǔ)償定定子繞組組電引起的的壓降。。恒Tm調(diào)速的機(jī)機(jī)械特性性如圖6.32。從圖中可可以看出出低速時(shí)的的最大轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩得到到了提高高，與高高速時(shí)的的轉(zhuǎn)矩一一樣。12/12/202210203040506010002000nT圖6.33恒功率調(diào)速3.基頻頻以上調(diào)調(diào)速基頻以上上調(diào)速稱稱為恒功率調(diào)調(diào)速。為為了擴(kuò)大大調(diào)速范范圍，可可以將f1大于額定頻率，得到大大于額定定值的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。由由于定子子電壓不不能超過(guò)過(guò)額定電電壓，因此此Φm將隨f1的升高而而降低，，使轉(zhuǎn)矩矩下降。。由P=M↓·n↑=恒定故故功率不變變以上交流流機(jī)的變變頻變壓壓調(diào)速為為非線性性，不如如直流電電機(jī)調(diào)速速性能好好。12/12/20226.3.6交流伺伺服電機(jī)機(jī)的矢量量控制矢量變換換控制由由德國(guó)于于1971年提提出和實(shí)實(shí)現(xiàn)。其其原理是是利用矢矢量變換將交流流機(jī)向直直流機(jī)那那樣控制制，這是是在理論論和實(shí)踐踐上的突突破。矢矢量變換控制既既適用于于交流異異步電機(jī)機(jī)，也適適用于交交流同步步電機(jī)。。下面以以交流異步電機(jī)機(jī)為例說(shuō)說(shuō)明。1.基本本思想直流伺服服電機(jī)具有良好好的靜態(tài)態(tài)和動(dòng)態(tài)態(tài)性能，，是因?yàn)闉楸豢亓繛闉槎€(gè)獨(dú)獨(dú)立的量量：磁場(chǎng)場(chǎng)Φ和電樞電電流Ia(或Ua)，并且且互不影影響。電磁轉(zhuǎn)矩矩（M=CMΦIa）與Φ和Ia分別成正正比關(guān)系系。如果能模擬直流伺服服電機(jī)，求出交交流伺服服電機(jī)與與之對(duì)應(yīng)應(yīng)的等效效磁場(chǎng)和等效效電樞電流流，分別別獨(dú)立控控制，就就會(huì)使交交流電機(jī)機(jī)具有直直流電機(jī)機(jī)相似的優(yōu)良良特性。。為此，，要進(jìn)行行：三相交變變量（矢矢量）轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為直直流（標(biāo)標(biāo)量），建立交交流電機(jī)機(jī)的等效數(shù)學(xué)學(xué)模型。。伺服電機(jī)機(jī)的控制制，實(shí)質(zhì)是轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的控控制。交流感感應(yīng)電機(jī)機(jī)的等效效轉(zhuǎn)矩T=CTΦmI2cosφ2其中磁通通為矢量，它是是由定子子電流I1與轉(zhuǎn)子電電流I2合成電流流I0產(chǎn)生的。與直直流電機(jī)機(jī)相比，，交流感應(yīng)應(yīng)電機(jī)沒(méi)沒(méi)有獨(dú)立立的激磁磁回路。。如果要要把轉(zhuǎn)子電流流I2比作Ia，I2時(shí)刻影響響Φ的變化；；12/12/2022其次次，，交流流感感應(yīng)應(yīng)電電機(jī)機(jī)的的輸輸入入量量是是隨隨時(shí)時(shí)間間變變化化的的量量，，磁磁通通亦亦是是空空間交交變變矢矢量量。。如如果果僅控制定子電電壓和頻率，，其輸出特性性（n=f(T)）也不是線性。。為此，可利用用等效概念，，將三相交流流輸入電流變變?yōu)榈刃У牡闹绷麟姍C(jī)中彼此獨(dú)獨(dú)立的激磁電電流If和電樞電流Ia。然后和直直流電機(jī)一樣樣，通過(guò)對(duì)這兩個(gè)個(gè)量的反饋控控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩矩控制。最后后，通過(guò)相反的變換，，將等效的直直流量還原為為三相交流量量，控制實(shí)際際的三相感應(yīng)電機(jī)。等效變換的準(zhǔn)準(zhǔn)則：變換前前后有相同的的磁動(dòng)勢(shì)（磁磁勢(shì)），即必必須生成同樣的旋旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。F=(ωI)=ΦRm磁路歐姆定律律。其中F–磁勢(shì)（相當(dāng)于于電勢(shì)）、ω–線圈匝數(shù)、I–電流、Φ–磁通、Rm–磁阻。2.三相/二二相變換（A、B、C/α、β）即將三相交流電機(jī)機(jī)變?yōu)榈刃У牡亩嘟涣麟姍C(jī)。圖6.34a為三相相交流電機(jī)中彼彼此相差120o空間角度的三三個(gè)定子繞組組，分別通以以時(shí)間相差120o電角度的三相相平衡交流電流iA、iB、iC。于是在定子子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其矢矢量為Φ，角速度ω0。12/12/2022ω0圖6.34三三相交流機(jī)機(jī)--二相直直流機(jī)變換a)三相交交流電機(jī)b)等效的二二相交流電機(jī)機(jī)c)等效的直直流電機(jī)應(yīng)用三相/二相數(shù)學(xué)變換換，轉(zhuǎn)化為二相交流繞阻阻（α、β）的等效交流流磁場(chǎng)。如圖6.34b所示，按空間間相差90o布置，分別通通以時(shí)間相差差90o的平衡電流iα、iβ，則產(chǎn)生空間旋旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其矢量為Φ，角速度ω0。與三相A、B、C產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁磁場(chǎng)一致。AABCddqqΦΦΦω0ω0αβ12/12/202260o60oFCFAFBFαFβ圖6.35三三相交流流-二交流相相磁勢(shì)變換的計(jì)算圖見(jiàn)圖6.35，其轉(zhuǎn)換磁勢(shì)為為：激磁磁動(dòng)勢(shì)與與電樞磁動(dòng)勢(shì)勢(shì)正交按磁勢(shì)與電流流成正比的關(guān)關(guān)系，同理，其轉(zhuǎn)換換電流為：按三相平衡量量與二相平衡衡量等效的原則，其其它物理量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換可以用相同的方方法。這樣三相交流流電機(jī)轉(zhuǎn)換二二相交流電機(jī)。。12/12/2022didiqiαilqβα(F1)Ф激磁繞阻（）θФ電樞繞阻iβ圖6.36二二相交流-二相直流變變換的計(jì)算圖圖