第六章進(jìn)給伺服系統(tǒng)

第六章進(jìn)給伺服系統(tǒng)第一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機(jī)（直流、交流伺服電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等）和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)，驅(qū)動機(jī)床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進(jìn)給或快速運動。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別：能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。如果把數(shù)控裝置比作數(shù)控機(jī)床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機(jī)構(gòu)，那么伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機(jī)床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機(jī)構(gòu)，它是一個不折不扣的跟隨者。第二頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、

對伺服系統(tǒng)的基本要求1.

位移精度高伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)的位移精度是指指令脈沖要求機(jī)床工作臺進(jìn)給的位移量和該指令脈沖經(jīng)伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為工作臺實際位移量之間的符合程度。兩者誤差愈小，位移精度愈高。2.

穩(wěn)定性好穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定外界干擾作用下，能在短暫的調(diào)節(jié)過程后，達(dá)到新的或者恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)的能力。要求伺服系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證進(jìn)給速度均勻、平穩(wěn)。穩(wěn)定性直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度。第三頁，共七十八頁，2022年，8月28日

3.

快速響應(yīng)快快速響應(yīng)是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，它反映了系統(tǒng)跟蹤精度。機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)實際上就是一種高精度的位置隨動系統(tǒng)，為保證輪廓切削形狀精度和低的表面粗糙度，要求伺服系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應(yīng)要快，跟隨誤差小。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。在數(shù)控機(jī)床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。

第四頁，共七十八頁，2022年，8月28日

5.

低速大扭矩要求伺服系統(tǒng)有足夠的輸出扭矩或驅(qū)動功率。機(jī)床加工的特點是，在低速時進(jìn)行重切削。因此，伺服系統(tǒng)在低速時要求有大的轉(zhuǎn)矩輸出。三、伺服系統(tǒng)的分類數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按其控制原理和有無位置反饋裝置分為開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)；按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)；按其驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)及直線電動機(jī)伺服系統(tǒng)。本章主要介紹進(jìn)給伺服驅(qū)動系統(tǒng)第五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

（一）開環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)1、如圖6-1為開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與指令脈沖個數(shù)成正比，其速度由進(jìn)給脈沖的頻率決定,反映到工作臺上是其移動速度和位移大小。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，就可控制執(zhí)行部件運動的位移量、速度和運動方向。由于系統(tǒng)中沒有監(jiān)測和反饋環(huán)節(jié)，工作中移動到不到位，取決于不進(jìn)電機(jī)的步距角精度，齒輪傳動間隙，絲杠螺母副的精度等。

齒輪箱步進(jìn)電機(jī)指令脈沖

圖6-1開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖

工作臺驅(qū)動控制線路第六頁，共七十八頁，2022年，8月28日2、閉環(huán)伺服系統(tǒng)又可進(jìn)一步分為全閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。全閉環(huán)伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在機(jī)床的工作臺上（圖6-2），檢測裝置測出實際位移量或者實際所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，與指令進(jìn)行比較，求得差值，依此構(gòu)成閉環(huán)位置控制。閉環(huán)方式被大量用在精度要求較高的大型數(shù)控機(jī)床上。3、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)一般將位置檢測元件安裝在電動機(jī)軸上，用以精確控制電機(jī)的角度，然后通過滾珠絲杠等傳動部件，將角度轉(zhuǎn)換成工作臺的位移，為間接測量(圖6-3)。即坐標(biāo)運動的傳動鏈有一部分在位置閉環(huán)以外，其傳動誤差沒有得到系統(tǒng)的補償，因而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度低于閉環(huán)系統(tǒng)。目前在精度要求適中的中小型數(shù)控機(jī)床上，使用半閉環(huán)系統(tǒng)較多。

第七頁，共七十八頁，2022年，8月28日位置控制模塊速度控制單元伺服電機(jī)工作臺

位置檢測測量反饋

速度環(huán)

速度檢測

位置環(huán)

圖6-2閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

指令

伺服驅(qū)動裝置第八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

這種系統(tǒng)不反映反饋回路之外的誤差，由于高分辨率的檢測元件也可以獲得比較滿意的精度

指令+—-

速度反饋位置反饋

圖6-3半閉環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖位置比較速度控制

工作臺伺服電機(jī)第九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

（二）進(jìn)給驅(qū)動與主軸驅(qū)動進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)，用于數(shù)控機(jī)床工作臺或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運動，并提供切削過程所需轉(zhuǎn)矩。主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)，控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力，且保證任意轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。（三）直流、交流伺服系統(tǒng)與直線電動機(jī)伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)就是控制直流電機(jī)的系統(tǒng)。目前使用比較多的是永磁式直流伺服電機(jī)。永磁直流伺服電機(jī)（也稱為大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)），調(diào)速范圍寬，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量較大，應(yīng)用較方便，適合數(shù)控機(jī)床對頻繁啟動、制動、以及速度定位、切削的要求。第十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

但直流電機(jī)有電刷，限制了轉(zhuǎn)速的提高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格也高。進(jìn)入80年代后，由于交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的突破，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。交流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量比直流電機(jī)小，動態(tài)響應(yīng)好。而且容易維修，制造簡單，適合于在較惡劣環(huán)境中使用，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，其性能更加優(yōu)異，已達(dá)到或超過直流伺服系統(tǒng)，另外從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電機(jī)比采用直流電及更合適。交流伺服電機(jī)已在數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。

第十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

直線電動機(jī)的實質(zhì)是把旋轉(zhuǎn)電動機(jī)沿徑向剖開，然后拉直演變而成，利用電磁作用原理，將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動動能的一種推力裝置，是一種較為理想的驅(qū)動裝置。在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中，采用直線電動機(jī)直接驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)電動機(jī)的最大區(qū)別是取消了從電動機(jī)到工作臺之間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)，把機(jī)床進(jìn)給傳動鏈的長度縮短為零。正由于這種傳動方式，帶來了旋轉(zhuǎn)電動機(jī)驅(qū)動方式無法達(dá)到的性能指標(biāo)和優(yōu)點。由于直線電動機(jī)在機(jī)床中的應(yīng)用目前還處于初級階段，還有待進(jìn)一步研究和改進(jìn)。隨著各相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展和直線電動機(jī)制造工藝的完善，相信用直線電動機(jī)作進(jìn)給驅(qū)動的機(jī)床會得到廣泛應(yīng)用。第十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

第二節(jié)

步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動裝置

一、步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電動機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的驅(qū)動元件。給一個電脈沖信號，步進(jìn)電動機(jī)就回轉(zhuǎn)一個固定的角度，稱為一步，所以稱為步進(jìn)電動機(jī)。由于它輸入的是脈沖電流，也稱為脈沖電動機(jī)。步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)受驅(qū)動線路控制，將進(jìn)給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。進(jìn)給脈沖的頻率代表了驅(qū)動速度，脈沖的數(shù)量代表了位移量，而運動方向是由步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序來決定，并且保持電機(jī)各相通電狀態(tài)就能使電機(jī)自鎖。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，其精度主要由步進(jìn)電機(jī)來決定，速度也受到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。第十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號變換成角位移或線位移的一種機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，現(xiàn)以圖6-5所示的反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)為例加以說明。定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進(jìn)電機(jī)是按電磁吸引的原理進(jìn)行工作的。當(dāng)定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過來，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。每當(dāng)轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零。如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉(zhuǎn)子便按一定方向不停地轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電機(jī)每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。第十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-4三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)第十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

為進(jìn)一步了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理，以圖6-5為例來說明其轉(zhuǎn)動的整個過程，假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個齒，相鄰兩齒間夾角（齒距角）為900。當(dāng)A相通電時，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時針方向轉(zhuǎn)動30o。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn)30o，依次類推，定子按A→B→C→A順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)30o。若改變通電順序，按A→C→B→A使定子繞組通電，步進(jìn)電機(jī)就按順時針方向轉(zhuǎn)動，同樣每步轉(zhuǎn)30o。這種控制方式叫三相單三拍方式，“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，另外，只有一相繞組通電，易在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故實際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。第十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-5步進(jìn)電機(jī)工作原理第十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日

采用三相雙三拍控制方式，即通電順序按AB→BC→CA→AB（逆時針方向）或AC→CB→BA→AC（順時針方向）進(jìn)行，其步距角仍為300。由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。如果按A→AB→B→BC→C→CA→A順序通電，即首先A相通電，然后A相不斷電，B相再通電，即A、B兩相同時通電，接著A相斷電而B相保持通電狀態(tài)，然后再使B、C兩相通電，依次類推，每切換一次，步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)過15°。如通電順序改為A→AC→C→CB→B→BA→A，則步進(jìn)電機(jī)以步距角15°順時針旋轉(zhuǎn)。這種控制方式為三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。實際應(yīng)用的步進(jìn)電機(jī)如圖6-5所示，轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有齒距相等的小齒，且齒數(shù)要有一定比例的配合。第十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日綜上所述，可以得出以下結(jié)論：（1）步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過一個確定的角度，即步進(jìn)電機(jī)的步距角。步進(jìn)電機(jī)受脈沖電流的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移和角速度嚴(yán)格地與輸入脈沖的數(shù)量和脈沖頻率成正比。改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變（2）步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越高（3）步進(jìn)電機(jī)的步距角a與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)（4）步進(jìn)電機(jī)效率低，拖動負(fù)載能力不大，調(diào)速范圍不大。第十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、步進(jìn)電機(jī)的主要性能指標(biāo)

1.

步距角和步距誤差每輸入一個脈沖電信號，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度成為步距角。步距角和步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)、通電方式及電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：(6-1)式中—步進(jìn)電機(jī)的步距角；m—電機(jī)相數(shù)；Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1；相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。同一相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)可有兩種步距角，通常為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運行時，轉(zhuǎn)子每一步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。步距誤差直接影響執(zhí)行部件的定位精度及步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)特性。大小由制造精度、齒槽的分布及定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻等因素造成。第二十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

2.靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性當(dāng)步進(jìn)電機(jī)上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動（θ＝0）。如果在電機(jī)軸上外加一個負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度θ，角度θ稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角θ的關(guān)系叫矩角特性，如圖6-6所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩除去時，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置（θ＝0）。第二十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-6靜態(tài)矩角特性第二十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

3.

最大啟動轉(zhuǎn)矩圖6-7為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進(jìn)電機(jī)的最大啟動轉(zhuǎn)矩。如果外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于Mmax，電機(jī)就不能啟動。如圖6-7所示,當(dāng)A相通電時，若外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩MA，對應(yīng)的失調(diào)角為θ，當(dāng)勵磁電流由A相切換到B相時，對應(yīng)角φ，B相的靜轉(zhuǎn)矩為MB。從圖中看出,電機(jī)不能帶動負(fù)載做步進(jìn)運動，因而啟動轉(zhuǎn)矩是電機(jī)能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)動的極限轉(zhuǎn)矩。4、加減速特性步進(jìn)電機(jī)的加減速特性是描述步進(jìn)電機(jī)由靜止到工作頻率和由工作頻率到靜止的加減速過程中，定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率與時間的關(guān)系。步進(jìn)電機(jī)頻率變化階段其加速時間和減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。第二十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日a

bABC圖6-7步進(jìn)電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩MmaxMAMB第二十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日

5.最高啟動頻率

空載時，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動，并進(jìn)入不失步的正常運行的最高頻率，稱為最高啟動頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)），啟動頻率會進(jìn)一步降低。6.連續(xù)運行頻率

步進(jìn)電機(jī)起動后，其運行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，決定了步進(jìn)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。第二十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

7.矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩

矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系（見圖6-8），該特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運行時，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動機(jī)所能帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時，一定要考慮動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點。Mf圖6-8矩頻特性第二十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日三、步進(jìn)電機(jī)開環(huán)進(jìn)給的傳動計算直線進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為δ（mm）步進(jìn)電機(jī)的步距角為α，齒輪傳動鏈的傳動比i，滾珠絲杠的導(dǎo)程為t（mm）它們之間關(guān)系為：為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出一個指令脈沖，工作臺移動的距離，圓周進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)脈沖當(dāng)量為蝸桿為頭，蝸輪為頭則有步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給系統(tǒng)，使用齒輪傳動，為了求得必須的脈沖當(dāng)量，而且還有滿足結(jié)構(gòu)要求和增大轉(zhuǎn)矩的作用。第二十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日

四步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號。驅(qū)動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計的，數(shù)控機(jī)床上常用三相、四相、五相及六相步進(jìn)電機(jī)。現(xiàn)介紹三相六拍步進(jìn)電機(jī)環(huán)形分配器的工作原理。第二十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

硬件環(huán)形分配器是根據(jù)真值表或邏輯關(guān)系式采用邏輯門電路和觸發(fā)器來實現(xiàn)，如圖6-9所示，該線路由與非門和J－K觸發(fā)器組成。指令脈沖加到三個觸發(fā)器的時鐘輸入端CP，旋轉(zhuǎn)方向由正、反控制端的狀態(tài)決定。為三個觸發(fā)器的端輸出，連到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通電，“0”表示斷電，對于三相六拍步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，正向控制端狀態(tài)置“1”，反向控制端狀態(tài)置“0”。初始時，在預(yù)置端加上預(yù)置脈沖，將三個觸發(fā)器置為100狀態(tài)。當(dāng)在CP端送入一個脈沖時，環(huán)形分配器就由100狀態(tài)變?yōu)?10狀態(tài)，隨著指令脈沖的不斷到來，各相通電狀態(tài)不斷變化，按照100→110→010→011→001→101即A→AB→B→BC→C→CA次序通電。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時，由反向控制信號“1”狀態(tài)控制（正向控制為“0”），通電次序為A→CA→C→CB→B→BA→A。第二十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

SA相

B相

R

C相R正反置零CP指令脈沖圖6-9三相六拍環(huán)形分配器

JA

KA

JB

KB

JC

KC

QAQBQC第三十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

軟件環(huán)形分配器實現(xiàn)較為簡單、方便。計算機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，使用軟件實現(xiàn)脈沖分配，常用的是查表法。例如對于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)表6-1所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將A、B、C的值輸出即可。如果上一個進(jìn)給脈沖到來時，控制輸出接口輸出的A、B、C的值是100，則對于下一個正向進(jìn)給脈沖指令，控制輸出接口輸出的值是110，再下一個正向進(jìn)給脈沖，應(yīng)是010，而使步進(jìn)電機(jī)正向地旋轉(zhuǎn)起來。第三十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

表6-1三相六拍環(huán)形分配器真值表

第三十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

功率放大器的作用是將環(huán)形分配器發(fā)出的電平信號放大至幾安培到幾十安培的電流送至步進(jìn)電機(jī)各繞組，每一相繞組分別有一組功率放大電路，使步進(jìn)電機(jī)有較大的高頻轉(zhuǎn)距和較大的高頻電流。以下介紹三種典型的驅(qū)動電路：單電壓簡單驅(qū)動、高低壓驅(qū)動和恒流斬波驅(qū)動。圖6-10為單電壓功放電路，L為步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組的電感，Ra為繞組電阻，Rc為外接電阻，電阻Rc并聯(lián)一電容C，可以提高負(fù)載瞬間電流的上升率，從而提高電動機(jī)快速響應(yīng)能力和啟動性能。環(huán)形分配器輸出為高電平時，T飽和導(dǎo)通，繞組電流按指數(shù)曲線上升，電路時間常數(shù)τ=L/(Ra+Rc)，它表示功放電路在導(dǎo)通時允許步進(jìn)電機(jī)繞組電流上升的速率。串聯(lián)電阻Rc可以使電流上升時間減小，改善帶負(fù)載能力。但電阻消耗了一部分功率，降低了效率。并聯(lián)加速電容C，以提高繞組的瞬時電壓，使電感L中的電流上升速度提高，從而提高啟動頻率。第三十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日當(dāng)環(huán)形分配器輸出為低電平時，T截止，繞組斷電，因步進(jìn)電機(jī)的繞組是電感性負(fù)載，當(dāng)T管從飽和到突然截止的瞬間，將產(chǎn)生一較大反電勢，此反電勢與電源電壓疊加在一起加在T管的集電極上，可能會使T管擊穿。因此，續(xù)流二極管D和電阻Rd接在T管集電極和電源之間，組成放電回路，使T管截止瞬間電機(jī)產(chǎn)生的反電勢通過二極管D續(xù)流作用而衰減掉，從而保護(hù)晶體管不受損壞。圖6-11為電流波形，可見電流波形前沿不陡，繞組電流緩慢增加，而使電機(jī)帶負(fù)載能力下降。單電壓驅(qū)動電路的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流上升不夠快，高頻時帶負(fù)載能力低，工作效率低，串聯(lián)電阻消耗相當(dāng)大的一部分能量，并且會發(fā)熱影響電路工作的正常穩(wěn)定狀態(tài)，只適應(yīng)于小功率步進(jìn)驅(qū)動。

第三十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日前置放大

輸入CLARaRCRdDT

圖6-10單電壓驅(qū)動電路原理圖A第三十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-11三種電路電流波形

雙電壓供電電路靳波恒流電壓供電電路單電壓供電電路tttiii第三十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-12所示為高低壓電路，這種電路特點是高壓充電，低壓維持。當(dāng)環(huán)形分配器輸出高電平時，兩只功率放大管T1，T2同時導(dǎo)通，電機(jī)繞組以＋60V高壓供電，繞組電流快速上升，前沿很陡，當(dāng)接近額定電流時，單穩(wěn)延時時間到，T1管截止，改由低壓＋12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為U1/U2，則電流上升也提高U1/U2倍，上升時間明顯減小。當(dāng)?shù)蛪簲嚅_時，電感中儲能通過構(gòu)成的放電回路放電，因此也加快了放電過程。這種供電線路由于加快了繞組電流的上升和下降過程，有利于提高步進(jìn)電機(jī)的啟動頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是由低壓維持的，只需較小的限流電阻，功耗小。該電路能在較寬的頻率范圍內(nèi)有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大且較穩(wěn)定的電磁轉(zhuǎn)矩，缺點是高低壓電路波形連接處有凹形．第三十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日U1＋60V

T1U2＋12Vt1

R2D1

LR1

T2

圖6-12高低壓驅(qū)動電路原理圖單穩(wěn)延時前置放大前置放大D2t2第三十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

恒流斬波驅(qū)動電路的原理圖見圖6-15，其工作原理是：環(huán)形分配器輸出的正脈沖將T1，T2導(dǎo)通，由于U1電壓較高，繞組回路又沒串電阻，所以繞組電流迅速上升，當(dāng)繞組電流上升到額定值以上的某一數(shù)值時，由于采樣電阻Re的反饋作用，經(jīng)整形、放大后送自T1的基極，使T1管截止。接著繞組由U2低壓供電，繞組中的電流立即下降，但剛降到額定值以下時，由于采樣電阻Re的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使T1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進(jìn)行，形成一個在額定電流值上下波動呈鋸齒狀的繞組電流波形（見圖6-14），近似恒流。特點：繞組的脈沖電流邊沿陡，快速相應(yīng)好。功率消耗小效率高，輸出恒定電流，減少了步進(jìn)電機(jī)的共振發(fā)生。第三十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

U1高壓

T1D1D2U2RLRa

Re

圖6-13恒流斬波驅(qū)動電路原理圖

高壓前置放大低壓前置放大控制門整形T2第四十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

五、

開環(huán)控制步進(jìn)式伺服系統(tǒng)的工作原理

1.工作臺位移量的控制數(shù)控裝置發(fā)出N個脈沖，經(jīng)驅(qū)動線路放大后，使步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)變化N次，如果一個脈沖使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度為α，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角位移量Φ＝Nα，再經(jīng)減速齒輪、絲杠、螺母之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的位移量L，即進(jìn)給脈沖數(shù)決定了工作臺的直線位移量L。2.工作臺進(jìn)給速度的控制數(shù)控裝置發(fā)出的進(jìn)給脈沖頻率為f，經(jīng)驅(qū)動控制線路，表現(xiàn)為控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電、斷電狀態(tài)的電平信號變化頻率，定子繞組通電狀態(tài)變化頻率決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速經(jīng)過減速齒輪及絲杠、螺母之后，體現(xiàn)為工作臺的進(jìn)給速度V，即進(jìn)給脈沖的頻率決定了工作臺的進(jìn)給速度。V=60fδω=60fδ第四十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

3.工作臺運動方向的控制改變步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖信號的循環(huán)順序方向，就可改變定子繞組中電流的通斷循環(huán)順序，從而使步進(jìn)電機(jī)實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的工作臺進(jìn)給方向就被改變。六、提高開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)精度的措施1、傳動間隙補償。在進(jìn)給傳動結(jié)構(gòu)中，提高傳動元件的制造精度并采取消除傳動間隙的措施，可以減小但不能完全消除傳動間隙，具體補償方法：先補償后執(zhí)行，間隙補償?shù)臄?shù)目有實測決定。2、螺距誤差補償。用螺距補償電路或軟件的方法，可以補償滾珠絲杠的螺距累計誤差。

第四十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)直流伺服電機(jī)目前數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)構(gòu)成閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)。由于數(shù)控機(jī)床的特殊要求，一般直流電機(jī)不能滿足要求，目前進(jìn)給伺服系統(tǒng)中使用的都是大功率直流伺服電機(jī)。一、寬調(diào)速直流伺服電機(jī)（大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)）它具有以下特點：（1）、高轉(zhuǎn)距；低速運轉(zhuǎn)是輸出轉(zhuǎn)距大，最大峰值轉(zhuǎn)距可達(dá)額定轉(zhuǎn)距的10倍以上。（2）、調(diào)速范圍寬；一般可達(dá)1000-1500r/min（3）、動態(tài)相應(yīng)好；（4）、過載能力強(qiáng)允許持續(xù)過載時間長。（5）、易于測試。（6）、電機(jī)本身的慣量大，輸出轉(zhuǎn)距大，可以直接驅(qū)動負(fù)載，無需機(jī)械減速傳動鏈。（7）、電機(jī)的熱容量大，熱時間常數(shù)大，可達(dá)120分鐘左右，可在自然冷卻條件下長時間工作或過載條件下工作。第四十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日二、直流伺服電機(jī)的調(diào)速控制如圖所示電機(jī)轉(zhuǎn)子上的載流導(dǎo)體在定子磁場中，受到電磁轉(zhuǎn)M的作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。電磁轉(zhuǎn)距--電機(jī)的轉(zhuǎn)距系數(shù)--電機(jī)電樞電流電樞轉(zhuǎn)動后，因?qū)w切割磁力線而產(chǎn)生的反電勢其值為：作用在電樞的電壓U應(yīng)等于反電勢與電樞電壓之和--電樞電阻由上式可得：UjIjEaRaRjUIa

第四十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日由上式可知，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有三種方法1）改變電樞電壓U（常用的方法）2）改變磁通量φ，即改變的值3）在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rt，此時轉(zhuǎn)速的計算公式為調(diào)節(jié)激磁回路電阻的方法，雖然容易控制，但激磁回路的電感大，因此，電氣時間常數(shù)較大，調(diào)速的快速性差。而且激磁回路串聯(lián)電阻只能使激磁電流減小，所以轉(zhuǎn)速只能調(diào)高。而在電樞回路中串聯(lián)電阻的方法，轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，而且電阻上的銅耗大，這種方法并不經(jīng)濟(jì)。磁通量與電樞電阻固定不變，改變電樞電壓的調(diào)節(jié)方法，盡管需要附加的設(shè)備，但它的調(diào)速范圍大，所以直流電機(jī)常采用此方法。第四十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日三、大慣量寬調(diào)速直流伺服電機(jī)的晶體管脈沖調(diào)速系統(tǒng)晶體管脈沖調(diào)速系統(tǒng)，簡稱PWM系統(tǒng)是近幾年出現(xiàn)的一種調(diào)速系統(tǒng)。利用開關(guān)頻率較高的大功率晶體管作為開關(guān)元件，將整流后的恒壓直流電源，轉(zhuǎn)換成幅值不變，但是脈沖寬度可調(diào)的高頻矩形波，給伺服電機(jī)的電樞回路供電，通過改變脈沖寬度的方法來改變電樞回路中的平均電壓，達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的。PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點：（1）、開關(guān)頻率高。其頻率可至2khz，比機(jī)械部件的固有頻率高得多，可以避開機(jī)械部件的共振。（2）、快速相應(yīng)好。能給出極快的定位速度和定位精度，適合于啟動頻繁的場合。（3）可在高峰值電流下工作。第四十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)

交流伺服系統(tǒng)

一、數(shù)控機(jī)床用交流電機(jī)由于直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速性能，因此長期以來，在要求調(diào)速性能較高的場合，直流伺服電機(jī)一直占據(jù)主導(dǎo)地位，但直流電機(jī)卻存在一些固有的缺點，如電刷和換向器易磨損，需經(jīng)常維修，換向器換向時易產(chǎn)生火花，使電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速及應(yīng)用環(huán)境受到限制，并且直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。交流電機(jī)則無上述缺點。且轉(zhuǎn)子慣量較直流電機(jī)小，動態(tài)相應(yīng)好，它能在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)產(chǎn)生理想的轉(zhuǎn)距，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，在同樣體積下，交流電機(jī)的輸出功率可比直流電機(jī)提高10-70%，另外交流電機(jī)的容量可比直流電機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速，因此現(xiàn)代伺服系統(tǒng)中，則更多采用交流伺服電機(jī)。近年來用交流異步電機(jī)作伺服驅(qū)動裝置因交流異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，無電刷和換向磨損問題，使用可靠，基本上無需維修，是一種理想的伺服電機(jī)。第四十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日交流伺服電動機(jī)第四十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

二、交流電機(jī)的速度控制

(一)交流電機(jī)的調(diào)速據(jù)電機(jī)學(xué)知，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：（r/min）(6-7)式中f—定子電源頻率（Hz）；

p—磁極對數(shù)；

s—轉(zhuǎn)速的滑差率。由式(6-7)可知異步電機(jī)的調(diào)速方法，可以有變轉(zhuǎn)差率、變極對數(shù)及變頻三種?？扛淖冝D(zhuǎn)差率對異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時，低速時轉(zhuǎn)差率大，轉(zhuǎn)差損耗功率也大，效率低。變極調(diào)速只能產(chǎn)生二種或三種轉(zhuǎn)速，不可能做成無級調(diào)速，應(yīng)用范圍較窄。變頻調(diào)速是從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，故它具有高效率、寬范圍和高精度的調(diào)速性能，可以認(rèn)為是一種理想的調(diào)速方法。第四十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

由上述分析可知改變頻率f，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與f成比列變化。但在實際調(diào)速時，只改變頻率是不夠的，現(xiàn)在來看一下變頻時電動機(jī)的機(jī)械特性的變化情況，由電機(jī)學(xué)知：(6-8)式中E—感應(yīng)電勢（異步電機(jī)中，定子繞組的反電勢）；K—感應(yīng)系數(shù)；w—同步角速度；Φ—每極氣隙磁通量。當(dāng)略去定子阻抗壓降時，則端電壓U為(6-9)

第五十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

由式(6-9)可見，端電壓不變時，隨f的上升，氣隙磁通將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式(6-10)

式中Cm—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

I2—折算到定子上的轉(zhuǎn)子電流；—轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)。可以看出，Φ減小導(dǎo)致電機(jī)允許輸出轉(zhuǎn)矩M下降，則電機(jī)利用率下降，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也將降低，嚴(yán)重時可能發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)就帶不動了，即所謂堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。又當(dāng)電壓U不變，減小f時，Φ上升會造成磁路飽合，激磁電流會上升，鐵心過熱，功率因數(shù)下降，電機(jī)帶負(fù)載能力降低。故在調(diào)頻調(diào)速中，要求在變頻的同時改變定子端電壓U，以維持Φ接近不變，可見交流伺服電機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電源。由U、f不同的相互關(guān)系,而得出不同的變頻調(diào)速方式、不同的調(diào)速機(jī)械特性。第五十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

1.

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速由轉(zhuǎn)子電流與主磁通作用而產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩公式(6-10)可知，M與φ、I2成正比。要保持M不變，即要求U/f為常數(shù)，可以近似地維持φ恒定。此時的機(jī)械特性曲線族如圖6-24所示。由圖可見，保持U/f為常數(shù)進(jìn)行變頻調(diào)速時，這些特性曲線的線性段基本平行，類似直流電機(jī)的調(diào)壓特性。但最大轉(zhuǎn)矩Mm隨著f下降而減小。這是因為f高時，E數(shù)值較大，此時定子漏阻抗壓降在U中所占比例較小，可以認(rèn)為U近似于定子繞組中感應(yīng)電勢E。而當(dāng)f相對較低時，E數(shù)值變小，U值也變小，此時定子漏阻抗壓降在U中所占比例增大，E與U相差很大，所以φ減小，從而使Mm下降。第五十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

2.

恒最大轉(zhuǎn)矩（Mm）調(diào)速為了在低速時保持最大轉(zhuǎn)矩Mm不變，就必須采取E/f=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Mm調(diào)速的機(jī)械特性見圖6-25所示，對應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降基本不變，即直線部分斜率不變，機(jī)械特性平行地移動。3.

恒功率調(diào)速為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級設(shè)計的，超過額定電壓運行將受到繞組絕緣強(qiáng)度的限制，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那么氣隙磁通φ將隨著f的升高而降低。這時，相當(dāng)于額定電流時的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖6-26所示，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。第五十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日圖6-24恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線圖6-25恒Mm調(diào)速特性曲線圖6-26恒功率調(diào)速特性曲線第五十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日

（二）交流感應(yīng)電機(jī)矢量控制原理矢量控制理論最先是在1971年由德國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制量只有電機(jī)磁場和電樞電流Ia，且這兩個量是獨立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩（）與磁通和電樞電流Ia分別成正比關(guān)系。因此，控制簡單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機(jī)，求出交流電機(jī)與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨立地加以控制，就會使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標(biāo)量），建立起交流電機(jī)的等效模型，然后按直流電機(jī)的控制方法對其進(jìn)行控制，獲得與直流電機(jī)同樣的控制靈活性和動態(tài)特性。第五十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-27a所示三相異步交流電機(jī)在空間上產(chǎn)生一個角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場。如果用圖6-27b中的兩套空間相差900的繞組α和β來代替，并通以兩相在時間上相差900的交流電流，使其也產(chǎn)生角速度為ω0的旋轉(zhuǎn)磁場，則可以認(rèn)為圖6-27a和圖6-27b中的兩套繞組是等效的。若給圖6-27c所示模型上兩個互相垂直繞組d和q，分別通以直流電流和，則將產(chǎn)生位置固定的磁場，如果再使繞組以角速度ω0旋轉(zhuǎn)，則所建立的磁場也是旋轉(zhuǎn)磁場，其幅值和轉(zhuǎn)速也與圖6-27a一樣。第五十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相α、β系統(tǒng)

圖6-27交流電機(jī)三相/二相直流電機(jī)變換abc第五十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日

這種變換是將三相交流電機(jī)變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C(jī)。圖6-27a所示的三相異步電機(jī)的定子三相繞組，彼此相差1200空間角度，當(dāng)通以三相平衡交流電流時，在定子上產(chǎn)生以同步角速度旋轉(zhuǎn)的磁場矢量。三相繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個靜止的α、β繞組代替，并通以兩相在時間上相差900的交流平衡電流和，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和角速度也分別和ω0，則可以認(rèn)為圖6-27a、b中的兩套繞組是等效的。應(yīng)用三相/二相的數(shù)學(xué)變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁場。則產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場與三相A、B、C繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場一致。令三相繞組中的A相繞組的軸線與α坐標(biāo)軸重合，其磁勢為（見圖6-28a）。

第五十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日(6-11)

按照磁勢與電流成正比關(guān)系，可求得對應(yīng)的電流值和(6-12)除磁勢的變換外，變換中用到的其它物理量，只要是三相平衡量與二相平衡量，則轉(zhuǎn)換方式相同。這樣就將三相電機(jī)轉(zhuǎn)換為二相電機(jī)，如圖6-27b。第五十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

FBFββiβ600FAi1iq600Fαθ

idφiαα

a）b)圖6-28三相磁動勢的變換FC第六十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

2.矢量旋轉(zhuǎn)變換

將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)，見圖6-27c。若設(shè)圖6-27c中d為激磁繞組，通以激磁電流，q為電樞繞組，通以電樞電流，則產(chǎn)生固定幅度的磁場，在定子上以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機(jī)了。將二相交流電機(jī)轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)的變換，實質(zhì)就是矢量向標(biāo)量的轉(zhuǎn)換，是靜止的直角坐標(biāo)系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。這里，就是把、轉(zhuǎn)化為、，轉(zhuǎn)化條件是保證合成磁場不變。在圖6-28b中，和的合成矢量是，將其在方向及垂直方向投影，即可求得與。在空間以角速度ω0旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換公式為

(6-13)第六十一頁，共七十八頁，2022年，8月28日

3.直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換矢量控制中，還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。如圖6-28b中，由和求，其公式為

(6-14)

采用矢量變換的感應(yīng)電機(jī)具有和直流電機(jī)一樣的控制特點，而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機(jī)容量不受限制，與同等直流電機(jī)相比機(jī)械慣量小，其前景非?？捎^。第六十二頁，共七十八頁，2022年，8月28日

（三）交流電機(jī)的變頻調(diào)速交流電機(jī)調(diào)速種類很多，應(yīng)用最多的是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是能為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器。變頻器的功用是，將頻率固定（電網(wǎng)頻率為50Hz）的交流電，變換成頻率連續(xù)可調(diào)（0～400Hz）的交流電。變頻器可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類。交-直-交變頻器是先將頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率可變的交流電。交-交變頻器不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，把頻率固定的交流電直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。因只需一次電能轉(zhuǎn)換，效率高，工作可靠，但是頻率的變化范圍有限。交-直-交變頻器，雖需兩次電能的變換，但頻率變化范圍不受限制，目前應(yīng)用得比較廣泛，以這種變頻器為例做介紹。第六十三頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-29是脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation簡稱PWM）變頻器的主電路。它由擔(dān)任交-直變換的二極管整流器和擔(dān)任直-交變換、同時完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)的脈沖寬度調(diào)制逆變器組成。圖中續(xù)流二極管D1-D6，為負(fù)載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路，逆變管（全控式功率開關(guān)器件）T1-T6組成逆變橋，A、B、C為逆變橋的輸出端。電容器Cd的功能是：濾平全波整流后的電壓波紋；當(dāng)負(fù)載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。

交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一就是逆變器，由于調(diào)速的要求，逆變器必須具有頻率連續(xù)可調(diào)、以及輸出電壓連續(xù)可調(diào)，并與頻率保持一定比例關(guān)系等功能。

第六十四頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-29PWM變頻器的主電路原理圖CD1ABT2T1T3T4T5T6D4D2D3D6D5C電源第六十五頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-30各逆變管的通斷安排圖6-31三相逆變橋的輸出電壓

第六十六頁，共七十八頁，2022年，8月28日

下面討論逆變管T1~T6以怎樣的順序動作（導(dǎo)通和關(guān)斷）才能將直流電變?yōu)槿嘟涣麟?？如圖6-30所示，在t1、t2時間內(nèi)，T1、T6同時導(dǎo)通，A為正，B為負(fù)，uAB為正。在t4、t5時間內(nèi)，T3、T4同時導(dǎo)通，A為負(fù)，B為正，uAB為負(fù)。在t3、t4時間內(nèi)，T3、T2同時導(dǎo)通，B為正，C為負(fù)，uBC為正。在t6、t1時間內(nèi)，T5、T6同時導(dǎo)通，B為負(fù)，C為正，uBC為負(fù)。在t5、t6時間內(nèi)，T5、T4同時導(dǎo)通，C為正，A為負(fù)，uCA為正。在t2、t3時間內(nèi)，T1、T2同時導(dǎo)通，C為負(fù)，A為正，uCA為負(fù)。第六十七頁，共七十八頁，2022年，8月28日

6-30所示為逆變管的工作情況，圖中陰影部分為各逆變管的導(dǎo)通時間，其余為關(guān)斷狀態(tài)。逆變橋輸出的線電壓波形如圖6-31所示，由圖可見，各相之間的相位互差1200，它們的幅值都與直流電壓Ud相等。

只要按照一定的規(guī)律來控制逆變管的導(dǎo)通與截止，就可以把直流電逆變成三相交流電。改變逆變管導(dǎo)通和關(guān)斷時間，即可得到不同的輸出頻率。利用脈沖寬度調(diào)制逆變器可實現(xiàn)變頻和變壓。如圖6-32所示，因電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，改變輸出電壓脈沖的占空比，就能同時實現(xiàn)變頻和變壓。與圖6-32a相比，圖6-32b所示電壓周期增大（頻率降低），而占空比減小，故平均電壓降低。

第六十八頁，共七十八頁，2022年，8月28日

圖6-32脈寬調(diào)制的輸出電壓第六十九頁，共七十八頁，2022年，8月28日

采用PWM方法控制逆變管的通、斷時，可獲得一組幅值相等、寬度相同的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度可控制其輸出電壓，改變調(diào)制周期可控制其輸出頻率，同時實現(xiàn)變壓和變頻。因輸出電壓波形為矩形波，具有許多高次諧波成分。對電機(jī)來說，有用的是電壓的基波。為了減少諧波影響，提高電機(jī)的運行性能，應(yīng)采用對稱的三相正弦波電源為三相交流電機(jī)供電。正弦波脈寬調(diào)制型逆變器（SPWM）的輸出端可獲一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，來近似等效于正弦電壓波。SPWM脈寬調(diào)制波形，當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖的間隔則最小。反之，當(dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大大減少。第七十頁，共七十八頁，2022年，8月28日

下面介紹用正弦波（調(diào)制波）控制，三角波（載波）調(diào)制的采用模擬電路元件實現(xiàn)SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）控制的變頻器的工作原理。如圖6-33所示，首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波發(fā)生器分別產(chǎn)生三角波信號VT和正弦波信號VS，然后送入電壓比較器A，產(chǎn)生SPWM調(diào)制的矩形脈沖。圖6-34a所示的數(shù)字位置為這二種波形交點，