數(shù)控技術(shù)伺服

數(shù)控技術(shù)伺服第1頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六幾分調(diào)節(jié)器有三個(gè)重要特性：a.延緩性：電容C充放電需要時(shí)間，輸入階躍電壓后，輸出變化較緩慢，呈線性增長(zhǎng)。b.保持性：當(dāng)輸出階躍信號(hào)Uin=0后,輸出仍保持在輸入信號(hào)改變前的瞬時(shí)值上。當(dāng)t<τ時(shí)消失，；當(dāng)t≥τ時(shí)消失，c.疊加性：當(dāng)輸入一個(gè)階躍信號(hào)后，再輸入若干階躍信號(hào)，輸出端能把這些信號(hào)累加，上跳變相加，下跳變相減。即下圖：UexUinUinUext0UinUin1Uin2Uin30Uext1t2t3t4Uex1Uex2Uex3Uex4Uin4t第2頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.比例積分(PI)調(diào)節(jié)器由于運(yùn)放內(nèi)阻無(wú)窮大∑為“”地，故，輸出電壓為：當(dāng)輸出階躍電壓信號(hào)時(shí)，有分析：PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uex由P、I兩部分組成，在輸出階躍信號(hào)的瞬間，電容C相當(dāng)于短路，輸出相當(dāng)于一個(gè)放大系數(shù)為Kp的比例環(huán)節(jié)，輸出電壓立即為KpUin；之后，隨電容充電，輸出電壓開(kāi)始積分，其數(shù)值不斷增長(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)，Uin＝0，Uex仍維持穩(wěn)定值。P調(diào)節(jié)的放大作用加快了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程，I調(diào)節(jié)保持疊加實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差。第3頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速兩個(gè)目的：·速度指令改變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨意改變。

·速度指令不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。無(wú)靜差調(diào)速：穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸入端的給定值與實(shí)測(cè)量的反饋值相等，相差為0。

PI調(diào)節(jié)器輸出端輸入給定值和反饋值Un，當(dāng)兩者之間差不為0時(shí)，P調(diào)節(jié)迅速響應(yīng)起控制作用，I最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。PMW第4頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六工作原理如下：1）當(dāng)PWM輸出脈沖在正半周時(shí)，經(jīng)R2C2延時(shí)后，A1輸出使T1、T4(+)，而A2

，使T2、T3(-)；當(dāng)PWM負(fù)半周時(shí)，經(jīng)R3C3延時(shí)后，A輸出,T2、T3(+)，A1

使T1、T4(-)。2）突然加了負(fù)載后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩失衡，轉(zhuǎn)速下降，使，即，△Un使PI調(diào)節(jié)器輸出Uc產(chǎn)生一個(gè)增量△Uc，該增量PWM方波占空比δ發(fā)生變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加Un

＝Un*為止，電機(jī)轉(zhuǎn)速值增到加載前的值，但Uc比前增加了△Uc△Uc引起PWM占空比的變化，但不是用于改變n，是用于改變電樞電流ia，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩T與TL（外載）平衡。0*1-=DnnUUU第5頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3）當(dāng)外載負(fù)荷TL不變時(shí)，改變Un*，在突變的瞬間，使PI調(diào)節(jié)器Uc發(fā)生了變化使PWM占空比發(fā)生了變化改變了電機(jī)轉(zhuǎn)速，電樞電流沒(méi)變化，當(dāng)Un*=Un時(shí)，電機(jī)達(dá)新的穩(wěn)態(tài)。

問(wèn)題：一般直流伺服電機(jī)，機(jī)電常數(shù)τj＝數(shù)ms～數(shù)s，故電磁時(shí)間常數(shù)τd＝(10～30)ms，個(gè)別小于1ms，τj>>τd故用一個(gè)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)n、I是困難的，難以達(dá)到良好的控制品質(zhì)，采用雙閉環(huán)調(diào)速方式。第6頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR：速度調(diào)節(jié)器，是主調(diào)節(jié)器。

內(nèi)環(huán)工作從屬于外環(huán)ACR：電流調(diào)節(jié)器，是輔調(diào)節(jié)器。第7頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六調(diào)節(jié)過(guò)程如下：1）突然啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)前，△Un*=0,Un=0，在突然加了Un*后的瞬間，電機(jī)的n=0。此時(shí)，達(dá)到最大值；由于采用的限幅的PI調(diào)節(jié)器，△Un使ASR的輸出i＊快速達(dá)到飽和值im，直到Un>Un*為止（即△Un為負(fù)值）。

剛啟動(dòng)的瞬間，電動(dòng)機(jī)電流電流的反饋值i＝0，ACR輸入信號(hào)|－△

i

|=|－im*＋i|最大值，在該信號(hào)作用下，ACR的輸出Uc增大PWM輸出的脈寬發(fā)生變化，Ia增大，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)電流達(dá)到最大值，反饋值i與給定值im*近似值相等，－△

i=0,輸出達(dá)到最大穩(wěn)定值，Ia達(dá)到最大穩(wěn)定值，T最大，給定轉(zhuǎn)速。由于電磁常數(shù)τd>>τj(機(jī)械常數(shù))，電樞電流達(dá)到最大啟動(dòng)電流時(shí)間比轉(zhuǎn)子達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)間小許多，故啟動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)短。第8頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2）抗負(fù)載擾動(dòng)在速度給定值Un*不變的情況下，電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化時(shí)，雙環(huán)系統(tǒng)能很好維持電動(dòng)機(jī)速度不變。外載加大時(shí)，電機(jī)Un減小,△Un=(Un

*－Un)增大，|－i＊|增大。在剛加瞬間i沒(méi)變，故|－△i|＝|－i＊＋i|增大，使ACR的Uc增大,PWM輸出方波的占空比變化，Ia增大。當(dāng)△

Un>0，在PI累作用下，|－i＊|增大，且大于i，－△

i增大，Uc增大Ia增大,電機(jī)升速直到△Un＝0且－△

i＝0，Uc在新的穩(wěn)定數(shù)值上。用來(lái)平衡變化后的外載，使速度不變。3）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)過(guò)程由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)，使Ia變化，由于機(jī)電時(shí)間常數(shù)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速尚無(wú)變化時(shí)，電流負(fù)反饋值i已變化使－△

i、Uc變化PWM占空比變化，從而消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起Ia的變化。小結(jié)：外載變化使n變化，由ASR調(diào)節(jié)起主要作用；電網(wǎng)電壓波動(dòng)，使Ia變化,ACR起主要作用。第9頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.4交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機(jī)有明顯的弱點(diǎn)——由于機(jī)械換向器和電的存在，易磨損，易產(chǎn)生火花，降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，增加了維護(hù)和保養(yǎng)的負(fù)擔(dān)。且直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，使用受到一定的限制。近十多年來(lái)，直流伺服電機(jī)已被交流伺服電機(jī)所代替。交流伺服電機(jī)無(wú)電、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出功率大，在數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用。交流伺服電機(jī)分為交流永磁式：用于進(jìn)給交流感應(yīng)式：住軸伺服系統(tǒng)由交流電的頻率來(lái)決定。f減小，n減小；f增加，n增加，可以改變供電頻率的方法來(lái)調(diào)速。交流電動(dòng)機(jī)速度控制分為標(biāo)量法，屬開(kāi)環(huán)控制矢量法，屬閉環(huán)控制第10頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.4.1交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速主電路由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：(6－17)（f—定子供電電壓頻率；P—磁極對(duì)數(shù)；s—轉(zhuǎn)差率）從上式可知，若均勻改變電動(dòng)機(jī)定子供電電壓的頻率，則可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。異步電機(jī)中，定子繞組的反電勢(shì)為：E＝4.44fωkΦ，若忽略定子阻抗壓降，則端電壓U≈E＝4.44fωkΦ(k為感應(yīng)系數(shù))。上式說(shuō)明，在感應(yīng)系數(shù)k＝c，端電壓U不變；當(dāng)頻率f，同步角速度ω升高時(shí)，氣隙磁通Φ減小，從轉(zhuǎn)距公式，T=CmΦI2cosΦ，當(dāng)Φ減小，則導(dǎo)致T減小，使電動(dòng)機(jī)利用率惡化，嚴(yán)重時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)堵轉(zhuǎn)。另外，U＝C，當(dāng)f減小，Φ增大，會(huì)使磁路飽和，激勵(lì)電流上升，導(dǎo)致缺損急劇增加。所以，為使T＝C，需要保持Φ＝C，即要求變頻的同時(shí)改變定子電壓U，即變頻調(diào)速關(guān)鍵問(wèn)題是要獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電源。第11頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.變頻器定義：將電網(wǎng)供電的2頻（f＝50HZ）交流電源變?yōu)檫m用于交流電機(jī)變頻調(diào)速用的電壓可變、頻率可變的交流電的交流裝置。變頻器可分為：交—交VVVF變頻器

交—直—交VVVF1）交—交變頻器（直接變頻器、周波變頻器）定義：直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)殡妷汉皖l率都可以調(diào)節(jié)的交流電（VariableVoltageVariableFreqency）下圖由兩組反并聯(lián)的整流器p組和N組構(gòu)成。第12頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六若p組，N組交替地向負(fù)載R供電，則在負(fù)載上獲得交流電壓U0；U0的幅值由兩組可控整流器的控制角α決定。U0的頻率由p、N整流器的切換頻率來(lái)決定。由于U的輸出波形是由供電電源波形是由供電電源波形經(jīng)整流后得到的，故交流輸出的頻率不能高于電網(wǎng)的頻率。P組通N組通0U0t第13頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2）交—直—交變頻器以單相負(fù)載供電為例說(shuō)明可控硅整流裝置把交流變?yōu)橹绷麟?，開(kāi)關(guān)元件1、3和2、4交替對(duì)負(fù)載R供電，獲得負(fù)載上的交流輸電U0。U0的幅值由可控硅整流裝置的控制角α來(lái)決定；U的頻率由開(kāi)關(guān)元件的切換頻率來(lái)定，不受電源頻率的限制。1,3通2,4通0U0t第14頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3）變頻器的基本構(gòu)成整流器：～為交流電，整流器可采用硅整流元件構(gòu)成不可控整流器，也可采用晶閘管可控整流器。交流輸入電源可用單相或三相，視交流電機(jī)容量而定。濾波器：用來(lái)緩沖直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間的壓力能量，電濾波電壓型，大電感濾波電流型。功率逆變器：—直流電變?yōu)椤姟９β试芯чl管、大功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管?？刂破鳎嚎刂颇孀兤髦袀€(gè)功率元件的工作狀態(tài)，使逆變器輸出預(yù)定電壓和預(yù)定頻率的交流電源。第15頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.逆變器定義：將直流電變?yōu)榻涣麟姷淖兞餮b置稱功率逆變器。（反之為整流器）按功能分電壓型逆變器電流型逆變器按控制方法分脈寬PWM逆變器脈幅PAM逆變器按逆變器波形分矩形（方法）逆變器分類正弦波逆變器按使用功率元件分晶閘管(SCR)

可關(guān)斷晶閘管(GTD)

大功率晶體管(GTR)功率場(chǎng)效應(yīng)管(P-MOSFET)

按逆變器控制分固定壓變，固定頻率(CV,CF)固定壓變，可變頻率(CV,VF)可變電壓，可變頻率(VV,VF)一般，異步步電動(dòng)機(jī)采用VVVF逆變器。第16頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.4.2SPWM波調(diào)制原理SPWM變頻器同時(shí)適用于永磁式及感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)，采用正弦規(guī)律的脈寬調(diào)制原理，功率數(shù)增大、波形好等優(yōu)點(diǎn)，交流調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。1.一相SPWM波調(diào)制原理交流SPWM中，輸出電壓U0由△波調(diào)到正弦電壓得到U為幅值相等、寬度不等方波信號(hào)。各脈沖的面積與正弦波下的面積成比例，脈寬基本上按正弦分布，基波是等效的正弦波。調(diào)制原理如下：當(dāng)控制電壓(U1>△波)U1>Ut

時(shí)，電壓比器輸出(高電平)，反之輸出電平。第17頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六雙極性SPWM波調(diào)制原理將右圖正弦正半周分成N等分，每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都一個(gè)與此面積相等的等幅矩形脈沖所代替，即N個(gè)等幅而步等寬的矩形脈沖組成的波形與正弦正半周等效。第18頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六任何一個(gè)平滑的曲線與三角波相交時(shí)，都會(huì)得到一組等幅的脈寬正比于該函數(shù)值的矩形脈沖。圖中看出，幅值為Um脈寬按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。如果這一組矩形脈沖作為逆變器多開(kāi)關(guān)元件的控制信號(hào)，則在逆變器輸出端獲得一組類似的矩形脈沖，其幅值為逆變器的直流電壓

Ud，寬度按正弦規(guī)律變化。這一組矩形脈沖可用正弦波等效，正弦波的負(fù)半波，用負(fù)值三角波調(diào)制。當(dāng)逆變器輸出端升高電壓時(shí)，加大正弦波的幅值，逆變器輸出Ud

Um不變，脈寬加大，達(dá)到調(diào)壓目的，當(dāng)逆變器要變頻時(shí)，改變正弦波頻率亦可。第19頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2.三相SPWM波的調(diào)制在三相SPWM調(diào)制中，△波發(fā)生器Ut是共用的，每一相有一個(gè)輸入正弦信號(hào)和一個(gè)SPWM調(diào)制器輸入U(xiǎn)a、Ub、Uc信號(hào)相差120°的正弦交流信號(hào)，幅值頻率均可調(diào)。在三相橋式逆變器中，有180°導(dǎo)通型換向方式和120°導(dǎo)通性換向方式(在某一瞬間，控制一個(gè)開(kāi)關(guān)器關(guān)斷，同時(shí)使另一個(gè)開(kāi)關(guān)器導(dǎo)通，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)之間的換向)。同一個(gè)橋臂上，下兩管之間互相換向的逆變器為180°導(dǎo)通型逆變器，例：T1(－)后T4(＋)，當(dāng)T4(－)后T1(＋)。即每個(gè)開(kāi)關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間為180°，其他相亦如此。第20頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六在180°導(dǎo)通型逆變器，每一時(shí)刻總有3個(gè)開(kāi)關(guān)器導(dǎo)通，但須注意防止同一橋臂上的上下管相通，連成直流電源段路換向時(shí)，采取“先斷后通”的原則。T6T5T4300～360°T5T4T3240～300°T4T3T2180～240°T3T2T1120～180°T6T2T160～120°T6T5T10～60°導(dǎo)通器件時(shí)間段180°導(dǎo)通型逆變器開(kāi)關(guān)導(dǎo)通規(guī)律第21頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六120°導(dǎo)通型逆變器的換向在同一不同橋臂的左右兩管之間進(jìn)行的。例：T3(－)后T5(＋)，T4(－)后T6(＋).每個(gè)開(kāi)關(guān)器件一次連續(xù)導(dǎo)通120°，在同一時(shí)刻只有兩個(gè)器件導(dǎo)通。若負(fù)載由動(dòng)機(jī)繞組是Y聯(lián)結(jié)，則只有兩相導(dǎo)電，另一相懸空。第22頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.SPWM變頻器功效

SPWM調(diào)制波經(jīng)功放后才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。功放電路如下圖：整流器：用六個(gè)硅整流元件接成三相橋式整流電路；濾波器：兩只高壓大容量串聯(lián)接在整流器的直流輸出端，以緩沖直流部分與負(fù)載之間的無(wú)功功率構(gòu)成電壓型變頻器，并聯(lián)大瓦數(shù)的電阻，是斷電時(shí)電容釋放之用。逆變器：采用大功率晶體管構(gòu)成(GTR)第23頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4.SPWM調(diào)制的制約條件1）開(kāi)關(guān)頻率功率器件的開(kāi)關(guān)頻率決定了調(diào)制三角波的頻率。普通晶閘管開(kāi)關(guān)頻率300～500HZ；大功率晶體管開(kāi)關(guān)頻率：1～5KHZ；可關(guān)斷晶閘管開(kāi)關(guān)頻率：1～2KHZ；功率場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)頻率：～20KHZ。絕緣柵式雙極晶體管IGBT高速開(kāi)關(guān)特性好，時(shí)間0.15μs，飽電壓2.2V，是非常好的功率電子器件。IGBT耐壓300V，電流達(dá)1500A。2）調(diào)制由于功率器件開(kāi)關(guān)頻率的限制，所調(diào)制的脈沖波有最小的脈寬與最小的間隙限制，以保證脈寬大于器件導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間即滿足：

（M—調(diào)制系數(shù)；U1—正弦控制電壓的峰值；Ut—三角波載波的峰值電壓）第24頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5.SPWM的同步／異步調(diào)制（N—載波比；ft

—三角波載波的峰值電壓；ft

—正弦控制電壓的峰值）為保證調(diào)制波的對(duì)稱性N是3的倍數(shù)，如N＝15，18，21，30，36，42，60，72，84，120，144，168等。第25頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3）分段同步調(diào)制

把整個(gè)頻率范圍分成n段，結(jié)合同異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，同同步各段之間N值不同。即fr

減小，N取大值；fr增大，N取小值。1）同步調(diào)制即載波比N=C（常數(shù)），變頻時(shí)ft

、fn同步變化。故一個(gè)正弦控制波周期內(nèi)輸出的矩形脈沖數(shù)量是不變的。若N是3的倍數(shù)保證逆變器輸出的波形正負(fù)對(duì)稱，三相波形互差120°相位角。缺點(diǎn)：低頻段，相鄰兩脈沖的間距加大，諧波增大，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生噪聲。2）異步調(diào)制載波比N變化，ft

不變化，fn

變化，在低頻段，SPWM輸出波的每一個(gè)正弦控制波周期內(nèi)有較多的脈沖數(shù)，fr減小，脈沖個(gè)數(shù)增大，既減小了多次諧波的電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)、噪音。

優(yōu)點(diǎn)：改變了低頻工作特性；缺點(diǎn)：輸出波形變化時(shí)，引起波形的不對(duì)稱性和相反變化，難保證三相輸出的對(duì)稱關(guān)系，電機(jī)工作不平穩(wěn)。第26頁(yè)，共31頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6.軟件