數(shù)控技術第6章

第六章伺服驅(qū)動系統(tǒng)2024/1/13南京理工大學

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黃新燕

6.1概述概念:以機床移動部件的位置和速度為控制量的自動控制系統(tǒng)，又稱隨動系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)或伺服機構(gòu)數(shù)控伺服分進給伺服控制和主運動的伺服控制數(shù)控機床的最高運動速度、跟蹤及定位精度、加工表面質(zhì)量、生產(chǎn)率及工作可靠性等技術指標，主要決定于伺服系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。

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伺服系統(tǒng)的基本要求(1)高精度:數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的精度是指機床工作的實際位置復現(xiàn)插補器指令信號的精確程度。(2)穩(wěn)定性好:指系統(tǒng)在突變的指令信號或外界擾動的作用下，能夠以最大的速度達到新的或恢復到原有的平衡位置的能力。穩(wěn)定性是直接影響數(shù)控加工精度和表面粗糙度的重要指標。(3)響應速度快：快速響應是伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的一項重要指標，它反映了系統(tǒng)對插補指令的跟蹤精度。

(4)電機調(diào)速范圍寬:調(diào)速范圍是指數(shù)控機床要求電機能提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比(5)低速大轉(zhuǎn)矩：機床加工的特點是低速時進行重切削，這就要求伺服系統(tǒng)在低速時提供較大的輸出轉(zhuǎn)矩

(6)可靠性高：對環(huán)境（如溫度、濕度、粉塵、油污、振動、電磁干擾等）的適應性強，性能穩(wěn)定，使用壽命長，平均無故障時間間隔長

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數(shù)控機床主軸驅(qū)動伺服系統(tǒng)性能(1)主軸與進給驅(qū)動的同步控制功能(2)準?？刂乒δ?3)角度分度控制:角度分度控制有兩種類型：一是固定的等分角度控制；二是連續(xù)的任意角度控制。任意角度控制是帶有角位移反饋的位置伺服系統(tǒng)，這種主軸坐標具有進給坐標的功能，稱為“C”軸控制。2024/1/13南京理工大學

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數(shù)控機床伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成驅(qū)動控制單元執(zhí)行元件機床比較控制環(huán)節(jié)反饋檢測單元進給指令把驅(qū)動線路的表示位移量的電信號轉(zhuǎn)換為機械運動

調(diào)速范圍寬而有良好的穩(wěn)定性，尤其是低速時的速度平穩(wěn)負載特性硬具有快速響應特性能夠頻繁啟、停及換向電液、電氣、電液脈沖馬達、直流、交流電機2024/1/13南京理工大學

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數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分類(1)按用途和功能分：進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)(2)按其控制原理和有無位置檢測反饋環(huán)節(jié)分：開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)按驅(qū)動執(zhí)行元件分：步進式伺服系統(tǒng)、直流電機伺服系統(tǒng)和交流電機伺服系統(tǒng)2024/1/13南京理工大學

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6.2步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)步進電機是一種用電脈沖信號進行控制、并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應的機械角位移的執(zhí)行器，故也稱脈沖電機。每給步進電機輸入一個電脈沖信號，其轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一個角度，稱為步距角。步進電機輸出的角位移量與輸入的電脈沖個數(shù)成正比，在時間上與輸入脈沖同步，其轉(zhuǎn)速與輸入電脈沖信號的頻率成正比?？刂戚斎朊}沖的數(shù)量、頻率和電動機繞組的通電順序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動方向。無脈沖輸入時，在繞組電流的激勵下，步進電機可以自鎖。2024/1/13南京理工大學

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步進電機的分類步進電機有許多的結(jié)構(gòu)類型，主要是根據(jù)相數(shù)、產(chǎn)生力矩的原理、輸出力矩的大小和結(jié)構(gòu)進行分類。1、根據(jù)相數(shù)分類：主要分為三、四、五、六相等幾種。另外還可以根據(jù)工作節(jié)拍，分為m相m拍，雙m拍和m相雙m拍等。2、根據(jù)產(chǎn)生力矩的原理分類：根據(jù)磁場建立方式，主要可分為反應式、永磁反應式（激磁式）和混合式三類。3、根據(jù)輸出力矩的大小分類：伺服步進電機和功率步進電機。4、根據(jù)結(jié)構(gòu)分類：軸向分相式和徑向分相式，軸向分相式又稱之為多段式，徑向分相式又稱為單段式。×××BF×××反應式×××BC×××磁阻式×××BY×××永磁式×××BYG×××永磁感應式電動機外徑勵磁繞組的相數(shù)或其他代號2024/1/13南京理工大學

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反應式步進電動機定子和轉(zhuǎn)子不含永久磁鐵，定子上繞有一定數(shù)量的繞組線圈，線圈輪流通電時，便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，吸引轉(zhuǎn)子一步一步地轉(zhuǎn)動。繞組線圈一旦斷電，磁場即消失，該種步進電機掉電后不能自鎖。此類電動機結(jié)構(gòu)簡單、材料成本低、驅(qū)動容易，定子和轉(zhuǎn)子加工方便，步距角可以做的較小，但動態(tài)性能差一些，容易出現(xiàn)低頻振蕩現(xiàn)象，電動機溫升較高。2024/1/13南京理工大學

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永磁式步進電動機轉(zhuǎn)子由永久磁鋼制成，定子上的繞組線圈在換相通電時，不需要太大的電流，繞組斷電時具有自鎖能力。該類電機動態(tài)性能好、輸出轉(zhuǎn)矩大、驅(qū)動電流小、電動機不易發(fā)熱，但制造成本較高。由于轉(zhuǎn)子受磁鋼加工的限制，步距角較大，與之配套的驅(qū)動電源一般要求具有細分功能。2024/1/13南京理工大學

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混合式步進電動機轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鋼，可以說是永磁型，但是從定子和轉(zhuǎn)子的導磁體來看，又和反應式相似，所以是永磁式和反應式的結(jié)合。該類電動機輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好、步距角小、驅(qū)動電源電流小、功耗低，但結(jié)構(gòu)稍復雜，成本相當較高。性價比較高，目前得到了廣泛的應用。2024/1/13南京理工大學

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三相徑向反應式步進電機結(jié)構(gòu)圖定子有六個均勻的磁極，每兩個相對的磁極組成一組相2024/1/13南京理工大學

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定子上有繞組分為若干相，每相磁極上有齒三相定子：AA’,BB’,CC’A、B、C三相每相兩極每極上五個齒五個極齒2024/1/13南京理工大學

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定子上線圈的繞法2024/1/13南京理工大學

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轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上有均勻分布的齒，沒有繞組。以四十齒為例,轉(zhuǎn)子齒間夾角為9o2024/1/13南京理工大學

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步進電機的實物圖2024/1/13南京理工大學

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永磁式步進電機2024/1/13南京理工大學

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三段軸向反應式步進電機結(jié)構(gòu)示意圖2024/1/13南京理工大學

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6.2.1步進電機工作原理步進電機是按電磁吸引的原理進行工作的從一相繞組通電轉(zhuǎn)換到另一相繞組通電為一拍2024/1/13南京理工大學

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三相反應式步進電機三相六拍工作原理圖2024/1/13南京理工大學

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若通電為三相三拍，轉(zhuǎn)子齒數(shù)為40時,當轉(zhuǎn)子齒與A相定子齒對齊時，轉(zhuǎn)子齒與B相定子齒相差1/3齒距，即3°，與C相定子齒相差2/3齒距，即6°。三相反應式步進電機的結(jié)構(gòu)示意圖和展開后步進電機齒距2024/1/13南京理工大學

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規(guī)律定子繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個步距角定子繞組的通電順序決定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向通電狀態(tài)的變化頻率，決定轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度2024/1/13南京理工大學

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6.2.2步進電機的主要特性1.步距角α定義:每給一個脈沖信號,電機轉(zhuǎn)子應轉(zhuǎn)過角度的理論值。步距角取決于電機結(jié)構(gòu)和控制方式。式中m-——定子相數(shù)；z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；k——通電方式，純單拍或純雙拍時取1，單、雙拍交替時取2。常見步距角：0.36o，0.45o，0.6o，0.72o，0.75o，0.9o，1.2o，1.5o，1.8o等電動機一旦選定以后，其步距角就固定不變，要改變，只能通過驅(qū)動電源的細分功能來實現(xiàn)。2024/1/13南京理工大學

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當步進電機處于通電狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子處在不動狀態(tài)，即靜態(tài)。如果在電機軸上施加一個負載轉(zhuǎn)矩M，轉(zhuǎn)子會在載荷方向上轉(zhuǎn)過一個角度θ，轉(zhuǎn)子因而受到一個電磁轉(zhuǎn)矩Mj的作用與負載平衡，該電磁轉(zhuǎn)矩Mj稱為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，該角度θ稱為失調(diào)角。步進電機單相通電的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mj隨失調(diào)角θ的變化曲線稱為矩角特性2.矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩

Mjmax和Mq2024/1/13南京理工大學

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矩角特性曲線上的電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax（保持轉(zhuǎn)矩），Mjmax是代表電機承載能力的重要指標，Mjmax越大，電機帶負載的能力越強，運行的快速性和穩(wěn)定性越好。例如：一臺步進電機的轉(zhuǎn)矩是12N·m時，通常是指該電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩2024/1/13南京理工大學

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相鄰兩條曲線的交點所對應的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩是電機運行狀態(tài)的最大啟動轉(zhuǎn)距Mq，當負載力矩小于Mq時，步進電機才能正常啟動運行，否則將會造成失步。一般地，電機相數(shù)的增加會使矩角特性曲線變密，相鄰兩條曲線的交點上移，會使Mq增加；采用多相通電方式，即變m相m拍通電方式為m相2m拍通電方式，會使啟動轉(zhuǎn)距Mq增加。2024/1/13南京理工大學

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3.啟動頻率空載時，步進電機由靜止突然啟動、并進入不丟步的正常運行狀態(tài)所允許的最高頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率fq，是反映步進電機快速性能的重要指標?？蛰d啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該啟動頻率。原因是頻率越高，電機繞組的感抗（XL＝2πfL）越大，使繞組中的電流脈沖變尖，幅值下降，從而使電機輸出力矩下降。電動機帶載后，啟動頻率要下降。這時起動頻率主要取決于負載的轉(zhuǎn)動慣量，可以用起動慣頻特性曲線來描述。用戶選型時可以根據(jù)廠家提供的起動慣頻特性曲線來決定帶載時的起動頻率。2024/1/13南京理工大學

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步進電機啟動后，其運行速度能跟蹤指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運行頻率。其值遠大于啟動頻率。運行矩頻特性是描述步進電機在連續(xù)運行時，輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關系，它是衡量步進電機運轉(zhuǎn)時承載能力的動態(tài)指標。各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)4.矩頻特性步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩與運行頻率的關系。分：起動矩頻特性和運行矩頻特性2024/1/13南京理工大學

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步進電機的加減速特性是描述步進電機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系。當要求步進電機啟動到大于啟動頻率的工作頻率時，變化速度必須逐漸上升；同樣，從最高工作頻率或高于啟動頻率的工作頻率停止時，變化速度必須逐漸下降。逐漸上升和逐漸下降的加速時間、減速時間不能過小，否則會出現(xiàn)失步或超步。5.加、減速特性2024/1/13南京理工大學

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加、減速的方法直線加減速：以恒定的加速度進行升降，平穩(wěn)性好，一般適用速度變化范圍較大的快速定位方式中。加速時間雖然長，但軟件實現(xiàn)比較簡單。指數(shù)曲線加減速：指數(shù)規(guī)律加減速控制一般適用于跟蹤響應要求較高的切削加工中。從步進電動機的運行矩頻特性出發(fā)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩隨頻率的變化規(guī)律推導出來的，它符合步進電動機加減速過程的運動規(guī)律，能充分利用步進電動機的有效轉(zhuǎn)矩，快速響應好，升降時間短。拋物線加減速：將直線加減速和指數(shù)曲線加減速融為一體，充分利用步進電機低速時的有效轉(zhuǎn)矩，使加減速的時間大大縮短，同時又具有較強的跟蹤能力。2024/1/13南京理工大學

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6.2.4步進電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)步進電機驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖電機機械執(zhí)行部件A相B相C相f、nCNC插補指令脈沖頻率f脈沖個數(shù)n換算脈沖環(huán)形分配變換功率放大光隔離傳動比步進電機轉(zhuǎn)速2024/1/13南京理工大學

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1、環(huán)形分配器環(huán)形分配器的主要功能是將數(shù)控裝置送來的一串指令脈沖，按步進電機所要求的通電順序分配給步進電機的驅(qū)動電源的各相輸入端，以控制勵磁繞組的通斷，實現(xiàn)步進電機的運行及換向。當步進電機在一個方向上連續(xù)運行時，其各相通、斷的脈沖分配是一個循環(huán)，因此稱為環(huán)形分配器。環(huán)形分配的功能可由硬件或軟件的方法來實現(xiàn)，分別稱為硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器。環(huán)形分配器

光隔離電路

功率放大電路2024/1/13南京理工大學

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硬件環(huán)形分配器：一般放在驅(qū)動器的內(nèi)部，分配脈沖速度快，，不占用CPU的時間，但缺點是不易實現(xiàn)變拍驅(qū)動，增加的硬件電路降低了驅(qū)動器的可靠性軟件環(huán)形分配器：易于實現(xiàn)變拍驅(qū)動，節(jié)省了硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性2024/1/13南京理工大學

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硬件環(huán)形分配器與數(shù)控裝置的連接方向Stepmotor2024/1/13南京理工大學

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硬件環(huán)形分配器

CH250專門用來控制三相反應式步進電機

L297和PMM8713用于兩相步進電機

PMM8714用于五相步進電機CH250外形和三相六拍接線圖CMOS型2024/1/13南京理工大學

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TTL型2024/1/13南京理工大學

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軟件環(huán)形分配器軟件環(huán)形分配指由數(shù)控裝置中的計算機軟件完成環(huán)形分配的任務，直接驅(qū)動步進電機各繞組的通、斷電。用軟件環(huán)形分配器只需編制不同的環(huán)形分配程序，將其存入數(shù)控裝置的EPROM中即可。軟件環(huán)形分配器的設計方法有多種，如查表法、比較法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。2024/1/13南京理工大學

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F7H,F3H,FBH,F9H,FDH,F5HBFH,9FH,DFH,CFH,EFH,AFHFBAC11CABFD7D6D5D4D3D2D1D02024/1/13南京理工大學

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兩坐標步進電機伺服進給系統(tǒng)框圖2024/1/13南京理工大學

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以光為媒介傳輸信號的器件，輸入輸出在電氣上是完全隔離的光電隔離電路主要是為了在接口電路和功率放大電路之間實現(xiàn)電氣隔離的。輸入輸出光電耦合電路1+12V+5VTLP521-12、光電隔離電路發(fā)光源受光器兩端電源不共地2024/1/13南京理工大學

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光電隔離器的常見結(jié)構(gòu)形式溫度補償與檢測光敏二極管加高速開關管放大晶體管晶閘管2024/1/13南京理工大學

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3、功率放大電路功率放大電路的作用就是對從環(huán)形分配器輸出的信號進行功率放大并送至步進電機的各相繞組。功率放大電路的控制方式很多，最早采用單電壓驅(qū)動電路，后來出現(xiàn)了高低電壓切換驅(qū)動電路、恒流斬波電路、調(diào)頻調(diào)壓和細分電路等。所采用的功率半導體元件可以是大功率晶體管GTR，也可以是功率場效應晶體管MOSFET或可關斷晶閘管GTO。2024/1/13南京理工大學

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步進電機功率放大器（驅(qū)動電源）的要求

實際上，步進電機是感性負載，繞組中電流不能突變，而是按指數(shù)規(guī)律上升或下降,從而使整個通電周期內(nèi)，繞組電流平均值下降，電機輸出轉(zhuǎn)矩下降。

理想驅(qū)動電源使電機繞組電流

盡量接近矩形波。

而當電機運行頻率很高時，電流峰值顯著小于額定勵磁電流，從而導致電機轉(zhuǎn)矩進一步下降，嚴重時不能啟動。

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上升時間下降時間由于電流緩慢地上升和下降，使電流波形前、后沿不陡，使得每相導通工作時電流的平均幅值大大下降，磁通量減小，輸出轉(zhuǎn)矩降低。2024/1/13南京理工大學

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上升時間電流上升到1.3IH時翻轉(zhuǎn)2024/1/13南京理工大學

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若為三相步進電機則需三組電路供電，即步進電機有幾相就需要幾組高低電壓切換驅(qū)動電路。2024/1/13南京理工大學

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恒流斬波電路Uf<Us輸出高電平2024/1/13南京理工大學

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細分型驅(qū)動電源的工作原理：三相六拍為例通過控制電機各相繞組中電流的大小和比例，使步距角減小到原來的幾分之一至幾十分之一細分數(shù)為1：不進行細分，對應每一個步進脈沖，電動機的相電流是以全值增加，或以全值減小細分數(shù)為5：每一個輸入脈沖，電動機將轉(zhuǎn)過步距角的1/5，相電流就以全值的1/5進行遞增或遞減，供電順序經(jīng)過30個狀態(tài)之后進行循環(huán)2024/1/13南京理工大學

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步進電動機與驅(qū)動電源的接線驅(qū)動電源是一種成熟的通用產(chǎn)品，有時為了縮短機電一體化系統(tǒng)的設計周期，可以從市場上直接購得。2024/1/13南京理工大學

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驅(qū)動電源的選擇應該考慮的問題驅(qū)動電動機的類型：從永磁、反應、和混合式以及電機的相數(shù)幾個方面來考慮輸出電流：驅(qū)動電源的最大電流要大于電動機的額定電流，1~10A輸出電壓：輸出電壓的高低是判斷驅(qū)動器升速能力的標志，一般在24~310VDC之間輸入電壓：直接使用220V交流的市電市電經(jīng)過變壓器降壓變壓后的兩個獨立繞組供電直流電源2024/1/13南京理工大學

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有無細分功能：如果需要小的轉(zhuǎn)角或者要求步進電動機的轉(zhuǎn)動非常平穩(wěn)，那么所選擇的驅(qū)動電源最好帶有細分功能。需要注意，有些細分電源對抑制電動機的低頻振蕩有幫助，但可能會影響微步矩的精度有無環(huán)分：影響到控制器分配脈沖的方式控制信號的定義：有環(huán)分時不帶環(huán)分時驅(qū)動電源的選擇應該考慮的問題2024/1/13南京理工大學

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步進電機功率驅(qū)動器2024/1/13南京理工大學

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SJ-2H110M2/5步進電機細分驅(qū)動器SJ-3H80MA三相混合式步進電機細分驅(qū)動器產(chǎn)品2024/1/13南京理工大學

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6.4交流伺服電機及其速度控制系統(tǒng)控制精度交流伺服電動機的控制精度由電動機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器來保證。例如：帶2500線標準型編碼器的電動機：四倍頻帶17位編碼器的電動機：交流伺服和步進伺服的比較2024/1/13南京理工大學

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低頻特性步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象，解決低頻振動有兩種方法：一種是在電動機軸上加裝阻尼器；另一種是在驅(qū)動電源上采樣繞組電流細分技術交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象，且具有共振抑制功能，系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能，可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整2024/1/13南京理工大學

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矩頻特性步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以，其最高工作轉(zhuǎn)速一般不超過1000r/min交流伺服電機在基頻一下為恒轉(zhuǎn)矩輸出，其額定轉(zhuǎn)速一般為2000r/min或3000r/min，在額定轉(zhuǎn)速以下都能輸出額定轉(zhuǎn)矩。在基頻以上為恒功率調(diào)速，最高轉(zhuǎn)速通常可達5000r/min2024/1/13南京理工大學

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過載能力交流伺服電動機具有較強的過載能力，可用于克服慣性負載在起動瞬間的慣性轉(zhuǎn)矩步進電動機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服慣性轉(zhuǎn)矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電動機，而在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩浪費的現(xiàn)象。2024/1/13南京理工大學

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運行性能步進伺服系統(tǒng)通常為開環(huán)控制，起動頻率過高或負載過大時，容易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時若處理不當也易出現(xiàn)過沖。所以為了保證其控制精度，應處理好升降速問題交流伺服系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電動機編碼器的反饋信號進行采樣，在內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電動機的丟步或過沖現(xiàn)象，控制性能可靠。2024/1/13南京理工大學

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速度響應性能步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速通常需要200~400ms交流伺服電機的加速性能則要好得多例如：臺達ASDA——400W交流伺服電機，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速（3000r/min）僅需幾毫秒2024/1/13南京理工大學

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6.4交流伺服電機及其速度控制系統(tǒng)交流伺服電機的分類在數(shù)控機床上應用的交流伺服電機分為異步型交流伺服電機和同步型交流伺服電機。從建立所需氣隙磁場的磁勢源來說，同步型交流電機可分為電磁式及非電磁式兩大類。在后一類中又有磁滯式、永磁式和反應式多種。2024/1/13南京理工大學

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旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生：三相對稱電流通入三相對稱繞組后，所建立的合成磁場并不是靜止不動的，而是旋轉(zhuǎn)的，故稱為旋轉(zhuǎn)磁場。2024/1/13南京理工大學

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旋轉(zhuǎn)磁場2024/1/13南京理工大學

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旋轉(zhuǎn)磁場的性質(zhì)合成磁場的幅值是不變的旋轉(zhuǎn)磁場的軸線總是與電流達到正的最大值的那一相繞組軸線相重合旋轉(zhuǎn)磁場的速度f——交流供電電源頻率（定子供電頻），Hz；P——定子和轉(zhuǎn)子的極對數(shù)2024/1/13南京理工大學

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交流伺服電機的變頻調(diào)速

改變磁極對數(shù)p

改變供電電源的頻率f2024/1/13南京理工大學

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變頻調(diào)速基礎晶閘管（可控硅）陽極陰極控制極

陽極接直流電源正端，陰極接負端，控制極不加電壓，晶閘管不導通陽極、陰極間加正向電壓，控制極相對于陰極也加正向電壓，晶閘管導通導通后，去掉控制極的電壓，依然導通，說明一旦導通，控制極失去作用晶閘管的陽極和陰極間加反向電壓，無論控制極加不加電壓，晶閘管截止控制極加反向電壓，晶閘管陽極回路無論加正向還是反向電壓，晶閘管都不導通導通之后，控制極就失去了控制作用，必須將陽極電流減少到維持電流以下，才可關斷晶閘管2024/1/13南京理工大學

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單相半波可控整流電路電阻性負載控制角（移相角）:晶閘管在正向電壓下不導通的范圍導通角：晶閘管導通范圍自然換流點2024/1/13南京理工大學

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電感性負載2024/1/13南京理工大學

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三相橋式全控整流電路晶閘管的導通順序任何時刻都必須有分屬于共陰極組及共陽極組且不同相的兩只晶閘管導通才能形成負載電流回路每隔60o有一對晶閘管換流，換流分別在兩組之間交替進行，每只晶閘管導通120o2024/1/13南京理工大學

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控制極的脈沖：寬脈沖法雙窄脈沖法2024/1/13南京理工大學

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一次變換，交－交變換利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負脈沖，這個脈動交流電的基波就是所需的變頻電壓。但這種方法所得到的交流電波動比較大，而且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。

只進行一次的轉(zhuǎn)換、能量損耗小，轉(zhuǎn)換效率高性能穩(wěn)定，工作可靠頻率變化的范圍有限2024/1/13南京理工大學

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二次變換頻率變化的范圍寬

逆變電路換流電路：控制晶閘管或大功率管的導通與關閉2024/1/13南京理工大學

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交——直——交變頻方式是先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基波就是所需的變頻電壓。這種調(diào)頻方式所得交流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。2024/1/13南京理工大學

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整流器中間直流環(huán)節(jié)逆變器M3~~控制電路2024/1/13南京理工大學

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根據(jù)中間直流電路上的儲能元件是大電容還是大電感，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。目前，一般工業(yè)領域的通用型變頻器大多屬于電壓型變頻器，并且一般采用正弦波脈沖寬度調(diào)制方式（SPWM方式）。主電路器件以自關斷器件為主，其中大功率絕緣門極雙極晶體管（IGBT）和大功率電力晶體管（GTR）的應用最多2024/1/13南京理工大學

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由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。目前，變頻器一般采用微處理器控制。2024/1/13南京理工大學

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SPWM正弦波變頻器SPWM變頻器是目前應用最廣、最基本的一種交-直-交型電壓型變頻器。也稱為正弦波PWM變頻器，在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應用。2024/1/13南京理工大學

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1．DC電動機轉(zhuǎn)速公式速度調(diào)節(jié)

----直流伺服電動機的調(diào)速UD—電樞電壓

Ce—與電機結(jié)構(gòu)有關的常數(shù)

—勵磁磁通

I

—勵磁電流

R—電樞回路電阻改變

UD

調(diào)速的方法

可控硅調(diào)速PWM調(diào)速KAGPWM？2024/1/13南京理工大學

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脈寬調(diào)速原理脈寬調(diào)制(PWM)原理與系統(tǒng)PWM—PulseWidthModulation

直流電源電壓U經(jīng)開關S轉(zhuǎn)換為一定頻率的方波電壓加到直流電機電樞上，通過對方波脈沖寬度的控制，就可改變電樞的平均電壓，從而調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。SUuDMMM

r:導通率(脈寬系數(shù)，占空比)

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設開關S開閉周期為T，每次閉合時間為

則電樞兩端平均電壓Ud為：T一定

Ud

=0Ud=0電機停止

=TUd=U最高轉(zhuǎn)速

uDuDUd1Ud2TT

1/T：500～2500Hz，

大大小于電動機的時間常數(shù)故無轉(zhuǎn)速脈動。SUuDMMM2024/1/13南京理工大學

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改變脈沖占空比即可調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速，但必須有將控制轉(zhuǎn)速的指令轉(zhuǎn)換為脈沖寬度或開關周期的電路或裝置來實現(xiàn)。2024/1/13南京理工大學

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輸入：電流調(diào)節(jié)器輸出的直流電壓Uc輸出：幅值恒定，寬度可變的矩形脈沖電壓方法：高頻載波法、數(shù)字脈寬調(diào)制、高頻極限環(huán)法等比較器

調(diào)制信號發(fā)生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)D(t)

++脈寬調(diào)制器PWM

調(diào)制信號發(fā)生器

產(chǎn)生頻率、幅值都固定的高頻載波信號D（t）,D(t)可以是三角波、鋸齒波、正弦波

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高頻載波法的原理直流輸入信號Uc

疊加在載波信號D(t)上，再進入比較器。比較器是一個具有繼電器特性的電子元件，其輸出信號是一個與D(t)同頻率的矩形脈沖，脈沖占空比取決于Uc的大小。比較器

調(diào)制信號發(fā)生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)D(t)

++2024/1/13南京理工大學

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脈寬調(diào)制器PWMUcD(t)e(t)e’(t)Uc=0UcD(t)e(t)e’(t)Uc>0UcD(t)e(t)e’(t)Uc<0e(t)e’(t)+VUc-VD(t)

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PWM-M系統(tǒng)組成及工作原理電壓—脈寬調(diào)制器

比較器

功率放大器

伺服電機

調(diào)制信號發(fā)生器

Uc

Uc+D(t)

e’(t)

u4

D(t)

++

PWM-M特點：

開關頻率高，僅靠電樞的電感作用，即可獲得滿意的濾波作用，近似直流。無論高速或低速電機轉(zhuǎn)速和扭矩平滑均勻，調(diào)速比可以做得很大，且發(fā)熱小，壽命長。2024/1/13南京理工大學

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SPWM正弦波變頻器

SPWM逆變器是用來產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波。正弦脈寬調(diào)制波的形成原理是把一個正弦半波分成N等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫坐標所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，這樣可得到N個等高而不等寬的脈沖。這N個脈沖對應著一個正弦波的半周。對正弦波的負半周也采取同樣處理，得到相應的2N個脈沖，這就是與正弦波等效的正弦脈寬調(diào)制波，即SPWM波。2024/1/13南京理工大學

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SPWM波形可采用模擬電路、以“調(diào)制”方法實現(xiàn)。SPWM調(diào)制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓信號，它是利用三角波電壓與正弦參考電壓相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。2024/1/13南京理工大學

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三相SPWM控制電路框圖三角波頻率為正弦波頻率的3倍的整數(shù)倍，所以保證了三路脈沖調(diào)制波形U0A、U0B、U0C和時間軸所組成的面積隨時間的變化互成1200相位角。三相SPWM控制電路Ub4Ub6Ub22024/1/13南京理工大學

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橋式整流電路逆變器電路雙極性SPWM變頻器主電路三相逆變電路由6只具有單向?qū)щ娦缘拇蠊β书_關管VT1～VT6組成。每只功率開關上反并聯(lián)一只續(xù)流二極管，VD1～VD6，為負載的電流滯后提供一條反饋到電源的通路。6只功率開關管每隔60°電角度導通一只，相鄰兩只的功率開關導通時間相差120°2024/1/13南京理工大學

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SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖SPWM2024/1/13南京理工大學

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6.6位置控制數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng)，需要對位置和速度進行精確控制。通過對位置環(huán)、速度環(huán)的控制來實現(xiàn)。位置環(huán)和速度環(huán)緊密相連，速度環(huán)的給定值，就是來自位置環(huán)。而位置環(huán)的輸入一方面有來自輪廓插補器在每一個插補周期內(nèi)插補運算輸出的位置指令；另一方面有來自位置檢測元件測得的機床移動部件的實際位置信號。插補得到的指令位移和位置檢測元件得到的機床移動部件的實際位移在位置比較器中進行比較，得到位置偏差，位置控制單元再根據(jù)速度指令的要求及各環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)（稱增益）對位置數(shù)據(jù)進行處理，把處理的結(jié)果送給速度環(huán)，作為速度環(huán)的給定值。2024/1/13南京理工大學

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根據(jù)對位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的控制是用軟件還是硬件來實現(xiàn)，可將伺服系統(tǒng)分為混合式伺服系統(tǒng)和全數(shù)