現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng) 課件 第5、6章 交流伺服系統(tǒng)常用傳感器、交流伺服系統(tǒng)的功率變換電路

第5章交流伺服系統(tǒng)常用傳感器內(nèi)容提要5.1概述5.2光電編碼器5.3旋轉(zhuǎn)變壓器5.4光柵5.5壓阻式加速度傳感器5.6電流傳感器交流伺服系統(tǒng)常用傳感器15.1概述交流伺服系統(tǒng)常用的傳感器有系統(tǒng)位置、速度傳感器和磁極位置傳感器。傳感器的分類1）按安裝傳感器位置分為直接檢測(cè)和間接檢測(cè)；2）按檢測(cè)位移的計(jì)算方法分為增量式和絕對(duì)式；3）按檢測(cè)信號(hào)的類型分為模擬式和數(shù)字式；4）按運(yùn)動(dòng)形式分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。2分類方式特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)安裝位置直接檢測(cè)安裝在平移運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上檢測(cè)精度主要取決于檢測(cè)傳感器的精度檢測(cè)裝置與被檢測(cè)裝置的行程等長(zhǎng)，限制了伺服的距離，安裝復(fù)雜間接檢測(cè)安裝在電動(dòng)機(jī)軸的非負(fù)載側(cè)簡(jiǎn)單可靠，無(wú)檢測(cè)長(zhǎng)度的限制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)存在誤差，影響檢測(cè)精度檢測(cè)位移計(jì)算方法增量式只測(cè)量位移增量裝置簡(jiǎn)單易出現(xiàn)計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，沒有記憶能力絕對(duì)式測(cè)量相對(duì)位置有記憶能力存在延時(shí)檢測(cè)信號(hào)類型模擬式被檢測(cè)量直接輸出小量程內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)高精度檢測(cè)——數(shù)字式被檢測(cè)量量化后，轉(zhuǎn)化為脈沖個(gè)數(shù)檢測(cè)裝置簡(jiǎn)單，數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)——運(yùn)動(dòng)形式旋轉(zhuǎn)型傳感器做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)————直線型傳感器做直線運(yùn)動(dòng)————表5-1傳感器分類方法5.1概述3表5-2位置和速度傳感器的分類分類增量式絕對(duì)式位

移傳感器旋轉(zhuǎn)型脈沖編碼器，自整角機(jī)，旋轉(zhuǎn)變壓器，圓感應(yīng)同步器，光柵角度傳感器，圓光柵，圓磁柵多極旋轉(zhuǎn)變壓器，絕對(duì)脈沖編碼器，絕對(duì)值式光柵，三速圓感應(yīng)同步器，磁阻式多極旋轉(zhuǎn)變壓器直線型直線感應(yīng)同步器，光柵尺，磁柵尺，激光干涉儀，霍爾位置傳感器三速感應(yīng)同步器，絕對(duì)值磁尺，光電編碼尺，磁性編碼器速

度傳感器交、直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，數(shù)字脈沖編碼式速度傳感器，霍爾速度傳感器速度-角度傳感器，數(shù)字電磁、磁敏式速度傳感器加速度傳感器壓阻式，壓電式

電

流傳感器霍爾元件電流傳感器，電流檢測(cè)IC5.1概述45.2光電編碼器隨著光電子學(xué)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，光電編碼器廣泛用于交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度和位置檢測(cè)中。光電編碼器的分類1）按脈沖對(duì)應(yīng)位置的關(guān)系分為增量式光電編碼器，絕對(duì)式光電編碼器以及混合式光電編碼器；2）按編碼器的運(yùn)動(dòng)方式分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。光電編碼器的特點(diǎn)直線式：交流伺服電動(dòng)機(jī)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以借助機(jī)械連接變換成直線運(yùn)動(dòng)形式。直線式光電編碼器用得較少，只有在那些結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)動(dòng)方式都有利于專用直線式光電編碼器的場(chǎng)合才被采用。旋轉(zhuǎn)式：旋轉(zhuǎn)型光電編碼器容易做成全封閉型，實(shí)現(xiàn)小型化，傳感長(zhǎng)度不受限制，因而在實(shí)際中獲得廣泛應(yīng)用。55.2.1增量式光電編碼器增量式光電編碼器的特點(diǎn)每產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖信號(hào)就對(duì)應(yīng)一個(gè)增量位移角，編碼器能產(chǎn)生與軸位移角增量等值的電脈沖。增量式光電編碼器的結(jié)構(gòu)如圖5-1所示，增量式光電編碼器由以下4個(gè)基本部分組成：光源、轉(zhuǎn)盤（動(dòng)光柵）、遮光板（定光柵）和光敏元件。增量式光電編碼器的原理轉(zhuǎn)盤上刻有許多的均勻透光縫隙，相鄰兩個(gè)透光縫隙之間代表一個(gè)增量周期。遮光板上刻有與轉(zhuǎn)盤相應(yīng)的透光縫隙，用來(lái)通過(guò)或阻擋光線。圖5-1增量式光電編碼器的構(gòu)造A相、B相、Z相－遮光板縫隙A、B、Z－受光元件1－旋轉(zhuǎn)圓盤2－轉(zhuǎn)盤縫隙3－遮光板6表5-3增量式光電編碼器的性能性能參數(shù)概念特點(diǎn)影響因素分辨率編碼器軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的輸出信號(hào)基本周期數(shù)光柵盤上的槽或窗口數(shù)目等于編碼器的分辨率與檢測(cè)元件本身和測(cè)量線路有關(guān)精度度量在所選定的分辨率范圍內(nèi)，確定任一脈沖相對(duì)另一脈沖位置的能力用度、分、秒來(lái)表示與轉(zhuǎn)盤的加工質(zhì)量、轉(zhuǎn)盤的機(jī)械旋轉(zhuǎn)和安裝技術(shù)有關(guān)穩(wěn)定性在實(shí)際運(yùn)行條件下，保持規(guī)定精度的能力——與溫度、外加于編碼器的變形力和光源特性的變化有關(guān)響應(yīng)頻率準(zhǔn)確反映軸的轉(zhuǎn)角位移的能力響應(yīng)頻率受分辨率限制與光敏元件和電子處理線路的響應(yīng)能力有關(guān)編碼器內(nèi)輸出信號(hào)的處理在編碼器內(nèi)將輸入信號(hào)放大與整形經(jīng)過(guò)處理后的信號(hào)輸出近似正弦波或矩形波——5.2.1增量式光電編碼器75.2.1增量式光電編碼器增量式光電編碼器的輸出信號(hào)編碼器的輸出信號(hào)一般是近似正弦波或矩形波信號(hào)。由于容易對(duì)矩形波輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，所以這種輸出信號(hào)在定位控制中的應(yīng)用十分廣泛。正弦波輸出信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)1）在定位停止時(shí)沒有振蕩現(xiàn)象；2）把輸出的近似正弦波和余弦波信號(hào)微分合成，可以得到模擬速度信號(hào)；3）可以進(jìn)行電子內(nèi)插，以低成本得到高分辨率。正弦波輸出信號(hào)的應(yīng)用應(yīng)用在打印機(jī)和磁盤磁頭定位中。圖5-3矩形波輸出信號(hào)圖5-2近似正弦波輸出信號(hào)的構(gòu)成8正反方向可逆運(yùn)行的原理在許多實(shí)際應(yīng)用中，要求交流伺服電動(dòng)機(jī)在正反兩個(gè)方向上能實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行;編碼器輸出兩路正交信號(hào)，對(duì)應(yīng)編碼器的某一旋轉(zhuǎn)方向，兩個(gè)信號(hào)明確而單值表示從“0”到“1”和從“1”到“0”的邏輯躍變;這兩個(gè)躍變邏輯信號(hào)與某相靜態(tài)邏輯信號(hào)進(jìn)行“編碼”，可以設(shè)計(jì)出正反方向的判別電路。圖5-5方向判別電路的輸出波形圖5-4旋轉(zhuǎn)方向判別電路框圖5.2.1增量式光電編碼器95.2.2絕對(duì)式光電編碼器（1）絕對(duì)式光電編碼器的基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)絕對(duì)式編碼器用不同的數(shù)碼分別指示不同的增量小位置。在旋轉(zhuǎn)碼盤上制成8~12個(gè)碼道，零點(diǎn)固定，輸出為矩形波的二進(jìn)制碼。單轉(zhuǎn)絕對(duì)式光電編碼器的特點(diǎn)測(cè)量軸角的范圍為0°~360°，不具有多轉(zhuǎn)檢測(cè)能力，具有時(shí)間延遲。圖5-6絕對(duì)式光電編碼器的碼盤構(gòu)造圖5-7絕對(duì)式光電編碼器結(jié)構(gòu)示意圖1-縫隙；2-固定縫隙板；3-旋轉(zhuǎn)圓盤10（2）多轉(zhuǎn)絕對(duì)式光電編碼器基本結(jié)構(gòu)如圖5-8所示，由一個(gè)單轉(zhuǎn)絕對(duì)式光電編碼器和一個(gè)增量式磁性編碼器組成。特點(diǎn)克服了單轉(zhuǎn)絕對(duì)式光電編碼器存在的問題，適應(yīng)多轉(zhuǎn)數(shù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)位置檢測(cè)的需要。圖5-8多轉(zhuǎn)數(shù)絕對(duì)位置光電編碼器的電路結(jié)構(gòu)1-圓盤2-固定縫隙3-光敏二極管4-磁性圓盤5.2.2絕對(duì)式光電編碼器115.2.3混合式光電編碼器

125.2.3混合式光電編碼器圖5-9混合式光電編碼器的結(jié)構(gòu)與輸出信號(hào)波形a）

交流伺服電動(dòng)機(jī)用光電編碼器組成b）

編碼器的輸出波形a）b）135.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器的基本結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)變壓器是由定子鐵心和線圈、轉(zhuǎn)子鐵心與線圈以及轉(zhuǎn)子輸出變壓器所組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的特點(diǎn)它具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)，在可靠性要求高的場(chǎng)合，有十分重要的應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)變壓器的原理定子鐵心上的兩相繞組軸線在空間上正交，并以相位差90°正弦和余弦電流進(jìn)行激勵(lì)；轉(zhuǎn)子鐵心上繞有一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組，把轉(zhuǎn)子輸出變壓器的一次線圈接到轉(zhuǎn)子繞組的輸出端，取代了傳統(tǒng)的集電環(huán)和電刷。圖5-10旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖a）定子b）轉(zhuǎn)子及轉(zhuǎn)子輸出變壓器145.3旋轉(zhuǎn)變壓器

155.3旋轉(zhuǎn)變壓器

圖5-11旋轉(zhuǎn)變壓器定子的勵(lì)磁信號(hào)與輸出信號(hào)的相位關(guān)系165.3旋轉(zhuǎn)變壓器

175.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器常用電路在使用旋轉(zhuǎn)變壓器的情況下，常用一種旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器電路。下面介紹一款由正弦波振蕩器AD2S99及旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S80A組成的位置檢測(cè)系統(tǒng)。正弦波振蕩器AD2S99AD2S99的內(nèi)部構(gòu)造如圖5-12所示。它將輸出的正弦激勵(lì)信號(hào)送入旋轉(zhuǎn)變壓器中的一次側(cè)。從旋轉(zhuǎn)變壓器的二次側(cè)輸出兩個(gè)正交信號(hào)。圖5-12AD2S99內(nèi)部功能框圖185.3旋轉(zhuǎn)變壓器旋轉(zhuǎn)變壓器/數(shù)字轉(zhuǎn)換器AD2S80AAD2S80A的內(nèi)部功能如圖5-13所示，A3和A4構(gòu)成兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，AD2S80A運(yùn)行于II型伺服環(huán)的跟蹤方式。輸出將自動(dòng)跟蹤輸入，并且速度逐步上升到最大跟蹤速度。圖5-13AD2S80A內(nèi)部原理框圖及外圍電路195.3旋轉(zhuǎn)變壓器RDC電路以AD2S99和AD2S80A組成的位置測(cè)試系統(tǒng)與DSP的接口示意如圖5-14所示。旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子繞組由AD2S99激勵(lì)，其定子輸出分別接到AD2S99和AD2S80A的相關(guān)引腳，而AD2S99向AD2S80A提供參考基礎(chǔ)信號(hào)。圖5-14采用RDC的變換電路205.4光柵光柵的原理光柵是利用光的發(fā)射、透射和干涉現(xiàn)象制成的一種光電檢測(cè)裝置。光柵的基本結(jié)構(gòu)光柵檢測(cè)裝置由光源、長(zhǎng)光柵（標(biāo)尺光柵）、短光柵（指示光柵）和光電元件組成。光柵的分類有物理光柵和計(jì)量光柵兩大類。按照不同的分類方法，計(jì)量光柵可分為直線光柵和圓形光柵，透射光柵和反射光柵，增量式光柵和絕對(duì)式光柵等。根據(jù)光柵的工作原理，將光柵分為直線式透射光柵和莫爾條紋式光柵兩類。圖5-15光柵位置檢測(cè)裝置215.4.1直線式透射光柵透射光柵特點(diǎn)在玻璃表面刻上透明和不透明的間隔相等的線紋，稱為透射光柵，只能透過(guò)單個(gè)透明間隔，光強(qiáng)度較弱，脈沖信號(hào)不強(qiáng)，往往在光柵線較粗的地方使用。透射光柵原理光電元件把兩塊光柵移動(dòng)時(shí)的明暗變化，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。在?biāo)尺光柵的移動(dòng)過(guò)程中，光電元件接受的光通量忽大忽小，產(chǎn)生了近似正弦波的電流。圖5-16透射直線式光柵原理圖a）結(jié)構(gòu)圖b）輸出波形225.4.2莫爾條紋式光柵莫爾條紋的定義使兩片光柵靠近并稍有傾斜，在和光柵垂直的方向上，可以看到非常粗大的條紋，這就叫莫爾條紋。莫爾條紋的性質(zhì)1）平均效應(yīng)莫爾條紋對(duì)光柵的線紋誤差有平均作用；2）光柵移動(dòng)一個(gè)柵距??，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)柵距??；3）如果兩塊光柵夾角??很小，則莫爾條紋之間的距離??將遠(yuǎn)大于光柵的柵距??，莫爾條紋起到了放大作用，方便讀數(shù)。圖5-17莫爾條紋235.4.2莫爾條紋式光柵

（2）光電轉(zhuǎn)換光柵檢測(cè)系統(tǒng)的光柵轉(zhuǎn)換由光柵讀數(shù)頭來(lái)完成。最基本的光柵讀數(shù)由光源、聚光鏡、指示光柵和硅光電池組成。圖5-18光柵檢測(cè)系統(tǒng)的組成245.4.2莫爾條紋式光柵莫爾條紋式光柵的信號(hào)輸出當(dāng)兩塊光柵的刻度重合時(shí)，透光最多，光電池輸出的電壓信號(hào)最大；當(dāng)兩塊光柵的暗線紋將明線紋遮住，透光近似為0，光電池輸出最小；光電池的輸出電壓波形近似于三角形；在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，兩塊光柵間必定有間隙，光電池的輸出近似為正弦波形和一直流分量的疊加。

255.4.3光柵檢測(cè)裝置

圖5-20垂直入射讀數(shù)頭圖5-19分光讀數(shù)頭265.4.3光柵檢測(cè)裝置（2）辨向方法辨向的基本結(jié)構(gòu)如圖5-21所示，安置兩只光電元件，讓光線透過(guò)它們，分別被兩個(gè)光電元件接收，兩個(gè)狹縫S1與S2彼此相距1/4節(jié)距。辨向的原理當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，從兩只光電元件分別得到正弦和余弦的電流波形。由于莫爾條紋通過(guò)光電元件的時(shí)間不同，兩信號(hào)將有90°或1/4周期的相位差。而信號(hào)的超前與落后取決于光柵的移動(dòng)方向，從而判別機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向。a)b)圖5-21光電元件的安裝及其所產(chǎn)生的電流波形a)安裝圖b)波形圖275.4.3光柵檢測(cè)裝置（3）分辨率的提高基本結(jié)構(gòu)一種光柵測(cè)量裝置的邏輯框圖如圖5-22所示。為了提高分辨率，線路采用4倍頻方法。在一個(gè)莫爾條紋節(jié)距內(nèi)，安裝4只光電元件（如硅光電池），每相鄰兩只的距離為1/4節(jié)距。圖5-22光柵信號(hào)4倍頻電路285.4.3光柵檢測(cè)裝置信號(hào)輸出類型光柵輸出給數(shù)控裝置的信號(hào)有兩種，方波信號(hào)和正弦波信號(hào)；對(duì)方波信號(hào)可進(jìn)行二倍頻和四倍頻處理，但最高為四倍頻；對(duì)連續(xù)變化的正弦波信號(hào)，可采用相位跟蹤細(xì)分，以進(jìn)一步提高分辨率。分辨率提高的原理將輸出信號(hào)與相對(duì)相位基準(zhǔn)信號(hào)相比較，當(dāng)相位差超過(guò)一定門檻時(shí)，移相脈沖門輸出移相脈沖，同時(shí)使相對(duì)相位基準(zhǔn)信號(hào)跟蹤測(cè)量信號(hào)的變化。這樣每一移相脈沖相對(duì)相位基準(zhǔn)移相360°/n，即可實(shí)現(xiàn)n倍細(xì)分。圖5-23光柵信號(hào)四倍頻波形295.5壓阻式加速度傳感器（1）壓阻式加速度傳感器的原理與結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)壓阻式加速度傳感器是利用應(yīng)變電阻作為加速度傳感元件。特點(diǎn)在應(yīng)變電阻不受力時(shí)，是對(duì)稱平衡的，沒有信號(hào)輸出。當(dāng)應(yīng)變電阻受力時(shí)，其阻值發(fā)生變化，有信號(hào)輸出，其輸出信號(hào)與受力大小成正比。a）b）圖5-24壓阻式加速度傳感器的集成塊截面及芯片電橋a）集成塊截面b）芯片電橋1-由電橋組成的懸臂梁2-附加垂塊3-制動(dòng)塊4-底座5-芯片6-蓋板7-檢測(cè)端8-引線端30原理壓阻式加速度傳感器由傳感元件及信號(hào)調(diào)節(jié)兩部分組成；當(dāng)加速度傳感器承受加速度時(shí)，傳感元件和附加垂塊上移或下降，使電橋臂的電阻變化；信號(hào)調(diào)節(jié)器用來(lái)放大傳感元件的輸出，并校正靈敏度和補(bǔ)償隨溫度變化而產(chǎn)生的漂移。圖5-25壓阻式加速度傳感器的簡(jiǎn)化電路原理315.5壓阻式加速度傳感器（2）壓阻式加速度傳感器的性能和參數(shù)：1）靈敏度：指單位加速度的輸出電壓。較典型的產(chǎn)品靈敏度為0.1~50mV/g；2）頻率響應(yīng)：指加速度傳感器在規(guī)定的加速度極限內(nèi)工作時(shí)，輸入加速度交變頻率的允許限度。通常頻率響應(yīng)在0~5000Hz范圍內(nèi)；3）精度誤差：包括輸出電壓非線性誤差和溫度變化誤差兩種。一般非線性誤差±1.0%，溫度誤差±2.0%；4）電源：通常采用5V電源作為輸入電源。規(guī)定電源電壓不得超過(guò)±10%。325.5壓阻式加速度傳感器（3）壓阻式加速度傳感器的應(yīng)用：它的應(yīng)用可分為用在控制系統(tǒng)中作為反饋檢測(cè)和用于導(dǎo)航儀器中。系統(tǒng)反饋中的應(yīng)用系統(tǒng)反饋應(yīng)用的典型是高速運(yùn)動(dòng)的繪圖機(jī)。永磁感應(yīng)直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)x軸或y軸直線驅(qū)動(dòng)的加速度閉環(huán)控制中，它可使電動(dòng)機(jī)動(dòng)子高速平穩(wěn)精準(zhǔn)地帶動(dòng)繪圖機(jī)工具繪出圖形。速度傳感器旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)不能采用加速度傳感器。往往采用速度傳感器，經(jīng)過(guò)微分后，取得加速度信號(hào)。在取得加速度信號(hào)后，對(duì)其再次微分，就可以取得加加速度（jerk）信號(hào)。335.5壓阻式加速度傳感器伺服電動(dòng)機(jī)的加速度相當(dāng)于交軸電流，而因此有

速度傳感器原理伺服系統(tǒng)的電力拖動(dòng)平衡方程式為

345.5壓阻式加速度傳感器5.6電流傳感器電流傳感器的原理電流傳感器依據(jù)的原理是霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)是指當(dāng)磁場(chǎng)中的導(dǎo)體流過(guò)電流時(shí)，與電流垂直的導(dǎo)體的兩側(cè)將產(chǎn)生電位差?；魻栯娏鱾鞲衅鞯幕窘Y(jié)構(gòu)霍爾電流傳感器由一次電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、二次線圈和放大電路等組成?；魻栯娏鱾鞲衅鞯姆诸惢魻栯娏鱾鞲衅骺煞譃橹苯訖z測(cè)式電流傳感器和磁場(chǎng)平衡式電流傳感器兩種。355.6電流傳感器

圖5-26直接檢測(cè)式霍爾電流傳感器原理圖365.6電流傳感器簡(jiǎn)易型電流傳感器如圖5-27所示為電阻+絕緣放大器做成的簡(jiǎn)易型電流傳感器，被檢測(cè)的電流流過(guò)電阻，把電阻上的電壓信號(hào)通過(guò)光電耦合放大器隔離，以達(dá)到高壓大電流的強(qiáng)電側(cè)與低壓小電流的弱電側(cè)隔離以及隔離噪聲的目的。圖5-27采用線性光電耦合器的直流電流檢測(cè)器37復(fù)習(xí)題及思考題38（1）常見的位置和速度傳感器有哪些？（2）在使用編碼器時(shí)需要考慮哪幾種基本問題？（3）增量式光電編碼器的分辨率和精度是否一樣？如不一樣，請(qǐng)說(shuō)明二者的區(qū)別。（4）請(qǐng)比較增量式檢測(cè)方式和絕對(duì)式檢測(cè)方式的優(yōu)缺點(diǎn)。（5）簡(jiǎn)述壓阻式加速度傳感器的性能和參數(shù)。第6章交流伺服系統(tǒng)的功率變換電路內(nèi)容提要6.1功率變換主電路的構(gòu)成6.2功率變換主電路設(shè)計(jì)6.3脈寬調(diào)制技術(shù)交流伺服系統(tǒng)的功率變換電路6.1功率變換主電路的構(gòu)成功率變換主電路的作用將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換為適合驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)的電能，有時(shí)還要將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)能回路的直流電能。功率變換主電路的基本結(jié)構(gòu)主電路主要包括：整流電路；濾波電路；逆變電路；緩沖電路；制動(dòng)電路。圖6-1電壓型功率變換主電路6.1功率變換主電路的構(gòu)成

6.2.1整流電路的設(shè)計(jì)整流電路的分類1）按照組成器件可分為不可控、半控和全控整流電路；2）按電路結(jié)構(gòu)可分為橋式整流電路和零式整流電路；3）按照交流輸入相數(shù)可分為單相整流電路和多相整流電路。逆變器直流側(cè)與交流側(cè)功率、電壓和電流的關(guān)系逆變器電路采用SPWM方式控制輸出電壓時(shí)，如果忽略損耗和高次諧波，則逆變器直流側(cè)與交流側(cè)之間的功率，電壓之間存在著如下關(guān)系：

6.2.1整流電路的設(shè)計(jì)

6.2.2濾波電路的設(shè)計(jì)濾波電路的主要構(gòu)成在電壓型逆變器中，濾波元件主要是采用電解電容器。濾波電容器的主要參數(shù)濾波電容器的選擇主要考慮以下三個(gè)因素：電容器的額定電壓、濾波電路紋波電壓及電容器的額定紋波電流。紋波電流濾波電容器流過(guò)的紋波電流主要包括兩部分：從工頻電源通過(guò)整流電路流入的電流和通過(guò)逆變器電路輸入到電動(dòng)機(jī)中的電流；PWM逆變電路濾波電容器的電流主要取決于電動(dòng)機(jī)電流，其有效值大約為電動(dòng)機(jī)電流有效值的1/2；電容流過(guò)紋波電流大小確定以后，根據(jù)電解電容器手冊(cè)中的技術(shù)數(shù)據(jù)，選擇外形尺寸大小合適的電容器。6.2.3逆變電路的設(shè)計(jì)

輸入交流電壓/V180~220380~440480~575器件額定電壓值/V6001000~12001400表6-1輸入交流電壓和器件額定電壓關(guān)系6.2.3逆變電路的設(shè)計(jì)電流額定值的確定器件額定電流值由逆變電路容量與伺服電動(dòng)機(jī)功率之間的關(guān)系得到

6.2.3逆變電路的設(shè)計(jì)（2）正弦波PWM逆變電路開關(guān)器件損耗的計(jì)算IGBT飽和損耗IGBT的飽和損耗為：

6.2.3逆變電路的設(shè)計(jì)續(xù)流二極管飽和損耗續(xù)流二極管的飽和損耗為

其中FWD是指續(xù)流二極管。6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)緩沖電路的作用緩沖電路又稱吸收電路，用于抑制逆變器中因功率器件開關(guān)所導(dǎo)致的過(guò)電壓，減小器件的損耗，確保開關(guān)器件安全。功率器件過(guò)電壓的產(chǎn)生原因功率器件過(guò)電壓的產(chǎn)生與回路布線的寄生電感的關(guān)系密切，因此必須首先優(yōu)化布線，盡量減小寄生電感。緩沖電路的分類抑制過(guò)電壓的緩沖電路主要包括與開關(guān)元件一對(duì)一配置的分體式緩沖電路和在直流母線之間配置的整體式緩沖電路兩種。6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)（1）分體式緩沖電路分體式緩沖電路的分類分體式緩沖電路主要有RC緩沖電路、放電阻止型RCD緩沖電路和充放電型RCD緩沖電路。圖6-2分體式緩沖電路a）RC緩沖電路b）充放電型RCD緩沖電路c）放電阻止型RCD緩沖電路6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)

6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)

6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)

如果緩沖電阻值選擇過(guò)低，緩沖電路中的電流會(huì)發(fā)生振蕩，IGBT導(dǎo)通時(shí)的集電極電流的尖峰值也會(huì)增大，因此要滿足上式的條件，盡量選用高阻值的電阻。緩沖二極管選擇方法1）如果緩沖二極管的反向恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，則在高頻開關(guān)動(dòng)作時(shí)緩沖二極管產(chǎn)生的損耗大；2）如果緩沖二級(jí)管的反向恢復(fù)時(shí)間過(guò)急，IGBT的C-E間電壓會(huì)產(chǎn)生振蕩。3）因此放電阻止型RCD緩沖電路的緩沖二極管要選擇過(guò)渡正方向電壓減小，反向恢復(fù)時(shí)間短，具有軟恢復(fù)特性的二極管。6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)充放電型RCD緩沖電路充放電型RCD緩沖電路對(duì)關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓抑制效果好；它與RC緩沖電路不同，由于帶有緩沖二極管，緩沖電阻值可以取大，能夠避免導(dǎo)通時(shí)，集電極電流增大影響IGBT的問題；與放電阻止型RCD緩沖電路相比，由于在緩沖電路上產(chǎn)生的損耗非常大，不適合高頻開關(guān)電路。充放電型RCD緩沖電路電阻上產(chǎn)生的損耗可以根據(jù)下式計(jì)算6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)（2）整體式緩沖電路整體式緩沖電路的分類整體式緩沖電路主要有C緩沖電路，RCD緩沖電路和組合緩沖電路。圖6-3整體式緩沖電路a）C緩沖電路b）RCD緩沖電路c）組合緩沖電路6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)C緩沖電路C緩沖電路是最簡(jiǎn)單的緩沖電路；器件關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓被電容器C緩沖電路吸收后，在主電路的電感與緩沖電容之間有LC振蕩電流，使母線電壓產(chǎn)生較大波動(dòng)；C緩沖電路適用于100A以下的IGBT電路中。RCD緩沖電路特點(diǎn)1）RCD緩沖電路中的充電電流經(jīng)緩沖二極管流入，放電電流經(jīng)緩沖電阻流出，因此不會(huì)產(chǎn)生像C緩沖電路那樣的振蕩電流；2）它能夠減小母線電壓的波動(dòng)，尤其是在母線配線較長(zhǎng)時(shí)效果更好；3）適用于200A以下的IGBT電路中。6.2.4緩沖電路的設(shè)計(jì)電阻阻值選擇如果緩沖電阻值選擇過(guò)低，緩沖電路中的電流會(huì)發(fā)生振蕩，IGBT導(dǎo)通時(shí)的集電極電流的尖峰值也會(huì)增大，因此，要盡量選用高阻值的電阻。組合式緩沖電路有時(shí)為了提高緩沖效果，常將C緩沖電路和RCD緩沖電路組合起來(lái)使用。電容容量計(jì)算緩沖電容的容量可以根據(jù)下式計(jì)算電阻阻值計(jì)算緩沖電阻阻值可根據(jù)下式計(jì)算6.2.5制動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

6.2.5制動(dòng)電路的設(shè)計(jì)（2）制動(dòng)電阻阻值計(jì)算制動(dòng)電阻最大阻值在附加制動(dòng)電阻進(jìn)行制動(dòng)的情況下，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的有功損耗部分折合成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大約為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的20%?？紤]到這一點(diǎn)，可用下式計(jì)算制動(dòng)電阻的阻值：

6.2.5制動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

6.3脈寬調(diào)制技術(shù)PWM的定義PWM控制技術(shù)，即脈寬調(diào)制技術(shù)，是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過(guò)控制電壓脈沖列的寬度或周期達(dá)到變壓、變頻目的一種控制技術(shù)。PWM的分類常用的PWM控制技術(shù)方法有電壓型正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM），電流跟蹤型PWM控制和電壓空間矢量PWM等控制方法。PWM控制功率變換系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1）主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要的功率器件少；2）開關(guān)頻率高，輸出電流容易連續(xù)，諧波含量少，電機(jī)損耗及轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小；3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)；5）導(dǎo)通耗損小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而系統(tǒng)效率較高。6.3.1SPWM技術(shù)（1）SPWM控制原理SPWM的定義將正弦半波形劃成N等份，每一