新编-直流伺服与交流伺服课件-(2)-精品.ppt

1、 常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机 直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直 流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的他激直流电机。6.4 直流伺服电机(一）一）直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构极靴极靴机壳机壳瓦状永磁材料（定子）瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）电枢（转子）换向极换向极主磁极主磁极定子定子转子转子线圈线圈图图6.5永磁直流伺服电机的结构永磁直流伺服电机的结构 图图6.6直流主轴电机结构示意图直流主轴电机结构示意图 6.4 直流伺服电机1.静态特性 电磁转

2、矩由下式表示:（6.1）KT 转矩常数；磁场磁通；Ia 电枢电流；TM 电磁 转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（6.2）Ua 电枢上的外加电压；Ra 电枢电阻；Ea 电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：（6.3）Ke电势常数；电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：（6.4）（二）一般（二）一般直流电机的工作特性直流电机的工作特性 aTMIKT aaaaERIU eaKE M2TeaeaTKKRKU 6.4 直流伺服电机 当负载转矩为零时：理想空载转速 （6.5）当转速为零时：启动转矩 (6.6）当电机带动某一负载TL时 电机转速与理想空载转速的差 （6.7）ea0KU TgasK

3、RUT L2TeaTKKR 图图6.76.7 直流电机的机械特性直流电机的机械特性（n n）O OO O TS T TL 6.4 直流伺服电机（二）一般一般直流电机的工作特性直流电机的工作特性 2.动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为 （6.8）式中 TM 电机电磁转矩；TL 折算到电机轴上的负载转矩；电机转子角速度；J 电机转子上总转动惯量；t 时间自变量。dtdJTTLM 6.4 直流伺服电机（二）一般一般直流电机的工作特性直流电机的工作特性 1.永磁直流伺服电机的性能特点 1)低转速大惯量 2)转矩大 3)起动力矩大 4)调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 2.永磁直流伺服电机性能用

4、特性曲线和数据表描述 1)转矩-速度特性曲线（工作曲线）2)负载-工作周期曲线 过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。3)数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。（三）（三）永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性 6.4 直流伺服电机 d%80 110%120%60 130%140%40 160%d 180%20 200%0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)图图69负载负载-工作周期曲线工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限转矩极限 12000 10000 瞬时换向极限瞬时换向极限 8000 6000 换向极限换向极限 速度极限速度极限 4000 温度极限温

5、度极限 2000 0 500 1000 1500 n 图图6 68 8永磁直流伺服电机工作曲线永磁直流伺服电机工作曲线 区为连续工作区；区为连续工作区；区为断续工作区，由负区为断续工作区，由负载载-工作周期曲线决定工作时间；工作周期曲线决定工作时间；区为瞬时加区为瞬时加减速减速区区 （三）（三）永磁直流伺服电机的工作特性永磁直流伺服电机的工作特性 6.4 直流伺服电机 3.永磁直流伺服电机的工作特性曲线永磁直流伺服电机的工作特性曲线（四）主轴直流伺服电机的工作原理和特性 O nj nmax nP,T1 2图图6.10 直流主轴电机特性曲线直流主轴电机特性曲线 1-1-转矩特性曲线转矩特性曲线

6、2-2-功率特性曲线功率特性曲线6.4 直流伺服电机（五）直流进给运动的速度控制 1.、直流伺服电机的调速原理 根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通 改变电枢外加电压Ua:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定 转速以下进行。属于恒转矩调速。改变气隙磁通量：改激磁电流即可改，在Ua恒定情况下，磁场接 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。2.直流速度控制单元调速控方式 晶闸管（可控硅）调速系统 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 0M2TeaeaTKKRKUnnTCCRCUn0M2Teaea 6.4 直流伺服电机晶闸管调速系统1）系统的组成 包括 控制

7、回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。主回路：可控硅整流放大器等。速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机UR+-UfIfIR+-E1ES（五）直流进给运动的速度控制晶 (1)晶闸管调速系统6.4 直流伺服电机2）主回路工作原理组成：由大功率晶闸 管构成的三

8、相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（和 ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转 和反转。原理原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组共阴极组 （1 1、3 3、5 5）和共阳极组（）和共阳极组（2 2、4 4、6 6）。为构成回路，这二组中必须各有一）。为构成回路，这二组中必须各有一 个可控硅同时导通。个可控硅同时导通。1 1、3 3、5 5在正半周导通，在正半周导通，2 2、4 4、6 6在负半周导通。每在负半周导通。每 组内（即二相间）触发脉冲相位相差组内（即二相间）触发脉冲相位相差12

9、0120，每相内二个触发脉冲相差，每相内二个触发脉冲相差180180。按管号排列，触发脉冲的顺序：按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-61-2-3-4-5-6，相邻之间相位差，相邻之间相位差6060。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通6060 后，在补发一个辅助脉冲；也后，在补发一个辅助脉冲；也 可以采用宽脉冲控制，宽度大于可以采用宽脉冲控制，宽度大于6060，小于，小于120120。462791113581210ABCMUMUD

10、KMKM+-（五）直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统6.4 直流伺服电机原理：主回路波形图主回路波形图uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056 只要改变可控只要改变可控硅触发角（即改变硅触发角（即改变导通角），就能改导通角），就能改变可控硅的整流输变可控硅的整流输出电压，从而改变出电压，从而改变直流伺服电机的转直流伺服电机的转速。速。触发脉冲提前触发脉冲提前来，增大整流输出来，增大整流输出电压；触发脉冲延电压；触发脉冲延后来，减

11、小整流输后来，减小整流输出电压。出电压。（五）直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统6.4 直流伺服电机3）控制回路分析触发脉冲产生的过程：改变触发角，即改变控制角U1U2R1R2R3C-+同步信号同步信号过零信号过零信号由速度由速度F变换来的变换来的电流调节电流调节器输出的器输出的直流信号直流信号,123同步信号同步信号方波信号方波信号矩齿波矩齿波矩齿波与直矩齿波与直流电压叠加流电压叠加 信号信号尖脉冲尖脉冲直流电压直流电压（可控硅导通时间），可调速。可控硅导通时间），可调速。没反馈是开环，特性软。没反馈是开环，特性软。1-同步电路同步电路 2-移向控制电路移向控制电路3-脉冲分配器脉

12、冲分配器 电流调节器电流调节器:同上，加快电流的反应。同上，加快电流的反应。触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发 电路，与电路，与F直流信号叠加。直流信号叠加。速度调节器：比例积分速度调节器：比例积分PI，高放大（相，高放大（相当当 C短路）短路）缓放大缓放大增放大增放大稳定（相当稳定（相当C 开路）无静差。开路）无静差。（五）直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统6.4 直流伺服电机 总结 速度控制的原理：调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信

13、号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流 作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时

14、的大转矩、加减速的良好动态性能。（五）直流进给运动的速度控制 (1)晶闸管调速系统6.4 直流伺服电机（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统1）系统的组成及特点速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调节脉宽调节振荡器振荡器脉宽调节脉宽调节MG电流反馈电流反馈Uusrus f整流整流功放功放（五）直流进给运动的速度控制6.4 直流伺服电机 主回路：大功率晶体管开关放大器；功率整流器。控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节 器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。直流脉宽调制：功率放大器中

15、的大功率晶体管工作在开 关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期 内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制 脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用 则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统6.4 直流伺服电机直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压脉冲宽度正比代表速度脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压值的直流电压Ut（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统6.4 直流伺服电机2）脉宽

16、调制器ttU U+U S rU+U S rU S CU S CU S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器电路图同向加法放大器电路图U S r 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压U-三角波三角波USC-脉宽调制器的输脉宽调制器的输 出（出（U S r+U ）调制波形图调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU-US r为为0时时调制出正负脉宽一样方波调制出正负脉宽一样方波平均电压为平均电压为0US r为正时为正时US r为负时为负时调制出脉宽较宽的波形调制出脉宽较宽的波形平均电压为正平均电压为正调制出脉宽较窄的波形调制出脉宽较窄的波形平

17、均电压为负平均电压为负（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统6.4 直流伺服电机3）开关功率放大器主回路：可逆主回路：可逆H型双极式型双极式PWM 开关功率放大器开关功率放大器电路图电路图:由四个大功率晶体管由四个大功率晶体管（GTR）T 1、T 2、T 3、T4 及四个续流二极管组成的桥及四个续流二极管组成的桥 式电路。式电路。H型：型：又分为又分为双极式、单极双极式、单极式和受限单极式和受限单极式三种。式三种。Ub1、Ub2、Ub3Ub4 为调制器为调制器输出，经脉冲输出，经脉冲分配、基极驱分配、基极驱动转换过来的动转换过来的脉冲电压。分脉冲电压。分别加到别加到T1、T2、T3、

18、T4的基极。的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统6.4 直流伺服电机工作原理：工作原理：T1 和和T4 同时导通和关断，其基极驱动电压同时导通和关断，其基极驱动电压Ub1=Ub4。T2和和T3同同 时导通和关断，基极驱动电压时导通和关断，基极驱动电压Ub2=Ub3=Ub1。以正脉冲较宽为例，

19、。以正脉冲较宽为例，既正转时。既正转时。负载较重时：负载较重时：电动状态：电动状态：当当0t t1时，时，Ub1、Ub4为正，为正，T1 和和T4 导通；导通；Ub2、Ub3 为负为负，T2和和T3截止。电机端电压截止。电机端电压UAB=US，电枢电流电枢电流id=id1，由，由US T1 T4 地。地。续流维持电动状态：续流维持电动状态：在在t1 t T时，时，Ub1、Ub4为负为负，T1 和和T4截止；截止；Ub2、Ub3 变正，但变正，但T2和和T3并不能立即导通，因为在并不能立即导通，因为在电枢电感储能的电枢电感储能的 作用下作用下，电枢电流电枢电流id=id2，由，由D2 D3续流，

20、在续流，在D2、D3 上的压降使上的压降使T2、T3的的c-e极承受反压不能导通。极承受反压不能导通。UAB=-US。接着再变到接着再变到电动状态、续流电动状态、续流 维持电动状态维持电动状态反复进行，如上面左图。反复进行，如上面左图。负载较轻时：负载较轻时：反接制动状态，电流反向：反接制动状态，电流反向：状态中，在负载较轻时，则状态中，在负载较轻时，则id小，小，续流续流 电流很快衰减到零，即电流很快衰减到零，即t=t2 时时（见（见上面右图上面右图），），id=0。在在t2 T 区段区段，T2、T3 在在US 和反电动势和反电动势E的共同作用下的共同作用下导通导通，电枢电流反向，电枢电流反

21、向，id=id3 由由US T3 T2 地。电机处于地。电机处于反接制动状态。反接制动状态。电枢电感储能维持电流反向：电枢电感储能维持电流反向：在在T t3区段时，驱动脉冲极性改变，区段时，驱动脉冲极性改变，T2、T3截止，因截止，因电枢电感维持电流，电枢电感维持电流，id=id4，由，由D4 D1。（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统6.4 直流伺服电机电机正转、反转、停止：电机正转、反转、停止：由正、负由正、负驱动电压脉冲宽窄而定。驱动电压脉冲宽窄而定。当当正正脉冲较宽时，既脉冲较宽时，既t1 T/2，平均电压为正，电机正转；平均电压为正，电机正转；当当正正脉冲较窄时，既脉冲较

22、窄时，既t1 T/2，平均电压为负，电机反转；平均电压为负，电机反转；如果正、负如果正、负脉冲宽度相等，脉冲宽度相等，t1=T/2，平均电压为零，电机停转。平均电压为零，电机停转。电机速度的改变：电机速度的改变：电枢上的电枢上的平均平均电压电压UAB越大，转速越高。它是由越大，转速越高。它是由驱动电压脉冲宽度驱动电压脉冲宽度 决定的。决定的。双极性双极性：由以上分析表明：由以上分析表明：可逆可逆H型双极式型双极式PWM开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机开关功率放大器，无论负载是重还是轻、电机是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一个开关周期内，都在是正转还是反转，加在电枢上的电压极性在一

23、个开关周期内，都在US和和 US之间变换一次，故称为双极性。之间变换一次，故称为双极性。（五）直流进给运动的速度控制（2）PWM调速系统6.4 直流伺服电机（4）PWM调速系统的特点频带宽、频率高:晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)，可达2-10KHz。快速性好。电流脉动小:由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动 由平滑作用，波形系数接近于1。电源的功率因数高:SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸 变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWM 系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。动态硬度好:校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。（五）直流进给

24、运动的速度控制（2）PWM调速系统6.4 直流伺服电机直流伺服电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损；电机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：动态响应好；输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机和 异步型交流感应伺服电机。VSVS6.5 交流伺服电机交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式（1）永磁交流同步伺服电机的结构 一永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 VSVS定定子转子转子 脉冲编码器脉冲编码器定子三相绕组定子三相绕组 接线盒接线盒图图 永磁交流同步伺服电机结构永磁交流同步伺服电机结构 6.5 交流伺服电机（

25、2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能 n（r/min）VSNns nr S 图图61 12 工作原理工作原理 图图61 13 特性曲线特性曲线T（N-cm）120001000080006000400020000100020003000 6.5 交流伺服电机一永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 交流主轴电机的要求：大功率低速恒转矩、高速恒功率 鼠笼式交流异步伺服电机图614交流主轴电机与普通交流 异步感应电机的比较图示意图 图615 交流主轴伺服电机的特性曲线二交流主轴伺服电机的结构和工作原理 交流主轴电机交流主轴电机 普通交流普通交流 异步感应电机异步感应电机 通风孔通风孔 P（KW）8

26、6 4 2 02000 4000 6000 8000 12000 n（r/min）6.5 交流伺服电机（1）永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用 钕铁硼 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机（2）交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。液体冷却电机 内装式主轴电机三、交流伺服电机的发展 6.5 交流伺服电机四.交流伺服电机的调速方法1.由电机学知，交流电机转速公式：式中：f 定子电源频率 p 磁激对数 S 转差率 ns 定子旋转磁场转速 n 转子转速 s1pf60n1 异步电机

27、异步电机 变频变频 用于笼型电机用于笼型电机 调压（定子电压）调压（定子电压）电磁砖差离合器电磁砖差离合器 调阻（转子电组）调阻（转子电组）串级调速串级调速 交交直直交交 交交交交 交交直直交交 交交交交变转变转差率差率变频变频变频变频同步电机同步电机交流电动机交流电动机ssnnns由此可知调速方法：由此可知调速方法：（6.11）（6.12）6.5 交流伺服电机对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：公式变为：pfn160从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有

28、效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：变频器分为：交交直直交变频器交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流分电压型和电流型。电压型先将电网的交流 电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交 流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。交交交变频器交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电 变为频率和电压都可变的

29、交流电。变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交直直交变频器。交变频器。2.正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器）变压变频器基本概念基本概念 1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的（6.13）6.5 交流伺服电机四.交流伺服电机的调速方法调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量脉宽调制。还有空间电压矢量PWM、最优、最优PWM、预测、预测P

30、WM、随机、随机PWM、规则采样数字化、规则采样数字化PWM等等。等等。SPWM交交直直交变压变频器的原理框图如下：交变压变频器的原理框图如下：M3UIURUR整流器整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器 结构将交流变为直流，电压幅值不变。结构将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器的供电。为逆变器的供电。UI 逆变器逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控 制极（大功率晶体管制极（大功率晶体管GTR为基极为基极）输入由基准正弦波（由速度指）输入由基准正弦波（由速度指

31、 令转化过来的）和三角波叠加出来的令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等调制波（等幅、不等 宽的矩形脉冲波）宽的矩形脉冲波），使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等 宽的矩形脉冲电压波，即功率级宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。电压，使电机转动。功率开关器件还可采用：可关断晶闸管功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶、功率场效应晶 体管体管MOSFET、绝缘门极晶体管、绝缘门极晶体管IG

32、BT等。等。6.5 交流伺服电机四.交流伺服电机的调速方法2.SPWM变压变频器变压变频器正弦脉宽调制原理正弦脉宽调制原理（以单相为例）（以单相为例）正弦脉宽调制正弦脉宽调制（SPWM）波形）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波，如右下图所示。宽的矩形脉冲波，如右下图所示。uttuOOa)b)等效原理等效原理：把：把正弦分正弦分成成 n 等分，每一区间的面等分，每一区间的面积用与其相等的等幅不等积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。宽的矩形面积代替。正弦的正负半周均如此正弦的正负半周均如此处理。处理。6.5 交流伺服电机四.交流伺服电机的调速方法2.

33、SPWM变压变频器变压变频器 SPWM控制波的生成控制波的生成:正弦波正弦波三角波调制三角波调制、方波、方波三角波调制。三角波调制。方波发生器方波发生器（带正反馈比较（带正反馈比较 又有又有RC积分）积分）三角波发生器三角波发生器（积分器）（积分器）三角波与基准三角波与基准正弦波叠加正弦波叠加（比较器）（比较器）SPWM调制波调制波基准正弦波基准正弦波(由速度指令由速度指令转化过来的转化过来的)VD1调制波调制波载波载波uutu1:utu1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4C 1C 2U0 (ua、ub、uc)tO-+tut:6.5 交流伺服电机四.交流伺服电

34、机的调速方法2.SPWM变压变频器变压变频器uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0uB0uC0逆变器输出逆变器输出A相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出逆变器输出B相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出逆变器输出C相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出线逆变器输出线电压等效正弦电压等效正弦脉宽电压波脉宽电压波u1:由由F转换来的转换来的ut改变调制波的频改变调制波的频率、幅值，就可率、幅值，就可改变最终输出改变

35、最终输出 ：变频变压的交流变频变压的交流电压电压主回路：主回路：左半部：整流器左半部：整流器右半部：逆变器右半部：逆变器6.5 交流伺服电机四.交流伺服电机的调速方法2.SPWM变压变频器变压变频器(1).系统的组成：速度环、电流环 SPWM电路、功放电路 检测反馈电路 3.交流进给伺服电机的速度控制系统校正校正补偿补偿乘法器乘法器SPWM功率功率放大放大速度反速度反馈信号馈信号转子位置转子位置检测电路检测电路电流信号电流信号处理电路处理电路传感器信号处理电路传感器信号处理电路传感器传感器MS3电流电流比较比较速度速度比较比较电流电流传感传感+-U(t)6.5 交流伺服电机四.交流伺服电机的调

36、速方法(2)SPWM电路原理电路原理SPWM的控制方法：的控制方法：模拟控制模拟控制 原始的控制方法；原始的控制方法；数字控制数字控制微机存储事先算好的微机存储事先算好的SPWM数据表格，由指令调出，或通过软数据表格，由指令调出，或通过软 件实时生成。件实时生成。专用集成芯片专用集成芯片单片机微处理器直接带有单片机微处理器直接带有SPWM信号产生功能，并有其输出端信号产生功能，并有其输出端 口，如口，如8098、8XC196MC。去主回路三极管基极 u/f 分频分频 u/f 分频分频 基准正弦波基准正弦波 产生产生三角波三角波发生器发生器比较器比较器 SPWM比较叠加ui 压/频变换、分频器

37、正弦逻辑三角波逻辑指令比较器比较器 比较器比较器 脉冲脉冲分配分配3.速度控制系统6.5 交流伺服电机四.交流伺服电机的调速方法 SPWM变压变频调速的优点：变压变频调速的优点：1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形可获得更接近于正弦波的输出电压波形。6.5 交流伺服电机四.交流伺服电机的调速方法6.6闭环伺服系统 一、鉴相式伺服

38、系统1.基本组成分类：鉴相式伺服系统 鉴幅式伺服系统 数字、脉冲比较式采用相位比较的方法实现位置闭环或半闭环控制6.6闭环伺服系统 一、鉴相式伺服系统(1)基准信号发生器：输出的一列具有一定频率的脉冲信号，为伺服系统提供相位比较的基准。(2).脉冲调相器(数字相位转换器)：将进给脉冲信号转换为相位变化信号（可用正弦波或方波表示）(3).检测元件及信号处理线路：将工作台的位移检测出来，并表达成与基准信号之间的相位差；相位差的大小代表了工作台的实际位移量。(4)鉴相器：有两路输入信号：若没有进给脉冲信号输入，脉冲调相器的输出与基准信号发生器输出的基准信号同相位，即两者没有相位差；若有进给脉冲到来，

39、则每输入一个正向或反向脉冲，脉冲调相器的输出将超前或滞后基准信号一个相应的相位角。来自脉冲调相器的指令进给信号来自于检测元件及信号处理线路的反馈信号两路信号同频率、同周期；且都用它们与基准倍号之间的相位差表示作用：鉴别出这两个信号之间的相位差，并输出与此相位差信号成正比的电压信号。6.6闭环伺服系统 一、鉴相式伺服系统(5).直流放大器：对鉴相器的输出信号进行电压和功率放大，然后再去驱动执行元件。2.鉴相式伺服系统的工作原理：当数控装置要求工作台沿一个方向进给时，插补器或插补软件便产生一列进给脉冲；该进给脉冲作为指令信号送入伺服系统。在伺服系统中，进给脉冲首先经脉冲调相器转变为相对于基准信号的

40、相位差，设为（代表了指令要求工作台的进给距离）；在鉴相器中：和进行比较；两者的差值，称为跟随误差。跟随误差信号经电压和功率放大后，驱动执行元件带动工作台移动。利用相位比较原理另一方面，来自于测量元件及信号处理线路的反馈信号也表示成相对于基准信号的相位差，设为(代表了机床工作台实际移动的距离)。进给开始时:=0 进给过程中:=0,=0当 =0时,进给停止6.6闭环伺服系统 一、鉴相式伺服系统 3鉴相式伺服系统的类别*若选用不同的测量元件，因其工作原理和输出的信号形式的 不同，会造成了测量元件的控制及其输出信号的处理方法不同旋转变压器/感应同步器：输出正弦信号，工作时需要一组基准激磁信号 光栅：输

41、出信号经处理后一般为方波信号，工作时不需任何激磁信号，只是在信息处理时，需要一个基准脉冲信号考虑到系统的整体结构和简化鉴相器结构，当测量元件的输出是方波信号时，脉冲调相器的输出设计成方波形式，两列方波信号在鉴相器中进行比较。当测量元件的输出是正弦信号，则要将脉冲调相器的输出设计成正弦信号形式或者将测量元件输出的正弦信号转换成方波信号，以保证相同形式的信号在鉴相器中进行比较。选用的测量元件不同，鉴相式伺服系统的结构不同*不同的执行元件也使鉴相式伺服系统的构成有所不同6.6闭环伺服系统 一、鉴相式伺服系统鉴相式伺服系统的类别(1)以旋转变压器为测量元件的半闭环伺服系统基准信号发生器：一方面控制脉冲

42、调相器，使进给脉冲按一定的比例转换成相位的变化，另一方面经励磁线路产生出旋转变压器的激磁信号整形线路：将旋转变压器的输出变成与脉冲调相器的输出同形式的信号。(2)以直线感应同步器为测量元件的闭环伺服系统：基本同(1)感应同步器是直接安装在机床的工作台上，位置反馈信号直接代表了工作台的实际位移，构成了闭环系统，因而精度高，但调试比半闭环系统难。(3)以光栅为测量元件的数字相位比较伺服系统6.6闭环伺服系统 一、鉴相式伺服系统光栅的输出信号经信号处理线路即鉴向倍频线路之后，进入它的数字相位变换器，把代表工作台实际位移的数字脉冲信号转换成与基准信号成一相位差的方波信号进给脉冲经它的脉冲调相器即数字相

43、位变换器之后，变成另一与基准信号成一相位差的方波信号上述两路方波信号共同进入鉴相器，在鉴相器中进行比较，其差值以电压信号的形式输出。6.6闭环伺服系统 一、鉴相式伺服系统3.鉴相式伺服系统的主要控制线路（1)脉冲调相器（2）鉴相器6.6闭环伺服系统 二、鉴幅式伺服系统以位置检测信号的幅值反映机械位移，并采用幅值比较的方法实现位置闭环或半闭环控制。1.基本组成与鉴相式伺服系统的区别：(1)鉴幅式伺服系统测量元件是以鉴幅式工作状态进行工作的，因此，可用的测量元件主要有旋转变压器和感应同步器。(2)鉴幅式伺服系统中比较器所比较的是数字脉冲量，故不需要基准信号，两数字脉冲量可直接在比较器中进行脉冲数量

44、的比较。而与之对应的鉴相式伺服系统的鉴相器所比较的是相位信号，需要基准信号6.6闭环伺服系统 2.鉴幅式伺服系统的工作原理二、鉴幅式伺服系统进入比较器的信号：来自数控装置的进给脉冲 (代表了数控装置要求机床工作台移动的位移)来自测量元件及信号处理线路的数字 脉冲信号(代表了工作台实际移动的距离)鉴幅系统工作前，数控装置和测量元件的信号处理线路都没有脉冲输出，比较器的输出为零：执行元件不能带动工作台移动当有进给脉冲信号之后，比较器的输出不再为零，执行元件开始带动工作台移动；同时，测量元件又将工作台的位移检测出来，经信号处理线路转换成相应的数字脉冲信号，并作为反馈信号进入比较器与进给脉冲进行比较。

45、若比较器的输出不为零，说明工作台实际移动的距离还不等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件带动工作台继续移动。若比较器的输出不零，说明工作台实际移动的距离等于指令信号要求工作台移动的距离，执行元件停止带动工作台移动。6.6闭环伺服系统二、鉴幅式伺服系统数模转换电路：将比较器输出的数字量转化为直流电压信号，再经驱动线路进行电压和功率放大后，驱动执行元件带动工作台移动。测量元件及信号处理线路：将工作台的机械位移检测出来并转换为数字脉冲量。原理框图：当工作台移动时，测量元件根据工作台的位移量，即丝杠转角输出电压信号：为此时测量元件激磁信号的电气角6.6闭环伺服系统 三、数字脉冲比较式伺服系统(1)由数控装置提供的指令信号：是数码信号，或脉冲数字信号(2)由测量元件提供的机床工作台位置信号。它可以是数码信号，也可以是数字脉冲信号。(3)完成指令信号与测量反馈信号比较的比较器。(4)数字脉冲信号与数码的相互转换部件。它依据比较器的功能以及指令信号和反馈信部号的性质而决定取舍。(5)驱动执行元件。它根据比较器的输出带动床工作台移动。