数控技术(伺服4)x课件.ppt

1、 在定子测，电源电压克服反电动势在定子测，电源电压克服反电动势E建立磁场，反电动势建立磁场，反电动势是定子绕组切割是定子绕组切割 转磁场的结果，有效值的大小为转磁场的结果，有效值的大小为 E=4.44kr1 f1 N1 式中：式中：kr1与绕组结构有关的常数与绕组结构有关的常数 N1每相定子绕组的匝数每相定子绕组的匝数 f1定子供电频率定子供电频率 每极气隙磁通量每极气隙磁通量1144.41fUkNr若忽略定子阻抗下降，端电压为：若忽略定子阻抗下降，端电压为：UE=4.44kr1 f1 N1 式中，式中，N1、kr2为常数，当为常数，当U1、f1为额定值时，为额定值时，达到饱达到饱和状态。和状

2、态。6.4.3 交流电动机变频调速技术交流电动机变频调速技术 当当C（饱和值不变时），若（饱和值不变时），若f1减小，必须使减小，必须使U减减小，即保持小，即保持 （常数）否则，当（常数）否则，当f1减小，减小，U不变化不变化时，使定子，使定子铁芯处于过饱和状态，可能过热烧时，使定子，使定子铁芯处于过饱和状态，可能过热烧坏电机。坏电机。即即C，使绕组中电流，使绕组中电流I2不变，从式不变，从式T=Cm I2 cos，TC，为恒转矩调速。，为恒转矩调速。CfU1 当当f1 50HZ，若仍维持，若仍维持 ，必然使，必然使U超过额定值，这超过额定值，这是不允许的。是不允许的。通常当通常当f1 50H

3、Z时，使时，使U=C，当，当f1增大时，增大时，减小，由于感减小，由于感抗增加，绕组中电流抗增加，绕组中电流I2减小，使输出转矩减小，使输出转矩T减小。当减小。当n增大增大输出功率输出功率P保持不变，近似为恒功率调速。保持不变，近似为恒功率调速。CfU 1（010V）信号经）信号经V/F变换变换 脉冲信号脉冲信号计数分频器中有计数分频器中有（0359）360个数码，每二个数码，每二进制码对应进制码对应1，用于，用于EPROM地址选择。地址选择。EPROM存放正弦存放正弦波形，波形，360个波形值（个波形值（1对应对应一个值）计数分频器从一个值）计数分频器从0计到计到360后从零重新开始。计满后

4、从零重新开始。计满360正正好取出一个正弦的波形值（从好取出一个正弦的波形值（从EPROW D/A 正弦正弦波波A、B、C相位角相差相位角相差120。正弦波的幅值和频率保持一定的比例关系，幅值通过计算正弦波的幅值和频率保持一定的比例关系，幅值通过计算机来实现。机来实现。6.4.4 6.4.4 微机控制的微机控制的PWMPWM实现实现6.5 交流伺服电机的矢量控制交流伺服电机的矢量控制 异步电机的矢量变换控制，是一种异步电机的矢量变换控制，是一种新的控制理论方法，作用是使异步电新的控制理论方法，作用是使异步电机能像直流电机那样，实现磁通小转机能像直流电机那样，实现磁通小转矩的单元矩的单元 控制，

5、获得好的控制特性。控制，获得好的控制特性。若异步电机的三相固定定子绕组若异步电机的三相固定定子绕组A、B、C上，通以三相正弦平衡交流电上，通以三相正弦平衡交流电iA、iB、iC时，就形成了定子旋转磁场时，就形成了定子旋转磁场Fs，其，其旋转方向决定于三相电流的相序，旋旋转方向决定于三相电流的相序，旋转角频率三相电流角频率转角频率三相电流角频率s。三相异步电机可用右图固定两相绕组三相异步电机可用右图固定两相绕组D、Q异步电机来等效，角频率异步电机来等效，角频率s定子定子旋转磁式旋转磁式Fs，但要满足条件为：，但要满足条件为：CBAQDiiiii43sin32sin2sin43cos32cos0c

6、os32(618)tIisAAcos2)32cos(2tIisAB)32cos(2tIisAc(619)若若则则tIisAsin3tIisADcos3(620)式式(618)的系数矩阵为三相固定绕组两相固定绕组的变换矩的系数矩阵为三相固定绕组两相固定绕组的变换矩阵，若右图中两个对称且相互垂直的绕组阵，若右图中两个对称且相互垂直的绕组M、T，分别通以电，分别通以电流流IM和和IT且且M、T，以，以s 转，同时满足转，同时满足:iiiiDssssTMcossinsincos(621)上式说明，只需旋转绕组上式说明，只需旋转绕组M、T的的M绕组中通以直流电绕组中通以直流电流流 ，即可使其与两相固定绕

7、组，即可使其与两相固定绕组P、Q的异步电机的异步电机完全等效，也与完全等效，也与A、B、C三相固定绕组异步电机完全等效。三相固定绕组异步电机完全等效。M、T旋转绕组的旋转磁式旋转绕组的旋转磁式Fs等于电流等于电流im流过流过M相绕组所相绕组所产生的磁式。产生的磁式。式式(6(621)21)系数矩阵为两相固定绕组异步电机系数矩阵为两相固定绕组异步电机MM、TT旋旋转绕组电机的变换矩阵。转绕组电机的变换矩阵。AMIi3将式将式(620)值代入式值代入式(621)003ATMIii 将三种绕组的电机的矢量图画在一起，当固定的将三种绕组的电机的矢量图画在一起，当固定的A、B、C三相三相绕组通以式绕组通

8、以式(619)的三相交流电时，在同步旋转的的三相交流电时，在同步旋转的M、T绕组绕组的的M中有一个与之对应的直流电流中有一个与之对应的直流电流 。AMIi3由电机学可知，异步电机工作时，三相定子电流包含两个分量，由电机学可知，异步电机工作时，三相定子电流包含两个分量，一个是产生磁势的励磁电流分量，另一个是产生转矩的电流分量。一个是产生磁势的励磁电流分量，另一个是产生转矩的电流分量。等效直流等效直流im可分解为产生气隙磁通的可分解为产生气隙磁通的m的励磁电流分量的励磁电流分量I和产生转矩和产生转矩T的转矩电流分量的转矩电流分量IT。A,DTTCBQMM-ITiQ-iCiBiCiaDMSIMiDQ

9、iTIm及及IT可视为与可视为与M、T绕组同步旋转的另一个绕组同步旋转的另一个M、T旋转绕组旋转绕组所通过的两个直流电流。所通过的两个直流电流。M、T中所通过的直流电流中所通过的直流电流Im、IT与与iD、i的关系为的关系为(624)QDCBAiiiii232123210132TmDIIii1111cossinsincos(622)MTIIarctg式中：式中：1 s,负载角负载角 上式为上式为M、T旋转绕组列旋转绕组列D、Q固定绕组的变换矩阵固定绕组的变换矩阵QDTMiiII1111cossinsincos(623)为为D、Q固定绕组列固定绕组列M、T旋转绕组的变换矩阵同样可得旋转绕组的变换

10、矩阵同样可得D、Q两两相固定绕组列相固定绕组列A、B、C三相固定绕组的变换矩阵。三相固定绕组的变换矩阵。矢量变换原理如下：矢量变换原理如下：由所求的气隙磁通由所求的气隙磁通m确定电流确定电流I，由，由m及所要求的转矩及所要求的转矩T确确定转子电流定转子电流IT。经过。经过Im1IT iD、iQ iA、iB、iC的变换的变换 即即可得到三相电流可得到三相电流iA、iB、iC的瞬时值的瞬时值,以此作为定子三相电流的以此作为定子三相电流的给定值对三相异步电机进行控制。由于给定值对三相异步电机进行控制。由于Im、IT可单独调节，可单独调节，从而就调节了三相电流的瞬时给定值。即是异步电动机控制只从而就调

11、节了三相电流的瞬时给定值。即是异步电动机控制只有直流电机同样的灵活性，且有良好的动态控制性能。有直流电机同样的灵活性，且有良好的动态控制性能。6.5.1 交流伺服电机的矢量控制变频调速系统交流伺服电机的矢量控制变频调速系统 由电压型由电压型PWM逆变器组成的交流异步电机的变频调速系统，逆变器组成的交流异步电机的变频调速系统，由主电路及矢量控制电路组成。由主电路及矢量控制电路组成。气隙磁通给定值气隙磁通给定值 与实际值与实际值m比较励磁电流调节励磁电流比较励磁电流调节励磁电流给定值给定值 。转矩给定值。转矩给定值T(m np)，(转子电流给定转子电流给定值值)。、与与 、(实际值实际值)比较之后

12、比较之后 M、T变变换到换到P、Q绕组绕组 、矢量分析器。矢量分析器。*TI*MI*TI MITI*Di*Qi*m*TImI 、A、B、C轴系轴系 、与与波产生波产生PWM逆变逆变器开关元件的控制信号脉冲。器开关元件的控制信号脉冲。*DU*QU*AU*BU*CU*SQDRRR DDDDRidtdU*QQQQRidtdU*sin(s)、cos(s)由矢量分析器算出。由矢量分析器算出。、微分微分器器 、，即，即*DU*QU*Di*Qi定子每相电阻质定子每相电阻质D、Q定子磁通在定子磁通在D、Q系上的分量系上的分量另一方面，将另一方面，将iD、iQ经经D、Q系系 M、T系的变换，求出系的变换，求出I

13、M、IT作为给定值作为给定值 、的反馈比较量。的反馈比较量。*MI*TI 将三相电压和电流的实测值经三相将三相电压和电流的实测值经三相 两相变换两相变换 UD UQ及及iD、iQ，同时将，同时将UD、UQ及及iD、iQ逆入积分器积分逆入积分器积分：dtiRdtUDSDD*dtiRdtUQSQQ*(625)22QDm DQs 1sin)sin(MDs 1cos)cos(626)6 6）当）当nnnn ne e时是恒功率调速。时是恒功率调速。当给定的当给定的 、和外界负载均一定时，电动势的转速也和外界负载均一定时，电动势的转速也是恒定的，但当负载变化时，电动机的转速随之波动，若要是恒定的，但当负载

14、变化时，电动机的转速随之波动，若要求调整的速度在恒速下运行，加一个测速反馈回路。求调整的速度在恒速下运行，加一个测速反馈回路。*m*T 用数字方式实现对交流伺服电动机控制称之为用数字方式实现对交流伺服电动机控制称之为“全数字伺服全数字伺服系统系统”。全数字系统的特点：全数字系统的特点：1 1）可以使用电动机四象限运行（绝大多数双向晶闸管的）可以使用电动机四象限运行（绝大多数双向晶闸管的最高触发灵敏度在第一、三象限。触发灵敏度较差的是第最高触发灵敏度在第一、三象限。触发灵敏度较差的是第二象限，最差的使第四象限）；二象限，最差的使第四象限）；2 2）可以连续正、反启动；）可以连续正、反启动；3 3

15、）转矩对电流的变化响应快，转矩上升时间）转矩对电流的变化响应快，转矩上升时间10ms10ms，电动，电动机速度响应快，无振荡现象发生；机速度响应快，无振荡现象发生；4 4）低速运行平稳；）低速运行平稳；5 5）零速时也能达到最大转矩；）零速时也能达到最大转矩；转子：用永磁材料做成（稀土永磁合金），最大转子：用永磁材料做成（稀土永磁合金），最大磁磁 是缺氧体的是缺氧体的12倍，铝镍倍，铝镍钴钴 合金的合金的8倍，倍，钴永磁合金的钴永磁合金的2倍，且价格低倍，且价格低1314。6.5.2 6.5.2 交流永磁伺服电机的矢量控交流永磁伺服电机的矢量控制制 定子：内有三相绕组，与普通定子：内有三相绕组

16、，与普通感应电动机相同，多边形无外壳，感应电动机相同，多边形无外壳，易于散热。易于散热。交流永磁式伺服电机是同步电交流永磁式伺服电机是同步电动机，转子的速度与定子的旋转动机，转子的速度与定子的旋转磁势同步，没有转差率磁势同步，没有转差率s。工作原理：当定子三相绕组通工作原理：当定子三相绕组通上交流电源后，就产生了一个旋上交流电源后，就产生了一个旋转磁场，这个旋转磁场用一对旋转磁场，这个旋转磁场用一对旋转磁极加以表示。当定子旋转磁转磁极加以表示。当定子旋转磁场以同步速度场以同步速度ns 如图示转向旋转如图示转向旋转时，把根据时，把根据N、S极互相吸引的原极互相吸引的原理，定子旋转磁极与转子永久磁

17、理，定子旋转磁极与转子永久磁性紧紧吸住，并带着转子一起旋性紧紧吸住，并带着转子一起旋转。由于转子是由旋转磁场带着转。由于转子是由旋转磁场带着转的，显然转子速度与转的，显然转子速度与ns同步。当同步。当转子上负载转矩增大，转子上负载转矩增大，增大，负增大，负载转矩减小，载转矩减小，减小，只要负载不减小，只要负载不超过一定的限度，转子始终跟着超过一定的限度，转子始终跟着定子磁场的恒速定子磁场的恒速ns转动，转子转转动，转子转速速 。min)/(60rpfnns 转子磁通转子磁通r，定子磁通，定子磁通s合成向量为合成向量为，当，当r与与s垂直时，垂直时，产生最大转矩。电流和磁通是同方向的忽略绕组的有

18、效匝数产生最大转矩。电流和磁通是同方向的忽略绕组的有效匝数因素，定子电流矢量因素，定子电流矢量 与与s同向且垂直于同向且垂直于r(rC)。sI 转子位置角转子位置角可由转子轴上的检测装置检出，定子电流幅可由转子轴上的检测装置检出，定子电流幅值值Is与定子相电流的关系为：与定子相电流的关系为：sin)90cos(ssAIIi)32sin(sCIi)32sin(sBIi(627)，sinA)32sin(B)32sin(C 定子电流幅值定子电流幅值Is由速度给定值由速度给定值 和速度反馈和速度反馈Vp之差之差 数数字字PID调节器求出的。由检测装置测出的调节器求出的。由检测装置测出的角可直接算出定角

19、可直接算出定子电流的正弦函数值。子电流的正弦函数值。A、B、C，即，即*pV转矩转矩TdKm Is (Ks比例系数比例系数)从式从式(627)即可求的即可求的iA、iB、iC控制永磁电动机的转矩和速控制永磁电动机的转矩和速度。度。6）稳态时给定值）稳态时给定值 不变，不变，也不变，即与直流电也不变，即与直流电动机速度环控制方法一样。动机速度环控制方法一样。*sI*PV*sI*sI5）在）在 作用下产生正弦作用下产生正弦 、；值不断化，值不断化，使使 、是跟踪转子转角的正弦波。是跟踪转子转角的正弦波。*V*CV*Ai*Bi*BV4）电机开始启动，阶跃输入）电机开始启动，阶跃输入 ，这时，这时Vp

20、0，输入，输入饱和电流饱和电流 此时此时n=0，但电机转矩最大。同时转子，但电机转矩最大。同时转子位置角位置角0，即，即A0。即即 ，该电流作用下，电，该电流作用下，电机机 动。动。*pV*sI23)32sin(C0*Ai*23sCIi 2）V PI调节器调节器 定子电流幅值定子电流幅值 ；1）(给定值给定值；测速发电测速发电 机机)；pppVVV *pVpV3）由于）由于iA+iB+iC=0，与与A、C相乘相乘 PI调节器得调节器得到到 、正弦信号及正弦信号及 。正弦波。正弦波 、经三角经三角波调制后，形成了脉宽按正弦规律变化的正弦波波调制后，形成了脉宽按正弦规律变化的正弦波 逆变器的逆变器的基基 ；*BV*AV*CV*bV*cV*sI*aV工作原理：工作原理：