第六章-同步电动机调速系统与交流伺服系统课件.ppt

1、 1第六章第六章 同步电动机调速系统同步电动机调速系统 与交流伺服系统与交流伺服系统 第一节第一节 同步电动机调速的基本原理同步电动机调速的基本原理第二节第二节 永磁同步电动机的调速系统永磁同步电动机的调速系统第三节第三节 交流伺服系统及应用交流伺服系统及应用第四节第四节 负载换相的同步电动机控制系统负载换相的同步电动机控制系统 2 第一节第一节 同步电动机调速的同步电动机调速的 基本原理基本原理 一同步电动机一同步电动机 二同步电动机的起动二同步电动机的起动 三同步电动机的两种调速方法三同步电动机的两种调速方法 四自控式同步电动机的起动与调速原理四自控式同步电动机的起动与调速原理 3一同步电

2、动机一同步电动机 同步电动机由定子和转子两部分组成。同步电动机由定子和转子两部分组成。定子结构与异步电动机相同，只要通入对称的交流电，就会定子结构与异步电动机相同，只要通入对称的交流电，就会建立旋转磁场，旋转磁场速度表达式与异步机相同。建立旋转磁场，旋转磁场速度表达式与异步机相同。转子结构则与异步电动机不同，异步电动机的转子只有铁心和转子结构则与异步电动机不同，异步电动机的转子只有铁心和闭合绕组（或导条），没有励磁绕组，转子与旋转磁场之间的转闭合绕组（或导条），没有励磁绕组，转子与旋转磁场之间的转速差，使转子绕组中出现感应电流，电流受力使转子旋转；而同速差，使转子绕组中出现感应电流，电流受力使

3、转子旋转；而同步电动机的转子则除了铁心和绕组之外，还另外通有直流励磁电步电动机的转子则除了铁心和绕组之外，还另外通有直流励磁电源，使转子本身有规律排列的源，使转子本身有规律排列的N、S磁极，因此，当旋转磁场旋磁极，因此，当旋转磁场旋转时，会带动转子的对应磁极一起旋转。转时，会带动转子的对应磁极一起旋转。稳定运行时，转子转速与旋转磁场相同，被称为同步电动机。稳定运行时，转子转速与旋转磁场相同，被称为同步电动机。4 常见的旋转磁极式同步电动机，转子分隐极式和凸极式两种结构：常见的旋转磁极式同步电动机，转子分隐极式和凸极式两种结构：5 同步电动机在同步运同步电动机在同步运行时，转子跟着旋转磁行时，转

4、子跟着旋转磁场等速旋转、空间相对场等速旋转、空间相对位置稳定，这时的转子、位置稳定，这时的转子、定子空间角度关系如右定子空间角度关系如右图所示。图所示。轻载下轻载下角较小，角较小，满载时满载时角较大。角较大。同步电动机的拖动转同步电动机的拖动转矩与矩与角成函数关系，角成函数关系，角太小或太大都会造角太小或太大都会造成拖动力矩不足。成拖动力矩不足。在额定工况下，在额定工况下，角角一般在一般在30300 0左右。左右。6二同步电动机的起动二同步电动机的起动 同步电动机运行中的突出问题之一是起动问题。同步电动机运行中的突出问题之一是起动问题。解决同步电动机起动问题的常用方法：解决同步电动机起动问题的

5、常用方法：“异步起动法异步起动法”在同步电动机的转子磁极的极靴上装设阻尼绕组，阻尼绕组在同步电动机的转子磁极的极靴上装设阻尼绕组，阻尼绕组所起的作用与异步电动机的笼型绕组类似，同步电动机起动时所起的作用与异步电动机的笼型绕组类似，同步电动机起动时靠阻尼绕组的感应电流受力实现异步起动。在升速、降速过程靠阻尼绕组的感应电流受力实现异步起动。在升速、降速过程中，阻尼绕组还可以起到抑制振荡的作用。中，阻尼绕组还可以起到抑制振荡的作用。同步电动机异步起动的基本步骤同步电动机异步起动的基本步骤：起动前将励磁绕组串入：起动前将励磁绕组串入一适当大小的电阻（串电阻是为了避免过高的自感电势）后闭一适当大小的电阻

6、（串电阻是为了避免过高的自感电势）后闭合，使转子暂时不产生同步磁极；然后按照电动机的容量、负合，使转子暂时不产生同步磁极；然后按照电动机的容量、负载性质和电源的情况，采取直接起动或降压起动，将同步电动载性质和电源的情况，采取直接起动或降压起动，将同步电动机作为一台异步电动机而起动；当电动机转速接近同步转速时，机作为一台异步电动机而起动；当电动机转速接近同步转速时，将直流电流送入励磁绕组，从而产生同步转矩将电动机牵入同将直流电流送入励磁绕组，从而产生同步转矩将电动机牵入同步运行。步运行。7三同步电动机的两种调速方法三同步电动机的两种调速方法 由于同步电动机的转子速度就是同步转速，改变同步转速由于

7、同步电动机的转子速度就是同步转速，改变同步转速的方法只有变极调速和变频调速，而变极对数调速是有级的，因的方法只有变极调速和变频调速，而变极对数调速是有级的，因此，无级调速就只有改变定子的供电频率。此，无级调速就只有改变定子的供电频率。同步电动机的变频调同步电动机的变频调速方法被分为两种：速方法被分为两种：它控式变频调速它控式变频调速 自控式变频调速自控式变频调速 右图：右图：它控式变频调速：它控式变频调速：8 对它控式变频调速的评价：对它控式变频调速的评价：优点：优点：在多台参数一致的小容量同步电动机需要同时起动、同时调速的场合，采用一台变频器控制多台小电动机，系统对各台电动机的供电频率相同，

8、供电电压也相同，易于群控。缺点：缺点：如果一台电动机出现失步，将影响整个群控系统的正常工如果一台电动机出现失步，将影响整个群控系统的正常工作。作。下图：自控式变频调速下图：自控式变频调速 9对自控式变频调速的评价：对自控式变频调速的评价：优点：优点：自控式同步电动机变频调速系统，也是由变自控式同步电动机变频调速系统，也是由变频器来拖动同步电动机，但增加了闭环自动控制功能，频器来拖动同步电动机，但增加了闭环自动控制功能，在同步电动机中安装了转子位置检测器在同步电动机中安装了转子位置检测器BQ，根据转子的，根据转子的实际位置来控制变频器的供电频率，保证定子旋转磁场实际位置来控制变频器的供电频率，保

9、证定子旋转磁场的转速与转子磁极的转速始终处于同步状态。避免了它的转速与转子磁极的转速始终处于同步状态。避免了它控式同步电动机变频调速系统运行中会失步的缺点。控式同步电动机变频调速系统运行中会失步的缺点。10四自控式同步电动机的起动与调速原理四自控式同步电动机的起动与调速原理 由同步电动机的空间矢量图由同步电动机的空间矢量图 可以推导可以推导起动与调速原理：起动与调速原理：)(A0t0FS-定子电流磁场的合成旋转磁动势Fr-转子磁动势设在同步电动机起动（转子静止）时，F FS S与F Fr r的之间的空间电夹角为转子磁动势d 轴与 之间的夹角为 ，运转后 11定子通入三相电流瞬时值为：定子通入三

10、相电流瞬时值为：起动后：起动后：合成矢量表达式：合成矢量表达式：)120cos()120cos()cos(00000mCmBmAIiIiIi)120cos()120cos()cos(00000tIitIitIimCmBmA)(23mSSpIpiF起动转矩与定、转子磁动势大小及其夹角的关系为：起动转矩与定、转子磁动势大小及其夹角的关系为：sinrSmeFFCT 12结论：结论：起动起动中只要保持，使定子磁场保持超前与转子磁场，就可以获中只要保持，使定子磁场保持超前与转子磁场，就可以获得正向的起动转矩。如果在过渡过程中根据对转子磁场得正向的起动转矩。如果在过渡过程中根据对转子磁场F Fr r的位置

11、的位置检测结果，通过实时控制定子电流的频率来控制定子磁场检测结果，通过实时控制定子电流的频率来控制定子磁场F FS S，使，使F FS S保持超前于保持超前于F Fr r一个稳定的角度一个稳定的角度，并且，并且 ，通过控制定，通过控制定子三相电流的幅值实现子三相电流的幅值实现F FS S幅值的基本恒定，就可以对同步电动机幅值的基本恒定，就可以对同步电动机实现匀加速起动。实现匀加速起动。同步电动机同步电动机向上调速向上调速的原理与其起动原理相同。的原理与其起动原理相同。向下调速向下调速原理是将原理是将变为变为1801800 0以内的负角度，使拖动转矩为负。以内的负角度，使拖动转矩为负。随着转子降

12、速的过程，定子电流的频率也要自动减慢，保持与随着转子降速的过程，定子电流的频率也要自动减慢，保持与转子同步。转子同步。注意：定子的通电相序并没有改变注意：定子的通电相序并没有改变。0180 13第二节第二节 永磁同步电动机的调速系统永磁同步电动机的调速系统 一一.永磁同步电动机永磁同步电动机 二二.正弦波永磁同步电动机调速系统正弦波永磁同步电动机调速系统 三三无刷直流电动机调速系统无刷直流电动机调速系统 14小功率同步电动机常直接采用永久磁铁作为转子磁极，被称为永磁同小功率同步电动机常直接采用永久磁铁作为转子磁极，被称为永磁同步电动机。步电动机。永磁同步电永磁同步电动机（动机（Permanen

13、t Magnet Synchronous Moter）具有多种结构。下图为一种简单的永磁电动机截面图。）具有多种结构。下图为一种简单的永磁电动机截面图。一一.永磁同步电动机永磁同步电动机 其转子为实心其转子为实心铁心或由简单加工铁心或由简单加工的冲制叠片组成，的冲制叠片组成，一层薄的永磁体被一层薄的永磁体被粘合剂固定在转子粘合剂固定在转子铁心的表面，铁心的表面，N N、S S极交替放置，以产极交替放置，以产生转子磁通。生转子磁通。15二二.正弦波永磁同步电动机调速系统正弦波永磁同步电动机调速系统 1 正弦波永磁同步电动机调速原理正弦波永磁同步电动机调速原理 正弦波永磁同步电正弦波永磁同步电动机

14、常采用转子位置动机常采用转子位置定向的矢量控制定向的矢量控制 右图为永磁同步电动右图为永磁同步电动机的矢量图。机的矢量图。16 基于转子坐标系（基于转子坐标系（d-q轴系）中的永磁同步电动机轴系）中的永磁同步电动机定子磁链定子磁链方程为方程为 为转子磁钢在定子上的耦合磁链；为转子磁钢在定子上的耦合磁链；、为永磁同步电动机的直轴、交轴主电感；为永磁同步电动机的直轴、交轴主电感；、分别为定子电流矢量分别为定子电流矢量 的直轴、交轴分量。的直轴、交轴分量。SqqSqrSddSdLLiirdLqLSdiSqiSi PMSM的的转矩方程转矩方程为：为：将式方程组代入转矩方程，求得将式方程组代入转矩方程，

15、求得SdSqSqSdepTii)(SdSqqdSqreLLpTiii 17 在永磁同步电动机中，由于转子磁链在永磁同步电动机中，由于转子磁链 恒定不变，恒定不变，采用转子磁链定向方法来进行矢量控制较为适宜，并且采用转子磁链定向方法来进行矢量控制较为适宜，并且在基频以下的控制中，控制单元可以使用算法实现定子在基频以下的控制中，控制单元可以使用算法实现定子电流矢量与电流矢量与q轴重合，这样在轴重合，这样在d轴上只有转子磁链，没有轴上只有转子磁链，没有定子磁链，定子磁链，相当于用转子的永久磁铁实现励磁，定子电相当于用转子的永久磁铁实现励磁，定子电流全部用来产生拖动转矩流全部用来产生拖动转矩。这时，转

16、矩方程中，这时，转矩方程中，故故rSSqii0SdiSrepTi 由于转子磁链为常数，三相定子电流合成矢量的幅由于转子磁链为常数，三相定子电流合成矢量的幅值与定子励磁电流幅值的关系为值与定子励磁电流幅值的关系为 于是于是mSII23mmreIKIpT23 18 永磁同步电动机在上述的转子磁链定向控制方式下，永磁同步电动机在上述的转子磁链定向控制方式下，定子电流的的相位，比定子电流的的相位，比 d轴超前轴超前900，因此，因此变频器应提供的变频器应提供的定子三相电流瞬时值表达式为定子三相电流瞬时值表达式为：变频器变频器只要根据转子位置角信息，按上述方程严格控只要根据转子位置角信息，按上述方程严格

17、控制三相定子电流的幅值、频率和相位，就可以对永磁同步制三相定子电流的幅值、频率和相位，就可以对永磁同步电动机进行速度控制电动机进行速度控制。)120sin()12090cos()120sin()12090cos(sin)sin()90cos(00000000000mmCmmBmmmAItIiItIiItItIi 192 正弦波永磁同步电动机调速系统正弦波永磁同步电动机调速系统 20三三.无刷直流电动机调速系统无刷直流电动机调速系统 1 无刷直流电动机与正弦永磁同步电动机的调速系统区别无刷直流电动机与正弦永磁同步电动机的调速系统区别 正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机调速系统由永磁同步电动

18、机、速度调速系统由永磁同步电动机、速度检测装置、电流传感器、磁极位置传感器和变频电路等部分检测装置、电流传感器、磁极位置传感器和变频电路等部分组成。该调速系统可以控制变频器向定子绕组中提供正弦波组成。该调速系统可以控制变频器向定子绕组中提供正弦波的定子电流。的定子电流。无刷直流电动机无刷直流电动机由永磁同步电动机、磁极位置传感器和变由永磁同步电动机、磁极位置传感器和变频电路三部分组成，加上速度检测装置、电流传感器形成速频电路三部分组成，加上速度检测装置、电流传感器形成速度电流闭环可构成无刷直流电动机调速系统，系统结构上也度电流闭环可构成无刷直流电动机调速系统，系统结构上也与永磁同步电动机调速系

19、统类似。与永磁同步电动机调速系统类似。无刷直流电动机调速系统与正弦永磁同步电动机调速系统无刷直流电动机调速系统与正弦永磁同步电动机调速系统的主要区别的主要区别在于变频器提供的定子电流的波形不同，正弦波在于变频器提供的定子电流的波形不同，正弦波永磁同步电动机控制系统中，变频器提供正弦定子电流，而永磁同步电动机控制系统中，变频器提供正弦定子电流，而无刷直流电动机调速系统中，变频器提供矩形波定子电流。无刷直流电动机调速系统中，变频器提供矩形波定子电流。212 无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的工作原理 （1 1）三相绕组无刷直流电动机）三相绕组无刷直流电动机 下图为电动机本体下图为电动机本体

20、三相绕组无刷直流电动机运行原理如图所示，图中三相绕组无刷直流电动机运行原理如图所示，图中A-AA-A，、B-BB-B，、C-CC-C，分别为三相定子绕组的首末端；中心的分别为三相定子绕组的首末端；中心的N-SN-S为转子永久磁极；为转子永久磁极；2/32/3扇形片扇形片为为遮光板，装于转子上，随该遮光板，装于转子上，随该N-SN-S极一起转动；极一起转动；VPVP1 1、VPVP2 2、VPVP3 3为三个光电器件，为三个光电器件，均由光源和感光器组成，不随转子和遮光板转动。均由光源和感光器组成，不随转子和遮光板转动。22 图(a)的转子位置，VP1、VP2、VP3三个传感器中，VP1开始透光

21、，为高电平，VP2、VP3不透光，为低电平。这时可控制定子电路让A相通电，获得定子旋转磁场位置如图(a)中的N，-S，所示，转子的受力方向即为逆时针。转子逆时针方向转过1200，走到图(b)的转子位置，三个传感器中，VP2开始透光，VP1、VP3不透光，为了保证转子继续逆向旋转，应控制定子电路让B相通电，获得定子旋转磁场位置如图(b)中的N，-S，所示，转子的受力方向即为逆时针。只要定子电路的供电控制模式保证旋转磁场对转子磁极产生连续的逆向拉力，转子就能连续旋转。显然，除了电机本体之外，还需要一套电子开关电路显然，除了电机本体之外，还需要一套电子开关电路，接受三个转子位置传感器的电平信号，进行

22、运算判断及，接受三个转子位置传感器的电平信号，进行运算判断及功率开关驱动，使功率开关驱动，使VTVT1 1、VTVT2 2、VTVT3 3按特定通电模式去运行。按特定通电模式去运行。23三相半控桥式电子开关电路：三相半控桥式电子开关电路：24三相全控桥式电子开关电路：三相全控桥式电子开关电路：25（2 2）四相绕组无刷直流电动机）四相绕组无刷直流电动机 下图为电动机本体下图为电动机本体 图中图中A-AA-A，、B-BB-B，、C-CC-C，、D-DD-D，分别为四相定子绕组的首末端；位置分别为四相定子绕组的首末端；位置检测器采用两个霍尔元件检测器采用两个霍尔元件H1H1和和H2H2，固定安装于

23、定子内侧。，固定安装于定子内侧。26 图图(a)(a)的转子位置，的转子位置，H1H1因因N N极靠近应识别为高电平，转子磁极不靠近极靠近应识别为高电平，转子磁极不靠近H2H2故故H2H2为零电平输出，这时如控制定子电路的为零电平输出，这时如控制定子电路的A A相通电，可获得相通电，可获得 (a(a）的定）的定子旋转磁场位置如图中的子旋转磁场位置如图中的N N，-S-S，所示，转子的受力方向为逆时针。所示，转子的受力方向为逆时针。当转子逆时针方向转过当转子逆时针方向转过90900 0，(b)(b)的转子位置，的转子位置，H1H1传感器将变成零电传感器将变成零电平，平，H2H2则因为则因为S S

24、极靠近变成负电平。这时应控制定子电路让极靠近变成负电平。这时应控制定子电路让B B相通电，相通电，(b)(b)中的中的N N，-S-S，所示定子磁场。所示定子磁场。(C)(C)和（和（d d）图原理同上）图原理同上 27 四相绕组无刷直流电动机的单相半控桥式电子开关电路四相绕组无刷直流电动机的单相半控桥式电子开关电路 （也可以设计成四相全控桥式电路）（也可以设计成四相全控桥式电路）28下图为无刷直流电动机调速系统结构框图3 无刷直流电动机无刷直流电动机调速系统调速系统 29 速度外环的运算结果作为电流给定信号，电流调节器的速度外环的运算结果作为电流给定信号，电流调节器的运算结果作为运算结果作为

25、PWMPWM发生器的直流参考信号，在发生器的直流参考信号，在PWMPWM发生器中，发生器中，直流参考信号与载波信号相比较，产生控制占空比的直流参考信号与载波信号相比较，产生控制占空比的PWMPWM信信号，通过驱动电路去控制定子电流号，通过驱动电路去控制定子电流/电压幅值，从而控制转电压幅值，从而控制转矩大小。矩大小。逻辑控制单元可以控制驱动电路的供电频率和相序，控逻辑控制单元可以控制驱动电路的供电频率和相序，控制升速、降速过程及转动方向。制升速、降速过程及转动方向。无刷直流电动机调速系统比正弦波永磁同步电动机调速无刷直流电动机调速系统比正弦波永磁同步电动机调速系统的控制实现更为容易，因为三个磁

26、极位置检测比实时角系统的控制实现更为容易，因为三个磁极位置检测比实时角度检测更容易且成本更低，矩形波度检测更容易且成本更低，矩形波PWMPWM也比也比SPWMSPWM更易实现。更易实现。上述无刷直流电动机双环调速系统的运行原理与普通直上述无刷直流电动机双环调速系统的运行原理与普通直流电动机逻辑无环流调速系统的运行原理十分类似，可以借流电动机逻辑无环流调速系统的运行原理十分类似，可以借鉴传统的直流调速系统设计经验进行设计，并获得较高的动鉴传统的直流调速系统设计经验进行设计，并获得较高的动、静态性能。无刷直流电动机构成的伺服系统，也具有转矩、静态性能。无刷直流电动机构成的伺服系统，也具有转矩平滑、

27、响应快、控制精度高的特点，适用于数控机床及机器平滑、响应快、控制精度高的特点，适用于数控机床及机器人的伺服系统。人的伺服系统。ru 30 第三节第三节 交流伺服系统及应用交流伺服系统及应用 一一.无刷直流伺服电动机的交流伺服系统无刷直流伺服电动机的交流伺服系统 二二.正弦波永磁同步电动机正弦波永磁同步电动机的交流伺服系统的交流伺服系统 31一一.无刷直流伺服电动机的交流伺服系统无刷直流伺服电动机的交流伺服系统 以西门子以西门子810M/T810M/T数控系统为例，该数控系统配接西门子数控系统为例，该数控系统配接西门子的的SIEMENS 611SIEMENS 611系列伺服系统，伺服系统结构框图

28、：系列伺服系统，伺服系统结构框图：32 进给轴控制系统是一个多环控制系统，控制对象是三进给轴控制系统是一个多环控制系统，控制对象是三相绕组无刷直流电动机，其内部装有转子位置传感器、轴相绕组无刷直流电动机，其内部装有转子位置传感器、轴上装有测速发电机及旋转编码器，分别用于检测转子磁极上装有测速发电机及旋转编码器，分别用于检测转子磁极位置（供电子开关电路换流使用）、转子旋转速度（供伺位置（供电子开关电路换流使用）、转子旋转速度（供伺服驱动器使用）及数字化的转子当前实际角位移信号（提服驱动器使用）及数字化的转子当前实际角位移信号（提供给数控主机）；供给数控主机）；CNCCNC主机从用户程序中获得位置

29、命令（程主机从用户程序中获得位置命令（程序可从第一操作面板输入），又从旋转编码器获得当前实序可从第一操作面板输入），又从旋转编码器获得当前实际位置反馈信息，可以完成位置闭环控制；伺服驱动器接际位置反馈信息，可以完成位置闭环控制；伺服驱动器接受受CNCCNC主机的速度命令信号，又从测速发电机获得当前转子主机的速度命令信号，又从测速发电机获得当前转子旋转速度的反馈信息，可以完成速度闭环控制；功率开关旋转速度的反馈信息，可以完成速度闭环控制；功率开关控制电路只要根据转子位置传感器的磁极位置信息，控制控制电路只要根据转子位置传感器的磁极位置信息，控制功率开关切换并完成功率开关切换并完成PWMPWM调制

30、，保证定子绕组获得理想的旋调制，保证定子绕组获得理想的旋转磁场，拖动转子连续稳定地旋转，即可实现高档数控装转磁场，拖动转子连续稳定地旋转，即可实现高档数控装置的交流伺服驱动。置的交流伺服驱动。33二二.正弦波永磁同步电动机的正弦波永磁同步电动机的交流伺服系统交流伺服系统 1 1正弦永磁交流伺服系统的结构框图正弦永磁交流伺服系统的结构框图 34 原理说明：原理说明：CNCCNC系统向伺服驱动单元发出速度指令，驱动单元将该指系统向伺服驱动单元发出速度指令，驱动单元将该指令与旋转编码器测出的实际速度相比较，经速度调节器令与旋转编码器测出的实际速度相比较，经速度调节器ASRASR运算得到转子当前的希望

31、力矩，正比于希望的定子电流幅值，运算得到转子当前的希望力矩，正比于希望的定子电流幅值，将该幅值分别与三个正弦波位置信号相乘，得到变频装置的将该幅值分别与三个正弦波位置信号相乘，得到变频装置的三相定子电流希望值。该希望值与三相电流反馈比较，分别三相定子电流希望值。该希望值与三相电流反馈比较，分别经各自的电流调节器经各自的电流调节器ACRACR进行电流内环调节，进而控制进行电流内环调节，进而控制SPWMSPWM合成电路、驱动电路及合成电路、驱动电路及IGBTIGBT变频主回路使负载三相电流跟随变频主回路使负载三相电流跟随希望值，使驱动单元完成伺服轴的速度闭环控制。希望值，使驱动单元完成伺服轴的速度

32、闭环控制。*mI 2.2.交流伺服系统与交流伺服系统与CNCCNC系统的电路连接系统的电路连接实例实例 以三菱交流伺服系统成套产品：以三菱交流伺服系统成套产品：R-J2R-J2系列伺服驱动器系列伺服驱动器和和HC-SFHC-SF系列伺服马达在数控机床上的应用为例，说明交流系列伺服马达在数控机床上的应用为例，说明交流伺服系统的应用。伺服系统的应用。35伺服驱动器上共有四伺服驱动器上共有四个电缆插座：个电缆插座：CN1ACN1A、CN1BCN1B、CN2CN2和和CN3CN3。CN3CN3用于连接个人电脑；用于连接个人电脑；CN2CN2用于连接伺服马达用于连接伺服马达编码器；编码器；CN1ACN1

33、A和和CN1BCN1B的信号较为复杂，如的信号较为复杂，如CN1BCN1B的的LGLG、VCVC用来模用来模拟电压指令，拟电压指令，SONSON、SGSG用来传递伺服用来传递伺服ONON信号；信号；CN1ACN1A的的LALA、LARLAR等是伺等是伺服系统给服系统给CNCCNC的当前位的当前位置信号；置信号；CN1BCN1B的的ST1ST1、EMGEMG等为启动方向选择、等为启动方向选择、急 停 输 入 控 制 信 号急 停 输 入 控 制 信 号CN1BCN1B的的ALMALM为伺服警报为伺服警报输出端，伺服马达内输出端，伺服马达内部带有内置刹车，由部带有内置刹车，由数控系统控制。数控系统

34、控制。363.3.交流伺服系统的容量选择交流伺服系统的容量选择思路思路 （1）容量初选容量初选 按照伺服马达的按照伺服马达的初选初选条件，进行容量初选：条件，进行容量初选：TL 伺服马达额定转矩伺服马达额定转矩 JL 10倍伺服马达惯量倍伺服马达惯量（2)容量容量确定确定 作出伺服系统的加速、匀速、减速过程曲线，找作出伺服系统的加速、匀速、减速过程曲线，找出伺服驱动器的加速时间常数、减速时间常数，考出伺服驱动器的加速时间常数、减速时间常数，考虑初选伺服马达惯量虑初选伺服马达惯量，求出加减速情况下的需要的求出加减速情况下的需要的转矩。转矩。再次进行转矩校验。再次进行转矩校验。然后按照该伺服马达电

35、源容量要求，选择伺服驱然后按照该伺服马达电源容量要求，选择伺服驱动器型号。动器型号。374.4.交流伺服系统的参数调整交流伺服系统的参数调整 三菱三菱MR-J2-100AMR-J2-100A型伺服驱动器从型伺服驱动器从N NO O.0.0N NO O.49.49 共有共有5050个基本参数，个基本参数，速度控制模式需要设置速度控制模式需要设置4040个基本参数，所有参数应根据机床硬件的性能个基本参数，所有参数应根据机床硬件的性能及功能要求进行合理调整。在实际调试时，有的参数使用初始默认值，及功能要求进行合理调整。在实际调试时，有的参数使用初始默认值，有的参数要与伺服系统的外部信号接线相配合，还

36、有的参数由机床构成有的参数要与伺服系统的外部信号接线相配合，还有的参数由机床构成及性能要求确定。及性能要求确定。N NO O.0.0：第：第1 1个个 参数，设为参数，设为00020002，第，第0 0位位“2”2”表示速度控制模式，第表示速度控制模式，第2 2位位“0”0”表示不使用回生电阻。表示不使用回生电阻。N NO O.1.1：第：第2 2 个参数，设为个参数，设为00020002，第，第0 0位位“2”2”表示输入信号滤波时间常表示输入信号滤波时间常数取数取3.55ms3.55ms，第，第1 1位位“0”0”表示表示CN1BCN1B插座的第插座的第1919脚被定义为外接零速度检脚被定

37、义为外接零速度检出信号，第出信号，第3 3位位“0”0”表示使用相对位置编码器。表示使用相对位置编码器。参数的整定合理可以发挥系统的智能化调谐能力，使伺服驱动单元、参数的整定合理可以发挥系统的智能化调谐能力，使伺服驱动单元、数控系统及伺服马达协调运行，使执行机构获得稳定的静态、动态性能。数控系统及伺服马达协调运行，使执行机构获得稳定的静态、动态性能。38 第四节第四节 负载换相的同步负载换相的同步 电动机控制系统电动机控制系统 一一.负载换相同步电动机的基本概念负载换相同步电动机的基本概念 二二.负载换相同步电动机的定子旋转磁动势负载换相同步电动机的定子旋转磁动势 三负载换相同步电动机的运行原

38、理三负载换相同步电动机的运行原理 四负载换相同步电动机的换流方法四负载换相同步电动机的换流方法 五负载换相同步电动机的基本特性五负载换相同步电动机的基本特性 六负载换相同步电动机控制系统及其应用六负载换相同步电动机控制系统及其应用 39一一.负载换相同步电动机的基本概念负载换相同步电动机的基本概念 永磁同步电动机调速系统与交流伺服系统中，自控式变频永磁同步电动机调速系统与交流伺服系统中，自控式变频使用全控型开关器件，向电动机的定子绕组提供正弦或方波形使用全控型开关器件，向电动机的定子绕组提供正弦或方波形的供电电压或电流，使永磁同步电动机获得了理想的四象限运的供电电压或电流，使永磁同步电动机获得

39、了理想的四象限运行特性。但由于行特性。但由于自关断器件容量的限制自关断器件容量的限制，在大容量同步电动机，在大容量同步电动机的调速系统中，需要使用传统的半控型开关器件，如晶闸管器的调速系统中，需要使用传统的半控型开关器件，如晶闸管器件构成变频电路向电动机的定子绕组供电，常见方案为晶闸管件构成变频电路向电动机的定子绕组供电，常见方案为晶闸管交交-直直-交电流型逆变器与同步电动机组成的交电流型逆变器与同步电动机组成的负载换相同步电动负载换相同步电动机机控制系统，如图所示。控制系统，如图所示。所谓负载换相是指普通晶闸管器件在触发导通后没有自关断所谓负载换相是指普通晶闸管器件在触发导通后没有自关断能力

40、，需要利用同步机负载的反电势实现换流。能力，需要利用同步机负载的反电势实现换流。负载换相同步电动机利用反电势换流负载换相同步电动机利用反电势换流，主电路不需要过多的主电路不需要过多的强迫换流元件，结构相对比较简单。强迫换流元件，结构相对比较简单。40负载换相同步电动机控制系统负载换相同步电动机控制系统 41设电流型逆变器为设电流型逆变器为120120 导电型导电型逆变器的供电电流波形为：逆变器的供电电流波形为：电流型逆变器与同步电动机的主电路接线图电流型逆变器与同步电动机的主电路接线图 42 2 2极交流电动机的定子绕组空间分布示意图，极交流电动机的定子绕组空间分布示意图，A A、B B、C

41、C为定子绕组的为定子绕组的三相轴线方向：三相轴线方向：二二.负载换相同步电动机的定子旋转磁动势负载换相同步电动机的定子旋转磁动势 43定子电流所建立的定子磁动势分析如下：定子电流所建立的定子磁动势分析如下：00600t0012060t00180120t 44 三相绕组是静止的，当转子三相绕组是静止的，当转子FrFr旋转到不同的空间位置，会在三相旋转到不同的空间位置，会在三相定子绕组中感应出周期性的电动定子绕组中感应出周期性的电动势势 、和和 。AeBeCetrmrcos)180sin(sinsin0tEtEtdtdemmrmrA)60sin()60sin(180sin(000tEetEetEe

42、mCmBmA）Fr Fr对应的磁链幅值为对应的磁链幅值为 ，则穿过则穿过A A相的有效磁链瞬时值为：相的有效磁链瞬时值为：rm)180sin(sinsin0tEtEtdtdemmrmrA于是于是三负载换相同步电动机的运行原理三负载换相同步电动机的运行原理 45三相定子绕组感应电动势波形如下：三相定子绕组感应电动势波形如下：46 同步电动机的转子与定子旋转磁场必须保持合适的空间同步电动机的转子与定子旋转磁场必须保持合适的空间角度，才能保持合适的拖动转距，实现比较平滑的连续运角度，才能保持合适的拖动转距，实现比较平滑的连续运转。因此，定子的换流要依据转子磁动势转。因此，定子的换流要依据转子磁动势F

43、rFr的位置来顺序的位置来顺序进行。进行。负载换相同步电动机的基本换流对应位置是负载换相同步电动机的基本换流对应位置是 被称为换流超前角被称为换流超前角 当转子转到电角度当转子转到电角度 ，对应于图中，对应于图中P P点时，控点时，控制晶闸管制晶闸管6 6、1 1导通，使定子绕组建立磁动势导通，使定子绕组建立磁动势F6.1，这时定子，这时定子磁动势与转子磁动势的相对位置如图磁动势与转子磁动势的相对位置如图a)a)所示。由于晶闸管所示。由于晶闸管1 1、6 6共同导通共同导通60600 0，这期间，这期间F6.1不变，但转子将旋转不变，但转子将旋转600，转，转到图中虚线位置到图中虚线位置()。

44、当转子转到当转子转到 电角度，再换流控制晶闸管电角度，再换流控制晶闸管1 1、2 2导通，使定子绕组建立磁动势导通，使定子绕组建立磁动势F1.2，转子将继续旋转转子将继续旋转600。其余触发换流时间以此类推。其余触发换流时间以此类推。00000210t0270t0270t 47时的电磁转距波形图时的电磁转距波形图：000 48 负载换相同步电动机的正反转负载换相同步电动机的正反转 负载换相同步电动机的负载换相同步电动机的正向运行正向运行，主要需要依据转子的位置来控，主要需要依据转子的位置来控制逆变器中晶闸管的导电顺序，保持定子磁动势向正向步进旋转，使制逆变器中晶闸管的导电顺序，保持定子磁动势向

45、正向步进旋转，使转子转子正向受力正向受力。如果依据转子位置去控制逆变器中晶闸管的导电顺序，保持定子如果依据转子位置去控制逆变器中晶闸管的导电顺序，保持定子磁动势向反向步进旋转，使转子磁动势向反向步进旋转，使转子反向受力反向受力，就可以实现负载换相同步，就可以实现负载换相同步电动机的电动机的反向运行反向运行。正反转时电枢电流的方向与。正反转时电枢电流的方向与晶闸管的导通顺序晶闸管的导通顺序如如下表所示。下表所示。49四负载换相同步电动机的换流方法四负载换相同步电动机的换流方法 由于负载换相同步电动机的变频器采用晶闸管作开关元由于负载换相同步电动机的变频器采用晶闸管作开关元件，晶闸管导通后没有自关

46、断能力，因此要关断正在导通的件，晶闸管导通后没有自关断能力，因此要关断正在导通的晶闸管使之切换到欲导通的下一个晶闸管，必然存在换流问晶闸管使之切换到欲导通的下一个晶闸管，必然存在换流问题。题。反电动势换流法反电动势换流法负载换相同步电动机换流负载换相同步电动机换流方法方法 电流断续换流法电流断续换流法 1 1反电动势换流法反电动势换流法 例如在三相定子绕组感应电动势波形的例如在三相定子绕组感应电动势波形的P P点，需要点，需要VT1VT1导导通，是反电势通，是反电势 与与 的交点，的交点，60600 0之后需要之后需要VT2VT2导通时又导通时又是反电势是反电势 与与 的交点，因此可以考虑借助

47、于负载反电势的交点，因此可以考虑借助于负载反电势的作用使晶闸管自动换流，这就是负载换相同步电动机的反的作用使晶闸管自动换流，这就是负载换相同步电动机的反电动势换流方法，又被称为自然换流法。电动势换流方法，又被称为自然换流法。CeAeBeCe 50 反电动势换流法反电动势换流法 如按如按 的基本位置换流，的基本位置换流，出现的问题出现的问题：000CeAe P P点之前，逆变器的点之前，逆变器的VT5VT5、VT6VT6导通，定子电流流向为导通，定子电流流向为VT5 CVT5 C相绕组相绕组 B B相绕组相绕组 VT2VT2，如图实线所示。如，如图实线所示。如在在P P点触发点触发VT1VT1，

48、由于，由于 开始开始 ，会造成，会造成VT5VT5继续承受继续承受正压，正压，VT1VT1继续承受反压，无继续承受反压，无法实现从法实现从VT5VT5向向VT1VT1换流。换流。以反电势波形图中的以反电势波形图中的P P点为例点为例 51结论结论：采用反电动势换流方法时，不能采用采用反电动势换流方法时，不能采用的换流位置，需要将换流位置适当提前一个合适的的换流位置，需要将换流位置适当提前一个合适的 角角 要比要比P P点提前去触发点提前去触发VT1VT1。由于由于P P点之前，触发点之前，触发VT1VT1时，时，VT1VT1将导通，在将导通，在VT5VT1VT5VT1之间之间将出现短路电流将出

49、现短路电流，如前图虚线所示。当该电流增大到与，如前图虚线所示。当该电流增大到与实线电流相等时，实线电流相等时，VT5VT5关断，实现关断，实现VT1VT1向向VT1VT1的换流过程。的换流过程。000000060 换流超前角的长度，必换流超前角的长度，必须保证须保证VT5VT5与与VT1VT1在在P P点之前换点之前换流结束，由于两相绕组的换流结束，由于两相绕组的换流过程存在一定的换流重迭流过程存在一定的换流重迭角角，且负载越大，重迭角，且负载越大，重迭角越大，因此，也可以采用随越大，因此，也可以采用随负载大小调节换流超前角负载大小调节换流超前角 的办法的办法。的定转子磁势如右图所示：的定转子

50、磁势如右图所示：52 另外需要注意，另外需要注意，在换流超前在换流超前的同时，同步电动机的平均电磁的同时，同步电动机的平均电磁力矩会比时有所降低。电磁转距力矩会比时有所降低。电磁转距瞬时波形如图：瞬时波形如图：2 2反电动势换流法反电动势换流法 反电动势换流法反电动势换流法只有在运行速度较高、反电动势较大的情况下只有在运行速度较高、反电动势较大的情况下才能实现可靠换流。才能实现可靠换流。在同步电动机低速运行时，反电势不足，必须进行在同步电动机低速运行时，反电势不足，必须进行强迫换流强迫换流。电流断续换流法就是晶闸管逆变器常用一种的既简单又经济的电流断续换流法就是晶闸管逆变器常用一种的既简单又经