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1、單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),Page,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),Page,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,交流伺服電機(jī),交流伺服電機(jī),直流電機(jī)的缺點(diǎn)：電刷和換向器易磨損，有時(shí)產(chǎn)生火花；換向器的制作工藝復(fù)雜；,電機(jī)的最高速度受到限制；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高,近年來交流電機(jī)飛速發(fā)展，克服了直流電機(jī)結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了,堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出功率大等優(yōu)點(diǎn),。因此，在某些場(chǎng)合，交流伺服電機(jī)已逐漸取代直流伺服電機(jī)。,直流電機(jī)的缺點(diǎn)：電刷和換向器易磨損，有時(shí)產(chǎn),2,交流伺服電機(jī)的分類與特點(diǎn),在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的交流電機(jī)一

2、般都為三相。,異步交流伺服電機(jī),(主軸驅(qū)動(dòng)）,電磁式,同步交流伺服電機(jī) 磁帶式,非電磁式 永磁式,反應(yīng)式,磁帶式和反應(yīng)式同步電機(jī)存在,效率低,、,功率因數(shù)差,、,制造容量不大,等缺點(diǎn)。,交流伺服電機(jī)的分類與特點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的交流電機(jī)一般都為三,3,優(yōu)點(diǎn),：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、效率高；,永磁式同步電機(jī),缺點(diǎn),：體積大、啟動(dòng)特性欠佳；,與直流電機(jī)相比：外形尺寸、重量、轉(zhuǎn)子慣量大幅減小,與異步交流伺服電機(jī)相比：效率高、體積小,因此，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多數(shù)采用永磁式交流同步電機(jī)。,異步交流伺服電機(jī)與同容量的直流電機(jī)相比的優(yōu)缺點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：重量輕、價(jià)格便宜；,缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)速受負(fù)載的變化影響較大，不能

3、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較 廣的平滑調(diào)速；,相當(dāng)于感應(yīng)式交流異步電機(jī)，一般用在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。,優(yōu)點(diǎn),4,永磁式交流同步電機(jī),結(jié)構(gòu),永磁交流同步電機(jī)主要由,定子,、,轉(zhuǎn)子,和,檢測(cè)元件,組成。交流永磁同步電機(jī)的定子與異步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相似，是由硅鋼片、三相對(duì)稱的繞組、固定鐵心的機(jī)殼及端蓋部分組成。交流永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁稀土材料制成，永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生固定磁場(chǎng)。,永磁式交流同步電機(jī)結(jié)構(gòu),5,數(shù)控機(jī)床交流伺服電機(jī)課件,6,原理和性能,當(dāng)定子三相繞組通上交流電流后，產(chǎn)生一個(gè)以轉(zhuǎn)速n,s,轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)由永久磁鐵產(chǎn)生，用另一對(duì)磁極表示。由于磁極同性相斥，異性相吸，定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子的永磁磁極互相吸

4、引，并帶著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，因此，轉(zhuǎn)子也將以同步轉(zhuǎn)速n,s,與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子加上負(fù)載轉(zhuǎn)矩之后，轉(zhuǎn)子磁極軸線將落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)角，隨著負(fù)載增加，也隨之增大；負(fù)載減少時(shí)，角也減少；只要不超過一定限度，轉(zhuǎn)子始終跟著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以恒定的同步轉(zhuǎn)速n,s,旋轉(zhuǎn)。,若設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n,r,：,原理和性能,7,n,r,=n,s,=60f,1,/p,n,r,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,n,s,同步轉(zhuǎn)速,p,定子和轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù),f,1,交流電源頻（定子供電頻率）,轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子磁極的軸線夾角,nr=ns=60f1/p,8,交流主軸電機(jī),交流主軸電機(jī)與普通感應(yīng)式伺服電機(jī)的工作原理相同。有電工學(xué)原理可知，在電機(jī)定子三相繞

5、組通以三相交流電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子中的導(dǎo)體，導(dǎo)體感應(yīng)電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速n,r,為,n,r,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,n,s,同步轉(zhuǎn)速,p,定子和轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù),f,1,交流電源頻（定子供電頻率）,s,轉(zhuǎn)差率,s=（n,s,-n,r,）/n,s,交流主軸電機(jī) 交流主軸電機(jī)與普通感應(yīng)式伺服電機(jī)的工作原,9,交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速,由以上兩式可見，只要改變交流伺服電機(jī)的,供電頻率f,1,，即可改變交流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以交流伺服電機(jī)調(diào)速應(yīng)用最多的是,變頻調(diào)速,。,變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是：,為電機(jī)提供頻率可變的電源變頻器。,變頻器可分為：,交交變頻,交直交變頻,

6、交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速 由以上兩式可見，只要改變,10,交交變頻,交交變頻方式是利用,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(dòng)交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出反脈沖，這個(gè)脈動(dòng)交流電的基波就是所需的交頻電壓。,這種調(diào)頻方式所得的交流電波動(dòng)比較大，而且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。,整流器：把交流電變成固定的或可調(diào)的直流電,交交變頻 交交變頻方式是利用可控硅整流器直接將工,11,交-直-交變頻,先將交流電整成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，這個(gè)矩形脈沖波的基波就是所需的變頻電壓。,這種調(diào)頻方式所得的交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。,數(shù)控機(jī)床上

7、常采用交直交變頻調(diào)速。,交-直-交變頻先將交流電整成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈,12,交直交變頻,中間直流電壓可調(diào)PWM逆變器,中間直流電壓是否可調(diào),中間直流電壓固定PWM逆變器,中間直流電路上的儲(chǔ)能元件 電壓型逆變器,是大電容還是大電感，分為,電流型,逆變器,逆變器：把固定的直流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的交流電,SPWM變頻器,是目前使用最廣、最基本的一種交-直-交電壓型變頻器，也稱為,正弦波PWM變頻器,，具有輸入功率因數(shù)高和輸出波型好等優(yōu)點(diǎn)，不僅適用于永磁式交流同步電機(jī)，也適用于感應(yīng)式交流異步電機(jī)，,在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用,。,交直交變頻逆變器：把固定的直流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{(diào)的交流

8、電,13,SPWM變壓變頻器,調(diào)制原理（以單相為例）,正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。,等效原理：把正弦波分成n等分，每一區(qū)間面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。,正弦波的正負(fù)半周均如此處理,SPWM變壓變頻器調(diào)制原理（以單相為例）,14,SPWM波形可采用模擬電路、以調(diào)制的方法實(shí)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(gè)所需要的電壓信號(hào)，利用三角波電壓與正弦參考電壓相比較來確定各分段矩形脈沖的寬度。,SPWM的調(diào)制原理與直流電機(jī)的SPWM的調(diào)制原理是相同的，調(diào)制信號(hào)都是三角波，調(diào)制后的波形都是方波，不同的是SPWM把正弦波調(diào)制成

9、脈寬按正弦規(guī)律變化的方波，用來控制交流伺服電機(jī)的速度。,在調(diào)制過程中可以是雙極性調(diào)制，也可以是單極性調(diào)制。雙極性能同時(shí)調(diào)制出正半波和負(fù)半波，而單極性調(diào)制只能調(diào)制出正半波或負(fù)半波，再將調(diào)制波倒相得到另外半波形，然后相加得到一個(gè)完整的SPWM波。,SPWM波形可采用模擬電路、以調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)。SPWM調(diào)制是,15,SPWM控制波的生成:正弦波三角波調(diào)制,Q：電壓比較器,UR：由指令脈沖轉(zhuǎn)換來的,正弦控制波。,U：三角波發(fā)生器,SPWM控制波的生成:正弦波三角波調(diào)制,16,要獲得三相SPWM脈沖寬度調(diào)制波形，則需要三個(gè)互成120,0,的控制電壓U,A,、U,B,、U,C,分別與同一三角波比較，獲得三

10、路互成120,0,SPWM脈沖寬調(diào)制波U,0A,、U,0B,、U,0C,，如圖為三相SPWM波的調(diào)制原理圖，三相控制電壓U,A,、,、,的幅值和頻率都是可調(diào)的。,三角波頻率為正弦波頻率倍的整數(shù)倍，所以保證了三路脈沖調(diào)制波形,U,0A,、U,0B,、U,0C,與時(shí)間軸所組成的面積隨時(shí)間的變化互成,120,0,相位角,。,要獲得三相SPWM脈沖寬度調(diào)制波形，則需要三個(gè)互成1200的,17,三相電壓型變頻器的主回路有兩部分組成，即左側(cè)的橋式整流電路和右側(cè)的逆變器電路，逆變器是其核心。橋式整流電路的作用是將三相工頻交流電變成直流電；而逆變器的作用則是將整流電路輸出的直流電壓逆變成三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)

11、行。,三相電壓型變頻器的主回路有兩部分組成，即左側(cè)的橋式,18,三相逆變電路有只具有單向?qū)щ娦缘拇蠊β书_關(guān)管組成。每支功率開關(guān)上反并聯(lián)一支續(xù)流二極管，即圖中，為負(fù)載電流滯后提供一條反饋到電源的通路。支功率開關(guān)每隔電角度導(dǎo)通一支，相鄰的兩支的功率開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間相差，一個(gè)周期共換向次，對(duì)應(yīng)個(gè)不同的工作狀態(tài)（又稱為六拍）。根據(jù)功率開關(guān)導(dǎo)通持續(xù)的時(shí)間不同，可以分為導(dǎo)通型和導(dǎo)通型兩種工作方式。導(dǎo)通方式不同，輸出電壓波形也不同。,三相逆變電路有只具有單向?qū)щ娦缘拇蠊β书_關(guān)管,19,交流電機(jī)變頻調(diào)速特性,有電工學(xué)原理可知,其中，,定子供電電壓頻率；,定子每項(xiàng)繞組匝數(shù)；,定子每項(xiàng)繞組等效匝數(shù)系數(shù)；,定子每項(xiàng)相電

12、壓；,定子每項(xiàng)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；每機(jī)氣隙磁通量；,電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；,轉(zhuǎn)矩常數(shù)；,轉(zhuǎn)子電樞電流；,轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角,交流電機(jī)變頻調(diào)速特性有電工學(xué)原理可知,20,由于,、,為常數(shù)，,與,成正比。當(dāng)電機(jī)在額定參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，,達(dá)到臨界飽和值，即,達(dá)到額定值,。而在電機(jī)工作過程中，要求,必須在額定值以內(nèi)，,所以,的額定值為界限，供電頻率低于額定值,時(shí)，稱為基頻以下調(diào)速，高于額定值,時(shí)，稱為基頻以上調(diào)速。,）基頻以下調(diào)速,由可知，當(dāng),處在臨界飽和值不變時(shí)，降低,，必須按比例降低,，以保持,為常數(shù)。若,不變，則使定子鐵心處于過飽和供電狀態(tài)，不但不能增加,，而且會(huì)燒壞電機(jī)。,當(dāng)在基頻以下調(diào)速時(shí)，,保持不變，即

13、保持定子繞組電流不變，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,為常數(shù)，稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，滿足數(shù)控機(jī)床主軸,恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速,運(yùn)行的要求,。,由于、為常數(shù)，與成正比。當(dāng)電機(jī)在額定參,21,）基頻以上調(diào)速,在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率高于額定值,，受電機(jī)耐壓的限制，相電壓,不能升高，只能保持額定值,不變。在電機(jī)內(nèi)部，由于供電頻率的升高，使感抗增加，相電流降低，使,減小，由式可知輸出轉(zhuǎn)矩,減小，但因轉(zhuǎn)速提高，使輸出功率不變，因此成稱為,恒功率調(diào)速,，滿足數(shù)控機(jī)床主軸恒功率調(diào)速運(yùn)行的要求。,當(dāng)頻率很低時(shí)，定子阻抗壓降已不能忽略，必須人為地提高定子電壓,，用以補(bǔ)償定子阻抗壓降。,）基頻以上調(diào)速,22,交流伺服電機(jī)的矢量控制,矢量控制是德國,

14、F.Blasche,于,1971,年提出的,矢量控制是把交流電機(jī)模擬成直流電機(jī)，用對(duì)直流電機(jī)的控制方法來控制交流電機(jī)，使其變頻調(diào)速后的機(jī)械特性和動(dòng)態(tài)特性接近直流電機(jī)的性能,已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。,交流伺服電機(jī)的矢量控制,23,1.,矢量控制的基本原理,基本思想：,利用“,等效,”概念，將三相交流電機(jī)輸入的,電流,（,矢量,）變換為等效的直流電機(jī)中彼此獨(dú)立的,勵(lì)磁電流和電樞電流,（,標(biāo)量,），建立起交流電機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型，然后通過對(duì)這兩個(gè)量的反饋控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制；再通過相反的變換，將被控制的等效直流電機(jī)還原為三相交流電機(jī)，那么三相交流電機(jī)的調(diào)速性能就完全體現(xiàn)了直流電機(jī)的調(diào)速性能。

15、,等效變化的準(zhǔn)則：,變換前后必須產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,1.矢量控制的基本原理基本思想：,24,2.,矢量控制的等效過程,(1),三相二相變換,將,三相交流電機(jī),變化為等效的,二相交流電機(jī),以及與其相反的變化。,采用的方法：把異步電動(dòng)機(jī)的,A,、,B,、,C,三相坐標(biāo)系的交流量變換為,-,兩相固定坐標(biāo)系的交流量,(2),矢量旋轉(zhuǎn)變換,將,二相交流電機(jī),變換為等效的,直流電機(jī),。,詳細(xì),詳細(xì),2.矢量控制的等效過程(1)三相二相變換詳細(xì)詳細(xì),25,交流電機(jī)的矢量控制過程框圖,以上所述的交流電機(jī)的矢量控制的基本思想和控制過程可用下圖所示的框圖來表達(dá)，根據(jù)矢量變換原理就可組成交流伺服電機(jī)矢量控制變頻調(diào)

16、速系統(tǒng)。,交流電機(jī)的矢量控制過程框圖以上所述的交流電機(jī)的矢量控制的基本,26,在交流電機(jī)三相定子繞組,A,、,B,、,C,上通以相位差為,120,0,的三相交流,i,A,、,i,B,、,i,C,，因而產(chǎn)生同步角速度為,1,的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其磁通量為,1,將這樣的一個(gè)三相交流電機(jī)等效成一個(gè)二相交流電機(jī)，該二相交流電機(jī)的兩個(gè)定子繞組,、,在空間正交，分別通以兩相交流電流,i,、,i,，,產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步角速度和磁通與三相交流電機(jī)一致，則該二相交流電機(jī)與三相交流電機(jī)等效。,等效條件是兩相電流,i,、,i,與三相電流,i,A,、,i,B,、,i,C,滿足如下關(guān)系,二相,/,三相逆變換關(guān)系為,返回,在交流電機(jī)三相定子繞組A、B、C上通以相位差為1,27,將三相交流電機(jī)變換為二相交流電機(jī)后，還需要將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)。方法是：靜止,/,旋轉(zhuǎn)變換是將,-,兩相固定坐標(biāo)系中的交流電流,i,、,i,變換為直流電機(jī)的,勵(lì)磁電流,i,d,和電樞電流,i,q,即變換為以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的,直角坐標(biāo)系的直流量，變換的條件是保證合成磁場(chǎng)不變，,i,、,i,合成矢量是,將其向一個(gè)旋轉(zhuǎn)直角坐標(biāo)系 分解，,坐