直流伺服與交流伺服課件

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1、常用的直流電動(dòng)機(jī)有：永磁式直流電機(jī) （ 有槽 、 無(wú)槽 、 杯型 、 印刷繞組 ） 勵(lì)磁式直流電機(jī) 混合式直流電機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī) 直流力矩電機(jī) 直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)： 永磁式直流電機(jī)類型中的 有槽電樞永磁直 流電機(jī) （ 普通型 ） ； 直流主軸伺服系統(tǒng)： 勵(lì)磁式直流電機(jī)類型中的 他激直流電機(jī) 。 6.4 直流伺服電機(jī) (一） 直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 極靴 機(jī)殼 瓦狀永磁材料（定子） 電樞（轉(zhuǎn)子） 換向極 主磁極 定子 轉(zhuǎn)子 線圈 圖 6.5永磁直流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖 6.6直流主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 6.4 直流伺服電機(jī) 1. 靜態(tài)特性 電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示 : （ 6.1） KT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)； 磁場(chǎng)磁通；

2、Ia 電樞電流； TM 電磁 轉(zhuǎn)矩 。 電樞回路的電壓平衡方程式為 : （ 6.2） Ua 電樞上的外加電壓； Ra 電樞電阻； Ea 電樞反電勢(shì) 。 電樞反電勢(shì)與轉(zhuǎn)速之間有以下關(guān)系： （ 6.3） Ke 電勢(shì)常數(shù)； 電機(jī)轉(zhuǎn)速 （ 角速度 ） 。 根據(jù)以上各式可以求得： （ 6.4） （二）一般 直流電機(jī)的工作特性 aTM IKT aaaa ERIU ea KE M2 Te a e a T KK R K U 6.4 直流伺服電機(jī) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)： 理想空載轉(zhuǎn)速 （ 6.5） 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)： 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ( 6.6） 當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)某一負(fù)載 TL時(shí) 電機(jī)轉(zhuǎn)速與理想空載轉(zhuǎn)速的差 （ 6.7） e a

3、0 K U T g as KRUT L2 Te a T KK R 圖 6.7 直流電機(jī)的機(jī)械特性 （ n） O O TS T TL 6.4 直流伺服電機(jī) （二） 一般 直流電機(jī)的工作特性 2. 動(dòng)態(tài)特性 直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩平衡方程式為 （ 6.8） 式中 TM 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩； TL 折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度； J 電機(jī)轉(zhuǎn)子上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； t 時(shí)間自變量 。 dt dJTT LM 6.4 直流伺服電機(jī) （二） 一般 直流電機(jī)的工作特性 1. 永磁直流伺服電機(jī)的性能特點(diǎn) 1) 低轉(zhuǎn)速大慣量 2) 轉(zhuǎn)矩大 3) 起動(dòng)力矩大 4) 調(diào)速泛圍 大 ， 低速運(yùn)行平穩(wěn) ， 力矩波動(dòng)小 2.

4、 永磁直流伺服電機(jī)性能用特性曲線和數(shù)據(jù)表描述 1) 轉(zhuǎn)矩 -速度特性曲線 （ 工作曲線 ） 2) 負(fù)載 -工作周期曲線 過(guò)載倍數(shù) Tmd， 負(fù)載工作周期比 d。 3) 數(shù)據(jù)表： N、 T、 時(shí)間常數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等。 （三） 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性 6.4 直流伺服電機(jī) d% 80 110% 120% 60 130% 140% 40 160% d 180% 20 200% 0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min) 圖 6 9負(fù)載 -工作周期曲線 M/（ N-cm） 轉(zhuǎn)矩極限 12000 10000 瞬時(shí)換向極限 8000 6000 換向極限 速度極限 4000 溫度極限

5、 2000 0 500 1000 1500 n 圖 68 永磁直流伺服電機(jī)工作曲線 區(qū)為連續(xù)工作區(qū)； 區(qū)為斷續(xù)工作區(qū)，由負(fù) 載 -工作周期曲線決定工作時(shí)間； 區(qū)為瞬時(shí)加 減速 區(qū) （三） 永磁直流伺服電機(jī)的工作特性 6.4 直流伺服電機(jī) 3.永磁直流伺服電機(jī)的工作特性曲線 （四） 主軸直流伺服電機(jī)的工作原理和特性 O nj nmax n P,T 1 2 圖 6.10 直流主軸電機(jī)特性曲線 1-轉(zhuǎn)矩特性曲線 2-功率特性曲線 6.4 直流伺服電機(jī) （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 1.、直流伺服電機(jī)的調(diào)速原理 根據(jù)機(jī)械特性公式可知調(diào)速有二種方法 :電樞電壓 Ua和氣隙磁通 改變電樞外加電壓 Ua

6、:由于繞組絕緣耐壓的限制，調(diào)壓只能在額定 轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行。屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 改變氣隙磁通量 ：改激磁電流即可改 ，在 Ua恒定情況下，磁場(chǎng)接 近飽和，故只能弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上進(jìn)行。屬于恒功率調(diào)速。 2.直流速度控制單元調(diào)速控方式 晶閘管（可控硅）調(diào)速系統(tǒng) 晶體管脈寬調(diào)制（ PWM）調(diào)速系統(tǒng) 0M2 Te a e a T KK R K U nnTCC RCUn 0M2 Te a e a 6.4 直流伺服電機(jī) (1) 晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 1）系統(tǒng)的組成 包括 控制回路：速度環(huán)、電流環(huán)、觸發(fā)脈沖發(fā)生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。 速度環(huán)：速度調(diào)節(jié)（ PI），作用：好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性。 電流環(huán)

7、：電流調(diào)節(jié) (P或 PI)。作用：加快響應(yīng)、啟動(dòng)、低頻穩(wěn)定等。 觸發(fā)脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生移相脈沖，使可控硅觸發(fā)角前移或后移。 可控硅整流放大器：整流、放大、驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 速度 調(diào)節(jié)器 電流 調(diào)節(jié)器 觸發(fā)脈沖 發(fā)生器 可控硅 整流器 電流反饋 速度反饋 電流檢測(cè) 編碼器 電機(jī) UR + - Uf If IR + - E1 ES （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制晶 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 2）主回路工作原理 組成：由大功率晶閘 管構(gòu)成的三相全控橋式（三相全波）反并接可逆電路， 分成二大部分（ 和 ），每部分內(nèi)按三相橋式連接，二組反并接，分別 實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn) 和反轉(zhuǎn)。 原理 ： 三相整

8、流器，由二個(gè)半波整流電路組成。每部分內(nèi)又分成 共陰極組 （ 1、 3、 5）和共陽(yáng)極組（ 2、 4、 6）。為構(gòu)成回路，這二組中必須各有一 個(gè)可控硅同時(shí)導(dǎo)通。 1、 3、 5在正半周導(dǎo)通， 2、 4、 6在負(fù)半周導(dǎo)通。每 組內(nèi)（即二相間）觸發(fā)脈沖相位相差 120，每相內(nèi)二個(gè)觸發(fā)脈沖相差 180。 按管號(hào)排列，觸發(fā)脈沖的順序： 1-2-3-4-5-6，相鄰之間相位差 60。 為保證合閘后兩個(gè)串聯(lián)可控硅能同時(shí)導(dǎo)通 ， 或已截止的相再次導(dǎo)通 ， 采用雙脈沖控制。既每個(gè)觸發(fā)脈沖在導(dǎo)通 60后，在補(bǔ)發(fā)一個(gè)輔助脈沖；也 可以采用寬脈沖控制，寬度大于 60，小于 120。 4 6 2 7 9 11 1 3

9、5 8 12 10 A B C M UM UD KM KM + - （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 原理 ： 主回路波形圖 u a c b c a b a) b) c) d) 1 3 5 t u b 2 4 6 b c a t t t t 1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 1 3 5 2 4 6 120 120 180 60 1 3 2 4 60 60 5 6 只要改變可控 硅觸發(fā)角（即改變 導(dǎo)通角），就能改 變可控硅的整流輸 出電壓，從而改變 直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn) 速。 觸發(fā)脈沖提前 來(lái)，增大整流輸出 電壓

10、；觸發(fā)脈沖延 后來(lái)，減小整流輸 出電壓。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 3）控制回路分析 觸發(fā)脈沖產(chǎn)生的過(guò)程： 改變觸發(fā)角，即改變控制角 U1 U2 R1 R2 R3 C - + 同步信號(hào) 過(guò)零信號(hào) 由速度 F 變換來(lái)的 電流調(diào)節(jié) 器輸出的 直流信號(hào) , 1 2 3 同步信號(hào) 方波信號(hào) 矩齒波 矩齒波與直 流電壓疊加 信號(hào) 尖脈沖 直流電壓 （ 可控硅導(dǎo)通時(shí)間），可調(diào)速。 沒(méi)反饋是開環(huán)，特性軟。 1-同步電路 2-移向控制電路 3-脈沖分配器 電流調(diào)節(jié)器 :同上，加快電流的反應(yīng)。 觸發(fā)脈沖發(fā)生器：正弦波同步鋸齒波觸發(fā) 電路，與 F直流信號(hào)疊加。 速

11、度調(diào)節(jié)器：比例積分 PI，高放大（相當(dāng) C短路） 緩放大 增放大 穩(wěn)定（相當(dāng) C 開路）無(wú)靜差。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 總結(jié) 速度控制的原理 ： 調(diào)速：當(dāng)給定的指令信號(hào)增大時(shí)，則有較大的偏差信號(hào)加到調(diào)節(jié)器 的輸入端，產(chǎn)生前移的觸發(fā)脈沖，可控硅整流器輸出直流電壓提高， 電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)測(cè)速反饋信號(hào)也增大，與大的速度給定相匹配達(dá) 到新的平衡，電機(jī)以較高的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 干擾：假如系統(tǒng)受到外界干擾，如負(fù)載增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，速度 反饋電壓降低，則速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差信號(hào)增大，其輸出信號(hào)也增 大，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器使觸發(fā)脈沖前移，晶閘管整流器輸出電壓升高，

12、使 電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到干擾前的數(shù)值。 電網(wǎng)波動(dòng)：電流調(diào)節(jié)器通過(guò)電流反饋信號(hào)還起快速的維持和調(diào)節(jié)電 流 作用，如電網(wǎng)電壓突然短時(shí)下降，整流輸出電壓也隨之降低，在電 機(jī)轉(zhuǎn)速由于慣性還未變化之前，首先引起主回路電流的減小，立即使 電流調(diào)節(jié)器的輸出增加，觸發(fā)脈沖前移，使整流器輸出電壓恢復(fù)到原 來(lái)值，從而抑制了主回路電流的變化。 啟動(dòng)、制動(dòng)、加減速：電流調(diào)節(jié)器還能保證電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)的大 轉(zhuǎn)矩、加減速的良好動(dòng)態(tài)性能。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 (1)晶閘管調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) （ 2） 晶體管脈寬調(diào)制（ PWM）調(diào)速系統(tǒng) 1）系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) 速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器 脈寬調(diào)節(jié) 振蕩器 脈寬調(diào)

13、節(jié) M G 電流反饋 U usr us f 整流 功放 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 6.4 直流伺服電機(jī) 主回路 ： 大功率晶體管開關(guān)放大器； 功率整流器。 控制回路： 速度調(diào)節(jié)器； 電流調(diào)節(jié)器； 固定頻率振蕩器及三角波發(fā)生器； 脈寬調(diào)制器和基極驅(qū)動(dòng)電路。 區(qū)別 ： 與晶閘管調(diào)速系統(tǒng)比較，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié) 器原理一樣。不同的是脈寬調(diào)制器和功率放大器。 直流脈寬調(diào)制： 功率放大器中的大功率晶體管工作在開 關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)頻率保持恒定，用調(diào)整開關(guān)周期 內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間（即改變基極調(diào)制脈沖寬度） 的方法來(lái)改變輸出。從而使電機(jī)獲得脈寬受調(diào)制 脈沖控制的電壓脈沖，由于頻率高及電感的作用 則為波動(dòng)很

14、小的直流電壓（平均電壓）。 脈寬的變化使電機(jī)電樞的直流電壓隨著變化。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 （ 2） PWM調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 直流脈寬調(diào)調(diào)制的基本原理 周期不變 周期不變 脈寬 脈寬 脈寬 脈寬 平均直流電壓 脈沖寬度正比代表速度 F值的直流電壓 U t （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 （ 2） PWM調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 2） 脈寬調(diào)制器 t t U U +U S r U +U S r U S C U S C U S C +U S r o o o -U S r t t t t 同向加法放大器電路圖 U S r 速度指令轉(zhuǎn)化過(guò) 來(lái)的直流電壓 U - 三角波 U

15、SC- 脈寬調(diào)制器的輸 出（ U S r +U ） 調(diào)制波形圖 R1 +12V USC R1 R3 R2 + -12V U S r U - US r為 0時(shí) 調(diào)制出正負(fù)脈寬一樣方波 平均電壓為 0 US r為正時(shí) US r為負(fù)時(shí) 調(diào)制出脈寬較寬的波形 平均電壓為正 調(diào)制出脈寬較窄的波形 平均電壓為負(fù) （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 （ 2） PWM調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 3） 開關(guān)功率放大器 主回路：可逆 H型雙極式 PWM 開關(guān)功率放大器 電路圖 : 由四個(gè)大功率晶體管 （ GTR） T 1 、 T 2 、 T 3 、 T4 及四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋 式電路。 H型： 又分為 雙極式

16、、單極 式和受限單極 式三種。 Ub1、 Ub2、 Ub3 Ub4 為調(diào)制器 輸出，經(jīng)脈沖 分配、基極驅(qū) 動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的 脈沖電壓。分 別加到 T1 、 T2、 T3 、 T4的基極。 Ub3 Ub4 Ub1 Ub2 US A B D1 D2 D3 D4 M T1 T2 T4 T3 t US -US Ud UAB O t Ub1 Ub 4 Ub2 Ub3 O O t t t1 T id id1 id2 id1 id2 O O O O O t1 t3 T t2 t3 t1 Ub1、 Ub 4 Ub2、 Ub 3 Ud UAB id t t t t id1 id1 id4 id2 id3 id4 i

17、d2 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 （ 2） PWM調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 工作原理： T1 和 T4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其基極驅(qū)動(dòng)電壓 Ub1= Ub4。 T2和 T3同 時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，基極驅(qū)動(dòng)電壓 Ub2= Ub3 = Ub1。以正脈沖較寬為例， 既正轉(zhuǎn)時(shí)。 負(fù)載較重時(shí)： 電動(dòng)狀態(tài)： 當(dāng) 0t t1時(shí)， Ub1、 Ub4為正， T1 和 T4 導(dǎo)通； Ub2、 Ub3 為負(fù) ， T2和 T3截止。電機(jī)端電壓 UAB=US， 電樞電流 id= id1，由 US T1 T4 地。 續(xù)流維持電動(dòng)狀態(tài)： 在 t1 t T時(shí)， Ub1、 Ub4為負(fù) ， T1 和 T4截止； Ub2、 Ub3

18、 變正，但 T2和 T3并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵?電樞電感儲(chǔ)能的 作用下 ， 電樞電流 id= id2，由 D2 D3續(xù)流，在 D2、 D3 上的壓降使 T2 、 T3的 c-e極承受反壓不能導(dǎo)通。 UAB=-US。 接著再變到 電動(dòng)狀態(tài)、續(xù)流 維持電動(dòng)狀態(tài) 反復(fù)進(jìn)行，如上面左圖。 負(fù)載較輕時(shí)： 反接制動(dòng)狀態(tài)，電流反向： 狀態(tài)中，在負(fù)載較輕時(shí)，則 id小， 續(xù)流 電流很快衰減到零，即 t =t2 時(shí) （見 上面右圖 ）， id=0。 在 t2 T 區(qū)段 ， T2 、 T3 在 US 和反電動(dòng)勢(shì) E的共同作用下 導(dǎo)通 ， 電樞電流反向， id= id3 由 US T3 T2 地。電機(jī)處于 反接制動(dòng)

19、狀態(tài)。 電樞電感儲(chǔ)能維持電流反向： 在 T t3區(qū)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖極性改變， T2 、 T3截止，因 電樞電感維持電流， id= id4，由 D4 D1。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 （ 2） PWM調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止： 由正、負(fù) 驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬窄而定。 當(dāng) 正 脈沖較寬時(shí)，既 t1 T/2， 平均電壓為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) 正 脈沖較窄時(shí)，既 t1 T/2 ， 平均電壓為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 如果正、負(fù) 脈沖寬度相等， t1=T/2 ， 平均電壓為零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 電機(jī)速度的改變： 電樞上的 平均 電壓 UAB越大，轉(zhuǎn)速越高。它是由 驅(qū)動(dòng)電壓脈沖寬度 決定的。 雙極

20、性 ： 由以上分析表明： 可逆 H型雙極式 PWM開關(guān)功率放大器，無(wú)論負(fù)載是重還是輕、電機(jī) 是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，加在電樞上的電壓極性在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，都在 US和 US之間變換一次，故稱為雙極性。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 （ 2） PWM調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) （ 4） PWM調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) 頻帶寬、頻率高 : 晶體管 “ 結(jié)電容 ” 小，開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于可控（ 50Hz)， 可達(dá) 2-10KHz?？焖傩院?。 電流脈動(dòng)小 : 由于 PWM調(diào)制頻率高，電機(jī)負(fù)載成感性對(duì)電流脈動(dòng) 由平滑作用，波形系數(shù)接近于 1。 電源的功率因數(shù)高 : SCR系統(tǒng)由于導(dǎo)通角的影響，使交流電源的波形畸 變、

21、高次諧波的干擾，降低了電源功率因數(shù)。 PWM 系統(tǒng)的直流電源為不受控的整流輸出，功率因數(shù)高。 動(dòng)態(tài)硬度好 : 校 正瞬態(tài)負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，頻帶寬，動(dòng)態(tài)硬度高。 （五） 直流進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度控制 （ 2） PWM調(diào)速系統(tǒng) 6.4 直流伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)： 它的電刷和換向器易磨損； 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制 ， 應(yīng)用環(huán)境的限制； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 制造困難 ， 成本高 。 交流伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)： 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； 輸出功率大 、 電壓和轉(zhuǎn)速提高 交流伺服電機(jī)形式： 同步型交流伺服電機(jī)和 異步型交流感應(yīng)伺服電機(jī) 。 V S 6.5 交流伺服電機(jī) 交流同步伺服電機(jī)的種類： 勵(lì)磁式、永磁式、磁阻式和磁滯式 （ 1

22、）永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 一 永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 V S 定 子 轉(zhuǎn)子 脈沖編碼器 定子三相繞組 接線盒 圖 永磁交流同步伺服電機(jī)結(jié)構(gòu) 6.5 交流伺服電機(jī) （ 2） 永磁交流同步伺服電機(jī)工作原理和性能 n（ r/min） V S N ns nr S 圖 6 12 工作原理 圖 6 13 特性曲線 T（ N-cm） 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1000 2000 3000 6.5 交流伺服電機(jī) 一 永磁交流同步伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 交流主軸電機(jī)的要求 ： 大功率 低速恒轉(zhuǎn)矩 、 高速恒功率 鼠籠式交流異步伺服電機(jī) 圖 6 14交

23、流主軸電機(jī)與普通交流 異步感應(yīng)電機(jī)的比較圖示意圖 圖 6 15 交流主軸伺服電機(jī)的特性曲線 二 交流主軸伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理 交流主軸電機(jī) 普通交流 異步感應(yīng)電機(jī) 通風(fēng)孔 P（ KW） 8 6 4 2 0 2000 4000 6000 8000 12000 n（ r/min） 6.5 交流伺服電機(jī) （ 1） 永磁交流同步伺服電機(jī)的發(fā)展 新永磁材料的應(yīng)用 釹鐵硼 永久磁鐵的結(jié)構(gòu)改革 內(nèi)裝永磁交流同步伺服電機(jī) 與機(jī)床部件一體化的電機(jī) 空心軸永磁交流同步伺服 電機(jī) （ 2） 交流主軸伺服電機(jī)的發(fā)展 輸出轉(zhuǎn)換型交流主軸電機(jī) 三角 -星形切換 ， 繞組數(shù)切換或二者組合切換 。 液體冷卻電機(jī) 內(nèi)裝式主

24、軸電機(jī) 三 、交流伺服電機(jī)的發(fā)展 6.5 交流伺服電機(jī) 四 .交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法 1.由電機(jī)學(xué)知，交流電機(jī)轉(zhuǎn)速公式： 式中： f 定子電源頻率 p 磁激對(duì)數(shù) S 轉(zhuǎn)差率 ns 定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速 n 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 s1p f60n 1 異步電機(jī) 變頻 用于籠型電機(jī) 調(diào)壓（定子電壓） 電磁磚差離合器 調(diào)阻（轉(zhuǎn)子電組） 串級(jí)調(diào)速 交 直 交 交 交 交 直 交 交 交 變轉(zhuǎn) 差率 變頻 變頻 同步電機(jī) 交流電動(dòng)機(jī) s s n nns 由此可知調(diào)速方法： （ 6.11） （ 6.12） 6.5 交流伺服電機(jī) 對(duì)于進(jìn)給系統(tǒng)常使用交流同步電機(jī)，該電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)差率，電機(jī)轉(zhuǎn)速 公式變?yōu)椋?p fn 160 從式

25、中可以看出：只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。 變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器， 變頻器分為： 交 直 交變頻器 分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流 電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交 流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。 交 交變頻器 該變頻器沒(méi)有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電 變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。 目前對(duì)于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交 直 交變頻器。 2.正弦脈寬調(diào)制（ SPWM）變壓變頻器 基本概念 1964年德國(guó)人率先提出脈寬調(diào)制變頻思想，把通訊系統(tǒng)中的 （ 6.13） 6.5 交流伺服電機(jī) 四 .交流伺

26、服電機(jī)的調(diào)速方法 調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于交流變頻器。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦 脈寬調(diào)制。還有空間電壓矢量 PWM、最優(yōu) PWM、預(yù)測(cè) PWM、隨機(jī) PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化 PWM等等。 SPWM交 直 交變壓變頻器的原理框圖如下： M 3 UI UR UR整流器 固定電壓不可控整流器，常采用六個(gè)二級(jí)管橋式整流器 結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷?，電壓幅值不變?為逆變器的供電。 UI 逆變器 由六個(gè)功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。其控 制極（大功率晶體管 GTR為基極 ）輸入由基準(zhǔn)正弦波（由速度指 令轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的）和三角波疊加出來(lái)的 SPWM調(diào)制波（等幅、不等 寬的矩形脈沖波） ，使這些大功率晶體管按

27、一定規(guī)律導(dǎo)通、截止， 輸出一系列功率級(jí)等效于正弦交流電的可變頻變壓的等幅、不等 寬的矩形脈沖電壓波，即功率級(jí) SPWM電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。 功率開關(guān)器件還可采用：可關(guān)斷晶閘管 GTO、功率場(chǎng)效應(yīng)晶 體管 MOSFET、絕緣門極晶體管 IGBT等。 6.5 交流伺服電機(jī) 四 .交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法 2. SPWM變壓變頻器 正弦脈寬調(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，如右下圖所示。 u t t u O O a) b) 等效原理 ：把 正弦分 成 n 等分，每一區(qū)間的面 積用與其相等的等幅不等 寬的矩形面積代替。 正弦的正負(fù)

28、半周均如此 處理。 6.5 交流伺服電機(jī) 四 .交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法 2. SPWM變壓變頻器 SPWM控制波的生成 :正弦波 三角波調(diào)制 、方波 三角波調(diào)制。 方波發(fā)生器 （帶正反饋比較 又有 RC積分） 三角波發(fā)生器 （積分器） 三角波與基準(zhǔn) 正弦波疊加 （比較器） SPWM調(diào)制波 基準(zhǔn)正弦波 (由速度指令 轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)的 ) VD1 調(diào)制波 載波 u ut u1: ut u1 u0 O O O t t t RF R R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 VD2 VD3 VD4 C 1 C 2 U0 (ua、 ub、 uc ) t O - - - + + + t ut: 6.5 交流伺服

29、電機(jī) 四 .交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法 2. SPWM變壓變頻器 uAB 50Hz SPWM D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 T1 T2 T3 T4 T5 T6 ua ua ub ub uc uc u1 u2 u3 ut u1 ut ud ua 1t 1t 1t 1t 1t 1t uA0 uB0 uC0 逆變器輸出 A相等效正弦 脈寬電壓波 逆變器輸出 B相等效正弦 脈寬電壓波 逆變器輸出 C相等效正弦 脈寬電壓波 逆變器輸出線 電壓等效正弦 脈寬電壓波 u1:由 F轉(zhuǎn)換來(lái)的 ut 改變調(diào)制波的頻 率、幅值，就可 改變最終輸出 ： 變頻變壓的交流 電壓

30、 主回路： 左半部：整流器 右半部：逆變器 6.5 交流伺服電機(jī) 四 .交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法 2. SPWM變壓變頻器 (1).系統(tǒng)的組成：速度環(huán)、電流環(huán) SPWM電路、功放電路 檢測(cè)反饋電路 3.交流進(jìn)給伺服電機(jī)的速度控制系統(tǒng) 校正 補(bǔ)償 乘法器 SPWM 功率 放大 速度反 饋信號(hào) 轉(zhuǎn)子位置 檢測(cè)電路 電流信號(hào) 處理電路 傳感器信號(hào)處理電路 傳感器 MS 3 電流 比較 速度 比較 電流 傳感 + + - - U(t) 6.5 交流伺服電機(jī) 四 .交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法 (2) SPWM電路原理 SPWM的控制方法： 模擬控制 原始的控制方法； 數(shù)字控制 微機(jī)存儲(chǔ)事先算好的 SPWM數(shù)據(jù)

31、表格，由指令調(diào)出，或通過(guò)軟 件實(shí)時(shí)生成。 專用集成芯片 單片機(jī)微處理器直接帶有 SPWM信號(hào)產(chǎn)生功能，并有其輸出端 口，如 8098、 8XC196MC。 去主回路 三極管基極 u/f 分頻 u/f 分頻 基準(zhǔn)正弦波 產(chǎn)生 三角波 發(fā)生器 比較器 SPWM 比較 疊加 ui 壓 /頻變換、 分頻器 正弦邏輯 三角波邏輯 指令 比較器 比較器 脈沖 分配 3. 速度控制系統(tǒng) 6.5 交流伺服電機(jī) 四 .交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法 SPWM變壓變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)： 1.主電路只有一個(gè)可控的功率環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)； 2.采用了不可控整流器。使電網(wǎng)功率因數(shù)提高； 3.逆變器同時(shí)調(diào)頻調(diào)壓，動(dòng)態(tài)相應(yīng)不受中間環(huán)節(jié)影響

32、； 4.可獲得更接近于正弦波的輸出電壓波形 。 6.5 交流伺服電機(jī) 四 .交流伺服電機(jī)的調(diào)速方法 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng) 1.基本組成 分類：鑒相式伺服系統(tǒng) 鑒幅式伺服系統(tǒng) 數(shù)字、脈沖比較式 采用相位比較的方法實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)或半閉環(huán)控制 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng) (1)基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器： 輸出的一列具 有一定頻率的脈沖信號(hào)，為伺服系 統(tǒng)提供相位比較的基準(zhǔn)。 (2).脈沖調(diào)相器 (數(shù)字相位轉(zhuǎn)換器 ) ： 將進(jìn)給脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相位變化信號(hào) （可用正弦波或方波表示） (3).檢測(cè)元件及信號(hào)處理線路： 將工作臺(tái)的位移檢測(cè)出來(lái)，并表達(dá)成與 基準(zhǔn)信號(hào)之間的相位差；相位差的大小代

33、表了工作臺(tái)的實(shí)際位移量。 (4)鑒相器： 有兩路輸入信號(hào)： 若沒(méi)有進(jìn)給脈沖信號(hào)輸入，脈沖調(diào)相器的輸出與基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器輸 出的基準(zhǔn)信號(hào)同相位，即兩者沒(méi)有相位差；若有進(jìn)給脈沖到來(lái)，則 每輸入一個(gè)正向或反向脈沖，脈沖調(diào)相器的輸出將超前或滯后基準(zhǔn) 信號(hào)一個(gè)相應(yīng)的相位角。 來(lái)自脈沖調(diào)相器的指令進(jìn)給信號(hào) 來(lái)自于檢測(cè)元件及信號(hào)處理線路的反饋信號(hào) 兩路信號(hào)同頻率、同周 期；且都用它們與基準(zhǔn) 倍號(hào)之間的相位差表示 作用： 鑒別出這兩個(gè)信號(hào)之間的相位差， 并輸出與此相位差信號(hào)成正比的電壓信號(hào)。 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng) (5).直流放大器： 對(duì)鑒相器的輸出信號(hào)進(jìn)行電壓和功率 放大，然后再去驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元

34、件。 2.鑒相式伺服系統(tǒng)的工作原理： 當(dāng)數(shù)控裝置要求工作臺(tái)沿一個(gè)方 向進(jìn)給時(shí)，插補(bǔ)器或插補(bǔ)軟件便產(chǎn)生 一列進(jìn)給脈沖；該進(jìn)給脈沖作為指令 信號(hào)送入伺服系統(tǒng)。 在伺服系統(tǒng)中，進(jìn)給脈沖首先經(jīng)脈沖調(diào)相器轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)于基準(zhǔn) 信號(hào)的相位差，設(shè)為 （代表了指令要求工作臺(tái)的進(jìn)給距離）； 在鑒相器中： 和 進(jìn)行比較；兩者的差值 ，稱為跟隨誤差。 跟隨誤差信號(hào)經(jīng)電壓和功率放大后，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。 利用相位比較原理 另一方面，來(lái)自于測(cè)量元件及信號(hào)處理線路的反饋信號(hào)也表示成相對(duì) 于基準(zhǔn)信號(hào)的相位差，設(shè)為 (代表了機(jī)床工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離 )。 進(jìn)給開始時(shí) : =0 進(jìn)給過(guò)程中 : =0, =0 當(dāng) =0時(shí)

35、, 進(jìn)給停止 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng) 3鑒相式伺服系統(tǒng)的類別 *若選用不同的測(cè)量元件，因其工作原理和輸出的信號(hào)形式的 不同，會(huì)造成了測(cè)量元件的控制及其輸出信號(hào)的處理方法不同 旋轉(zhuǎn)變壓器 / 感應(yīng)同步器： 輸出正弦信號(hào)， 工作時(shí)需要一組基準(zhǔn)激磁信號(hào) 光柵： 輸出信號(hào)經(jīng)處理后一般為方波信號(hào)， 工作時(shí)不需任何激磁信號(hào)，只是在 信息處理時(shí)，需要一個(gè)基準(zhǔn)脈沖信號(hào) 考慮到系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn) 化鑒相器結(jié)構(gòu)，當(dāng)測(cè)量元件 的輸出是方波信號(hào)時(shí)，脈沖 調(diào)相器的輸出設(shè)計(jì)成方波形 式，兩列方波信號(hào)在鑒相器 中進(jìn)行比較。 當(dāng)測(cè)量元件的輸出是正弦 信號(hào)，則要將脈沖調(diào)相器 的輸出設(shè)計(jì)成正弦信號(hào)形 式或者將測(cè)量

36、元件輸出的 正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)， 以保證相同形式的信號(hào)在 鑒相器中進(jìn)行比較。 選用的 測(cè)量元 件不同， 鑒相式 伺服系 統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)不同 *不同的執(zhí)行元件也使鑒相式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成有所不同 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng) 鑒相式伺服系統(tǒng)的類別 (1)以旋轉(zhuǎn)變壓器為測(cè)量元件的半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器： 一方面控制脈沖調(diào)相 器，使進(jìn)給脈沖按一 定的比例轉(zhuǎn)換成相位 的變化，另一方面經(jīng) 勵(lì)磁線路產(chǎn)生出旋轉(zhuǎn) 變壓器的激磁信號(hào) 整形線路： 將旋轉(zhuǎn)變壓器的輸 出變成與脈沖調(diào)相 器的輸出同形式的 信號(hào)。 (2)以直線感應(yīng)同步器為測(cè)量元件的閉環(huán)伺服系統(tǒng)：基本同 (1) 感應(yīng)同步器是直接安裝在機(jī)床的

37、工作臺(tái)上，位置反饋信號(hào)直接代表了工作臺(tái)的 實(shí)際位移，構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，因而精度高，但調(diào)試比半閉環(huán)系統(tǒng)難。 (3)以光柵為測(cè)量元件的數(shù)字相位比較伺服系統(tǒng) 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng) 光柵的輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處 理線路即鑒向倍頻線路之 后，進(jìn)入它的數(shù)字相位變 換器，把代表工作臺(tái)實(shí)際 位移的數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換 成與基準(zhǔn)信號(hào)成一相位差 的方波信號(hào) 進(jìn)給脈沖經(jīng)它的脈沖調(diào)相 器即數(shù)字相位變換器之后， 變成另一與基準(zhǔn)信號(hào)成一 相位差的方波信號(hào) 上述兩路方波信號(hào)共同 進(jìn)入鑒相器，在鑒相器 中進(jìn)行比較，其差值以 電壓信號(hào)的形式輸出。 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 一、鑒相式伺服系統(tǒng) 3.鑒相式伺服系統(tǒng)的主要控制線路

38、（ 1)脈沖調(diào)相器 （ 2）鑒相器 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 二、鑒幅式伺服系統(tǒng) 以位置檢測(cè)信號(hào)的幅值反映機(jī)械位移，并采用幅值比較的方法實(shí) 現(xiàn)位置閉環(huán)或半閉環(huán)控制。 1.基本組成 與鑒相式伺服系統(tǒng) 的區(qū)別： (1)鑒幅式伺服系統(tǒng) 測(cè)量元件是以鑒幅 式工作狀態(tài)進(jìn)行工 作的，因此，可用 的測(cè)量元件主要有 旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng) 同步器。 (2)鑒幅式伺服系統(tǒng)中比較器所比較的是數(shù)字脈沖量，故不需要基準(zhǔn) 信號(hào)，兩數(shù)字脈沖量可直接在比較器中進(jìn)行脈沖數(shù)量的比較。 而與之對(duì)應(yīng)的鑒相式伺服系統(tǒng)的鑒相器所比較的是相位信號(hào)，需要 基準(zhǔn)信號(hào) 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 2.鑒幅式伺服系統(tǒng)的工作原理 二、鑒幅式伺服系統(tǒng) 進(jìn)入比較器的信號(hào)

39、： 來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖 (代表了數(shù) 控裝置要求機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)的位移 ) 來(lái)自測(cè)量元件及信號(hào)處理線路的數(shù)字 脈沖信號(hào) (代表了工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離 ) 鑒幅系統(tǒng)工作前，數(shù)控裝置和測(cè)量元件的信號(hào)處理線路都沒(méi)有脈沖 輸出，比較器的輸出為零：執(zhí)行元件不能帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng) 當(dāng)有進(jìn)給脈沖信號(hào)之后，比較器的輸出不再為零，執(zhí)行元件開始帶 動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)；同時(shí)，測(cè)量元件又將工作臺(tái)的位移檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)信 號(hào)處理線路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字脈沖信號(hào)，并作為反饋信號(hào)進(jìn)入比較 器與進(jìn)給脈沖進(jìn)行比較。 若比較器的輸出不為零，說(shuō)明工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離還不等于指令 信號(hào)要求工作臺(tái)移動(dòng)的距離，執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)。 若比較器的輸出

40、不零，說(shuō)明工作臺(tái)實(shí)際移動(dòng)的距離等于指令信號(hào) 要求工作臺(tái)移動(dòng)的距離，執(zhí)行元件停止帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 二、鑒幅式伺服系統(tǒng) 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路： 將比較器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為 直流電壓信號(hào)，再經(jīng)驅(qū)動(dòng)線路 進(jìn)行電壓和功率放大后，驅(qū)動(dòng) 執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。 測(cè)量元件及信號(hào)處理線路： 將工作臺(tái)的機(jī)械位移檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換 為數(shù)字脈沖量。 原理框圖： 當(dāng)工作臺(tái)移動(dòng)時(shí)，測(cè)量元件根 據(jù)工作臺(tái)的位移量，即絲杠轉(zhuǎn) 角 輸出電壓信號(hào)： 為此時(shí)測(cè)量元件激磁信號(hào)的電氣角 6.6閉環(huán)伺服系統(tǒng) 三、數(shù)字脈沖比較式伺服系統(tǒng) (1)由數(shù)控裝置提供的指令信號(hào)：是數(shù)碼信號(hào)，或脈沖數(shù)字信號(hào) (2)由測(cè)量元件提供的機(jī)床工作臺(tái)位置信號(hào)。它可以是數(shù)碼信號(hào)，也 可以是數(shù)字脈沖信號(hào)。 (3)完成指令信號(hào)與測(cè)量反饋信號(hào)比較的比較器。 (4)數(shù)字脈沖信號(hào)與數(shù)碼的相互轉(zhuǎn)換部件。它依據(jù)比較器的功能以 及指令信號(hào)和反饋信部號(hào)的性質(zhì)而決定取舍。 (5)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。它根據(jù)比較器的輸出帶動(dòng)床工作臺(tái)移動(dòng)。