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1、机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 5.4 交流电动机驱动及其控制交流电动机驱动及其控制5.4.1 交流伺服电机特点及其调速方法交流伺服电机特点及其调速方法 5.4.2 变频器调速装置（变频器调速装置（VFD）5.4.3 交流伺服系统组成交流伺服系统组成5.4.4 交流伺服电机的矢量控制及应用实例交流伺服电机的矢量控制及应用实例1机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 5.4.1 交流伺服电机特点及其调速方法交流伺服电机特点及其调速方法 直流伺服电机具有电刷和整流子，尺寸较大且必须经常维修，使用环境也受到一定影响，特别是其
2、容量较小，受换向器限制，很多特性参数随速度而变化，因而限制了直流伺服电机向高转速、大容量发展。 交流伺服电机采用了全封闭无刷结构，以适应实际生产环境，不需要定期检查和维修。其定子省去了铸件壳体，结构紧凑、外形小、重量轻(只有同类直流电机的7590)。定子铁芯较一般电机开槽多且深，绕组绕在定子铁芯上，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子铁芯直接冷却，散热效果好，因而传给机械部分的热量小，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有2机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 精密磁极形状的永久磁铁，因而可实现高转矩惯量比，动态响应好，运行平稳。因此交流伺服电机以其高性能、大容量日益
3、受到广泛的重视和应用。 但是交流电机的控制性能没有直流电机的好，也正是由于这一点，交流伺服系统的发展历史没有直流伺服系统早，在过去较长的一段时间远没有直流伺服系统应用广泛。 随着电子学和电子技术的发展，特别是集成电路和计算机控制技术的发展，交流伺服的发展极为迅速，已进入与直流伺服相媲美、相竞争的时代，并有取而代之的趋势。3机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 交流电机的转速公式： 式中，f定子电源频率，s转差率；p极对数，n0同步转速。 根据上式，可得到不同的交流电机调速的方法： (1)转子绕组串联电阻改变转差率，这种方法调速机械特性很软，低速运行时电阻损耗
4、很大。4机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 (2)改变定子电压来改变转差率，这种方法损耗也很大。 (3)改变极对数来改变转速，这种方法调速是有级的，而且调速范围窄。 (4)改变定子供电频率，可以平滑地改变电机的同步转速，这种方法最为理想，称又交流变频调速交流变频调速，其装置叫变频器调速装置变频器调速装置(VFD)。 目前高性能的交流调速系统大都采用变频调速方法来改变电机转速。为了保持在调速时电机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，这时就需要定子供电电压做相应调节。因此，对交流电机供电的变频器一般都要求兼有调频调压两种功能。5机电一体化导论机电一体化导论第第5
5、章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 5.4.2 变频器调速装置（变频器调速装置（VFD） 一一.晶闸管变频器的工作原理晶闸管变频器的工作原理 图5-36所示为交直交变频器的主电路，它由整流器整流器、中间滤波环节中间滤波环节及逆变器逆变器三部分组成。整流器整流器为晶闸管三相桥式电路，它的作用是将恒压恒频交流电变换为直流电，然后再用作逆变器的直流供电电源。逆变器逆变器也是晶闸管三相桥式电路，但它的作用与整流器相反，它是将直流电变换调制为可调频率的交流电，是变频器的主要组成部分。中间滤波环节中间滤波环节由电容器、电抗器组成，它的作用是对整流后的电压或电流进行滤波。6机电一体化导论机电一体化导论第
6、第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-36 交直交变频电路结构图(a)7机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-36 交直交变频电路结构图(b)8机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-36 交直交变频电路结构图(c)9机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 二二.脉宽调制方法（脉宽调制方法（PWD） 逆变器是变频调速系统的核心。图5-37为三相桥式逆变器的原理电路图，它采用电力晶体管GTR作开关元件(也可以用其他开关元件)。 负载为三相对称电阻负载。由各开关管的基极驱
7、动信号分别整制各开关管的通断。基极驱动信号在电路中一般常以载频信号uc与参考信号ur相比较产生，这里uc采用单极性等腰三角形波形，而ur采用直流电压。在uc和ur波形相交处发出调制信号，部分脉冲调制波形如图5-38所示，那是经过三相对称倒相后a、b两点的相位波形， uoo和相电压uao的脉冲列波形。10机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-37 三相桥式逆变器的原理电路图(a)11机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-37 三相桥式逆变器的原理电路图(b)12机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统
8、设计伺服控制系统设计 图5-3813机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 在图示的波形中，输出电压一个周期内有12个等腰三角形。输出波形正负半周对称，主回路中的6个开关元件都是半周工作，通断6次输出6个等幅、等宽、等距的脉冲列，另半周总处于截止状态。这6个开关元件是以VT1VT6的顺序轮流工作的。 输出的电压波形每半个周期出现6个等宽、等距脉冲，中间2个脉幅高(等于2U/3)，两边4个脉幅低(等于U/3)，正负半周对称。 从波形图可以清楚地看出：当三角形波幅值一定，改变参考直流信号ur的大小，输出脉冲的宽度即随之改变，从而改变输出的交流电压大小。当改变载频三
9、角波的频率而保持每周输出脉冲数不变时，就可以14机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 实现输出频率的调节。显然，同时改变三角波的频率和参考直流信号电压ur的大小、就可以使逆变器在输出变频的同时相应地改变电压的大小。 如果取正弦波作为参考信号ur，它与三角波相比较后可得到矩形波，这是一组宽度按正弦规律变化的矩形脉冲，这种调制方式称为正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制，简称SPWM。 如图5-39所示，为单相单极性SPWM控制方式原理图。正弦波参考信号ur（也称调制信号）的正半周由三角波uc （也称载波信号）划分为K份，每一份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面
10、积相等的15机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 等高矩形脉冲的面积所代替，这样由K个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形uo与正弦波的正半周等效。正弦波调制信号的负半周也可用相同的方法来等效。 工程上获得SPWM调制波的方法是根据三角波与正弦波的相交点来确定逆变器功率开关的工作时间的。调节正弦波的频率或者幅位使可以相应地改变逆变器输出电压基波的频率或幅值。 如图5-40所示，为单相双极性SPWM控制方式原理图。在PWM型逆变电路中，使用最多的是图5-41所示的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极性方式。16机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控
11、制系统设计伺服控制系统设计 图5-39 单相单极性SPWM控制方式原理17机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-40 单相双极性PWM控制方式原理18机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-41 三相SPWM逆变电路图(a)19机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-41 三相SPWM逆变电路波形图(b)20机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 5.4.3 交流伺服系统组成交流伺服系统组成 交流伺服系统由伺服电机和伺服驱动器两部分组成。电
12、机主体是永磁同步式或笼型交流电机，伺服驱动器通常采用电流型脉宽调制(PWM)三相逆变器和具有电流环为内环、速度环为外环的多环闭环控制系统，其外特性与直流伺服系统相似，以足够宽的调速范围(1：10001：10000)和4象限工作能力来保证它在伺服控制中应用。目前常按电机类型将交流伺服系统分为两大类：一类是同步型交流伺服系统(SM)，另一类是异步型交流伺服系统(IM)。绝大多数用于机床数控进给驱动控制、工业机器人关节驱动控制和其他21机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 需要运动和位置控制场合的是同步型交流伺服电机。这种伺服电机通常具有永磁的转子，故称为永磁交流
13、伺服电机，以区别于有笼型转子的异步型交流伺服电机。在这里主要讨论永磁交流伺服系统永磁交流伺服系统。 现代永磁交流伺服系统中所采用的永磁同步电机经特殊设计，同轴安装有转子位置传感器、速度传感器，根据需要还可以安装安全制动器和强迫冷却的风机等。 永磁交流伺服驱动系统按照其工作原理、驱动电流波形和控制方式的不同，又可分为两种伺服系统；矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统和正弦波驱动的永磁交流伺服系统。其原理分别如图5-42和5-43所示。22机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 图5-42 矩形波交流伺服驱动器原理图23机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制
14、系统设计伺服控制系统设计 图5-43 正弦故交流伺服驱动器原理图24机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 5.4.4 交流伺服电机的矢量控制及应用实例交流伺服电机的矢量控制及应用实例25机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 5.5 直线电动机驱动及其控制直线电动机驱动及其控制26机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 思考题思考题 5-1 试叙述伺服系统的含义。伺服系统的基本要求是什么？ 5-2 试比较开环、半闭环和闭环伺服系统的优缺试比较开环、半闭环和闭环伺服系统的优缺点。点。 5-3 分析步进式伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统各自的特点及其应用场合。 27机电一体化导论机电一体化导论第第5章章 伺服控制系统设计伺服控制系统设计 5-4 在步进式伺服系统中，是如何实现速度的方向在步进式伺服系统中，是如何实现速度的方向和大小控制的和大小控制的? 5-5 试分析直流电机试分析直流电机PWM驱动电路的工作原理。驱动电路的工作原理。 5-6 试分析交直交变频调速中SPWM逆变器的工作原理。28
