交流伺服調(diào)速原理

1、第五章第五章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 5-5-4 永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 5-5-5 永磁同步交流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步交流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 5-5-6 交流伺服電機(jī)的速度控制交流伺服電機(jī)的速度控制 5-5-7 交流伺服電機(jī)的位置控制交流伺服電機(jī)的位置控制 自自20世紀(jì)世紀(jì)80年代中期以來(lái)，為解決直流伺服電機(jī)電刷和換年代中期以來(lái)，為解決直流伺服電機(jī)電刷和換向器容易磨損、換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花而使最

2、高轉(zhuǎn)速和使應(yīng)用環(huán)境向器容易磨損、換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花而使最高轉(zhuǎn)速和使應(yīng)用環(huán)境受到限制，以交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的交流伺服系統(tǒng)得受到限制，以交流伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的交流伺服系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，逐漸取代了直流伺服電機(jī)，是當(dāng)今全數(shù)字伺服驅(qū)到迅速發(fā)展，逐漸取代了直流伺服電機(jī)，是當(dāng)今全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 5-5-1 概述概述 5-5 交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制交流伺服電機(jī)的技術(shù)支持：交流伺服電機(jī)的技術(shù)支持： 永磁材料永磁材料 控制理論和技術(shù)控制理論和技術(shù) 大功率半導(dǎo)體器件大功率半導(dǎo)體器件 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)微型計(jì)算機(jī)技術(shù) 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路1. 交流伺服

3、電機(jī)的特點(diǎn)交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)2) 永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)： 體積小，效率高，運(yùn)行可靠。體積小，效率高，運(yùn)行可靠。 調(diào)速方便、機(jī)械特性好。調(diào)速方便、機(jī)械特性好。 調(diào)速范圍寬。調(diào)速范圍寬。 建模難度大、控制算法復(fù)雜。建模難度大、控制算法復(fù)雜。1) 異步交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)：異步交流伺服電機(jī)的特點(diǎn)： 重量輕，價(jià)格便宜。重量輕，價(jià)格便宜。 轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化較大，低速時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化較大，低速時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差 靜止時(shí)自鎖轉(zhuǎn)矩小。靜止時(shí)自鎖轉(zhuǎn)矩小。 5-5-1 概述概述第五章第五章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制 5

4、-5-1 概述概述 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 5-5-4 永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 5-5-5 永磁同步交流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步交流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 5-5-6 交流伺服電機(jī)的速度控制交流伺服電機(jī)的速度控制 5-5-7 交流伺服電機(jī)的位置控制交流伺服電機(jī)的位置控制1. 交流電機(jī)的速度和位置控制基礎(chǔ)交流電機(jī)的速度和位置控制基礎(chǔ) 對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的精度決定了電機(jī)的調(diào)速精度，也決定了電機(jī)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的精度決定了電機(jī)的調(diào)速精度，也決定了電機(jī)的位置控制精度。對(duì)直流電機(jī)而言，在額定功率以下的調(diào)壓控制可

5、的位置控制精度。對(duì)直流電機(jī)而言，在額定功率以下的調(diào)壓控制可精確的控制轉(zhuǎn)矩，因此直流伺服電機(jī)能夠用于進(jìn)給系統(tǒng)；對(duì)于主軸精確的控制轉(zhuǎn)矩，因此直流伺服電機(jī)能夠用于進(jìn)給系統(tǒng)；對(duì)于主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度控制，直流電機(jī)可采用恒功率下的調(diào)磁調(diào)速。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度控制，直流電機(jī)可采用恒功率下的調(diào)磁調(diào)速。 對(duì)于交流電機(jī)而言，由于其同步轉(zhuǎn)速為對(duì)于交流電機(jī)而言，由于其同步轉(zhuǎn)速為n=60fn=60f，因此無(wú)論對(duì)于交，因此無(wú)論對(duì)于交流永磁同步電機(jī)還是異步電機(jī)，速度調(diào)節(jié)首先必須調(diào)整旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的流永磁同步電機(jī)還是異步電機(jī)，速度調(diào)節(jié)首先必須調(diào)整旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，這就是轉(zhuǎn)速，這就是變頻調(diào)速變頻調(diào)速。 對(duì)位置精度要求不高的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通

6、常采用對(duì)位置精度要求不高的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常采用“交流異步電機(jī)交流異步電機(jī)+ +通用變頻器通用變頻器”調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速。 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理異步交流電機(jī)異步交流電機(jī) /600pfn磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速：磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：分）轉(zhuǎn) /( )1(0nsn電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式：電機(jī)轉(zhuǎn)矩公式： 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理 目前，交流調(diào)速中應(yīng)用最廣的是目前，交流調(diào)速中應(yīng)用最廣的是“交交直直交交”變換，一般采用變換，一般采用PWM逆變器。逆變器。PWM調(diào)制方法有很多種，在交流電機(jī)調(diào)速中最基本、調(diào)制方法有很多種，在交流電機(jī)調(diào)速中最基

7、本、應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方法是應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方法是SPWM(正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制)、和、和SVPWM（空（空間矢量脈寬調(diào)制），使定子產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)間矢量脈寬調(diào)制），使定子產(chǎn)生所需的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)的速度控制。的速度控制。2、交流電機(jī)的基本調(diào)速原理、交流電機(jī)的基本調(diào)速原理 5-5 交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制IPMVT1VT3VT5VT4VT6VT2RSTUVWM3 開(kāi)關(guān)功放開(kāi)關(guān)功放控制信號(hào)控制信號(hào)1) SPWM基本原理基本原理雙極性調(diào)制法（單相）雙極性調(diào)制法（單相）VT1VT2調(diào)制電路UdurucLVD1VD2 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原

8、理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理 單相單相SPWM基本原理基本原理 SPWM(正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制) 以三角波為載波，正弦波為以三角波為載波，正弦波為調(diào)制波，其頻率和幅值可調(diào)，兩波形交點(diǎn)決定逆變器開(kāi)調(diào)制波，其頻率和幅值可調(diào)，兩波形交點(diǎn)決定逆變器開(kāi)關(guān)管狀態(tài)。關(guān)管狀態(tài)。單相單相SPWM基本原理基本原理 當(dāng)調(diào)制波為正半周，當(dāng)正弦波高于三角波時(shí)，當(dāng)調(diào)制波為正半周，當(dāng)正弦波高于三角波時(shí)，VT1導(dǎo)通、導(dǎo)通、VT2關(guān)斷，使負(fù)載上得到的相電壓為關(guān)斷，使負(fù)載上得到的相電壓為u0=Ud/2；當(dāng)正弦波低于；當(dāng)正弦波低于三角波時(shí)，三角波時(shí)，VT1關(guān)斷、關(guān)斷、VD2續(xù)流二極管釋放能量，負(fù)載上的相續(xù)流二極管釋放能量，負(fù)載

9、上的相電壓為電壓為u0 = -Ud/2；實(shí)現(xiàn)雙極性調(diào)制。；實(shí)現(xiàn)雙極性調(diào)制。VT1VT2調(diào)制電路UdurucLVD1VD2 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理三相三相SPWM基本原理基本原理雙極性調(diào)制法（三相）雙極性調(diào)制法（三相） 通過(guò)改變調(diào)制波的幅值，可改通過(guò)改變調(diào)制波的幅值，可改 變逆變器輸出電壓的幅值；變逆變器輸出電壓的幅值； 通過(guò)改變調(diào)制波的頻率，可改通過(guò)改變調(diào)制波的頻率，可改變逆變器輸出基波的頻率。變逆變器輸出基波的頻率。 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 5-5-2

10、交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理第五章第五章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 5-5-4 永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 5-5-5 永磁同步交流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步交流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 5-5-6 交流伺服電機(jī)的速度控制交流伺服電機(jī)的速度控制 5-5-7 交流伺服電機(jī)的位置控制交流伺服電機(jī)的位置控制直流伺服電機(jī)直流伺服電機(jī) 單純的變頻調(diào)速無(wú)法解決交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，由于交流電單純的變頻調(diào)速無(wú)

11、法解決交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制，由于交流電機(jī)的勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流耦合在一起，因此難以象直流電機(jī)那機(jī)的勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流耦合在一起，因此難以象直流電機(jī)那樣直接實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)磁控制，這就是早期進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)采用直樣直接實(shí)現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)磁控制，這就是早期進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)采用直流電機(jī)的原因，也是單純采用變頻調(diào)速的主軸系統(tǒng)速度和位置流電機(jī)的原因，也是單純采用變頻調(diào)速的主軸系統(tǒng)速度和位置控制精度不高的原因。要想使交流電機(jī)達(dá)到同樣的調(diào)速性能，控制精度不高的原因。要想使交流電機(jī)達(dá)到同樣的調(diào)速性能，就需要將勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流解耦，這就是矢量控制。就需要將勵(lì)磁電流與轉(zhuǎn)矩電流解耦，這就是矢量控制。 5-5-3 矢量變換原矢量變換原理

12、理TeCtIaEaCenUEa+RaIa直流電機(jī)方程直流電機(jī)方程 5-5-3 矢量變換原矢量變換原理理 idiqw w0 0F Fqdia aib bw w0 0F Fb ba aiaibicw w0 0F FabcWVU三相交流坐標(biāo)系三相交流坐標(biāo)系（a-b-c）兩相直角坐標(biāo)系兩相直角坐標(biāo)系（a a - b b）兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d - q）2. 交流電機(jī)矢量變換的數(shù)學(xué)模型交流電機(jī)矢量變換的數(shù)學(xué)模型IPMADCClarke變換Park Clarke變換SVPWMUW整流濾波整流濾波DCAC + +電流控制M3UUUVib bPark變換Park逆變換iUiWia aidiq速度控制

13、+ +指令速度iqridria arib br編碼器編碼器微分 5-5-3 矢量變換原矢量變換原理理3. 矢量變換的應(yīng)用矢量變換的應(yīng)用矢量變換控制原理框圖矢量變換控制原理框圖第五章第五章 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 5-5 交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制交流伺服電動(dòng)機(jī)及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流電機(jī)的基本調(diào)速原理交流電機(jī)的基本調(diào)速原理 5-5-3 矢量變換原理矢量變換原理 5-5-4 永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 5-5-5 永磁同步交流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型永磁同步交流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 5-5-6 交流伺服電機(jī)的速度控制交流伺服電機(jī)的速度控制 5-5-7 交流伺服

14、電機(jī)的位置控制交流伺服電機(jī)的位置控制2. 交流伺服電機(jī)的工作方式交流伺服電機(jī)的工作方式 扭矩控制方式；扭矩控制方式； 速度控制方式；速度控制方式； 位置控制方式。位置控制方式。模擬量輸入；模擬量輸入；數(shù)字輸入（選擇數(shù)字輸入（選擇8-16種內(nèi)部速度）；種內(nèi)部速度）；串行通信。串行通信。脈沖輸入；脈沖輸入；串行通信。串行通信。Dir + clkUp Down；AB相正交脈沖。相正交脈沖。模擬量輸入；模擬量輸入； 5-5-1 概述概述 5-5-1 概述概述3. 交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)工作方式交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)工作方式1） 閉環(huán)速度控制閉環(huán)速度控制/扭矩工作方式扭矩工作方式交流伺服驅(qū)動(dòng)器交流伺服驅(qū)動(dòng)器速度速度控制控制電流電流控制控制位置位置控制控制d/dtCNC位置位置反饋反饋位置位置控制控制伺服伺服電機(jī)電機(jī)工作臺(tái)工作臺(tái)模擬電壓模擬電壓 5-5-1 概述概述3. 交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)工作方式交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)工作方式2） 高速伺服總線閉環(huán)控制工作方式高速伺服總線閉環(huán)控制工作方式伺服伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器伺服伺服電機(jī)電機(jī)編碼器編碼器光柵光柵伺服伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器PLC伺服伺服電機(jī)電機(jī)CNC 5-5-1 概