數(shù)控機(jī)床-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(lái)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)。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)。

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。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)。

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ns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ns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)θ角，隨著負(fù)載增加，θ也隨之增大；負(fù)載減少時(shí)，θ角也減少；只要不超過(guò)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ns旋轉(zhuǎn)。若設(shè)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為nr：

nr=ns=60f1/pnr——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ns——同步轉(zhuǎn)速p——定子和轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)f1——交流電源頻（定子供電頻率）θ——轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子磁極的軸線夾角交流主軸電機(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nr為nr——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ns——同步轉(zhuǎn)速p——定子和轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)f1——交流電源頻（定子供電頻率）s——轉(zhuǎn)差率s=（ns-nr）/ns交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速

由以上兩式可見(jiàn)，只要改變交流伺服電機(jī)的供電頻率f1，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-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)床上常采用交—直—交變頻調(diào)速。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。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(lái)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)制成脈寬按正弦規(guī)律變化的方波，用來(lái)控制交流伺服電機(jī)的速度。在調(diào)制過(guò)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(lái)的,正弦控制波。

UΔ：三角波發(fā)生器要獲得三相SPWM脈沖寬度調(diào)制波形，則需要三個(gè)互成1200的控制電壓UA、UB、UC分別與同一三角波比較，獲得三路互成1200SPWM脈沖寬調(diào)制波U0A、U0B、U0C，如圖為三相SPWM波的調(diào)制原理圖，三相控制電壓UA、ＵＢ、ＵＣ的幅值和頻率都是可調(diào)的。三角波頻率為正弦波頻率３倍的整數(shù)倍，所以保證了三路脈沖調(diào)制波形U0A、U0B、U0C與時(shí)間軸所組成的面積隨時(shí)間的變化互成1200相位角。三相電壓型ＳＰＷＭ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)行。三相逆變電路有６只具有單向?qū)щ娦缘拇蠊β书_(kāi)關(guān)管ＶＴ１～ＶＴ６組成。每支功率開(kāi)關(guān)上反并聯(lián)一支續(xù)流二極管，即圖中ＶＤ１～ＶＤ６，為負(fù)載電流滯后提供一條反饋到電源的通路。６支功率開(kāi)關(guān)每隔６００電角度導(dǎo)通一支，相鄰的兩支的功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間相差１２００，一個(gè)周期共換向６次，對(duì)應(yīng)６個(gè)不同的工作狀態(tài)（又稱為六拍）。根據(jù)功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通持續(xù)的時(shí)間不同，可以分為１８００導(dǎo)通型和１２００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。交流電機(jī)變頻調(diào)速特性有電工學(xué)原理可知

其中，ｆ１—定子供電電壓頻率；Ｎ１—定子每項(xiàng)繞組匝數(shù)；Ｋ１—定子每項(xiàng)繞組等效匝數(shù)系數(shù)；Ｕ１—定子每項(xiàng)相電壓；Ｅ１—定子每項(xiàng)繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；—每機(jī)氣隙磁通量；Ｔｍ—電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；ＣＭ—轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Ｉ２—轉(zhuǎn)子電樞電流；—轉(zhuǎn)子電樞電流的相位角由于Ｎ１、Ｋ１為常數(shù)，Φｍ與Ｕ１／ｆ１成正比。當(dāng)電機(jī)在額定參數(shù)下運(yùn)行時(shí)，Φｍ達(dá)到臨界飽和值，即Φｍ達(dá)到額定值ΦｍＮ。而在電機(jī)工作過(guò)程中，要求Φｍ必須在額定值以內(nèi)，所以Φｍ的額定值為界限，供電頻率低于額定值ｆ１Ｎ時(shí)，稱為基頻以下調(diào)速，高于額定值ｆ１Ｎ時(shí)，稱為基頻以上調(diào)速。１）基頻以下調(diào)速由可知，當(dāng)Φｍ處在臨界飽和值不變時(shí)，降低ｆ１，必須按比例降低Ｕ１，以保持Ｕ１／ｆ１為常數(shù)。若Ｕ１不變，則使定子鐵心處于過(guò)飽和供電狀態(tài)，不但不能增加Φｍ，而且會(huì)燒壞電機(jī)。當(dāng)在基頻以下調(diào)速時(shí)，Φｍ保持不變，即保持定子繞組電流不變，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Ｔｍ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。２）基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率高于額定值ｆ１Ｎ，受電機(jī)耐壓的限制，相電壓Ｕ１不能升高，只能保持額定值ΦｍＮ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Φｍ減小，由式可知輸出轉(zhuǎn)矩Ｔｍ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Ｕ１，用以補(bǔ)償定子阻抗壓降。交流伺服電機(jī)的矢量控制矢量控制是德國(guó)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(lái)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。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(guò)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(guò)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。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)。2.矢量控制的等效過(guò)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α-β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)交流電機(jī)的矢量控制過(guò)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(guò)程可用下圖所示的框圖來(lái)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)速系統(tǒng)。在交流電機(jī)三相定子繞組A、B、C上通以相位差為1200的三相交流iA、iB、iC，因而產(chǎn)生同步角速度為ω1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其磁通量為Φ1,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α、β在空間正交，分別通以兩相交流電流iα、iβ，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iα、iβ與三相電流iA、iB、iC滿足如下關(guān)系二相/三相逆變換關(guān)系為返回

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α-β兩相固定坐標(biāo)系中的交流電流i