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1、第六章第六章数控机床的伺服系统数控机床的伺服系统第一节第一节概述概述一、一、伺服系统的组成伺服系统的组成数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。返回课件首页进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精
2、确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。数控机床闭环进给系统的一般结构如图6-1所示，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度检测装置提供速度反馈值的速
3、度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。位置控制模块速度控制单元伺 服 电机工作台位置检测测 量 反馈速度环速度检测位置环图6-1闭环进给伺服系统结构指令伺服驱动装置二、二、对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求1.位移精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和
4、该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。2.稳定性好稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。3.快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。4.调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中，由于所用
5、刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。5.低速大扭矩要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出。三、伺服系统的分类三、伺服系统的分类数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。（一）开环和闭环伺服系统开环伺服系统采用步进电机作为驱动
6、元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。如图6-2为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。齿轮箱步进电机指令脉冲图6-2开环伺服系统简图工作台驱动控制线路闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系统。闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上（图6-1），检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装
7、在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量(图6-3)。即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。指令+-速度反馈位置反馈图6-3半闭环伺服系统简图位置比较速度控制工作台伺服电机（二）进给驱动与主轴驱动进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动
8、功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。（三）直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流
9、伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。第一第一节节步进电机及
10、其驱动装置步进电机及其驱动装置一、步进电机工作原理一、步进电机工作原理步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图6-4所示的反应式三相步进电机为例加以说明。定子上有六个磁极，每个磁极上绕有励磁绕组，每相对
11、的两个磁极组成一相，分成A、B、C三相。转子无绕组，它是由带齿的铁心做成的。步进电机是按电磁吸引的原理进行工作的。当定子绕组按顺序轮流通电时，A、B、C三对磁极就依次产生磁场，并每次对转子的某一对齿产生电磁引力，将其吸引过来，而使转子一步步转动。每当转子某一对齿的中心线与定子磁极中心线对齐时，磁阻最小，转矩为零。如果控制线路不停地按一定方向切换定子绕组各相电流，转子便按一定方向不停地转动。步进电机每次转过的角度称为步距角。图6-4三相反应式步进电机结构为进一步了解步进电机的工作原理，以图6-5为例来说明其转动的整个过程，假设转子上有四个齿，相邻两齿间夹角（齿距角）为900。当A相通电时，转子1
12、、3齿被磁极A产生的电磁引力吸引过去，使1、3齿与A相磁极对齐。接着B相通电，A相断电，磁极B又把距它最近的一对齿2、4吸引过来，使转子按逆时针方向转动30o。然后C相通电，B相断电，转子又逆时针旋转30o，依次类推，定子按ABCA顺序通电，转子就一步步地按逆时针方向转动，每步转30o。若改变通电顺序，按ACBA使定子绕组通电，步进电机就按顺时针方向转动，同样每步转30o。这种控制方式叫三相单三拍方式，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。由于每次只有一相绕组通电，在切换瞬间将失去自锁转矩，容易失步，另外，只有一相绕组通电，易在平衡位置附近产生振荡，稳定性不佳，故实
13、际应用中不采用单三拍工作方式。采 用 三 相 双 三 拍 控 制 方 式，即 通 电 顺 序 按ABBCCAAB（逆时针方向）或ACCBBAAC（顺时针方向）进行，其步距角仍为300。由于双三拍控制每次有二相绕组通电，而且切换时总保持一相绕组通电，所以工作比较稳定。如果按AABBBCCCAA顺序通电，即首先A相通电，然后A相不断电，B相再通电，即A、B两相同时通电，接着A相断电而B相保持通电状态，然后再使B、C两相通电，依次类推，每切换一次，步进电机逆时针转过15。如通电顺序改为AACCCBBBAA，则步进电机以步距角15顺时针旋转。这种控制方式为三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因
14、而精度更高，且转换过程中始终保证有一个绕组通电，工作稳定，因此这种方式被大量采用。实际应用的步进电机如图6-4所示，转子铁心和定子磁极上均有齿距相等的小齿，且齿数要有一定比例的配合。图6-5步进电机工作原理二、步进电机的主要性能指标二、步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：(6-1)式中步进电机的步距角；m电机相数；Z转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，K2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步
15、实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。2.静态转矩与矩角特性当步进电机上某相定子绕组通电之后，转子齿将力求与定子齿对齐，使磁路中的磁阻最小，转子处在平衡位置不动（0）。如果在电机轴上外加一个负载转矩Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，如图6-6所示，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最
16、大静转矩。在静态稳定区内，当外加负载转矩除去时，转子在电磁转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。图6-6静态矩角特性3.最大启动转矩图6-7为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻A相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩。如果外加负载转矩大于，电机就不能启动。如图6-7所示,当A相通电时，若外加负载转矩，对应的失调角为，当励磁电流由A相切换到B相时，对应角，B相的静转矩为。从图中看出,电机不能带动负载做步进运动，因而启动转矩是电机能带动负载转动的极限转矩。abABC图6-7步进电机的启动转矩4.启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不
17、失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。5.连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。6.矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系（见图6-8），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率
18、逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。Mf图6-8矩频特性三三步进电机功率驱动步进电机功率驱动步进电机驱动线路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机。
19、现介绍三相六拍步进电机环形分配器的工作原理。硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现，如图6-9所示，该线路由与非门和JK触发器组成。指令脉冲加到三个触发器的时钟输入端CP，旋转方向由正、反控制端的状态决定。为三个触发器的端输出，连到A、B、C三相功率放大器。若“1”表示通电，“0”表示断电，对于三相六拍步进电机正向旋转，正向控制端状态置“1”，反向控制端状态置“0”。初始时，在预置端加上预置脉冲，将三个触发器置为100状态。当在CP端送入一个脉冲时，环形分配器就由100状态变为110状态，随着指令脉冲的不断到来，各相通电状态不断变化，按照10011001001100
20、1101即AABBBCCCA次序通电。步进电机反转时，由反向控制信号“1”状态控制（正向控制为“0”），通电次序为ACACCBBBAA。SA相B相RC相R正反置零CP指令脉冲图6-9三相六拍环形分配器JAKAJBKBJCKC软件环形分配器实现较为简单、方便。计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，常用的是查表法。例如对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据表6-1所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。如果上一个进给脉冲到来时，控制输出接口输出的A、B、C的值是100，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制输出接口输出的值是110，
21、再下一个正向进给脉冲，应是010，而使步进电机正向地旋转起来。表6-1三相六拍环形分配器真值表功率放大器的作用是将环形分配器发出的电平信号放大至几安培到几十安培的电流送至步进电机各绕组，每一相绕组分别有一组功率放大电路。以下介绍三种典型的驱动电路：单电压简单驱动、高低压驱动和恒流斩波驱动。图6-10为单电压功放电路，L为步进电机励磁绕组的电感，Ra为绕组电阻，Rc为外接电阻，电阻Rc并联一电容C，可以提高负载瞬间电流的上升率，从而提高电动机快速响应能力和启动性能。环形分配器输出为高电平时，T饱和导通，绕组电流按指数曲线上升，电路时间常数=L/(Ra+Rc)，它表示功放电路在导通时允许步进电机绕
22、组电流上升的速率。串联电阻Rc可以使电流上升时间减小，改善带负载能力。但电阻消耗了一部分功率，降低了效率。当环形分配器输出为低电平时，T截止，绕组断电，因步进电机的绕组是电感性负载，当T管从饱和到突然截止的瞬间，将产生一较大反电势，此反电势与电源电压叠加在一起加在T管的集电极上，可能会使T管击穿。因此，续流二极管D和电阻Rd接在T管集电极和电源之间，组成放电回路，使T管截止瞬间电机产生的反电势通过二极管D续流作用而衰减掉，从而保护晶体管不受损坏。图6-11为电流波形，可见电流波形前沿不陡，绕组电流缓慢增加，而使电机带负载能力下降。单电压驱动电路的优点是线路简单，缺点是电流上升不够快，高频时带负
23、载能力低。URaLDCRcRd输入图6-10单电压驱动电路原理图前置放大图6-11三种电路电流波形图6-12所示为高低压电路，这种电路特点是高压充电，低压维持。当环形分配器输出高电平时，两只功率放大管T1，T2同时导通，电机绕组以80V高压供电，绕组电流快速上升，前沿很陡，当接近额定电流时，单稳延时时间到，T1管截止，改由低压12V供电，维持绕组额定电流。若高低压之比为U1/U2，则电流上升也提高U1/U2倍，上升时间明显减小。当低压断开时，电感中储能通过构成的放电回路放电，因此也加快了放电过程。这种供电线路由于加快了绕组电流的上升和下降过程，有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率。由
24、于额定电流是由低压维持的，只需较小的限流电阻，功耗小。该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流，能产生较大且较稳定的电磁转矩，缺点是高低压电路波形连接处有凹形U1 80VV1U212Vt1VD2R2VD1LR1t2V2图6-12高低压驱动电路原理图单稳延时前置放大前置放大恒流斩波驱动电路的原理图见图6-15，其工作原理是：环形分配器输出的正脉冲将T1，T2导通，由于U1电压较高，绕组回路又没串电阻，所以绕组电流迅速上升，当绕组电流上升到额定值以上的某一数值时，由于采样电阻Re的反馈作用，经整形、放大后送自T1的基极，使T1管截止。接着绕组由U2低压供电，绕组中的电流立即下降，但刚降到额定值以
25、下时，由于采样电阻Re的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使T1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定电流值上下波动呈锯齿状的绕组电流波形（见图6-14），近似恒流。U1V1VD1VD2U2RLRaV2输入Re图6-13恒流斩波驱动电路原理图高压前置放大低压前置放大控制门整形四、四、开环控制步进式伺服系统的工作原理开环控制步进式伺服系统的工作原理1.工作台位移量的控制数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为，则步进电机转过的角位移量N，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲
26、数决定了工作台的直线位移量L。2.工作台进给速度的控制数控装置发出的进给脉冲频率为f，经驱动控制线路，表现为控制步进电机定子绕组的通电、断电状态的电平信号变化频率，定子绕组通电状态变化频率决定步进电机的转速，该转速经过减速齿轮及丝杠、螺母之后，体现为工作台的进给速度V，即进给脉冲的频率决定了工作台的进给速度。3.工作台运动方向的控制改变步进电机输入脉冲信号的循环顺序方向，就可改变定子绕组中电流的通断循环顺序，从而使步进电机实现正转和反转，相应的工作台进给方向就被改变。第四节第四节交流伺服系统交流伺服系统一、数控机床用交流电机一、数控机床用交流电机在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型
27、（感应电机）两种。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。二、交流电机的速度控制二、交流电机的速度控制(一)交流电机的调速据电机学知，交流异步电
28、机的转速表达式为：（r/min）(6-7)式中f1定子电源频率（Hz）；p磁极对数；s转差率。由式(6-7)可知异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。由上述分析可知改变频率f1，可平滑调节同步转速。但在实际调速时，只改变频率是不够的，现在来看一下变频时电动机的机械特性的变化情况，由电机学知：(6-8)式中E1感应电势；K
29、r1基波绕组系数；N1定子每相绕组串联匝数；m每极气隙磁通量。当略去定子阻抗压降时，定子相电压U1为(6-9)式中KE电势系数，KE4.44Kr1 N1。由式(6-9)可见，定子电压不变时，随f1的上升，气隙磁通m将减小。又从转矩公式(6-10)式中CT转矩常数；I2折算到定子上的转子电流；cos转子电路功率因数。可以看出，m减小导致电机允许输出转矩T下降，则电机利用率下降，电机的最大转矩也将降低，严重时可能发生负载转矩超过最大转矩，电机就带不动了，即所谓堵转现象。又当电压U1不变，减小f1时，m上升会造成磁路饱合，激磁电流会上升，铁心过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。故在调频调速中，要
30、求在变频的同时改变定子电压U1，以维持m接近不变，由U1，f1不同的相互关系,而得出不同的变频调速方式、不同的调速机械特性。1.恒转矩调速由转子电流与主磁通作用而产生的电磁转矩公式(6-10)可知，T与m、I2成正比。要保持T不变，即要求U1/f1为常数，可以近似地维持m恒定。此时的机械特性曲线族如图6-24所示。由图可见，保持U1/f1为常数进行变频调速时，这些特性曲线的线性段基本平行，类似直流电机的调压特性。但最大转矩Tm随着f1下降而减小。这是因为f1高时，E1数值较大，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例较小，可以认为U1近似于定子绕组中感应电势E1。而当f1相对很较低时，E1数值变小，
31、U1值也变小，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例增大，E1与U1相差很大，所以m减小，从而使Tm下降。2.恒最大转矩（Tm）调速为了在低速时保持最大转矩Tm不变，就必须采取E1/f1=常数的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm调速的机械特性见图6-25所示，对应于同一转矩，转速降基本不变，即直线部分斜率不变，机械特性平行地移动。3.恒功率调速为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通m将随着f1的升高而降低。这时，相
32、当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。如图6-26所示，随着频率增加，转矩减少，而转速增加，可得近似恒功率的调速特性。图6-24恒转矩调速特性曲线图6-25恒Tm调速特性曲线图6-26恒功率调速特性曲线（二）交流感应电机矢量控制原理矢量控制理论最先是在1971年由德国学者F.Blachke提出的。在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制量只有电机磁场和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（）与磁通和电枢电流Ia分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具
33、有与直流电机近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控制。图6-27a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为0的旋转磁场。如果用图6-27b中的两套空间相差900的绕组和来代替，并通以两相在时间上相差900的交流电流，使其也产生角速度为0的旋转磁场，则可以认为图6-27a和图6-27b中的两套绕组是等效的。若给图6-27c所示模型上两个互相垂直绕组d和q，分别通以直流电流和，则将产生位置固定的磁场，如果再使绕组以角速度0旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与图6-27a一样。1.三
34、相A、B、C系统变换到两相、系统2.3.图6-27交流电机三相/二相直流电机变换这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。图6-27a所示的三相异步电机的定子三相绕组，彼此相差1200空间角度，当通以三相平衡交流电流时，在定子上产生以同步角速度旋转的磁场矢量。三相绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的、绕组代替，并通以两相在时间上相差900的交流平衡电流和，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别和0，则可以认为图6-27a、b中的两套绕组是等效的。应用三相/二相的数学变换公式，将其化为二相交流绕组的等效交流磁场。则产生的空间旋转磁场与三相A、B、C绕组产生的旋转磁场一致。令三
35、相绕组中的A相绕组的轴线与坐标轴重合，其磁势为（见图6-28a）。(6-11)按照磁势与电流成正比关系，可求得对应的电流值和(6-12)除磁势的变换外，变换中用到的其它物理量，只要是三相平衡量与二相平衡量，则转换方式相同。这样就将三相电机转换为二相电机，如图6-27b。FBFi600FAi1iq600FidiFCa）b)图6-28三相磁动势的变换2.矢量旋转变换将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机，见图6-27c。若设图6-27c中d为激磁绕组，通以激磁电流，q为电枢绕组，通以电枢电流，则产生固定幅度的磁场，在定子上以角速度旋转。这样就可看成是直流电机了。将二相交
36、流电机转化为直流电机的变换，实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换。这里，就是把、转化为、，转化条件是保证合成磁场不变。在图6-28b中，和的合成矢量是，将其在方向及垂直方向投影，即可求得与。与在空间以角速度旋转。转换公式为(6-13)3.直角坐标与极坐标的变换矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。如图6-28b中，由和求，其公式为(6-14)采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点，而且结构简单、可靠，电机容量不受限制，与同等直流电机相比机械惯量小，其前景非常可观。（三）交流电机的变频调速交流电机调速种类很多，应用最多的是变频调速。变频调
37、速的主要环节是能为交流电机提供变频电源的变频器。变频器的功用是，将频率固定（电网频率为50Hz）的交流电，变换成频率连续可调（0400Hz）的交流电。变频器可分为交-直-交变频器和交-交变频器两大类。交-直-交变频器是先将频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率可变的交流电。交-交变频器不经过中间环节，把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电。因只需一次电能转换，效率高，工作可靠，但是频率的变化范围有限。交-直-交变频器，虽需两次电能的变换，但频率变化范围不受限制，目前应用得比较广泛，本书以这种变频器为例做介绍。图6-29是脉宽调制（PulseWidthModulation简
38、称PWM）变频器的主电路。它由担任交-直变换的二极管整流器和担任直-交变换、同时完成调频和调压任务的脉冲宽度调制逆变器组成。图中续流二极管D1D6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管（全控式功率开关器件）T1T6组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。电容器Cd的功能是：滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。图6-29PWM变频器的主电路原理图图6-30各逆变管的通断安排图6-31三相逆变桥的输出电压下面讨论逆变管
39、T1T6以怎样的顺序动作（导通和关断）才能将直流电变为三相交流电？如图6-30所示，在t1、t2时间内，T1、T6同时导通，A为正，B为负，uAB为正。在t4、t5时间内，T3、T4同时导通，A为负，B为正，uAB为负。在t3、t4时间内，T3、T2同时导通，B为正，C为负，uBC为正。在t6、t1时间内，T5、T6同时导通，B为负，C为正，uBC为负。在t5、t6时间内，T5、T4同时导通，C为正，A为负，uCA为正。在t2、t3时间内，T1、T2同时导通，C为负，A为正，uCA为负。6-30所示为逆变管的工作情况，图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。逆变桥输出的线电压波形如图
40、6-31所示，由图可见，各相之间的相位互差1200，它们的幅值都与直流电压Ud相等。只要按照一定的规律来控制逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电。改变逆变管导通和关断时间，即可得到不同的输出频率。利用脉冲宽度调制逆变器可实现变频也变压。如图6-32所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。与图6-32a相比，图6-32b所示电压周期增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。图6-32脉宽调制的输出电压采用PWM方法控制逆变管的通、断时，可获得一组幅值相等、宽度相同的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可控制其输出电压，改
41、变调制周期可控制其输出频率，同时实现变压和变频。因输出电压波形为矩形波，具有许多高次谐波成分。对电机来说，有用的是电压的基波。为了减少谐波影响，提高电机的运行性能，应采用对称的三相正弦波电源为三相交流电机供电。正弦波脉宽调制型逆变器（SPWM）的输出端可获一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。SPWM脉宽调制波形，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大大减少。下面介绍用正弦波（调制波）控制，三角波（载波）调制的采用模拟电路元件实现SPWM（正弦波脉宽
42、调制）控制的变频器的工作原理。如图6-33所示，首先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角波信号VT和正弦波信号VS，然后送入电压比较器A，产生SPWM调制的矩形脉冲。图6-34a所示的数字位置为这二种波形交点，决定了逆变器某相元件的通断时间（在此为A相），即T1和T4的通断，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度。当正弦波高于三角波时，开关器件T1导通、T4关断，使负载上得到的相电压为uA=Ud/2；当正弦波低于三角波时，开关器件T1关断、T4导通，负载上的相电压为uA=Ud/2；调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，调制出脉宽波形如图6-34b。由相电压合成
43、为线电压时，如uAB=uA-uB，可得逆变器输出线电压脉冲系列，其脉冲幅值为Ud和Ud。图6-33电路原理图VVSVT12345678914t10111213ua)+Ud/2t-Ud/2b)图6-34脉宽调制波的形成改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；增加调制波的幅值时，各段脉冲的宽度都将变宽，从而使输出电压基波的幅值也相应变大。如果用这样的矩形脉冲作为逆变管的控制信号，则在逆变器输出端可以获得一组类似的矩形脉冲，其幅值就是直流侧的整流电压Ud，其宽度是按正弦规律变化的。采用模拟电路调制的优点是完成VT与VS信号的比较和确定脉冲宽度所用的时间短，几乎是瞬间完成的。然而，这种方法的
44、缺点是所需要硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强。缺点是需要通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而，随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。微机控制的SPWM控制模式有多种，以规则取样法为例来介绍。微机是采用计算的办法寻找三角波VT与参考正弦波VS的交点从而确定SPWM脉冲宽度的。VT和VS的交点A1、B1能准确求得，从而确定脉冲宽度t2，但计算工作量较大。为简化计算，可采用
45、近似的求VT和VS交点的方法。通过两个三角波峰之间中线与VS的交点m作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点A和B确定的SPWM脉宽为t2，显然，t2与t2数值相近。规则取样法就是用VT和VS近似交点A和B代替实际的交点A1和B1，用以确定SPWM脉冲信号的。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减少了计算工作量。由图6-35可很容易地导出规则取样法的计算公式。设三角波和正弦波的周期分别为TT和TS，幅值分别为UT和US。t1为在TT时间内，在脉冲发生以前（即A点以前）的间歇时间，t2为AB之间的脉宽时间，t3为在TT以内B点以后的间隙时间。显然TT=t1+t2+t3，t1、t3及t2可由下式计算图6-35规则取样SPWM调制模式返回课件首页返回本章首页