第五章 伺服系统

1、机械工程系数数控教研教研室目 录1. 概述2. 步进电动机及驱动电路3. 交流电动机伺服系统4. 直流伺服电动机第一节 概述 一、 伺服系统的组成与分类 1、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，提供机床的切削动力。 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、进给机械传动机构及执行部件组成。进给机械传动机构由减速齿轮、滚珠丝杠副、导轨和工作台等组成。 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

2、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。第一节 概述第一节 概述 2、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、半闭环和闭环伺服系统。 3、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

3、驱动系统及直流电动机伺服系统。 第一节 概述 （一）开环伺服系统 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，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5-1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，转向取决于电动机绕组通电顺序。 工作台驱 动 控 制线路指令脉冲步进电机齿轮箱图5-1开环伺服系统简图第一节 概述 （二）半闭环伺服系统 半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，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

4、量(图5-2)。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。 位置比较速度控制 工作台伺 服 电机指令+ 速度反馈位置反馈图图5-2 5-2 半半闭环闭环伺服系伺服系统简图统简图第一节 概述（三）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5-3)，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。位置控制模块速度控制单元伺服电机 工作台

5、位 置检测测量反馈 指令 伺服驱动装置速度环 速度检测 图图5-3 5-3 闭环进给闭环进给伺服系伺服系统结构统结构位置环第一节 概述二、 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

6、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。第一节 概述 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。 另外，数控机床对主轴驱动也有一定

7、要求：1）能提供大的切削功率。2）调速范围达200:1，以利于选择合适的主轴转速。3）能满足不同的加工要求，在一定速度范围内保持恒转矩或恒功率切削。 第二节 步进电机及驱动电路 一、步进电机工作原理和主要特性 （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

8、度也受到步进电机性能的限制。 第二节 步进电机及驱动电路 步进电机在结构上分为定子和转子两部分，现以图5-4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

9、过的角度称为步距角。 A A B B C C 定子 转子 绕组 图图5-4 5-4 三相反三相反应应式步式步进电进电机机结构结构第二节 步进电机及驱动电路 为进一步了解步进电机的工作原理，以图5-5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、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

10、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，故实际应用中不采用单三拍工作方式。AABBCCAABBCCAABBCC1112223333444逆时针转300逆时针转300逆时针转300第二节 步进电机及驱动电路 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

11、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5-4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。 第二节 步进

12、电机及驱动电路2 2、步进电机的主要特性步进电机的主要特性( (性能指标性能指标) ) 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： (5-1)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。 KmZ360第二节 步进电机及驱动电路 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

13、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，不会无限累积。第二节 步进电机及驱动电路 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5-6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

14、，仍能回到稳定平衡点位置（0）。 O Mjmax M 静态稳定区 - -/2 /2 图图5-6 5-6 静态静态矩角特性矩角特性第二节 步进电机及驱动电路 3. 最大启动转矩 图5-7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5-7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。A B C图图5-7 5-7 步步进电进电机的机的启

15、动转启动转矩矩ab第二节 步进电机及驱动电路 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。 第二节 步进电机及驱动电路 6. 矩频特性与动态转矩 矩频特性是描述步

16、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5-8），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。 M Mf f图5-8 矩频特性第二节 步进电机及驱动电路3 3、步进电机步进电机的选用的选用 首先应保证步进电动机的输出转矩大于负载所需的转矩。其次，应使步进电动机的步距角与机械系统相匹配，以得到机床所需的脉冲当量。再次，应使被选电动机能与机械系统的负载惯量及机床要求的起动频率相匹配，并有一定余量，还应使其最高工作频率能满足机床运动部件快速移

17、动的要求。 表表5-15-1第二节 步进电机及驱动电路二、步进电机的驱动控制 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。 第二节 步进电机及驱动电路 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

18、发器来实现，如图5-9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。QA、QB、QC 为三个触发器的 Q 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100110010011001101即AABBBCCCA次序通电。步进电机反转时，由反向控制信号“1”

19、状态控制（正向控制为“0”），通电次序为ACACCBBBAA。1、三相六拍步进电机环形分配器的工作原理第二节 步进电机及驱动电路 正正反反置零置零CPCP指令脉冲指令脉冲A A相相B B相相C C相相图图5-9 5-9 三相六拍三相六拍环环形分配器形分配器JA KA JB KB JC KC R R SAQBQCQ第二节 步进电机及驱动电路 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5-2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

20、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，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。序 号 A B C 方 向 1 1 0 0 2 1 1 0 3 0 1 0 4 0 1 1 5 0 0 1 6 1 0 1 反转 正转 表5-2三相六拍环形分配器真值表第二节 步进电机及驱动电路 2、功率放大器 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-10为

21、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。第二节 步进电机及驱动电路前置放大 Ra L D C Rc Rd 输入U图5-10 单电压驱动电路原理图第二节 步进电机及驱动电路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

22、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-11a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，高频时带负载能力低。）图图-11 -11 三三种电种电路路电电流波形流波形iiitttcba第二节 步进电机及驱动电路 图5-12所示为高低压电路，这种电路特点是高压充电，低压维

23、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

24、凹形 。如图5-11b所示。第二节 步进电机及驱动电路U1 8 0 V V1 U2 12V t1 VD2 R2 VD1 L R1 t2 V2 图图5-12 5-12 高低高低压驱动电压驱动电路原理路原理图图单稳延时前置放大前置放大第二节 步进电机及驱动电路 恒流斩波驱动电路的原理图见图5-13，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，但刚降到额定值以下时，由于采样电

25、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5-11c），近似恒流。 第二节 步进电机及驱动电路 U1 V1 VD1 U2 L Ra VD2 R输入V2 Re 图图5-13 5-13 恒流恒流斩斩波波驱动电驱动电路原理路原理图图 高压前置放大低压前置放大控制门整形第二节 步进电机及驱动电路三、 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

26、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。第二节 步进电机及驱动电路 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。 四、应用实例介绍

27、(P95 图5-13) 第三节 交流电动机伺服系统一、交流伺服电动机的类型 在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（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。主要优点： 1、可靠性高，易散热，易维护保养； 2、转子转动惯量小，快速响应性好； 3、调速范围宽，可高速运转； 4、结构紧凑，同功率下体积、重量小；第三节 交流电动机伺服系统 交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁

28、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，鼠笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。 P97 图5-16 交流伺服电机及其驱动实形图 第三节 交流电动机伺服系统二、交流伺服电动机的工作原理 图5-17 永磁式同步型电动机工作原理 （主要指标：最大同步转矩应大于负载转矩）第三节 交流电动机伺服系统三、交流伺服系统的控制方法1、交流伺服电动机的调速方法据电机学知，交流异步电机的转速表达式为： （r/min） (5-7)式中 f1定子电源频率（Hz）； p磁极对数；

29、s转差率。 由式(5-7)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。spfn1601第三节 交流电动机伺服系统 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： (5-8) 式中 E1感应电势； Kr1基波绕组系数； N1定子

30、每相绕组串联匝数； 。 m每极气隙磁通量mrNfKE111144. 4第三节 交流电动机伺服系统 当略去定子阻抗压降时，定子相电压U1为 (5-9) 式中 KE电势系数，KE4.44Kr1 N1。mEfKEU111由式(5-9)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 (5-10) 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。22cosICTmT2第三节 交流电动机伺服系统 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

31、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。 第三节 交流电动机伺服系统 （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(5-10)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5-14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

32、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，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。 第三节 交流电动机伺服系统 （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5-15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

33、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，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。如图5-16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。第三节 交流电动机伺服系统 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 图5-14 恒转矩调速特性曲线 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 图5-15 恒Tm调速特性曲线 图5-16 恒功率调速特性曲线

34、第三节 交流电动机伺服系统 2、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

35、比较广泛。第三节 交流电动机伺服系统 3、图5-17是脉宽调制（Pulse Width Modulation简称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。 第三节 交流电动机伺服系统C 图5-17 PWM变频器的主电路原理图AB第三节 交流电动机伺服系统 3000 3000 3000 T1 uAB T5 600 T2 T3 T4 uBC uCA 1200 1800 2400 3600 T6 600 1200 1800 2400 3600 6