交流伺服电动机调速系统介绍

1、6.3.3 积分调节器及比例积分调节器为“ ”地，且运放的内阻无穷大，即，输出的电压Uex为输入电压Uin对时间的积分。为积分时间常数；“”输入输出相位相反。当输入信号由0变到某一电压时，电容C以近似恒流方式进行充电，输出电压与t(时间)呈线性关系，即 ， 当t=时，ninRUi dtUdtUcRidtcUininex1110tUUinexinexUU几分调节器有三个重要特性：a.延缓性：电容C充放电需要时间，输入阶跃电压后，输出变化较缓慢，呈线性增长。b.保持性：当输出阶跃信号Uin =0后,输出仍保持在输入信号改变前的瞬时值上。当t d故用一个调节器调节两个参数n、I是困难的，难以达到良好

2、的控制品质，采用双闭环调速方式。ASR：速度调节器，是主调节器。 内环工作从属于外环ACR：电流调节器，是辅调节器。nnnUUU*调节过程如下：1）突然启动：启动前，Un* = 0,Un = 0，在突然加了Un*后的瞬间，电机的n = 0。此时， 达到最大值；由于采用的限幅的PI调节器， Un使ASR的输出i快速达到饱和值im，直到Un Un*为止（即Un为负值）。 刚启动的瞬间，电动机电流电流的反馈值i0，ACR输入信号| i |=|im*i| 最大值，在该信号作用下，ACR的输出Uc增大 PWM输出的脉宽发生变化，Ia增大，电动机启动。当启动电流达到最大值，反馈值i与给定值im*近似值相等

3、， i= 0,输出达到最大稳定值，Ia达到最大稳定值，T最大， 给定转速。由于电磁常数dj(机械常数)，电枢电流达到最大启动电流时间比转子达到给定转速时间小许多，故启动动态响应短。2）抗负载扰动 在速度给定值Un*不变的情况下，电动机负载变化时，双环系统能很好维持电动机速度不变。 外载加大时，电机Un减小, Un =(Un *Un )增大，|i|增大。在刚加瞬间i没变，故|i|ii|增大，使ACR的Uc增大,PWM输出方波的占空比变化，Ia增大。当 Un 0，在PI累作用下，|i|增大，且大于i， i增大，Uc增大 Ia增大,电机升速直到Un0且 i0，Uc在新的稳定数值上。用来平衡变化后的外

4、载，使速度不变。3）抗电网电压扰动过程 由于电网电压波动，使Ia变化，由于机电时间常数作用，当转速尚无变化时，电流负反馈值i已变化 使 i、Uc变化 PWM占空比变化，从而消除电网电压波动引起Ia的变化。小结：外载变化使n变化，由ASR调节起主要作 用；电网电压波动，使Ia变化,ACR起主要 作用。6.4 6.4 交流伺服电动机调速系统交流伺服电动机调速系统 直流伺服电机有明显的弱点由于机械换向器和电 的存在，易磨损，易产生火花，降低了电机运行的可靠性，增加了维护和保养的负担。且直流伺服电机结构复杂，成本高，使用受到一定的限制。近十多年来，直流伺服电机已被交流伺服电机所代替。交流伺服电机无电

5、、结构简单、动态响应好，输出功率大，在数控机床上广泛应用。 交流伺服电机分为 交流永磁式：用于进给 交流感应式：住轴伺服系统 由交流电的频率来决定。f 减小， n减小； f增加，n增加，可以改变供电频率的方法来调速。 交流电动机速度控制分为 标量法，属开环控制 矢量法，属闭环控制6.4.1 交流伺服电动机调速主电路 由电机学知识可知，交流电动机的转速公式为： (617)（f定子供电电压频率；P磁极对数；s转差率） 从上式可知，若均匀改变电动机定子供电电压的频率，则可以平滑地改变电动机的同步转速。 异步电机中，定子绕组的反电势为：E4.44fk，若忽略定子阻抗压降，则端电压UE4.44fk (k

6、为感应系数)。 上式说明，在感应系数kc，端电压U不变；当频率f，同步角速度升高时，气隙磁通减小，从转距公式，T=Cm I2 cos，当减小，则导致T减小，使电动机利用率恶化，严重时电动机会堵转。 另外，UC，当f减小，增大，会使磁路饱和，激励电流上升，导致缺损急剧增加。 所以，为使TC，需要保持C，即要求变频的同时改变定子电压U，即变频调速关键问题是要获得调频调压的交流电源。)1 (60sPfn定义：将电网供电的2频（f50HZ）交流电源变为适用于交流电机变频调速用的电压可变、频率可变的交流电的交流装置。变频器可分为：交交 VVVF 变频器 交直交 VV VF1）交交变频器（直接变频器、周波

7、变频器）定义：直接将电网的交流电变为电压和频率都可以调节的交流电（Variable Voltage Variable Freqency）下图由两组反并联的整流器p组和N组构成。若p组，N组交替地向负载R供电，则在负载上获得交流电压U0；U0的幅值由两组可控整流器的控制角决定。U0的频率由p、N整流器的切换频率来决定。由于U的输出波形是由供电电源波形是由供电电源波形经整流后得到的，故交流输出的频率不能高于电网的频率。P P组通组通N N组通组通0U0t2）交直交变频器 以单相负载供电为例说明可控硅整流装置把交流变为直流电，开关元件1、3和2、4交替 对负载R供电，获得负载上的交流输电U0。U0的

8、幅值由可控硅整流装置的控制角来决定；U的频率由开关元件的切换频率来定，不受电源频率的限制。1,31,3通通2,42,4通通0U0t3）变频器的基本构成整流器：为交流电，整流器可采用硅整流元件构成不可控整流器，也可采用晶闸管 可控整流器。交流输入电源可用单相或三相，视交流电机容量而定。滤波器：用来缓冲直流环节和负载之间的压力能量，电 滤波 电压型，大电感滤波 电流型。功率逆变器：直流电变为电。功率元件有晶闸管、大功率晶体管、功率场效应管。控制器：控制逆变器中个功率元件的工作状态，使逆变器输出预定电压和预定频率的交流电源。定义：将直流电变为交流电的变流装置称功率逆变器。（反之为整流器） 按功能分

9、电压型逆变器 电流型逆变器 按控制方法分 脉宽 PWM逆变器 脉幅 PAM逆变器 按逆变器波形分 矩形（方法）逆变器分类 正弦波逆变器 按使用功率元件分 晶闸管(SCR) 可关断晶闸管(GTD) 大功率晶体管(GTR ) 功率场效应管(P-MOSFET) 按逆变器控制分 固定压变，固定频率(CV,CF) 固定压变，可变频率(CV,VF) 可变电压，可变频率(VV,VF)一般，异步步电动机采用VVVF逆变器。6.4.2 SPWM波调制原理SPWM变频器同时适用于永磁式及感应式伺服电动机，采用正弦规律的脉宽调制原理，功率 数增大、波形好等优点，交流调速系统中广泛应用。 交流SPWM中，输出电压U0

10、由波调到正弦电压得到U为幅值相等、宽度不等方波信号。各脉冲的面积与正弦波下的面积成比例，脉宽基本上按正弦分布，基波是等效的正弦波。 调制原理如下：当控制电压(U1 波)U1 Ut 时，电压比 器输出 (高电平)，反之输出 电平。 双极性SPWM波调制原理将右图正弦正半周分成N等分，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都 一个与此面积相等的等幅矩形脉冲所代替，即N个等幅而步等宽的矩形脉冲组成的波形与正弦正半周等效。 任何一个平滑的曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅的脉宽正比于该函数值的矩形脉冲。 图中看出，幅值为Um脉宽按正弦规律变化的矩形脉冲。 如果这一组矩形脉冲作为逆变器多开关元件的控制信

11、号，则在逆变器输出端获得一组类似的矩形脉冲，其幅值为逆变器的直流电压 Ud，宽度按正弦规律变化。这一组矩形脉冲可用正弦波等效，正弦波的负半波，用负值三角波调制。 当逆变器输出端升高电压时，加大正弦波的幅值，逆变器输出Ud Um不变，脉宽加大，达到调压目的，当逆变器要变频时，改变正弦波频率亦可。 在三相SPWM调制中， 波发生器Ut是共用的，每一相有一个输入正弦信号和一个SPWM调制器输入Ua、Ub、Uc信号相差120的正弦交流信号，幅值频率均可调。在三相桥式逆变器中，有180 导通型换向方式和120导通性换向方式(在某一瞬间，控制一个开关器关断，同时使另一个开关器 导通，就实现了两个 之间的换

12、向)。同一个桥臂上，下两管之间互相换向的逆变器为180导通型逆变器，例：T1()后T4()，当T4()后T1()。即每个开关 在一个周期内导通的区间为180，其他相亦如此。在180导通型逆变器，每一时刻总有3个开关器导通，但须注意防止同一桥臂上的上下管相通，连成直流电源段路换向时，采取“先断后通”的原则。T6T5T4300360T5T4T3240300T4T3T2180240T3T2T1120180T6T2T160120T6T5T1060导通器件时间段180导通型逆变器开关导通规律 120导通型逆变器的换向在同一 不同桥臂的左右两管之间进行的。 例：T3()后T5()，T4()后T6(). 每

13、个开关器件一次连续 导通120，在同一时刻只有两个器件导通 。若负载由动机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。 SPWM调制波经功放后才能驱动电机。功放电路如下图：整流器：用六个硅整流元件接成三相桥式整流电路；滤波器：两只高压大容量串联接在整流器的直流输出端，以缓冲直流部分与负载之间的无功功率构成电压型变频器，并联大瓦数的电阻，是断电时电容释放之用。逆变器：采用大功率晶体管构成(GTR)1）开关频率功率器件的开关频率决定了调制三角波的频率。普通晶闸管开关频率300500HZ；大功率晶体管开关频率：15KHZ；可关断晶闸管开关频率：12KHZ；功率场效应管开关频率：20KHZ。绝缘栅式双极

14、晶体管IGBT高速开关特性好， 时间0.15s，饱 电压2.2V，是非常好的功率电子器件。IGBT耐压300V，电流达1500A。2）调制 由于功率器件开关频率的限制，所调制的脉冲波有最小的脉宽与最小的间隙限制，以保证脉宽大于器件导通和关断时间即满足： （M调制系数；U1正弦控制电压的峰值；Ut三角波载波的峰值电压）UtUM1（N载波比；ft 三角波载波的峰值电压；ft 正弦控制电压的峰值） 为保证调制波的对称性N是3的倍数，如N15，18，21，30，36，42，60，72，84，120，144，168等。ntffN 3）分段同步调制 把整个频率范围分成n段，结合同异步调制的优点，同 同步各

15、段之间N值不同。即fr 减小，N取大值；fr增大，N取小值。1）同步调制 即载波比N=C（常数），变频时ft 、fn同步变化。故一个正弦控制波周期内输出的矩形脉冲数量是不变的。若N是3的倍数保证逆变器输出的波形正负对称，三相波形互差120相位角。 缺点：低频段，相邻两脉冲的间距加大，谐波增大，使转矩脉动产生噪声。2）异步调制 载波比N变化，ft 不变化，fn 变化，在低频段，SPWM输出波的每一个正弦控制波周期内有较多的脉冲数，fr 减小，脉冲个数增大，既减小了多次谐波的电机转矩的波动、噪音。 优点：改变了低频工作特性；缺点：输出波形变化时，引起波形的不对称性和相反变化，难保证三相输出的对称关

16、系，电机工作不平稳。SPWM调制的实质：根据三角载波与正弦控制波的交点来确定功率开关管的通断时刻。数字方式SPWM控制，可实现硬件SPWM的波形，有n种方法。1）自然采样法 方法：以正弦波三角波的交点采样，从而生成SPWM波形方式。 三角波变化一周期T，与正弦波有两个交点；A发生脉冲时刻，B脉冲结束时刻。功率管导通工作区是t2关断区：脉冲的间隙时间t1、t3、t1、t2、t3在正弦波的不同频段是不一样的。 设三角波的幅值为1，正弦控制波为UMsint,根据相似三角形几何关系 及整理得： 交点相对于三角形不对称，t1t3。将事先计算的数据存入计算机内，以查表方式控制。当调速范围变化大，频段多时，公用内存多，该方法适用于有限调速场合。ActMtTsin1222BctMtTsin12 22BActtMTtttsinsin212 2222）规则采样法 以三角形波的 峰点向上作水平轴的 与正弦交于E点，过E点作水平线 ，与三角波交于A、B两点。使优点：每个采样时刻都有确定的值，计算时间较少。缺点：有一定的误差，但采取措施后可以达到精度。)(21231tTttc2sin1222EctMTt)sin1 (22EctMTt3）指定简谐波消除法 方法：计算前事先设定好每半个正弦周期用n个脉冲代替，然后以消除某些指定阶次谐波为出发点求出功率元件通断时刻。