交流伺服调速原理

1、第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 5-5 交流伺服电动机及控制交流伺服电动机及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理 5-5-3 矢量变换原理矢量变换原理 5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构永磁同步交流伺服电机的结构 5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型永磁同步交流伺服电机的数学模型 5-5-6 交流伺服电机的速度控制交流伺服电机的速度控制 5-5-7 交流伺服电机的位置控制交流伺服电机的位置控制 自自20世纪世纪80年代中期以来，为解决直流伺服电机电刷和换年代中期以来，为解决直流伺服电机电刷和换向器容易磨损、换向时会产生火花而使最

2、高转速和使应用环境向器容易磨损、换向时会产生火花而使最高转速和使应用环境受到限制，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得受到限制，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，逐渐取代了直流伺服电机，是当今全数字伺服驱到迅速发展，逐渐取代了直流伺服电机，是当今全数字伺服驱动系统的发展趋势。动系统的发展趋势。 5-5-1 概述概述 5-5 交流伺服电动机及控制交流伺服电动机及控制交流伺服电机的技术支持：交流伺服电机的技术支持： 永磁材料永磁材料 控制理论和技术控制理论和技术 大功率半导体器件大功率半导体器件 微型计算机技术微型计算机技术 大规模集成电路大规模集成电路1. 交流伺服

3、电机的特点交流伺服电机的特点2) 永磁同步交流伺服电动机的特点：永磁同步交流伺服电动机的特点： 体积小，效率高，运行可靠。体积小，效率高，运行可靠。 调速方便、机械特性好。调速方便、机械特性好。 调速范围宽。调速范围宽。 建模难度大、控制算法复杂。建模难度大、控制算法复杂。1) 异步交流伺服电机的特点：异步交流伺服电机的特点： 重量轻，价格便宜。重量轻，价格便宜。 转速随负载变化较大，低速时运动平稳性较差转速随负载变化较大，低速时运动平稳性较差 静止时自锁转矩小。静止时自锁转矩小。 5-5-1 概述概述第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 5-5 交流伺服电动机及控制交流伺服电动机及控制 5

4、-5-1 概述概述 5-5-2 交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理 5-5-3 矢量变换原理矢量变换原理 5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构永磁同步交流伺服电机的结构 5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型永磁同步交流伺服电机的数学模型 5-5-6 交流伺服电机的速度控制交流伺服电机的速度控制 5-5-7 交流伺服电机的位置控制交流伺服电机的位置控制1. 交流电机的速度和位置控制基础交流电机的速度和位置控制基础 对电机转矩控制的精度决定了电机的调速精度，也决定了电机对电机转矩控制的精度决定了电机的调速精度，也决定了电机的位置控制精度。对直流电机而言，在额定功率以下的调压控制可

5、的位置控制精度。对直流电机而言，在额定功率以下的调压控制可精确的控制转矩，因此直流伺服电机能够用于进给系统；对于主轴精确的控制转矩，因此直流伺服电机能够用于进给系统；对于主轴驱动系统的速度控制，直流电机可采用恒功率下的调磁调速。驱动系统的速度控制，直流电机可采用恒功率下的调磁调速。 对于交流电机而言，由于其同步转速为对于交流电机而言，由于其同步转速为n=60fn=60f，因此无论对于交，因此无论对于交流永磁同步电机还是异步电机，速度调节首先必须调整旋转磁场的流永磁同步电机还是异步电机，速度调节首先必须调整旋转磁场的转速，这就是转速，这就是变频调速变频调速。 对位置精度要求不高的主轴驱动系统，通

6、常采用对位置精度要求不高的主轴驱动系统，通常采用“交流异步电机交流异步电机+ +通用变频器通用变频器”调节主轴转速。调节主轴转速。 5-5-2 交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理异步交流电机异步交流电机 /600pfn磁场同步转速：磁场同步转速：转子转速：转子转速：分）转 /( )1(0nsn电机转矩公式：电机转矩公式： 5-5-2 交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理 目前，交流调速中应用最广的是目前，交流调速中应用最广的是“交交直直交交”变换，一般采用变换，一般采用PWM逆变器。逆变器。PWM调制方法有很多种，在交流电机调速中最基本、调制方法有很多种，在交流电机调速中最基

7、本、应用最广泛的调制方法是应用最广泛的调制方法是SPWM(正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制)、和、和SVPWM（空（空间矢量脉宽调制），使定子产生所需的旋转磁场，进而实现交流电机间矢量脉宽调制），使定子产生所需的旋转磁场，进而实现交流电机的速度控制。的速度控制。2、交流电机的基本调速原理、交流电机的基本调速原理 5-5 交流伺服电动机及控制交流伺服电动机及控制IPMVT1VT3VT5VT4VT6VT2RSTUVWM3 开关功放开关功放控制信号控制信号1) SPWM基本原理基本原理双极性调制法（单相）双极性调制法（单相）VT1VT2调制电路UdurucLVD1VD2 5-5-2 交流电机的基本调速原

8、理交流电机的基本调速原理 单相单相SPWM基本原理基本原理 SPWM(正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制) 以三角波为载波，正弦波为以三角波为载波，正弦波为调制波，其频率和幅值可调，两波形交点决定逆变器开调制波，其频率和幅值可调，两波形交点决定逆变器开关管状态。关管状态。单相单相SPWM基本原理基本原理 当调制波为正半周，当正弦波高于三角波时，当调制波为正半周，当正弦波高于三角波时，VT1导通、导通、VT2关断，使负载上得到的相电压为关断，使负载上得到的相电压为u0=Ud/2；当正弦波低于；当正弦波低于三角波时，三角波时，VT1关断、关断、VD2续流二极管释放能量，负载上的相续流二极管释放能量，负载

9、上的相电压为电压为u0 = -Ud/2；实现双极性调制。；实现双极性调制。VT1VT2调制电路UdurucLVD1VD2 5-5-2 交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理三相三相SPWM基本原理基本原理双极性调制法（三相）双极性调制法（三相） 通过改变调制波的幅值，可改通过改变调制波的幅值，可改 变逆变器输出电压的幅值；变逆变器输出电压的幅值； 通过改变调制波的频率，可改通过改变调制波的频率，可改变逆变器输出基波的频率。变逆变器输出基波的频率。 5-5-2 交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理SPWM变频调速系统变频调速系统SPWM变频调速系统框图变频调速系统框图 5-5-2

10、交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 5-5 交流伺服电动机及控制交流伺服电动机及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理 5-5-3 矢量变换原理矢量变换原理 5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构永磁同步交流伺服电机的结构 5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型永磁同步交流伺服电机的数学模型 5-5-6 交流伺服电机的速度控制交流伺服电机的速度控制 5-5-7 交流伺服电机的位置控制交流伺服电机的位置控制直流伺服电机直流伺服电机 单纯的变频调速无法解决交流电机的转矩控制，由于交流电单纯的变频调速无

11、法解决交流电机的转矩控制，由于交流电机的励磁电流与转矩电流耦合在一起，因此难以象直流电机那机的励磁电流与转矩电流耦合在一起，因此难以象直流电机那样直接实现调压和调磁控制，这就是早期进给伺服驱动采用直样直接实现调压和调磁控制，这就是早期进给伺服驱动采用直流电机的原因，也是单纯采用变频调速的主轴系统速度和位置流电机的原因，也是单纯采用变频调速的主轴系统速度和位置控制精度不高的原因。要想使交流电机达到同样的调速性能，控制精度不高的原因。要想使交流电机达到同样的调速性能，就需要将励磁电流与转矩电流解耦，这就是矢量控制。就需要将励磁电流与转矩电流解耦，这就是矢量控制。 5-5-3 矢量变换原矢量变换原理

12、理TeCtIaEaCenUEa+RaIa直流电机方程直流电机方程 5-5-3 矢量变换原矢量变换原理理 idiqw w0 0F Fqdia aib bw w0 0F Fb ba aiaibicw w0 0F FabcWVU三相交流坐标系三相交流坐标系（a-b-c）两相直角坐标系两相直角坐标系（a a - b b）两相旋转坐标系两相旋转坐标系（d - q）2. 交流电机矢量变换的数学模型交流电机矢量变换的数学模型IPMADCClarke变换Park Clarke变换SVPWMUW整流滤波整流滤波DCAC + +电流控制M3UUUVib bPark变换Park逆变换iUiWia aidiq速度控制

13、+ +指令速度iqridria arib br编码器编码器微分 5-5-3 矢量变换原矢量变换原理理3. 矢量变换的应用矢量变换的应用矢量变换控制原理框图矢量变换控制原理框图第五章第五章 伺服驱动系统伺服驱动系统 5-5 交流伺服电动机及控制交流伺服电动机及控制 5-5-1 概述概述 5-5-2 交流电机的基本调速原理交流电机的基本调速原理 5-5-3 矢量变换原理矢量变换原理 5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构永磁同步交流伺服电机的结构 5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型永磁同步交流伺服电机的数学模型 5-5-6 交流伺服电机的速度控制交流伺服电机的速度控制 5-5-7 交流伺服

14、电机的位置控制交流伺服电机的位置控制2. 交流伺服电机的工作方式交流伺服电机的工作方式 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。模拟量输入；模拟量输入；数字输入（选择数字输入（选择8-16种内部速度）；种内部速度）；串行通信。串行通信。脉冲输入；脉冲输入；串行通信。串行通信。Dir + clkUp Down；AB相正交脉冲。相正交脉冲。模拟量输入；模拟量输入； 5-5-1 概述概述 5-5-1 概述概述3. 交流进给伺服系统工作方式交流进给伺服系统工作方式1） 闭环速度控制闭环速度控制/扭矩工作方式扭矩工作方式交流伺服驱动器交流伺服驱动器速度速度控制控制电流电流控制控制位置位置控制控制d/dtCNC位置位置反馈反馈位置位置控制控制伺服伺服电机电机工作台工作台模拟电压模拟电压 5-5-1 概述概述3. 交流进给伺服系统工作方式交流进给伺服系统工作方式2） 高速伺服总线闭环控制工作方式高速伺服总线闭环控制工作方式伺服伺服驱动器驱动器伺服伺服电机电机编码器编码器光栅光栅伺服伺服驱动器驱动器PLC伺服伺服电机电机CNC 5-5-1 概