机电一体化交流伺服电机

1、6.3 交流伺服电机及其控制6.3.1 交流伺服电机 交流伺服电机一般有两种：笼型异步伺服电机和永磁同步伺服电机。笼型异步伺服电机的原理结构与笼型异步电动机一样的，区别在于笼型异步伺服电机输出量可调，即输入电压、电流或频率具有可控性。永磁同步伺服电机的情况与笼型异步伺服电机是十分相似的。 6.3.2 交流电动机调速种类 n=60f(1-s)/p 交流电动机调速系统种类常见有1.变极对数调速；2.变转差率调速：（1)调压调速（2）电磁转差离合器调速（3）绕线异步电机转子串电阻调速（4）绕线异步电机转子串附加电动势（串级调速）；3.变频调速等。 6.3. 晶闸管调压调速 通过改变感应电动机的定子电

2、压进行调速，它主要应用于短时或重复短时调速的设备上。晶闸管调压调速控制系统结构图： 该系统电路是采用Y形联结的三相调压电路，控制方式为转速负反馈的闭环控制。反馈电压uG与给定电压ug比较得到转速差电压un，用un通过转速调节器控制晶闸管的导通角。改变ug的值即可改变感应电动机的定子电压和电动机的转速，当uguG ，调压器的控制角因unuguG的增加而变小，输出电压提高，转速升高，至uguG才会稳定转速；反之上述过程向反方向进行。闭环调压调速系统可得到比较硬的机械特性，如图，当电网电压或负载转矩出现波动时，转速不会因扰动出现大幅度波动。如a 点，对应的转差率s=s1 当负载转矩由T1变为T2 时

3、，若开环控制，转速将下降到b点。闭环控制：转速下降， uG下降而ug不变，则un变大，调压器的控制角前移，输出电压由u1上升到u2，电动机的转速将上升到c点，这对减少低速运行时的静差度、增大调速范围是有利的。 晶闸管调压调速存在着：在低速时感应电动机的转差功率损耗大，运行效率低；采用相位控制方式时，电压为非正弦，电动机电流中存在着较大的高次谐波，电动机将产生附加谐波损耗，电磁转矩也会因谐波的存在而发生脉动，对它的输出转矩有较大的影响。6.3.(PWM)型晶闸管变频调速系统1.变频器的工作原理变频调速系统中的变频器通常分为交交变频器和交直交变频器两种。 交交变频器直接将电网的交流电变换为电压和频

4、率都可调的交流电，但输出电压的频率不能高于电网的供电频率，这适用于低频大容量的调速系统。 交直交变频器首先将电网的交流电整流为可控的直流电，然后再由逆变器将直流电逆变为交流电。 交直交变频器由整流器和逆变器两部分构成，逆变器的工作原理如图说明：三相逆变器由S1S6六个开关组成，这六个开关按照图（b）的开关动作时序表闭合、断开，就能在输出端A、B和C上得到矩形波的三相交流电，矩形波的幅值等于直流电压UDC，改变UDC的大小即可调节交流矩形波的幅值。在实际应用中UDC应是可调节的，这可由可控整流器来实现，实际的逆变器采用半导体功率（电力）器件作为开关元件如晶闸管等。. PWM型交流变频器交直交变频

5、器的控制方式主要有电流型、电压型和PWM型。脉宽调制（PWM）型变频器的特点是调频和调压任务都由逆变器担当，二极管整流器提供恒定的直流电压，讨论PWM型变频器就是讨论PWM型逆变器， PWM型逆变器的主电路如图：PWM逆变器输出电压波形的每个周是由一组等幅而不等宽的矩形脉冲构成的，与半周正弦波等效，输出电流波形很近似于正弦波。由于调频、调压都在逆变器内进行，调节及时且迅速，改善了系统的动态性能。（） PWM信号的生成PWM信号矩形脉冲序列的生成是根据下图的等效原则来实现的。PWM逆变器输出电压的脉宽调制波是由控制电路按一定的规律控制半导体开关元件的通断而产生的，这一定的规律就是PWM信号，逆变

6、器的输出电压是PWM信号的放大。将正弦波正半周划分为m等分，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲代替，由m个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的正半周等效。同理负半周也是等效的。由于矩形波的幅值恒定，要使它的面积与相应的正弦波的那一等分面积相等，只能调整矩形脉冲的宽度，这就是脉冲宽度调制（PWM）。 PWM信号的生成方法有多种，最常用是用正弦波与三角波相交来产生的，三角波称为载波（亦称调制波），其幅值恒定，而正弦波称为正弦控制波。图中PWM波脉冲的宽度对应于正弦波幅值大于三角波幅值的那一部分，该宽度按正弦规律变化，改变正弦控制波的幅值，即可改变脉冲宽

7、度，从而改变逆变器的输出电压。频率的调节有：同步和非同步调制。同步调制方式的载波和正弦控制波的频率成比例地变化，每周输出脉冲数不变；非同步调制方式的载波频率固定，只改变正弦控制波的频率。采用正弦控制波与三角波相交生成PWM信号的方法去改变正弦控制波的频率或幅值，即可改变逆变器输出频率或输出电压的幅值；同时改变正弦控制波的频率和幅值，即可达到调频又调压的目的。目前常用的PWM信号产生方法有以下几种：专用集成电路（ASIC) 生成PWM信号的专用集成电路种类较多，如脉宽调制集成电路HEF4752V及供交流伺服电机用的PLLPWM专用集成电路TA8444F和PWM用的专用集成电路SL20等。专用单片

8、机根据变频调速的需要生产的专用单片机，如80C196MC，它是16位专用单片机，片内有16KB的OTP/ROM，波形生成器及EAP等。微机生成PWM信号生成PWM信号的微机最小系统由微处理器（MPU）、可编程只读存储器（PROM）、读写存储器（RAM）、非易失性存储器、门阵列和频率指令输入回路等构成。此种微机为变频调速设计专用的，其中的非易失性存储器存放U/f的常数、加减速时间及其他常数， PWM信号在门阵列中形成并送往逆变桥GTR的基极驱动电路。(2)8051单片机与HEF4752V构成的PWM型交流调速系统 HEF4752V简介 HEF4752V引脚排列为双列直插28脚芯片， VDD接正电

9、源（+5V），VSS接地。a.驱动输出主驱动输出T1T6 T1和T驱动U相、 T3和T4驱动V相、 T5和T6驱动W相。AT1AT6辅助换相驱动输出，主电路采用晶闸管时，AT1AT6用于触发换相晶闸管。b.控制输入 工作方式选择II=0驱动输出为功率晶体管模式；I=1驱动输出为晶闸管模式。互锁推迟间隙选择K为防止上、下桥臂的功率晶体管因短路事故损坏，在上、下两管的驱动波中插入一个延时，在此时间内两管均不导通，死区时间称为互锁推迟间隙。允许禁止控制端LL=0封锁驱动输出；L=1允许T1T6输出PWM信号。相序选择CWCW=0时PWM信号相序为UWV；CW=1相序为UVW。c.时钟输入信号FCT为

10、控制逆变器输出频率f的时钟端；VCT为控制逆变器输出频压比的时钟端；RCT为控制最高开关频率的时钟端；OCT确定推迟间隙。d.控制输出RSYN为A相同步信号、触发示波器扫描；VAV模拟输出平均电压；CSP逆变器开关输出。系统组成系统由MCS-51、8253、HEF4752V及其它支持芯片组成，如图系统中HEF4752V所需的频率控制时钟fFCT由8253的通道提供，该通道的分频系数取固定值，通道的时钟信号fCLK由比例乘法器提供，比例乘法器由两只MC14527串联构成，它的数据输入D0D7由MCS-51的PB0PB7提供。可变比率系数的比例乘法器与固定分频系数的8253的通道相串联，达到均匀输

11、出fFCT控制信号；8253的通道提供VCT时钟信号，分频系数由P0口写入8253，RCT、OCT时钟脉冲直接使用系统时钟经8253的通道分频产生。晶闸管变频器工作原理如图为交直交变频器的主电路，它由整流器、中间滤波环节及逆变器三部分组成。整流器为晶闸管三相桥式电路，作用是将恒压恒频交流电变为直流电作为逆变器的直流供电电源；逆变器也是晶闸管三相桥式电路，是将直流电变换调制为可调频率的交流电，是变频器的主要组成部分；中间滤波环节由电容器、电抗器组成是对整流后的电压或电流进行滤波。根据晶闸管在一个周期内导电的不同，三相桥式逆变电路有180和120通电型。在180通电型三相逆变器中，电动机正转时，晶

12、闸管的导通顺序是VK1VK6，各触发信号间隔60相位角。 180通电型特点是每只晶闸管的导通角为60，在任意瞬间有三只晶闸管同时导通，它们的换流是在同一相桥臂内进行的。因此逆变器的输出是三相对称的交流电，各相相差120。在实际工程中是由给定信号来改变频率发生器的振荡频率，改变逆变器输出的交流频率。脉冲调制型晶闸管变频调速系统脉冲调制型变频器的特点：主回路简单、功率因数较高，由于高频调制，输出波形得到了改善，转矩脉动显著下降，调速范围增宽，但控制回路较复杂。（） PWM变频器的控制方式分为变幅脉宽调制和恒幅脉宽调制两种，变幅脉宽调制是将变频器输出电压和频率分别进行调节，如图。由晶闸管整流器与晶闸

13、管逆变器调压，也是采用相位控制，通过改变触发脉冲的相位角来获得与逆变器输出频率相对应的不同大小的直流电压，逆变器只作频率控制，由个开关元件组成，可按脉冲调制方式进行工作。 恒幅脉宽调制方式如图，由二极管整流器、中间滤波环节及逆变器三部分组成。输入恒定直流电压到逆变器，通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和输出电压的频率，既实现调压又变频，调压和变频都由PWM逆变器完成的。由于输出电压直接由逆变器接在一个公共的直流母线上，便于实现多台电动机拖动，若逆变器采用快速开关元件，可实现高频脉宽调制，可以提高系统的性能，缩小装置的体积，降低成本。（2）脉冲宽度调制方法 分为单极性和双极性调制两种，如图三相桥式

14、逆变器的单极性调制原理。它采用晶体管GTR作开关元件，负载为三相对称电阻负载，由各开关管的基极驱动信号分别控制各开关管的通断，基极驱动信号在电路中一般常以载频信号（单极性等腰三角波）uc与参考信号（直流电压）ur相比较产生，如下图：在uc和ur波形相交处发出调制信号，部分脉冲调制波形经过三相对称倒相后，a、b的相位波形及u0,0和ua,0相电压脉冲序列波形图，一个周期内有12个等腰三角波输出波正负半周对称，主回路中6个开关元件VT1VT6都是半周工作，通断6次输出6个等幅、等宽、等距的脉冲序列，另半周总处于截止状态。这6个开关元件以VT1VT6顺序轮流工作。输出的相电压波形每半个周期出现6个等宽、等距脉冲序列，中间2个脉冲高（U）、两边4个脉冲低（U