数控机床-交流伺服电机

交流伺服电机直流电机的缺点：

·电刷和换向器易磨损，有时产生火花；

·换向器的制作工艺复杂；·电机的最高速度受到限制；

·结构复杂，成本较高近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。交流伺服电机的分类与特点在数控机床上应用的交流电机一般都为三相。

异步交流伺服电机(主轴驱动）电磁式同步交流伺服电机磁带式非电磁式永磁式反应式磁带式和反应式同步电机存在效率低、功率因数差、制造容量不大等缺点。

优点：结构简单、运行可靠、效率高；永磁式同步电机

缺点：体积大、启动特性欠佳；与直流电机相比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小

因此，在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式交流同步电机。异步交流伺服电机与同容量的直流电机相比的优缺点：优点：重量轻、价格便宜；缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较广的平滑调速；

相当于感应式交流异步电机，一般用在主轴驱动系统中。永磁式交流同步电机结构

永磁交流同步电机主要由定子、转子和检测元件组成。交流永磁同步电机的定子与异步电机的定子结构相似，是由硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成。交流永磁同步电机的转子采用永磁稀土材料制成，永磁转子产生固定磁场。

原理和性能

当定子三相绕组通上交流电流后，产生一个以转速ns转动的旋转磁场。转子磁场由永久磁铁产生，用另一对磁极表示。由于磁极同性相斥，异性相吸，定子的旋转磁场与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此，转子也将以同步转速ns与旋转磁场一起转动。当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ角，随着负载增加，θ也随之增大；负载减少时，θ角也减少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速ns旋转。若设转子转速为nr：

nr=ns=60f1/pnr——转子转速ns——同步转速p——定子和转子的极对数f1——交流电源频（定子供电频率）θ——转子磁极轴线与定子磁极的轴线夹角交流主轴电机交流主轴电机与普通感应式伺服电机的工作原理相同。有电工学原理可知，在电机定子三相绕组通以三相交流电时，会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动转子转动，其转速nr为nr——转子转速ns——同步转速p——定子和转子的极对数f1——交流电源频（定子供电频率）s——转差率s=（ns-nr）/ns交流伺服电机的变频调速

由以上两式可见，只要改变交流伺服电机的供电频率f1，即可改变交流伺服电机的转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是：为电机提供频率可变的电源变频器。变频器可分为：

交——交变频交——直——交变频交—交变频

交—交变频方式是利用可控硅整流器直接将工频交流电（频率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出反脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的交频电压。这种调频方式所得的交流电波动比较大，而且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。整流器：把交流电变成固定的或可调的直流电交-直-交变频先将交流电整成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。这种调频方式所得的交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。数控机床上常采用交—直—交变频调速。交—直—交变频中间直流电压可调PWM逆变器中间直流电压是否可调中间直流电压固定PWM逆变器

中间直流电路上的储能元件电压型逆变器是大电容还是大电感，分为电流型逆变器逆变器：把固定的直流电变为固定的或可调的交流电SPWM变频器是目前使用最广、最基本的一种交-直-交电压型变频器，也称为正弦波PWM变频器，具有输入功率因数高和输出波型好等优点，不仅适用于永磁式交流同步电机，也适用于感应式交流异步电机，在交流调速系统中获得广泛应用。SPWM变压变频器调制原理（以单相为例）正弦脉宽调制（SPWM）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。正弦波的正负半周均如此处理SPWM波形可采用模拟电路、以调制的方法实现。SPWM调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压信号，利用三角波电压与正弦参考电压相比较来确定各分段矩形脉冲的宽度。SPWM的调制原理与直流电机的SPWM的调制原理是相同的，调制信号都是三角波，调制后的波形都是方波，不同的是SPWM把正弦波调制成脉宽按正弦规律变化的方波，用来控制交流伺服电机的速度。在调制过程中可以是双极性调制，也可以是单极性调制。双极性能同时调制出正半波和负半波，而单极性调制只能调制出正半波或负半波，再将调制波倒相得到另外半波形，然后相加得到一个完整的SPWM波。SPWM控制波的生成:正弦波—三角波调制

Q：电压比较器

UR：由指令脉冲转换来的,正弦控制波。

UΔ：三角波发生器要获得三相SPWM脉冲宽度调制波形，则需要三个互成1200的控制电压UA、UB、UC分别与同一三角波比较，获得三路互成1200SPWM脉冲宽调制波U0A、U0B、U0C，如图为三相SPWM波的调制原理图，三相控制电压UA、ＵＢ、ＵＣ的幅值和频率都是可调的。三角波频率为正弦波频率３倍的整数倍，所以保证了三路脉冲调制波形U0A、U0B、U0C与时间轴所组成的面积随时间的变化互成1200相位角。三相电压型ＳＰＷＭ变频器的主回路有两部分组成，即左侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路，逆变器是其核心。桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而逆变器的作用则是将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行。三相逆变电路有６只具有单向导电性的大功率开关管ＶＴ１～ＶＴ６组成。每支功率开关上反并联一支续流二极管，即图中ＶＤ１～ＶＤ６，为负载电流滞后提供一条反馈到电源的通路。６支功率开关每隔６００电角度导通一支，相邻的两支的功率开关导通时间相差１２００，一个周期共换向６次，对应６个不同的工作状态（又称为六拍）。根据功率开关导通持续的时间不同，可以分为１８００导通型和１２００导通型两种工作方式。导通方式不同，输出电压波形也不同。交流电机变频调速特性有电工学原理可知

其中，ｆ１—定子供电电压频率；Ｎ１—定子每项绕组匝数；Ｋ１—定子每项绕组等效匝数系数；Ｕ１—定子每项相电压；Ｅ１—定子每项绕组感应电动势；—每机气隙磁通量；Ｔｍ—电机电磁转矩；ＣＭ—转矩常数；Ｉ２—转子电枢电流；—转子电枢电流的相位角由于Ｎ１、Ｋ１为常数，Φｍ与Ｕ１／ｆ１成正比。当电机在额定参数下运行时，Φｍ达到临界饱和值，即Φｍ达到额定值ΦｍＮ。而在电机工作过程中，要求Φｍ必须在额定值以内，所以Φｍ的额定值为界限，供电频率低于额定值ｆ１Ｎ时，称为基频以下调速，高于额定值ｆ１Ｎ时，称为基频以上调速。１）基频以下调速由可知，当Φｍ处在临界饱和值不变时，降低ｆ１，必须按比例降低Ｕ１，以保持Ｕ１／ｆ１为常数。若Ｕ１不变，则使定子铁心处于过饱和供电状态，不但不能增加Φｍ，而且会烧坏电机。当在基频以下调速时，Φｍ保持不变，即保持定子绕组电流不变，电机的电磁转矩Ｔｍ为常数，称为恒转矩调速，满足数控机床主轴恒转矩调速运行的要求。２）基频以上调速在基频以上调速时，频率高于额定值ｆ１Ｎ，受电机耐压的限制，相电压Ｕ１不能升高，只能保持额定值ΦｍＮ不变。在电机内部，由于供电频率的升高，使感抗增加，相电流降低，使Φｍ减小，由式可知输出转矩Ｔｍ减小，但因转速提高，使输出功率不变，因此成称为恒功率调速，满足数控机床主轴恒功率调速运行的要求。当频率很低时，定子阻抗压降已不能忽略，必须人为地提高定子电压Ｕ１，用以补偿定子阻抗压降。交流伺服电机的矢量控制矢量控制是德国F.Blasche于1971年提出的矢量控制是把交流电机模拟成直流电机，用对直流电机的控制方法来控制交流电机，使其变频调速后的机械特性和动态特性接近直流电机的性能已广泛应用于工业生产实践中。1.矢量控制的基本原理基本思想：利用“等效”概念，将三相交流电机输入的电流（矢量）变换为等效的直流电机中彼此独立的励磁电流和电枢电流（标量），建立起交流电机的等效数学模型，然后通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电机，那么三相交流电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能。等效变化的准则：变换前后必须产生同样的旋转磁场。2.矢量控制的等效过程(1)三相／二相变换将三相交流电机变化为等效的二相交流电机以及与其相反的变化。采用的方法：把异步电动机的A、B、C三相坐标系的交流量变换为α-β两相固定坐标系的交流量(2)矢量旋转变换将二相交流电机变换为等效的直流电机。详细详细交流电机的矢量控制过程框图以上所述的交流电机的矢量控制的基本思想和控制过程可用下图所示的框图来表达，根据矢量变换原理就可组成交流伺服电机矢量控制变频调速系统。在交流电机三相定子绕组A、B、C上通以相位差为1200的三相交流iA、iB、iC，因而产生同步角速度为ω1的旋转磁场，其磁通量为Φ1,将这样的一个三相交流电机等效成一个二相交流电机，该二相交流电机的两个定子绕组α、β在空间正交，分别通以两相交流电流iα、iβ，产生的旋转磁场的同步角速度和磁通与三相交流电机一致，则该二相交流电机与三相交流电机等效。等效条件是两相电流iα、iβ与三相电流iA、iB、iC满足如下关系二相/三相逆变换关系为返回

将三相交流电机变换为二相交流电机后，还需要将二相交流电机变换为等效的直流电机。方法是：静止/旋转变换是将α-β两相固定坐标系中的交流电流i