交流伺服电动机调速系统介绍

6.3.3积分调整器及百分比积分调整器1.积分调整器及控制规律∵Σ为“”地，且运放内阻无穷大，∴即，输出电压Uex为输入电压Uin对时间积分。τ—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=τ时，交流伺服电动机调速系统介绍第1页几分调整器有三个主要特征：a.延缓性：电容C充放电需要时间，输入阶跃电压后，输出改变较迟缓，呈线性增加。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瞬时值上。当t<τ时消失，；当t≥τ时消失，c.叠加性：当输入一个阶跃信号后，再输入若干阶跃信号，输出端能把这些信号累加，上跳变相加，下跳变相减。即下列图：UexUinUinUext0UinUin1Uin2Uin30Uext1t2t3t4Uex1Uex2Uex3Uex4Uin4t交流伺服电动机调速系统介绍第2页2.百分比积分(PI)调整器因为运放内阻无穷大∑为“”地，故，输出电压为：当输出阶跃电压信号时，有分析：PI调整器输出电压Uex由P、I两部分组成，在输出阶跃信号瞬间，电容C相当于短路，输出相当于一个放大系数为Kp百分比步骤，输出电压马上为KpUin；之后，随电容充电，输出电压开始积分，其数值不停增加，直到稳态，在稳态，Uin＝0，Uex仍维持稳定值。P调整放大作用加紧了系统调整过程，I调整保持叠加实现稳态无静差。交流伺服电动机调速系统介绍第3页3.转速负反馈单闭环无静差调速系统调速两个目标：·速度指令改变时，电机转速随意改变。

·速度指令不变时，电机转速稳定不变。无静差调速：稳定运行时，输入端给定值与实测量反馈值相等，相差为0。

PI调整器输出端输入给定值和反馈值Un，当二者之间差不为0时，P调整快速响应起控制作用，I最终消除稳态偏差。PMW交流伺服电动机调速系统介绍第4页工作原理以下：1）当PWM输出脉冲在正半周时，经R2C2延时后，A1输出使T1、T4(+)，而A2

，使T2、T3(-)；当PWM负半周时，经R3C3延时后，A输出,T2、T3(+)，A1

使T1、T4(-)。2）突然加了负载后，电机转矩失衡，转速下降，使，即，△Un使PI调整器输出Uc产生一个增量△Uc，该增量PWM方波占空比δ发生改变，电机转速增加Un

＝Un*为止，电机转速值增到加载前值，但Uc比前增加了△Uc△Uc引发PWM占空比改变，但不是用于改变n，是用于改变电枢电流ia，使电机转矩T与TL（外载）平衡。0*¹-=DnnUUU交流伺服电动机调速系统介绍第5页3）当外载负荷TL不变时，改变Un*，在突变瞬间，使PI调整器Uc发生了改变使PWM占空比发生了改变改变了电机转速，电枢电流没改变，当Un*=Un时，电机达新稳态。

问题：普通直流伺服电机，机电常数τj＝数ms～数s，故电磁时间常数τd＝(10～30)ms，个别小于1ms，τj>>τd故用一个调整器调整两个参数n、I是困难，难以到达良好控制品质，采取双闭环调速方式。交流伺服电动机调速系统介绍第6页4.转速、电流双闭环调速系统ASR：速度调整器，是主调整器。

内环工作隶属于外环ACR：电流调整器，是辅调整器。交流伺服电动机调速系统介绍第7页调整过程以下：1）突然开启：开启前，△Un*=0,Un=0，在突然加了Un*后瞬间，电机n=0。此时，到达最大值；因为采取限幅PI调整器，△Un使ASR输出i＊快速到达饱和值im，直到Un>Un*为止（即△Un为负值）。

刚开启瞬间，电动机电流电流反馈值i＝0，ACR输入信号|－△

i

|=|－im*＋i|最大值，在该信号作用下，ACR输出Uc增大PWM输出脉宽发生改变，Ia增大，电动机开启。当开启电流到达最大值，反馈值i与给定值im*近似值相等，－△

i=0,输出到达最大稳定值，Ia到达最大稳定值，T最大，给定转速。因为电磁常数τd>>τj(机械常数)，电枢电流到达最大开启电流时间比转子到达给定转速时间小许多，故开启动态响应短。交流伺服电动机调速系统介绍第8页2）抗负载扰动在速度给定值Un*不变情况下，电动机负载改变时，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|＝|－i＊＋i|增大，使ACRUc增大,PWM输出方波占空比改变，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△Un＝0且－△

i＝0，Uc在新稳定数值上。用来平衡改变后外载，使速度不变。3）抗电网电压扰动过程因为电网电压波动，使Ia改变，因为机电时间常数作用，当转速尚无改变时，电流负反馈值i已改变使－△

i、Uc改变PWM占空比改变，从而消除电网电压波动引发Ia改变。小结：外载改变使n改变，由ASR调整起主要作用；电网电压波动，使Ia改变,ACR起主要作用。交流伺服电动机调速系统介绍第9页6.4交流伺服电动机调速系统直流伺服电机有显著弱点——因为机械换向器和电存在，易磨损，易产生火花，降低了电机运行可靠性，增加了维护和保养负担。且直流伺服电机结构复杂，成本高，使用受到一定限制。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、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频率来决定。f减小，n减小；f增加，n增加，能够改变供电频率方法来调速。交流电动机速度控制分为标量法，属开环控制矢量法，属闭环控制交流伺服电动机调速系统介绍第10页6.4.1交流伺服电动机调速主电路由电机学知识可知，交流电动机转速公式为：(6－17)（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频率，则能够平滑地改变电动机同时转速。异步电机中，定子绕组反电势为：E＝4.44fωkΦ，若忽略定子阻抗压降，则端电压U≈E＝4.44fωkΦ(k为感应系数)。上式说明，在感应系数k＝c，端电压U不变；当频率f，同时角速度ω升高时，气隙磁通Φ减小，从转距公式，T=CmΦI2cosΦ，当Φ减小，则造成T减小，使电动机利用率恶化，严重时电动机会堵转。另外，U＝C，当f减小，Φ增大，会使磁路饱和，激励电流上升，造成缺损急剧增加。所以，为使T＝C，需要保持Φ＝C，即要求变频同时改变定子电压U，即变频调速关键问题是要取得调频调压交流电源。交流伺服电动机调速系统介绍第11页1.变频器定义：将电网供电2频（f＝50HZ）交流电源变为适合用于交流电机变频调速用电压可变、频率可变交流电交流装置。变频器可分为：交—交VVVF变频器

交—直—交VVVF1）交—交变频器（直接变频器、周波变频器）定义：直接将电网交流电变为电压和频率都能够调整交流电（VariableVoltageVariableFreqency）下列图由两组反并联整流器p组和N组组成。交流伺服电动机调速系统介绍第12页若p组，N组交替地向负载R供电，则在负载上取得交流电压U0；U0幅值由两组可控整流器控制角α决定。U0频率由p、N整流器切换频率来决定。因为U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，故交流输出频率不能高于电网频率。P组通N组通0U0t交流伺服电动机调速系统介绍第13页2）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，取得负载上交流输电U0。U0幅值由可控硅整流装置控制角α来决定；U频率由开关元件切换频率来定，不受电源频率限制。1,3通2,4通0U0t交流伺服电动机调速系统介绍第14页3）变频器基本组成整流器：～为交流电，整流器可采取硅整流元件组成不可控整流器，也可采取晶闸管可控整流器。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：用来缓冲直流步骤和负载之间压力能量，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工作状态，使逆变器输出预定电压和预定频率交流电源。交流伺服电动机调速系统介绍第15页2.逆变器定义：将直流电变为交流电变流装置称功率逆变器。（反之为整流器）按功效分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)普通，异步步电动机采取VVVF逆变器。交流伺服电动机调速系统介绍第16页6.4.2SPWM波调制原理SPWM变频器同时适合用于永磁式及感应式伺服电动机，采取正弦规律脉宽调制原理，功率数增大、波形好等优点，交流调速系统中广泛应用。1.一相SPWM波调制原理交流SPWM中，输出电压U0由△波调到正弦电压得到U为幅值相等、宽度不等方波信号。各脉冲面积与正弦波下面积成百分比，脉宽基本上按正弦分布，基波是等效正弦波。调制原理以下：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。交流伺服电动机调速系统介绍第17页双极性SPWM波调制原理将右图正弦正半周分成N等分，每一等分正弦曲线与横轴所包围面积都一个与此面积相等等幅矩形脉冲所代替，即N个等幅而步等宽矩形脉冲组成波形与正弦正半周等效。交流伺服电动机调速系统介绍第18页任何一个平滑曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅脉宽正比于该函数值矩形脉冲。图中看出，幅值为Um脉宽按正弦规律改变矩形脉冲。假如这一组矩形脉冲作为逆变器多开关元件控制信号，则在逆变器输出端取得一组类似矩形脉冲，其幅值为逆变器直流电压

Ud，宽度按正弦规律改变。这一组矩形脉冲可用正弦波等效，正弦波负半波，用负值三角波调制。当逆变器输出端升高电压时，加大正弦波幅值，逆变器输出Ud

Um不变，脉宽加大，到达调压目标，当逆变器要变频时，改变正弦波频率亦可。交流伺服电动机调速系统介绍第19页2.三相SPWM波调制在三相SPWM调制中，△波发生器Ut是共用，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°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，就实现了两个之间换向)。同一个桥臂上，下两管之间相互换向逆变器为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区间为180°，其它相亦如此。交流伺服电动机调速系统介绍第20页在180°导通型逆变器，每一时刻总有3个开关器导通，但须注意预防同一桥臂上上下管相通，连成直流电源段路换向时，采取“先断后通”标准。T6T5T4300～360°T5T4T3240～300°T4T3T2180～240°T3T2T1120～180°T6T2T160～120°T6T5T10～60°导通器件时间段180°导通型逆变器开关导通规律交流伺服电动机调速系统介绍第21页120°导通型逆变器换向在同一不一样桥臂左右两管之间进行。例：T3(－)后T5(＋)，T4(－)后T6(＋).每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。交流伺服电动机调速系统介绍第22页3.SPWM变频器功效

SPWM调制波经功放后才能驱动电机。功放电路以下列图：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直流输出端，以缓冲直流部分与负载之间无功功率组成电压型变频器，并联大瓦数电阻，是断电时电容释放之用。逆变器：采取大功率晶体管组成(GTR)交流伺服电动机调速系统介绍第23页4.SPWM调制制约条件1）开关频率功率器件开关频率决定了调制三角波频率。普通晶闸管开关频率300～500HZ；大功率晶体管开关频率：1～5KHZ；可关断晶闸管开关频率：1～2KHZ；功率场效应管开关频率：～20KHZ。绝缘栅式双极晶体管IGBT高速开关特征好，时间0.15μs，饱电压2.2V，是非常好功率电子器件。IGBT耐压300V，电流达1500A。2）调制因为功率器件开关频率限制，所调制脉冲波有最小脉宽与最小间隙限制，以确保脉宽大于器件导通和关断时间即满足：

（M—调制系数；U1—正弦控制电压峰值；Ut—三角波载波峰值电压）交流伺服电动机调速系统介绍第24页5.SPWM同时／异步调制（N—载波比；ft—三角波载波峰值电压；ft—正弦控制电压峰值）为确保调制波对称性N是3倍数，如N＝15，18，21，30，36，42，60，72，84，120，144，168等。交流伺服电动机调速系统介绍第25页3）分段同时调制

把整个频率范围分成n段，结协议异步调制优点，同同时各段之间N值不一样。即fr

减小，N取大值；fr增大，N取小值。1）同时调制即载波比N=C（常数），变频时ft

、fn同时改变。故一个正弦控制波周期内输出矩形脉冲数量是不变。若N是3倍数确保逆变器输出波形正负对称，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改变，ft

不改变，fn

改变，在低频段，SPWM输出波每一个正弦控制波周期内有较多脉冲数，fr减小，脉冲个数增大，既减小了屡次谐波电机转矩波动、噪音。

优点：改变了低频工作特征；缺点：输出波形改变时，引发波形不对称性和相反改变，难确保三相输出对称关