课件教学记录-交流伺服与变频技术及应用

附:课件&教学记录

课程导论

交流伺服与变频技术

主讲人：龚仲华

职称：二级教授

导论

一、交流电机控制系统概述

1.交流传动与交流伺服

电机与作用

电机作用：将电能转变为机械能。

交流电机：通入电机的电流为交流电。控制难，

但结构简单、转速高、几乎不需要维修。

直流电机：通入电机的电流为直流电。控制容

易，但结构夏杂，转速低，维修工作量大。

研发交流电机控制系统是当前技术发展的方向。

电机需要控制什么？

速度：改变电机转速，控制机械运动速度；

位置：保证在指定位置停止，控制机械定位。

控制速度的系统称为传动系统；

控制位置的系统称为伺服系统。

©要麻

交流电机驱动的伺服系统、传动系统统称为交流电机

控制系统；

伺服系统同样需要控制电机的速度和转矩。

2.交流电机的调速

交流电机的种类

同步电机：在允许范围内，如交流电的频率不变，

负较变化不会引起电机转速的变化。

康应电机：即使交流电的频率不变，电机的转速也将

随着负载的增加而降低。.

感应电机俗称异步电机；伺服电机是同步电机。.

交流电机的转速公式

同步电机：no=6Of/P（同步转速）

感应电机：n=n0（1-S）（异步转速）

/：交流电的频率（Hz）；

P：电机磁极对数；

S：转差率（额定负我时的转速降低百分率）。

交流电机的转速方案

改变频率的调速称为变频调速；改变磁极对数的调

速称为变极调速；改变转差的调速称为变转差调速。

交流调速方案与比较

变极调速：通过改变电机绕组的连接实现，只需要

继电——接触器电路控制，控制最简单。但因P必

须为正整数，只能成倍改变转速（有级调速）。

变转差调速：本质改变电机的输出特性，可通过改

变电枢电压、定子电阻、转子电阻等方式实现无级

调速，但控制装置的体积大、硬件成本高。

变频调速：直接改变电机供电频率实现无级调速，

调速性能好、体积小、技术先进，但控制复杂，实

现较困难。

3.变频调速技术的发展（见P3,图0・1.2）

＞怎样调速：控制理论研究

变频调速：Wf控制-矢量控制f直接转矩控制

伺服驱动：BLDCM（方波、PID调节）fPMSM

（正弦波、矢量控制）

＞如何实现：控制技术研究

模拟量控制f数字控制f网络控制

A用什么做：控制器件研究

GTR（电力晶体管）fIGBT（更合电力电子器件9一

IPM（功率集成器件）

变独器至今还没有世所公认的最佳方案。

4.变频调速装置分类

©非常重要！

变频器：专指控制普通感应电机的通用调速装置。

应用最广泛，生产厂众多。

主轴驱动器：控制专用感应电机的专用调速装置。

多用于数控机床主轴调速，CNC生产厂提供。

伺腋驱动器：控制伺服电机（同步电机）的专用调

速装置，可以实现位置控制。应用较广泛，生产较

多，国产数控机床使用较多。

变基器、交流主轴驱动器、伺服驱动器广义上都

是变频调速装置。

了解三者的大致区别

相同点

/调速原理相同，都通过变频实现调速；

/主回路相同，都采用PWM逆变电路。

区别

,控制对象不同

交流伺服：专用同步电机；15kW以下；

交流主轴：专用感应电机；100kW以下；

变频器：通用感应电机；最大到1000kW。

/性能区别很大（将在后期课中介绍）

/用途不同（将在后期课中介绍）。

5.常用伺服驱动品牌

本课程的“伺服驱动”是指可独立使用的通用型.

伺服驱动器。

国产数控配套的都是通用伺服。

FANUC、SIEMENS数控配套的是专用伺服。

日本

安川（YASKAWA）：ZII系列（广泛使用）、

ZV系列（最新）

三菱：MR7系列（常用）、FR-J3系列（最新）

松下：MINAS・A系列（常用）、FR・A5系列（最新）

国内

KND-SD98/SD100.GSK-DA98/DAT.GS2000等。

6.常用变频器品牌

本课程的“变频器”是指用于通用感应电机控制的

通用变频器。

♦日本

安川：CIMR・*7系列（常用）、CIMR-F000系列

（最新）（*=J、V、F、G）

三菱：FR・*500系歹I］（常用）、FR・*700系列（最新）

（*=S、E、F、A）

♦:•欧美

西门子（镌）：MM420/430/440系列（常用）

施耐德（法）：ATV系列（常用）

台湾、大陆电子产品均为日本早期的山寨产品。

G练一练（不定项选择）：

1.可用来实现交流电机速度控制的装置是……（二』

A.CNCB.PLCC.变频器D.伺服驱动器

2.可实现感应电机的无级调速方案是...（）

A.变极B.变妆C.调压D.变转差率

3.通用变频器的控制对象是............（）

A.伺服电机B.感应电机C.直流电机D.专用电机

4.变频器与交流主轴驱动器的主要区别是…（）

A.调速原理B.电路结构C.控制器件D.电机

二、交流调速系统的性能与比较

1.技术指标

技术指标：衡量产品内在质量与性能的参数。

调速范围

系统在一定负载下实际可达到的最高转速与最低转速

之比（或比值）。

变频器：最大输出转矩大于120~150%（三菱）或：

连续输出转矩大于50~60%（安川）。

◎要点:

/一定负载#额定负载，变频器只有在额定转速的点

上才能输出额定转矩和功率。

'调频范围/调速范围，不能带负载的调速无意义。

【例1】三菱FRA500系列变频器的输入转率范围为

0.01-400HZ（输入分辨率为0.01Hz）；V/f调速时的

最小输出频率为0.5Hz,最大输出妆率为120Hz,启班

频率为6Hz,启动转矩为120%Me,问：该变频器的一

调频范围和实际调速范围各为多少？

分析&说明:

储入频率范围：是变频器储入电路（A/D转换器）

能分辨的输入范围。输入频率范圉=A/D转换精度

本例：输入范围40000（16位A/D转换，216=65536）

除出频率范围：是变频器能够输出（控制电机）的

频率范围。输出频率范围=调猱范围

本例：调频范围=120:0.5:240

启动频率：是变频器能够输出启动转矩的最低瘦率。

启动频率=计算调速范围的最小频率（转速）

启动转矩：启动时（调速范围内）允许施加的最L

负载转矩。启动转矩=调速范围内的最大电机转矩

本例：调速范围=120:6=20

涌俗理解:

除入分辨率：变频器的频率显示精度。低于分辨率的

输入不能显示。

最小揄出频率：变频器的频率控制精度。低十最小输

出频率的频率不能输出。

启动频率：能实际驱动负载的最低频率。低于启动频

率的输出不能带负载。

❖调速精度

变频器控制4极（2对磁极）标准电机时，在额定负三

载下所产生的转速降与额定转速之比（百分率）。

6=［（空载转速。满载转速）/额定转速JX100%

©要疝

/采用闭环控制时，变频器调速精度一般可以提高10

倍。

,计算交流主轴、交流伺服的调速精度，式中的额定

转速应为最高转速。

速度响应

系统在负我惯量和电机惯量相等、给定输入为正弦

波信号时，速度（频率）输出可完全跟踪给定变化.

的最大正弦波输入频率值。

◎更必

,速度响应也称“频率响应”，可用国叱S或Hz两种

单位表示：1Hz=2"tadZs。

/速度响应是衡量交流调速系统性能（跟随性能）

的重要指标。

变频器：10-30rad/s（1.5-SHz）

交流主轴：300-500rad/s（50-80Hz）

交流伺服：3000-4500rad/s（500-700Hz）

2.性能比较

♦:,输出特性（见P5图。21）

/变频器：只有在额定转速的点上才能输出额定转矩

和额定功率。

/交流主轴：额定转速以下输出转矩不变（恒转

矩），额定转速以上输出功率不变（恒功率）.

/交流伺服：全范围输出转矩不变（恒转矩）。

©要点:

/采用变频器调速时，应按照实际需要的2倍来选择

电机功率和转矩。

/CNC机床的进给驱动需要转矩，切削加工需要功

率；伺服电机不能用来作为机床主轴，反之亦然。

控制对象

/变频器：所有通用感应电机，最大可达1000kW。

/交流主轴：专用感应电机，100kW以下.

/交流伺服：专用伺服电机，15kW以下.

过载性能

/变频器：短时过载120T50%。

/交流主轴：短时过载200%,长时（30min）过载

150%.

/交流伺服：短时过载200~350%,

©/点，

CNC机床的主轴功率一般有“连续/30min输出”

两种表示法，如5.5/7.5kW等。

制动性能

/变频器：感应电机开环控制，停止后无保持转矩。击

/交流主轴：感应电机闭环控制，速度控制时停止

后无保持转矩，位置控制时能产生恢复转矩。

/交流伺服：永磁同步电机闭环位置控制，停止后

始终存在制动转矩。

称为枣速锁定或伺服镣定功能。

其他性能

。见P7,表0-2.2。

©总体评价:

/变频器：功率最大、性能最差、用量最广、价格

最低。

/交流主轴：转速最高（＞60000r/min）、用量

最小、价格最高、性能较好。

,交流伺服：功率最小、转速最低、性能最好、用

量较大。

©练一练（不定项选择）：

1.变频器调速范围通常指在该范围内电机的……（a

A.输出转矩保持不变B.输出功率保持不变

C.最大输出转矩保持不变D.箍出转矩大于某一值

2.目前国产数控配套的交流伺服驱动器可达到的速度响

应为1256rad/s,其频率响应是（Hz）..........（）

A.100B.200C.1000D.2000

3.安川XV系列交流伺服驱动器的频率响应为1600Hz,

其速度响应约为（rad/s）............................（）

A.1000B.2000C.10000D.20000

4.CNC机床的坐标轴不能使用通用变频器驱动的主

要原因是变频器.........................（）

A.无伺服锁定功能B.输出功率不够大

C.箍出转矩不够大D.输出特性与要求不符

5.国产CNC机床主轴经常用通用变频器代替交流主

轴驱动器的原因主要是变频器............（）

A.价格低B.输出功率大

C.摘出转矩大D.揄出特性好

6.CNC机床主轴驱动不能采用交流伺服驱动的主要

原因是交流伺服.........................（）

A.最高转速较低B.不能实现恒转矩调速

C.增出功率较小D.不能实现恒功率调速

7.认识常用产品

前期£II系列最新£V系列

安川变频器

前期CIMR-7系列最新CIMR-1000系列

三菱伺服驱动

单元一、交流调速原理

项目一、交流调速原理

任务_、掌握电机控制的基本理论

一、电磁感应定律与电磁力

知识回顾

电想一想:

什么叫电磁感应现象?什么叫电磁力?电磁力的方向

怎样确定?

国学习提示1

电磁感应：电流可产生磁场；磁场的变化能产生电流。

电磁力：通电的导体放入磁场中将会产生力。

知识检查

1.在电磁学上,以下两图表示什么?

©©©000

2.电流所产生的磁场怎样表示?绘出上图的磁场.

(®]；©©；⑤X®0；

3.下图中的两导体受到的电磁力方向怎样?

NIIN|

0|®„©-J-*

电磁力和电磁转矩

电磁力:F=BIL；电磁转矩:M=2FR；

©结论:电机输出转矩与电机结构(绕组半径R和长

JSL)»磁场强度B、电泡有关;结构决定后,M决

定于磁场强度B和绕组电流L

二、电机运行的力学基础

M=%+J竿P=M3

M：电机输出转矩(Nm)

Mr.负载转矩(Nm)

J：转动惯量(kgm?)

0：电机角速度Gad/s)

实际:电机参数以功率、转速表示。换算:

3=2〃《/60

w：电机转速

M=9550P/n

P：电机功率(kJT)

©练一练:

某电机的铭牌如图所示，问：该电机的额定角速

度和额定输出转矩为多大？

三相感应电动机

型号

Y100L1—4接法A/Y

率

功

2.2kW工作方式S1

压

电

220/380V绝缘等级B

流

电

8.6/5A温升70X?

速

转

重量

率

频1430r/min34kg

50Hz编号

X电机厂出厂日期

解：额定角速度、额定输出转矩是额定转速、额

定功率所对应的角速度和输出转矩。

:.。=2nn/60=150（rad/s）

M=9550P/n=14.7（Nm）

答：该电机的额定角速度为150rad/s、额定输出

转矩为14.7Nm.

©要点:

所有产品铭牌上的数据，是指它在连续工作时

的最大允许值,又称额定值。额定值可以达到，但

不能超过。

❖机械特性

电机的最大允许输出（功率、转矩）与转速有，，

关，额定值只能表示额定转速时的值。

口机械特性：全范围反映电机输出转矩、功率和

转速关系的曲线。

©问标

为什么不同电机的机械特性的表示方法不一样?.

原因：电机的适用范围不同。不同电机用于不

同类型的负载驱动，其要求不同。

例如:数控机床的控制

，刀具的进给运动（前后、左右移动）：

主要技术指标:最大进给力。

X刀具的旋转运动（切削工件）：

主要技术指标:单位时间能够去除的材料体积。

决定机床加工能力的参数，不能因为刀具移动

速度、转速的变化而变化。

刀具进给

M=F-(h/2n)

h：滚珠丝杠螺

距，结构定

后，h不变。

结论:

负载要求电机的输出转矩不变。

刀具切削

Q=kP

k：与刀具、工

件材料有关，

工艺决定后固

定不变。

结论:

负载要求电机的输出功率不变。

负载类型

恒转矩负载：转矩不随转速改变的负载。例■,

如，数控机床的刀具进给。

伺服电机以输出转矩作为主要参数。

n恒功率负载：功率不随转速改变的负载。例

如，数控机床的刀具旋转切削。

主轴电机以输出功率作为主要参数。

任务二、了解伺服电机的运行原理

一、伺服电机运行原理

❖BLDCM运行

BLDCM=BrushLessDCMotor

中文名：无刷直流电机

电刷

电刷:

改变电流方向的装置

问题：

绕组通断将产生电弧

(火花)，电机转速

不能太高、要更换。

BLDCM运行原理

依次切换T1/T6-*T6/T2-*T2/T4-*T4/T3-T3/T5

-T5/T1fT1/T6,电机逆时针凝转

依次切换T1/T6-T1/T5-*T5/T3-*T3/T4-*T4/T2

-►T2TT6-T6/T1,电机JR时针

不需要换向器、控制简单、转矩波动较大

PMSM运行原理

PMSM=PermanentMagnetSynchronousMotor

中文名：永磁同步电机

同步电机:

供电的电源为三

相、正弦波交流

电。火T/*

任务三、了解感应电机运行原理

想一想:

‘潮如飞机的转子没有安装永久磁铁,电机

能否旋转?

答案：能够。就是感应电机。因为定子通

入三相正弦波交流后,能够产生旋转磁场。

＜感应电机原理

通俗理解：利用定子旋转磁场吸引转子旋转。

旋转磁场的产生原理

%转速和频率

电流变化360°,磁场转过360°(1转)。

电流变化速度：交流电的频率-Hz=l/s.

磁场转速n=f(r/s)=60f(r/min)

旋转磁场转速称为同步转速

圆周上只布置1组A/B/C绕组，称为1对极

推论:180°上布置1组RB/C绕组,电流变化一周

期.磁场转过180。。

磁场转速n=60f/2(r/min)

BP：360"上布置2组RBIC绕组,称为2对极。

通式:定子圆周上布置P组绕组,称为P对极。

磁场转速〃=60f/P(r/min)

要点

＞改变频率，就能够改变电机(转子)转速。

上伺服电机：电机转速与旋转磁场完全一致，同步

电机。

＞感应电机：转子转速必须略低于旋转磁场转速，

异步电机。

感应电机转速

n=(1-S)60f/p(r/min)

1.某电机的铭牌如图所示，问：该电机的磁极对数♦

和同步转速各为多少？

三相感应电动机

型号

Y100L1—4接法△/¥

率

功

2.2kW工作方式S1

压

电

绝缘等级

流220/380VB

电

温升

速

转8.6/5A701c

率重量

频1430r/min34kg

50Hz编号

X电机厂出厂日期

解：

•・•感应电机的同步转速与额定转速基本相同

二P^60f/ne=60X50/1430=2

n0—ne=60f/P-1500fr/min）

答：该感应电机的磁极对数为2,同步转速为

1500r/mino

2.FANUC-0122s交流伺服电机的铭牌数据为：

额定转速〃，=2000r/min,

额定频率4=133Hz,

问：该伺服电机的极对数为多少？

解：•・•伺服电机为同步电机

/.n0=ne=60f/P

代入后得:

P=60//%=60X133/2000=4

答：该伺服电机的极对数为4。

练一练（不定项选择）：

1.采用国际单位制时电机的机电能量转换式为…

A.P=MXn9550B.P=MXa

C.M=Mf+J（d3也）D./=防

2.电机功率电矩换算式P=MXn/9550中尸、M、〃的单

位分别为................................（）

A.kW»Nm、aidsB.kW»Nm、r/niin

C.W»Nm、r/niiiiD.kW»kgui-r/min

3.以下属于恒转矩负载的是.............（）

A.电梯B,机床进给C.机床主轴D.风机

4.以下属于恒功率负载的是.............（）

A.电悌B.机床进给C.机床主轴D.风机

5.数控机床进给采用伺服电机骗动的原因是…<^T

A.保证最大进给力不变B.属于恒转矩负载

C.保证切削能力不变D.属于恒功率负载

6.数控机床主轴采用感应电机驱动的原因是…（）

A.保证最大进给力不变B.属于恒转矩负载

C.保证切削能力不变D.属于恒功率负载

7.以下对无刷直流电机描述正确的是.....（）

A.简称BLDCMB.属于交流伺服电机范畴

C.简称PMSMD.属于直流伺服电机范畴

8.以下对PMSM电机描述正确的是.......（）

A.交流伺服电机B.交流永磁同步电机

C.直流伺服电机D.无刷直流电机

9.输入频率不变时转速不随负载变化的是……（）

A.同步电机B.交流主轴电机

C.感应电机D.交流伺服电机

10.额定转速为1500r/min的电机，如果磁极对数增加1

倍，其额定转速将变为.....................（）

A.30001ininB.60001jninC.750rininD.375iinin

11.额定转速为3000imin、磁极对数为4的伺服电机，

其额定频率为.............................（）

A.50HzB.100HzC.133HzD.200Hz

单元二、交流逆变技术

项目二、交流逆变技术

任务一、熟悉电力电子器件

一、交流逆变概述

控制要求

变频调速：必须能同时改变电机的电压和频率

（吻控制）。

问题：电网的供电电压、频率不能改变。

我国的标准:

U=3~380V（+10%,-15%）

f=50±1Hz

必须有一整套变换装苴——逆变器（Inverter）。

控制方案

＞将380V/50HZ的交流直接变换成八/可变的交一

流一交-交变流。

□特点：无中间电路（整流电路）、效率高，但控

制复杂，尚没有成熟的控制方案.

最新研究方向一矩阵控制技术。

＞先将38030Hz的交流转换成直流，再将直流转

换成交流一交一直-交变流。

□特点：技术较成熟，是当前交流逆变的主流。

变频器、交流主轴、交流伺服全部采用交-

直咬逆变方案一三者的主回路结构相同。

交一直笈逆变电路

□整流：将直流转换为交流。

调压：保证直流电压不变。

逆变：将直流转换为吆r可变的交流。

二、电力电子器件

电子器件分类：

＞低电压、小电流控制一直接称电子器件（弱电）?

只要有电子控制电路就必须使用。

＞高电压、大电流控制一称电力电子器件（强电）。

用于交、直流主回路控制。

空知识回顾1：怎样区分主回路和控制回路?

口主回路：直接向负载提供电能的电路（可以是交流

或直流）。如电机（电一机械能）、照明灯（电一光

能）、加热器（电一热能）的供电回路。

□控制回路：用于信号分析、运算、处理的辅助电路。

如：电机的继电器控制电路、PLC、CNC等。

知识回顾2：你知道的电力电子器件有飞

□二极管：交流一直流，不需要（不能）控制。

称为“不可控器件”。

L晶闸管：又称可控硅，用于交流通断控制，但不

能控制直流关断。

称为“半控器件”。

-JGTO、GTR、MOSFEKIGBT、IPM等：可用

于交、直流的通断控制.

称为“全控器件

拓展学习1：电力电子技术的发展

□第1代：半控，功率二极管（2唯纪40年代）、晶・

闲管（1958年，美国GE公司）。

国际12000V/5000A；国内3000W7000A

口第2代：全控，GTO（门极可关断晶闸管，1964

年，美国）；GTR（大功率晶体管）、MOSFET

（电压控制型单极晶体管），20世纪70年代、美国。

□第3代：复合型器件，IGBT（绝缘门极双极型晶体

管，1983年，美国GE公司）<,

□第4代：功率集成电路，IPM（智能功率模块，20

世纪80年代末，美国）。

❖符号和特性

参见P30表2-1.1、P31甚2-1.2。

©通俗理解:电力电子器件=电子开关、

口功率二极管：

，正向电压UAK》0.5V自然导通：否则自然关断；

/不能控制UAK20.5V的关断。

n晶闸管：

/正向电压0.5V且门极电流lG》0时导通；

UAK<0.5V美断；

,能通过门极控制UAK>0.5V时的导通，但不能控制

UAK>0.5V时的关断。

OGTR.GTO：

/CE极电压UCE»0V时通断可控，门极电流IB》。

时导通：0<0时关断：

“全控型，开关特性同三极管（电流控制）。

DMOSFET：

，DS极电压Ups云0V时通断可控，门极电压UGS云

th时导通；UGS<UM美断；

“全控型，开关特性同MOS管（电压控制）.

口IGBT：

，开关特性同MOSFET,但D极称C极；

，全控型，开关特性同MOS管（电压控制）。

任务二、熟悉PWM逆变原理

逆变:将直流转换为交流

一、逆变的基本形式

电流控制型：逆变管输出到电机的电流为方波（直

流），通过改变电流频率调速，大容量逆变器用。

•：•电压控制型：逆变管输出到电机的电压为方波（直

流），通过改变电压频率调速，大容量逆变器用。

PWM控制型：逆变管输出到电机的电压为正弦波

（PWM脉冲串），通过改变正弦波频率调速，中小

容量逆变器用一变频器、交流伺服的基本形式。

二、PWM逆变原理______

PWM：脉宽调制的简称,以宽度可变的脉冲序—

列等效代替各种波形。

取样控制理论：

面积相等、形状不同的窄脉冲加到惯性环节上，产

生的效果相同。

应用:

电机绕组=电感+电阻=惯性环节

加入脉冲电流时，平均电流：/1=12

把用乎用比仍■

©结论:

/当脉冲周期T（即频率f，f=1/T）,幅值不变

时,只要改变脉冲的宽度,就可以改变输出的平均然

开关稳压电源的原理（RC电路=惯性环节）。

/脉冲周期T越短（即频率f越高）输出的波形就越

接近理想波形。

f叫PWM频率（脉宽调制频率,或载波频

率），f越高,波形就越理想。

记住哦!

PWM频率也是变频器的重要指标,越高,变频器性

能越好（但有不利的一面〉。

正弦波的产生（P27图24.4）:

SPWM波=脉宽调制正弦波

任务三、掌握整流电路的分析方法

名知识回顾:整海电路有事些基本彩。

单相半波、单相全波、三相半波、三相全波。

单相全波整流：

原理:利用二极管的正向自

然导通特点，将4只二极管（集

成,俗称“桥堆"）组合、接入单

相交流电路，使得两-两交替导通

得到相电压全部波形。

用于单相交流箱入一直流的

转换.

直流输出电压计算:面积相等

Ud=0.9U

利用大电容平波后:Ud^1.2X0.9U

<­三相全波整流：

原理:利用二极管的正向自然导通特点，将6

只二极管（集成,俗称“三相桥堆"）组金、接入

三相交流电路，使得两-两交替导通、得到线电压

全部波形。

直流输出电压计算:面积相等

Ud=1.35UL

利用大电容平波后:Ud^1.2X1.35UL

UL为线电压:UL=1.732X

©练一练:

某单相200~240V、三相380~440V输入通用的变■

频器，如果将它直接连接到我国的工厂电网上，变

频器的直流母线电压各为多大？

解：我国的电网电压

单相:U=220V（单相指相电压）

三相:UL=380V（三相指线电压）

代入后得:

单相:Ud=237V（一般可认为230Y）

三相:Ud=615V（一般可认为61QV）

©练一练（不定项选择）：

1.目前变频器所使用的变流方式属于.....（）■

A.交-交B.交-直-交C.直-交D.交-直

2.变频器整流回路常用的电力电子器件是一（）

A.GTRB.IGBTC.二极管D.晶闸管

3.变频器逆变回路常用的电力电子器件是一（）

A.GTRB.IGBTC.二极管D.晶闸管

4.以下属于全控型器件的是.............（）

A.二极管B.晶闸管C.IGBTD.MOSFET

5.3~380V输入的变频器直流母线电压约为……（）

A.230VB.320VC.500VD.610V9

6.3~200V输入的伺照驱动直流母线电压约为…）

A.230VB.320VC.500VD.610V

7.目前变频器常用的逆变控制形式为....（）

A.电压控制B.电流控制C.PWMD.PAM

8.提高变频器载波频率的目的是.........（）

A.提高变频输出频率B.改善输出波形

C.降低生产成本D.降低损耗

单元三、交流伺服产品与性能-

项目三、交流伺服产品与性能

任务一、了解交流伺服产品

一、交流伺服的分类

伺服：以物体的位置、方向、状态等作为控制量，追

踪目标值的任意变化的控制机构（日本JIS标准）。

简言之，伺服驱动是一种能够自动跟随目标位置变

化的控制装置.

n作用：

/按照CNC要求的速度移动；

/按照CNC要求的位置定位.

r控制对象：坐标轴位移（速度、方向和位置）；

「执行机构：伺服电机；

本质：可以对输入脉冲信号进行功率放大的放大器一

一伺服放大器（亦称：驱动器、放大器、伺服单元

等）。

♦：・通用伺服

口特点：

/通用灵活、控制容易、对控制装置无要求；

/驱动器是独立部件，闭环位置控制通过驱动器本

身实现，驱动器有独立的操作单元。

/CNC不能监控驱动器的工作状态、设定与优化

驱动器参数，轮廓加工精度低。

要点:

,直接采用脉冲输入来控制电机位置和速度；

/可以与任何形式的位置脉冲发生器，如CNC、PLC、

计算机等配套使用；

/可采用网络控制，但通信协议是通用与开放的，如：

CC-Link.PROFIBUS等；

,目前国产数控系统配套的都是通用伺服。

口特点：

，必须与CNC配套使用，无通用性；

，一般采用网络控制，通信协议不对外部开放；一

，驱动器的参数设定、状态监控、调试与优化可直接

利用CNC进行，驱动器一般无操作单元。

©要点:

,驱动器无位置控制功能，它只是伺服驱动的一部分，

不能独立使用；

/闭环位置控制通过CNC实现，CNC可以实时监控坐

标轴的位置、速度等参数，并进行动态调节；轮廓控

制精度高；

/进口数控系统配套的都是专用伺服。

模拟伺服

/控制量（电压、电流等）均为连续变化的模拟量；

,以模拟电子线路、PID调节为主，无微处理器；

/调整与设定不需要专门的调试仪器。

第动器•不处实现位置控制.它只是一种速度/转矩.

控制装Jt.亦将逸及蜕制单反。

数字伺服

/控制量均为二进制形式的数字量；

/以徽处理器作基本控制器件，可实现多种运算功能；

,必须配套操作单元或与通信接口，进行调整与设定，

率动器可奥现位JI控制功旋.足一升位置、速度、

楂矩控制装JI。

二、伺服系统的结构

闭环控制的概念

特点：用给定和实际输出间的误差进行控制。

调节原理：输入不变时，如输出下降，则误差增大、

调节器输出增加、控制量增加、输出增加；当输出

上升时，误差减小、控制量减小，输出将减小。

总是能够使输出与输入一致.

•：•半闭环：一般以伺服电机内置编码器作为物体位置

检测元件，不能直接检测直线位置、速度。■.

参见P50、图3-1.3。

O特点：

,只能对电机的转角进行闭环控制，由于伺服电机和

丝杠为机械刚性联接，故可间接控制直线位移；

/系统简单、设计方便、制造成本，是普通数控机床

的常用结构；

,电气与机械传动有明显分界，系统调试方便；

,机械间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节在闭环外,

系统稳定性好；但控制精度较低。

全闭环：直接检测最终的直线位置、速度；直线轴

一般采用光栅、回转轴采用编码器作为物体位置松

测元件。

参见P50、图3-1.4。

D特点：

/直接检测最终位置，可以自动补偿机械磨损、间隙,

控制精度高、精度保持性好；

/机械间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节在闭环内，

系统对部件的要求高，容易导致振荡；

,电气与机械传动无明显分界，系统调试较为困难，

制造成本较高。

三、常用产品简介

性能与比较

参见P51~P54。

性能安川XV三菱MR-J3松下MINAS-A5

最大功率15kW55kW5kW

最高转速6000r/min（相同）

频率响应1600Hz900Hz2000Hz

编码器218220

一、SV驱动器

型号：

SGDV-2R8

设计序号

ZV驱动器

接口代号

额定输出电流01：通用接口

10A以上:单位0.1A输入电压

如：120=12A；

10A以下：R代表小数点A:AC200V

如：2R8=2.8AD:AC400V

F:AC100V

详见P57。

主要技术参数：

控制功能：位置、速度、转矩

调速范围：15000

调速精度：^±0.01%

频率响应：1600Hz

位置脉冲频率：最大4MHz（线驱动输入）；

最大200kHz（集电极开路输入）

位置脉冲类型：脉冲+方向、90°差分信号、

正/反转脉冲

速度/转矩给定：DC-12V~12V模拟电压

详见P58。

二、EV伺服电机

常用系列

□高速小惯量电机

SGMAV：1kW以下，ne/n^=3000/6000r/min

SGMSV：1.5〜7kW,ne/hmax=3000/5000r/min

n中惯量标准电机

SGMJV：0.75kW以下，ne/n^=3000/6000r/min

SGMGV：0.3~7.5kW,ne/nma^1500/30OOr/min

11-15kW,ne/nmax=1500/2000r/min

n内置编码器：22。增量/绝对编码器

详见P59,P63表3.2.6期行错。

型号：

21

L内置制动器.

电机系列

：无制动

额定输出功率1

B:带DC90V制动

单位：0.1kWC:带DC24V制动

额定电压-电机轴形式

A:AC200V

内置编码器2:平轴、无键

D:AC400V6:平轴、带键

20

3:2绝对B:平轴、带斜面

D:22。增量

A:如增量—设计序号

详见P60。

输出特性:

MX

n©"max

过载能力：

高速小惯量电机（SGMAV、SGMSV）：300%

中惯量标准电机（SGMJV）:350%

（SGMGV）:300%

©练一练（不定项选择）：

1.以下对通用伺服描述正确的是

A.一般采用脉冲输入控制B.可以独立使用

C.对上级控制器无要求D.多与国产CNC配套

2.以下对专用伺服描述正确的是.......（）

A.位置控制通过CNC实现B.可以独立使用

C.对上级控制器无要求D.多与进口CNC配套

3.以下属于直线轴、半闭环系统特点的是…（）

A.不能检测实际位置B.系统的稳定性差

C.检测器件为编码器D.检测器件为直线光栅

4.以下属于直线轴、全闭环系统特点的是….篌£）

A.不能检测实际位置B.系统的稳定性差

C.检测器件为编码器D.检测器件为直线光栅

5.SGDV-120A01A驱动器的主要技术参数是4L）

A.额定输出电流120AB.额定输入电压3~200V

1C.额定输出电流12AD.带脉冲输入接口

6.以下对SGMSV-20ADA电机描述正确的是…（）

A.高速小惯量电机B.额定输出功率2kW

|C.额定输出电流20AD.额定电压3~200V

7.SGMSV-20ADA2B电机的主要技术参数是…（）

A.额定转速为3000r/minB.最高转速为5000r/min

C.带22。增量编码器D.带内置DC24V制动器

-单元四、交流伺服的连接技术-

项目四、交流伺服的连接技术

任务一、掌握主回路连接技术.

一.伺服驱动系统组成

参见P65、图4-1.1。

硬件组成=基本装置（必须有）+选件（可以有）

基本装置：

驱动器+电机+电缆

选件：主接触器、DC电抗器、滤波器、制动电阻。

连接总图

器件及作用

□进线断路器

/主回路短路保护用（正规产品上必须加）；

/可选用通用产品.

a进线主接触器

/一般需要安装。

,■■■■■原因;

/主回路需要单独控制通/断；

/驱动器故障时不能加入主电源。

a滤波器：消除干扰，可以不使用；

a直流电抗器：抑制高次谐波，可以不使用;

a制动电阻：提高制动能力，根据需要选用。

二、主回路连接

主回路

/主电源：产生驱动器的直流母线电压；

,控制电源：产生驱动器内部控制电压0

连接要点

/主电源连接到L1/L2/L3；

/控制电源连接到L1C/L2C；

/电机连接到U/V/W；

,主电源通过主接触器控制；

/先加控制电源，再加主电源；驱动器故障触点应串

联到主接触器通断控制回路。

输入要求

，AC200V：额定AC200/230V+10%-15%

200V-15%=170V；230V+10%=253V；

二AC200V的输入范围为：AC170~253V

AC400V：额定380/480V+10%-15%

380V-15%=323V；480V+10%=528V；

二AC400V的输入范围为：AC325-528V

一箱薜用户改变不了.不要考虑。

故障触点只能驱动DC30V/50mA,所以，要加中

间继电器.

三、元器件选择

□断路器

额定电流计算方法：

/e=（1.5~2）Se/1732Ue

le：断路器额定电流（A）；

Se：驱动器输入容量（VA）；

Ue：输入线电压（V）；

注意:驱动器容量#电机功率

〜输入容量参见P61表3-2.2。

□主接触器

“额定电流的计算同断路器；

/线圈电压按控制电路的电压要求选择。

【例】某设备配套有SGDV-120A01A驱动器，试设计

驱动器主回路，并选择断路器与主接触器。』

解：

1.线路：画上标准电路。

2.驱动器额定输入电流计算：

从表3-2.2查得，SGDV-120A01A驱动器的输入容量为

2.3kVA,断路器的额定电流/e可计算如下：

/e=（1.5-2）Se/1.732Ue=9.96-13.28A

3.断路器与主接触器选择

根据断路器的额定电流系列，可选择10A标准规格，如

DZ47-63/3P-10A等。

根据接触器的额定电流系列，可选择12A标准规格，如

CJX1-12/22等。

◎练一级:

1.驱动器主回路安装断路器的目的是...（「

A.控制驱动器启停B.控制主电源通断

C.主回路短路保护D.主回路欠压保护

2.驱动器主回路安装接触器的目的是...（）

A.控制驱动器启停B.控制主电源通断

C.主回路短路保护D.主回路欠压保护

3.以下对驱动器主电源、控制电源的控制要求描述

正确的是..............................（）

A.控制电源先加入B.主电源通断用故障触点控制

C.主电源先加入D.控制电源通断用故障触点控制

4.额定电压为3~AC200/230V的驱动器，其输入电压

允许的范围为...........................（）

A.200-230VB.170-264V

C.180-264VD.170-253V

5.额定电压为3~AC380/480V的驱动器，其输入电压

允许的范围为...........................（）

A.380-480VB.323~552V

C.323-528VD.342-528V

6.以下对驱动器故障触点使用描述正确的是…（）

A.只能连接直流负载B.不能超过DC50mA

C.应串联到主接触器线圈回路D.正常时接通

综合训练:

7.假设某数控车床配套的X轴伺服电机为SGMSV-

10ADA、Z轴伺服电机为SGMSV-20ADA.试：

(1)选择X、Z轴的伺服驱动器型号；

(2)设计驱动器的主回路电路草图；

(3)选择断路器与主接触器.

任务二、掌握控制回路连接技术

想一想:电机的控制有何要求?

，需要向电机提供电能。

旧主回路(交-直-交变流)，

,能够控制电机运行。

外部提供控制信号，一般为开关量输入(触点)，

称DI信号(DataInputs).

，能够检查驱动器状态。

内输出运行状态信号，一般为开关量输出(触点)，

称DO信号(DataOutputs)

/能够改变电机转速、位置。

外部提供脉冲信号，称给定信号。

，能够检测实际速度、位置。

0输入速度位置测量信号，称反馈信号。

一、DI/D。信号与连接

1.DI信号与连接■一

常用的DI信号：

口伺服使能(S-ON)

连接端：出厂设定为CN140(可以改变)

作用：控制植出，信号ON,逆变管开放，电机通电。

□正/反转禁止(*PQT/*N-OT)

连接端：出厂设定为CN142/43(可以改变)

作用：禁止某一方向的运动，可用于超程控制。

信号名称前的代表常闭输入,即:正常时应

ON；输入OFF时,禁止正I反转.

©要点:一

/DI信号应连接到CN1-40~46；

/信号功能只能在驱动器规定的范围内选择，但吃

以不使用。

/连接端连接什么信号，可通过参数的设定选择，

称为“多功能DI”。

DI信号的连接

口对输入的要求：

/可以是触点或电子触点(晶体管输出)；

/驱动能力：NDC24V/50mA；

/工作电流：7-15mA;

/信号状态：N3.5mA,ON；<1.5mA,OFF.

n触点信号的连接

©要点:

，DO信号应连接到CN1的规定端（见图4-1.5）：

,信号功能只能在驱动器规定的范围内选择，但可•

以不使用。

/连接端连接什么信号，可通过参数的设定选择.

称为“多功能D。”。

DO信号的连接

口输出规格：

ZCN1-25/26,31/32：2点,光耦独立输出；

/CN1-37/38/39：3点，晶体管集电极开路输出、

带公共0V端，公共端CN1-1（连接0V）。

/驱动能力：光耦DC5~30V/50mA；

晶体管输出：DC5~30V/20mA。

□连接出路

>光耦输出

电流方向不能错二极管极性不能错

0V端可独立、也可互连

>NPN集电极开路输出

输出端连接负载II二极管极性不能错

r

外部电源

公共端连接电源ov

3.输入脉冲的连接

口作用：位置控制时的位置给定输入。

口连接瑞：规定为CN1-7/8、CN1-11/12（不可改变）一1

□揄入要求：DC5T2V/5~20mA

高电平：大于3.7V；低电平：小于2.8V.

□连接电路：

线驱动输出、直接连接

集电极开路信号I电流方向不能耐

要加限流电阻

ON压降不能

超过1.5V

卷点；R1的计算

计算式：5mA这[Vcc-(1.5+0.5)]/R1W20mA

Vcc=5V：R1=0.15-0.6kQ

VCC=12V:R1=0.5-2kQ

VCC=24V:R1=1.1-4.4kQ

使用驱动器的DC12V电源驱动

1.可以为“无源''

信号：

2.ON压降不能

超过1.5V