交流伺服与变频技术导论

交流伺服与变频技术（2018版）为什么要学本课程？机械部件液压气动伺服逻辑控制机电一体化设备强电PLC运动控制变频机械部件液压气动操作编程伺服变频测量检测强电PLCCNC系统换刀控制加工控制精度保证为什么要学本课程？现代数控设备课程学习有什么要求？轻松学习、遵守时间；全部一次性通过考试；带好教材、记好笔记；掌握相关知识与技能。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，但结构复杂，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。☺要点：

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，负载变化不会引起电机转速的变化。感应电机：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：n0=60f/P（同步转速）感应电机：

n=n0（1-S）（异步转速）

f

：交流电的频率（Hz）；

P：电机磁极对数；

S：转差率（额定负载时的转速降低百分率）。交流电机的调速方案

☞

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0-2）怎样调速：控制理论研究

变频调速：V/f控制→矢量控制→直接转矩控制

伺服驱动：BLDCM（方波、PID调节）→PMSM（正弦波、矢量控制）如何实现：控制技术研究

模拟量控制→数字控制→网络控制用什么做：控制器件研究

GTR（电力晶体管）→IGBT（复合电力电子器件）→IPM（功率集成器件）☞

变频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。伺服驱动器：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。☺变频器、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；一般15kW以下，最大72kW（SIEMENS1FT6）；交流主轴：专用感应电机；一般100kW以下，最大227kW（SIEMENS1PH8）

变频器：通用感应电机；最大到1000kW。用途不同、性能区别很大（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）：∑II系列（广泛使用）、∑V系列（最新）三菱：MR-J系列（常用）、MR-J3系列（最新）松下：MINAS-A系列（常用）、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–*1000系列（最新）（*=J、V、F、G）三菱：FR-*500系列（常用）、FR-*700系列（最新）（*=S、E、F、A）欧美西门子（德）：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。☺练一练（不定项选择）：1.以下可用于机电设备速度控制的系统是……（）A.

交流传动B.

直流传动C.交流伺服D.直流伺服2.以下可用于机电设备位置控制的系统是……（）A.交流伺服

B.

变频调速C.直流伺服D.直流调速3.以下属于安川交流伺服产品的型号是……（）A.

∑IIB.

∑V

C.CIMR-G7D.CIMR-A10004.以下产型号中属于三菱变频器产品是……（）A.FR-A540B.MR-J3C.FR-A740D.CIMR-G75.可用来实现交流电机速度控制的装置是……（）A.CNCB.PLCC.变频器D.伺服驱动器6.可实现感应电机的无级调速方案是………（）A.

变极B.

变频C.调压D.变转差率7.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8.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FR-A500系列变频器的输入频率范围为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，最大输出频率为120Hz，启动频率为6Hz，启动转矩为120%Me，问：该变频器的调频范围和实际调速范围各为多少？分析&说明：输入频率范围：是变频器输入电路（A/D转换器）能分辨的输入范围。输入频率范围=A/D转换精度本例：输入范围40000（16位A/D转换，216=65536）输出频率范围：是变频器能够输出（控制电机）的频率范围。输出频率范围=调频范围本例：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频率。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）允许施加的最大负载转矩。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☺通俗理解：输入分辨率：变频器的频率显示精度。低于分辨率的输入不能显示。最小输出频率：变频器的频率控制精度。低于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，在额定负载下所产生的转速降与额定转速之比（百分率）。δ=[（空载转速-满载转速）/额定转速]×100%☺要点：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。速度响应系统在负载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。☺要点：速度响应也称“频率响应”，可用rad/s或Hz两种单位表示：1Hz=2π

rad/s。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（1.5~5Hz）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0-3）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，一般100kW以下。交流伺服：专用伺服电机，一般15kW以下。

过载性能变频器：短时过载120~150%。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%，☺要点：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。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。☞称为零速锁定或伺服锁定功能。

其他性能☞见P6，表0-2。☺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。☞安川伺服驱动3.常用产品最新∑V系列前期∑II系列☞安川变频器最新CIMR-1000系列前期CIMR-7系列☞三菱伺服驱动最新MR-J3系列☞三菱变频器最新FR-A700系列前期FR-500系列☞国产伺服驱动器☞FANUC-αi系列伺服&主轴驱动器☞FANUC-βi系列伺服&主轴驱动器☞FANUC-βi系列伺服驱动器☞SIEMENS-611系列伺服驱动器☞SIEMENS-S120系列伺服驱动器☺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.

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.输出转矩大于某一值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.100

B.200

C.1000D.20003.安川ΣV系列交流伺服驱动器的频率响应为16