畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）機(jī)床主軸交流機(jī)電變頻調(diào)速

1、1 前言1.1 交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)論是生產(chǎn)還是生活當(dāng)中，人民對(duì)數(shù)字化信息的依賴(lài)程度越來(lái)越高。如果說(shuō)計(jì)算機(jī)是大腦，網(wǎng)絡(luò)是神經(jīng)，那么電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)就是骨骼和肌肉。它們之間的完美結(jié)合才是現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。為了使交流調(diào)速系統(tǒng)與信息系統(tǒng)緊密結(jié)合，同時(shí)也為了提高交流調(diào)速系統(tǒng)自身的性能，必須使交流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制。 由于交流電機(jī)控制理論不斷發(fā)展，控制策略和控制算法也日益復(fù)雜。擴(kuò)展卡爾曼濾波、fft、狀態(tài)觀測(cè)器、自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等均應(yīng)用到了各種交流電機(jī)的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制當(dāng)中。交流電機(jī)變頻調(diào)速經(jīng)歷近20年的發(fā)展及應(yīng)用，已逐步被人們接受并成為當(dāng)代電機(jī)調(diào)

2、速的主流。由于變頻器體積小、重量輕、精度高、工藝先進(jìn)、功能豐富、保護(hù)齊全、可靠性高、操作簡(jiǎn)便、通用性強(qiáng)、易形成閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，它優(yōu)于以往的任何調(diào)速方式，如變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、滑差調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、整流子電機(jī)調(diào)速、液力耦合調(diào)速等，因而深受鋼鐵、有色、石油、石化、化工、化纖、紡織、機(jī)械、電力、建材、煤炭、醫(yī)藥、造紙、卷煙、城市供水及污水處理等行業(yè)的歡迎。由于交流籠型電機(jī)沒(méi)有直流電機(jī)的滑環(huán)和炭刷，極大的提高了系統(tǒng)可靠性和擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域，它逐漸地替代直流調(diào)速，如上海寶鋼一期工程和二期工程，幾乎全是直流調(diào)速，而三期工程全為交流變頻調(diào)速。這是對(duì)交流變頻調(diào)速認(rèn)識(shí)的升華。如果說(shuō)我國(guó)變頻器的研究和生產(chǎn)是從天傳所(

3、電壓型)、西整所(電流型)、大連電機(jī)廠(最早引進(jìn)東芝技術(shù))開(kāi)始，那么，日本三墾(1984年)、日本富士(1988年)變頻器的進(jìn)入直接刺激了我國(guó)變頻器行業(yè)的發(fā)展。20年來(lái)，不但有日本三墾、富士、美國(guó)羅賓康、德國(guó)西門(mén)子、歐洲abb等外國(guó)公司進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)并在中國(guó)建廠。還有象普傳、佳靈、利德華福、英威騰、微能等70多家國(guó)產(chǎn)變頻器廠家進(jìn)入市場(chǎng)。已經(jīng)形成了令人矚目的變頻器行業(yè)，政府規(guī)劃、節(jié)能論壇、各種展覽會(huì)都少不了變頻廠家的參與。今日的變頻器，已由壓頻控制發(fā)展到動(dòng)態(tài)矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等高性能控制，優(yōu)點(diǎn)很多，如:轉(zhuǎn)矩大。0頻率時(shí)，轉(zhuǎn)矩輸出100%，0.5hz時(shí)，轉(zhuǎn)矩輸出200%，對(duì)吊車(chē)、港機(jī)、攪拌機(jī)、轉(zhuǎn)

4、爐傾動(dòng)、高爐卷?yè)P(yáng)等重負(fù)載設(shè)備意義重大;高速cpu不但能測(cè)定負(fù)載的最佳控制電壓和電流矢量，還能快速響應(yīng)急變負(fù)載和及時(shí)檢知瞬時(shí)功率，實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地加減速;控制精度可達(dá)0.02%，并具有010v，420ma，rs485接口，可以和計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)總線通訊。另外還具備軟啟動(dòng)功能，瞬時(shí)停電自動(dòng)再啟動(dòng)功能，跳躍共振頻率點(diǎn)功能，在線自整定功能，多種保護(hù)功能等。 (1) 在我國(guó)已形成了變頻器理論和生產(chǎn)的專(zhuān)家隊(duì)伍。 (2) 設(shè)計(jì)院、所已把變頻調(diào)速作為新廠建廠和老廠設(shè)備改造的必備技術(shù)。 (3) 有上百家變頻器的生產(chǎn)廠和幾百家從事變頻器二次開(kāi)發(fā)的公司，他們提供變頻器的基礎(chǔ)產(chǎn)品。 (4) 有一個(gè)博大的變頻器市場(chǎng)和技

5、術(shù)熟練的應(yīng)用變頻器電氣工程師。 讓我們回顧一下近20多年調(diào)速領(lǐng)域變化，這是驚人的。1995年11月14日中國(guó)石化報(bào)第一版“茂名石化公司煉油節(jié)能躍居同行業(yè)前面”文章稱(chēng)“僅通過(guò)變頻調(diào)速技術(shù)一年就節(jié)電2000萬(wàn)kwh”。許多自來(lái)水公司的水泵、化工和化肥行業(yè)的化工泵、往復(fù)泵、有色金屬等行業(yè)的泥漿泵等采用變頻調(diào)速均產(chǎn)生非常好的效果。 1.2 變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和發(fā)展方向1調(diào)速時(shí)平滑性好，效率高。低速時(shí)，特性靜關(guān)率較高，相對(duì)穩(wěn)定性好。 2調(diào)速范圍較大，精度高。 3起動(dòng)電流低，對(duì)系統(tǒng)及電網(wǎng)無(wú)沖擊，節(jié)電效果明顯。 4變頻器體積小，便于安裝、調(diào)試、維修簡(jiǎn)便。 5易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。 6必須有專(zhuān)用的變頻電源，目前

6、造價(jià)較高。 7在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，低速段電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力大為降低。在交流調(diào)速的研究與制造過(guò)程中，硬件的設(shè)計(jì)與組裝占了相當(dāng)大的比重。電機(jī)制造以及調(diào)速裝置的制造需要大批的技術(shù)熟練工人，對(duì)人員的素質(zhì)有一定要求。而國(guó)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的人工成本相對(duì)較高，在近十年內(nèi)，交流調(diào)速的制造業(yè)有可能向發(fā)展中國(guó)家轉(zhuǎn)移。對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)，這也是一個(gè)機(jī)遇，如果我們抓住這個(gè)機(jī)會(huì)，再利用本身的市場(chǎng)有利條件，有可能在我國(guó)形成交流調(diào)速系統(tǒng)的制造業(yè)中心，使我國(guó)工業(yè)上一個(gè)新的臺(tái)階。需要注意的是發(fā)達(dá)國(guó)家在高技術(shù)領(lǐng)域是不會(huì)輕易放棄的，他們非常注意核心技術(shù)及軟件的保護(hù)和保密，為此，必須加大該領(lǐng)域的科研與開(kāi)發(fā)的力度。1.3 數(shù)控機(jī)床主軸控制系統(tǒng)1.3.1主

7、軸控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)目前，數(shù)控機(jī)床的主傳動(dòng)電機(jī)已經(jīng)基本不再使用普通交流異步電機(jī)和傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)，他們與逐步被新興的交流變頻調(diào)速伺服電機(jī)和直流伺服調(diào)速電機(jī)代替。數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)要求有較大的調(diào)速范圍，以保證加工時(shí)能選用合理的切屑用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。為了適應(yīng)各種工件和各種工件材料的要求，多恭喜自動(dòng)換刀的數(shù)控機(jī)床和加工中心主運(yùn)動(dòng)的調(diào)速范圍應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床的變速時(shí)按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。由于直流和交流變速主軸電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，不僅能方便地實(shí)現(xiàn)寬范圍的無(wú)級(jí)變速，而且減少了中間傳遞環(huán)節(jié)和提高了變速控制的可靠性，因此在數(shù)控機(jī)床的

8、主傳動(dòng)系統(tǒng)中更能顯示出它的優(yōu)越性。為了確保低速時(shí)的扭矩，有的數(shù)控機(jī)床在交流和直流電機(jī)無(wú)級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速。由于主運(yùn)動(dòng)采用了無(wú)級(jí)變速，在大型數(shù)控車(chē)床上測(cè)斜端面時(shí)就可實(shí)現(xiàn)恒速切屑控制，以便進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)主要有三種配置方式。(1)由調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的主傳動(dòng)這種主傳動(dòng)方式大大簡(jiǎn)化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度。但主軸輸出扭矩小，電機(jī)發(fā)熱對(duì)主軸的精度影響較大。(2)帶有變速齒輪的主傳動(dòng)這是大、種型數(shù)控機(jī)床采用較多的一種方式。通過(guò)少數(shù)幾對(duì)齒輪減速，擴(kuò)大了輸出扭矩，以滿(mǎn)足主軸對(duì)輸出扭矩特性的要求。一部分小型數(shù)控機(jī)床業(yè)采用此種傳動(dòng)方式，以獲得強(qiáng)力切屑時(shí)

9、所需要的扭矩。滑移齒輪的移位大都采用液壓撥叉或直接由液壓油缸帶動(dòng)齒輪實(shí)現(xiàn)。(3)通過(guò)皮帶傳動(dòng)的主傳動(dòng)這主要應(yīng)用在小型數(shù)控機(jī)床上，可以避免齒輪傳動(dòng)是引起的振動(dòng)與噪聲。但它只能使用與要求的扭矩特性的主軸。1.3.2主軸控制系統(tǒng)的發(fā)展方向作為數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，伺服驅(qū)動(dòng)裝置的特性一直是影響數(shù)控機(jī)床加工性能的重要指標(biāo)。圍繞伺服驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性的提高，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著高速切削、超精密加工、網(wǎng)絡(luò)制造等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，具有網(wǎng)絡(luò)接口的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、直線伺服系統(tǒng)及高速電主軸等成為機(jī)床行業(yè)的關(guān)注熱點(diǎn)，并成為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。 從2005年德國(guó)漢諾威

10、展覽會(huì)，可以看到伺服驅(qū)動(dòng)裝置的兩個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：(1)全數(shù)字化全數(shù)字化是未來(lái)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。全數(shù)字化不僅包括伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部控制的數(shù)字化，伺服驅(qū)動(dòng)到數(shù)控系統(tǒng)接口的數(shù)字化，而且還應(yīng)該包括測(cè)量單元數(shù)字化。因此伺服驅(qū)動(dòng)單元內(nèi)部三環(huán)的全數(shù)字化、現(xiàn)場(chǎng)總線連接接口、編碼器到伺服驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化連接接口，是全數(shù)字化的重要標(biāo)志。隨著微電子制造工藝的日益完善，采用新型高速微處理器，特別是數(shù)字信號(hào)處理器dsp技術(shù)，使運(yùn)算速度呈幾何級(jí)數(shù)上升。伺服驅(qū)動(dòng)內(nèi)部的三環(huán)控制(位置環(huán)/速度環(huán)/電流環(huán))數(shù)字化是保證伺服驅(qū)動(dòng)高響應(yīng)、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驅(qū)動(dòng)所有的控制運(yùn)算，都可由其內(nèi)部的dsp完成，達(dá)到了伺服環(huán)路高速實(shí)時(shí)

11、控制的要求。一些產(chǎn)品還將電機(jī)控制的外圍電路與dsp內(nèi)核集成于一體，一些新的控制算法速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等得以實(shí)現(xiàn)。 伺服驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的模擬量控制接口，容易受到外部信號(hào)干擾，傳輸距離短。我國(guó)目前伺服驅(qū)動(dòng)裝置上大量采用的脈沖式控制接口，也不是真正意義上的數(shù)字接口。這種接口受脈沖頻率的限制，不能滿(mǎn)足高速、高精控制的要求。而采用現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化控制接口，是伺服驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)高速、高精控制的必要條件。 全數(shù)字化已經(jīng)延伸到測(cè)量單元接口的數(shù)字化。德國(guó)heidenhain將各種類(lèi)型的編碼器，如絕對(duì)、增量式和正余弦編碼器的細(xì)分功能，都統(tǒng)一到endae2.2編碼器連接協(xié)議中。細(xì)分過(guò)程在編碼器內(nèi)部完成

12、，再通過(guò)數(shù)字接口和伺服驅(qū)動(dòng)連接起來(lái)，這才是真正的全數(shù)字化。(2)高性能表現(xiàn)為高精度、高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高剛性、高過(guò)載能力、高可靠性、高電磁兼容性、高電網(wǎng)適應(yīng)能力、高性?xún)r(jià)比。在2005年漢諾威展覽會(huì)上，日本發(fā)那科推出了hrv4伺服控制控制技術(shù)。伺服hrv4繼承并進(jìn)一步發(fā)展了hrv3的優(yōu)點(diǎn)，具有如下特點(diǎn)：在任何時(shí)刻，均采用納米層次的位置指令，使用1600萬(wàn)/轉(zhuǎn)的i 高分辨率的脈沖編碼器，可以實(shí)現(xiàn)納米精度的伺服控制；hrv4超高速伺服控制處理器，所控制的電機(jī)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到60000r/min；hrv4控制算法，可使得伺服電機(jī)的最大控制電流減少50，并減少電機(jī)發(fā)熱17，因此，伺服驅(qū)動(dòng)裝置可以獲得更高的剛性和過(guò)

13、載能力。2 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 2.1 主電路工作原理本文所研制逆變器基于42v 的汽車(chē)電氣系統(tǒng)， 逆變器交流側(cè)的輸出電流額定值為100arms，對(duì)于這種低壓大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，mosfet 是非常合適的選擇。mosfet 相對(duì)于igbt 而言，具有更小的導(dǎo)通電阻，因而導(dǎo)通損耗也就更小，能得到更大的變換器效率，這對(duì)于對(duì)體積和效率要求很高的汽車(chē)用isg 逆變器而言，是個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)。并且，mosfet 的導(dǎo)通電阻具有正的溫度系數(shù)，這使得mosfet非常適于并聯(lián)，不但可以得到更大的電流等級(jí)，而且還可以得到更小的導(dǎo)通電阻，進(jìn)一步減小導(dǎo)通損耗。所以，本文選擇mosfet 做為主電路的功率開(kāi)關(guān)器件。由功率半導(dǎo)體

14、器件開(kāi)關(guān)引起的電壓尖峰典型值在75v 到100v 之間，所以功率器件的阻斷電壓vdss 必須高于這個(gè)區(qū)間，并且考慮到下一階段關(guān)于z 源逆變器的研究，直流側(cè)的電壓將有一定的提升，所以，取mosfet 的vdss 為150v。交流側(cè)的輸出電流額定值為100arms，考慮到isg 起動(dòng)時(shí)需要的大電流（本設(shè)計(jì)中為200a ） 及mosfet 安全工作區(qū)和結(jié)溫對(duì)mosfet 過(guò)流能力的影響，取mosfet 的電流等級(jí)為300a。為了充分利用mosfet 的導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)適于并聯(lián)的特點(diǎn)，考慮采用mosfet 并聯(lián)，這樣可以減小導(dǎo)通電阻，減少導(dǎo)通損耗，提高變換器效率。不僅如此，在這一應(yīng)用中，采用單一

15、的大尺寸mosfet 成本較高，采用小尺寸mosfet 并聯(lián)可以降低成本，對(duì)價(jià)格很敏感的汽車(chē)工業(yè)而言是非常重要的。進(jìn)一步考慮到逆變器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要和將來(lái)功率的擴(kuò)展，本文用6 個(gè)小功率的mosfet 并聯(lián)做為三相逆變橋的半個(gè)橋臂，這樣，每個(gè)mosfet 的電流等級(jí)選為50a 即可。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外主要半導(dǎo)體器件供應(yīng)商產(chǎn)品的綜合分析比較， 選定renesas 公司的fs50ms-3。2.2 直流側(cè)電容選型主電容除了穩(wěn)壓外，還在蓄電池和逆變器之間起去藕的作用，為電機(jī)感性負(fù)載提供必要的無(wú)功功率。在isg 逆變器這種電流較大、環(huán)境溫度較高而體積又要求小的應(yīng)用中，直流電容需要有較小的等效串聯(lián)電阻（es

16、r）和電感（esl），高紋波電流能力以及緊湊的體積。因直流電容起儲(chǔ)能的作用，所以電容的容量必須比較大，按40f /a 進(jìn)行初選。直流側(cè)電流為：所以主電容容量在5300f 左右。為了減小電容的esr 和esl，除了選用低esr 和esl 的電容外，考慮用小容量電容并聯(lián)來(lái)得到大容量的電容，并且小容量的電容體積小，對(duì)于空間的利用非常有利，可使結(jié)構(gòu)更加緊湊。本文在每一對(duì)上下橋臂mosfet 的兩端都并聯(lián)一個(gè)小容量的電解電容，這樣的話，每相橋臂并聯(lián)6 個(gè)電解電容，三相共18 個(gè)電解電容。5300f電容分為18 個(gè)小容量的電容，則每個(gè)電容的容量約為295f，考慮到實(shí)際電容的規(guī)格并留一定的裕量，選取470f

17、 的電解電容，則18 個(gè)電容的容量為8460f。電壓等級(jí)選與150vmosfet 相當(dāng)?shù)燃?jí)的160v。2.3 緩沖電路設(shè)計(jì)緩沖電路也稱(chēng)為吸收電路，在電力電子器件的應(yīng)用中起著重要的作用。功率器件在開(kāi)通時(shí)流過(guò)很大的電流，在關(guān)斷時(shí)承受很大的電壓；尤其在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換瞬間，電路中各種儲(chǔ)能元件的能量釋放會(huì)導(dǎo)致器件經(jīng)受很大的沖擊，有可能超過(guò)器件的安全工作區(qū)而導(dǎo)致?lián)p壞。附加各種緩沖電路， 可大大緩減器件在電路中承受的各種應(yīng)力，設(shè)計(jì)合理的吸收電路還能降低器件的開(kāi)關(guān)損耗、避免器件的二次擊穿和抑制電磁干擾，提高電路的可靠性。目前常見(jiàn)的逆變器橋臂緩沖電路有如下三種：圖2.1 所示緩沖電路直接在一個(gè)橋臂上下兩個(gè)功率器件旁并

18、聯(lián)一個(gè)電容，這種緩沖電路適用于中小功率場(chǎng)合，對(duì)抑制瞬變電壓非常有效且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低。圖2.1 常見(jiàn)逆變器橋臂緩沖電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而b、c 緩沖電路適用于功率較大的場(chǎng)合，由于二極管的鉗位作用，可抑制吸收電容和母線寄生電感之間的振蕩，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜些?；诒疚乃O(shè)計(jì)的逆變器的功率等級(jí)，綜合考慮裝置的成本及設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性，本文采用了圖3a所示的緩沖電路。2.4 系統(tǒng)主電路參數(shù)設(shè)計(jì)與選擇在復(fù)雜的三相pwm整流電路中，由于存在非線性期間，要確定主電路參數(shù)比較困難。很多文獻(xiàn)在這方面進(jìn)行了一定的探討和研究，提出了一些計(jì)算方法，但是分析過(guò)程很復(fù)雜，而且最終結(jié)果也只是一個(gè)大致的取值范圍。一種比較理想的解決方法是建

19、立可逆pwm整流器仿真模型，在一定范圍內(nèi)，選取不同值對(duì)系統(tǒng)仿真，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定各參數(shù)的數(shù)值.在目前的電力電子領(lǐng)域中，常用的電路仿真軟件pspice和matlab等要構(gòu)造這種能量雙向流動(dòng)的pwm整流器有一定的局限性，而且建模很復(fù)雜.本研究采用功能強(qiáng)大、系統(tǒng)中可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)?；旌戏抡娴能浖aberdesigner構(gòu)造了仿真模型。三相可逆pwm整流器主電路圖如圖1所示，圖中ea、eb和ec為三相輸入電壓；va，vb和vc為pwm整流器三相輸入電壓；lre為整流器電感值；rre為電感寄生電阻阻值；ia，ib和ic為三相輸入電流。圖2.2 三相可逆pwm整流器結(jié)構(gòu)圖假設(shè)三相電源輸入電壓式中vm和分別

20、是三相輸入電壓幅值與角頻率。將三相電壓變換到d2q坐標(biāo)系下面，得到通過(guò)給定整流器的有功功率p*和無(wú)功功率q*得到其所對(duì)應(yīng)的電流給定為了實(shí)現(xiàn)pwm整流器單位功率因數(shù)，無(wú)功功率q*必須等于0。由式(1)和(2)得到整流器的d-q坐標(biāo)系下的電流給定因?yàn)槿嗍瞧胶廨斎?，所以可以將?3)轉(zhuǎn)換到d-q同步模式，得到對(duì)應(yīng)的微分方程 式中id和iq是三相輸入電流在同步坐標(biāo)系下的值。根據(jù)上式可以構(gòu)造電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)為(忽略電感寄生電阻的影響)：式中，v*d和v*q為d-q軸電壓給定;kdp和kdi為d軸pi調(diào)節(jié)器系數(shù);kqp和kqi為q軸pi調(diào)節(jié)器系數(shù).具體控制框圖如圖2.3所示，其中ed=vm，eq=0，同

21、時(shí)忽略寄生電阻的影響。圖2.3電流控制器控制框圖加上電壓環(huán)控制部分和電壓電流檢測(cè)部分，構(gòu)成完整的系統(tǒng)，如圖2.4所示.圖2.4 pwm整流器系統(tǒng)圖3 交流變頻電機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)及選型流電機(jī)選型要根據(jù)功率、轉(zhuǎn)速、電壓等級(jí)、應(yīng)用場(chǎng)合、放水標(biāo)準(zhǔn)等條件選擇，交流電機(jī)控制非常簡(jiǎn)單，運(yùn)用變頻器，軟啟動(dòng)器或直接啟動(dòng)都可以控制，直流電機(jī)控制現(xiàn)在也不是很復(fù)雜，只是直流電機(jī)不能做到交流電機(jī)的免維護(hù)，故障率稍高，如果工作條件差還是建議使用交流電機(jī)。一般直流電機(jī)比交流電機(jī)造價(jià)高，但直流電機(jī)機(jī)械特性要稍好于交流電機(jī)。不過(guò)現(xiàn)在采用矢量變頻控制技術(shù)的交流電機(jī)已經(jīng)和直流電機(jī)特性已經(jīng)非常接近。因此一般情況還是建議采用交流電機(jī)。 3

22、.1機(jī)電領(lǐng)域中交流電機(jī)的選擇原則現(xiàn)代機(jī)電行業(yè)中經(jīng)常會(huì)碰到一些復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，這對(duì)電機(jī)的動(dòng)力荷載有很大影響。伺服驅(qū)動(dòng)裝置是許多機(jī)電系統(tǒng)的核心，因此，伺服電機(jī)的選擇就變得尤為重要。首先要選出滿(mǎn)足給定負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)，然后再?gòu)闹邪磧r(jià)格、重量、體積等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇最適合的電機(jī)，如圖3.1所示。圖3.1 各種電機(jī)的t-曲線（1）傳統(tǒng)的選擇方法 這里只考慮電機(jī)的動(dòng)力問(wèn)題，對(duì)于直線運(yùn)動(dòng)用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力f(t)表示，對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用角速度(t)，角加速度(t)和所需扭矩t(t)表示，它們均可以表示為時(shí)間的函數(shù)，與其他因素?zé)o關(guān)。很顯然。電機(jī)的最大功率p電機(jī)，最大應(yīng)大于工作負(fù)載所需的峰值功率p

23、峰值，但僅僅如此是不夠的，物理意義上的功率包含扭矩和速度兩部分，但在實(shí)際的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中它們是受限制的。用峰值，t峰值表示最大值或者峰值。電機(jī)的最大速度決定了減速器減速比的上限，n上限=峰值，最大/峰值，同樣，電機(jī)的最大扭矩決定了減速比的下限，n下限=t峰值/t電機(jī)，最大，如果n下限大于n上限，選擇的電機(jī)是不合適的。反之，則可以通過(guò)對(duì)每種電機(jī)的廣泛類(lèi)比來(lái)確定上下限之間可行的傳動(dòng)比范圍。只用峰值功率作為選擇電機(jī)的原則是不充分的，而且傳動(dòng)比的準(zhǔn)確計(jì)算非常繁瑣。（2）新的選擇方法一種新的選擇原則是將電機(jī)特性與負(fù)載特性分離開(kāi)，并用圖解的形式表示，這種表示方法使得驅(qū)動(dòng)裝置的可行性檢查和不同系統(tǒng)間的比較更方便

24、，另外，還提供了傳動(dòng)比的一個(gè)可能范圍。這種方法的優(yōu)點(diǎn)：適用于各種負(fù)載情況；將負(fù)載和電機(jī)的特性分離開(kāi)；有關(guān)動(dòng)力的各個(gè)參數(shù)均可用圖解的形式表示并且適用于各種電機(jī)。因此，不再需要用大量的類(lèi)比來(lái)檢查電機(jī)是否能夠驅(qū)動(dòng)某個(gè)特定的負(fù)載。在電機(jī)和負(fù)載之間的傳動(dòng)比會(huì)改變電機(jī)提供的動(dòng)力荷載參數(shù)。比如，一個(gè)大的傳動(dòng)比會(huì)減小外部扭矩對(duì)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，而且，為輸出同樣的運(yùn)動(dòng)，電機(jī)就得以較高的速度旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生較大的加速度，因此電機(jī)需要較大的慣量扭矩。選擇一個(gè)合適的傳動(dòng)比就能平衡這相反的兩個(gè)方面。通常，應(yīng)用有如下兩種方法可以找到這個(gè)傳動(dòng)比n，它會(huì)把電機(jī)與工作任務(wù)很好地協(xié)調(diào)起來(lái)。一是，從電機(jī)得到的最大速度小于電機(jī)自身的最大速度

25、電機(jī)，最大；二是，電機(jī)任意時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)扭矩小于電機(jī)額定扭矩m額定。3.2 交流變頻電機(jī)的參數(shù)（1）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 電機(jī)選擇首先依據(jù)機(jī)床快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。式中，為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（rpm）；n為快速行程時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（rpm）；為直線運(yùn)行速度（m/min）；u為系統(tǒng)傳動(dòng)比，u=n電機(jī)/n絲杠；絲杠導(dǎo)程（mm）。（2）慣量匹配問(wèn)題及計(jì)算負(fù)載慣量 為了保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應(yīng)靈敏和滿(mǎn)足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求, 負(fù)載慣量jl應(yīng)限制在2.5倍電機(jī)慣量jm之內(nèi)，即。式中，為各轉(zhuǎn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg.m2；為各轉(zhuǎn)動(dòng)件角速度，rad/min；為各移動(dòng)件的質(zhì)量，kg；為各移

26、動(dòng)件的速度，m/min；為伺服電機(jī)的角速度，rad/min。（3）空載加速轉(zhuǎn)矩空載加速轉(zhuǎn)矩發(fā)生在執(zhí)行部件從靜止以階躍指令加速到快速時(shí)。一般應(yīng)限定在變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大輸出轉(zhuǎn)矩的80% 以?xún)?nèi)。式中，為與電機(jī)匹配的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩（n.m）；為空載時(shí)加速轉(zhuǎn)矩（n.m）；為快速行程時(shí)轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的載荷轉(zhuǎn)矩（n.m）；為快速行程時(shí)加減速時(shí)間常數(shù)（ms）。（4）切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩 在正常工作狀態(tài)下，切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩不超過(guò)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的80%。式中，為最大切削轉(zhuǎn)矩（n.m）；d為最大負(fù)載比。3.3 根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩選擇變頻電機(jī) 根據(jù)伺服電機(jī)的工作曲線，負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿(mǎn)足：當(dāng)機(jī)床作空載運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，加在伺

27、服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即在工作曲線的連續(xù)工作區(qū)；最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過(guò)載時(shí)間應(yīng)在特性曲線的允許范圍內(nèi)。加在電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以折算出加到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。式中，為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（n.m）；f為軸向移動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所需的力（n）；l為電機(jī)每轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量（m）；為滾珠絲杠軸承等摩擦轉(zhuǎn)矩折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（n.m）；為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。式中，為切削反作用力（n）；為齒輪作用力（n）；w為工作臺(tái)工件等滑動(dòng)部分總重量（n）；為由于切削力使工作臺(tái)壓向?qū)к壍恼龎毫Γ╪）；為摩擦系數(shù)。無(wú)切削時(shí)，。計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)下列幾點(diǎn)應(yīng)特別注意。 （a）由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充

28、分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來(lái)計(jì)算的轉(zhuǎn)矩很小的。請(qǐng)?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生的力矩。（b）由于軸承，螺母的預(yù)加載，以及絲杠的預(yù)緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設(shè)備。這樣的轉(zhuǎn)矩回應(yīng)影響整個(gè)轉(zhuǎn)矩。所以要特別注意。（c）切削力的反作用力會(huì)使工作臺(tái)的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點(diǎn)與承受驅(qū)動(dòng)力的點(diǎn)通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面的負(fù)載也增加。當(dāng)計(jì)算切削期間的轉(zhuǎn)矩時(shí)，由于這一載荷而引起的摩擦轉(zhuǎn)矩的增加應(yīng)給予考慮。（d）摩擦轉(zhuǎn)矩受進(jìn)給速率的影響很大，必須研究測(cè)量因速度工作臺(tái)支撐物(滑塊，滾珠，壓力)，滑塊表

29、面材料及潤(rùn)滑條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數(shù)值。（e）通常，即使在同一臺(tái)的機(jī)械上，隨調(diào)整條件，周?chē)鷾囟?，或?rùn)滑條件等因素而變化。當(dāng)計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，請(qǐng)盡量借助測(cè)量同種機(jī)械上而積累的參數(shù)，來(lái)得到正確的數(shù)據(jù)。3.4 根據(jù)負(fù)載慣量選擇變頻電機(jī) 為了保證輪廓切削形狀精度和低的表面加工粗糙度，要求數(shù)控機(jī)床具有良好的快速響應(yīng)特性。隨著控制信號(hào)的變化，電機(jī)應(yīng)在較短的時(shí)間內(nèi)完成必須的動(dòng)作。負(fù)載慣量與電機(jī)的響應(yīng)和快速移動(dòng)acc/dec時(shí)間息息相關(guān)。帶大慣量負(fù)載時(shí)，當(dāng)速度指令變化時(shí)，電機(jī)需較長(zhǎng)的時(shí)間才能到達(dá)這一速度，當(dāng)二軸同步插補(bǔ)進(jìn)行圓弧高速切削時(shí)大慣量的負(fù)載產(chǎn)生的誤差會(huì)比小慣量的大一些。因此，加在電機(jī)

30、軸上的負(fù)載慣量的大小，將直接影響電機(jī)的靈敏度以及整個(gè)伺服系統(tǒng)的精度。當(dāng)負(fù)載慣量5倍以上時(shí)，會(huì)使轉(zhuǎn)子的靈敏度受影響，電機(jī)慣量和負(fù)載慣量必須滿(mǎn)足： 由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)部件，無(wú)論旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的部件，還是直線運(yùn)動(dòng)的部件，都成為電機(jī)的負(fù)載慣量。電機(jī)軸上的負(fù)載總慣量可以通過(guò)計(jì)算各個(gè)被驅(qū)動(dòng)的部件的慣量，并按一定的規(guī)律將其相加得到。（a）圓柱體慣量 如滾珠絲杠，齒輪等圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣量可按下面公式計(jì)算：（kg cm2）式中，為材料的密度(kg/cm3)；d為圓柱體的直經(jīng)(cm)；l為圓柱體的長(zhǎng)度(cm)。（b）軸向移動(dòng)物體的慣量工件，工作臺(tái)等軸向移動(dòng)物體的慣量，可由下面公式得出：（kg cm2）式中，w為

31、直線移動(dòng)物體的重量(kg)；l為電機(jī)每轉(zhuǎn)在直線方向移動(dòng)的距離(cm)。 圖3.2 圓柱體圍繞中心運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣量（c）圓柱體圍繞中心運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣量如圖3.2所示：屬于這種情況的例子：如大直經(jīng)的齒輪，為了減少慣量，往往在圓盤(pán)上挖出分布均勻的孔這時(shí)的慣量可以這樣計(jì)算：（kg cm2）式中，為圓柱體圍繞其中心線旋轉(zhuǎn)時(shí)的慣量(kgcm2)；w為圓柱體的重量(kg)；r為旋轉(zhuǎn)半徑(cm)。（d）相對(duì)電機(jī)軸機(jī)械變速的慣量計(jì)算將上圖所示的負(fù)載慣量jo折算到電機(jī)軸上的計(jì)算方法如下：（kg cm2）式中，、為齒輪的齒數(shù)。3.5電機(jī)加減速時(shí)的轉(zhuǎn)矩（1）按線性加減速時(shí)加速轉(zhuǎn)矩如圖3.3所示圖3.3電機(jī)加速或減速時(shí)的轉(zhuǎn)矩按

32、線性加減速時(shí)加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算如下： （n.m）式中， 為電機(jī)的穩(wěn)定速度；為加速時(shí)間； 為電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量（kg.cm2）；為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載慣量（kg.cm2）；為位置伺服開(kāi)環(huán)增益。加速轉(zhuǎn)矩開(kāi)始減小時(shí)的轉(zhuǎn)速如下：（2）按指數(shù)曲線加速（如圖3.4所示）圖3.4 電機(jī)按指數(shù)曲線加速時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩曲線此時(shí)，速度為零的轉(zhuǎn)矩to可由下面公式給出： （n.m）式中，為指數(shù)曲線加速時(shí)間常數(shù)。（3）輸入階段性速度指令 這時(shí)的加速轉(zhuǎn)矩ta相當(dāng)于to，可由下面公式求得（ts=ks）。 （n.m）4 系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)4.1 觸發(fā)控制回路設(shè)計(jì) 由圖4.1可見(jiàn)，三相交流經(jīng)不控整流變換成直流，貯能電容c起平波作用，使加于逆變器

33、橋臂的電壓為一恒壓源，ud為直流母線電壓; r和t組成能耗制動(dòng)回路;pwm逆變器由三相六個(gè)橋臂構(gòu)成，把直流電變換成三相交流輸出，即變壓也變頻，輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)的三相電壓和頻率都是同時(shí)變換的。實(shí)際應(yīng)用上經(jīng)電流反饋控制后，逆變器輸出的三相電流為近似對(duì)稱(chēng)的正弦交流電流，以使電動(dòng)機(jī)獲得圓形旋轉(zhuǎn)的氣隙磁場(chǎng)。整個(gè)電路稱(chēng)為交-直-交變換器(ac-dc-ac converter)。 圖4.1交流伺服主回路原理圖 在交流伺服系統(tǒng)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)(pmsm)是一個(gè)執(zhí)行元件，在逆變器中pmsm是一個(gè)非常關(guān)鍵的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的元件，它的運(yùn)行狀態(tài)是伺服系統(tǒng)控制性能的體現(xiàn)。要使電動(dòng)機(jī)能很好地體現(xiàn)各式各樣的控制性能，達(dá)到各種設(shè)計(jì)

34、要求，電動(dòng)機(jī)參數(shù)與變換器各環(huán)節(jié)的參數(shù)必須很好地匹配。4.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的性能很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有許多問(wèn)題需要慎重設(shè)計(jì)，例如，導(dǎo)通延時(shí)、泵升保護(hù)、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、開(kāi)關(guān)頻率、附加電感的選擇等。4.2.1 開(kāi)關(guān)頻率和主回路附加電感的選擇力矩波動(dòng)也即電流波動(dòng)，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)給定的力矩波動(dòng)指標(biāo)為i/in，對(duì)有刷直流電動(dòng)機(jī)而言，通常在(510)%左右。為了便于分析可認(rèn)為i/in=i/(us/rd) (1)式中rd為電樞回路總電阻。代入前面各種驅(qū)動(dòng)控制方式的i表達(dá)式中，消去us，可求出：對(duì)于單極性控制 ld/rd5t2.5t(可逆或不可逆) (2)對(duì)于雙極性控制ld/rd10t5t （3

35、）式中t為功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)周期。對(duì)于有刷直流電動(dòng)機(jī)，電磁時(shí)間常數(shù)ld/rd一般在10ms至幾十毫秒。若采用gtr，開(kāi)關(guān)頻率可取2khz左右，t=0.5ms。若采用igbt，開(kāi)關(guān)頻率可取18khz以上，所以上式均能滿(mǎn)足。若采用gto或可控硅功率器件，由于工作頻率只有100hz左右，此時(shí)應(yīng)考慮在主回路附加電抗器，且 ld=lf+la (4)對(duì)不可逆系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)一步檢查臨界電流，ial=ust/8ldia0應(yīng)小于電機(jī)空載電流，防止空載失控。對(duì)于低慣量電機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)，由于電磁時(shí)間常數(shù)很?。◣讉€(gè)毫秒或更?。藭r(shí)應(yīng)考慮采用開(kāi)關(guān)頻率高的igbt功率開(kāi)關(guān)器件。4.2.2功率驅(qū)動(dòng)電路的選擇圖4.2 h橋開(kāi)關(guān)電路

36、小功率驅(qū)動(dòng)電路可以采用如圖4.2所示的h橋開(kāi)關(guān)電路。ua和ub是互補(bǔ)的雙極性或單極性驅(qū)動(dòng)信號(hào)，ttl電平。開(kāi)關(guān)晶體管的耐壓應(yīng)大于1.5倍us以上。由于大功率pnp晶體管價(jià)格高，難實(shí)現(xiàn)，所以這個(gè)電路只在小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用。當(dāng)四個(gè)功率開(kāi)關(guān)全用npn晶體管時(shí)，需要解決兩個(gè)上橋臂晶體管(bg1和bg3)的基極電平偏移問(wèn)題。圖中h橋開(kāi)關(guān)電路利用兩個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)了上橋臂晶體管的電平偏移。但電阻r上的損耗較大，所以也只能在小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用。當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率比較大時(shí)，一般橋臂電壓也比較高，例如直接取工頻電壓，單相220v，或三相380v。為了安全和可靠，希望驅(qū)動(dòng)回路（主回路）與控制回路絕緣。此時(shí)，主回路必須采用

37、浮地前置驅(qū)動(dòng)。圖4.3所示的浮地前置驅(qū)動(dòng)電路都是互相獨(dú)立的，并由獨(dú)立的電源供電。由于前置驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電耦合，使控制信號(hào)分別與各自的前置驅(qū)動(dòng)電路電氣絕緣，于是使控制信號(hào)對(duì)主回路浮地（或不共地）。圖4.3 大功率驅(qū)動(dòng)電路4.2.3 具有光電耦合絕緣的前置驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，希望將主回路與控制回路之間實(shí)行電氣隔離，此時(shí)常采用光電耦合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。有三種常用的光電耦合電路如圖4所示，其中普通型的典型型號(hào)是4n25、117等，高速型的典型型號(hào)有985c，高電流傳輸比型也稱(chēng)達(dá)林頓型，典型型號(hào)有113等。圖4.4 典型光電耦合器電路圖4.4中，普通型光耦的ic/id=0.10.3；高速型光耦采用

38、光敏二極管；高電流傳輸比型光耦的ic/id=0.5；它們的上升延時(shí)時(shí)間和關(guān)斷延時(shí)時(shí)間分別為tr，ts45s；tr，ts1.5s；tr，ts為10s左右。光電耦合器與后續(xù)電路結(jié)合就能構(gòu)成前置驅(qū)動(dòng)電路，如圖4.5所示。這個(gè)前置驅(qū)動(dòng)電路的上升延時(shí)tr3.9s，關(guān)斷延時(shí)ts1.6s，可以在中等功率系統(tǒng)中使用。圖4.5 前置驅(qū)動(dòng)電路為了對(duì)功率開(kāi)關(guān)提供最佳前置驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在已有很多專(zhuān)用的前置驅(qū)動(dòng)模塊。這種驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)功率開(kāi)關(guān)提供理想前置驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證功率開(kāi)關(guān)迅速導(dǎo)通，迅速關(guān)斷，對(duì)功率開(kāi)關(guān)的飽和深度進(jìn)行最佳控制，對(duì)功率開(kāi)關(guān)的過(guò)電流、過(guò)熱進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)。例如，ex356、ex840等等。4.2.4防直通導(dǎo)通延時(shí)電路

39、對(duì)h橋驅(qū)動(dòng)電路上下橋臂功率晶體管加互補(bǔ)信號(hào)，由于帶載情況下，晶體管的關(guān)斷時(shí)間通常比開(kāi)通時(shí)間長(zhǎng)，這樣，例如當(dāng)下橋臂晶體管未及時(shí)關(guān)斷，而上橋臂搶先開(kāi)通時(shí)就出現(xiàn)所謂“橋臂直通”故障。橋臂直通時(shí)電流迅速變大，造成功率開(kāi)關(guān)損壞。所以設(shè)置導(dǎo)通延時(shí)，是必不可少的。圖4.6是導(dǎo)通延時(shí)電路及其波形。圖4.6 導(dǎo)通延時(shí)電路及波形導(dǎo)通延時(shí)，有時(shí)也稱(chēng)死區(qū)時(shí)間，可通過(guò)rc時(shí)間常數(shù)來(lái)設(shè)置；對(duì)gtr可按0.2s/a來(lái)設(shè)置；對(duì)mosfet可按0.10.2s設(shè)計(jì)，且與電流無(wú)關(guān)，igbt可按25s設(shè)計(jì)。舉例說(shuō)明，若為gtr，f=5khz，雙極性工作，調(diào)寬區(qū)域?yàn)閠/2=1/10=0.1ms。若i=100a，則t=0.2x100=2

40、0s，則pwm調(diào)制分辨率最大可能性為 (t/2)t=0.1/0.02=5 (5)這說(shuō)明死區(qū)時(shí)間占據(jù)了調(diào)制周期的1/5，顯然是不可行的。所以對(duì)于100a的電機(jī)系統(tǒng)，gtr的開(kāi)關(guān)頻率必須低于5khz。例如，2khz以下，此時(shí)分辨率達(dá)12.5左右。 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)還有很多問(wèn)題，例如過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、泵升保護(hù)等等。4 系統(tǒng)電氣控制線路設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)電氣控制線路主要設(shè)計(jì)要求1y降壓起動(dòng)；2電動(dòng)機(jī)能正反向運(yùn)行；3系統(tǒng)求有能耗制動(dòng)；4 系統(tǒng)電壓及電流保護(hù)； 4.2 電氣控制單元電路設(shè)計(jì)4.2.1 y降壓起動(dòng)電路 本設(shè)計(jì)中，降壓?jiǎn)?dòng)采用了 降壓?jiǎn)?dòng)電路。線路工作原理如下：合上總開(kāi)關(guān)qs，按sb2起動(dòng)按鈕，

41、kt1、km3通電吸合，km3觸點(diǎn)動(dòng)作使km1也通電吸合并自鎖，并使km得電吸合，電動(dòng)機(jī)m接成星形減壓起動(dòng)，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，起動(dòng)電流下降，這時(shí)時(shí)間繼電器kt1延時(shí)到其延時(shí)長(zhǎng)閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，因而km3斷電釋放，km2通電吸合，電動(dòng)機(jī)m接成三角形正常運(yùn)行，這時(shí)時(shí)間繼電器也斷電釋放。4.2.2 電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路在實(shí)際的生產(chǎn)中，為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減小輔助工時(shí)，所以系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路。由于電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，若按下反轉(zhuǎn)按鈕，首先應(yīng)斷開(kāi)正轉(zhuǎn)接觸器線圈線路，待正轉(zhuǎn)接觸器釋放后，再接通反轉(zhuǎn)接觸器，于是，為此可以采用兩只復(fù)合按鈕實(shí)現(xiàn)之。其控制線路如電氣控制原理圖所示。線路工作原理如下：正轉(zhuǎn)至

42、反轉(zhuǎn)，按下sb3，使km1斷電，km4得電，km4自鎖，并與km1互鎖，電機(jī)有正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)；反轉(zhuǎn)時(shí)，按下sb5工作原理與上述相同。4.2.3 能耗制動(dòng)回路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用的是時(shí)間原則控制的單向能耗制動(dòng)控制線路。在電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，若按下停止按鈕sb7，電動(dòng)機(jī)由于km斷電釋放而脫離三相交流電源。而直流電源則由于接觸器km5線圈通電km5主觸頭閉合而加入定子繞組，時(shí)間繼電器kt2線圈和km5線圈同時(shí)通電并自鎖，于是電動(dòng)機(jī)進(jìn)入能耗制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)其轉(zhuǎn)子的慣性速度接近于零時(shí)，時(shí)間繼電器延時(shí)打開(kāi)的常閉觸頭斷開(kāi)接觸器km5線圈電路。由于km5常開(kāi)輔助觸頭的復(fù)位，時(shí)間繼電器kt2線圈的電源也被斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)能耗

43、制動(dòng)結(jié)束。圖中kt的瞬時(shí)常開(kāi)觸頭的作用是考慮kt線圈斷線或機(jī)械卡住故障時(shí)，電動(dòng)機(jī)在按下按鈕sb6后電動(dòng)機(jī)能迅速制動(dòng)，兩相的定子繞組不致長(zhǎng)期接入能耗制動(dòng)的直流電流。該線路具有手動(dòng)控制能耗制動(dòng)能力，只要使停止按鈕sb6處于按下?tīng)顟B(tài)，電動(dòng)機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)能耗制動(dòng)。4.2.4 系統(tǒng)保護(hù)電路設(shè)計(jì) （1） 短路保護(hù)fu 絕緣損壞、負(fù)載短路、接線錯(cuò)誤等故障，都可能產(chǎn)生短路現(xiàn)象。短路的瞬時(shí)故障電流可達(dá)到額定電流的幾倍到幾十倍而使電氣設(shè)備損壞。短路保護(hù)要求具有瞬動(dòng)特性，即要求在很短的時(shí)間內(nèi)切斷電源。該設(shè)計(jì)用常用的熔斷器。如圖32中的fu。 （2）過(guò)電流保護(hù)ki 過(guò)流保護(hù)是區(qū)別于短路保護(hù)的另一種電流型保護(hù)。電動(dòng)機(jī)或電

44、器元件超過(guò)其額定電流的運(yùn)行狀態(tài)，時(shí)間長(zhǎng)了同樣會(huì)過(guò)熱損壞絕緣，因而需要這樣一種保護(hù)，即保護(hù)的特點(diǎn)是電流值比短路時(shí)小，一般不超過(guò)2.5i。過(guò)流保護(hù)也要求有瞬動(dòng)保護(hù)特性，即只要過(guò)電流值達(dá)到整定值，保護(hù)電器立即切斷電源。如圖32所示，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，按下sb8時(shí)，時(shí)間繼電器kt的常閉觸點(diǎn)立即閉合，將過(guò)流繼電器ki接入電路。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，延時(shí)繼電器kt的常閉觸點(diǎn)閉合著，過(guò)流繼電器的過(guò)電流線圈被短接，這時(shí)雖然起動(dòng)電流很大，但過(guò)電流保護(hù)不動(dòng)作。起動(dòng)結(jié)束后，kt的常閉觸點(diǎn)經(jīng)過(guò)延時(shí)已經(jīng)斷開(kāi)，過(guò)電流繼電器ki開(kāi)始起保護(hù)作用。當(dāng)電流值達(dá)到整定值時(shí)，過(guò)流繼電器ki動(dòng)作，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器km失電，電機(jī)停止運(yùn)行。

45、（3）過(guò)載保護(hù)fr 過(guò)載也是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流大于其額定電流，但超過(guò)額定電流的倍數(shù)要小些。通常在1.5i以?xún)?nèi)。過(guò)載保護(hù)是采用熱繼電器和接觸器配合動(dòng)作的方法完成保護(hù)的。如圖32中的fr在過(guò)載時(shí)其常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，使km失電，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)而得到保護(hù)。 （4）電壓保護(hù)通過(guò)電壓繼電器kv接入，當(dāng)電壓高于或低于某規(guī)定值時(shí)其常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，使接觸器km失電，電機(jī)停轉(zhuǎn)而得到保護(hù)。4.2.5 電氣控制線路調(diào)試方法電氣控制線路是為生產(chǎn)機(jī)械服務(wù)的，生產(chǎn)中使用的機(jī)械設(shè)備種類(lèi)繁多，其控制線路和拖動(dòng)控制方式各不相同，所以對(duì)電氣控制線路的調(diào)試方法有一定的差異。然而，從整體上看，在調(diào)試的步驟、手段、處理方法上是大致相同的。為此，下面

46、將對(duì)調(diào)試電氣控制線路的共性問(wèn)題進(jìn)行討論。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的工作任務(wù)以及達(dá)到規(guī)定的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，必須在系統(tǒng)安裝竣工并經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行認(rèn)真細(xì)致的調(diào)試工作。這是確保系統(tǒng)安全可靠、合理進(jìn)行的必要手段。為此，應(yīng)做到以下幾方面要求。按技術(shù)文件及圖紙對(duì)各單體設(shè)備、附屬裝備進(jìn)行外觀檢查，關(guān)鍵尺寸檢查，裝配質(zhì)量及部件互換性檢查，接線檢查，絕緣試驗(yàn)等常規(guī)的檢驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備及附件在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途搬運(yùn)、倉(cāng)庫(kù)保管以及安裝過(guò)程中有無(wú)損壞、差錯(cuò)或其他隱患。找出并核對(duì)系統(tǒng)中各電源裝置的極性、相序以及各單元之間的正確連接關(guān)系。將所有保護(hù)裝置均按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行整定。對(duì)每一單元進(jìn)行特性測(cè)定、調(diào)整、試驗(yàn)，使其工作在最合

47、理的工作狀態(tài)達(dá)到滿(mǎn)意的技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)調(diào)試，使得整個(gè)系統(tǒng)獲得較為理想的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。驗(yàn)證在各種狀態(tài)下，系統(tǒng)工作的可靠性，以及各種事故狀態(tài)下保護(hù)裝置的可靠性。通過(guò)調(diào)試，校核設(shè)計(jì)文件的正確性及提供修改設(shè)計(jì)的必要依據(jù)。調(diào)試前的準(zhǔn)備工作：1.應(yīng)具備完整的設(shè)計(jì)圖紙、說(shuō)明書(shū)（包括有關(guān)計(jì)算）以及主要設(shè)備的技術(shù)文件。2.應(yīng)編制詳盡的系統(tǒng)調(diào)試大綱，明確規(guī)定各單元、各環(huán)節(jié)以及整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試步驟、操作方法、技術(shù)指標(biāo)。3. 應(yīng)挑選對(duì)本系統(tǒng)有一定了解的熟練技術(shù)人員和電工參加調(diào)試工作，必要時(shí)可邀請(qǐng)有關(guān)設(shè)計(jì)人員及廠家技術(shù)人員參加調(diào)試。4.除一般常用的儀器、儀表、工具、器材、備品、配件等應(yīng)齊備完好外，還應(yīng)準(zhǔn)備好被調(diào)試系統(tǒng)

48、所需的專(zhuān)用儀器和儀表，如雙蹤示波器等。5.為確保調(diào)試安全順利進(jìn)行，應(yīng)具有可切斷全部電源的緊急總開(kāi)關(guān)，并認(rèn)真考慮調(diào)試時(shí)的各種安全措施。調(diào)試前的檢查：1.設(shè)備安裝檢查。2.線路檢查。3.絕緣檢查。調(diào)試的一般順序：由于不同的電氣控制線路的工作任務(wù)各不相同，所以調(diào)試過(guò)程的順序不一定相同。但主要順序是基本一樣的。1.先查線，后操作；通電前先檢查線路。2.先保護(hù)，后操作；先做保護(hù)部分整定，后調(diào)試操作部分。3. 先單元，后整體；先調(diào)單元部分，后調(diào)整體部分。4.先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)；先調(diào)靜態(tài)工作點(diǎn)，后調(diào)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。5. 先模擬，后真實(shí)；先帶電阻性模擬負(fù)載試驗(yàn)，后帶真實(shí)負(fù)載。6.先開(kāi)環(huán)，后閉環(huán)；系統(tǒng)調(diào)試時(shí)先做開(kāi)環(huán)調(diào)試，后做閉環(huán)調(diào)試。7.先內(nèi)環(huán)，后外