數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

1、第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)第第6 6章章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)6.16.1 概述概述一、一、 伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)的組成 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)按其功能可分為：進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)。 主軸伺服系統(tǒng)用于控制機床主軸的轉(zhuǎn)動。 進給伺服系統(tǒng)是以機床移動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)，通常由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機、機械傳動機構(gòu)及執(zhí)行部件組成。 進給伺服系統(tǒng)的作用：接受數(shù)控裝置發(fā)出的進給速度和位移指令信號，由伺服驅(qū)動裝置作一定的轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電機（直流、交流伺服電機、功率步進電機等）和機械傳動機構(gòu)，驅(qū)動機床的工作臺等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給或快速運動。 數(shù)控機

2、床的進給伺服系統(tǒng)能根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。 如果把數(shù)控裝置比作數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機構(gòu)，那么伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機構(gòu)，它是一個不折不扣的跟隨者。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)圖6-1 閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)位置控制模塊速度控制單元伺服電機 工作臺 位置檢測測量反饋 伺服驅(qū)動裝置速度環(huán)速度檢測位置環(huán) 數(shù)控機床閉環(huán)進給系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖，這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。速度環(huán)由速度控制單元、速度檢測裝置等構(gòu)成。速度控制單元是一個獨立的單元部件，它是用來控制電機轉(zhuǎn)速的，是

3、速度控制系統(tǒng)的核心。速度檢測裝置有測速發(fā)電機、脈沖編碼器等。位置環(huán)是由CNC裝置中的位置控制模塊、速度控制單元、位置檢測及反饋控制等部分組成。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 由速度檢測裝置提供速度反饋值的速度環(huán)控制在進給驅(qū)動裝置內(nèi)完成，而裝在電動機軸上或機床工作臺上的位置反饋裝置提供位置反饋值構(gòu)成的位置環(huán)由數(shù)控裝置來完成。伺服系統(tǒng)從外部來看，是一個以位置指令輸入和位置控制為輸出的位置閉環(huán)控制系統(tǒng)。但從內(nèi)部的實際工作來看，它是先把位置控制指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的速度信號后，通過調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動伺服電機，才實現(xiàn)實際位移的。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)1. 調(diào)速范圍寬 為保證在各種情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺

4、服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。一般0-24m/min.2. 可逆運行3. 足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性4. 快速響應(yīng)和無超調(diào) 高精度低速大轉(zhuǎn)矩對伺服電機的要求速度變化平滑；過載、低速能力；小慣量高響應(yīng)。對主軸驅(qū)動的要求5 高切削效率；調(diào)速寬；一定的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率6.1.2 6.1.2 對伺服系統(tǒng)的基本要求對伺服系統(tǒng)的基本要求第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)一、步進電機工作原理一、步進電機工作原理 步進電機伺服系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，步進電機受驅(qū)動線路控制，將進給脈沖序列轉(zhuǎn)換成為具有一定方向、大小和速度的機械轉(zhuǎn)角位移，并通過齒輪和絲杠帶動工作臺移動。進給脈沖的頻率代表了驅(qū)動速度，脈沖的數(shù)

5、量代表了位移量，而運動方向是由步進電機的各相通電順序來決定，并且保持電機各相通電狀態(tài)就能使電機自鎖。但由于該系統(tǒng)沒有反饋檢測環(huán)節(jié)，其精度主要由步進電機來決定，速度也受到步進電機性能的限制。6.2步進電機及其驅(qū)動裝置步進電機及其驅(qū)動裝置 工作臺驅(qū) 動 控 制線路圖6-2開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖指令脈沖步進電機齒輪箱第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)步進電機在結(jié)構(gòu)上分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分。有永磁式(PM,permanent magnet),磁阻式(VR,variable reluctance),和混合式(HB,hybrid)等。以圖6-3所示反應(yīng)式(磁阻式)三相步進電機. A A B B C C 定子 轉(zhuǎn)子 繞組

6、圖6-3 三相反應(yīng)式步進電機結(jié)構(gòu) 定子上有六個磁極，每個磁極上繞有勵磁繞組，每相對的兩個磁極組成一相，分成A、B、C三相。轉(zhuǎn)子無繞組，它是由帶齒的鐵心做成的。步進電機是按電磁吸引的原理進行工作的。當定子繞組按順序輪流通電時，A、B、C三對磁極就依次產(chǎn)生磁場，并每次對轉(zhuǎn)子的某一對齒產(chǎn)生電磁引力，將其吸引過來，而使轉(zhuǎn)子一步步轉(zhuǎn)動。每當轉(zhuǎn)子某一對齒的中心線與定子磁極中心線對齊時，磁阻最小，轉(zhuǎn)矩為零。如果控制線路不停地按一定方向切換定子繞組各相電流，轉(zhuǎn)子便按一定方向不停地轉(zhuǎn)動。步進電機每次轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。 第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)圖6-5為例來說明其轉(zhuǎn)動的整個過程，假設(shè)轉(zhuǎn)子上有四個齒，相鄰兩齒

7、間夾角（齒距角）為90。當A相通電時，轉(zhuǎn)子1、3齒被磁極A產(chǎn)生的電磁引力吸引過去，使1、3齒與A相磁極對齊。接著B相通電，A相斷電，磁極B又把距它最近的一對齒2、4吸引過來，使轉(zhuǎn)子按逆時針方向轉(zhuǎn)動30。然后C相通電，B相斷電，轉(zhuǎn)子又逆時針旋轉(zhuǎn)30，依次類推，定子按ABCA順序通電，轉(zhuǎn)子就一步步地按逆時針方向轉(zhuǎn)動，每步轉(zhuǎn)30。若改變通電順序，按ACBA使定子繞組通電，步進電機就按順時針方向轉(zhuǎn)動，同樣每步轉(zhuǎn)30o。 這種控制方式叫三相單三拍方式，“單”是指每次只有一相繞組通電，“三拍”是指每三次換接為一個循環(huán)。由于每次只有一相繞組通電，在切換瞬間將失去自鎖轉(zhuǎn)矩，容易失步，另外，只有一相繞組通電，易

8、在平衡位置附近產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定性不佳，故實際應(yīng)用中不采用單三拍工作方式。 AABBCC1234AABBCC1234AABBCC1234逆時針轉(zhuǎn)30逆時針轉(zhuǎn)30逆時針轉(zhuǎn)30第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 采用三相雙三拍控制方式，即通電順序按ABBCCAAB（逆時針方向）或ACCBBAAC（順時針方向）進行，其步距角仍為30。由于雙三拍控制每次有二相繞組通電，而且切換時總保持一相繞組通電，所以工作比較穩(wěn)定。 如果按AABBBCCCAA順序通電，即首先A相通電，然后A相不斷電，B相再通電，即A、B兩相同時通電，接著A相斷電而B相保持通電狀態(tài)，然后再使B、C兩相通電，依次類推，每切換一次，步進電機逆時針轉(zhuǎn)過

9、15。如通電順序改為AACCCBBBAA，則步進電機以步距角15順時針旋轉(zhuǎn)。這種控制方式為三相六拍，它比三相三拍控制方式步距角小一半，因而精度更高，且轉(zhuǎn)換過程中始終保證有一個繞組通電，工作穩(wěn)定，因此這種方式被大量采用。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)設(shè)設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A對齊（圖對齊（圖3a）。）。然后在然后在A相繼續(xù)通電的情相繼續(xù)通電的情況下接通況下接通B相。這時定子相。這時定子B、B極對轉(zhuǎn)子極對轉(zhuǎn)子齒齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，但是動，但是A、A極繼續(xù)拉住齒極繼續(xù)拉住齒1、3，因，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。

10、這時轉(zhuǎn)此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁拉力平衡為止。這時轉(zhuǎn)子的位置如圖子的位置如圖3b所示，即轉(zhuǎn)子從圖所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位位置順時針轉(zhuǎn)過了置順時針轉(zhuǎn)過了15。接著。接著A相斷電，相斷電，B相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒相繼續(xù)通電。這時轉(zhuǎn)子齒2、4和定子和定子B、B極對齊（圖極對齊（圖c），），轉(zhuǎn)子從圖轉(zhuǎn)子從圖(b)的位置又的位置又轉(zhuǎn)過了轉(zhuǎn)過了15。其位置如圖。其位置如圖3d所示。這樣，所示。這樣，如果按如果按AA、BBB、CCC、AA的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角方向一步一步地轉(zhuǎn)動，步距角15。電流。電流換接六次，磁場旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個換接六次，磁場

11、旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進了一個齒距角。如果按齒距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的順序通電，則電機轉(zhuǎn)的順序通電，則電機轉(zhuǎn)子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為六拍子逆時針方向轉(zhuǎn)動。這種通電方式稱為六拍方式。方式。a.)A 相通電 .A 、 B 相通電 .B 相通電 .B 、 C 相通電 第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)實際應(yīng)用的步進電機如圖所示，轉(zhuǎn)子鐵心和定子磁極上均有齒距相等的小齒，且齒數(shù)要有一定比例的配合。 第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)KmZ360式中 步進電機的步距角；, s步進電機的基本步距角；m電機相數(shù)； Z轉(zhuǎn)子齒數(shù)；K系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K1； 相鄰兩次通電相數(shù)不同，K2。 同一相數(shù)的步

12、進電機可有兩種步距角，通常為1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距誤差是指步進電機運行時，轉(zhuǎn)子每一步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角之差值。連續(xù)走若干步時，上述步距誤差的累積值稱為步距的累積誤差。由于步進電機轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，將重復(fù)上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，即步進電機的步距累積誤差將以一轉(zhuǎn)為周期重復(fù)出現(xiàn)。6.2.2步進電機的主要性能指標步進電機的主要性能指標 1. 步距角和步距誤差 反應(yīng)式步距角和步進電機的相數(shù)、通電方式及電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)的關(guān)系如下：(6-14)mZs360第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)2. 靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與矩角特性 當步進電機上某相定子繞組通電之后，轉(zhuǎn)子齒將力求與定子齒對齊，使

13、磁路中的磁阻最小，轉(zhuǎn)子處在平衡位置不動（0）。如果在電機軸上外加一個負載轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過一個角度，角度稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進電機就產(chǎn)生一個靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩），這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角的關(guān)系叫矩角特性，如圖6-5所示，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。在靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，當外加負載轉(zhuǎn)矩除去時，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩作用下，仍能回到穩(wěn)定平衡點位置（0）。 圖6-5 靜態(tài)矩角特性 O Mjm a x M 靜 態(tài) 穩(wěn) 定 區(qū) - - /2 /2 最大靜轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩（保持轉(zhuǎn)矩）： 通電時能夠維持靜止狀態(tài)的最大轉(zhuǎn)矩。第6章 數(shù)

14、控機床的伺服系統(tǒng)3. 最大啟動轉(zhuǎn)矩Mq 圖6-7為三相單三拍矩角特性曲線，圖中的A、B分別是相鄰A相和B相的靜態(tài)矩角特性曲線，它們的交點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是步進電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩Mq 。如果外加負載轉(zhuǎn)矩大于Mq ，電機就不能啟動。如圖6-7所示,當A相通電時，若外加負載轉(zhuǎn)矩Ma Mq ，對應(yīng)的失調(diào)角為a ，當勵磁電流由A相切換到B相時，對應(yīng)角，B相的靜轉(zhuǎn)矩為b。從圖中看出Mbf2f3f4 f2 f3 圖6-18 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性曲線第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)2. 恒最大轉(zhuǎn)矩（Tm）調(diào)速 為了在低速時保持最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，就必須采取E1/f1=常數(shù)的協(xié)調(diào)控制，顯然，這是一種理想的保持磁通恒定的控制方法。

15、恒Tm調(diào)速的機械特性見圖6-19所示，對應(yīng)于同一轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速降基本不變，即直線部分斜率不變，機械特性平行地移動。 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 圖6-19 恒Tm調(diào)速特性曲線第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 3. 恒功率調(diào)速 為了擴大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進行調(diào)速。因電機繞組是按額定電壓等級設(shè)計的，超過額定電壓運行將受到繞組絕緣強度的限制，因此定子電壓不可能與頻率成正比地提高。若頻率上升，額定電壓不變，那么氣隙磁通m將隨著f1的升高而降低。這時，相當于額定電流時的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖6-20所示，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，

16、而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。圖6-20 恒功率調(diào)速特性曲線第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 6.3.2 交流感應(yīng)電機矢量控制原理 矢量控制理論是在1971年由德國學者F.Blachke提出的。 在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機能獲得優(yōu)良的動態(tài)與靜態(tài)性能，其根本原因是被控制只有電機磁通和電樞電流Ia，且這兩個量是獨立的。此外，電磁轉(zhuǎn)矩（Tm=KT Ia）與磁通和電樞電流Ia分別成正比關(guān)系。因此，控制簡單，性能為線性。如果能夠模擬直流電機，求出交流電機與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨立地加以控制，就會使交流電機具有與直流電機近似的優(yōu)良特性。為此，必須將三相交變量（矢量）轉(zhuǎn)換為與之等效的直流量（標量

17、），建立起交流電機的等效模型，然后按直流電機的控制方法對其進行控制。 第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 圖6-21a所示三相異步交流電機在空間上產(chǎn)生一個角速度為0的旋轉(zhuǎn)磁場。如果用圖6-21b中的兩套空間相差900的繞組和來代替，并通以兩相在時間上相差900的交流電流，使其也產(chǎn)生角速度為0的旋轉(zhuǎn)磁場 ， 則可以認為圖6-21a和圖6-21b中的兩套繞組是等效的。若給圖6-21c所示模型上兩個互相垂直繞組d和q，分別通以直流電流id 和iq ，則將產(chǎn)生位置固定的磁場 ，如果再使繞組以角速度0旋轉(zhuǎn)，則所建立的磁場也是旋轉(zhuǎn)磁場，其幅值和轉(zhuǎn)速也與圖6-21a一樣。 圖6-21 交流電機三相/二相直流電機變換

18、000BC第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)三相A、B、C系統(tǒng)變換到兩相、系統(tǒng)000BC 這種變換是將三相交流電機變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C。圖6-21a所示的三相異步電機的定子三相繞組，彼此相差1200空間角度，當通以三相平衡交流電流 iA, iB, iC 時，在定子上產(chǎn)生以同步角速度0旋轉(zhuǎn)的磁場矢量。三相繞組的作用，完全可以用在空間上互相垂直的兩個靜止的、繞組代替，并通以兩相在時間上相差900的交流平衡電流 i 和 i ，使其產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的幅值和角速度也分別和0，則可以認為圖6-21a、b中的兩套繞組是等效的。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 應(yīng)用三相/二相的數(shù)學變換公式，將其化為二相交流繞組的等效交流磁

19、場。則產(chǎn)生的空間旋轉(zhuǎn)磁場與三相A、B、C繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場一致。令三相繞組中的A相繞組的軸線與坐標軸重合，其磁勢為（見圖6-22a）。FBF600FAFFC圖6-22a 三相磁動勢的變換CBCBCBACBAFFFFFFFFFFFF232360sin60sin212160cos60cos按照磁勢與電流成正比關(guān)系，可求得對應(yīng)的電流值i 和 i (6-7)CBCBAiiiiiii23232121(6-8) 除磁勢的變換外，變換中用到的其它物理量，只要是三相平衡量與二相平衡量，則轉(zhuǎn)換方式相同。這樣就將三相電機轉(zhuǎn)換為二相電機，如圖6-21b。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)cossinsincosiiiiii

20、qd 2. 矢量旋轉(zhuǎn)變換 將三相電機轉(zhuǎn)化為二相電機后，還需將二相交流電機變換為等效的直流電機，見圖6-21c。若設(shè)圖6-21c中d為激磁繞組，通以激磁電id，q為電樞繞組，通以電樞電流iq ，則產(chǎn)生固定幅度的磁場，在定子上以角速度0旋轉(zhuǎn)。這樣就可看成是直流電機了。將二相交流電機轉(zhuǎn)化為直流電機的變換，實質(zhì)就是矢量向標量的轉(zhuǎn)換，是靜止的直角坐標系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標系之間的轉(zhuǎn)換。這里，就是把i 和 i 轉(zhuǎn)化為 id 和 iq ，轉(zhuǎn)化條件是保證合成磁場不變。在圖6-22b中， i 和 i的合成矢量是 i1，將其在方向及垂直方向投影，即可求得id 和 iq 。 id 和 iq 在空間以角速度0旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)換公

21、式為 i1idiq圖6-22b三相磁動勢的變換第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)dqqdiitgiii221 3. 直角坐標與極坐標的變換 矢量控制中，還要用到直角坐標系與極坐標系的變換。如圖6-28b中，由id 和 iq求i1 ，其公式為(6-10) 采用矢量變換的感應(yīng)電機具有和直流電機一樣的控制特點，而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機容量不受限制，與同等直流電機相比機械慣量小，其前景非?？捎^。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) （ 三）交流電機的變頻調(diào)速 交流電機調(diào)速種類很多，應(yīng)用最多的是變頻調(diào)速。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是能為交流電機提供變頻電源的變頻器。變頻器的功用是，將頻率固定（電網(wǎng)頻率為50Hz）的交流電，變換成

22、頻率連續(xù)可調(diào)（0400Hz）的交流電。變頻器可分為交-直-交變頻器和交-交變頻器兩大類。交-直-交變頻器是先將頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率可變的交流電。交-交變頻器不經(jīng)過中間環(huán)節(jié)，把頻率固定的交流電直接變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。因只需一次電能轉(zhuǎn)換，效率高，工作可靠，但是頻率的變化范圍有限。交-直-交變頻器，雖需兩次電能的變換，但頻率變化范圍不受限制，目前應(yīng)用得比較廣泛，本書以這種變頻器為例做介紹。整流電路平波電路逆變電路控制電路 逆變器輸入恒電壓，恒頻率輸出可變電壓，可變頻率變頻器基本組成，整流部分把恒壓恒頻的交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，平波電路由電容器及電抗器組成（也稱直

23、流中間電路），逆變器把直流逆變?yōu)榻涣??？刂齐娐吠ㄟ^來自外部的運行指令，經(jīng)運算電路、驅(qū)動電路，向逆變器發(fā)出控制指令。變頻器基本組成第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 圖6-23是脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation簡稱PWM）變頻器的主電路。它由擔任交-直變換的二極管整流器和擔任直-交變換、同時完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)的脈沖寬度調(diào)制逆變器組成。圖中續(xù)流二極管D1D6，為負載的滯后電流提供一條反饋到電源的通路，逆變管（全控式功率開關(guān)器件）T1T6組成逆變橋，A、B、C為逆變橋的輸出端。電容器Cd的功能是：濾平全波整流后的電壓波紋；當負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。 交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵

24、部件之一就是逆變器，由于調(diào)速的要求，逆變器必須具有頻率連續(xù)可調(diào)、以及輸出電壓連續(xù)可調(diào)，并與頻率保持一定比例關(guān)系等功能。ABC電源圖6-23 PWM變頻器的主電路原理圖第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) T1 T5 T2 T3 T4 T6 t1 t2 t3 t4 t5 t6 下面討論逆變管T1T6以怎樣的順序動作（導(dǎo)通和關(guān)斷）才能將直流電變?yōu)槿嘟涣麟姡?如圖6-24所示，在t1、t2時間內(nèi)，V1、V6同時導(dǎo)通，A為正，B為負，uAB為正。在t4、t5時間內(nèi)，V3、V4同時導(dǎo)通，A為負，B為正，uAB為負。在t3、t4時間內(nèi)，T3、T2同時導(dǎo)通，B為正，C為負，uBC為正。在t6、t1時間內(nèi)，T5、T6

25、同時導(dǎo)通，B為負，C為正，uBC為負。在t5、t6時間內(nèi)，T5、T4同時導(dǎo)通，C為正，A為負，uCA為正。在t2、t3時間內(nèi)，T1、T2同時導(dǎo)通，C為負，A為正，uCA為負。 圖6-24 各逆變管的通斷安排圖所示為逆變管的工作情況，圖中陰影部分為各逆變管的導(dǎo)通時間，其余為關(guān)斷狀態(tài)。1.直流變交流第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 3000 3000 3000 uAB 600 uBC uCA 1200 1800 2400 3600 600 1200 1800 2400 3600 600 1200 1800 2400 3600 00 00 00 tw tw tw 圖6-25 三相逆變橋的輸出電壓逆變橋輸出

26、的線電壓波形如圖6-25所示，由圖可見，各相之間的相位互差1200，它們的幅值都與直流電壓Ud相等。只要按照一定的規(guī)律來控制逆變管的導(dǎo)通與截止，就可以把直流電逆變成三相交流電。改變逆變管導(dǎo)通和關(guān)斷時間，即可得到不同的輸出頻率。利用脈沖寬度調(diào)制逆變器可實現(xiàn)變頻也變壓。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)2.PWM直流變交流PWM調(diào)速原理圖6-26 PWM調(diào)速系統(tǒng)原理圖UUiidqd電樞平均電壓：脈沖的占空比：22211第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)1 2 O t a) u 1 2 T O t b) u T 圖6-27 脈寬調(diào)制的輸出電壓如圖所示，因電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，改變輸出電壓脈如

27、圖所示，因電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時，改變輸出電壓脈沖的占空比，就能同時實現(xiàn)變頻和變壓。與圖沖的占空比，就能同時實現(xiàn)變頻和變壓。與圖6-27a6-27a相比，圖相比，圖6-27b6-27b所示電壓周期增所示電壓周期增大（頻率降低），而占空比減小，故平均電壓降低。大（頻率降低），而占空比減小，故平均電壓降低。 第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 采用PWM方法控制逆變管的通、斷時，可獲得一組幅值相等、寬度相同的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度可控制其輸出電壓，改變調(diào)制周期可控制其輸出頻率，同時實現(xiàn)變壓和變頻。 因輸出電壓波形為矩形波，具有許多高次諧波成分。對電機來說，有用的是電壓的基波。為

28、了減少諧波影響，提高電機的運行性能，應(yīng)采用對稱的三相正弦波電源為三相交流電機供電。 正弦波脈寬調(diào)制型逆變器（SPWM）的輸出端可獲一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，來近似等效于正弦電壓波。 SPWM脈寬調(diào)制波形，當正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，而脈沖的間隔則最小。反之，當正弦值較小時，脈沖的寬度也小，而脈沖的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負載電流中的高次諧波成分大大減少。 3. SPWM第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 下面介紹用正弦波（調(diào)制波）控制，三角波（載波）調(diào)制的采用模擬電路元件實現(xiàn)SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）控制的變頻器的工作原理。 如圖6-28所示，首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正

29、弦波發(fā)生器分別產(chǎn)生三角波信號VT和正弦波信號VS，然后送入電壓比較器A，產(chǎn)生SPWM調(diào)制的矩形脈沖。 VT Ud VS + _ A 圖6-28電路原理圖 第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)圖6-29 脈寬調(diào)制波的形成 12345a)1413 u + Ud/2-Ud/2b)圖6-29a所示的數(shù)字位置為這二種波形交點，決定了逆變器某相元件的通斷時間（在此為A相），即V1和V4的通斷，決定了SPWM脈沖系列的寬度和脈沖間的間隔寬度。當正弦波高于三角波時，開關(guān)器件V1導(dǎo)通、V4關(guān)斷，使負載上得到的相電壓為uA=Ud/2；當正弦波低于三角波時，開關(guān)器件V1關(guān)斷、V4導(dǎo)通，負載上的相電壓為uA=Ud/2；調(diào)制波和

30、載波的交點決定了逆變橋輸出相電壓的脈沖系列，調(diào)制出脈寬波形如圖6-29b。由相電壓合成為線電壓時，如uAB=uA-uB，可得逆變器輸出線電壓脈沖系列，其脈沖幅值為Ud和Ud。uA第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 改變調(diào)制波的頻率時，輸出電壓基波的頻率也隨之改變；增加調(diào)制波的幅值時，各段脈沖的寬度都將變寬，從而使輸出電壓基波的幅值也相應(yīng)變大。 如果用這樣的矩形脈沖作為逆變管的控制信號，則在逆變器輸出端可以獲得一組類似的矩形脈沖，其幅值就是直流側(cè)的整流電壓Ud，其寬度是按正弦規(guī)律變化的。 采用模擬電路調(diào)制的優(yōu)點是完成VT與VS信號的比較和確定脈沖寬度所用的時間短，幾乎是瞬間完成的。然而，這種方法的缺點是

31、所需要硬件較多，而且不夠靈活，改變參數(shù)和調(diào)試比較麻煩。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) 采用數(shù)字電路的SPWM逆變器，可采用以軟件為基礎(chǔ)的控制模式。優(yōu)點是所需硬件少，靈活性好和智能性強。缺點是需要通過計算確定SPWM的脈沖寬度，有一定的延時和響應(yīng)時間。然而，隨著高速度、高精度多功能微處理器、微控制器和SPWM專用芯片的發(fā)展，采用微機控制的數(shù)字化SPWM技術(shù)已占當今PWM逆變器的主導(dǎo)地位。 微機控制的SPWM控制模式有多種，以規(guī)則取樣法為例來介紹。微機是采用計算的辦法尋找三角波VT與參考正弦波VS的交點從而確定SPWM脈沖寬度的。VT和VS的交點A1、B1能準確求得，從而確定脈沖寬度t2，但計算工作量

32、較大。為簡化計算，可采用近似的求VT和VS交點的方法。通過兩個三角波峰之間中線與VS的交點m作水平線與兩個三角波分別交于A和B點，由交點A和B確定的SPWM脈寬為t2，顯然，t2與t2數(shù)值相近。第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)mSTSTTtTUUTTt2sin222mSTSTTTtTUUTTtTtt2sin2221)(21231 規(guī)則取樣法就是用VT和VS近似交點A和B代替實際的交點A1和B1，用以確定SPWM脈沖信號的。這種方法雖然有一定的誤差，但卻大大減少了計算工作量。由圖6-30可很容易地導(dǎo)出規(guī)則取樣法的計算公式。設(shè)三角波和正弦波的周期分別為TT和TS，幅值分別為UT和US。t1為在TT時間內(nèi)，在脈沖發(fā)生以前（即A點以前）的間歇時間，t2為AB之間的脈寬時間，t3為在TT以內(nèi)B點以后的間隙時間。顯然TT=t1+t2+t3，t1、t3及t2可由下式計算 B TT t2 t2 At1 B1 A1 t3 VT VS m tm t V 圖6-30 規(guī)則取樣SPWM調(diào)制模式第6章 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) * 直線電機伺服系統(tǒng) 直線電動機的實質(zhì)是