交流電動機驅(qū)動及其控制

1、第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 5.4 交流電動機驅(qū)動及其控制交流電動機驅(qū)動及其控制5.4.1 交流伺服電機特點及其調(diào)速方法交流伺服電機特點及其調(diào)速方法 5.4.2 變頻器調(diào)速裝置（變頻器調(diào)速裝置（VFD）5.4.3 交流伺服系統(tǒng)組成交流伺服系統(tǒng)組成5.4.4 交流伺服電機的矢量控制及應(yīng)用實例交流伺服電機的矢量控制及應(yīng)用實例第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 5.4.1 交流伺服電機特點及其調(diào)速方法交流伺服電機特點及其調(diào)速方法 直流伺服電機具有電刷和整流子，尺寸較大且必須經(jīng)常維修，使用環(huán)境也受到一定影響，特別是其容量較小，受換向器限制，很多特性參數(shù)隨速度而變化，因而限制

2、了直流伺服電機向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。 交流伺服電機采用了全封閉無刷結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)實際生產(chǎn)環(huán)境，不需要定期檢查和維修。其定子省去了鑄件殼體，結(jié)構(gòu)緊湊、外形小、重量輕(只有同類直流電機的7590)。定子鐵芯較一般電機開槽多且深，繞組繞在定子鐵芯上，絕緣可靠，磁場均勻?？蓪Χㄗ予F芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機械部分的熱量小，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。轉(zhuǎn)子采用具有第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩慣量比，動態(tài)響應(yīng)好，運行平穩(wěn)。因此交流伺服電機以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應(yīng)用。 但是交流電機的控制性能沒有直流電機的好，也正是由于這一點，交流伺

3、服系統(tǒng)的發(fā)展歷史沒有直流伺服系統(tǒng)早，在過去較長的一段時間遠(yuǎn)沒有直流伺服系統(tǒng)應(yīng)用廣泛。 隨著電子學(xué)和電子技術(shù)的發(fā)展，特別是集成電路和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，交流伺服的發(fā)展極為迅速，已進(jìn)入與直流伺服相媲美、相競爭的時代，并有取而代之的趨勢。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 交流電機的轉(zhuǎn)速公式：)1(60spfn00nnns 式中，f定子電源頻率，s轉(zhuǎn)差率；p極對數(shù)，n0同步轉(zhuǎn)速。 根據(jù)上式，可得到不同的交流電機調(diào)速的方法： (1)轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)電阻改變轉(zhuǎn)差率，這種方法調(diào)速機械特性很軟，低速運行時電阻損耗很大。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 (2)改變定子電壓來改變轉(zhuǎn)差率，這種

4、方法損耗也很大。 (3)改變極對數(shù)來改變轉(zhuǎn)速，這種方法調(diào)速是有級的，而且調(diào)速范圍窄。 (4)改變定子供電頻率，可以平滑地改變電機的同步轉(zhuǎn)速，這種方法最為理想，稱又交流變頻調(diào)速交流變頻調(diào)速，其裝置叫變頻器調(diào)速裝置變頻器調(diào)速裝置(VFD)。 目前高性能的交流調(diào)速系統(tǒng)大都采用變頻調(diào)速方法來改變電機轉(zhuǎn)速。為了保持在調(diào)速時電機的最大轉(zhuǎn)矩不變，需要維持磁通恒定，這時就需要定子供電電壓做相應(yīng)調(diào)節(jié)。因此，對交流電機供電的變頻器一般都要求兼有調(diào)頻調(diào)壓兩種功能。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 5.4.2 變頻器調(diào)速裝置（變頻器調(diào)速裝置（VFD） 一一.晶閘管變頻器的工作原理晶閘管變頻器的工作原理 圖

5、5-36所示為交直交變頻器的主電路，它由整流器整流器、中間濾波環(huán)節(jié)中間濾波環(huán)節(jié)及逆變器逆變器三部分組成。整流器整流器為晶閘管三相橋式電路，它的作用是將恒壓恒頻交流電變換為直流電，然后再用作逆變器的直流供電電源。逆變器逆變器也是晶閘管三相橋式電路，但它的作用與整流器相反，它是將直流電變換調(diào)制為可調(diào)頻率的交流電，是變頻器的主要組成部分。中間濾波環(huán)節(jié)中間濾波環(huán)節(jié)由電容器、電抗器組成，它的作用是對整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 負(fù)載整 流逆 變圖5-36 交直交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(a)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-36 交直交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(

6、b)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 V0R0M3圖5-36 交直交變頻電路結(jié)構(gòu)圖(c)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 二二.脈寬調(diào)制方法（脈寬調(diào)制方法（PWD） 逆變器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心。圖5-37為三相橋式逆變器的原理電路圖，它采用電力晶體管GTR作開關(guān)元件(也可以用其他開關(guān)元件)。 負(fù)載為三相對稱電阻負(fù)載。由各開關(guān)管的基極驅(qū)動信號分別整制各開關(guān)管的通斷?；鶚O驅(qū)動信號在電路中一般常以載頻信號uc與參考信號ur相比較產(chǎn)生，這里uc采用單極性等腰三角形波形，而ur采用直流電壓。在uc和ur波形相交處發(fā)出調(diào)制信號，部分脈沖調(diào)制波形如圖5-38所示，那是經(jīng)過三相對稱倒相

7、后a、b兩點的相位波形， uoo和相電壓uao的脈沖列波形。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-37 三相橋式逆變器的原理電路圖(a)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-37 三相橋式逆變器的原理電路圖(b)調(diào)制電路信號波載波urucUdV1V2VD1VD2RLuoVD3VD4V3V4第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-38第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 在圖示的波形中，輸出電壓一個周期內(nèi)有12個等腰三角形。輸出波形正負(fù)半周對稱，主回路中的6個開關(guān)元件都是半周工作，通斷6次輸出6個等幅、等寬、等距的脈沖列，另半周總處于截止?fàn)顟B(tài)。這6

8、個開關(guān)元件是以VT1VT6的順序輪流工作的。 輸出的電壓波形每半個周期出現(xiàn)6個等寬、等距脈沖，中間2個脈幅高(等于2U/3)，兩邊4個脈幅低(等于U/3)，正負(fù)半周對稱。 從波形圖可以清楚地看出：當(dāng)三角形波幅值一定，改變參考直流信號ur的大小，輸出脈沖的寬度即隨之改變，從而改變輸出的交流電壓大小。當(dāng)改變載頻三角波的頻率而保持每周輸出脈沖數(shù)不變時，就可以第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)。顯然，同時改變?nèi)遣ǖ念l率和參考直流信號電壓ur的大小、就可以使逆變器在輸出變頻的同時相應(yīng)地改變電壓的大小。 如果取正弦波作為參考信號ur，它與三角波相比較后可得到矩形波，這是一組

9、寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖，這種調(diào)制方式稱為正弦波脈寬調(diào)制正弦波脈寬調(diào)制，簡稱SPWM。 如圖5-39所示，為單相單極性SPWM控制方式原理圖。正弦波參考信號ur（也稱調(diào)制信號）的正半周由三角波uc （也稱載波信號）劃分為K份，每一份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 等高矩形脈沖的面積所代替，這樣由K個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形uo與正弦波的正半周等效。正弦波調(diào)制信號的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。 工程上獲得SPWM調(diào)制波的方法是根據(jù)三角波與正弦波的相交點來確定逆變器功率開關(guān)的工作時間的。調(diào)節(jié)正弦波的頻率或者幅位使可以相

10、應(yīng)地改變逆變器輸出電壓基波的頻率或幅值。 如圖5-40所示，為單相雙極性SPWM控制方式原理圖。在PWM型逆變電路中，使用最多的是圖5-41所示的三相橋式逆變電路，其控制方式一般都采用雙極性方式。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-39 單相單極性SPWM控制方式原理uucurttuofuouoOOUd第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-40 單相雙極性PWM控制方式原理ucuruttuoUdOOUduofuo第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 調(diào)制電路urUV1V4VD1VD2NCC2dU2dUUV3V6VD3VD4VV2VD5VD2WurVurWu

11、c(a)V5圖5-41 三相SPWM逆變電路圖(a)第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-41 三相SPWM逆變電路波形圖(b)NU uuOt2dUO2dU UduUNOOUduUVONW u2dU2dU2dUNV uttttt32dU3dU(b)O2dU第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 5.4.3 交流伺服系統(tǒng)組成交流伺服系統(tǒng)組成 交流伺服系統(tǒng)由伺服電機和伺服驅(qū)動器兩部分組成。電機主體是永磁同步式或籠型交流電機，伺服驅(qū)動器通常采用電流型脈寬調(diào)制(PWM)三相逆變器和具有電流環(huán)為內(nèi)環(huán)、速度環(huán)為外環(huán)的多環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其外特性與直流伺服系統(tǒng)相似，以足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍(1：

12、10001：10000)和4象限工作能力來保證它在伺服控制中應(yīng)用。目前常按電機類型將交流伺服系統(tǒng)分為兩大類：一類是同步型交流伺服系統(tǒng)(SM)，另一類是異步型交流伺服系統(tǒng)(IM)。絕大多數(shù)用于機床數(shù)控進(jìn)給驅(qū)動控制、工業(yè)機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動控制和其他第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 需要運動和位置控制場合的是同步型交流伺服電機。這種伺服電機通常具有永磁的轉(zhuǎn)子，故稱為永磁交流伺服電機，以區(qū)別于有籠型轉(zhuǎn)子的異步型交流伺服電機。在這里主要討論永磁交流伺服系統(tǒng)永磁交流伺服系統(tǒng)。 現(xiàn)代永磁交流伺服系統(tǒng)中所采用的永磁同步電機經(jīng)特殊設(shè)計，同軸安裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器、速度傳感器，根據(jù)需要還可以安裝安全制動器和

13、強迫冷卻的風(fēng)機等。 永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)按照其工作原理、驅(qū)動電流波形和控制方式的不同，又可分為兩種伺服系統(tǒng)；矩形波電流驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)和正弦波驅(qū)動的永磁交流伺服系統(tǒng)。其原理分別如圖5-42和5-43所示。第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-42 矩形波交流伺服驅(qū)動器原理圖第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 圖5-43 正弦故交流伺服驅(qū)動器原理圖第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 5.4.4 交流伺服電機的矢量控制及應(yīng)用實例交流伺服電機的矢量控制及應(yīng)用實例第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 5.5 直線電動機驅(qū)動及其控制直線電動機驅(qū)動及其控制第第5章章 伺服控制系統(tǒng)設(shè)計伺服控制系統(tǒng)設(shè)計 思考題思考題 5-1 試敘述伺服系統(tǒng)的含義。伺服系統(tǒng)的基本要求是什么？ 5-2 試比較開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)的優(yōu)缺試比較開環(huán)、