交流伺服與變頻技術(shù)導(dǎo)論

交流伺服與變頻技術(shù)（2018版）為什么要學(xué)本課程？機(jī)械部件液壓氣動(dòng)伺服邏輯控制機(jī)電一體化設(shè)備強(qiáng)電PLC運(yùn)動(dòng)控制變頻機(jī)械部件液壓氣動(dòng)操作編程伺服變頻測(cè)量檢測(cè)強(qiáng)電PLCCNC系統(tǒng)換刀控制加工控制精度保證為什么要學(xué)本課程？現(xiàn)代數(shù)控設(shè)備課程學(xué)習(xí)有什么要求？輕松學(xué)習(xí)、遵守時(shí)間；全部一次性通過(guò)考試；帶好教材、記好筆記；掌握相關(guān)知識(shí)與技能。導(dǎo)論一、交流電機(jī)控制系統(tǒng)概述1.交流傳動(dòng)與交流伺服電機(jī)與作用電機(jī)作用：將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。

交流電機(jī)：通入電機(jī)的電流為交流電?？刂齐y，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)速高、幾乎不需要維修。

直流電機(jī)：通入電機(jī)的電流為直流電?？刂迫菀祝Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)速低，維修工作量大。?研發(fā)交流電機(jī)控制系統(tǒng)是當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的方向。電機(jī)需要控制什么？

速度：改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度；

位置：保證在指定位置停止，控制機(jī)械定位。?

控制速度的系統(tǒng)稱(chēng)為傳動(dòng)系統(tǒng)；控制位置的系統(tǒng)稱(chēng)為伺服系統(tǒng)。?要點(diǎn)：

交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為交流電機(jī)控制系統(tǒng)；

伺服系統(tǒng)同樣需要控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。2.交流電機(jī)的調(diào)速交流電機(jī)的種類(lèi)

同步電機(jī)：在允許范圍內(nèi)，如交流電的頻率不變，負(fù)載變化不會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。感應(yīng)電機(jī)：即使交流電的頻率不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也將隨著負(fù)載的增加而降低。?

感應(yīng)電機(jī)俗稱(chēng)異步電機(jī)；伺服電機(jī)是同步電機(jī)。交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

同步電機(jī)：n0=60f/P（同步轉(zhuǎn)速）感應(yīng)電機(jī)：

n=n0（1-S）（異步轉(zhuǎn)速）

f

：交流電的頻率（Hz）；

P：電機(jī)磁極對(duì)數(shù)；

S：轉(zhuǎn)差率（額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降低百分率）。交流電機(jī)的調(diào)速方案

?

改變頻率的調(diào)速稱(chēng)為變頻調(diào)速；改變磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速稱(chēng)為變極調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差的調(diào)速稱(chēng)為變轉(zhuǎn)差調(diào)速。交流調(diào)速方案與比較變極調(diào)速：通過(guò)改變電機(jī)繞組的連接實(shí)現(xiàn)，只需要繼電——接觸器電路控制，控制最簡(jiǎn)單。但因P必須為正整數(shù)，只能成倍改變轉(zhuǎn)速（有級(jí)調(diào)速）。變轉(zhuǎn)差調(diào)速：本質(zhì)改變電機(jī)的輸出特性，可通過(guò)改變電樞電壓、定子電阻、轉(zhuǎn)子電阻等方式實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，但控制裝置的體積大、硬件成本高。變頻調(diào)速：直接改變電機(jī)供電頻率實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速性能好、體積小、技術(shù)先進(jìn)，但控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較困難。3.

變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展（見(jiàn)P3,圖0-2）怎樣調(diào)速：控制理論研究

變頻調(diào)速：V/f控制→矢量控制→直接轉(zhuǎn)矩控制

伺服驅(qū)動(dòng)：BLDCM（方波、PID調(diào)節(jié)）→PMSM（正弦波、矢量控制）如何實(shí)現(xiàn)：控制技術(shù)研究

模擬量控制→數(shù)字控制→網(wǎng)絡(luò)控制用什么做：控制器件研究

GTR（電力晶體管）→IGBT（復(fù)合電力電子器件）→IPM（功率集成器件）?

變頻器至今還沒(méi)有世所公認(rèn)的最佳方案。4.

變頻調(diào)速裝置分類(lèi)?

非常重要！

變頻器：專(zhuān)指控制普通感應(yīng)電機(jī)的通用調(diào)速裝置。應(yīng)用最廣泛，生產(chǎn)廠眾多。

主軸驅(qū)動(dòng)器：控制專(zhuān)用感應(yīng)電機(jī)的專(zhuān)用調(diào)速裝置。多用于數(shù)控機(jī)床主軸調(diào)速，CNC生產(chǎn)廠提供。伺服驅(qū)動(dòng)器：控制伺服電機(jī)（同步電機(jī)）的專(zhuān)用調(diào)速裝置，可以實(shí)現(xiàn)位置控制。應(yīng)用較廣泛，生產(chǎn)較多，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床使用較多。?變頻器、交流主軸驅(qū)動(dòng)器、伺服驅(qū)動(dòng)器廣義上都是變頻調(diào)速裝置。了解三者的大致區(qū)別

相同點(diǎn)調(diào)速原理相同，都通過(guò)變頻實(shí)現(xiàn)調(diào)速；主回路相同，都采用PWM逆變電路。區(qū)別控制對(duì)象不同交流伺服：專(zhuān)用同步電機(jī)；一般15kW以下，最大72kW（SIEMENS1FT6）；交流主軸：專(zhuān)用感應(yīng)電機(jī)；一般100kW以下，最大227kW（SIEMENS1PH8）

變頻器：通用感應(yīng)電機(jī)；最大到1000kW。用途不同、性能區(qū)別很大（將在后期課中介紹）。5.

常用伺服驅(qū)動(dòng)品牌?

本課程的“伺服驅(qū)動(dòng)”是指可獨(dú)立使用的通用型伺服驅(qū)動(dòng)器。國(guó)產(chǎn)數(shù)控配套的都是通用伺服。

FANUC、SIEMENS數(shù)控配套的是專(zhuān)用伺服。

日本安川（YASKAWA）：∑II系列（廣泛使用）、∑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）

國(guó)內(nèi)KND-SD98/SD100、GSK-DA98/DAT、GS2000等。6.

常用變頻器品牌?

本課程的“變頻器”是指用于通用感應(yīng)電機(jī)控制的通用變頻器。

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）歐美西門(mén)子（德）：MM420/430/440

系列（常用）施耐德（法）：ATV系列（常用）?

臺(tái)灣、大陸電子產(chǎn)品均為日本早期的山寨產(chǎn)品。?練一練（不定項(xiàng)選擇）：1.以下可用于機(jī)電設(shè)備速度控制的系統(tǒng)是……（）A.

交流傳動(dòng)B.

直流傳動(dòng)C.交流伺服D.直流伺服2.以下可用于機(jī)電設(shè)備位置控制的系統(tǒng)是……（）A.交流伺服

B.

變頻調(diào)速C.直流伺服D.直流調(diào)速3.以下屬于安川交流伺服產(chǎn)品的型號(hào)是……（）A.

∑IIB.

∑V

C.CIMR-G7D.CIMR-A10004.以下產(chǎn)型號(hào)中屬于三菱變頻器產(chǎn)品是……（）A.FR-A540B.MR-J3C.FR-A740D.CIMR-G75.可用來(lái)實(shí)現(xiàn)交流電機(jī)速度控制的裝置是……（）A.CNCB.PLCC.變頻器D.伺服驅(qū)動(dòng)器6.可實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速方案是………（）A.

變極B.

變頻C.調(diào)壓D.變轉(zhuǎn)差率7.通用變頻器的控制對(duì)象是…（）A.

伺服電機(jī)B.

感應(yīng)電機(jī)C.直流電機(jī)D.專(zhuān)用電機(jī)8.變頻器與交流主軸驅(qū)動(dòng)器的主要區(qū)別是…（）A.

調(diào)速原理B.

電路結(jié)構(gòu)C.控制器件D.電機(jī)二、交流調(diào)速系統(tǒng)的性能與比較1.技術(shù)指標(biāo)?技術(shù)指標(biāo)：衡量產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量與性能的參數(shù)。調(diào)速范圍

系統(tǒng)在一定負(fù)載下實(shí)際可達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比（或比值）。?變頻器：最大輸出轉(zhuǎn)矩大于120~150%（三菱）或：連續(xù)輸出轉(zhuǎn)矩大于50~60%（安川）。?要點(diǎn)：一定負(fù)載≠額定負(fù)載，變頻器只有在額定轉(zhuǎn)速的點(diǎn)上才能輸出額定轉(zhuǎn)矩和功率。調(diào)頻范圍≠調(diào)速范圍，不能帶負(fù)載的調(diào)速無(wú)意義?！纠?】三菱FR-A500系列變頻器的輸入頻率范圍為0.01~400Hz（輸入分辨率為0.01Hz）；V/f調(diào)速時(shí)的最小輸出頻率為0.5Hz，最大輸出頻率為120Hz，啟動(dòng)頻率為6Hz，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為120%Me，問(wèn)：該變頻器的調(diào)頻范圍和實(shí)際調(diào)速范圍各為多少？分析&說(shuō)明：輸入頻率范圍：是變頻器輸入電路（A/D轉(zhuǎn)換器）能分辨的輸入范圍。輸入頻率范圍=A/D轉(zhuǎn)換精度本例：輸入范圍40000（16位A/D轉(zhuǎn)換，216=65536）輸出頻率范圍：是變頻器能夠輸出（控制電機(jī)）的頻率范圍。輸出頻率范圍=調(diào)頻范圍本例：調(diào)頻范圍=120:0.5=240啟動(dòng)頻率：是變頻器能夠輸出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最低頻率。啟動(dòng)頻率=計(jì)算調(diào)速范圍的最小頻率（轉(zhuǎn)速）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：?jiǎn)?dòng)時(shí)（調(diào)速范圍內(nèi)）允許施加的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩=調(diào)速范圍內(nèi)的最大電機(jī)轉(zhuǎn)矩本例：調(diào)速范圍=120:6=20?通俗理解：輸入分辨率：變頻器的頻率顯示精度。低于分辨率的輸入不能顯示。最小輸出頻率：變頻器的頻率控制精度。低于最小輸出頻率的頻率不能輸出。啟動(dòng)頻率：能實(shí)際驅(qū)動(dòng)負(fù)載的最低頻率。低于啟動(dòng)頻率的輸出不能帶負(fù)載。調(diào)速精度

變頻器控制4極（2對(duì)磁極）標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)時(shí)，在額定負(fù)載下所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降與額定轉(zhuǎn)速之比（百分率）。δ=[（空載轉(zhuǎn)速-滿載轉(zhuǎn)速）/額定轉(zhuǎn)速]×100%?要點(diǎn)：采用閉環(huán)控制時(shí)，變頻器調(diào)速精度一般可以提高10倍。計(jì)算交流主軸、交流伺服的調(diào)速精度，式中的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)為最高轉(zhuǎn)速。速度響應(yīng)系統(tǒng)在負(fù)載慣量和電機(jī)慣量相等、給定輸入為正弦波信號(hào)時(shí)，速度（頻率）輸出可完全跟蹤給定變化的最大正弦波輸入頻率值。?要點(diǎn)：速度響應(yīng)也稱(chēng)“頻率響應(yīng)”，可用rad/s或Hz兩種單位表示：1Hz=2π

rad/s。速度響應(yīng)是衡量交流調(diào)速系統(tǒng)性能（跟隨性能）的重要指標(biāo)。變頻器：10~30rad/s（1.5~5Hz）交流主軸：300~500rad/s（50~80Hz）交流伺服：3000~4500rad/s（500~700Hz）2.性能比較輸出特性（見(jiàn)P5圖0-3）變頻器：只有在額定轉(zhuǎn)速的點(diǎn)上才能輸出額定轉(zhuǎn)矩和額定功率。交流主軸：額定轉(zhuǎn)速以下輸出轉(zhuǎn)矩不變（恒轉(zhuǎn)矩），額定轉(zhuǎn)速以上輸出功率不變（恒功率）。交流伺服：全范圍輸出轉(zhuǎn)矩不變（恒轉(zhuǎn)矩）。?要點(diǎn)：采用變頻器調(diào)速時(shí)，應(yīng)按照實(shí)際需要的2倍來(lái)選擇電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩。CNC機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)需要轉(zhuǎn)矩，切削加工需要功率；伺服電機(jī)不能用來(lái)作為機(jī)床主軸，反之亦然。

控制對(duì)象變頻器：所有通用感應(yīng)電機(jī)，最大可達(dá)1000kW。交流主軸：專(zhuān)用感應(yīng)電機(jī)，一般100kW以下。交流伺服：專(zhuān)用伺服電機(jī)，一般15kW以下。

過(guò)載性能變頻器：短時(shí)過(guò)載120~150%。交流主軸：短時(shí)過(guò)載200%，長(zhǎng)時(shí)（30min）過(guò)載150%。交流伺服：短時(shí)過(guò)載200~350%，?要點(diǎn)：CNC機(jī)床的主軸功率一般有“連續(xù)/30min輸出”兩種表示法，如5.5/7.5kW等。

制動(dòng)性能變頻器：感應(yīng)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制，停止后無(wú)保持轉(zhuǎn)矩。交流主軸：感應(yīng)電機(jī)閉環(huán)控制，速度控制時(shí)停止后無(wú)保持轉(zhuǎn)矩，位置控制時(shí)能產(chǎn)生恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。交流伺服：永磁同步電機(jī)閉環(huán)位置控制，停止后始終存在制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。?稱(chēng)為零速鎖定或伺服鎖定功能。

其他性能?見(jiàn)P6，表0-2。?總體評(píng)價(jià)：變頻器：功率最大、性能最差、用量最廣、價(jià)格最低。交流主軸：轉(zhuǎn)速最高（＞60000r/min）、用量最小、價(jià)格最高、性能較好。交流伺服：功率最小、轉(zhuǎn)速最低、性能最好、用量較大。?安川伺服驅(qū)動(dòng)3.常用產(chǎn)品最新∑V系列前期∑II系列?安川變頻器最新CIMR-1000系列前期CIMR-7系列?三菱伺服驅(qū)動(dòng)最新MR-J3系列?三菱變頻器最新FR-A700系列前期FR-500系列?國(guó)產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)器?FANUC-αi系列伺服&主軸驅(qū)動(dòng)器?FANUC-βi系列伺服&主軸驅(qū)動(dòng)器?FANUC-βi系列伺服驅(qū)動(dòng)器?SIEMENS-611系列伺服驅(qū)動(dòng)器?SIEMENS-S120系列伺服驅(qū)動(dòng)器?練一練（不定項(xiàng)選擇）：1.變頻器調(diào)速范圍通常指在該范圍內(nèi)電機(jī)的……（）A.

輸出轉(zhuǎn)矩保持不變B.

輸出功率保持不變C.最大輸出轉(zhuǎn)矩保持不變D.輸出轉(zhuǎn)矩大于某一值2.目前國(guó)產(chǎn)數(shù)控配套的交流伺服驅(qū)動(dòng)器可達(dá)到的速度響應(yīng)為1256rad/s

，其頻率響應(yīng)是（Hz）………（）A.100

B.200

C.1000D.20003.安川ΣV系列交流伺服驅(qū)動(dòng)器的頻率響應(yīng)為16