交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹

1、6.3.3 積分調(diào)節(jié)器及比例積分調(diào)節(jié)器為“ ”地，且運(yùn)放的內(nèi)阻無(wú)窮大，即，輸出的電壓Uex為輸入電壓Uin對(duì)時(shí)間的積分。為積分時(shí)間常數(shù)；“”輸入輸出相位相反。當(dāng)輸入信號(hào)由0變到某一電壓時(shí)，電容C以近似恒流方式進(jìn)行充電，輸出電壓與t(時(shí)間)呈線性關(guān)系，即 ， 當(dāng)t=時(shí)，ninRUi dtUdtUcRidtcUininex1110tUUinexinexUU幾分調(diào)節(jié)器有三個(gè)重要特性：a.延緩性：電容C充放電需要時(shí)間，輸入階躍電壓后，輸出變化較緩慢，呈線性增長(zhǎng)。b.保持性：當(dāng)輸出階躍信號(hào)Uin =0后,輸出仍保持在輸入信號(hào)改變前的瞬時(shí)值上。當(dāng)t d故用一個(gè)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)n、I是困難的，難以達(dá)到良好

2、的控制品質(zhì)，采用雙閉環(huán)調(diào)速方式。ASR：速度調(diào)節(jié)器，是主調(diào)節(jié)器。 內(nèi)環(huán)工作從屬于外環(huán)ACR：電流調(diào)節(jié)器，是輔調(diào)節(jié)器。nnnUUU*調(diào)節(jié)過程如下：1）突然啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)前，Un* = 0,Un = 0，在突然加了Un*后的瞬間，電機(jī)的n = 0。此時(shí)， 達(dá)到最大值；由于采用的限幅的PI調(diào)節(jié)器， Un使ASR的輸出i快速達(dá)到飽和值im，直到Un Un*為止（即Un為負(fù)值）。 剛啟動(dòng)的瞬間，電動(dòng)機(jī)電流電流的反饋值i0，ACR輸入信號(hào)| i |=|im*i| 最大值，在該信號(hào)作用下，ACR的輸出Uc增大 PWM輸出的脈寬發(fā)生變化，Ia增大，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)電流達(dá)到最大值，反饋值i與給定值im*近似值相等

3、， i= 0,輸出達(dá)到最大穩(wěn)定值，Ia達(dá)到最大穩(wěn)定值，T最大， 給定轉(zhuǎn)速。由于電磁常數(shù)dj(機(jī)械常數(shù))，電樞電流達(dá)到最大啟動(dòng)電流時(shí)間比轉(zhuǎn)子達(dá)到給定轉(zhuǎn)速時(shí)間小許多，故啟動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)短。2）抗負(fù)載擾動(dòng) 在速度給定值Un*不變的情況下，電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化時(shí)，雙環(huán)系統(tǒng)能很好維持電動(dòng)機(jī)速度不變。 外載加大時(shí)，電機(jī)Un減小, Un =(Un *Un )增大，|i|增大。在剛加瞬間i沒變，故|i|ii|增大，使ACR的Uc增大,PWM輸出方波的占空比變化，Ia增大。當(dāng) Un 0，在PI累作用下，|i|增大，且大于i， i增大，Uc增大 Ia增大,電機(jī)升速直到Un0且 i0，Uc在新的穩(wěn)定數(shù)值上。用來平衡變化后的外

4、載，使速度不變。3）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)過程 由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)，使Ia變化，由于機(jī)電時(shí)間常數(shù)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速尚無(wú)變化時(shí)，電流負(fù)反饋值i已變化 使 i、Uc變化 PWM占空比變化，從而消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起Ia的變化。小結(jié)：外載變化使n變化，由ASR調(diào)節(jié)起主要作 用；電網(wǎng)電壓波動(dòng)，使Ia變化,ACR起主要 作用。6.4 6.4 交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 直流伺服電機(jī)有明顯的弱點(diǎn)由于機(jī)械換向器和電 的存在，易磨損，易產(chǎn)生火花，降低了電機(jī)運(yùn)行的可靠性，增加了維護(hù)和保養(yǎng)的負(fù)擔(dān)。且直流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，使用受到一定的限制。近十多年來，直流伺服電機(jī)已被交流伺服電機(jī)所代替。交流伺服電機(jī)無(wú)電

5、、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，輸出功率大，在數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用。 交流伺服電機(jī)分為 交流永磁式：用于進(jìn)給 交流感應(yīng)式：住軸伺服系統(tǒng) 由交流電的頻率來決定。f 減小， n減小； f增加，n增加，可以改變供電頻率的方法來調(diào)速。 交流電動(dòng)機(jī)速度控制分為 標(biāo)量法，屬開環(huán)控制 矢量法，屬閉環(huán)控制6.4.1 交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速主電路 由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為： (617)（f定子供電電壓頻率；P磁極對(duì)數(shù)；s轉(zhuǎn)差率） 從上式可知，若均勻改變電動(dòng)機(jī)定子供電電壓的頻率，則可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。 異步電機(jī)中，定子繞組的反電勢(shì)為：E4.44fk，若忽略定子阻抗壓降，則端電壓UE4.44fk (k

6、為感應(yīng)系數(shù))。 上式說明，在感應(yīng)系數(shù)kc，端電壓U不變；當(dāng)頻率f，同步角速度升高時(shí)，氣隙磁通減小，從轉(zhuǎn)距公式，T=Cm I2 cos，當(dāng)減小，則導(dǎo)致T減小，使電動(dòng)機(jī)利用率惡化，嚴(yán)重時(shí)電動(dòng)機(jī)會(huì)堵轉(zhuǎn)。 另外，UC，當(dāng)f減小，增大，會(huì)使磁路飽和，激勵(lì)電流上升，導(dǎo)致缺損急劇增加。 所以，為使TC，需要保持C，即要求變頻的同時(shí)改變定子電壓U，即變頻調(diào)速關(guān)鍵問題是要獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電源。)1 (60sPfn定義：將電網(wǎng)供電的2頻（f50HZ）交流電源變?yōu)檫m用于交流電機(jī)變頻調(diào)速用的電壓可變、頻率可變的交流電的交流裝置。變頻器可分為：交交 VVVF 變頻器 交直交 VV VF1）交交變頻器（直接變頻器、周波

7、變頻器）定義：直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)殡妷汉皖l率都可以調(diào)節(jié)的交流電（Variable Voltage Variable Freqency）下圖由兩組反并聯(lián)的整流器p組和N組構(gòu)成。若p組，N組交替地向負(fù)載R供電，則在負(fù)載上獲得交流電壓U0；U0的幅值由兩組可控整流器的控制角決定。U0的頻率由p、N整流器的切換頻率來決定。由于U的輸出波形是由供電電源波形是由供電電源波形經(jīng)整流后得到的，故交流輸出的頻率不能高于電網(wǎng)的頻率。P P組通組通N N組通組通0U0t2）交直交變頻器 以單相負(fù)載供電為例說明可控硅整流裝置把交流變?yōu)橹绷麟?，開關(guān)元件1、3和2、4交替 對(duì)負(fù)載R供電，獲得負(fù)載上的交流輸電U0。U0的

8、幅值由可控硅整流裝置的控制角來決定；U的頻率由開關(guān)元件的切換頻率來定，不受電源頻率的限制。1,31,3通通2,42,4通通0U0t3）變頻器的基本構(gòu)成整流器：為交流電，整流器可采用硅整流元件構(gòu)成不可控整流器，也可采用晶閘管 可控整流器。交流輸入電源可用單相或三相，視交流電機(jī)容量而定。濾波器：用來緩沖直流環(huán)節(jié)和負(fù)載之間的壓力能量，電 濾波 電壓型，大電感濾波 電流型。功率逆變器：直流電變?yōu)殡?。功率元件有晶閘管、大功率晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管?？刂破鳎嚎刂颇孀兤髦袀€(gè)功率元件的工作狀態(tài)，使逆變器輸出預(yù)定電壓和預(yù)定頻率的交流電源。定義：將直流電變?yōu)榻涣麟姷淖兞餮b置稱功率逆變器。（反之為整流器） 按功能分

9、電壓型逆變器 電流型逆變器 按控制方法分 脈寬 PWM逆變器 脈幅 PAM逆變器 按逆變器波形分 矩形（方法）逆變器分類 正弦波逆變器 按使用功率元件分 晶閘管(SCR) 可關(guān)斷晶閘管(GTD) 大功率晶體管(GTR ) 功率場(chǎng)效應(yīng)管(P-MOSFET) 按逆變器控制分 固定壓變，固定頻率(CV,CF) 固定壓變，可變頻率(CV,VF) 可變電壓，可變頻率(VV,VF)一般，異步步電動(dòng)機(jī)采用VVVF逆變器。6.4.2 SPWM波調(diào)制原理SPWM變頻器同時(shí)適用于永磁式及感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)，采用正弦規(guī)律的脈寬調(diào)制原理，功率 數(shù)增大、波形好等優(yōu)點(diǎn)，交流調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。 交流SPWM中，輸出電壓U0

10、由波調(diào)到正弦電壓得到U為幅值相等、寬度不等方波信號(hào)。各脈沖的面積與正弦波下的面積成比例，脈寬基本上按正弦分布，基波是等效的正弦波。 調(diào)制原理如下：當(dāng)控制電壓(U1 波)U1 Ut 時(shí)，電壓比 器輸出 (高電平)，反之輸出 電平。 雙極性SPWM波調(diào)制原理將右圖正弦正半周分成N等分，每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都 一個(gè)與此面積相等的等幅矩形脈沖所代替，即N個(gè)等幅而步等寬的矩形脈沖組成的波形與正弦正半周等效。 任何一個(gè)平滑的曲線與三角波相交時(shí)，都會(huì)得到一組等幅的脈寬正比于該函數(shù)值的矩形脈沖。 圖中看出，幅值為Um脈寬按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖。 如果這一組矩形脈沖作為逆變器多開關(guān)元件的控制信

11、號(hào)，則在逆變器輸出端獲得一組類似的矩形脈沖，其幅值為逆變器的直流電壓 Ud，寬度按正弦規(guī)律變化。這一組矩形脈沖可用正弦波等效，正弦波的負(fù)半波，用負(fù)值三角波調(diào)制。 當(dāng)逆變器輸出端升高電壓時(shí)，加大正弦波的幅值，逆變器輸出Ud Um不變，脈寬加大，達(dá)到調(diào)壓目的，當(dāng)逆變器要變頻時(shí)，改變正弦波頻率亦可。 在三相SPWM調(diào)制中， 波發(fā)生器Ut是共用的，每一相有一個(gè)輸入正弦信號(hào)和一個(gè)SPWM調(diào)制器輸入U(xiǎn)a、Ub、Uc信號(hào)相差120的正弦交流信號(hào)，幅值頻率均可調(diào)。在三相橋式逆變器中，有180 導(dǎo)通型換向方式和120導(dǎo)通性換向方式(在某一瞬間，控制一個(gè)開關(guān)器關(guān)斷，同時(shí)使另一個(gè)開關(guān)器 導(dǎo)通，就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè) 之間的換

12、向)。同一個(gè)橋臂上，下兩管之間互相換向的逆變器為180導(dǎo)通型逆變器，例：T1()后T4()，當(dāng)T4()后T1()。即每個(gè)開關(guān) 在一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通的區(qū)間為180，其他相亦如此。在180導(dǎo)通型逆變器，每一時(shí)刻總有3個(gè)開關(guān)器導(dǎo)通，但須注意防止同一橋臂上的上下管相通，連成直流電源段路換向時(shí)，采取“先斷后通”的原則。T6T5T4300360T5T4T3240300T4T3T2180240T3T2T1120180T6T2T160120T6T5T1060導(dǎo)通器件時(shí)間段180導(dǎo)通型逆變器開關(guān)導(dǎo)通規(guī)律 120導(dǎo)通型逆變器的換向在同一 不同橋臂的左右兩管之間進(jìn)行的。 例：T3()后T5()，T4()后T6(). 每

13、個(gè)開關(guān)器件一次連續(xù) 導(dǎo)通120，在同一時(shí)刻只有兩個(gè)器件導(dǎo)通 。若負(fù)載由動(dòng)機(jī)繞組是Y聯(lián)結(jié)，則只有兩相導(dǎo)電，另一相懸空。 SPWM調(diào)制波經(jīng)功放后才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。功放電路如下圖：整流器：用六個(gè)硅整流元件接成三相橋式整流電路；濾波器：兩只高壓大容量串聯(lián)接在整流器的直流輸出端，以緩沖直流部分與負(fù)載之間的無(wú)功功率構(gòu)成電壓型變頻器，并聯(lián)大瓦數(shù)的電阻，是斷電時(shí)電容釋放之用。逆變器：采用大功率晶體管構(gòu)成(GTR)1）開關(guān)頻率功率器件的開關(guān)頻率決定了調(diào)制三角波的頻率。普通晶閘管開關(guān)頻率300500HZ；大功率晶體管開關(guān)頻率：15KHZ；可關(guān)斷晶閘管開關(guān)頻率：12KHZ；功率場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)頻率：20KHZ。絕緣柵式雙極

14、晶體管IGBT高速開關(guān)特性好， 時(shí)間0.15s，飽 電壓2.2V，是非常好的功率電子器件。IGBT耐壓300V，電流達(dá)1500A。2）調(diào)制 由于功率器件開關(guān)頻率的限制，所調(diào)制的脈沖波有最小的脈寬與最小的間隙限制，以保證脈寬大于器件導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間即滿足： （M調(diào)制系數(shù)；U1正弦控制電壓的峰值；Ut三角波載波的峰值電壓）UtUM1（N載波比；ft 三角波載波的峰值電壓；ft 正弦控制電壓的峰值） 為保證調(diào)制波的對(duì)稱性N是3的倍數(shù)，如N15，18，21，30，36，42，60，72，84，120，144，168等。ntffN 3）分段同步調(diào)制 把整個(gè)頻率范圍分成n段，結(jié)合同異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，同 同步各

15、段之間N值不同。即fr 減小，N取大值；fr增大，N取小值。1）同步調(diào)制 即載波比N=C（常數(shù)），變頻時(shí)ft 、fn同步變化。故一個(gè)正弦控制波周期內(nèi)輸出的矩形脈沖數(shù)量是不變的。若N是3的倍數(shù)保證逆變器輸出的波形正負(fù)對(duì)稱，三相波形互差120相位角。 缺點(diǎn)：低頻段，相鄰兩脈沖的間距加大，諧波增大，使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)產(chǎn)生噪聲。2）異步調(diào)制 載波比N變化，ft 不變化，fn 變化，在低頻段，SPWM輸出波的每一個(gè)正弦控制波周期內(nèi)有較多的脈沖數(shù)，fr 減小，脈沖個(gè)數(shù)增大，既減小了多次諧波的電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)、噪音。 優(yōu)點(diǎn)：改變了低頻工作特性；缺點(diǎn)：輸出波形變化時(shí)，引起波形的不對(duì)稱性和相反變化，難保證三相輸出的對(duì)稱關(guān)

16、系，電機(jī)工作不平穩(wěn)。SPWM調(diào)制的實(shí)質(zhì)：根據(jù)三角載波與正弦控制波的交點(diǎn)來確定功率開關(guān)管的通斷時(shí)刻。數(shù)字方式SPWM控制，可實(shí)現(xiàn)硬件SPWM的波形，有n種方法。1）自然采樣法 方法：以正弦波三角波的交點(diǎn)采樣，從而生成SPWM波形方式。 三角波變化一周期T，與正弦波有兩個(gè)交點(diǎn)；A發(fā)生脈沖時(shí)刻，B脈沖結(jié)束時(shí)刻。功率管導(dǎo)通工作區(qū)是t2關(guān)斷區(qū)：脈沖的間隙時(shí)間t1、t3、t1、t2、t3在正弦波的不同頻段是不一樣的。 設(shè)三角波的幅值為1，正弦控制波為UMsint,根據(jù)相似三角形幾何關(guān)系 及整理得： 交點(diǎn)相對(duì)于三角形不對(duì)稱，t1t3。將事先計(jì)算的數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)內(nèi)，以查表方式控制。當(dāng)調(diào)速范圍變化大，頻段多時(shí)，公用內(nèi)存多，該方法適用于有限調(diào)速場(chǎng)合。ActMtTsin1222BctMtTsin12 22BActtMTtttsinsin212 2222）規(guī)則采樣法 以三角形波的 峰點(diǎn)向上作水平軸的 與正弦交于E點(diǎn)，過E點(diǎn)作水平線 ，與三角波交于A、B兩點(diǎn)。使優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)采樣時(shí)刻都有確定的值，計(jì)算時(shí)間較少。缺點(diǎn)：有一定的誤差，但采取措施后可以達(dá)到精度。)(21231tTttc2sin1222EctMTt)sin1 (22EctMTt3）指定簡(jiǎn)諧波消除法 方法：計(jì)算前事先設(shè)定好每半個(gè)正弦周期用n個(gè)脈沖代替，然后以消除某些指定階次諧波為出發(fā)點(diǎn)求出功率元件通斷時(shí)刻。