數(shù)控機床——交流伺服電機

1、交流伺服電機直流電機的缺點：直流電機的缺點： 電刷和換向器易磨損，有時產(chǎn)生火花；電刷和換向器易磨損，有時產(chǎn)生火花； 換向器的制作工藝復雜；換向器的制作工藝復雜； 電機的最高速度受到限制；電機的最高速度受到限制； 結構復雜，成本較高結構復雜，成本較高 近年來交流電機飛速發(fā)展，克服了直流電機結近年來交流電機飛速發(fā)展，克服了直流電機結構上的缺點，充分發(fā)揮了構上的缺點，充分發(fā)揮了堅固耐用、經(jīng)濟可靠、堅固耐用、經(jīng)濟可靠、動態(tài)響應好，輸出功率大等優(yōu)點動態(tài)響應好，輸出功率大等優(yōu)點。因此，在某些。因此，在某些場合，交流伺服電機已逐漸取代直流伺服電機。場合，交流伺服電機已逐漸取代直流伺服電機。交流伺服電機的分類

2、與特點n 在數(shù)控機床上應用的交流電機一般都為三相。在數(shù)控機床上應用的交流電機一般都為三相。 異步交流伺服電機異步交流伺服電機(主軸驅動）主軸驅動） 電磁式電磁式 同步交流伺服電機同步交流伺服電機 磁帶式磁帶式 非電磁式非電磁式 永磁式永磁式 反應式反應式 磁帶式和反應式同步電機存在磁帶式和反應式同步電機存在效率低效率低、功率因功率因數(shù)差數(shù)差、制造容量不大制造容量不大等缺點。等缺點。 優(yōu)點優(yōu)點：結構簡單、運行可靠、效率高；：結構簡單、運行可靠、效率高；永磁式同步電機永磁式同步電機 缺點缺點：體積大、啟動特性欠佳；：體積大、啟動特性欠佳； 與直流電機相比：外形尺寸、重量、轉子慣量大幅減小與直流電機

3、相比：外形尺寸、重量、轉子慣量大幅減小 與異步交流伺服電機相比：效率高、體積小與異步交流伺服電機相比：效率高、體積小 因此，在數(shù)控機床進給驅動系統(tǒng)中多數(shù)采用永磁式交流同因此，在數(shù)控機床進給驅動系統(tǒng)中多數(shù)采用永磁式交流同步電機。步電機。異步交流伺服電機與同容量的直流電機相比的優(yōu)缺點：異步交流伺服電機與同容量的直流電機相比的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：重量輕、價格便宜；優(yōu)點：重量輕、價格便宜； 缺點：轉速受負載的變化影響較大，不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較缺點：轉速受負載的變化影響較大，不能經(jīng)濟地實現(xiàn)范圍較 廣的平滑調速；廣的平滑調速； 相當于感應式交流異步電機，一般用在主軸驅動系統(tǒng)中。相當于感應式交流異步電機，一般用

4、在主軸驅動系統(tǒng)中。永磁式交流同步電機n 結構結構 永磁交流同步電機主要由永磁交流同步電機主要由定子定子、轉子轉子和和檢測元件檢測元件組成。組成。交流永磁同步電機的定子與異步電機的定子結構相似，是由交流永磁同步電機的定子與異步電機的定子結構相似，是由硅鋼片、三相對稱的繞組、固定鐵心的機殼及端蓋部分組成。硅鋼片、三相對稱的繞組、固定鐵心的機殼及端蓋部分組成。交流永磁同步電機的轉子采用永磁稀土材料制成，永磁轉子交流永磁同步電機的轉子采用永磁稀土材料制成，永磁轉子產(chǎn)生固定磁場。產(chǎn)生固定磁場。 n 原理和性能原理和性能 當定子三相繞組通上交流電流后，產(chǎn)生一個以轉速當定子三相繞組通上交流電流后，產(chǎn)生一個以

5、轉速ns轉動的旋轉磁場。轉子磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，用另一對磁轉動的旋轉磁場。轉子磁場由永久磁鐵產(chǎn)生，用另一對磁極表示。由于磁極同性相斥，異性相吸，定子的旋轉磁場極表示。由于磁極同性相斥，異性相吸，定子的旋轉磁場與轉子的永磁磁極互相吸引，并帶著轉子一起旋轉，因此，與轉子的永磁磁極互相吸引，并帶著轉子一起旋轉，因此，轉子也將以同步轉速轉子也將以同步轉速ns與旋轉磁場一起轉動。當轉子加上與旋轉磁場一起轉動。當轉子加上負載轉矩之后，轉子磁極軸線將落后定子磁場軸線一個負載轉矩之后，轉子磁極軸線將落后定子磁場軸線一個角，隨著負載增加，角，隨著負載增加，也隨之增大；負載減少時，也隨之增大；負載減少時，角也減角

6、也減少；只要不超過一定限度，轉子始終跟著定子的旋轉磁場少；只要不超過一定限度，轉子始終跟著定子的旋轉磁場以恒定的同步轉速以恒定的同步轉速ns旋轉。旋轉。 若設轉子轉速為若設轉子轉速為nr： nr=ns=60f1/pnr轉子轉速轉子轉速ns同步轉速同步轉速p定子和轉子的極對數(shù)定子和轉子的極對數(shù)f1交流電源頻（定子供交流電源頻（定子供電頻率）電頻率）轉子磁極軸線與定子轉子磁極軸線與定子磁極的軸線夾角磁極的軸線夾角交流主軸電機)1 (60)1 (1spfsnnsr 交流主軸電機與普通感應式伺服電機的工作原理相同。有交流主軸電機與普通感應式伺服電機的工作原理相同。有電工學原理可知，在電機定子三相繞組通

7、以三相交流電時，電工學原理可知，在電機定子三相繞組通以三相交流電時，會產(chǎn)生旋轉磁場，這個磁場切割轉子中的導體，導體感應會產(chǎn)生旋轉磁場，這個磁場切割轉子中的導體，導體感應電流與定子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，從而推動轉子轉電流與定子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，從而推動轉子轉動，其轉速動，其轉速nr為為nr轉子轉速轉子轉速ns同步轉速同步轉速p定子和轉子的極對數(shù)定子和轉子的極對數(shù)f1交流電源頻（定子供電頻率）交流電源頻（定子供電頻率）s轉差率轉差率 s=（ns-nr）/ns交流伺服電機的變頻調速pfnnsr/601)1 (60)1 (1spfsnnsr 由以上兩式可見，只要改變交流伺服電機的供電頻率f

8、1，即可改變交流伺服電機的轉速，所以交流伺服電機調速應用最多的是變頻調速。 變頻調速的主要環(huán)節(jié)是：為電機提供頻率可變的電源變頻器。 變頻器可分為： 交交變頻 交直交變頻交交變頻 交交交變頻方式是利用交變頻方式是利用可控硅整流器可控硅整流器直接將工頻交流電（頻直接將工頻交流電（頻率率50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出反脈沖，這個脈動交流電的基波就是所需的交頻電反組輸出反脈沖，這個脈動交流電的基波就是所需的交頻電壓。壓。 這種調頻方式所得的交流電波動比較大，而且最大頻率即這種調頻方式所得的交流電波動比較大，而且最大頻率即為變頻器

9、輸入的工頻電壓頻率。為變頻器輸入的工頻電壓頻率。整流器：把交流電變成固定的或可調的直流電交-直-交變頻n 先將交流電整成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波先將交流電整成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基波就是所需的變頻電壓。電壓，這個矩形脈沖波的基波就是所需的變頻電壓。n 這種調頻方式所得的交流電的波動小，調頻范圍比較寬，這種調頻方式所得的交流電的波動小，調頻范圍比較寬，調節(jié)線性度好。調節(jié)線性度好。n 數(shù)控機床上常采用交數(shù)控機床上常采用交直直交變頻調速。交變頻調速。n交交直直交變頻交變頻 中間直流電壓可調中間直流電壓可調PWM逆變器逆變器 中間直流電壓是否可調中間直

10、流電壓是否可調 中間直流電壓固定中間直流電壓固定PWM逆變器逆變器 中間直流電路上的儲能元件中間直流電路上的儲能元件 電壓型逆變器電壓型逆變器 是大電容還是大電感，分為是大電容還是大電感，分為 電流型電流型逆變器逆變器逆變器：把固定的直流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{的交流電SPWM變頻器變頻器是目前使用最廣、最基本的一種交是目前使用最廣、最基本的一種交-直直-交電壓交電壓型變頻器，也稱為型變頻器，也稱為正弦波正弦波PWM變頻器變頻器，具有輸入功率因數(shù)，具有輸入功率因數(shù)高和輸出波型好等優(yōu)點，不僅適用于永磁式交流同步電機，高和輸出波型好等優(yōu)點，不僅適用于永磁式交流同步電機，也適用于感應式交流異步電機，也適用

11、于感應式交流異步電機，在交流調速系統(tǒng)中獲得廣在交流調速系統(tǒng)中獲得廣泛應用泛應用。SPWM變壓變頻器n 調制原理（以單相為例）調制原理（以單相為例） 正弦脈寬調制（正弦脈寬調制（SPWM）波形波形:與正弦波等效的一系與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖列等幅不等寬的矩形脈沖波。波。n 等效原理：把正弦波分成等效原理：把正弦波分成n等分，每一區(qū)間面積用等分，每一區(qū)間面積用與其相等的等幅不等寬的與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。矩形面積代替。n 正弦波的正負半周均如此正弦波的正負半周均如此處理處理n SPWM波形可采用模擬電路、以調制的方法實現(xiàn)。波形可采用模擬電路、以調制的方法實現(xiàn)。SPWM調

12、制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一調制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓信號，利用三角波電壓與正弦參考電壓相個所需要的電壓信號，利用三角波電壓與正弦參考電壓相比較來確定各分段矩形脈沖的寬度。比較來確定各分段矩形脈沖的寬度。n SPWM的調制原理與直流電機的的調制原理與直流電機的SPWM的調制原理是相的調制原理是相同的，調制信號都是三角波，調制后的波形都是方波，不同的，調制信號都是三角波，調制后的波形都是方波，不同的是同的是SPWM把正弦波調制成脈寬按正弦規(guī)律變化的方波，把正弦波調制成脈寬按正弦規(guī)律變化的方波，用來控制交流伺服電機的速度。用來控制交流伺服電機的速度。n

13、 在調制過程中可以是雙極性調制，也可以是單極性調制。在調制過程中可以是雙極性調制，也可以是單極性調制。雙極性能同時調制出正半波和負半波，而單極性調制只能雙極性能同時調制出正半波和負半波，而單極性調制只能調制出正半波或負半波，再將調制波倒相得到另外半波形，調制出正半波或負半波，再將調制波倒相得到另外半波形，然后相加得到一個完整的然后相加得到一個完整的SPWM波。波。n SPWM控制波的生成控制波的生成:正弦波正弦波三角波調制三角波調制 Q：電壓比較器：電壓比較器 UR：由指令脈沖轉換來的：由指令脈沖轉換來的,正弦控制波。正弦控制波。 U ：三角波發(fā)生器：三角波發(fā)生器n 要獲得三相要獲得三相SPW

14、M脈沖寬度調制波形，則需要三個互成脈沖寬度調制波形，則需要三個互成1200的控制電壓的控制電壓UA、UB、UC分別與同一三角波比較，獲得分別與同一三角波比較，獲得三路互成三路互成1200SPWM脈沖寬調制波脈沖寬調制波U0A、U0B、U0C，如圖為，如圖為三相三相SPWM波的調制原理圖，三相控制電壓波的調制原理圖，三相控制電壓UA、的幅值和頻率都是可調的。的幅值和頻率都是可調的。n三角波頻率為正弦波頻率倍的整數(shù)倍，所以保證了三路脈三角波頻率為正弦波頻率倍的整數(shù)倍，所以保證了三路脈沖調制波形沖調制波形U0A、U0B、U0C與時間軸所組成的面積隨時間的與時間軸所組成的面積隨時間的變化互成變化互成1

15、200相位角相位角。三相電壓型變頻器的主回路有兩部分組成，即左三相電壓型變頻器的主回路有兩部分組成，即左側的橋式整流電路和右側的逆變器電路，逆變器是其核心。側的橋式整流電路和右側的逆變器電路，逆變器是其核心。橋式整流電路的作用是將三相工頻交流電變成直流電；而橋式整流電路的作用是將三相工頻交流電變成直流電；而逆變器的作用則是將整流電路輸出的直流電壓逆變成三相逆變器的作用則是將整流電路輸出的直流電壓逆變成三相交流電，驅動電機運行。交流電，驅動電機運行。n 三相逆變電路有只具有單向導電性的大功率開關管三相逆變電路有只具有單向導電性的大功率開關管組成。每支功率開關上反并聯(lián)一支續(xù)流二極管，組成。每支功率

16、開關上反并聯(lián)一支續(xù)流二極管，即圖中，為負載電流滯后提供一條反饋到即圖中，為負載電流滯后提供一條反饋到電源的通路。支功率開關每隔電角度導通一支，電源的通路。支功率開關每隔電角度導通一支，相鄰的兩支的功率開關導通時間相差，一個周期相鄰的兩支的功率開關導通時間相差，一個周期共換向次，對應個不同的工作狀態(tài)（又稱為六拍）。共換向次，對應個不同的工作狀態(tài)（又稱為六拍）。根據(jù)功率開關導通持續(xù)的時間不同，可以分為導根據(jù)功率開關導通持續(xù)的時間不同，可以分為導通型和導通型兩種工作方式。導通方式不同，輸通型和導通型兩種工作方式。導通方式不同，輸出電壓波形也不同。出電壓波形也不同。交流電機變頻調速特性mKNfEU11

17、11144. 4111144. 41fUKNmn 有電工學原理可知有電工學原理可知其中，其中，定子供電電壓頻率；定子供電電壓頻率；定子每項繞組匝數(shù)；定子每項繞組匝數(shù)；定子每項繞組等效匝數(shù)系數(shù)；定子每項繞組等效匝數(shù)系數(shù)；定子每項相定子每項相電壓；電壓；定子每項繞組感應電動勢；定子每項繞組感應電動勢；每機氣隙磁通每機氣隙磁通量；量；電機電磁轉矩；電機電磁轉矩；轉矩常數(shù)；轉矩常數(shù)；轉子電轉子電樞電流；樞電流；轉子電樞電流的相位角轉子電樞電流的相位角22cosICTmMmm2n 由于由于、為常數(shù)，為常數(shù)，與與成正比。當電機在額定成正比。當電機在額定參數(shù)下運行時，參數(shù)下運行時，達到臨界飽和值，即達到臨界

18、飽和值，即達到額定值達到額定值。而在電機工作過程中，要求而在電機工作過程中，要求必須在額定值以內(nèi)，必須在額定值以內(nèi)，所以所以的的額定值為界限，供電頻率低于額定值額定值為界限，供電頻率低于額定值時，稱為基頻以下時，稱為基頻以下調速，高于額定值調速，高于額定值時，稱為基頻以上調速。時，稱為基頻以上調速。）基頻以下調速）基頻以下調速由可知，當由可知，當處在臨界飽和值不變時，處在臨界飽和值不變時，降低降低，必須按比例降低，必須按比例降低，以保持，以保持為常數(shù)。若為常數(shù)。若不變，則使定子鐵心處于過飽和供電狀態(tài)，不但不能增加不變，則使定子鐵心處于過飽和供電狀態(tài)，不但不能增加，而且會燒壞電機。，而且會燒壞電

19、機。當在基頻以下調速時，當在基頻以下調速時，保持不變，即保持定子繞組電保持不變，即保持定子繞組電流不變，電機的電磁轉矩流不變，電機的電磁轉矩為常數(shù)，稱為恒轉矩調速，滿足為常數(shù)，稱為恒轉矩調速，滿足數(shù)控機床主軸數(shù)控機床主軸恒轉矩調速恒轉矩調速運行的要求運行的要求。111144. 41fUKNmn ）基頻以上調速）基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率高于額定值在基頻以上調速時，頻率高于額定值，受電機耐壓，受電機耐壓的限制，相電壓的限制，相電壓不能升高，只能保持額定值不能升高，只能保持額定值不變。不變。在電機內(nèi)部，由于供電頻率的升高，使感抗增加，相電流在電機內(nèi)部，由于供電頻率的升高，使感抗增加，相電流

20、降低，使降低，使減小，由式可知輸出轉矩減小，由式可知輸出轉矩減小，但因轉速提高，使輸出功率不變，因此成稱為減小，但因轉速提高，使輸出功率不變，因此成稱為恒功率調速恒功率調速，滿足數(shù)控機床主軸恒功率調速運行的要求。，滿足數(shù)控機床主軸恒功率調速運行的要求。當頻率很低時，定子阻抗壓降已不能忽略，必須人為當頻率很低時，定子阻抗壓降已不能忽略，必須人為地提高定子電壓地提高定子電壓，用以補償定子阻抗壓降。，用以補償定子阻抗壓降。22cosICTmMm交流伺服電機的矢量控制n 矢量控制是德國矢量控制是德國F.Blasche于于1971年提出的年提出的n 矢量控制是把交流電機模擬成直流電機，用對直流電機的控制

21、方法來矢量控制是把交流電機模擬成直流電機，用對直流電機的控制方法來控制交流電機，使其變頻調速后的機械特性和動態(tài)特性接近直流電機控制交流電機，使其變頻調速后的機械特性和動態(tài)特性接近直流電機的性能的性能n 已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)實踐中。已廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)實踐中。1.矢量控制的基本原理n 基本思想：基本思想：n 利用利用“等效等效”概念，將三相交流電機輸入的概念，將三相交流電機輸入的電流電流（矢量矢量）變換為等效的）變換為等效的直流電機中彼此獨立的直流電機中彼此獨立的勵磁電流和電樞電流勵磁電流和電樞電流（標量標量），建立起交流電機），建立起交流電機的等效數(shù)學模型，然后通過對這兩個量的反饋控制，實現(xiàn)對

22、電機的轉矩的等效數(shù)學模型，然后通過對這兩個量的反饋控制，實現(xiàn)對電機的轉矩控制；再通過相反的變換，將被控制的等效直流電機還原為三相交流電控制；再通過相反的變換，將被控制的等效直流電機還原為三相交流電機，那么三相交流電機的調速性能就完全體現(xiàn)了直流電機的調速性能。機，那么三相交流電機的調速性能就完全體現(xiàn)了直流電機的調速性能。n 等效變化的準則：等效變化的準則：n 變換前后必須產(chǎn)生同樣的旋轉磁場。變換前后必須產(chǎn)生同樣的旋轉磁場。2.矢量控制的等效過程n (1) 三相二相變換三相二相變換n 將將三相交流電機三相交流電機變化為等效的變化為等效的二相交流電機二相交流電機以及與其相反的變化。以及與其相反的變化

23、。n 采用的方法：把異步電動機的采用的方法：把異步電動機的A、B、C三相坐標系的交流量變換為三相坐標系的交流量變換為-兩相固定坐標系的交流量兩相固定坐標系的交流量n (2) 矢量旋轉變換矢量旋轉變換n 將將二相交流電機二相交流電機變換為等效的變換為等效的直流電機直流電機。詳細詳細交流電機的矢量控制過程框圖n 以上所述的交流電機的矢量控制的基本思想和控制過程可用下圖所示以上所述的交流電機的矢量控制的基本思想和控制過程可用下圖所示的框圖來表達，根據(jù)矢量變換原理就可組成交流伺服電機矢量控制變的框圖來表達，根據(jù)矢量變換原理就可組成交流伺服電機矢量控制變頻調速系統(tǒng)。頻調速系統(tǒng)。n 在交流電機三相定子繞組在交流電機三相定子繞組A、B、C上通以相位差為上通以相位差為1200的三相交的三相交流流iA、iB、iC ，因而產(chǎn)生同步角速度為，因而產(chǎn)生同步角速度為1的旋轉磁場，其磁通量為的旋轉磁場，其磁通量為1,將這樣的一個三相交流電機等效成一個二相交流電機，該二相交流電將這樣的一個三相交流電機等效成一個二相交流電機，該二相交流電機的兩個定子繞組機的兩