伺服電動機(jī)應(yīng)用舉例

1、伺服電動機(jī)應(yīng)用舉例第1頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一直流電動機(jī)第2頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一各種類型數(shù)控機(jī)床第3頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一用數(shù)控機(jī)床加工一個零件的過程見圖 零件圖 數(shù)控系統(tǒng) 機(jī)床 數(shù)控裝置伺服系統(tǒng)加工程序 用數(shù)控機(jī)床加工工件時，首先由編程人員按照零件的幾何形狀和加工工藝要求將加工過程編成加工程序。數(shù)控系統(tǒng)讀入加工程序后，將其翻譯成機(jī)器能夠理解的控制指令，再由伺服系統(tǒng)將其變換和放大后驅(qū)動機(jī)床上的主軸電機(jī)和進(jìn)給伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，并帶動機(jī)床的工作臺移動，實現(xiàn)加工過程。數(shù)控系統(tǒng)實質(zhì)上是完成了手工加工

2、中操作者的部分工作。第4頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一基本概念： 數(shù)控系統(tǒng)（NC system）、 數(shù)控裝置 NCU 和計算機(jī)數(shù)控CNC，數(shù)控系統(tǒng)的功能：讀入載體上的數(shù)字信息，經(jīng)過譯碼、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制，控制機(jī)床運(yùn)動。數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)兩部分組成。以計算機(jī)為數(shù)控裝置構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)成為計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。第5頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一主軸伺服單元數(shù) 控裝置輸出設(shè)備PLC進(jìn)給伺服單元主軸電機(jī)進(jìn)給電機(jī)位置檢測機(jī)床本體接口電路操作面板輸入設(shè)備 數(shù)控機(jī)床的邏輯組成第6頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一主

3、軸伺服單元數(shù) 控裝置輸出設(shè)備PLC進(jìn)給伺服單元主軸電機(jī)進(jìn)給電機(jī)位置檢測機(jī)床本體接口電路操作面板輸入設(shè)備數(shù)控機(jī)床物理結(jié)構(gòu)與邏輯結(jié)構(gòu)比較第7頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 同類型的加工中心與數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)布局相似，主要在刀庫的結(jié)構(gòu)和位置上有區(qū)別，一般由床身、主軸箱、工作臺、底座、立柱、橫梁、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、自動換刀裝置、輔助系統(tǒng)（氣液、潤滑、冷卻）、控制系統(tǒng)等組成，如圖所示。第8頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一（一）按控制軌跡的特點分類1. 點位控制數(shù)控機(jī)床 （進(jìn)給過程中不加工） 2. 直線控制數(shù)控機(jī)床 （進(jìn)給過程中可以加工） 3. 輪廓控制數(shù)控機(jī)床

4、 （可以加工非直線輪廓）第9頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一（二）按伺服系統(tǒng)的類型分類1 開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床第10頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一2 閉環(huán)控制 數(shù)控機(jī)床 第11頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一3 半閉環(huán)控制 數(shù)控機(jī)床第12頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 性能類別CPU位數(shù)聯(lián)動軸數(shù)分辨率(um)進(jìn)給速度(m/min)顯示高級型32524三維動態(tài)普及型2630.1101024字符/圖形經(jīng)濟(jì)型8310f2f3f4 f2 f3 圖恒Tm調(diào)速特性曲線方法： E1/f1=常數(shù)原理： 使m

5、精確恒定，Tm恒定。優(yōu)點： 因而最大扭矩恒定缺點： 實現(xiàn)困難第62頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 n T f4 f1 f1f2f3f4 f2 f3 3. 恒功率調(diào)速 為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，可以在額定頻率以上進(jìn)行調(diào)速。因電機(jī)繞組是按額定電壓等級設(shè)計的，超過額定電壓運(yùn)行將受到繞組絕緣強(qiáng)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(dāng)于額定電流時的轉(zhuǎn)矩也減小，特性變軟。如圖6-26所示，隨著頻率增加，轉(zhuǎn)矩減少，而轉(zhuǎn)速增加，可得近似恒功率的調(diào)速特性。圖恒功率調(diào)速特性曲線方法：只改變f1優(yōu)點：調(diào)整方法簡單缺

6、點：最大扭矩變化第63頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 （二）交流感應(yīng)電機(jī)矢量控制原理 矢量控制理論最先是在1971年由德國學(xué)者F.Blachke提出的。在伺服系統(tǒng)中，直流伺服電機(jī)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(jī)磁通和電樞電流Ia，且這兩個量是獨(dú)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(jī)，求出交流電機(jī)與之對應(yīng)的磁場與電樞電流，分別而獨(dú)立地加以控制，就會使交流電機(jī)具有與直流電機(jī)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(biāo)量），建立起交流電機(jī)

7、的等效模型，然后按直流電機(jī)的控制方法對其進(jìn)行控制。 第64頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 圖所示三相異步交流電機(jī)在空間上產(chǎn)生一個角速度為0的旋轉(zhuǎn)磁場。如果用的兩套空間相差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(rèn)為圖和圖的兩套繞組是等效的。若給圖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)速也與一樣。 圖交流電機(jī)三相/二相直流電機(jī)變換000BC第65頁，共119頁，2022年，5月20日，1

8、6點0分，星期一三相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(jī)變?yōu)榈刃У亩嘟涣麟姍C(jī)。圖6-27a所示的三相異步電機(jī)的定子三相繞組，彼此相差1200空間角度，當(dāng)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(rèn)為、b中的兩套繞組是等效的。第66頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 應(yīng)用三相/二相的數(shù)學(xué)變換公式，將其化為二相交流繞組的等效

9、交流磁場。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(biāo)軸重合，其磁勢為（見圖）。FBF600FAFFC圖三相磁動勢的變換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 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(jī)轉(zhuǎn)換為二相電機(jī)，如圖6-27b。第67頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 2. 矢量旋轉(zhuǎn)變換 將三相電機(jī)轉(zhuǎn)化為二相電機(jī)后，還需將二相交流電機(jī)變換為等效的直流電機(jī)，若設(shè)圖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

10、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(jī)了。將二相交流電機(jī)轉(zhuǎn)化為直流電機(jī)的變換，實質(zhì)就是矢量向標(biāo)量的轉(zhuǎn)換，是靜止的直角坐標(biāo)系向旋轉(zhuǎn)的直角坐標(biāo)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b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)換公式為 i1idiq圖6-28b三相磁動勢的變換第68頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 3. 直角坐標(biāo)與極坐標(biāo)的變換 矢量控制中，還要用到直角坐標(biāo)系與極坐標(biāo)系的變換。如圖6-28b中，由id

11、和 iq求i1 ，其公式為 采用矢量變換的感應(yīng)電機(jī)具有和直流電機(jī)一樣的控制特點，而且結(jié)構(gòu)簡單、可靠，電機(jī)容量不受限制，與同等直流電機(jī)相比機(jī)械慣量小，其前景非常可觀。第69頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一（ 三）交流電機(jī)的變頻調(diào)速裝置 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ABC電源PWM變頻器的主電路原理圖第70頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 圖中是脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation簡稱PWM）變頻器的主電路。它由擔(dān)任交-直變換的二極管整流器和擔(dān)任直-交變換、同時完

12、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(fù)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(dāng)負(fù)載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。 交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵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PWM變頻器的主電路原理圖第71頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 T1 T5 T2 T3 T4 T6 t1 t2 t3 t4 t5 t6 下面討論逆變

13、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6-30所示，在t1、t2時間內(nèi)，V1、V6同時導(dǎo)通，A為正，B為負(fù)，uAB為正。在t4、t5時間內(nèi)，V3、V4同時導(dǎo)通，A為負(fù)，B為正，uAB為負(fù)。在t3、t4時間內(nèi)，T3、T2同時導(dǎo)通，B為正，C為負(fù)，uBC為正。在t6、t1時間內(nèi)，T5、T6同時導(dǎo)通，B為負(fù)，C為正，uBC為負(fù)。在t5、t6時間內(nèi)，T5、T4同時導(dǎo)通，C為正，A為負(fù)，uCA為正。在t2、t3時間內(nèi)，T1、T2同時導(dǎo)通，C為負(fù)，A為正，uCA為負(fù)。 圖6-30 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

14、態(tài)。第72頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 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6-31 三相逆變橋的輸出電壓 T1 T5 T2 T3 T4 T6 t1 t2 t3 t4 t5 t6 第73頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 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，改變輸出電壓脈沖的占空比，就能同時實現(xiàn)變頻和變壓。與圖6-32a相

15、比，圖6-32b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。 圖脈寬調(diào)制的輸出電壓第74頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 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(jī)來說，有用的是電壓的基波。為了減少諧波影響，提高電機(jī)的運(yùn)行性能，應(yīng)采用對稱的三相正弦波電源為三相交流電機(jī)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

16、脈寬調(diào)制波形，當(dāng)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(dāng)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(fù)載電流中的高次諧波成分大大減少。 第75頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 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6-33所示，首先由模擬元件構(gòu)成的三角波和正弦波發(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6-33 電路原理圖 第76頁，共11

17、9頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一圖脈寬調(diào)制波的形成 12345a)1413 u + Ud/2-Ud/2b)圖所示的數(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(dāng)正弦波高于三角波時，開關(guān)器件V1導(dǎo)通、V4關(guān)斷，使負(fù)載上得到的相電壓為uA=Ud/2；當(dāng)正弦波低于三角波時，開關(guān)器件V1關(guān)斷、V4導(dǎo)通，負(fù)載上的相電壓為uA=Ud/2；調(diào)制波和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6-34b。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

18、脈沖幅值為Ud和Ud。uA第77頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 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78頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星

19、期一 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(qiáng)。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(jī)控制的數(shù)字化SPWM技術(shù)已占當(dāng)今PWM逆變器的主導(dǎo)地位。 微機(jī)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(jī)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(zhǔn)確求得，從而確定脈沖寬度t2，但計算工作量較大。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

20、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79頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 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6-35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

21、及t2可由下式計算圖規(guī)則取樣SPWM調(diào)制模式第80頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計一 進(jìn)給電機(jī)的選擇（一）步進(jìn)電機(jī)的選擇1 電機(jī)類型2 相數(shù)3 步距角4 靜態(tài)扭矩5 啟動頻率6 電機(jī)總扭矩（二）伺服電機(jī)的選擇1 扭矩2 負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量與電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的匹配第81頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計一、數(shù)控機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)的特點1.負(fù)載扭矩大、慣性大；2.調(diào)速范圍寬；進(jìn)給速度在0.5mm/min10m/min之間3.可靠性要求高；4.響應(yīng)速度快。響應(yīng)時間在100ms之內(nèi),依機(jī)床大小而定。第82頁，共119頁，20

22、22年，5月20日，16點0分，星期一二、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計 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(jìn)電機(jī)齒輪箱1.步距角的選擇Si0.6, 1.2,1.5,3標(biāo)準(zhǔn)系列第83頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一2.靜態(tài)扭矩的選擇 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(jìn)電機(jī)齒輪箱SiFMz第84頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一3. 啟動扭矩 工作臺驅(qū)動控制線路 工作臺驅(qū)動控制線路0(r/min)n(r/min)第85頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一4.啟動頻率 工作臺驅(qū)動控制線路 工作臺

23、驅(qū)動控制線路0(r/min)n(r/min)fq0:空載啟動頻率M:啟動頻率下的輸出力矩 （見矩頻特性曲線）第86頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的各種類型數(shù)控機(jī)械第87頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一三、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)1.電機(jī)扭矩的選擇負(fù)載扭矩：加速度扭矩：伺服電機(jī)扭矩：第88頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一2.伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的選擇(1)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的計算：轉(zhuǎn)動物體:移動物體:第89頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一(2)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量J1J2J3mJ2第90頁，共

24、119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一(3)電機(jī)和負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的匹配JlJmJlJlJmJmVXX第91頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一四、伺服進(jìn)給系統(tǒng)分析1.伺服進(jìn)給系統(tǒng)的固有頻率（1）為什么要計算固有頻率？（2）怎樣計算固有頻率？MF第92頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一KKs2KcKBKNRKBR（3）怎樣計算復(fù)合結(jié)構(gòu)的固有頻率？第93頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一（4）怎樣提高系統(tǒng)的固有頻率？減小轉(zhuǎn)動慣量提高結(jié)構(gòu)剛度第94頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一2.跟隨誤差及

25、其對加工精度的影響（1）數(shù)控系統(tǒng)的跟隨誤差第95頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一（2）跟隨誤差對直線輪廓加工精度的影響第96頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 兩個方向的分速度：兩個方向的位置誤差：輪廓誤差：第97頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一 （3）跟隨誤差對圓弧輪廓加工精度的影響第98頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一實際圓弧半徑：從中解出輪廓誤差：兩個方向剛度相同時：第99頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一設(shè)計完成的兩自由度運(yùn)動控制平臺：第100頁，共119頁，2

26、022年，5月20日，16點0分，星期一 返回交流伺服電動機(jī)第101頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一基于DSP的永磁同步電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷發(fā)展，交流伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，而高性能的全數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)是當(dāng)代交流伺服控制系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，這種系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、特種加工裝備和精細(xì)進(jìn)給系統(tǒng)中，因此對其性能的要求也越來越高，尤其是在軍用領(lǐng)域和機(jī)器人系統(tǒng)中，要求伺服控制系統(tǒng)具有高速度、高精度、高可靠性及高抗干擾能力。由于集高速運(yùn)算能力和面向電機(jī)的高效控制能力于一體的數(shù)字信號處理芯片DSP的應(yīng)用，因此基于DSP的永磁同步電機(jī)交流伺

27、服控制系統(tǒng)逐步成為交流伺服控制系統(tǒng)的主流。 第102頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一基于DSP的永磁同步電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)主電路交流伺服控制系統(tǒng)的主電路是交流伺服控制系統(tǒng)的主要部分，主電路的性能優(yōu)劣直接影響整個交流伺服控制系統(tǒng)的性能，因此對主電路的設(shè)計顯得尤為重要 。第103頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一圖1系統(tǒng)框圖 主電路由三相整流電路、智能功率模塊、濾波電容、能耗制動回路組成第104頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一主電路工作原理及各部分設(shè)計 工作原理：三相交流電經(jīng)三相全控橋整流電路整流后，再經(jīng)過濾波電容濾波，

28、將其轉(zhuǎn)換為直流電，使加于逆變器橋臂的電壓為一恒壓源。R和T組成能耗制動回路。智能功率模塊由三相六個橋臂構(gòu)成，把直流電變換成三相交流輸出，即變壓也變頻，輸?shù)诫妱訖C(jī)的三相電壓和頻率都是同時變換的。實際應(yīng)用上經(jīng)電流反饋控制后，智能功率模塊輸出的三相電流為近似對稱的正弦交流電流，以使電動機(jī)獲得圓形旋轉(zhuǎn)的氣隙磁場。 功率主電路的作用：直接驅(qū)動伺服電機(jī)工作功率主電路的組成：三相整流電路、智能功率模塊、濾波電容、能耗制動回路第105頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一主電路的具體構(gòu)成 圖2 主電路原理圖 第106頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一三相整流電路 整

29、流電路采用富士公司的三相整流橋6R130G-1600，整流電路為三相橋式全波整流電路，耐壓高，可達(dá)1600V ,輸入是三相交流電，三相輸入為220V，則經(jīng)整流后平均直流電壓為的=2.34220=514.8V。三相橋式全波整流電路完成工頻電流到直流的轉(zhuǎn)換，經(jīng)整流器整流后的直流電存在脈動。濾波電容起到穩(wěn)壓濾波的作用，濾波電容中的濾波電容值很大 第107頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一智能功率模塊 功率變換部分是永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的重要組成部分，其功能是依據(jù)PWM控制信號將三相工頻交流電變換成頻率、相位和幅值均可調(diào)的交流電，功率變換單元的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，而采用交一直一交

30、變換方式的電壓源逆變器，目前在永磁同步電動機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。在功率變換單元的設(shè)計中，功率電子開關(guān)的選擇很重要，IGBT由于輸入阻抗高、開關(guān)損耗小、飽和壓降低、通斷速度快、熱穩(wěn)定性能好，耐高壓且承受大電流、驅(qū)動電路簡單而得到廣泛的應(yīng)用。 第108頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一智能功率模塊采用的智能功率模塊是富士公司的R系列PM25RSBI20智能功率模塊。它以IGBT為主開關(guān)器件，這就決定了它的開關(guān)速度較高，目前己達(dá)到20kHz。它的智能化主要表現(xiàn)在容易實現(xiàn)控制、保護(hù)和接口功能等三個方面。采用它來構(gòu)建主逆變電路，可以極大地簡化電路結(jié)構(gòu)，同時也提高了電路工作的可靠性

31、與穩(wěn)定性。智能功率模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。見圖3 第109頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一圖3IPM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第110頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一由圖3可見，這是一種含有制動單元在內(nèi)的完整的逆變器，它包括7個IGBT和它們各自的驅(qū)動保護(hù)電路，其中的6個可組成三相逆變橋，另一個再外加電阻即可構(gòu)成制動單元。內(nèi)含驅(qū)動電路IPM設(shè)定了內(nèi)部IGBT的最佳驅(qū)動條件，驅(qū)動電路離IGBT很近，可以大大減少信號傳輸阻抗，且受外界的干擾很小，因此不需要加反向偏壓。它共需要4組控制電源，上橋臂為互相獨(dú)立的3組，下橋臂三個驅(qū)動器共用一組電源;內(nèi)含各種保護(hù)，使內(nèi)部ICT

32、BT因故障損壞的機(jī)率大大降低。這些保護(hù)包括過電流保護(hù)(OC)，短路保護(hù)(SC)、控制電源欠電壓保護(hù)(UV)、過熱保護(hù)(OH)等和報警輸出;制動電路只要在外電路端子P與B之間接入制動電阻，即可實現(xiàn)能耗制動，散去減速時的再生電能。 第111頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一參數(shù)設(shè)定 PMSM是交流伺服控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它的運(yùn)行狀態(tài)是交流伺服系統(tǒng)控制性能的體現(xiàn)。因此，電動機(jī)要能很好地體現(xiàn)各式各樣的控制性能，達(dá)到各種設(shè)計要求，電動機(jī)參數(shù)與變換器各環(huán)節(jié)的參數(shù)必須很好地匹配。 第112頁，共119頁，2022年，5月20日，16點0分，星期一濾波電容的參數(shù)設(shè)計 整流電路輸出的整流電壓是脈動的直流電壓，必須加以濾波，這要通過濾波電容C來實現(xiàn)。濾波電容的作用除了穩(wěn)壓和濾除整流后的電壓紋波外，還在整個電路和逆變電路之間起去藕作用，以消除相互干擾，為感性負(fù)載提供必要的無功功率。因此，中間直流電路電容的容量必須較大，起儲能作用，所以該電容器又稱為儲能電容。電動機(jī)制動運(yùn)行時，電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系上的動能和電動機(jī)電感的