第18課 交流電機(jī)伺服系統(tǒng)教案

1、課時(shí)安排：2學(xué)時(shí)課程類型：理論課V實(shí)驗(yàn)課口實(shí)習(xí)課口習(xí)題課口實(shí)訓(xùn)課口其它口教學(xué)地點(diǎn)：普通教室丁多媒體教室口計(jì)算機(jī)房口實(shí)驗(yàn)室實(shí)訓(xùn)中心口其它口題目：交流電耳機(jī)伺服系統(tǒng)教學(xué)目的及教學(xué)要求：1、掌握交流伺服電機(jī)調(diào)速的原理和方法2、掌握交流伺服系統(tǒng)的控制回路教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：交流伺服系統(tǒng)的控制回路教學(xué)方法與媒介：講授、多媒體課件及模型班級(jí)07數(shù)控（1）、（2）、（3）作業(yè)：P9625、26教學(xué)后記：I、示標(biāo)II、復(fù)習(xí)1、直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程2、直流伺服系統(tǒng)的位置控制。III、新授第四節(jié)交流電機(jī)伺服系統(tǒng)由于直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，因此長(zhǎng)期以來，在要求調(diào)速性能較高的場(chǎng)合，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一直占

2、據(jù)主導(dǎo)地位。但由于電刷和換向器易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)；并且有時(shí)換向器換向時(shí)產(chǎn)生火花，電動(dòng)機(jī)的最高速度受到限制；且直流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用銅鐵材料消耗大，成本高，所以在使用上受到一定的限制。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)無電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較直流電機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，且輸出功率較大（較直流電動(dòng)機(jī)提高10%70%），因此在有些場(chǎng)合，交流伺服電動(dòng)機(jī)已經(jīng)取代了直流伺服電動(dòng)機(jī)，并且在數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛地應(yīng)用。交流伺服電動(dòng)機(jī)分為交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)和交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)。交流永磁式電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于交流同步電動(dòng)機(jī)，其具有硬的機(jī)械特性及較寬的調(diào)速范圍，常用于進(jìn)給系統(tǒng)；感應(yīng)式相當(dāng)于交流感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)

3、，它與同容量的直流電機(jī)相比，重量可輕1/2，價(jià)格僅為直流電機(jī)的1/3，常用于主軸伺服系統(tǒng)。一、交流伺服電機(jī)調(diào)速的原理和方法交流伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)理都是由定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。不同點(diǎn)是交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和外加電源頻率存在嚴(yán)格的關(guān)系，所以電源頻率不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是不變的；交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)由于需要轉(zhuǎn)速差才能在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比其同步轉(zhuǎn)速小，外加負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速差越大。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步速度由交流電的頻率來決定：頻率低，轉(zhuǎn)速低；頻率高，轉(zhuǎn)速高。因此，這兩類交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法主要是用改變供電頻率來實(shí)現(xiàn)。交流伺服電動(dòng)機(jī)的速度控制可分為標(biāo)量控制法和矢量控制法。標(biāo)量控制法

4、是開環(huán)控制，矢量控制法是閉環(huán)量控制。對(duì)于簡(jiǎn)單的調(diào)速系統(tǒng)可使用標(biāo)量控制法，對(duì)于要求較高的系統(tǒng)使用矢量控制法。無論用何種控制法都是改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率，從而達(dá)到調(diào)速目的。矢量控制也稱為場(chǎng)定向控制，它是將交流電機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)，用對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法來控制交流電動(dòng)機(jī)。其方法是以交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向，把定子電流分解成與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向相平行的磁化電流分量i和相垂直的轉(zhuǎn)矩電流d分量i,分別對(duì)應(yīng)直流電動(dòng)機(jī)中的勵(lì)磁電流i和電樞電流i。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系qfa中，分別對(duì)磁化電流分量i和轉(zhuǎn)矩電流分量i進(jìn)行控制，以達(dá)到對(duì)實(shí)際的交流電dq動(dòng)機(jī)控制的目的。用矢量轉(zhuǎn)換方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的完全解藕。交

5、流電動(dòng)機(jī)矢量控制的提出具有劃時(shí)代的意義，使得交流傳動(dòng)全球化時(shí)代的到來成為可能。按照對(duì)基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的取法不同，矢量控制可分為兩類：按照轉(zhuǎn)子位置定向的矢量控制和按照磁通定向的矢量控制。按轉(zhuǎn)子位置定向的矢量控制系統(tǒng)中基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系水平軸位于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子軸線上，靜止與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的夾角就是轉(zhuǎn)子位置角。這個(gè)位置角度值可直接從裝于電動(dòng)機(jī)軸上的位置檢測(cè)元件絕對(duì)編碼盤來獲得。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制就屬于此類。按照磁通定向的矢量控制系統(tǒng)中，基準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系水平軸位于電動(dòng)機(jī)的磁通磁鏈軸線上，這時(shí)靜止和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的夾角不能直接測(cè)量，需要計(jì)算獲得。異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制屬于此類。按照對(duì)電動(dòng)機(jī)的電壓或電流控制還可

6、將交流伺服電動(dòng)機(jī)的矢量控制分為電壓控制型和電流控制型。由于矢量控制需要較為復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，所以矢量控制是一種基于微處理器的數(shù)字控制方案。二、交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速主電路我國(guó)工業(yè)用電的頻率是固定的50H，有些歐美國(guó)家工業(yè)用電的固有頻率是Z60H，因此交流伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)必須采用變頻的方法改變電動(dòng)機(jī)的供電頻Z率。常用的方法有兩種：直接的交流-交流變頻和間接的交流-直流-交流變頻。交-交變頻是用可控硅整流器直接將工頻交流電直接變成頻率較低的脈動(dòng)交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負(fù)脈沖，這個(gè)脈動(dòng)交流電的基波就是所需的變頻電壓。這種方法獲得的交流電波動(dòng)較大。而間接的交流-直流-交流變頻是先將交流電整流成直

7、流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波動(dòng)電壓，這個(gè)脈動(dòng)交流電的基波就是所需的變頻電壓。這種方法獲得的交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍寬，調(diào)節(jié)線性度好。數(shù)控機(jī)床常采用這種方法。間接的交流-直流-交流變頻中根據(jù)中間直流電壓是否可調(diào)，又可分為中間直流電壓可調(diào)PWM逆變器和中間直流電壓不可調(diào)PWM逆變器，根據(jù)中間直流電路上的儲(chǔ)能元件是大電容或大電感可將其分為電壓型SPWM逆變器和電流型PWM逆變器。在電壓型逆變器中，控制單元的作用是將直流電壓切換成一串方波電壓，所用器件是大功率晶體管、巨型功率晶體管GTR(GiantTransistors)或是可關(guān)斷晶閘管GTO(GateTurn-offThyristors)。交

8、流-直流-交流變頻中典型的逆變器是固定電流型SPWM逆變器。50Hz(a)濾波交流輸入50Hz交流電機(jī)(b)a)交-交變頻b)交-直-交變頻6圖4-39交流伺服電機(jī)的調(diào)速主回路通常交-直-交型變頻器中交流-直流的變換是將交流電變成為直流電，而直流-交流變換是將直流變成為調(diào)頻、調(diào)壓的交流電，采用脈沖寬度調(diào)制逆變器來完成。逆變器分為晶閘管和晶體管逆變器，數(shù)控機(jī)床上的交流伺服系統(tǒng)多采用晶體管逆變器，它克服或改善了晶閘管相位控制中的一些缺點(diǎn)。三、交流伺服系統(tǒng)的控制回路如前所述，交流伺服電機(jī)可以利用供電頻率的改變來進(jìn)行調(diào)速，因此交流伺服系統(tǒng)的核心是形成供電頻率可變的變頻器。過去的變頻器采用的功率開關(guān)元件

9、是晶閘管，利用相位控制原理進(jìn)行控制，這種方法產(chǎn)生的電壓諧波分量比較大，功率因數(shù)差，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。現(xiàn)代的變頻調(diào)速大量采用PWM型變頻器，采用脈寬調(diào)制原理，克服或改善了相控調(diào)速中的一些缺點(diǎn)。常見的PWM型變頻器有SPWM、DMPWM、NPWM矢量角PWM、最佳開關(guān)角PWM、交流跟蹤PWM等十幾種。SPWM波調(diào)制也稱為正弦波PWM調(diào)制(SineWarePulseWidthModulation),是一種PWM調(diào)制。SPWM波調(diào)制變頻器不僅適合于交流永磁式伺服電動(dòng)機(jī)，也適合于交流感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)。SPWM采用正弦規(guī)律脈寬調(diào)制原理，其調(diào)制的基本特點(diǎn)是等距、等幅，但不等寬。它的規(guī)律總是中間脈沖寬而

10、兩邊脈沖窄，且各個(gè)脈沖面積和正弦波下面積成比例。因其脈寬按正弦規(guī)律變化，具有功率因數(shù)高，輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，因而在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。圖4-40雙極性SPWM波調(diào)制原理(一相)1一相SPWM波調(diào)制原理在直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)中，PWM輸出電壓是由三角載波調(diào)制電壓得到的。同理，在交流SPWM中，輸出電壓是由三角載波調(diào)制的正弦電壓得到，如圖4-40所示。三角波和正弦波的頻率比通常為15168或9更高。SPWM的輸出電壓U0是幅值相等，寬度不等的方波信號(hào)。其各脈沖的面積與正弦波下的面積成比例，其脈寬基本上按正弦分布，其基波是等效正弦波。用這個(gè)輸出脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大后作為交流伺服電動(dòng)機(jī)的相電壓

11、（電流）。改變正弦基波的頻率就可以改變電機(jī)相電壓（電流）的頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)速的目的。在調(diào)制過程中可以是雙極調(diào)制（如圖4-41所示），也可以是單極調(diào)制。在雙極性調(diào)制過程中同時(shí)得到正負(fù)完整的輸出SPWM波。當(dāng)控制電壓U高于三角波電1壓U時(shí)，比較器輸出電壓為“高”電平，反之輸出“低”電平，只要正弦控制t波U的最大值低于三角波的幅值，調(diào)制結(jié)果必然形成等幅、不等寬的SPWM脈寬1調(diào)制波。雙極性調(diào)制能同時(shí)調(diào)制出正半波和負(fù)半波。而單極性調(diào)制只能調(diào)制出正半波或負(fù)半波，再將調(diào)制波倒相得到另外半波形，然后相加得到一個(gè)完整的SPWM波。圖4-40中，比較器輸出U的“高”電平和“低”電平控制圖4-41中功率開0關(guān)管V

12、T的基極，即控制它的導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)。雙極式控制時(shí)，功率管同一i橋臂上下兩個(gè)開關(guān)器件交替通斷，處于互補(bǔ)工作方式?？梢宰C明，由輸入正弦控制信號(hào)和三角波調(diào)制所得脈沖波的基波是和輸入正弦波等同的正弦輸出信號(hào)。這種SPWM調(diào)制波能夠有效地抑制高次諧波電壓。在三相SPWM調(diào)制中三角調(diào)制波U是共用的，而每一相有一個(gè)輸入正弦波信t號(hào)和一個(gè)SPWM調(diào)制器。輸入的U、U、U信號(hào)是相位相差120。的正弦交流信號(hào),abc其幅值和頻率都是可調(diào)。用來改變輸出的等效正弦波的幅值和頻率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。圖4-42三相SPWM波調(diào)制原理框圖SPWM調(diào)制波經(jīng)功率放大后才可驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在雙極性SPWM通用型主回路中，左邊是橋

13、式整流電路，其作用是將工頻交流電變?yōu)橹绷麟姡挥疫吺悄孀兤?，用VTVT六個(gè)大功率開關(guān)管將直流電變?yōu)槊}寬按正弦規(guī)律變化的等效正弦交流電，用以驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)。圖4-42中輸出的SPWM調(diào)制波U、U、U及其方向波來控制圖4-41中VT1VT6的基極，VDVD是續(xù)流二極管，用來導(dǎo)通電動(dòng)機(jī)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)，功放的輸出端（右端7）接12在電動(dòng)機(jī)上。由于電動(dòng)機(jī)繞組電感的濾波作用，其電流變成為正弦波。三相輸出電壓（電流）的相位上相差1200。由SPWM的調(diào)制原理可知，調(diào)制主回路功率器件在輸出電壓的半周內(nèi)要多次開關(guān)，而器件本身的開關(guān)能力與主回路的結(jié)構(gòu)及其換流能力有關(guān)。所以開關(guān)頻率和調(diào)制度對(duì)SPWM調(diào)制有重要

14、的影響。由于功率器件的開關(guān)損耗限制了脈寬調(diào)制的脈沖頻率，切各種功率開關(guān)管的頻率都有一定的限制，使得所調(diào)制的脈沖波有最小脈寬與最小間隙的限制，以保證脈沖寬度小于開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間，這就要求輸入?yún)⒖夹盘?hào)的幅值小于三角波峰值。設(shè)調(diào)制系數(shù)為M：M=U/U其中U為正弦控制電壓的峰值，U為三角波載波的峰值電壓，理想情況下M為01之間內(nèi)變化，實(shí)際上M總是小于1,且不要接近1。這是因?yàn)镸=l,三角波尖角處調(diào)制的方波的時(shí)間間隙很小，若小于功率管的最小開關(guān)時(shí)間，則功率管不能正常工作。3.SPWM的同相調(diào)制和異相調(diào)制：我們將三角載波頻率f與正弦控制波頻率f之比稱為載波比N，即N=f/f，N通常為3的整數(shù)倍

15、，如15、18、21、30、36、42、60、72、84、120、168等，以保證調(diào)制波的對(duì)稱性。同步調(diào)制是N為常數(shù)，變頻時(shí)三角波頻率和輸入正弦波控制信號(hào)頻率同步變化，因此在一個(gè)正弦控制波周期內(nèi)輸出的矩形脈沖數(shù)量是固定的。若N為3的整數(shù)倍，則在同步調(diào)制中能夠保證逆變器輸出波形正負(fù)對(duì)稱，且三相輸出波形互差1200。同步調(diào)制的缺點(diǎn)是低頻段相鄰兩脈沖的間距增大，諧波會(huì)顯著增加，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較大的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大的噪音。異步調(diào)制是N為變數(shù)，這種情況下是只改變正弦控制信號(hào)的頻率f,保持三角調(diào)制波頻率f保持不變，就可以實(shí)現(xiàn)N為變數(shù)的目的。這樣在低頻段時(shí)SPWM輸出波在每個(gè)正弦控制波周期內(nèi)有較多的脈沖個(gè)數(shù)，脈沖頻率越低，脈沖個(gè)數(shù)越多，這樣可以減少多次諧波和電機(jī)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)及噪音。異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是改善了低頻工作特性，但輸出的波形不對(duì)稱，且有相位的變化，易引起電機(jī)工作不平穩(wěn)，在正弦控制波頻率較高