第6章 異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及主軸驅(qū)動

異步電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)及主軸驅(qū)動伺服運(yùn)動控制第6章內(nèi)容提要第1節(jié)異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

第2節(jié)數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動和主軸電動機(jī)的要求

第3節(jié)直流主軸控制單元

第4節(jié)交流主軸控制單元

第5節(jié)主軸定向控制

當(dāng)電動機(jī)的三相定子繞組（各相差120°電角度），通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。但定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同。三相異步電動機(jī)的工作原理：第1節(jié)異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻調(diào)速：通過改變電動機(jī)定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)交流電動機(jī)調(diào)速的一種方法，變頻調(diào)速調(diào)速范圍寬，平滑性好，具有優(yōu)良的動、靜態(tài)特性，是一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。對交流電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，需要一套變頻電源，過去大多采用旋轉(zhuǎn)變頻發(fā)電機(jī)組作為電源，但這些設(shè)備龐大、可靠性差。隨著晶閘管及各種大功率電力電子器件如：GTR、GTO、MOSFET、IGBT等的問世，各種靜止變頻電源獲得了迅速發(fā)展，它們具有重量輕、體積小、維護(hù)方便、慣性小和效率高等優(yōu)點(diǎn)，但由其組成的變頻電路較復(fù)雜，造價較高。隨著功率集成電路的出現(xiàn)，產(chǎn)品價格隨之降低，它集功率開關(guān)器件、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、接口電路于一體，可靠性高，維護(hù)方便。因此，目前變頻調(diào)速已成為交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。在變頻技術(shù)日新月異地發(fā)展的同時，交流電動機(jī)控制技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。70年代初提出的矢量控制理論，使交流調(diào)速獲得了與直流調(diào)速同樣優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，開創(chuàng)了交流調(diào)速與直流調(diào)速相競爭的時代，80年代中期又提出了直接轉(zhuǎn)矩控制理論，其控制結(jié)構(gòu)簡單，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，所以變頻調(diào)速是最有前途的一種交流調(diào)速方式。1.調(diào)速原理根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為：式中，—異步電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；—定子供電頻率；

—電動機(jī)的極對數(shù)；

—轉(zhuǎn)差率。一、變頻調(diào)速基本原理由此可見，若能連續(xù)地改變異步電動機(jī)的供電頻率,就可以平滑地改變電動機(jī)的同步速度及電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的無級調(diào)速，這就是變頻調(diào)速的基本原理。變頻調(diào)速的最大特點(diǎn)是：電動機(jī)從高速到低速，其轉(zhuǎn)差率始終保持最小的數(shù)值，因此變頻調(diào)速時，異步電動機(jī)的功率因數(shù)都很高。但它需要特殊的變頻裝置供電，以實(shí)現(xiàn)電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制。三相異步電動機(jī)定子每相感應(yīng)電動勢的有效值是：

（6-3）式中，

——

定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)，

——

基波繞組系數(shù)，

——

每極氣隙磁通。

由式(6-3)可見，只要控制好E1和f1，便可達(dá)到控制磁通的目的，對此，需考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。

變頻調(diào)速的過程中需保持每極磁通恒定，不能太高（鐵心過分飽和，勵磁電流過大，繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低），也不能太低（鐵心沒有充分利用）。

由式(6-3)可知，要保持磁通不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低E1使:常數(shù)即采用恒電動勢頻比控制方式。當(dāng)電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，而認(rèn)為定子相電壓U1≈E1，則得：常數(shù)這是恒壓頻比的控制方式。2.基頻以下調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從往上提高，但電壓卻不能在額定電壓上增加了，最多只能保持不變。由式(6-3)可知，這將迫使磁通與頻率成反比地減少，相當(dāng)于直流電動機(jī)弱磁升速的情況。

圖6-1恒壓頻比控制特性圖6-2異步電動機(jī)變頻調(diào)速控制特性

3.基頻以上調(diào)速額定電壓a-恒電壓頻率比b-恒電勢頻率比（一）SPWM逆變器的工作原理

1.基本概念

為了更好地控制異步電動機(jī)速度，不但要求變頻器輸出頻率和電壓大小可調(diào)，而且要求輸出波形盡可能接近正弦波（盡量減少諧波損耗）。即要求采用對稱的三相正弦波電源為三相交流電動機(jī)供電。二、正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）原理

在采樣控制理論中有一個重要結(jié)論，沖量（窄脈沖的面積）相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同-----該結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。將圖6-3(a)所示的正弦波分成N等份，即把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成。這些脈沖寬度相等（均為π/N），但幅值不等，其幅值是按正弦規(guī)律變化的曲線。我們把每一等份的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與正弦脈沖的中點(diǎn)重合，且使各矩形脈沖面積與相應(yīng)各正弦部分面積相等，就得到圖6-3(b)所示的脈沖序列。根據(jù)上述沖量相等效果相同的原理，該矩形脈沖序列與正弦半波是等效的。圖6-3與正弦波等效的等幅脈沖序列a)正弦波形b)等效的正弦波形同樣，正弦波的負(fù)半周也可用相同的方法來等效。由圖6-3可見，各矩形脈沖在幅值不變的條件下，其寬度隨正弦規(guī)律變化。這種寬度按正弦規(guī)律變化并和正弦波等效的矩形脈沖序列稱為SPWM波形。圖6-3(b)的矩形脈沖系列就是所期望的變頻器輸出波形。通常將輸出為SPWM波形的變頻器稱為SPWM型變頻器。當(dāng)變頻器各開關(guān)器件工作在理想狀態(tài)下時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件的信號也應(yīng)為與圖6-3(b)形狀相似的一系列脈沖波形。由于各脈沖的幅值相等，所以逆變器可由恒定的直流電源供電，即變頻器中的變流器采用不可控的二極管整流器就可以了。圖6-4(a)是SPWM變頻器的主回路。VT1-VT6是逆變器的六個功率開關(guān)器件，VD1-VD6用于處理無功功率反饋的二極管。整個逆變器由三相整流器提供的恒值直流電壓US供電。2.工作原理不可控的二極管整流器圖6-4(b)是它的控制電路，一組三相對稱的正弦參考電壓信號UrA、UrB、UrC由參考信號發(fā)生器提供，其頻率決定逆變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所有要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)；其幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，以決定輸出電壓的大小。

三角波載波信號Ut是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生脈沖序列波：UdA,UdB,UdC，作為逆變器功率開關(guān)元件的輸出控制信號。圖6-5單極性脈寬調(diào)制模式（單相）圖6-6雙極性脈寬調(diào)制模式（單相）控制方式：單極式和雙極式采用單極式控制時，在正弦波的半個周期內(nèi)每相只有一個功率開關(guān)開通或關(guān)斷。其調(diào)制情況如圖6-5所示。采用雙極式控制時，在同一橋臂上下兩個功率開關(guān)交替通斷，處于互補(bǔ)的工作方式，其調(diào)制情況如圖6-6所示。

在SPWM逆變器中，三角波電壓頻率ft與參照電壓頻率fr之比N=ft/fr稱為載波比，也稱調(diào)制比。根據(jù)載波比的變化與否，SPWM調(diào)制方式可分為同步式、異步式和分段同步式。

1.同步調(diào)制方式

2.異步調(diào)制方式

3.分段同步調(diào)制方式（二）SPWM逆變器的調(diào)制方式載波比N等于常數(shù)時稱同步調(diào)制方式。同步調(diào)制方式在逆變器輸出電壓每個周期內(nèi)所采用的三角波電壓數(shù)目是固定的，因而所產(chǎn)生的SPWM脈沖數(shù)是一定的。優(yōu)點(diǎn)：在逆變器輸出頻率變化的整個范圍內(nèi)，皆可保持輸出波形的正、負(fù)半波完全對稱，只有奇次諧波存在。而且能嚴(yán)格保證逆變器輸出三相波形之間具有120°相位移的對稱關(guān)系。缺點(diǎn)：當(dāng)逆變器輸出頻率很低時，每個周期內(nèi)的SPWM脈沖數(shù)過少，低頻諧波分量較大，使負(fù)載電動機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。1.同步調(diào)制方式異步調(diào)制方式：即在逆變器的整個變頻范圍內(nèi)，載波比N不是一個常數(shù)。一般在改變參照波頻率fr時保持三角波頻率ft不變，因而提高了低頻時的載波比，

優(yōu)點(diǎn)：這樣逆變器輸出電壓每個周期內(nèi)PWM脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可減少負(fù)載電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動與噪聲，改善了調(diào)速系統(tǒng)的低頻工作特性。

缺點(diǎn)：當(dāng)載波比N隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，它不可能總是３的倍數(shù)，勢必使輸出電壓波形及其相位都發(fā)生變化，難以保持三相輸出的對稱性，因而引起電動機(jī)工作不平穩(wěn)。2.異步調(diào)制方式實(shí)際應(yīng)用中，多采用分段同步調(diào)制方式，具體地說，把整個變頻范圍劃分為若干頻段，在每個頻段內(nèi)都維持N恒定，而對不同的頻段取不同的N值，頻率低時，N值取大些。

優(yōu)點(diǎn)：它集同步和異步調(diào)制方式之所長，而克服了兩者的不足。在一定頻率范圍內(nèi)采用同步調(diào)制，以保持輸出波形對稱的優(yōu)點(diǎn)，在低頻運(yùn)行時，使載波比有級地增大，以采納異步調(diào)制的長處，這就是分段同步調(diào)制方式。

缺點(diǎn)：采用分段同步調(diào)制方式，需要增加調(diào)制脈沖切換電路，從而增加控制電路的復(fù)雜性。3.分段同步調(diào)制方式

SPWM波可通過模擬電路、數(shù)字電路或?qū)Ｓ玫拇笠?guī)律集成電路芯片等硬件實(shí)現(xiàn)，也可用控制計算機(jī)的軟件生成。生成SPWM波的方法有多種，但其目標(biāo)只有一個，盡量減少逆變器的輸出諧波分量和計算機(jī)的工作量，使計算機(jī)能更好地完成實(shí)時控制任務(wù)。（三）SPWM波的實(shí)現(xiàn)

關(guān)于開關(guān)點(diǎn)的算法，可分為兩類：一是采樣法，二是最佳法。

采樣法：是從載波與調(diào)制波相比較產(chǎn)生SPWM波的思路出發(fā)，導(dǎo)出開關(guān)點(diǎn)算法，然后按此算法實(shí)時計算或離線算出開關(guān)點(diǎn)，通過定時控制，發(fā)出驅(qū)動信號的上升沿或下降沿，形成SPWM波。

最佳法：是預(yù)先通過某種指標(biāo)下的優(yōu)化計算，求出SPWM波的開關(guān)點(diǎn)，其突出優(yōu)點(diǎn)是可以預(yù)先去掉指定階次的諧波，最佳法計算的工作量很大，一般要先離線算出最佳開關(guān)點(diǎn)，以表格形勢存入內(nèi)存，運(yùn)行時再查表進(jìn)行定時控制，發(fā)出SPWM信號。

這里討論幾種常用的算法。

根據(jù)SPWM逆變器的工作原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時刻控制功率開關(guān)元件的通斷，這種生成SPWM波的方法稱為自然采樣法。如圖6-7中，截取了任意一段正弦波與三角波的一個周期長度內(nèi)的相交情況。A點(diǎn)為脈沖發(fā)生時刻，B電為脈沖結(jié)束時刻，在三角波的一個周期Tc內(nèi)，t2為SPWM波的高電平時間，稱作脈寬時間，t1與t3則為低電平時間，稱為間隙時間。顯然:。

定義調(diào)制波與載波的幅值比為調(diào)制比M=Urm/Utm，設(shè)三角載波幅值Utm=1，則調(diào)制波:1.自然采樣法圖6-7自然采樣法

式中：ω為調(diào)制波角頻率，即輸出角頻率。A、B兩點(diǎn)對三角波的中心線來說是不對稱的，因此，t2分成的t2’和t2”兩個互不相等的時間段，聯(lián)立求解兩對相似直角三角形，則:

自然采樣法雖能真實(shí)地反映脈沖產(chǎn)生與結(jié)束的時刻，卻難以在實(shí)時控制中在線實(shí)現(xiàn)，因?yàn)椋瑃A與tB都是未知數(shù)，t2≠t3，t2’≠t2”，求取時需花費(fèi)較多的計算時間。即使可先將計算結(jié)果存入內(nèi)存，控制過程中查表定時，也會因參數(shù)過多而占用計算機(jī)太多內(nèi)存和時間，所以，此法僅限于調(diào)速范圍有限的場合。==規(guī)則采樣法就是在三角載波每一周期內(nèi)的固定時刻，找到正弦參考波上的對應(yīng)電壓值，以此值對三角波進(jìn)行采樣以決定功率元件的通、斷時刻。采樣Ⅰ法：圖6-8(a)所示為規(guī)則采樣Ⅰ法生成的SPWM波。它以三角波正峰值時找到正弦波上的對應(yīng)點(diǎn)D點(diǎn)，得到，用對三角波采樣，得到A、B兩點(diǎn)?？梢?，在此法中，開關(guān)點(diǎn)A、B位與正弦波的同一側(cè)，這使所得的脈沖寬度明顯偏小，從而造成較大的控制誤差。采樣Ⅱ法：在圖6-8(b)所示的規(guī)則采樣Ⅱ法中，以三角波的負(fù)峰值時找到正弦波上的對應(yīng)點(diǎn)E，得到，再用對三角波采樣，得到A、B兩開關(guān)點(diǎn)?？梢?，此時A、B兩開關(guān)點(diǎn)位于正弦波的兩側(cè)，這樣減少了脈寬生成誤差，使所得SPWM波更為準(zhǔn)確。2.規(guī)則采樣法

(a)規(guī)則采樣Ⅰ法

(b)規(guī)則采樣Ⅱ法

圖6-8規(guī)則采樣法在規(guī)則采樣法中，每個三角載波周期的開關(guān)點(diǎn)都是確定的，所生成的SPWM波的脈沖寬度和位置可預(yù)先計算出來。由圖6-8(b)的幾何關(guān)系得到脈寬時間為：

式中，te為三角波的中點(diǎn)(即負(fù)峰值)。間隙時間為：

以消去輸出電壓中某些指定次數(shù)諧波（主要是低次諧波）為目的，通過計算來確定各脈沖的開關(guān)時刻，這種方法稱為低次諧波消去法。在該法中，已經(jīng)不用三角載波和正弦調(diào)制波的比較產(chǎn)生，但其目的仍是使輸出電壓波形盡可能接近正弦波，因此，也算是SPWM波生成的一種方法。

該法可以很好地消除指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會增大，但它們的次數(shù)已比所消去的諧波次數(shù)高，因而較易濾去。3.指定諧波消除法（一）U/F控制方式及其機(jī)械特性異步電機(jī)要求在調(diào)頻的同時，改變定子電壓U1以維持Φm近似不變。根據(jù)U1與f1配合得到不同的控制方式。1.恒壓恒頻時異步電動機(jī)的機(jī)械特性：

（6-4）當(dāng)定子電壓U1和頻率f1都為恒定值時，可以把它改寫成如下的形式：

（6-5）三、U/F變頻器調(diào)速系統(tǒng)圖6-11異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路

當(dāng)S很小時：

當(dāng)s很小時，轉(zhuǎn)矩與s近似成正比，機(jī)械特性Te是一段直線；

當(dāng)s較大時，轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是對稱于原點(diǎn)的一段雙曲線,機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡，如圖6-9所示。圖6-9恒壓恒頻時異步電動機(jī)的機(jī)械特性

1）恒U1/ω1控制：當(dāng)U1/ω1等于恒值時，最大轉(zhuǎn)矩Te(max)隨角頻率ω1的變化關(guān)系為：

可見Te(max)是隨著ω1的降低而減小的。頻率很低時，Te(max)太小將限制調(diào)速系統(tǒng)的帶載能力。采用定子壓降補(bǔ)償，適當(dāng)提高電壓U1可以增強(qiáng)帶載能力如圖6-10所示。2.電壓、頻率協(xié)調(diào)控制下的機(jī)械特性圖6-10恒壓頻比時變頻調(diào)速的機(jī)械特性2）恒控制

恒控制時的機(jī)械特性方程式可由異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路導(dǎo)出，如圖6-11所示。從等效電路圖中可以得出：

（6-8）將式（6-8）代入電磁轉(zhuǎn)矩基本關(guān)系式，得

（6-9）這就是恒時的機(jī)械特性方程式。

與恒壓頻比控制時相同，當(dāng)s較小時，轉(zhuǎn)矩近似與s成正比，機(jī)械特性是一段直線；當(dāng)s較大時，轉(zhuǎn)矩近似與s成反比，機(jī)械特性是對稱于原點(diǎn)的一段雙曲線，機(jī)械特性在直線和雙曲線之間逐漸過渡。不同的是，恒控制的轉(zhuǎn)矩公式分母中含s項(xiàng)要小于恒控制控制的轉(zhuǎn)矩公式中的同類項(xiàng)，因此，恒控制的機(jī)械特性線性段范圍會更寬一些。圖6-12中同時繪出了不同協(xié)調(diào)控制方式的機(jī)械特性。將式（6-9）對s求導(dǎo)，并令，求得恒控制時異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為:

(6-13)可見，保持恒定進(jìn)行變頻調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩保持不變。所以恒控制的穩(wěn)態(tài)性能是優(yōu)于恒壓頻比控制的，它正是恒壓頻比控制時補(bǔ)償定子阻抗壓降所追求的目標(biāo)。圖6-12不同協(xié)調(diào)控制方式的機(jī)械特性在基頻以上調(diào)速時，應(yīng)保持定子電壓為額定值不變，即。相應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩為：

（6-16）可見，保持電壓為額定值進(jìn)行變頻調(diào)速時，最大轉(zhuǎn)矩將隨f1的升高而減少。機(jī)械特性如圖（6-13）所示。3）保持電壓為額定值的恒功率控制方式和機(jī)械特性圖6-13保持時變頻調(diào)速機(jī)械特性（二）V/F控制系統(tǒng)組成及工作原理1.恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)1）給定積分器GI

設(shè)置給定積分器是為了將階躍給定信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾逼滦盘?，作用于整流和逆變回路，以清除階躍給定過大的沖擊，使系統(tǒng)中的電壓、電流、逆變頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)步上升，以提高系統(tǒng)的可靠性。因此，給定積分器也稱為軟啟動器，如圖所示。系統(tǒng)對給定積分器的要求是：(1)工作穩(wěn)定、可靠；(2)斜坡的線性度高；(3)能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)積分時間常數(shù)。給定積分器的原理圖如下頁圖所示。

A1接成高放大倍數(shù)的比例器，采用同相端(2)輸入。由于A2采用反相端(1)輸入，因此A1(2)的兩個輸入量是相減的。由于A1是高放大倍數(shù)的比例器，因此只要其(2)端有微小的電壓，就會使A1的輸出(11端)達(dá)到飽和狀態(tài)。在A1的輸出端采用對接的穩(wěn)壓管，以取得恒定的電壓。用電位器RP2取得不同的分壓，供A2使用。具體原理：

A2為積分器，采用反相端輸入。在R7和C值已定的情況下，改變RP2的分壓比，即可改變給定積分器的積分時間常數(shù)。A2的輸出經(jīng)電阻R10反饋至第一級運(yùn)算放大器的輸入端，與給定量進(jìn)行比較。在反饋量不等于給定量的情況下，第一級運(yùn)算放大器的輸出點(diǎn)是在飽和狀態(tài)，迫使第二級運(yùn)算放大器繼續(xù)積分，直到反饋量等于給定量。

給定積分器的輸出作為絕對值運(yùn)算器和邏輯開關(guān)的輸入。2）絕對值運(yùn)算器

絕對值運(yùn)算器把給定積分器送來的(正值或負(fù)值)信號的轉(zhuǎn)換為正值信號的輸出。其輸出值的大小跟隨給定積分器送來的輸入值。雙向限幅電路3）函數(shù)發(fā)生器4）電壓頻率轉(zhuǎn)換器5）環(huán)形分配器6）脈沖功放及脈沖輸出7）邏輯開關(guān)（極性鑒別）8）頻率-電壓轉(zhuǎn)換器恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電壓型變頻調(diào)速系統(tǒng)電壓型逆變器轉(zhuǎn)速開環(huán)變頻傳動系統(tǒng)由于沒有測速反饋，其調(diào)速性能差于轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)。因此，適用于對調(diào)速要求不高的場合，例如，風(fēng)機(jī)、水泵等的節(jié)能調(diào)速就經(jīng)常采用這種系統(tǒng)。2.恒壓頻比控制的轉(zhuǎn)速開環(huán)電流型變頻調(diào)速系統(tǒng)GFC：動態(tài)校正器，用于加快頻率控制。電流型逆變器現(xiàn)代SPWM變頻器的控制電路大都是以微處理器為核心的數(shù)字電路，其功能主要是接受各種設(shè)定信息和指令，再根據(jù)它們的要求形成驅(qū)動逆變器工作的SPWM信號。微機(jī)芯片主要采用８位或16位單片機(jī)，32位的DSP，現(xiàn)在已有應(yīng)用RISC(精簡指令集算法)的產(chǎn)品出現(xiàn)。SPWM信號可以由微機(jī)本身用軟件實(shí)時計算或用查表法生成，也可采用專用的SPWM集成電路芯片。

需要設(shè)定的信息主要有U/f曲線、工作頻率、頻率上升時間、頻率下降時間等，還可以有一系列特殊功能的設(shè)定。由于系統(tǒng)本身沒有自動限制起、制動電流的作用，因此，頻率設(shè)定信號須通過給定積分算法產(chǎn)生平緩的控制作用。

SPWM變壓變頻器的基本控制作用如圖6-17所示。3.數(shù)字控制的SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)泵升限制電路—由于二極管整流器不能為異步電機(jī)的再生制動提供反向電流的通路，所以除特殊情況外，通用變頻器一般都用電阻吸收制動能量。減速制動時，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，首先通過逆變器的續(xù)流二極管向電容C充電，當(dāng)中間直流回路的電壓（通稱泵升電壓）升高到一定的限制值時，通過泵升限制電路使開關(guān)器件導(dǎo)通，將電機(jī)釋放的動能消耗在制動電阻上。圖6-16數(shù)字控制IGBT-SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)

圖6-17SPWM變壓變頻器的基本控制作用

第2節(jié)數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動和主軸電動機(jī)的要求要求包括：

要改善主軸的動態(tài)性能，需要主軸傳動有較大的無級調(diào)速范圍，如：能在（100～1000）:1的范圍內(nèi)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和10：1的恒功率調(diào)速；而且要求在主軸的兩個轉(zhuǎn)向中在任一個方向都可進(jìn)行加速和減速，即要求有四象限的驅(qū)動能力。一、數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動的要求

數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動的要求和進(jìn)給驅(qū)動有很大的差別。機(jī)床主傳動的工作運(yùn)動通常是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，無需絲杠或其它直線運(yùn)動的裝置。在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控車床要占42%，數(shù)控鉆、鏜和銑床占33%，數(shù)控磨床、沖床占23%。其它只占2%。為了滿足前兩類數(shù)控機(jī)床的要求，如為使數(shù)控車床等具有螺紋車削功能，要求主軸能與進(jìn)給驅(qū)動實(shí)行同步控制，在加工中心上為了自動換刀也要求主軸能進(jìn)行高精度定位控制，有的數(shù)控機(jī)床還要求主軸具有角度控制的功能。主軸驅(qū)動裝置應(yīng)提供加工各類零件所需的切削功率，無論在何種速度(這取決于不同的材料，如加工鋼或鋁等)，用各種不同刀具類型的加工方法，都必須提供所需的切削功率。因此，要求主軸驅(qū)動在盡可能大的調(diào)速范圍內(nèi)保持恒功率的輸出。主軸傳動電機(jī)應(yīng)有2.2～250kW的功率范圍，既要能輸出大的功率，又要求結(jié)構(gòu)簡單?，F(xiàn)有的主軸轉(zhuǎn)速范圍還必須擴(kuò)大，因?yàn)榧庸ひ恍╇y加工材料所要求的轉(zhuǎn)速范圍相差很大，如鈦需要低速加工，而鋁合金材料則需要高速加工。而用齒輪變速箱滿足這類要求的方法業(yè)已過時。國際上新生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床已有85%采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)。這是因?yàn)椋海?）制造交流電動機(jī)不象直流電機(jī)那樣在高轉(zhuǎn)速和大容量方面受到限制，（2）目前的交流主軸驅(qū)動的性能已達(dá)到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低，而在價格上卻比直流主軸驅(qū)動低。(一)直流主軸電機(jī)

1．結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

為滿足數(shù)控機(jī)床對主軸驅(qū)動的要求，主軸電機(jī)必須具備下述性能：①電輸出功率要大；②在大的調(diào)速范圍內(nèi)速度應(yīng)該穩(wěn)定，而且恒功率的速度范圍寬；③在斷續(xù)負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)速波動??；④加速和減速時間短；⑤電機(jī)溫升低；⑥振動、噪聲??；⑦電機(jī)的可靠性高，壽命長，維護(hù)容易；⑧體積小，重量輕，與機(jī)械連接容易；⑨電機(jī)過載能力強(qiáng)。二、數(shù)控機(jī)床對主軸電機(jī)的要求直流主軸電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與永磁式直流伺服電機(jī)的不同，因?yàn)橐笾鬏S電機(jī)有大的輸出功率，所以在結(jié)構(gòu)上不做成永磁式，而與普通直流電機(jī)相同。圖6-19直流主軸電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性1—功率特性曲線2—轉(zhuǎn)矩特性曲線由特性曲線圖6.19可見，在基本速度以下時屬于恒轉(zhuǎn)矩范圍，用改變電樞電壓來調(diào)速。在基本速度以上屬于恒功率范圍，采用控制激磁的調(diào)速方法調(diào)速。一般來說，恒轉(zhuǎn)矩的速度范圍與恒功率的速度范圍之比為1：20。另外，直流主軸電機(jī)一般都有過載能力，且大都能過載荷150%(即為連續(xù)額定電流的1.5倍)。至于過載時間，則根據(jù)生產(chǎn)廠的不同，有較大的差別，從1min至30min不等。2.直流主軸電動機(jī)性能1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)有籠式感應(yīng)電機(jī)和永磁式同步電動機(jī)二種結(jié)構(gòu)。交流主軸電動機(jī)均采用感應(yīng)電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。這是因?yàn)槭苡来朋w的限制，當(dāng)容量做得很大時，電動機(jī)成本太高，使得數(shù)控機(jī)床無法使用。更重要的原因是，數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動系統(tǒng)不必像伺服驅(qū)動系統(tǒng)那樣，要求如此高的性能，調(diào)速范圍也不要太大。因此，采用感應(yīng)電動機(jī)進(jìn)行矢量控制就完全可滿足數(shù)控機(jī)床主軸的要求。(二)交流主軸電機(jī)

一般來說，交流主軸電動機(jī)是專門設(shè)計的，如為了增加輸出功率，縮小電動機(jī)的體積，都采用定子鐵心在空氣中直接冷卻的辦法，沒有機(jī)殼。而且在定子鐵心上作有軸向孔以利通風(fēng)等。為此在電動機(jī)外形上是呈多邊形而不是圓形。交流主軸電動機(jī)結(jié)構(gòu)和普通感應(yīng)電動機(jī)的比較如圖6-20所示。1一交流主軸電動機(jī)2一普通感應(yīng)電動機(jī)3—冷卻通風(fēng)孔圖6-20交流主軸電動機(jī)與普通感應(yīng)電動機(jī)比較示意圖

交流主軸電動機(jī)也是由功率-速度關(guān)系曲線來反映它的性能，其特性曲線如圖6-21所示。從圖中曲線可見，交流主軸電動機(jī)的特性曲線與直流主軸電動機(jī)類似，在基本速度以下為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，而在基本速度以上為恒功率區(qū)域。但有些電動機(jī)，如圖中所示那樣，當(dāng)電動機(jī)速度超過某一定值之后，其功率-速度曲線又往下傾斜，不能保持恒功率。

對于一般主軸電動機(jī)，這個恒功率的速度范圍只有1：3的速度比。

另外，交流主軸電動機(jī)也有一定的過載能力，一般為額定值的1.2～1.5倍，過載時間則從幾分鐘到半個小時不等。2．交流主軸電動機(jī)性能圖6-21交流主軸電動機(jī)的特性曲線圖第3節(jié)直流主軸控制單元直流主軸控制系統(tǒng)的框圖如圖6-22所示。由框圖可見，主軸控制系統(tǒng)的電樞回路類似于直流速度控制系統(tǒng)，是由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，來控制直流主軸電動機(jī)的電樞電壓，進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

主回路采用反并聯(lián)可逆整流電路，因?yàn)橹鬏S電動機(jī)的容量較大，所以主回路的功率開關(guān)元件大都采用晶閘管元件；主軸直流電動機(jī)調(diào)速還包括恒功率調(diào)速，它是由框圖中上半部分的激磁控制回路完成。圖6-22直流主軸控制系統(tǒng)框圖主軸電動機(jī)為他激式電動機(jī)，激磁繞組與電樞繞組無直接關(guān)系，需要由另一直流電源供電。激磁控制回路由激磁電流設(shè)定電路、電樞電壓反饋電路、激磁電流反饋電路組成三者的輸出信號，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器、電壓／相位變換器來決定晶閘管控制極的觸發(fā)脈沖的相位，從而控制激磁繞組的電流大小，完成恒功率控制的調(diào)速。一般來說，采用主軸控制系統(tǒng)之后，只需要二級機(jī)械變速，即可滿足一般數(shù)控機(jī)床的變速要求。第4節(jié)交流主軸控制單元(一)矢量控制的概念矢量控制理論由德國的F.B1aschke等人于1971年提出。

矢量控制技術(shù)的應(yīng)用使得交流調(diào)速真正獲得了如同直流調(diào)速同樣優(yōu)良的性能。一、矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)

直流電動機(jī)：具有兩套繞組，勵磁繞組和電樞繞組，如圖6-23a所示。兩套繞組在機(jī)械上是獨(dú)立的、在空間上互差90o；兩套繞組在電氣上也是分開的，分別由不同電源供電，勵磁電流im(調(diào)節(jié)磁通Φm)和電樞電流ia。在各自回路中分別可調(diào)、可控，是一種典型的解耦控制。在勵磁電流im恒定時，直流電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T和電樞電流ia成正比，控制直流電動機(jī)的電樞電流ia，就可以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T；在電樞電流ia恒定時，直流電動機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T和勵磁電流im成正比，控制直流電動機(jī)的勵磁電流im，就可以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T；當(dāng)進(jìn)行閉環(huán)控制時，可以很方便地構(gòu)成速度、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有良好的靜、動態(tài)性能。圖6-23矢量控制原理a）直流電動機(jī)模型b)三相交流異步電動機(jī)兩相靜止與旋轉(zhuǎn)模型c)矢量控制坐標(biāo)變換異步電機(jī)：T=K×I×X

(K:常數(shù),I:電流,X:磁通)

矢量控制是把交流電動機(jī)解析成與直流電動機(jī)一樣，根據(jù)磁場及其正交的電流的乘積就是轉(zhuǎn)矩這一最基本的原理，從理論上將電動機(jī)定子側(cè)電流分解成建立磁場的勵磁分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩分量的兩個正交矢量來處理，然后分別進(jìn)行控制，故稱為矢量控制。

異步電機(jī)：T=K×I×X

(K:常數(shù),I:電流,X:磁通)異步電動機(jī)的坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)圖3/2——三相/兩相變換（clarke變換）;VR——同步旋轉(zhuǎn)變換（兩相交流變?yōu)閮上嘈D(zhuǎn)的直流--park變換）；——M軸與軸（或A軸，軸與A軸重合）的夾角3/2VR

等效直流電動機(jī)模型ABC

iAiBiCitimii異步電動機(jī)從整體上看，輸入為A，B，C三相電流，輸出為轉(zhuǎn)速，是一臺異步電機(jī)。從內(nèi)部看，經(jīng)過3/2變換和同步旋轉(zhuǎn)變換（VR），變成一臺由im和it輸入，輸出的直流電機(jī)。矢量控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖

控制器VR-12/3電流控制變頻器3/2VR等效直流電動機(jī)模型+i*mi*t

1i*i*i*Ai*Bi*CiAiBiCiiβimit~反饋信號異步電動機(jī)給定信號

在設(shè)計矢量控制系統(tǒng)時，可以認(rèn)為，在控制器后面引入的反旋轉(zhuǎn)變換器VR-1與電機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)變換環(huán)節(jié)VR抵消，2/3變換器與電機(jī)內(nèi)部的3/2變換環(huán)節(jié)抵消，如果再忽略變頻器中可能產(chǎn)生的滯后，則圖中虛線框內(nèi)的部分可以完全刪去，剩下的就是直流調(diào)速系統(tǒng)了。首先對于三相異步電動機(jī)的情況進(jìn)行以下分析：

1)定子三相繞組通過正弦對稱交流電時產(chǎn)生隨時間和空間都在變化的旋轉(zhuǎn)磁場。

2)轉(zhuǎn)子磁場和定子旋轉(zhuǎn)磁場之間不存在垂直關(guān)系。

3)籠式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子是短路的，只能在定子方面調(diào)節(jié)電流，組成定子電流的兩個成分勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流都在變化，同時存在非線性關(guān)系，因此對這兩部分電流不可能分別調(diào)節(jié)和控制。(二)矢量控制原理

異步電動機(jī)在空間上產(chǎn)生的是旋轉(zhuǎn)磁場，如果要模擬直流電動機(jī)的電樞磁場與勵磁繞組產(chǎn)生的磁場垂直，并且電樞和勵磁磁場強(qiáng)弱分別可調(diào)，可設(shè)想如圖6-23b所示的異步電動機(jī)M、T兩相繞組旋轉(zhuǎn)模型。該模型有兩個互相垂直的繞組：M繞組和T繞組，且以同步角頻率ω1在空間旋轉(zhuǎn)。M、T繞組分別通以直流電流im、it。

im在M繞組軸線方向產(chǎn)生磁場，稱im為勵磁電流，調(diào)節(jié)im大小可以調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)弱。

it

在T繞組軸線方向上產(chǎn)生磁動勢，這個磁動勢總是與磁場同步旋轉(zhuǎn)，而且總是與磁場方向垂直，調(diào)節(jié)it的大小可以在磁場不變時改變轉(zhuǎn)矩大小，稱it為轉(zhuǎn)矩電流。

im、it分屬于M、T繞組，因此分別可調(diào)、可控。可以想象，當(dāng)觀察者站到兩相電動機(jī)鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)時，在他看來就是兩個通以直流的相互垂直的固定繞組。如果取磁通位置和M軸重合，就和等效的直流電動機(jī)繞組沒有差別了，其中，M繞組相當(dāng)于勵磁繞組，T繞組相當(dāng)于電樞繞組，我們可以像控制直流電動機(jī)那樣去控制兩相旋轉(zhuǎn)的交流電動機(jī)了。由此可見，將異步電動機(jī)模擬成直流電動機(jī)相似進(jìn)行控制，就是將A、B、C靜止坐標(biāo)系表示的異步電動機(jī)矢量變換到按轉(zhuǎn)子磁通方向?yàn)榇艌龆ㄏ虿⒁酝剿俣刃D(zhuǎn)的M-T直角坐標(biāo)系上，即進(jìn)行矢量的坐標(biāo)變換?？梢宰C明，在M-T直角坐標(biāo)系上，異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是極為相似的。因此，人們可以像控制直流電動機(jī)一樣去控制異步電動機(jī)，以獲得優(yōu)越的調(diào)速性能。下面僅以三相／二相(3／2)變換為例加以討論。任何在空間按正弦形式分布的物理量都可以用空間向量表示。圖6-24表示三相繞組a、b、c與之等效的二相繞組α、β各相脈動磁勢矢量的空間位置?，F(xiàn)假定三相的a軸與等效的α軸重合，磁動勢波形是正弦分布的，且只計其基波分量。(三)坐標(biāo)變換與矢量變換圖6-24三相繞組與兩相繞組等效磁勢空間位置圖α圖6-25旋轉(zhuǎn)矢量變換圖即：矢量旋轉(zhuǎn)變換與磁動勢成正比直流矢量控制原理圖(一)矢量變換控制系統(tǒng)原理

用逆變器供電的電氣傳動系統(tǒng)的設(shè)計可以分成兩個獨(dú)立步驟：第一步:加到被控電動機(jī)上的電壓、電流等連續(xù)信號的設(shè)計;

第二步：逆變器輸出電壓(電流)的設(shè)計。逆變器輸出應(yīng)準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)第一步設(shè)計中所要求的連續(xù)信號。

二、矢量變換控制系統(tǒng)原理及控制方案交-直-交變頻電路主要有兩種，一種是電壓型的，另一種是電流型的。根據(jù)逆變器不同的特點(diǎn)，可以設(shè)計出各種類型的矢量控制系統(tǒng)。為了更好地復(fù)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)所要求的連續(xù)信號，提高系統(tǒng)的控制性能，這里采用一種非線性的設(shè)計方法---滑動模型控制法來設(shè)計定子電流控制環(huán)。利用矢量變換控制原理設(shè)計系統(tǒng)的控制外環(huán)---速度環(huán)及磁通環(huán)，由此構(gòu)成的矢量變換滑?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖6-26所示。

系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：

1)穩(wěn)態(tài)時，由于速度、電流控制器的作用，使得速度、電流、電壓等的誤差等于零，即做到無差控制；

2)動態(tài)起動過程中，使轉(zhuǎn)矩電流IT達(dá)到給定的最大限幅值，從而使異步電動機(jī)以設(shè)計的最大轉(zhuǎn)矩起動；

3)有較快的電流跟蹤能力；

4)同步轉(zhuǎn)速以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，同步轉(zhuǎn)速以上采用恒功率調(diào)速；

5)出現(xiàn)故障時，自動保護(hù)。滑?？刂疲╯lidingmodecontrol,SMC）也叫變結(jié)構(gòu)控制，其本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，且非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的