交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹

6.3.3積分調(diào)整器及百分比積分調(diào)整器1.積分調(diào)整器及控制規(guī)律∵Σ為“”地，且運(yùn)放內(nèi)阻無窮大，∴即，輸出電壓Uex為輸入電壓Uin對(duì)時(shí)間積分。τ—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=τ時(shí)，交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第1頁幾分調(diào)整器有三個(gè)主要特征：a.延緩性：電容C充放電需要時(shí)間，輸入階躍電壓后，輸出改變較遲緩，呈線性增加。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)改變前瞬時(shí)值上。當(dāng)t<τ時(shí)消失，；當(dāng)t≥τ時(shí)消失，c.疊加性：當(dāng)輸入一個(gè)階躍信號(hào)后，再輸入若干階躍信號(hào)，輸出端能把這些信號(hào)累加，上跳變相加，下跳變相減。即下列圖：UexUinUinUext0UinUin1Uin2Uin30Uext1t2t3t4Uex1Uex2Uex3Uex4Uin4t交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第2頁2.百分比積分(PI)調(diào)整器因?yàn)檫\(yùn)放內(nèi)阻無窮大∑為“”地，故，輸出電壓為：當(dāng)輸出階躍電壓信號(hào)時(shí)，有分析：PI調(diào)整器輸出電壓Uex由P、I兩部分組成，在輸出階躍信號(hào)瞬間，電容C相當(dāng)于短路，輸出相當(dāng)于一個(gè)放大系數(shù)為Kp百分比步驟，輸出電壓馬上為KpUin；之后，隨電容充電，輸出電壓開始積分，其數(shù)值不停增加，直到穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)，Uin＝0，Uex仍維持穩(wěn)定值。P調(diào)整放大作用加緊了系統(tǒng)調(diào)整過程，I調(diào)整保持疊加實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第3頁3.轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速兩個(gè)目標(biāo)：·速度指令改變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨意改變。

·速度指令不變時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。無靜差調(diào)速：穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，輸入端給定值與實(shí)測(cè)量反饋值相等，相差為0。

PI調(diào)整器輸出端輸入給定值和反饋值Un，當(dāng)二者之間差不為0時(shí)，P調(diào)整快速響應(yīng)起控制作用，I最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。PMW交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第4頁工作原理以下：1）當(dāng)PWM輸出脈沖在正半周時(shí)，經(jīng)R2C2延時(shí)后，A1輸出使T1、T4(+)，而A2

，使T2、T3(-)；當(dāng)PWM負(fù)半周時(shí)，經(jīng)R3C3延時(shí)后，A輸出,T2、T3(+)，A1

使T1、T4(-)。2）突然加了負(fù)載后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩失衡，轉(zhuǎn)速下降，使，即，△Un使PI調(diào)整器輸出Uc產(chǎn)生一個(gè)增量△Uc，該增量PWM方波占空比δ發(fā)生改變，電機(jī)轉(zhuǎn)速增加Un

＝Un*為止，電機(jī)轉(zhuǎn)速值增到加載前值，但Uc比前增加了△Uc△Uc引發(fā)PWM占空比改變，但不是用于改變n，是用于改變電樞電流ia，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩T與TL（外載）平衡。0*1-=DnnUUU交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第5頁3）當(dāng)外載負(fù)荷TL不變時(shí)，改變Un*，在突變瞬間，使PI調(diào)整器Uc發(fā)生了改變使PWM占空比發(fā)生了改變改變了電機(jī)轉(zhuǎn)速，電樞電流沒改變，當(dāng)Un*=Un時(shí)，電機(jī)達(dá)新穩(wěn)態(tài)。

問題：普通直流伺服電機(jī)，機(jī)電常數(shù)τj＝數(shù)ms～數(shù)s，故電磁時(shí)間常數(shù)τd＝(10～30)ms，個(gè)別小于1ms，τj>>τd故用一個(gè)調(diào)整器調(diào)整兩個(gè)參數(shù)n、I是困難，難以到達(dá)良好控制品質(zhì)，采取雙閉環(huán)調(diào)速方式。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第6頁4.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)ASR：速度調(diào)整器，是主調(diào)整器。

內(nèi)環(huán)工作隸屬于外環(huán)ACR：電流調(diào)整器，是輔調(diào)整器。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第7頁調(diào)整過程以下：1）突然開啟：開啟前，△Un*=0,Un=0，在突然加了Un*后瞬間，電機(jī)n=0。此時(shí)，到達(dá)最大值；因?yàn)椴扇∠薹鵓I調(diào)整器，△Un使ASR輸出i＊快速到達(dá)飽和值im，直到Un>Un*為止（即△Un為負(fù)值）。

剛開啟瞬間，電動(dòng)機(jī)電流電流反饋值i＝0，ACR輸入信號(hào)|－△

i

|=|－im*＋i|最大值，在該信號(hào)作用下，ACR輸出Uc增大PWM輸出脈寬發(fā)生改變，Ia增大，電動(dòng)機(jī)開啟。當(dāng)開啟電流到達(dá)最大值，反饋值i與給定值im*近似值相等，－△

i=0,輸出到達(dá)最大穩(wěn)定值，Ia到達(dá)最大穩(wěn)定值，T最大，給定轉(zhuǎn)速。因?yàn)殡姶懦?shù)τd>>τj(機(jī)械常數(shù))，電樞電流到達(dá)最大開啟電流時(shí)間比轉(zhuǎn)子到達(dá)給定轉(zhuǎn)速時(shí)間小許多，故開啟動(dòng)態(tài)響應(yīng)短。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第8頁2）抗負(fù)載擾動(dòng)在速度給定值Un*不變情況下，電動(dòng)機(jī)負(fù)載改變時(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|＝|－i＊＋i|增大，使ACRUc增大,PWM輸出方波占空比改變，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△Un＝0且－△

i＝0，Uc在新穩(wěn)定數(shù)值上。用來平衡改變后外載，使速度不變。3）抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)過程因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓波動(dòng)，使Ia改變，因?yàn)闄C(jī)電時(shí)間常數(shù)作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速尚無改變時(shí)，電流負(fù)反饋值i已改變使－△

i、Uc改變PWM占空比改變，從而消除電網(wǎng)電壓波動(dòng)引發(fā)Ia改變。小結(jié)：外載改變使n改變，由ASR調(diào)整起主要作用；電網(wǎng)電壓波動(dòng)，使Ia改變,ACR起主要作用。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第9頁6.4交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)直流伺服電機(jī)有顯著弱點(diǎn)——因?yàn)闄C(jī)械換向器和電存在，易磨損，易產(chǎn)生火花，降低了電機(jī)運(yùn)行可靠性，增加了維護(hù)和保養(yǎng)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)無電、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)由交流電頻率來決定。f減小，n減?。籪增加，n增加，能夠改變供電頻率方法來調(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)控制交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第10頁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)轉(zhuǎn)速公式為：(6－17)（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)定子供電電壓頻率，則能夠平滑地改變電動(dòng)機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)速。異步電機(jī)中，定子繞組反電勢(shì)為：E＝4.44fωkΦ，若忽略定子阻抗壓降，則端電壓U≈E＝4.44fωkΦ(k為感應(yīng)系數(shù))。上式說明，在感應(yīng)系數(shù)k＝c，端電壓U不變；當(dāng)頻率f，同時(shí)角速度ω升高時(shí)，氣隙磁通Φ減小，從轉(zhuǎn)距公式，T=CmΦI2cosΦ，當(dāng)Φ減小，則造成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，U＝C，當(dāng)f減小，Φ增大，會(huì)使磁路飽和，激勵(lì)電流上升，造成缺損急劇增加。所以，為使T＝C，需要保持Φ＝C，即要求變頻同時(shí)改變定子電壓U，即變頻調(diào)速關(guān)鍵問題是要取得調(diào)頻調(diào)壓交流電源。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第11頁1.變頻器定義：將電網(wǎng)供電2頻（f＝50HZ）交流電源變?yōu)檫m合用于交流電機(jī)變頻調(diào)速用電壓可變、頻率可變交流電交流裝置。變頻器可分為：交—交VVVF變頻器

交—直—交VVVF1）交—交變頻器（直接變頻器、周波變頻器）定義：直接將電網(wǎng)交流電變?yōu)殡妷汉皖l率都能夠調(diào)整交流電（VariableVoltageVariableFreqency）下列圖由兩組反并聯(lián)整流器p組和N組組成。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第12頁若p組，N組交替地向負(fù)載R供電，則在負(fù)載上取得交流電壓U0；U0幅值由兩組可控整流器控制角α決定。U0頻率由p、N整流器切換頻率來決定。因?yàn)閁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，故交流輸出頻率不能高于電網(wǎng)頻率。P組通N組通0U0t交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第13頁2）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)橹绷麟姡_關(guān)元件1、3和2、4交替對(duì)負(fù)載R供電，取得負(fù)載上交流輸電U0。U0幅值由可控硅整流裝置控制角α來決定；U頻率由開關(guān)元件切換頻率來定，不受電源頻率限制。1,3通2,4通0U0t交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第14頁3）變頻器基本組成整流器：～為交流電，整流器可采取硅整流元件組成不可控整流器，也可采取晶閘管可控整流器。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：用來緩沖直流步驟和負(fù)載之間壓力能量，電濾波電壓型，大電感濾波電流型。功率逆變器：—直流電變?yōu)椤?。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)功率元件工作狀態(tài)，使逆變器輸出預(yù)定電壓和預(yù)定頻率交流電源。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第15頁2.逆變器定義：將直流電變?yōu)榻涣麟娮兞餮b置稱功率逆變器。（反之為整流器）按功效分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)普通，異步步電動(dòng)機(jī)采取VVVF逆變器。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第16頁6.4.2SPWM波調(diào)制原理SPWM變頻器同時(shí)適合用于永磁式及感應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)，采取正弦規(guī)律脈寬調(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。1.一相SPWM波調(diào)制原理交流SPWM中，輸出電壓U0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)。各脈沖面積與正弦波下面積成百分比，脈寬基本上按正弦分布，基波是等效正弦波。調(diào)制原理以下：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。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第17頁雙極性SPWM波調(diào)制原理將右圖正弦正半周分成N等分，每一等分正弦曲線與橫軸所包圍面積都一個(gè)與此面積相等等幅矩形脈沖所代替，即N個(gè)等幅而步等寬矩形脈沖組成波形與正弦正半周等效。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第18頁任何一個(gè)平滑曲線與三角波相交時(shí)，都會(huì)得到一組等幅脈寬正比于該函數(shù)值矩形脈沖。圖中看出，幅值為Um脈寬按正弦規(guī)律改變矩形脈沖。假如這一組矩形脈沖作為逆變器多開關(guān)元件控制信號(hào)，則在逆變器輸出端取得一組類似矩形脈沖，其幅值為逆變器直流電壓

Ud，寬度按正弦規(guī)律改變。這一組矩形脈沖可用正弦波等效，正弦波負(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)，加大正弦波幅值，逆變器輸出Ud

Um不變，脈寬加大，到達(dá)調(diào)壓目標(biāo)，當(dāng)逆變器要變頻時(shí)，改變正弦波頻率亦可。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第19頁2.三相SPWM波調(diào)制在三相SPWM調(diào)制中，△波發(fā)生器Ut是共用，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°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)之間換向)。同一個(gè)橋臂上，下兩管之間相互換向逆變器為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)通區(qū)間為180°，其它相亦如此。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第20頁在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，但須注意預(yù)防同一橋臂上上下管相通，連成直流電源段路換向時(shí)，采取“先斷后通”標(biāo)準(zhǔn)。T6T5T4300～360°T5T4T3240～300°T4T3T2180～240°T3T2T1120～180°T6T2T160～120°T6T5T10～60°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)律交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第21頁120°導(dǎo)通型逆變器換向在同一不一樣橋臂左右兩管之間進(jìn)行。例：T3(－)后T5(＋)，T4(－)后T6(＋).每個(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。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第22頁3.SPWM變頻器功效

SPWM調(diào)制波經(jīng)功放后才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。功放電路以下列圖：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)接在整流器直流輸出端，以緩沖直流部分與負(fù)載之間無功功率組成電壓型變頻器，并聯(lián)大瓦數(shù)電阻，是斷電時(shí)電容釋放之用。逆變器：采取大功率晶體管組成(GTR)交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第23頁4.SPWM調(diào)制制約條件1）開關(guān)頻率功率器件開關(guān)頻率決定了調(diào)制三角波頻率。普通晶閘管開關(guān)頻率300～500HZ；大功率晶體管開關(guān)頻率：1～5KHZ；可關(guān)斷晶閘管開關(guān)頻率：1～2KHZ；功率場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)頻率：～20KHZ。絕緣柵式雙極晶體管IGBT高速開關(guān)特征好，時(shí)間0.15μs，飽電壓2.2V，是非常好功率電子器件。IGBT耐壓300V，電流達(dá)1500A。2）調(diào)制因?yàn)楣β势骷_關(guān)頻率限制，所調(diào)制脈沖波有最小脈寬與最小間隙限制，以確保脈寬大于器件導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間即滿足：

（M—調(diào)制系數(shù)；U1—正弦控制電壓峰值；Ut—三角波載波峰值電壓）交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第24頁5.SPWM同時(shí)／異步調(diào)制（N—載波比；ft—三角波載波峰值電壓；ft—正弦控制電壓峰值）為確保調(diào)制波對(duì)稱性N是3倍數(shù)，如N＝15，18，21，30，36，42，60，72，84，120，144，168等。交流伺服電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)介紹第25頁3）分段同時(shí)調(diào)制

把整個(gè)頻率范圍分成n段，結(jié)協(xié)議異步調(diào)制優(yōu)點(diǎn)，同同時(shí)各段之間N值不一樣。即fr

減小，N取大值；fr增大，N取小值。1）同時(shí)調(diào)制即載波比N=C（常數(shù)），變頻時(shí)ft

、fn同時(shí)改變。故一個(gè)正弦控制波周期內(nèi)輸出矩形脈沖數(shù)量是不變。若N是3倍數(shù)確保逆變器輸出波形正負(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改變，ft

不改變，fn

改變，在低頻段，SPWM輸出波每一個(gè)正弦控制波周期內(nèi)有較多脈沖數(shù)，fr減小，脈沖個(gè)數(shù)增大，既減小了屢次諧波電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、噪音。

優(yōu)點(diǎn)：改變了低頻工作特征；缺點(diǎn)：輸出波形改變時(shí)，引發(fā)波形不對(duì)稱性和相反改變，難確保三相輸出對(duì)稱關(guān)