数控机床伺服驱动系统.ppt

第5章 数控机床的伺服驱动系统,5.1 概述 数控机床伺服驱动系统是指以机床移动部件(如工作台、动力头等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称拖动系统。在数控机床上，伺服驱动系统接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大，将其转化为机床工作台相对于切削刀具的运动。目前，这主要通过对交、直流伺服电机或步进电机等进给驱动元件的控制来实现。数控机床的伺服驱动系统作为一种实现切削刀具与工件间运动的进给驱动和执行机构，是数控机床的一个重要组成部分，它在很大程度上决定了数控机床的性能，如数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度等一系列重要指标取决于伺服驱动系统性能的优劣。因此，随着数控机床的发展，研究和开发高性能的伺服驱动系统，一直是现代数控机床研究的关键技术之一。,主要内容,7.1 概述,闭环进给伺服系统组成,主要内容,7.1 概述,数控机床对进给伺服系统的要求？高精度（输出量能复现输入量的精确程度）稳定性好（抗干扰能力）响应速度快（系统跟踪精度）电机调速范围宽（最高转速和最低转速比）低速大转矩（便于直接驱动）可靠性高(对环境的适应性),主要内容,7.1 概述,伺服系统的分类:按控制原理和有无检测反馈装置：开环、半闭环、闭环 按被控对象：进给驱动、主轴驱动；按使用的执行元件：电液、电气伺服（步进、直流、交流、直线电机）；按反馈比较控制方式分类：脉冲数字比较伺服系统，相位比较伺服系统，幅值比较伺服系统，全数字伺服系统,7.1 概述,开环数控系统,主要内容,7.1 概述,位置控制调节器,速度控制调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,电机,机械执行部件,CNC插补指令,实际位置反馈,实际速度反馈,半闭环数控系统,7.1 概述,主要内容,位置控制调节器,速度控制调节与驱动,检测与反馈单元,位置控制单元,速度控制单元,+,+,-,-,机械执行部件,CNC插补指令,实际位置反馈,实际速度反馈,闭环数控系统,7.1 概述,伺服电机是速度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用伺服电机？各自特点？直流伺服电机（良好的调速性能）交流伺服电机（调速性能接近直流，成为目前数控应用的主流产品）步进电机（适于中低速、轻载、负荷较稳定）直线电机（高速、高精度）,5.2步进电动机 1.步进电动机的结构与工作原理步进电动机按其工作原理主要可分为永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）三大类，这里只介绍常用的反应式步进电动机的工作原理。三相反应式步进电动机的工作原理如图4-12所示，其中步进电动机的定子上有6个齿，其上分别缠有U、V、W三相绕组，构成三对磁极；转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流电源供电。当U、V、W三相绕组轮流通电时，通过电磁力的吸引，步进电动机转子一步一步地旋转。,图4-12 步进电动机运动原理图,工作原理：当第一个脉冲通入A相时，磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A级对齐。当下一个脉冲通入B相时，磁通同样要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B级对齐，则转子就顺逆时针方向转动一定的角度。,假设U相绕组首先通电，则转子上、下两齿被磁场吸住，转子就停留在U相通电的位置上。然后U相断电，V相通电，则磁极U的磁场消失，磁极V产生了磁场，磁极V的磁场把离它最近的另外两齿吸引过去，停止在V相通电的位置上，这时转子逆时针转了30。随后V相断电，W相通电，根据同样的道理，转子又逆时针转了30，停止在W相通电的位置上。若再U相通电，W相断电，那么转子再逆转30。定子各相轮流通电一次，转子转一个齿。步进电动机绕组按UVWUVWU依次轮流通电，步进电动机转子就一步步地按逆时针方向旋转。反之，如果步进电动机按倒序依次使绕组通电，即UWVUWVU则步进电动机将按顺时针方向旋转。,步进电动机绕组每次通断电使转子转过的角度称之为步距角。上述分析中的步进电动机步距角为30。对于一个真实的步进电动机，为了减少每通电一次的转角，在转子和定子上开有很多定分的小齿。其中定子的三相绕组铁心间有一定角度的齿差，当U相定子小齿与转子小齿对正时，V相和W相定子上的齿则处于错开状态，如图4-13所示。真实步进电动机的工作原理与上同，只是步距角是小齿距夹角的1/3。,图4-13 三相反应式步进电动机,齿距角z：转子相邻两齿的夹角,Z：转子的齿数,转子（40齿）,2.步进电动机的通电方式 如果步进电动机绕组的每一次通断电操作(每改变一次通电方式)称为一拍。每拍中只有一相绕组通电，其余绕组断电，则这种通电方式称为单相通电方式。三相步进电动机的单相通电方式称为三相单三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电，则这种通电方式称为双相通电方式。三相步进电动机采用双相通电方式时，称为三相双三拍通电方式。如果步进电动机通电循环的各拍中交替出现单、双相通电状态，则这种通电方式称为单双相轮流通电方式。三相步进电动机采用单双相轮流通电方式时，每个通电循环中共有六拍，因而又称为三相六拍通电方式。,一般情况下，m相步进电动机可采用单相通电、双相通电或单双相轮流通电方式工作，对应的通电方式分别称为m相单m拍、m相双m拍或m相2m拍通电方式。由于采用单相通电方式工作时，步进电动机的矩频特性（输出转矩与输入脉冲频率的关系）较差，在通电换相过程中，转子状态不稳定，容易失步，因而实际应用中较少采用。图4-14是某三相反应式步进电动机在不同通电方式下工作时的矩频特性曲线。显然，采用单双相轮流通电方式可使步进电动机在各种工作频率下都具有较大的负载能力。,图4-14 不同通电方式时的矩频特性,通电方式不仅影响步进电动机的矩频特性，对步距角也有影响。一个m相步进电动机，如其转子上有z个小齿，则其步距角可通过下式计算：(4-12)式中，k是通电方式系数。当采用单相或双相通电方式时，k1；当采用单双相轮流通电方式时，k2。可见，采用单双相轮流通电方式还可使步距角减小一半。步进电机的步距角决定了系统的最小位移，步距角越小，位移的控制精度越高。如:,脉冲当量：步进电机每接受一个脉冲时，工作台走过的位移,单位为 mm/pulse,=,0.0010.0025 精密机床,0.0050.01 数控机床,0.10.15 一般机床,角脉冲当量：就是步距角(/pulse),当通过中间传动装置时，角脉冲当量为：,如下图，步进电机通过丝杠螺母副带动工作台运动时，其脉冲当量为：,Z1,Z2,设计时，先根据运动精度选定，再根据负载确定步进电机的参数，并选定丝杠的导程p,计算出传动比i后，最后设计传动齿轮的各参数等。,工作台进给速度控制:进给脉冲频率f 定子绕组通/断电状态的变化频率f 步进电动机转速 工作台的进给速度F。步进驱动系统的进给速度：F=60f(mmmin)其中：f为输入到步进电动机的脉冲频率。,3.步进电动机的使用特性（1）最大连续运行频率，步进电机连续运行时，它所能接受的，即保证不丢步运行的极限频率，称为最高工作频率。它是决定定子绕组通电状态最高变化频率的参数，它决定了步进电机的最高转速。（2）最大启动频率，空载时，步进电机由静止突然启动，并进入不丢步的正常运行所允许的最高频率，称为启动频率。若启动时频率大于启动频率，步进电机就不能正常启动。空载启动时，步进电机定子绕组通电状态变化的频率不能高于该启动频率。（3）启动矩频特性。（4）最大静转矩Tmax：在规定的通电相数下，转矩的最大值。绕组的电流越大，静转矩越大，一般取TL=（3050%）Tmax。,图4-15 启动矩频特性,当伺服系统要求步进电动机的运行频率高于最大允许启动频率时，可先按较低的频率启动，然后按一定规律逐渐加速到运行频率。图4-15给出了90BF002型步进电动机的启动矩频特性曲线。由图可见，负载转矩越大，所允许的最大启动频率越小。,图4-16 运行矩频特性,（5）运行矩频特性。图4-16是90BF002型步进电动机的运行矩频特性曲线。,(6)加减速特性。步进电机的加减速特性是描述步进电机由静止到工作频率和由工作频率到静止的加减速过程中，定子绕组通电状态的变化频率与时间的关系。当要求步进电机启动到大于启动频率的工作频率时，变化速度必须逐渐上升；同样，从最高工作频率或高于启动频率的工作频率停止时，变化速度必须逐渐下降。逐渐上升和下降的加速时间、减速时间不能过小，否则会出现失步或超步。我们用加速时间常数Ta和减速时间常数Td来描述步进电机的升速和降速特性，如图所示。,加减速特性曲线图,直流伺服电机内容分析,电机的结构与原理；,主要内容,7.3 直流伺服电机及其速度控制,根据磁场产生的方式：他励式、永磁式、并励式、串励式和复励式。在结构上：无刷、有刷（电枢式、无槽电枢式、印刷电枢式、绕线盘式和空心杯电枢式等。）根据控制方式：磁场控制方式、电枢控制方式。,5.3.1 直流伺服电机分类,7.3 直流伺服电机及其速度控制,数控机床上常用的直流电机：永磁式直流伺服电机进给驱动；小惯性直流伺服电机快速运动的伺服系统；大惯量宽调速直流电机直接驱动负载，过载能力强；无刷直流伺服电机低噪音、高真空、无干扰伺服系统；,主要内容,组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片工作原理：直流电源接在两电刷间，电流通入电枢线圈，切割磁力线，产生电磁转矩。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,5.3.2 直流伺服电机的调速原理与方法,（以他励式为例）,主要内容,7.3 直流伺服电机及其速度控制,（一定）,电枢回路电压平衡方程式,感应电势与转速关系,电磁转矩,5.3.2 直流伺服电机的调速原理与方法,原理图,等效图,转速公式：,三种调速方式:调节电阻Ra调节电枢电压Ua调节磁通,7.3 直流伺服电机及其速度控制,转速公式：,机械特性,电枢电阻调速很少采用，缺点：不经济：要得到低速，R很大，则消耗大量电能；低速，特性很软，运转稳定性很差；调节平滑性差，操作费力。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,调节电枢电压（调压调速）时，直流电机机械特性为一组平行线，只改变电机的理想转速n0，保持了原有较硬的机械特性，所以调压调速主要用于伺服进给驱动系统电机的调速,如果n值较大，不可能实现宽范围的调速。永磁式直流伺服电机的n值较小，因此，进给系统常采用永磁式直流电机。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,调节磁通（调磁调速）不但改变了电机的理想转速，而且使直流电机机械特性变软，所以调磁调速主要用于机床主轴电机调速。,7.3 直流伺服电机及其速度控制,主要内容,为调节电机转速和方向，需对直流电压的大小和方向进行控制，如何控制？直流伺服电机速度控制单元的作用：将转速指令信号转换成电枢的电压值，达到速度调节的目的。直流电机速度控制单元常采用的调速方法：晶闸管（可控硅）调速系统适用于大功率场合 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统,7.3 直流伺服电机及其速度控制,5.3.3 直流伺服电机速度控制单元的调速控制方式,交流伺服电机及其调速系统内容分析,电机结构、原理、类型；交流主轴电机的变频调速；,主要内容,交流伺服电机克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点。随着交流伺服控制技术的发展，交流电机性能已接近直流伺服电机，并逐渐取代直流伺服电机。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,交流伺服电机结构外形,7.4.1 交流伺服电机的分类与特点,主要内容,数控机床上应用的交流电机一般都为三相。分：异步型、同步型交流伺服电机。同步型交流电机分：电磁式、非电磁式两大类。非电磁式同步型交流电机有：磁滞式、永磁式和反应式等。数控机床进给驱动系统：多数采用永磁式交流同步电机数控机床主轴驱动系统：采用异步交流伺服电机,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,交流伺服电机的分类：,1永磁式交流同步电机结构：由定子、转子和检测元件组成,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,永磁式交流同步电机：工作原理和性能,nrns60f1p ns同步转速 转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角nr转子旋转转速f1交流电源频率（定子供电频率）p定子和转子的极对数,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,2交流主轴电机 感应电机原理定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，转速nr为,ns同步转速f1交流电源频率（定子供电频率）s转差率，s=(nsnr)/nsp极对数,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,主要内容,nrns60f1p 同步电机 异步电机 只要改变交流伺服电机的供电频率f1，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。,7.4 交流伺服电机及其速度控制系统,7.4.2 交流伺服电机的变频调速,恒压频变频调速,U1E14.444f1N1K1 m定子绕组电压平衡方程当U1和f1为额定值时，m达到饱和状态，以额定值为界线，分为 基频以下调速恒压频调速当m 处在饱和值不变时，降低f1，必须减小U1,保持m为常数，否则将使定子铁心处在过饱和供电状态，会烧坏电机；在基频以下调速，保持m不变，即保持绕组电流不变，转矩不变，为恒转矩调速。f1较低时，需适当提高U1，以补偿定子绕组压降。基频以上调速在基频以上调速时，频率从额定值向上升高，受电机耐压的影响，相电压不能升高，只能保持额定电流值；在电机定子内，因供电的频率升高，使感抗增加，相电流降低，使磁通m减小，因而输出转矩也减小，但因转速升高而使输出的功率保持不变，这时为恒功率调速。,1.直流伺服电动机的分类 直流伺服电动机按励磁方式可分为电磁式和永磁式两种。2.直流伺服电动机的基本结构及工作原理 直流伺服电动机主要由磁极、电枢、电刷及换向片组成，如图4-3所示。,图4-3 直流伺服电动机基本结构,5.3直流伺服电动机,图4-4 电枢等效电路,3.直流伺服电动机的特性分析 直流伺服电动机采用电枢电压控制时的电枢等效电路如图4-4所示。,当电动机处于稳态运行时，回路中的电流Ia保持不变，则电枢回路中的电压平衡方程式为 Ea=Ua-IaRa 式中，Ea是电枢反电动势；Ua是电枢电压；Ia是电枢电流；Ra是电枢电阻。转子在磁场中以角速度切割磁力线时，电枢反电动势Ea与角速度之间存在如下关系：式中，Ce是电动势常数，仅与电动机结构有关；是定子磁场中每极的气隙磁通量。,(4-2),(4-1),由式（4-1）、式（4-2）得Ua-IaRa=Ce（4-3）此外，电枢电流切割磁场磁力线所产生的电磁力，该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩Tm，可由下式表达：式中，Cm是转矩常数，仅与电动机结构有关，制造好的直流电机其电磁转矩与电枢电流成正比。,(4-4),将式（4-4）代入式（4-3）并整理，可得到直流伺服电动机运行特性的一般表达式由此可以得出空载（Tm0，转子惯量忽略不计）和电机启动（0）时的电机特性：（1）当Tm0时，有,(4-5),(4-6),（2）当0时，有 式中，Td称为启动瞬时转矩，其值也与电枢电压成正比。如果把角速度看作是电磁转矩Tm的函数，即=f(Tm)，则可得到直流伺服电动机的机械特性表达式为 式中，0是常数，。,(4-7),(4-8),如果把角速度看作是电枢电压Ua的函数，即=f(Ua)，则可得到直流伺服电动机的调节特性表达式式中，k 是常数，。根据式(4-8)和式(4-9)，给定不同的Ua值和Tm值，可分别绘出直流伺服电动机的机械特性曲线和调节特性曲线如图4-5、图4-6所示。,(4-9),图4-5 直流伺服电机机械特性,图4-6 直流伺服电动机调节特性,由图4-5可见，直流伺服电动机的机械特性是一组斜率相同的直线簇。每条机械特性和一种电枢电压相对应，与轴的交点是该电枢电压下的理想空载角速度，与Tm轴的交点则是该电枢电压下的启动转矩。由图4-6可见，直流伺服电动机的调节特性也是一组斜率相同的直线簇。每条调节特性和一种电磁转矩相对应，与Ua轴的交点是启动时的电枢电压。从图中还可看出，调节特性的斜率为正，说明在一定的负载下，电动机转速随电枢电压的增加而增加；而机械特性的斜率为负，说明在电枢电压不变时，电动机转速随负载转矩增加而降低。,4.影响直流伺服电动机特性的因素上述对直流伺服电动机特性的分析是在理想条件下进行的，实际上电动机的驱动电路、电动机内部的摩擦及负载的变动等因素都对直流伺服电动机的特性有着不容忽略的影响。1）驱动电路对机械特性的影响;直流伺服电动机是由驱动电路供电的，假设驱动电路的内阻是Ri，加在电枢绕组两端的控制电压是Uc，则可画出如图6-7所示的电枢等效回路。在这个电枢等效回路中，电压平衡方程式为Ea=Uc-Ia(Ra+Ri)(4-10),图4-7 含驱动电路的电枢等效回路,于是在考虑了驱动电路的影响后，(4-9)直流伺服电动机的机械特性表达式变成 将式(4-11)与式(4-8)比较可以发现，由于驱动电路内阻Ri的存在而使机械特性曲线变陡了，图4-8给出了驱动电路内阻影响下的机械特性。,(4-11),图4-8 驱动电路内阻对机械特性的影响,如果直流伺服电动机的机械特性较平缓，则当负载转矩变化时，相应的转速变化较小，这时称直流伺服电动机的机械特性较硬。反之，如果机械特性较陡，当负载转矩变化时，相应的转速变化就较大，则称其机械特性较软。显然，机械特性越硬，电动机的负载能力越强；机械特性越软，负载能力越低。毫无疑问，对直流伺服电动机应用来说，其机械特性越硬越好。由图4-8可知，由于功放电路内阻的存在而使电动机的机械特性变软了，这种影响是不利的，因而在设计直流伺服电动机功放电路时，应设法减小其内阻。,2）直流伺服电动机内部的摩擦对调节特性的影响由图4-6可知，直流伺服电动机在理想空载时（即Tm1=0），其调节特性曲线从原点开始。但实际上直流伺服电动机内部存在摩擦（如转子与轴承间的摩擦等），直流伺服电动机在启动时需要克服一定的摩擦转矩，因此启动时电枢电压不可能为零。这个不为零的电压称为启动电压，用Ub表示，如图4-9所示。,图4-9 摩擦及负载变动对调节特性的影响,3）负载变化对调节特性的影响 由式（4-5）知，在负载转矩TL不变的条件下，直流伺服电动机角速度与电枢电压成线性关系。但在实际伺服系统中，经常会遇到负载随转速变动的情况，如粘性摩擦阻力是随转速增加而增加的，数控机床切削加工过程中的切削力也是随进给速度变化而变化的。这时由于负载的变动将导致调节特性的非线性，如图4-9所示。可见，由于负载变动的影响，当电枢电压Ua增加时，直流伺服电动机角速度的变化率越来越小，这一点在变负载控制时应格外注意。,5.直流伺服系统 由于伺服控制系统的速度和位移都有较高的精度要求，因而直流伺服电动机通常以闭环或半闭环控制方式应用于伺服系统中。直流伺服系统的闭环控制是针对伺服系统的最后输出结果进行检测和修正的伺服控制方法，而半闭环控制是针对伺服系统的中间环节（如电动机的输出速度或角位移等）进行监控和调节的控制方法。它们都对系统输出进行实时检测和反馈，并根据偏差对系统实施控制。两者的区别仅在于传感器检测信号的位置不同，由此导致设计、制造的难易程度不同，工作性能不同，但两者的设计与分析方法基本上是一致的。闭环和半闭环控制的位置伺服系统的结构原理分别如图4-10、图4-11所示。,图4-10半闭环伺服系统结构原理图,图4-11 闭环伺服系统结构原理图,4.2.3 直流电动机的起动、调速和制动,一、直流电动机的起动 1、对起动性能的要求：启动转矩Tst足够大 Ist尽量小（小于允许值）2、起动方法 直接起动直接将电枢投入UN起动 电枢回路串变阻器起动起动时在电枢回路串入起动电阻Rst 降压起动起动降低电枢绕组电压 UUN,二、直流电动机的调速 1对调速性能的要求：（1）调速范围大（2）调速平滑（3）经济性好（4）方法简便可靠 2调速方法 因为 所以（1）改变电枢回路串电阻R（2）改变励磁电流 If（励磁回路串电阻，减弱磁通调速）（3）改变电枢电压U,三、直流电动机的制动 一般保持原磁场大小，方向不变。制动的方法：1、能耗制动：电机处于发电机状态运行，将电能消耗在制动电阻的发热上。2、反接制动：通过电枢电源反接，使电源电压与电动势顺向串联，共同产生很大的反向电流，从而产生强烈的制动效果。3、回馈制动：运行中的电动机，实际转速超过原空载转速，使电机处于发电机状态下运行，将发出的电能反送回电网，并产生制动转矩。,四、直流电动机的动态特性,1、。2、。3、。,Ua=Ea+RaIa(t)+Ladi(t)/dt,5.4 交流伺服(控制)电动机 1.异步型交流电动机三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120，三相交流电源的相与相之间的电压在相位上也相差120。当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，旋转磁场的转速为（4-13）式中,f1为定子供电频率;p为定子线圈的磁极对数;n1为定子转速磁场的同步转速。,异步电动机的转速方程为 式中,n为电动机转速；s为转差率。,（4-14）,2.同步型交流电动机 同步交流电动机的转速用下式表达：式中,f1为定子供电频率；p为定子线圈的磁极对数；n为转子转速。,(4-15),3.交流电动机变频调速的控制方案 变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。优点:与传统的交流拖动系统相比，利用变频器对交流电动机进行调速控制的交流拖动系统有许多优点，如节能、容易实现对现有电动机的调速控制、可以实现大范围内的连续调速控制、容易实现电动机的正反转切换、可以进行高频度的起停运转、可以进行电气制动、可以对电动机进行高速驱动、可以适应各种工作环境、可以用一台变频器对多台电动机进行调速控制、电源功率因数大、所需电源容量小、可以组成高性能的控制系统等等。,分类：如按变换环节分类：交-交变频器、交-直-交变频器。这里只讨论交-直-交变频器，交直交变频器又分为两种，其区别在整流器上，即可控整流器和不可控整流。按脉冲调制方式分类：PAM（脉冲幅度调制）变频器输出电压的大小通过改变直流电压的幅值进行调压的方式；PWM（脉冲宽度调制）变频器输出电压的大小通过改变输出脉冲的占空比进行调制。按输入电源相数分类：三进三出变频器和单进三出变频器,图4-25 开环异步电动机变频调速,根据生产的要求、变频器的特点和电动机的种类，会出现多种多样的变频调速控制方案，）开环控制 开环控制的通用变频器三相异步电动机变频调速系统控制框图如图4-25所示，一般为风机、水泵用变频控制、在转速精度及动态性能方面要求不高的负载。,图4-26 矢量控制变频器的异步电动机变频调速,2）无速度传感器的矢量控制 无速度传感器的矢量控制变频器异步电动机变频调速系统控制框图如图4-26所示。对于低速时要求有较硬的机械特性，并要求有一定的调速精度，在动态性能方面无较高要求的负载，可选用不带速度反馈的矢量控制型的变频器。,至矢量,图4-27 异步电动机闭环控制变频调速,3）带速度传感器的矢量控制 带速度传感器的矢量控制变频器异步电动机闭环变频调速系统控制框图如图4-27所示。对于某些对调速精度及动态性能方面都有较高要求，以及要求高精度同步运行的负载，可选用带速度反馈的矢量控制型的变频器。,图4-28 永磁同步电动机开环控制变频调速,4）永磁同步电动机开环控制永磁同步电动机开环控制的变频调速系统控制框图如图4-28所示。,变频技术的应用,4.2.5 变流技术 包括晶闸管在内的电力电子器件是变流技术的核心。近年来，随着电力电子器件的发展，变流技术得到了突飞猛进的发展，特别是在交流调速应用方面获得了极大的成就。变流技术按其功能应用可分成下列几种变流器类型：整流器把交流电变为固定的（或可调的）直流电。逆变器把固定直流电变成固定的（或可调的）交流电。斩波器把固定的直流电压变成可调的直流电压。交流调压器把固定的交流电压变成可调的交流电压。周波变流器把固定的交流电压和频率变成可调的交流电压和频率。,1.整流器 整流过程是将交流信号转换为直流信号的过程，一般可通过二极管或开关器件组成的桥式电路来实现。图4-29所示为单相交流信号可控硅桥式整流电路。,图4-29单相交流可控硅桥式整流电路(a）整流电路；(b）波形图,图4-31(a)中的开关器件V是可控硅（或GTR等），具有正向触发控制导通和反向自关断功能。ug是控制引脚，按图4-31(b)中的波形输入控制信号，图4-31(b)中的ud就是加载在电阻负载R上的整流电压波形。通过调整控制信号的相位角就可以实现输出直流电压的调节。若将开关器件V换成二极管，则该电路变成了不可调压的整流电路。,2.斩波器图4-30所示为脉宽调速PWM原理示意图，所使用的即为斩波器。图4-30中的二极管是续流二极管，当S断开时，由于电枢电感的存在，电动机的电枢电流可通过它形成续流回路。图4-31是直流伺服电机PWM调速和实现正、反转控制的应用举例，图4-32是双极式H型可逆器的电压、电流波形。图4-31所示电路由四个大功率晶体管组成，其作用是对电压脉宽变换器输出的信号Us进行放大，输出具有足够功率的信号，以驱动直流伺服电动机。,图4-30脉宽调速原理示意图(a）原理图；(b）加载在电机电枢上的电压波形,如图4-30(b)所示。电枢两端的平均电压为 式中,=/T=Ud/U(01),为导通率（或称占空）。,（4-17）,图4-31 H型桥式PWM晶体管功率放大器,图4-32 双极式H型可逆器的电压、电流波形的电路原理图,（1）当UAB0时，Us的正、负脉宽相等，直流分量为零，V1和V4的导通时间与V2和V3的导通时间相等，流过电枢绕组中的平均电流等于零，电动机不转。但在交流分量作用下，电动机在停止位置处微振，这种微振有动力润滑作用，可消除电动机启动时的静摩擦，减小启动电压。（2）当UAB0时，Us的正脉宽大于负脉宽，直流分量大于零，V1和V4的导通时间长于V2和V3的导通时间，流过绕组中的电流平均值大于零，电动机正转，且随着U1增加，转速增加。（3）当UAB0时，Us的直流分量小于零，电枢绕组中的电流平均值也小于零，电动机反转，且反转转速随着U1减小而增加。电机的时间常数一定要远大于脉冲周期。,图4-35 考虑开通延时的基极脉冲电压信号,3.逆变器 1）半桥逆变电路半桥逆变电路原理如图4-37(a)所示，它有两个导电臂，每个导电臂由一个可控元件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的连结点为直流电源的中点。,图4-37 半桥逆变电路及其波形图,图4-38 负载换相全桥逆变电路及波形,2）负载换相全桥逆变电路 图4-38(a)是全桥逆变电路应用的实例。电路的工作波形如图4-38(b)所示。,检测交流伺服电动机（SM型/IM型）气隙磁场的大小和方向，用电力电子转化器代替整流子和电刷，通过控制与气隙磁场方向相同的磁化电流和与与气隙磁场方向相垂直的等效电流的方法，最终控制交流伺服电动机主磁通量大小和转矩，实现对电机的有效控制，简称矢量控制方法。,永磁同步型（SM）转子由永磁构成，不需磁化控制电流，只需检测磁铁转子位置和定子绕组磁通矢量控制电流，实现对电机主磁通矢量电流的控制，从而获得对电机的速度和位置控制。,永磁同步（SM）型伺服电动机控制框图,CONV.整流器；SM同步电机；INV.变换器；PS磁极位置检测器；REF速度基准；IGF电流函数发生器；SC速度放大器；CC电流放大器；RD速度变换器；PWM脉宽调制器；P.B.U再生电力吸收电路。,感应（IM）型伺服电动机控制框图,CONV.整流器；SM同步电机；INV.变换器；PS磁极位置检测器；REF速度基准；IGF电流函数发生器；SC速度放大器；CC电流放大器；RD速度变换器；PWM脉宽调制器；P.B.U再生电力吸收电路。,返回,