交流伺服电动机调速系统介绍

直流伺服电机有明显的弱点——由于机械换向器和电 的存在， 易磨损，易产生火花，降低了电机运行的可靠性，增加了维护和保 养的负担。且直流伺服电机结构复杂，成本高，使用受到一定的限 制。近十多年来，直流伺服电机已被交流伺服电机所代替。交流伺 服电机无电 、结构简单、动态响应好，输出功率大，在数控机床 上广泛应用。
c.叠加性：当输入一个阶跃信号后，再输入若干阶跃信号，输出端能把这些
信号累加，上跳变相加，下跳变相减。
即下图： Uex
(U in1
t2
U in 2
t2
U in 3
t3
U in 4
t4 )
Uin Uex Uin
Uin Uex
Uin1
Uin2
t1
t2
Uin3
t4
0
t
0
t3
Uin4
t
Uex
Uex1
交流伺服电机分为 交流永磁式：用于进给 交流感应式：住轴伺服系统
由交流电的频率来决定。f 减小， n减小； f增加，n增加，可以 改变供电频率的方法来调速。
|－ △ i |=|－im*＋i| 最大值，在该信号作用下，ACR的输出Uc增大 PWM 输出的脉宽发生变化，Ia增大，电动机启动。当启动电流达到最大值，反 馈值i与给定值im*近似值相等，－ △ i= 0,输出达到最大稳定值，Ia达到最大 稳定值，T最大， 给定转速。由于电磁常数τd>>τj(机械常数)，电枢电流 达到最大启动电流时间比转子达到给定转速时间小许多，故启动动态响应
3）抗电网电压扰动过程 由于电网电压波动，使Ia变化，由于机电时间常数作用，当转速尚无变化
时，电流负反馈值i已变化 使－ △ i、Uc变化 PWM占空比变化，从而消 除电网电压波动引起Ia的变化。
小结：外载变化使n变化，由ASR调节起主要作
用；电网电压波动，使Ia变化,ACR起主要
作用。
6.4 交流伺服电动机调速系统
Uex2
Uex3
Uex4
2.比例积分(PI)调节器
由于运放内阻无穷大∑为“ ”地，i 故 URi0n
，输出电压为：
Uex
iR1
1 C
idt
R1U R0
in
1 R0C
Uindt
K
pU in
1
Uindt
当输出阶跃电压信号时，有
U ex
K pUin
t
U in dt
分析：PI调节器的输出电压Uex由P、I两部分组成，在输出阶跃信号的 瞬间，电容C相当于短路，输出相当于一个放大系数为Kp的比例环节，输 出电压立即为KpUin；之后，随 电容充电，输出电压开始积分，其数值不 断增长，直到稳态，在稳态，Uin＝0，Uex仍维持稳定值。P调节的放大作 用加快了系统的调节过程，I调节保持 叠加 实现 稳态无静差。
短。
2）抗负载扰动 在速度给定值Un*不变的情况下，电动机负载变化时，双环系统能很好维
持电动机速度不变。 外载加大时，电机Un减小, △Un =(Un *－Un )增大，|－i＊|增大。在刚加瞬
间i没变，故|－△i|＝|－i＊＋i|增大，使ACR的Uc增大,PWM输出方波的占空比 变化，Ia增大。当△ Un >0，在PI累作用下，|－i＊|增大，且大于i，－ △ i增大， Uc增大 Ia增大,电机升速直到△Un＝0且－ △ i＝0，Uc在新的稳定数值上。 用来平衡变化后的外载，使速度不变。
3.转速负反馈单闭环无静差调速系统 调速两个目的：·速度指令改变时，电机转速随意改变。
·速度指令不变时，电机转速稳定不变。 无静差调速：稳定运行时，输入端的给定值与实测量的反馈值相等，相差为0。
PMW
PI调节器输出端输入给定值U n*和反馈值Un，当两者之间差不为0时，P调节 迅速响应起控制作用，I最终消除稳态偏差。
调节过程如下：
1）突然启动：启动前，△Un* = 0,Un = 0，在突然加了Un*后的瞬间，电机的
n
=
0。此时，Un
U
* n
Un
达到最大值；由于采用的限幅的PI调节器，
△Un使
ASR的输出i＊快速达到饱和值im，直到Un >Un*为止（即△Un为负值）。
刚启动的瞬间，电动机电流电流的反馈值i＝0，ACR输入信号
6.3.3 积分调节器及比例积分调节器
1.积分调节器及控制规律
∵Σ为“ ”地，且运放的内阻无穷大，∴ i Uidt
1
Uindt
即，输出的电压Uex为输入电压Uin对时间的积分。τ—为积分时间常数；
“～”—输入输出相位相反。
当输入信号由0变到某一电压时，电容C以近似恒流方式进行充电，输出电 压与t()呈线性关系，即
U ex
Uin
t
， 当t=τ
Uex Uin
几分调节器有三个重要特性：
a.延缓性：电容C充放电需要时间，输入阶跃电压后，输出变化较缓慢，呈线 性增长。
b.保持性：当输出阶跃信号Uin =0后,输出仍保持在输入信号改变前的瞬时值
上。当t <τ时消失，
U ex
U in
t；当t≥τ时消失，
Uex Uin
问题：一般直流伺服电机，机电常数τj＝数ms～数s，故电磁时间常数 τd＝(10～30)ms，个别小于1ms， τj>>τd故用一个调节器调节两个参数 n、I是困难的，难以达到良好的控制品质，采用双闭环调速方式。
4.转速、电流双闭环调速系统
ASR：速度调节器，是主调节器。 内环工作从属于外环
ACR：电流调节器，是辅调节器。
工作原理如下：
1）当PWM输出脉冲在正半周时，经R2 C2延时后，A1输出 使T1、 T4(+)
，而A2 ，使T 2、T3(-)；当PWM负半周时，经R3 C3延时后，A输出 ,
T2、 T3(+)，A1 使T1、T4(-)。
2）突然加了负载后，电机转矩失衡，转速下降，使
Un
U
* n
，即
U n U * U n 0 ， △Un使PI调节器输出Uc产生一个增量△Uc，该增量PWM方 波占空比δ发生变化，电机转速增加 Un ＝ Un*为止，电机转速值增到加载 前的值，但Uc比前增加了△Uc
U c
K pU n
1
U n dt
△Uc引起PWM占空比的变化，但不是用于改变n，是用于改变电枢电流ia，
使电机转矩T与TL（外载）平衡。
3）当外载负荷TL不变时，改变Un*，在突变的瞬间
U n
U
* n
Un
0，使PI
调节器Uc发生了变化 使PWM占空比 发生了变化 改变了电机转速，电枢
电流没变化，当Un* = Un时，电机达新的稳态。