交流电动机驱动及其控制

机电一体化导论
第5章 伺服控制系统设计
思考题
5-1 试叙述伺服系统的含义。伺服系统的基本要 求是什么？
5-2 试比较开环、半闭环和闭环伺服系统的优缺
点。 5-3 分析步进式伺服系统、直流伺服系统和交流 伺服系统各自的特点及其应用场合。
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第5章 伺服控制系统设计
5-4 在步进式伺服系统中，是如何实现速度的方 向和大小控制的? 5-5 5-6 试分析直流电机PWM驱动电路的工作原理。 试分析交－直－交变频调速中SPWM逆变器
第5章 伺服控制系统设计
5.4 交流电动机驱动及其控制
5.4.1 交流伺服电机特点及其调速方法
5.4.2 变频器调速装置（VFD）
5.4.3 交流伺Biblioteka Baidu系统组成 5.4.4 交流伺服电机的矢量控制及应用实例
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第5章 伺服控制系统设计 5.4.1 交流伺服电机特点及其调速方法 直流伺服电机具有电刷和整流子，尺寸较大且必须 经常维修，使用环境也受到一定影响，特别是其容量较 小，受换向器限制，很多特性参数随速度而变化，因而 限制了直流伺服电机向高转速、大容量发展。
Ud 2 O U d 2
t
t
u WN Ud 2 O Ud 2 u UV
t
Ud O －Ud u UN O
2U d U d 3 3
t
图5-41 三相SPWM逆变电路波形图(b)
t
(b)
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第5章 伺服控制系统设计 5.4.3 交流伺服系统组成 交流伺服系统由伺服电机和伺服驱动器两部分
Ud 2
V1 C
N
VD1 U
V3
VD3 V
V5
VD5
W VD4 V2 VD2
Ud 2
C
V4
VD2
V6
u rU u rV u rW uc
调制 电路 (a)
图5-41 三相SPWM逆变电路图(a)
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u O
t
u UN
Ud 2 O U d 2 u VN
第5章 伺服控制系统设计 二.脉宽调制方法（PWD） 逆变器是变频调速系统的核心。图5-37为三相桥 式逆变器的原理电路图，它采用电力晶体管GTR作开 关元件(也可以用其他开关元件)。 负载为三相对称电阻负载。由各开关管的基极驱 动信号分别整制各开关管的通断。基极驱动信号在电 路中一般常以载频信号uc与参考信号ur相比较产生，这 里uc采用单极性等腰三角形波形，而ur采用直流电压。 在uc和ur波形相交处发出调制信号，部分脉冲调制波形 如图5-38所示，那是经过三相对称倒相后a、b两点的 相位波形， uoo’和相电压uao’的脉冲列波形。
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第5章 伺服控制系统设计 交流电机的转速公式：
60 f n (1 s ) p n0 n s n0
式中，f－定子电源频率，s－转差率；p－极对数，n0－
同步转速。 根据上式，可得到不同的交流电机调速的方法：
(1)转子绕组串联电阻改变转差率，这种方法调速
机械特性很软，低速运行时电阻损耗很大。
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第5章 伺服控制系统设计 需要运动和位置控制场合的是同步型交流伺服电机。 这种伺服电机通常具有永磁的转子，故称为永磁交流 伺服电机，以区别于有笼型转子的异步型交流伺服电 机。在这里主要讨论永磁交流伺服系统。 现代永磁交流伺服系统中所采用的永磁同步电机 经特殊设计，同轴安装有转子位置传感器、速度传感 器，根据需要还可以安装安全制动器和强迫冷却的风 机等。 永磁交流伺服驱动系统按照其工作原理、驱动电 流波形和控制方式的不同，又可分为两种伺服系统； 矩形波电流驱动的永磁交流伺服系统和正弦波驱动的 永磁交流伺服系统。其原理分别如图5-42和5-43所示。
SPWM。 如图5-39所示，为单相单极性SPWM控制方式原 理图。正弦波参考信号ur（也称调制信号）的正半周由 三角波uc （也称载波信号）划分为K份，每一份的正弦 曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的
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第5章 伺服控制系统设计 等高矩形脉冲的面积所代替，这样由K个等幅而不等 宽的矩形脉冲所组成的波形uo与正弦波的正半周等效。
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第5章 伺服控制系统设计 实现输出频率的调节。显然，同时改变三角波的频率 和参考直流信号电压ur的大小、就可以使逆变器在输出
变频的同时相应地改变电压的大小。
如果取正弦波作为参考信号ur，它与三角波相比 较后可得到矩形波，这是一组宽度按正弦规律变化的
矩形脉冲，这种调制方式称为正弦波脉宽调制，简称
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第5章 伺服控制系统设计
图5-37 三相桥式逆变器的原理电路图(a)
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V1 Ud V2
VD1 R uo VD2 L
V3
VD3
V4
VD4
ur 信号波 u 载波 c
调制 电路
图5-37 三相桥式逆变器的原理电路图(b)
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正弦波调制信号的负半周也可用相同的方法来等效。
工程上获得SPWM调制波的方法是根据三角波与 正弦波的相交点来确定逆变器功率开关的工作时间的。
调节正弦波的频率或者幅位使可以相应地改变逆变器
输出电压基波的频率或幅值。 如图5-40所示，为单相双极性SPWM控制方式原 理图。在PWM型逆变电路中，使用最多的是图5-41所 示的三相桥式逆变电路，其控制方式一般都采用双极 性方式。
图5-38
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第5章 伺服控制系统设计 在图示的波形中，输出电压一个周期内有12个等 腰三角形。输出波形正负半周对称，主回路中的6个开 关元件都是半周工作，通断6次输出6个等幅、等宽、 等距的脉冲列，另半周总处于截止状态。这6个开关元 件是以VT1～VT6的顺序轮流工作的。 输出的电压波形每半个周期出现6个等宽、等距脉 冲，中间2个脉幅高(等于2U/3)，两边4个脉幅低(等于 U/3)，正负半周对称。 从波形图可以清楚地看出：当三角形波幅值一定， 改变参考直流信号ur的大小，输出脉冲的宽度即随之改 变，从而改变输出的交流电压大小。当改变载频三角 波的频率而保持每周输出脉冲数不变时，就可以
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整流
逆变 负 载
～
图5-36 交—直—交变频电路结构图(a)
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第5章 伺服控制系统设计
图5-36 交—直—交变频电路结构图(b)
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第5章 伺服控制系统设计
R0 ～ V0 M 3～
图5-36 交—直—交变频电路结构图(c)
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第5章 伺服控制系统设计 (2)改变定子电压来改变转差率，这种方法损耗也 很大。 (3)改变极对数来改变转速，这种方法调速是有级 的，而且调速范围窄。 (4)改变定子供电频率，可以平滑地改变电机的同 步转速，这种方法最为理想，称又交流变频调速，其 装置叫变频器调速装置(VFD)。 目前高性能的交流调速系统大都采用变频调速方 法来改变电机转速。为了保持在调速时电机的最大转 矩不变，需要维持磁通恒定，这时就需要定子供电电 压做相应调节。因此，对交流电机供电的变频器一般 都要求兼有调频调压两种功能。
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第5章 伺服控制系统设计
图5-42 矩形波交流伺服驱动器原理图
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第5章 伺服控制系统设计
图5-43 正弦故交流伺服驱动器原理图
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第5章 伺服控制系统设计 5.4.4 交流伺服电机的矢量控制及应用实例
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第5章 伺服控制系统设计
5.5 直线电动机驱动及其控制
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第5章 伺服控制系统设计 5.4.2 变频器调速装置（VFD） 一.晶闸管变频器的工作原理
图5-36所示为交－直－交变频器的主电路，它由
整流器、中间滤波环节及逆变器三部分组成。整流器 为晶闸管三相桥式电路，它的作用是将恒压恒频交流 电变换为直流电，然后再用作逆变器的直流供电电源。 逆变器也是晶闸管三相桥式电路，但它的作用与整流 器相反，它是将直流电变换调制为可调频率的交流电， 是变频器的主要组成部分。中间滤波环节由电容器、 电抗器组成，它的作用是对整流后的电压或电流进行 滤波。
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u uc ur
O
t
uo Ud
uo u of
O
t
图5-39 单相单极性SPWM控制方式原理
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u ur uc
O
t
uo Ud
u of
uo
O
t
－Ud
图5-40 单相双极性PWM控制方式原理
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的工作原理。
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第5章 伺服控制系统设计 精密磁极形状的永久磁铁，因而可实现高转矩／惯量 比，动态响应好，运行平稳。因此交流伺服电机以其 高性能、大容量日益受到广泛的重视和应用。 但是交流电机的控制性能没有直流电机的好，也 正是由于这一点，交流伺服系统的发展历史没有直流 伺服系统早，在过去较长的一段时间远没有直流伺服 系统应用广泛。 随着电子学和电子技术的发展，特别是集成电路 和计算机控制技术的发展，交流伺服的发展极为迅速， 已进入与直流伺服相媲美、相竞争的时代，并有取而 代之的趋势。
组成。电机主体是永磁同步式或笼型交流电机，伺服
驱动器通常采用电流型脉宽调制(PWM)三相逆变器和 具有电流环为内环、速度环为外环的多环闭环控制系
统，其外特性与直流伺服系统相似，以足够宽的调速
范围(1：1000～1：10000)和4象限工作能力来保证它在 伺服控制中应用。目前常按电机类型将交流伺服系统 分为两大类：一类是同步型交流伺服系统(SM)，另一 类是异步型交流伺服系统(IM)。绝大多数用于机床数 控进给驱动控制、工业机器人关节驱动控制和其他
交流伺服电机采用了全封闭无刷结构，以适应实 际生产环境，不需要定期检查和维修。其定子省去了铸 件壳体，结构紧凑、外形小、重量轻(只有同类直流电 机的75％～90％)。定子铁芯较一般电机开槽多且深， 绕组绕在定子铁芯上，绝缘可靠，磁场均匀。可对定子 铁芯直接冷却，散热效果好，因而传给机械部分的热量 小，提高了整个系统的可靠性。转子采用具有