数控机床——交流伺服电机.
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SPWM的调制原理与直流电机的SPWM的调制原理是相 同的，调制信号都是三角波，调制后的波形都是方波，不 同的是SPWM把正弦波调制成脉宽按正弦规律变化的方波， 用来控制交流伺服电机的速度。 在调制过程中可以是双极性调制，也可以是单极性调制。 双极性能同时调制出正半波和负半波，而单极性调制只能 调制出正半波或负半波，再将调制波倒相得到另外半波形， 然后相加得到一个完整的SPWM波。
由以上两式可见，只要改变交流伺服电机的供电频率f1， 即可改变交流伺服电机的转速，所以交流伺服电机调速应用 最多的是变频调速。 变频调速的主要环节是：为电机提供频率可变的电源变 频器。 变频器可分为： 交——交变频 交——直——交变频
交—交变频
整流器：把交流电变成固定的或可调的直流 电
交—交变频方式是利用可控硅整流器直接将工频交流电（频 率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲， 反组输出反脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的交频电 压。 这种调频方式所得的交流电波动比较大，而且最大频率即 为变频器输入的工频电压频率。
wk.baidu.com
交流伺服电机的分类与特点
在数控机床上应用的交流电机一般都为三相。
异步交流伺服电机(主轴驱动）
电磁式 同步交流伺服电机 非电磁式 磁带式 永磁式 反应式
磁带式和反应式同步电机存在效率低、功率因 数差、制造容量不大等缺点。
优点：结构简单、运行可靠、效率高； 永磁式同步电机 缺点：体积大、启动特性欠佳；
永磁式交流同步电机
结构
永磁交流同步电机主要由定子、转子和检测元件组成。 交流永磁同步电机的定子与异步电机的定子结构相似，是由 硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成。 交流永磁同步电机的转子采用永磁稀土材料制成，永磁转子 产生固定磁场。
原理和性能
当定子三相绕组通上交流电流后，产生一个以转速ns 转动的旋转磁场。转子磁场由永久磁铁产生，用另一对磁 极表示。由于磁极同性相斥，异性相吸，定子的旋转磁场 与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此， 转子也将以同步转速ns与旋转磁场一起转动。当转子加上 负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ 角，随着负载增加，θ也随之增大；负载减少时，θ角也减 少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场 以恒定的同步转速ns旋转。 若设转子转速为nr：
交流伺服电机
直流电机的缺点： · 电刷和换向器易磨损，有时产生火花； · 换向器的制作工艺复杂； · 电机的最高速度受到限制； · 结构复杂，成本较高
近年来交流电机飞速发展，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。因此，在某些 场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。
逆变器：把固定 的直流电变为固 定的或可调的交 流电
是大电容还是大电感，分为
SPWM变频器是目前使用最广、最基本的一种交-直-交电压 型变频器，也称为正弦波PWM变频器，具有输入功率因数 高和输出波型好等优点，不仅适用于永磁式交流同步电机， 也适用于感应式交流异步电机，在交流调速系统中获得广 泛应用。
SPWM控制波的生成:正弦波—三角波调制 Q：电压比较器
UR：由指令脉冲转换来的,正弦控制波。
UΔ ：三角波发生器
要获得三相SPWM脉冲宽度调制波形，则需要三个互成 1200的控制电压UA、UB、UC分别与同一三角波比较，获得 三路互成1200SPWM脉冲宽调制波U0A、U0B、U0C，如图为 三相SPWM波的调制原理图，三相控制电压UA、ＵＢ、ＵＣ 的幅值和频率都是可调的。 三角波频率为正弦波频率３倍的整数倍，所以保证了三路 脉冲调制波形U 、U 、U 与时间轴所组成的面积随时间 0A 0B 0C 的变化互成1200相位角。
nr=ns=60f1/p nr——转子转速
ns——同步转速
p——定子和转子的极对数 f1——交流电源频（定子供 电频率） θ——转子磁极轴线与定子 磁极的轴线夹角
交流主轴电机
交流主轴电机与普通感应式伺服电机的工作原理相同。有 电工学原理可知，在电机定子三相绕组通以三相交流电时， 会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应 电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动转子转 动，其转速nr为
与直流电机相比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小
与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小 因此，在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式交流同 步电机。 异步交流伺服电机与同容量的直流电机相比的优缺点： 优点：重量轻、价格便宜； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较 广的平滑调速； 相当于感应式交流异步电机，一般用在主轴驱动系统中。
交-直-交变频
先将交流电整成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波 电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。 这种调频方式所得的交流电的波动小，调频范围比较宽， 调节线性度好。 数控机床上常采用交—直—交变频调速。
交—直—交变频
中间直流电压可调PWM逆变器
中间直流电压是否可调 中间直流电压固定PWM逆变器 中间直流电路上的储能元件 电压型逆变器 电流型逆变器
SPWM变压变频器
调制原理（以单相为例） 正弦脉宽调制（SPWM） 波形:与正弦波等效的一系 列等幅不等宽的矩形脉冲 波。 等效原理：把正弦波分成 n等分，每一区间面积用 与其相等的等幅不等宽的 矩形面积代替。 正弦波的正负半周均如此 处理
SPWM波形可采用模拟电路、以调制的方法实现。 SPWM调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一 个所需要的电压信号，利用三角波电压与正弦参考电压相 比较来确定各分段矩形脉冲的宽度。
60 f1 nr ns (1 s) (1 s) p
nr——转子转速 ns——同步转速 p——定子和转子的极对数 f1——交流电源频（定子供电频率） s——转差率 s=（ns-nr）/ns
交流伺服电机的变频调速
nr ns 60 f1 / p
60 f1 nr ns (1 s) (1 s) p
由以上两式可见，只要改变交流伺服电机的供电频率f1， 即可改变交流伺服电机的转速，所以交流伺服电机调速应用 最多的是变频调速。 变频调速的主要环节是：为电机提供频率可变的电源变 频器。 变频器可分为： 交——交变频 交——直——交变频
交—交变频
整流器：把交流电变成固定的或可调的直流 电
交—交变频方式是利用可控硅整流器直接将工频交流电（频 率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲， 反组输出反脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的交频电 压。 这种调频方式所得的交流电波动比较大，而且最大频率即 为变频器输入的工频电压频率。
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交流伺服电机的分类与特点
在数控机床上应用的交流电机一般都为三相。
异步交流伺服电机(主轴驱动）
电磁式 同步交流伺服电机 非电磁式 磁带式 永磁式 反应式
磁带式和反应式同步电机存在效率低、功率因 数差、制造容量不大等缺点。
优点：结构简单、运行可靠、效率高； 永磁式同步电机 缺点：体积大、启动特性欠佳；
永磁式交流同步电机
结构
永磁交流同步电机主要由定子、转子和检测元件组成。 交流永磁同步电机的定子与异步电机的定子结构相似，是由 硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成。 交流永磁同步电机的转子采用永磁稀土材料制成，永磁转子 产生固定磁场。
原理和性能
当定子三相绕组通上交流电流后，产生一个以转速ns 转动的旋转磁场。转子磁场由永久磁铁产生，用另一对磁 极表示。由于磁极同性相斥，异性相吸，定子的旋转磁场 与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此， 转子也将以同步转速ns与旋转磁场一起转动。当转子加上 负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个θ 角，随着负载增加，θ也随之增大；负载减少时，θ角也减 少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场 以恒定的同步转速ns旋转。 若设转子转速为nr：
交流伺服电机
直流电机的缺点： · 电刷和换向器易磨损，有时产生火花； · 换向器的制作工艺复杂； · 电机的最高速度受到限制； · 结构复杂，成本较高
近年来交流电机飞速发展，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。因此，在某些 场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。
逆变器：把固定 的直流电变为固 定的或可调的交 流电
是大电容还是大电感，分为
SPWM变频器是目前使用最广、最基本的一种交-直-交电压 型变频器，也称为正弦波PWM变频器，具有输入功率因数 高和输出波型好等优点，不仅适用于永磁式交流同步电机， 也适用于感应式交流异步电机，在交流调速系统中获得广 泛应用。
SPWM控制波的生成:正弦波—三角波调制 Q：电压比较器
UR：由指令脉冲转换来的,正弦控制波。
UΔ ：三角波发生器
要获得三相SPWM脉冲宽度调制波形，则需要三个互成 1200的控制电压UA、UB、UC分别与同一三角波比较，获得 三路互成1200SPWM脉冲宽调制波U0A、U0B、U0C，如图为 三相SPWM波的调制原理图，三相控制电压UA、ＵＢ、ＵＣ 的幅值和频率都是可调的。 三角波频率为正弦波频率３倍的整数倍，所以保证了三路 脉冲调制波形U 、U 、U 与时间轴所组成的面积随时间 0A 0B 0C 的变化互成1200相位角。
nr=ns=60f1/p nr——转子转速
ns——同步转速
p——定子和转子的极对数 f1——交流电源频（定子供 电频率） θ——转子磁极轴线与定子 磁极的轴线夹角
交流主轴电机
交流主轴电机与普通感应式伺服电机的工作原理相同。有 电工学原理可知，在电机定子三相绕组通以三相交流电时， 会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应 电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动转子转 动，其转速nr为
与直流电机相比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小
与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小 因此，在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式交流同 步电机。 异步交流伺服电机与同容量的直流电机相比的优缺点： 优点：重量轻、价格便宜； 缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较 广的平滑调速； 相当于感应式交流异步电机，一般用在主轴驱动系统中。
交-直-交变频
先将交流电整成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波 电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。 这种调频方式所得的交流电的波动小，调频范围比较宽， 调节线性度好。 数控机床上常采用交—直—交变频调速。
交—直—交变频
中间直流电压可调PWM逆变器
中间直流电压是否可调 中间直流电压固定PWM逆变器 中间直流电路上的储能元件 电压型逆变器 电流型逆变器
SPWM变压变频器
调制原理（以单相为例） 正弦脉宽调制（SPWM） 波形:与正弦波等效的一系 列等幅不等宽的矩形脉冲 波。 等效原理：把正弦波分成 n等分，每一区间面积用 与其相等的等幅不等宽的 矩形面积代替。 正弦波的正负半周均如此 处理
SPWM波形可采用模拟电路、以调制的方法实现。 SPWM调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一 个所需要的电压信号，利用三角波电压与正弦参考电压相 比较来确定各分段矩形脉冲的宽度。
60 f1 nr ns (1 s) (1 s) p
nr——转子转速 ns——同步转速 p——定子和转子的极对数 f1——交流电源频（定子供电频率） s——转差率 s=（ns-nr）/ns
交流伺服电机的变频调速
nr ns 60 f1 / p
60 f1 nr ns (1 s) (1 s) p