数控机床——交流伺服电机 PPT课件
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交流伺服电机的变频调速
nr ns 60 f1 / p
nr
ns (1
s)
60 f1 p
(1
s)
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
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
nr
ns (1
s)
60 f1 p
(1 s)
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
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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
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中间直流电压可调PWM逆变 器
中间直流电压是否可调
中间直流电压固定逆PW 变器M：逆把固变定
器
的直流电变为固
定的或可调的交
流电
中间直流电路上的储能元件 电压型逆变器
S是PW大M电变容频还器是是大目电前感使，用分最为广、最基本的一种交-直-交电 压型变频器，也称为正弦波PWM变电频流器型，逆具变有器输入功率因 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波形可采用模拟电路、以调制的方法实现。 SPWM调制是Байду номын сангаас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。
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。
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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
磁带式
非电磁式 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。
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优点：结构简单、运行可靠、效率高； 永磁式同步电机
交流伺服电机
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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。
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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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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，
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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：
缺点：体积大、启动特性欠佳； 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。
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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。
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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。
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交—直—交变频
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。
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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
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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。
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交流伺服电机的变频调速
nr ns 60 f1 / p
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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
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
nr
ns (1
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(1 s)
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
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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
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中间直流电压可调PWM逆变 器
中间直流电压是否可调
中间直流电压固定逆PW 变器M：逆把固变定
器
的直流电变为固
定的或可调的交
流电
中间直流电路上的储能元件 电压型逆变器
S是PW大M电变容频还器是是大目电前感使，用分最为广、最基本的一种交-直-交电 压型变频器，也称为正弦波PWM变电频流器型，逆具变有器输入功率因 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波形可采用模拟电路、以调制的方法实现。 SPWM调制是Байду номын сангаас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。
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。
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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
磁带式
非电磁式 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。
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优点：结构简单、运行可靠、效率高； 永磁式同步电机
交流伺服电机
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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。
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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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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，
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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：
缺点：体积大、启动特性欠佳； 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。
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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。
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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。
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交—直—交变频
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。
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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
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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。
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