数控机床主轴电气控制
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交流电机控制算法生成，外部信号接 收处理及保护
主要构成器件 整流桥
IGBT 单管IGBT 和制动电阻, 大功率制动单元外置 限流电阻和接触器
电解电容和均压电阻
MCU(单片机）
DSP(或两个MCU）
类别
散热器 结 构 温度传感器 件
风扇
作用 将整流桥、逆变器产生的热量散发出去
检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下 配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇 （24V)和交流风扇两种
种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内 双极性控制方式
如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连 续变化，则SPWM波也是在正负之间变化
Page 23
SPWM调制方式
1.同步调制：在改变fr的同时成正比地改变f1，使载波比N=常数，
这就是同步调制。
2.异步调制：为了消除同步调制的缺点，在异步调制中，在变频
～
整流部分
ห้องสมุดไป่ตู้
储能环节
逆变部分
M
交流
直流
直流
交流
控制系统
整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波
逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦
类别 整流部分1
逆变部分2
主
回
制动部分 3/4
路
上电缓冲6
储能部分5
直接控制与矢量控制的较
变频器接口
控制回路接口 开关量输入 开关量输出 编码器接口
SPWM
正弦脉宽调制原理 所谓正弦脉宽调制 （SPWM）波形，就是与 正弦波等效的呈两边窄中 间宽的一系列等幅不等宽 的矩形脉冲波形。 等效的原则是每一区间的 面积相等。
因而这个序列的矩形波 与期望的正弦波等效。
这种调制方法称作正 弦波脉宽调制 （Sinusoidal pulse width modulation，简称 SPWM），这种序列的矩 形波称作SPWM波。
器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变调制波频率 fr时保持三角载波频率f1不变，因而提高了低频时的载波比。
3.分段同步调制：将同步调制和异步调制结合起来，成为分段
同步调制方式。
Page 24
三菱变频器FR-A740
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三菱变频器FR-A740
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| s* || s | =1 | s* || s | =0
| Te* || Te | =1
| Te* || Te | =-1
（增加磁链） （减小磁链） （增加转矩） （减小转矩）
电磁转矩模型
Te p(1i1 1i1)
定子磁链模型
在 坐标下写出如下关系式
1 (u1 R1i1)dt 1 (u1 R1i1)dt
u
0
?t
(a) 正弦波波形
u
0
?t
(b) 等效SPWM波形
图 与正弦波等效的等幅不 等宽的矩形脉冲波形
LOGO
VT1
VT3
VT5
Us/2
O’
VT4
VT6
VT2
Us/2
图 SPWM变压变频器主电路原理图
U
VM
3~
W
SPWM控制方式
单极性控制方式 如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一
转差
相位
频率 计算
fS
fr
计算
励磁电流 id 转矩电流 iq
三相电压指令
vu *
直流／交流
vv*
二相／三相
变换
vw*
三相／二相 交流／直流
变换
电机电流
iu iv
iw
电机频率
直接转矩控制的特点
➢控制思想简单 ➢控制系统简洁明了 ➢动、静态性能优良
在转矩公式中， 为定子磁链和转子磁链 之间的夹角，称为磁通角。在控制过程 中，为了充分利用铁心，应保持定子磁 链的幅值为额定值，而转子磁链是由负 载决定的，不能突变，因此要改变转矩 的大小，可以通过改变磁通角来实现。
变频器工作原理
各国使用的交流供电电源，无论是用 于家庭还是用于工厂，其电压和频率均 200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz （50Hz）。通常，把电压和频率固定不变 的交流电变换为电压或频率可变的交流电 的装置称作“变频器”。为了产生可变的 电压和频率，该设备首先要把三相或单相 交流电变换为直流电（DC）。然后再把直 流电（DC）变换为三相或单相交流电 （AC），我们把实现这种转换的装置称为 “变频器”（inverter）。
开关是互补动作的，则定子各相电压对中心
点分别为
或12 U者d
。
1 2
U
d
直接转矩控制系统图
在控制系统中，转矩指令由速度调节器获得
Te* K p (r* r ) KI (r* r )dt
磁链指令由函数发生器获得。励磁指令在额定转速以下，使它
保持常数，超过额定转速时，则给出弱磁定子磁链值。电磁转 矩和定子磁链的实际值有定子电压、电流检测值经过转换，通 过电磁转矩模型和磁链模型计算而得。 开关状态的选择规则如下：
1t rt
定子磁链矢量 的轨迹将按下列公式 规律变化。这样，可 以通过控制定子电压 空间矢量来控制定子 磁链的幅值和旋转速 度，从而在保持磁通 恒定的情况下改变磁
通角 的大小达到改变
转矩的目的
s
t2
s (t2 ) s (t1) t1 usdt
直接转矩控制原理图
定子磁链s 电磁转矩 T
控 键盘7 制 回 路 控制电路8
作用
将工频交流变成直流，输入无相序要 求
将直流转换为频率电压均可变的交流 电，输出无相序要求
消耗过多的回馈能量，保持直流母线 电压不超过最大值
降低上电冲击电流，上电结束后接触 器自动吸合，而后变频器允许运行
保持直流母线电压恒定，降低电压脉 动
对变频器参数进行调试和修改，并实 时监控变频器状态
矢量控制的基本思路
通过坐标变换，将异步电动 机等效成直流电动机，模仿直 流电动机的控制策略，实现将 异步电动机像直流电动机一样 的控制！
三相-两相坐标变换（3/2变换）
牵引异步电机矢量控制框图
励磁电流
指令id *
转矩电流 电流
指令iq* 控制
id1*
vd *
电压
iq1*
矢量
vq*
计算
逆变器
频率 fi
总的来说，直接转矩控制就是通过对定子 电压空间矢量的控制达到以下两个目的：
➢ （1）维持定子磁链幅值的恒定 ➢ （2）控制定子磁链旋转速度的大小
电压型逆变器供电
用电压型逆变器供电的交流调速系统如下图
所示，假设逆变器的功率开关器件用开关SA、
SB、SC来代替，并且当上臂开关接通时为1，
下臂开关接通时为0。每一个桥臂的上下两个
主要构成器件 整流桥
IGBT 单管IGBT 和制动电阻, 大功率制动单元外置 限流电阻和接触器
电解电容和均压电阻
MCU(单片机）
DSP(或两个MCU）
类别
散热器 结 构 温度传感器 件
风扇
作用 将整流桥、逆变器产生的热量散发出去
检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下 配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇 （24V)和交流风扇两种
种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内 双极性控制方式
如果在正弦调制波半个周期内，三角载波在正负极性之间连 续变化，则SPWM波也是在正负之间变化
Page 23
SPWM调制方式
1.同步调制：在改变fr的同时成正比地改变f1，使载波比N=常数，
这就是同步调制。
2.异步调制：为了消除同步调制的缺点，在异步调制中，在变频
～
整流部分
ห้องสมุดไป่ตู้
储能环节
逆变部分
M
交流
直流
直流
交流
控制系统
整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波
逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦
类别 整流部分1
逆变部分2
主
回
制动部分 3/4
路
上电缓冲6
储能部分5
直接控制与矢量控制的较
变频器接口
控制回路接口 开关量输入 开关量输出 编码器接口
SPWM
正弦脉宽调制原理 所谓正弦脉宽调制 （SPWM）波形，就是与 正弦波等效的呈两边窄中 间宽的一系列等幅不等宽 的矩形脉冲波形。 等效的原则是每一区间的 面积相等。
因而这个序列的矩形波 与期望的正弦波等效。
这种调制方法称作正 弦波脉宽调制 （Sinusoidal pulse width modulation，简称 SPWM），这种序列的矩 形波称作SPWM波。
器的整个变频范围内，载波比N不等于常数。一般在改变调制波频率 fr时保持三角载波频率f1不变，因而提高了低频时的载波比。
3.分段同步调制：将同步调制和异步调制结合起来，成为分段
同步调制方式。
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三菱变频器FR-A740
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三菱变频器FR-A740
Page 26
| s* || s | =1 | s* || s | =0
| Te* || Te | =1
| Te* || Te | =-1
（增加磁链） （减小磁链） （增加转矩） （减小转矩）
电磁转矩模型
Te p(1i1 1i1)
定子磁链模型
在 坐标下写出如下关系式
1 (u1 R1i1)dt 1 (u1 R1i1)dt
u
0
?t
(a) 正弦波波形
u
0
?t
(b) 等效SPWM波形
图 与正弦波等效的等幅不 等宽的矩形脉冲波形
LOGO
VT1
VT3
VT5
Us/2
O’
VT4
VT6
VT2
Us/2
图 SPWM变压变频器主电路原理图
U
VM
3~
W
SPWM控制方式
单极性控制方式 如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一
转差
相位
频率 计算
fS
fr
计算
励磁电流 id 转矩电流 iq
三相电压指令
vu *
直流／交流
vv*
二相／三相
变换
vw*
三相／二相 交流／直流
变换
电机电流
iu iv
iw
电机频率
直接转矩控制的特点
➢控制思想简单 ➢控制系统简洁明了 ➢动、静态性能优良
在转矩公式中， 为定子磁链和转子磁链 之间的夹角，称为磁通角。在控制过程 中，为了充分利用铁心，应保持定子磁 链的幅值为额定值，而转子磁链是由负 载决定的，不能突变，因此要改变转矩 的大小，可以通过改变磁通角来实现。
变频器工作原理
各国使用的交流供电电源，无论是用 于家庭还是用于工厂，其电压和频率均 200V/60Hz（50Hz）或100V/60Hz （50Hz）。通常，把电压和频率固定不变 的交流电变换为电压或频率可变的交流电 的装置称作“变频器”。为了产生可变的 电压和频率，该设备首先要把三相或单相 交流电变换为直流电（DC）。然后再把直 流电（DC）变换为三相或单相交流电 （AC），我们把实现这种转换的装置称为 “变频器”（inverter）。
开关是互补动作的，则定子各相电压对中心
点分别为
或12 U者d
。
1 2
U
d
直接转矩控制系统图
在控制系统中，转矩指令由速度调节器获得
Te* K p (r* r ) KI (r* r )dt
磁链指令由函数发生器获得。励磁指令在额定转速以下，使它
保持常数，超过额定转速时，则给出弱磁定子磁链值。电磁转 矩和定子磁链的实际值有定子电压、电流检测值经过转换，通 过电磁转矩模型和磁链模型计算而得。 开关状态的选择规则如下：
1t rt
定子磁链矢量 的轨迹将按下列公式 规律变化。这样，可 以通过控制定子电压 空间矢量来控制定子 磁链的幅值和旋转速 度，从而在保持磁通 恒定的情况下改变磁
通角 的大小达到改变
转矩的目的
s
t2
s (t2 ) s (t1) t1 usdt
直接转矩控制原理图
定子磁链s 电磁转矩 T
控 键盘7 制 回 路 控制电路8
作用
将工频交流变成直流，输入无相序要 求
将直流转换为频率电压均可变的交流 电，输出无相序要求
消耗过多的回馈能量，保持直流母线 电压不超过最大值
降低上电冲击电流，上电结束后接触 器自动吸合，而后变频器允许运行
保持直流母线电压恒定，降低电压脉 动
对变频器参数进行调试和修改，并实 时监控变频器状态
矢量控制的基本思路
通过坐标变换，将异步电动 机等效成直流电动机，模仿直 流电动机的控制策略，实现将 异步电动机像直流电动机一样 的控制！
三相-两相坐标变换（3/2变换）
牵引异步电机矢量控制框图
励磁电流
指令id *
转矩电流 电流
指令iq* 控制
id1*
vd *
电压
iq1*
矢量
vq*
计算
逆变器
频率 fi
总的来说，直接转矩控制就是通过对定子 电压空间矢量的控制达到以下两个目的：
➢ （1）维持定子磁链幅值的恒定 ➢ （2）控制定子磁链旋转速度的大小
电压型逆变器供电
用电压型逆变器供电的交流调速系统如下图
所示，假设逆变器的功率开关器件用开关SA、
SB、SC来代替，并且当上臂开关接通时为1，
下臂开关接通时为0。每一个桥臂的上下两个