交流伺服电机及其速度控制系统

10.3

交流伺服电机及其速度控制系统

1.交流伺服电机的分类与特点

2.同步交流伺服电机

3.异步交流伺服电机

4. 交流伺服电机速度控制系统

1.1 交流伺服电机的分类

数控机床上应用的交流电机一般都为三相：

同步交流伺服电机：数控机床进给驱动系统异步交流伺服电机：数控机床主轴驱动系统

1.2 交流伺服电机的特点

永磁交流同步电机：体积小、惯量低、响应速度快、控制精度高，但磁钢存在过热、大电流等退磁风险。异步交流伺服电机：调速范围宽、弱磁控制简单、可靠性高等，但体积较同步机大、惯量大。

交流伺服电机的分类及特点

1

2.1 永磁交流同步电机结构

结构：由定子、转子和检测元件组成

V S 脉冲编码器

转子

定子

接线盒定子三相绕组

转子定子

编码器接线盒

前法兰后法兰

n r ＝n s ＝60f ／p

n s —同步转速

θ—转子磁极的轴线与定子磁极的轴线夹角

n r —转子旋转转速

f —交流电源频率（定子供电频率）p —定子和转子的极对数

n S

N

n s n r

θ

S

2.2 永磁交流同步电机工作原理

3.1异步主轴电机的工作原理

定子三相绕组通三相交流电，产生旋转磁场，磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相作用产生电磁转矩，推动转子转动，转速n r 为

)

1(60)1(1

s p

f s n n s r −=−=n s —同步转速

f 1—交流电源频率（定子供电频率）s —转差率，s=(n s －n r )/n s p —极对数

4.1 交流伺服电机的变频调速

只要改变交流伺服电机的供电频率f 1，即可改变电机转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。

变频调速主要环节是：为交流电机提供变频电源的变频器。变频器分：

交——交变频交——直——交变频

)

1(60)1(1

s p

f s n n s r −=−=n r ＝n s ＝60f 1／p

交—直—交变频：

先将交流电整流成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波是所需的变频电压。

该调频方式所得交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。数控机床常采用交—直—交变频调速。M

负载反组

滤波

逆变

整流

正组交流输入

~

++

--(a )

(b )

C

VD

U 0~

50Hz

50Hz ~交流电机

整流器：将交流电变为固定的或可调的直流电

逆变器：将固定的直流电变为固定的或可调的交流电斩波器：将固定的直流电压变为可调的直流电压

➢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。

u

ωt

ωt u

O

O

a

)

b)

SPWM（正弦波PWM）变频器是目前应用最广、最基本的一种交—直—交电压型变频器，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

Q +-

U R U Δ

U P

电路原理示意图

实际交流伺服电机的

正弦波脉宽调制（SPWM)

脉冲的宽度和占空比的大小按正弦规律分布便是SPWM,由于电机的绕组具有电感性，因此尽管电压是由一系列矩形脉冲构成，但输入电机的电流却和正弦波十分接近。

4交流伺服电机速度控制系统

逆变器SPWM与频率的关系图

整流器将三相工频交流电变成直流电

逆变器将直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行

+-+-+-三相

正弦控

制信号

振荡器

三角波

发生器～SPWM A SPWM B SPWM C 驱动VT1～VT612

3正弦波发生器

U A

U B U C U Δ

U 0A U 0B U 0C U B 1U B 2U B 3U B 4U B 5U B 6三相SPWM 控制电路框图

主回路

+

-+-+-三相正弦控制信号振荡器三角波发生器～SPWM A SPWM B

SPWM C 驱动VT1～VT612

3正弦波发生器

U A U B U C U Δ

U 0A U 0B U 0C U B 1U B 2U B 3U B 4U B 5U B 6u A u B u Δωt

u C 50H z D 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 8D 9D 10D 11T 1T 2T

3T 4T 5T 6

u B1

u B

4u B 2u B5u B3u B6u A u P u 0

A u Δ①②③

➢交流伺服电机综合测试现场1