交流电动机驱动及其控制.
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机电一体化导论
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)
机电一体化导论
第5章 伺服控制系统设计
V1 Ud V2
VD1 R uo VD2 L
V3
VD3
V4
VD4
源自文库
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)
机电一体化导论
第5章 伺服控制系统设计
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 交流伺服系统组成 5.4.4 交流伺服电机的矢量控制及应用实例
机电一体化导论
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。
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
机电一体化导论
第5章 伺服控制系统设计
整流
逆变 负 载
～
图5-36 交—直—交变频电路结构图(a)
机电一体化导论
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)
机电一体化导论
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)
机电一体化导论
机电一体化导论
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。
机电一体化导论
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。
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
机电一体化导论
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。
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。
机电一体化导论
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。
图5-38
机电一体化导论
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
机电一体化导论
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
机电一体化导论
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。
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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第5章 伺服控制系统设计
V1 Ud V2
VD1 R uo VD2 L
V3
VD3
V4
VD4
源自文库
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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第5章 伺服控制系统设计
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 交流伺服系统组成 5.4.4 交流伺服电机的矢量控制及应用实例
机电一体化导论
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。
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
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第5章 伺服控制系统设计
整流
逆变 负 载
～
图5-36 交—直—交变频电路结构图(a)
机电一体化导论
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)
机电一体化导论
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)
机电一体化导论
机电一体化导论
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。
机电一体化导论
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。
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
机电一体化导论
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。
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。
机电一体化导论
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。
图5-38
机电一体化导论
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
机电一体化导论
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
机电一体化导论
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。