单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,Page,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,Page,*,单击此处编辑母版标题样式,交流伺服电机,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直流电机的缺点：电刷和换向器易磨损，有时产,2,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三,3,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；,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优点,4,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永磁式交流同步电机结构,5,数控机床交流伺服电机课件,6,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n,s,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n,s,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角，随着负载增加，也随之增大；负载减少时，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n,s,旋转若设转子转速为n,r,：,原理和性能,7,n,r,=n,s,=60f,1,/p,n,r,转子转速,n,s,同步转速,p,定子和转子的极对数,f,1,交流电源频（定子供电频率）,转子磁极轴线与定子磁极的轴线夹角,nr=ns=60f1/p,8,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n,r,为,n,r,转子转速,n,s,同步转速,p,定子和转子的极对数,f,1,交流电源频（定子供电频率）,s,转差率,s=（n,s,-n,r,）/n,s,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,9,交流伺服电机的变频调速,由以上两式可见，只要改变交流伺服电机的,供电频率f,1,，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,交流伺服电机的变频调速 由以上两式可见，只要改变,10,交交变频,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整流器：把交流电变成固定的或可调的直流电,交交变频 交交变频方式是利用可控硅整流器直接将工,11,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-交变频先将交流电整成直流电，然后将直流电压变成矩形脉,12,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,是大电容还是大电感，分为,电流型,逆变器,逆变器：把固定的直流电变为固定的或可调的交流电,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,交直交变频逆变器：把固定的直流电变为固定的或可调的交流电,13,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变压变频器调制原理（以单相为例）,14,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。
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SPWM波形可采用模拟电路、以调制的方法实现SPWM调制是,15,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U：三角波发生器,SPWM控制波的生成:正弦波三角波调制,16,要获得三相SPWM脉冲宽度调制波形，则需要三个互成120,0,的控制电压U,A,、U,B,、U,C,分别与同一三角波比较，获得三路互成120,0,SPWM脉冲宽调制波U,0A,、U,0B,、U,0C,，如图为三相SPWM波的调制原理图，三相控制电压U,A,、,、,的幅值和频率都是可调的三角波频率为正弦波频率倍的整数倍，所以保证了三路脉冲调制波形,U,0A,、U,0B,、U,0C,与时间轴所组成的面积随时间的变化互成,120,0,相位角,。
要获得三相SPWM脉冲宽度调制波形，则需要三个互成1200的,17,三相电压型变频器的主回路有两部分组成，即左侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路，逆变器是其核心桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而逆变器的作用则是将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行三相电压型变频器的主回路有两部分组成，即左侧的桥式,18,三相逆变电路有只具有单向导电性的大功率开关管组成每支功率开关上反并联一支续流二极管，即图中，为负载电流滞后提供一条反馈到电源的通路支功率开关每隔电角度导通一支，相邻的两支的功率开关导通时间相差，一个周期共换向次，对应个不同的工作状态（又称为六拍）根据功率开关导通持续的时间不同，可以分为导通型和导通型两种工作方式导通方式不同，输出电压波形也不同三相逆变电路有只具有单向导电性的大功率开关管,19,交流电机变频调速特性,有电工学原理可知,其中，,定子供电电压频率；,定子每项绕组匝数；,定子每项绕组等效匝数系数；,定子每项相电压；,定子每项绕组感应电动势；每机气隙磁通量；,电机电磁转矩；,转矩常数；,转子电枢电流；,转子电枢电流的相位角,交流电机变频调速特性有电工学原理可知,20,由于,、,为常数，,与,成正比。
当电机在额定参数下运行时，,达到临界饱和值，即,达到额定值,而在电机工作过程中，要求,必须在额定值以内，,所以,的额定值为界限，供电频率低于额定值,时，称为基频以下调速，高于额定值,时，称为基频以上调速基频以下调速,由可知，当,处在临界饱和值不变时，降低,，必须按比例降低,，以保持,为常数若,不变，则使定子铁心处于过饱和供电状态，不但不能增加,，而且会烧坏电机当在基频以下调速时，,保持不变，即保持定子绕组电流不变，电机的电磁转矩,为常数，称为恒转矩调速，满足数控机床主轴,恒转矩调速,运行的要求,由于、为常数，与成正比当电机在额定参,21,）基频以上调速,在基频以上调速时，频率高于额定值,，受电机耐压的限制，相电压,不能升高，只能保持额定值,不变在电机内部，由于供电频率的升高，使感抗增加，相电流降低，使,减小，由式可知输出转矩,减小，但因转速提高，使输出功率不变，因此成称为,恒功率调速,，满足数控机床主轴恒功率调速运行的要求当频率很低时，定子阻抗压降已不能忽略，必须人为地提高定子电压,，用以补偿定子阻抗压降基频以上调速,22,交流伺服电机的矢量控制,矢量控制是德国,F.Blasche,于,1971,年提出的,矢量控制是把交流电机模拟成直流电机，用对直流电机的控制方法来控制交流电机，使其变频调速后的机械特性和动态特性接近直流电机的性能,已广泛应用于工业生产实践中。
交流伺服电机的矢量控制,23,1.,矢量控制的基本原理,基本思想：,利用“,等效,”概念，将三相交流电机输入的,电流,（,矢量,）变换为等效的直流电机中彼此独立的,励磁电流和电枢电流,（,标量,），建立起交流电机的等效数学模型，然后通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电机，那么三相交流电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能等效变化的准则：,变换前后必须产生同样的旋转磁场1.矢量控制的基本原理基本思想：,24,2.,矢量控制的等效过程,(1),三相二相变换,将,三相交流电机,变化为等效的,二相交流电机,以及与其相反的变化采用的方法：把异步电动机的,A,、,B,、,C,三相坐标系的交流量变换为,-,两相固定坐标系的交流量,(2),矢量旋转变换,将,二相交流电机,变换为等效的,直流电机,详细,详细,2.矢量控制的等效过程(1)三相二相变换详细详细,25,交流电机的矢量控制过程框图,以上所述的交流电机的矢量控制的基本思想和控制过程可用下图所示的框图来表达，根据矢量变换原理就可组成交流伺服电机矢量控制变频调速系统交流电机的矢量控制过程框图以上所述的交流电机的矢量控制的基本,26,在交流电机三相定子绕组,A,、,B,、,C,上通以相位差为,120,0,的三相交流,i,A,、,i,B,、,i,C,，因而产生同步角速度为,1,的旋转磁场，其磁通量为,1,将这样的一个三相交流电机等效成一个二相交流电机，该二相交流电机的两个定子绕组,、,在空间正交，分别通以两相交流电流,i,、,i,，,产生的旋转磁场的同步角速度和磁通与三相交流电机一致，则该二相交流电机与三相交流电机等效。
等效条件是两相电流,i,、,i,与三相电流,i,A,、,i,B,、,i,C,满足如下关系,二相,/,三相逆变换关系为,返回,在交流电机三相定子绕组A、B、C上通以相位差为1,27,将三相交流电机变换为二相交流电机后，还需要将二相交流电机变换为等效的直流电机方法是：静止,/,旋转变换是将,-,两相固定坐标系中的交流电流,i,、,i,变换为直流电机的,励磁电流,i,d,和电枢电流,i,q,即变换为以转子磁场定向的,直角坐标系的直流量，变换的条件是保证合成磁场不变，,i,、,i,合成矢量是,将其向一个旋转直角坐标系 分解，,坐。
