《交流伺服调速原理》PPT课件.ppt

数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,第五章 伺服驱动系统, 5-5 交流伺服电动机及控制, 5-5-1 概述 5-5-2 交流电机的基本调速原理 5-5-3 矢量变换原理 5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构 5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型 5-5-6 交流伺服电机的速度控制 5-5-7 交流伺服电机的位置控制,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,自20世纪80年代中期以来，为解决直流伺服电机电刷和换向器容易磨损、换向时会产生火花而使最高转速和使应用环境受到限制，以交流伺服电动机作为驱动元件的交流伺服系统得到迅速发展，逐渐取代了直流伺服电机，是当今全数字伺服驱动系统的发展趋势。, 5-5-1 概述, 5-5 交流伺服电动机及控制,交流伺服电机的技术支持： 永磁材料 控制理论和技术 大功率半导体器件 微型计算机技术 大规模集成电路,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1. 交流伺服电机的特点,2) 永磁同步交流伺服电动机的特点： 体积小，效率高，运行可靠。 调速方便、机械特性好。 调速范围宽。 建模难度大、控制算法复杂。,1) 异步交流伺服电机的特点： 重量轻，价格便宜。 转速随负载变化较大，低速时运动平稳性较差 静止时自锁转矩小。, 5-5-1 概述,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,第五章 伺服驱动系统, 5-5 交流伺服电动机及控制, 5-5-1 概述 5-5-2 交流电机的基本调速原理 5-5-3 矢量变换原理 5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构 5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型 5-5-6 交流伺服电机的速度控制 5-5-7 交流伺服电机的位置控制,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1. 交流电机的速度和位置控制基础,对电机转矩控制的精度决定了电机的调速精度，也决定了电机的位置控制精度。对直流电机而言，在额定功率以下的调压控制可精确的控制转矩，因此直流伺服电机能够用于进给系统；对于主轴驱动系统的速度控制，直流电机可采用恒功率下的调磁调速。 对于交流电机而言，由于其同步转速为n=60f，因此无论对于交流永磁同步电机还是异步电机，速度调节首先必须调整旋转磁场的转速，这就是变频调速。 对位置精度要求不高的主轴驱动系统，通常采用“交流异步电机+通用变频器”调节主轴转速。, 5-5-2 交流电机的基本调速原理,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,异步交流电机,磁场同步转速：,转子转速：,电机转矩公式：, 5-5-2 交流电机的基本调速原理,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,目前，交流调速中应用最广的是“交直交”变换，一般采用PWM逆变器。PWM调制方法有很多种，在交流电机调速中最基本、应用最广泛的调制方法是SPWM(正弦波脉宽调制)、和SVPWM（空间矢量脉宽调制），使定子产生所需的旋转磁场，进而实现交流电机的速度控制。,2、交流电机的基本调速原理, 5-5 交流伺服电动机及控制,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,1) SPWM基本原理,双极性调制法（单相）, 5-5-2 交流电机的基本调速原理,单相SPWM基本原理 SPWM(正弦波脉宽调制) 以三角波为载波，正弦波为调制波，其频率和幅值可调，两波形交点决定逆变器开关管状态。,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,单相SPWM基本原理,当调制波为正半周，当正弦波高于三角波时，VT1导通、VT2关断，使负载上得到的相电压为u0=Ud/2；当正弦波低于三角波时，VT1关断、VD2续流二极管释放能量，负载上的相电压为u0 = -Ud/2；实现双极性调制。, 5-5-2 交流电机的基本调速原理,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,三相SPWM基本原理,双极性调制法（三相）,通过改变调制波的幅值，可改 变逆变器输出电压的幅值； 通过改变调制波的频率，可改变逆变器输出基波的频率。, 5-5-2 交流电机的基本调速原理,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,SPWM变频调速系统,SPWM变频调速系统框图, 5-5-2 交流电机的基本调速原理,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,第五章 伺服驱动系统, 5-5 交流伺服电动机及控制, 5-5-1 概述 5-5-2 交流电机的基本调速原理 5-5-3 矢量变换原理 5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构 5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型 5-5-6 交流伺服电机的速度控制 5-5-7 交流伺服电机的位置控制,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,U = I R +, =Ce n,T =Ct I,直流伺服电机,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,单纯的变频调速无法解决交流电机的转矩控制，由于交流电机的励磁电流与转矩电流耦合在一起，因此难以象直流电机那样直接实现调压和调磁控制，这就是早期进给伺服驱动采用直流电机的原因，也是单纯采用变频调速的主轴系统速度和位置控制精度不高的原因。要想使交流电机达到同样的调速性能，就需要将励磁电流与转矩电流解耦，这就是矢量控制。, 5-5-3 矢量变换原理,直流电机方程,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology, 5-5-3 矢量变换原理,三相交流坐标系 （a-b-c）,两相直角坐标系 （a - b）,两相旋转坐标系 （d - q）,2. 交流电机矢量变换的数学模型,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology, 5-5-3 矢量变换原理,3. 矢量变换的应用,矢量变换控制原理框图,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,第五章 伺服驱动系统, 5-5 交流伺服电动机及控制, 5-5-1 概述 5-5-2 交流电机的基本调速原理 5-5-3 矢量变换原理 5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构 5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型 5-5-6 交流伺服电机的速度控制 5-5-7 交流伺服电机的位置控制,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology,2. 交流伺服电机的工作方式,扭矩控制方式； 速度控制方式； 位置控制方式。,模拟量输入； 数字输入（选择8-16种内部速度）； 串行通信。,脉冲输入； 串行通信。,Dir + clk Up Down； AB相正交脉冲。,模拟量输入；, 5-5-1 概述,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology, 5-5-1 概述,3. 交流进给伺服系统工作方式,1） 闭环速度控制/扭矩工作方式,数字控制及装备技术研究所 Institute of Numerical Control And Equipment Technology, 5-5-1 概述,3. 交流进给伺服系统工作方式,2