第五章 数控伺服驱动系统.ppt

第五章数控伺服驱动系统 数控伺服系统的定义及组成1 定义 伺服 Servo 本意为 服从 的含义 进给伺服系统 FeedServoSystem 就是以移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统 2 组成 进给伺服系统主要由以下几个部分组成 位置控制单元 速度控制单元 驱动元件 电机 检测与反馈单元 机械执行部件 第一节概述 数控伺服系统的基本组成 进给伺服系统是数控系统主要的子系统 如果说CNC装置是数控系统的 大脑 是发布 命令 的 指挥所 那么进给伺服系统则是数控系统的 四肢 是一种 执行机构 它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令 精确控制执行部件的运动方向 进给速度与位移量 二 对伺服系统的基本要求1 位移精度高伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度 两者误差愈小 位移精度愈高 2 稳定性好要求伺服系统具有较强的抗干扰能力 保证进给速度均匀 平稳 3 动态响应要快为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度 要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快 跟随误差小 4 调速范围宽调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比 目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0 24m min 有的已达到240m min 在数控机床中 由于所用刀具 加工材料及零件加工要求的不同 为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件 就要求伺服系统具有足够宽的调速范围 5 低速大扭矩要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率 机床加工的特点是 在低速时进行重切削 因此 伺服系统在低速时要求有大的转矩输出 1 按调节理论分类 1 开环伺服系统 2 闭环伺服系统 3 半闭环伺服系统 三 伺服系统的分类 2 按使用的执行元件分类 1 电液伺服系统电液脉冲马达和电液伺服马达 优点 在低速下可以得到很高的输出力矩 刚性好 时间常数小 反应快和速度平稳 缺点 液压系统需要供油系统 体积大 噪声大 漏油 2 电气伺服系统1 直流伺服系统进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机 主运动系统采用他激直流伺服电机 优点 调速性能好 调速范围宽 输出转矩大 过载能力强 缺点 有电刷 速度不高 2 交流伺服系统交流感应异步伺服电机 一般用于主轴伺服系统 和永磁同步伺服电机 一般用于进给伺服系统 优点 转子惯量比直流电机小 动态响应好 而且容易维修 制造简单 适合于在较恶劣环境中使用 易于向大容量 高速度方向发展 其性能更加优异 已达到或超过直流伺服系统 交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用 3 按被控对象分类 1 进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环 用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统 控制机床各坐标轴的切削进给运动 并提供切削过程所需转矩 2 主轴伺服系统主轴伺服系统只是一个速度控制系统 控制机床主轴的旋转运动 为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力 且保证任意转速的调节 C轴控制功能 4 按反馈比较控制方式分类 1 脉冲 数字比较伺服系统 2 相位比较伺服系统 3 幅值比较伺服系统 4 全数字伺服系统 第二节开环步进驱动系统 一 步进电机的分类 步进电机 是一种将电脉冲转变成机械角位移的装置 按输出转矩分 快速步进电机 功率步进电机 按励磁相数分 三相 四相 五相 六相 八相等 按工作原理分 反应式 激磁式 混合式 永磁反应式 1 反应式步进电机 定子 定子上有绕组分为若干相 每相磁极上有极齿 下图为三相定子 AA BB CC A B C三相每相两极 1 结构 由转子和定子两部分组成 定子上线圈的绕法 A 相 B 相 C 相 转子 转子上有均匀分布的齿 没有绕组 转子齿间夹角为9o 左图为一转子示意图 以四十齿为例来说明步进电机的原理 步进电机的实物图 工作原理 定子绕组通断电顺序 转子转向 定子绕组通断电转换频率 转子转速 定子绕组通断电次数 转子转角 三相单三拍A U B V C W A U A U C W B V A U 三相双三拍AB UV BC VW CA WU AB UV BA VU AC UW CB WV BA VU 三相单双六拍A U AB UV B V BC VW C W CA WU A U A U AC UW C W CB WV B V BA VU A U 通断电方式 有关术语相数 电动机定子上有磁极 磁极对数称为相数 如6个磁极 则为三相 称该电动机为三相步进电动机 10个磁极为五相 称该电动机为五相步进电动机 拍数 电动机定子绕组每改变一次通电方式称为一拍 三相单三拍 A U B V C W A U 三相单双六拍A AB B BC C CA A 小步距角的三相反应式步进电机 转子均匀分布40齿 定子每段极弧上有5个齿 定转子齿宽 齿距相同 实际步进电机结构 定子 转子展开图 三相单三拍 当前B相通电 2 混合式步进电机 c N极性转子径向剖面图 混合式步进电动机结构原理图 a S极性转子段径向剖面图 b 轴向视图 A A与B B两块齿片在空间错开半个齿距 保证转矩的连续性 混合式步进电机与反应式的主要区别是转子上置有磁钢 产生的转矩比反应式步进电机大 且步距角常可以做的较小 因此在工作空间受限而需要小步距角和大转矩的应用中 反应式电动机转子上无磁钢 输入能量全靠定子励磁电流供给 静态电流比永磁式大许多 转子得到机械惯量较混合式步进电机低 可以实现更快的加减速 混合式步进电机与反应式步进电机的比较 三 步进电机的特性 1 步距角与步距角误差步距角 每输入一个电脉冲信号 步进电机转子转过的角度 称为步进电机的步距角 用表示 m 步进电机的相数Zr 步进电机转子齿数C 状态系数 与通电有关的系数 C 1 单拍或双三拍C 2 单双六拍 1 某步进电动机转子有40齿并且采用单三拍工作的 其步距角为 步距角计算示例 2 按单 双相通电方式运行的三相步进电动机 转子齿数z 40 其步距角为 若步进电动机的频率为f 则步进电动机的转速为 计算示例 1 某步进电机定子60齿 5相十拍工作方式 直接驱动机床工作台 其转速为600r min 计算其稳定工作频率和步距角 步距角误差 是指步进电机运行时 转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值 连续走若干步时 上述步距误差的累积值称为步距的累积误差 由于步进电机转过一转后 将重复上一转的稳定位置 即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现 步距角误差 2 静特性1 静态矩角特性 当步进电动机某相通电时 转子处于不动状态 这时转子上无转矩输出 如果在电动机轴上加一个负载转矩 转子按一定方向转过一个角度 重新处于不动 稳定 状态 这时转子上受到的电磁转矩T称为静态转矩 它与负载转矩相等 转过的角度 称为失调角 静态时T与 的关系称为矩角特性 它近似于正弦曲线 静态矩角特性 转子每转过一个齿距 矩角特性变化一个周期 对应2 电角度 当失调角 0 定转子槽对齐 电磁转矩为0 当 相邻定子齿对转子齿有相同拉力 方向相反 电磁转矩为0 当 2 电磁转矩最大 2 最大静转矩静态矩角特性上的电磁转矩最大值称为最大静转矩 在静态稳定区域内 当外转矩除去后 转子在电磁转矩的作用下 仍能回到稳定平衡点位置 最大静转矩表示步进电动机承受负载的能力 它越大 电动机带动负载能力越强 运行的快速性和稳定性越好 3 动特性 1 最大起动转矩电动机相邻两相的静态矩角特性曲线交点所对应的转矩即为最大起动转矩Tq 当外界负载超过最大起动转矩时 步进电动机就不能起动 如下图所示 2 最大启动频率空载时 步进电动机由静止状态启动 达到不丢步的正常运行的最高频率称为最大启动频率 启动时指令脉冲频率应小于启动频率 否则将产生失步 步进电机在带负载下的启动频率比空载要低 而且 随着负载加大 在允许范围内 启动频率会进一步降低 这种特性称为启动矩频特性 启动矩频特性曲线 当电动机带有负载力矩M时 随外部惯量的增大 启动频率将明显下降 其关系称为启动惯频特性 3 连续运行频率步进电动机在最大起动频率以下起动后 当输入脉冲信号频率连续上升时 能不失步运行的最大输入信号频率 称为连续运行频率 该频率远大于最大起动频率 4 矩频特性与动态转矩步进电动机在连续运行状态下所产生的转矩 称为动态转矩 最大动态转矩和脉冲频率的关系称为矩频特性 该特性上每一个频率对应的转矩成为动态转矩 最大动态转矩小于最大静转矩 使用时要考虑动态转矩随连续运行频率的升高而降低的特点 四 步进电机的开环控制1 步进电机的控制系统 2 环形分配器 环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的 其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上 控制各相绕组的通电 断电 硬件环形分配器 软件环形分配器 1 硬件环形分配器 CH250集成芯片 A 管脚图 B 三相六拍接线图 A B C A B C相输出端R R 确定初始励磁相10 A相01 AB相00 环形分配器工作J3r J3L J6r J6L 控制三拍 六拍的控制端 B 三相六拍接线图 若EN l 进给脉冲接CL 脉冲上升沿使环形分配器工作 若CL 0 进给脉冲接EN 脉冲下降沿使环形分配器工作 不符合上述规定则为环形分配器状态锁定 保持 CL EN 进给脉冲输入端 UD Us 电源端 左边接线图的功能是三相六拍工作方式 步进电动机的初始励磁相为AB 进给脉冲CP的上升沿有效 方向信号为1 则正转 为0 则反转 2 软件环形分配器 三相单 双六拍步进控制字节的存放格式 TABLE A AB B BC C CA 取偏移量 取方向控制位D D 1 1 0 5 5 0 以TABLE 为地址取控制字C 向输出寄存器写入控制字节C 返回主程序 1 N N N Y Y Y 环分中断子程序框图 3 功率驱动器 1 对驱动电源的要求 理想驱动电源使电机绕组电流尽量接近矩形波 图a 实际上 步进电机是感性负载 绕组中电流不能突变 而是按指数规律上升或下降 从而使整个通电周期内 绕组电流平均值下降 电机输出转矩下降 图b 而当电机运行频率很高时 电流峰值显著小于额定励磁电流 从而导致电机转矩进一步下降 严重时不能启动 图c 1 单电压驱动电源 前置放大 VD 续流二极管CS 加速电容RS 限制绕组电流减小时间常数W 电机绕组 2 典型功率驱动器 Rd RS 作用是限制绕组电流 减小时间常数太小则电流前沿不陡 电机带负载能力下降 太大则功率消耗过大 单电压功放电源的特点优点是线路简单 缺点是电流上升不够快 RS的接入使无功功耗增大 高频时带负载能力低 晶体管的耐压要求高 单电压功放电源的应用一般用于小功率步进电机驱动 2 双电压 高低压 驱动电源 高压建流低压定流 高低压电路的工作原理 当环形分配器输出高电平时 两只功率放大管VTd VTg同时导通 电机绕组以 60V高压供电 绕组电流快速上升 前沿很陡 当接近额定电流时 单稳延时时间到 VTg管截止 改由低压 12V供电 维持绕组额定电流 若高低压之比为U1 U2 则电流上升也提高U1 U2倍 上升时间明显减小 当低压断开时 电感中储能通过构成的放电回路放电 因此也加快了放电过程 优点 由于加快了绕组电流的上升和下降过程 有利于提高步进电机的启动频率和最高连续工作频率 由于额定电流是由低压维持的 只需较小的限流电阻 功耗小 该电路能在较宽的频率范围内有较大的平均电流 能产生较大且较稳定的电磁转矩 缺点 高低压电路波形连接处有凹形 使电机输出转矩降低 特点 3 调频调压驱动电源 产生原因 前述的各种驱动电源都是为保证步进电机有较好的上升沿和幅值而设计的 能够有效地提高步进电机的工作频率 但在低频时会给绕组注入过多的能量而引起电动机的低频振荡和噪声 因此产生了调频调压驱动电源 基本原理 当步进电机在低频运行时使供电电压降低 在高频运行时供电电压升高 即供电电压随步进电机的转速升高而升高 这样 即解决了低频振荡问题 又保证了高频时的输出转矩 接口 CPU U1 VT2 LS VT1 R1 R2 Rf VD1 VD2 VT3 Ucp Uct W C t Ton Uct 调频调压驱动电源 U2 电机绕组 tcp 调频调压驱动是由软硬件配合实现的 UCP是步进脉冲信号 UCT是开关调压信号ton 当UCT输出一个负脉冲信号 晶体管VT1和VT2导通 电源电压作用在电感LS和电机绕组W上 LS感出负电动势 电流逐渐增大 并对电容C充电 充电时间由负脉冲宽度ton确定 在UcT负脉冲过后 VT1和VT2截止 LS又产生感应电动势 方向是U2处为正 此时 若VT3导通 这个反电动势经W Rf VT3 地 VD1 LS W泄放 同时电容也向绕组W放电 可见 向电动机供电的电压取决于VT1和VT2开通的时间 即取决于负脉冲的宽度 负脉冲宽度越大 U2越高 因此 根据UCP的频率 调整负脉冲UCT的宽度 便可以实现调频调压 工作原理 步进电机驱动器 步进电机驱动器 第三节直流伺服电机及其调速系统 一 直流电机的类型及应用 直流进给伺服系统 永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁直流电机 普通型 直流主轴伺服系统 励磁式直流电机类型中的他激直流电机 常用的直流电动机 永磁式直流电机 有槽 无槽 杯型 印刷绕组 励磁式直流电机 直流力矩电机 混合式直流电机 无刷直流电机 1 小惯量直流伺服电动机 转子细而长 大大减小了电动机的转动惯量 快速响应性能好 2 气隙较大 换向性好 时间常数5 10ms 3 转子上无槽 电感小 时间常数小 动态特性好 响应快 低速运转稳定而均匀 4 气隙磁密度大 过载能力强 输出功率几 瓦 千瓦 转速1 3000r min最大转矩约20N m 但输出需加齿轮减速 按转动惯量不同分 1 转矩大 2 调速范围宽1000 1500r min 3 转动惯量大设计时可忽略其它传动件的转动惯量 4 动态响应好 最大峰值转矩可达额定转矩的10倍 可在3倍额定转矩的过载条件下工作30min 但快速响应性能不如小惯量电机 5 过载能力强 2 大惯量直流伺服电动机 宽调速直流伺服电机 表日本FANUC公司直流伺服电动机系列几种规格的主要技术参数 输出功率 kw 0 3 0 6 6 0 0 4 1 8 2 8 0 4 1 1 3 1 5 10 22 额定转矩 N m 2 5 1 9 19 2 7 22 5 37 2 2 7 11 8 39 2 32 3 65 7 23 5 最大转矩 N m 12 3 21 5 147 14 7 112 186 24 114 241 245 510 520 最大转速 r min 2 000 2000 2000 2000 1500 1200 2000 1500 1500 2000 2000 2000 电枢转动惯量 9 8N m 2 0 0001 9 0 0008 8 0 01 5 0 00 2 0 01 3 0 03 6 0 0028 0 02 0 03 8 0 12 0 19 0 60 机械时间常数 ms 7 5 7 10 10 8 25 19 17 24 15 18 热时间常数 min 15 20 10 10 70 85 50 100 35 120 120 35 重量 kg 10 15 66 12 30 53 12 25 45 90 125 220 二 直流伺服电机的结构与工作原理 1 转子2 定子 永磁体 3 电刷4 测速发电机5 换向器直流伺服电机结构 直流伺服电机工作原理图 由左图有 直流电机等效电路图 Ra 电枢电阻 Ia 电枢电流 Ua 电枢电压 Ea 电枢反电动势 Ce反电动常数 电动机磁通量 n 电动机转速 Ma 电动机电磁力矩CM 电磁力矩常数 1 2 3 直流电机的机械特性 由上式知 对给定的电动机要改变其转速 有三种办法 改变电动机电枢电压Ua改变电动机磁通量 改变电动机电枢电阻Ra 由 1 式有 由 3 式有 带入 2 改变磁通量 的方法 转速与控制量 是非线性关系 控制及设计系统都不方便 Ra的改变实施困难 不能满足数控机床的要求 而改变电压Ua的方法具有恒转矩的调速特性 机械特性是直线 如下图 转速与控制量U之间是线性关系 因此永磁直流电机大都采用该调速方案 直流电机的机械特性 三 直流速度控制单元调速控制方式 晶闸管 可控硅 调速系统采用晶闸管大功率整流电路 主要用在大功率场合中 晶体管脉宽调制 PWM 调速系统优点 1 避开与机械的共振2 电枢电流脉动小3 动态特性好缺点 不能承受高的过载电流 功率还不能做得很大 故目前用中小功率的伺服驱动装置中 PWM系统采用脉冲宽度调节电路和大功率晶体管的功率驱动电路 晶闸管晶闸管为硅晶体闸流管的简称 又称可控硅 Silicon ControlledRectifier 晶闸管具有单向导电性 电流只能从阳极A流向阴极K 当元件加上反向电压时只有极小的反向漏电流从阴极流向阳极 晶闸管处于反向阻断状态 晶闸管的可控性表现在 要使晶闸管正向导通 除阳极A加上正向电压以外 还必须同时在门极G与阴极之间加上一定的正向门极电压 对元件能否正向导通起到控制作用 1 晶闸管 可控硅SCR 调速系统 包括控制回路 速度环 电流环 触发脉冲发生器等 主回路 可控硅整流放大器等 速度环 速度调节 PI 作用 好的静态 动态特性 电流环 电流调节 P或PI 作用 加快响应 启动 低频稳定等 触发脉冲发生器 产生移相脉冲 使可控硅触发角前移或后移 可控硅整流放大器 整流 放大 驱动 使电机转动 组成 分成二大部分 和 每部分内按三相桥式连接 二组反并接 分别实现正转和反转 三相全桥式反并联整流电路 原理 三相整流器 由二个半波整流电路组成 每部分内又分成共阴极组 1 3 5 和共阳极组 2 4 6 构成回路 这二组中必须各有一个可控硅同时导通 1 3 5在正半周导通 2 4 6在负半周导通 每组内 即二相间 触发脉冲相位相差120 每相内二个触发脉冲相差180 按管号排列 触发脉冲的顺序 1 2 3 4 5 6 相邻之间相位差60 为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通 或已截止的相再次导通 采用双脉冲控制 既每个触发脉冲在导通60 后 在补发一个辅助脉冲 也可以采用宽脉冲控制 宽度大于60 小于120 原理 只要改变可控硅触发角 即改变导通角 就能改变可控硅的整流输出电压 从而改变直流伺服电机的转速 触发脉冲提前来 增大整流输出电压 触发脉冲延后来 减小整流输出电压 速度控制的原理 所谓调速 是指在某一具体负载条件下 通过改变电动机电源参数的方法 使机械特性得以改变 从而使电动机的转速发生变化或保持不变 调速具有两个方面的含义 一是能在一定的范围内 变速 电动机负载不变时 转速可在所允许的范围内变化 即 变速 调速 二是 恒速 为了保证工作速度不受外界干扰 如负载变化 的影响 也可进行调速 例如 由于负载增加 电动机的转速就会降低 为了维持转速的恒定 就得调整电动机的转速 使其回升 并等于或接近于原来的转速 速度控制的原理 调速 当给定的指令信号增大时 则有较大的偏差信号加到调节器的输入端 产生前移的触发脉冲 可控硅整流器输出直流电压提高 电机转速上升 此时测速反馈信号也增大 与大的速度给定相匹配达到新的平衡 电机以较高的转速运行 干扰 假如系统受到外界干扰 如负载增加 电机转速下降 速度反馈电压降低 则速度调节器的输入偏差信号增大 其输出信号也增大 经电流调节器使触发脉冲前移 晶闸管整流器输出电压升高 使电机转速恢复到干扰前的数值 电网波动 电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用 如电网电压突然短时下降 整流输出电压也随之降低 在电机转速由于惯性还未变化之前 首先引起主回路电流的减小 立即使电流调节器的输出增加 触发脉冲前移 使整流器输出电压恢复到原来值 从而抑制了主回路电流的变化 启动 制动 加减速 电流调节器还能保证电机启动 制动时的大转矩 加减速的良好动态性能 直流电源电压U经开关S转换为一定频率的方波电压加到直流电机电枢上 通过对方波脉冲宽度的控制 就可改变电枢的平均电压 从而调节电机转速 2 PWM脉宽调制调速系统 1 直流脉宽调制的基本原理 PWM PulseWidthModulation 设开关S开闭周期为T 每次闭合时间为 则电枢两端平均电压Ua为 Ua T U U 导通率 占空系数 T一定 Ua 0Ua 0电机停止 TUd U最高转速 ua ua 平均直流电压 脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压 直流PWM伺服驱动系统原理框图 2 PWM直流调速系统的组成及基本原理 主回路 大功率晶体管开关放大器 功率整流器 控制回路 速度调节器 电流调节器 固定频率振荡器及三角波发生器 脉宽调制器和基极驱动电路 区别 与晶闸管调速系统比较 速度调节器和电流调节器原理一样 不同的是脉宽调制器和功率放大器 直流脉宽调制 功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下 开关频率保持恒定 用调整开关周期内晶体管导通时间 即改变基极调制脉冲宽度 的方法来改变输出 由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压 平均电压 脉宽调制器 脉宽调制的任务 将连续控制信号变成方波脉冲信号 作为功率转换电路的基极输入信号 控制直流电动机的转速和转矩 方波脉冲信号可由脉宽调制器生成 也可由全数字软件生成 脉宽调制器调制信号的产生通常有三角波 或锯齿波 发生器和脉宽调制器 比较器 组成 4 三角波发生器 图中的三角波发生器由两个运算放大器构成 IC1 A是多谐振荡器 产生频率恒定且正负对称的方波信号 IC1 B是积分器 把输入的方波变成三角波信号U 输出 三角波发生器输出的三角波应满足线性度高和频率稳定的要求 只有满足这两个要求才能保证调速精度 脉宽调制波的产生 倍频式脉宽调制器原理图 倍频式脉宽调制工作波形 U UA UB U0 U0 主回路 大功率晶体管开关放大器 电容C的作用 电容C的容量很大 它能使直流母线电压Um保持恒定 并能存储和释放能量 每当电动机加速时 电容向电动机提供它所储存的能量 而每当电动机制动时 电动机工作在发电状态 电容这时吸收来自电动机的能量 正转 VT1 VT4导通VD2 VD3续流 反转 VT2 VT3导通VD1 VD4续流 第三节交流伺服电机及其调速系统 直流伺服电机的缺点 它的电刷和换向器易磨损 电机最高转速的限制 应用环境的限制 结构复杂 制造困难 成本高 交流伺服电机的优点 动态响应好 输出功率大 电压和转速提高 交流伺服电机分类 同步型交流伺服电机 异步型交流感应伺服电机 多用于主轴驱动 同步型交流伺服电机多用于进给驱动 非电磁式 电磁式 磁滞式 永磁式 反应式 一 永磁交流同步伺服电机 无刷直流伺服电机 的结构 二 永磁交流同步伺服电机的工作原理 1 同步伺服交流电机转速 nr 转子转速ns 定子转速P 磁极对数f 电源交流电频率 交流同步伺服电机只能采用变频调速 2 交流伺服电机特性 为连续工作区 转速和转矩可任意搭配其机械特性比直流电机更硬 为断续工作区 其范围比直流电机更大 特别是在高速区 有利于提高电机的加减速性能 三 变频器 异步电机变频 用于笼型电机 同步电机变频 1 交流电动机变频调速方式 交 交 交 直 交 数控机床上应用最多的是变频调速 变频调速的主要环节是能为交流电动机提供变频电源的变频器 变频器的功用是 将频率固定 电网频率为50HZ 的交流电 变换成频率连续可调 0 400HZ 的交流电 变频器 对交流电动机实现变频调速的装置 交 交变频器该变频器没有中间环节 直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电 交 直 交变频器电压型 先将电网的交流电经整流器变为直流 再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压 电流型 是切换一串方波 方波电流供电 用于大功率 目前对于中小功率电机 用得最多的是电压型交 直 交变频器 交 交变频器 不经过中间环节 把频率固定的交流电直接变换成频率连续可调的交流电 因此只需一次电能的转换 效率高 工作可靠 但是频率的变化范围有限 交 直 交变频器 是先将频率固定的交流电整流成直流电 再把直流电逆变成频率可变的交流电 交 直 交变频器 虽需两次电能的变换 但频率变化范围不受限制 在数控机床上一般采用交 直 交型的正弦波脉宽调制变频器 交 交变频器与交 直 交变频器的比较 图6 29交 直 交电压型变频器主电路结构形式 a 可控整流器调压 六拍逆变器变频 通过调节可控整流器 晶闸管 的导通角 进行调压 逆变器只进行调频 六个三极管每导通一次为一拍 故称六拍逆变器 b 二极管整流斩波调压 六拍逆变器变频 采用不可控整流器接入电网 再通过斩波器进行调压 逆变器变频 上a 和b 两种方式的共同特点是都有专门的调压环节调整输出电压的幅值 从最后的波形看 它们同属脉冲幅度调制 PAM 方式 c 二极管整流 PWM逆变器调压调频 这是目前通用的最常见的主电路形式 由不可控整流器接入电网 整流之后不调节电压幅度就送入逆变器 逆变器一次完成调频 调压 因其电压幅值不可变 逆变器的调压靠改变电压输出的宽度来完成 所以 就输出波形来划分 该结构为脉冲宽度调制 PWM 方式 三种电压型变频器比较 b c 结构因采用不可控整流 功率因数高 a 结构采用可控整流 电压波形有缺陷 谐波的无功功率使输入端功率因数降低 a b 结构独立的调压调频环节使它们容易分开调试 但系统的动态反应慢 c 结构动态响应快且功率因数高 独具优势 图6 30交 直 交电流型变频器主电路结构形式 a 常见结构 可控整流器用来调节电压和电流的大小 逆变器变频 这种结构的输出电流波形 方波 中谐波分量太大 影响了电动机的低速性能 b 二重化结构 上下两套变频器的输出方波电流频率一致 但相位上错开一定角度 输出时将两套变频器的输出电流通过变压器 或直接 叠加 叠加后输出的交流电流将成为多阶梯的波形 更接近于正旋波 有利于抑制低速时的转矩脉动 扩大运行范围 但重数越多 控制电路越复杂 越难于实现 2 正弦波脉宽调制 SPWM 变压变频器 1 构成 二极管整流器 交 直变换 经电容器滤波平滑 产生电压幅值不变的恒定直流电 输出给逆变器 PWM逆变器 直 交变换 调频 调压 产生电压 频率可调的交流电压 输出给伺服电动机的电枢绕组 M3 VT VD 50HZ 整流 PWM逆变 SPWM变频调速系统框图 控制正旋波 基波 载波 调频方波 速度 频率 给定器 给定信号 用以控制频率 电压及正反转 平稳启动回路 使启动加 减速时间可随机械负载情况设定达到软启动目的 函数发生器 是为了在输出低频信号时 保持电动机气隙磁通一定 补偿定子电压降的影响而设 电压频率变换器 将电压转换成频率 经分频器 环形计数器产生方波 和经三角波发生器产生的三角波一并送入调制回路 电压调节器 产生频率与幅值可调的控制正弦波 送入调制回路 调制回路 进行PWM变换 产生三相脉冲宽度调制信号 在基极回路中输出信号至功率晶体管基极 即对SPWM的主回路进行控制 实现对永磁交流伺服电动机的变频凋速 电流检测器 进行过载保护电压检测器 和电压调节器一起构成闭环控制 2 SPWM正弦脉宽调制原理SPWM变频器最终要产生的是一种正弦脉宽调制波 它是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波 如下图所示 等效原理 把正弦分成n等分 每一区间的面积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替 正弦的正负半周均如此处理 单极性等效正旋波 SPWM控制波的生成 正弦波 三角波调制 方波 三角波调制 Ud 2 Ud 2 u t t u US UT 1 脉宽调制波的形成 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 基极驱动 三相SPWM控制电路原理图 SPWM变频器的主回路 SPWM变频器的主电路原理图 三相逆变桥的输出电压 各逆变管的通断安排 模拟控制 原始的控制方法数字控制 微机存储事先算好的SPWM数据表格 由指令调出 或通过软件实时生成 专用集成芯片单片机微处理器直接带有SPWM信号产生功能 并有其输出端口 如8098 8XC196MC 3 SPWM的控制方法 4 用单片微机实现的SPWM控制 1 计数及1 360分频 单片机 D A V f 2 3 4 D A 选择器 比较器 比较器 比较器 255HZ三角波发生器 封锁电路 暂停 过流 过压 速度给定 分频T 8 9 EPROM 9 9 9 8 D A 8 D A 8 D A 8 正旋波振荡控制 三角波选择 三角波同步 U V W f1 V f变换器 将CNC给定的直流电压变成相应的频率脉冲信号 计数分频器及地址译码 它是一个计数值为0 359的计数器 输出端共9位 循环输出二进制数000000000 101100111 十进制0 359 共360个数码 每个二进制数对应1 每个数码对应一个EPROM的地址译码信息 另一端输出1个信号T送入单片机 作为一个正旋波周期的结束标志 基准正旋波的形成 EPROM存放分辨率1 的波形幅值 输出的幅值经D A转换为相应模拟量U V W三相正旋波信号 三相相位差120 得到三路基准正旋波 第 4 个EPROM存放360个不同电度角下的三角波幅值 经D A转换后送入选择器 作为三角波振荡器的同步控制信号 u t O 基准正旋波 1 3 EPROM 4 EPROM 频率与电压的协调 指输出正旋波的电压和频率的协调 由单片机完成 单片机根据分频来的周期信号T计算出频率f1再查表得对应的正旋波幅值 经D A转换形成正旋波振荡控制信号 去调整基准正旋波的输出电压 从EPROM 1 4 输出的信号经D A转换后形成的基准正旋波的幅值在不同频率下是相同的 通过正旋波振荡控制后 实现了不同频率下不同的电压调节 称为调频调压 f11 f12 u1 u2 三角波的频率 本装置正旋波一个周期含9个双极性正负窄脉冲 故三角波的频率应为基准正旋波频率50HZ的4 5倍 即225HZ SPWM波形成 225HZ的三角波载波信号进入选择器经同步处理后与基准正旋波一起送入比较器 输出SPWM波 再与来自封锁电路的信号一起送入与门 最后输出六路同幅值 不同宽度的脉冲等效正旋波 SPWM波 信号入逆变器的基极 SPWM变压变频调速的优点 1 主电路只有一个可控的功率环节 简化了结构 2 采用了不可控整流器 使电网功率因数提高 3 逆变器同时调频调压 动态效应不受中间环节影响 4 可获得更接近于正弦波的输出电压波形 四 交流主轴驱动 主轴驱动一般调速精度和范围较进给驱动为低 早期采用直流电机驱动 因其换向限制使其调速范围窄 现已广泛采用笼型异步交流电机 主轴驱动很少采用永磁同步电机 主要因为永磁同步电机的容量做得不够大 且电机成本较高 交流主轴电机结构与普通异步电机比较示意图 交流主轴电机总体结构也是由有三相绕组的定转子构成 一般专门设计 结构有自己的特色 如 为增加输出功率 减小体积 采用了定子铁心在空气中冷却的办法 没有机壳 在定子铁心上设通风孔 电机外形设计成多边形而不是圆形 以利通风 1 交流主轴电机结构特点 2 交流主轴电机的性能 交流主轴电机一般要求输出功率大 低速恒转矩调速和高速恒功率调速 交流电机的同步转速 旋转磁场转速 式中f1 定子电源频率 Hz p 磁极对数 s 转差率 交流电机的转子转速 根据异步电动机的理论 三相异步电机定子每相电动势的有效值为 式中U1 相电压E 定子每相感应电动势 f1 定子电源频率 W1 定子每相绕组匝数 K1 定子每相绕组等效匝数系数 每极气隙磁通量 根据电动机转矩关系式中 电磁转矩系数 转子电枢电流 转子电枢电流的相位角 W1 K1为常数 当U1和f1为额定值时 达到饱和状态 以额定值为介限 供电频率低于额定值时叫基频以下调速 高于额定值时叫基频以上调速 1 基频以下调速由上式可知 当 处于饱和值不变时 降低f1必须减小U1 保持U1 f1为常数 在基频以下调速时 保持 不变 即保持绕组电流不变 转矩不变 为恒转矩调速 式 中 2 基频以上调速在基频以上调速时 频率从额定值向上升高 受电机耐压的影响 相电压不能升高 只能保持额定电压值 在电动机定子内 因供电频率升高 使感抗增加 相电流降低 使磁通 减小 因而输出转矩也减小 但因转速升高而使输出的功率保持不变 这时为恒功率调速 下图是上述两种情况下的特性曲线 f1 基频 基频以上调速 基频以下调速 某些交流主轴电机功率 速度特性曲线 8 6 4 2 0 2000 4000 6000 8000 12000 n r min P KW 过载30min工作 连续工作 恒转矩调速 恒功率调速 在数控机床主轴交流电动机驱动中 广泛使用通用变频器进行驱动 所谓 通用 包含两方面的含义 一是可以和通用的异步电动机配套应用 二是具有多种可供选择的功能 可适应各种不同性质的负载 通用变频器的结构目前生产中应用的是通用变频器 根据功率的大小 从外形看有书本型结构 0 75 37kW 和装柜型结构 45 1500kW 两种 下图所示为书本型结构的通用变频器的外形和结构 五 通用变频器 1 底座2 外壳3 控制电路接线端子4 充电指示灯5 防护盖板6 前盖7 螺钉8 数字操作面板9 主电路接线端子10 接线孔 外形 结构 通用变频器的外形和结构 三菱FR A500系列变频器的配置 矢量控制是一种新型控制技术 应用这种技术 已使交流调速系统的静 动态性能接近或达到直流电动机的高性能 在数控机床的主轴与进给驱动中 矢量控制应用日益广泛 矢量控制概念 是把交流电动机解析成与直流电动机一样 根据磁场及其正交的电流的乘积就是转矩的这一基本原理 从理论上将电动机定子侧电流分解成建立磁场的励磁分量和产生转矩的转矩分量的两个正交矢量来处理 然后分别进行控制 故称矢量控制 六 矢量控制技术 通过测量和控制异步电动机定子电流矢量I1 根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制 从而达到控制异步电动机转矩的目的 具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 励磁电流Im 和产生转矩的电流分量 转矩电流I2 分别加以控制 并同时控制两分量间的幅值和相位 即控制定子电流矢量 矢量控制的基本原理 I1 定子输入电流矢量I2 转子转矩电流矢量Im 励磁电流矢量