数控技术课程平台兰州理工大学PPT学习教案

1、会计学1 数控技术课程平台兰州理工大学数控技术课程平台兰州理工大学 全闭环 精度高，但结构复杂、成本高，调试维修困难，适于大型精密数控系统。 半闭环 精度较全闭环差些，但结构简单，造价低且 便于调整。 交流伺服 直流伺服 数字伺服 具有较高精度、速度、和动态特性 定位与控制精度高，速度快，稳定性好，有故 障自诊断和报警功能 第1页/共70页 1对检测元器件的要求 1) 可靠性高、抗干扰能力强 2) 精度、速度满足要求 3) 对环境的适应性强，维护方便 4) 成本低、寿命长 5) 便于与数控系统联接 第2页/共70页 从检测的信号分 直线型 回转型 从传感器 输出信号分 模拟式 数字式 直线感应

2、同步器、长光栅、 长磁栅、激光干涉仪 旋转变压器、圆感应同步器、 圆光栅、圆磁栅、编码盘 光栅检测装置、脉冲编码盘 旋转变压器、感应同步器 第3页/共70页 感应同步器抗干扰能力强，对环境要求低，维护简单、 价格低，寿命较长，具有一定精度、应用较广。 光栅抗干扰能力强，高分辨率、大量程、测量精度高、 应用广泛，但成本较高，制造工艺要求高。 磁栅抗干扰能力强，对环境条件要求低，安装调整方便，精度高，但存在磁信号的稳定性，磁头磨损等问题，有应用。 第4页/共70页 旋转变压器抗干扰能力强、工作可靠、结构简单、动作灵敏、信号输出幅度大，对环境无特殊要求，维护方便，应用广泛。 脉冲编码盘工作可靠、精度

3、高，结构紧凑、成本低，是精密数字控制和伺服系统中常用的角位移数字式检测元器件，但抗污染能力差，易损坏。 激光干涉仪精度很高，但抗震性、抗干扰能力差，价格较贵，应用较少。 第5页/共70页 旋转变压器 旋转变压器按照互感原理工作定子绕组上分别加上交变励 磁电压当转子旋转时，通过电磁耦合，转子绕组内产生感 应电势感应电压. 定定 子子 U Uc c( (C Co os s) ) U Us s( (S Si in n) ) 转转 子子 U U 第6页/共70页 Us,Uc为定子正弦、余弦绕组上的激磁电压，k为变压 比，即定子绕组与转子绕组的匝数比W1/W2。 定定 子子 U Uc c( (C Co

4、os s) ) U Us s( (S Si in n) ) 转转 子子 U U 旋转变压器 U=kUsSin或 U=kUcCos 第7页/共70页 旋转变压器作为位置检测装置有两种应用方式： 鉴相方式和鉴幅方式。 1.鉴相工作方式 在旋转变压器定子的两相正交绕组，又称为正弦 和余弦绕组上，分别加上幅值相等、频率相同的 正弦、余弦激磁电压 Us=Umsint Uc=Umcost v旋转变压器的应用旋转变压器的应用 第8页/共70页 v旋转变压器的应用旋转变压器的应用 转子旋转后，两个激磁电压在转子绕组中产生的 感应电压线性叠加得总感应电压为： U=kUssin +kUccos =kUmcos(t

5、-) 由上式可知感应电压的相位角就等于转子的机 械转角。因此只要检测出转子输出电压的相位角 ，就知道了转子的转角，而且旋转变压器的转子 是和伺服电机或传动轴连接在一起的，从而可以求 得执行部件的角位移。 第9页/共70页 v旋转变压器的应用旋转变压器的应用 2.鉴幅工作方式 给定子的两个绕组分别通上频率、相位相同但幅 值不同，即调幅的少许磁电压（为机械转角） Us=Umsinsint Uc=Umcossint 则在转子绕组上得到感应电压为 U =kUssin +kUccos =kUmsint(sin sin +cos cos ) =kUmcos(-)sint 第10页/共70页 感应同步器工作

6、原理同旋 转变压器的工作原理相同 ，滑齿的两个激磁绕组通 以激磁电压，滑齿与定齿 相对移动时，在定齿上便 产生感应电压，感应电压 随位移的变化而变化。 节距为=2mm 第11页/共70页 这样滑尺在移动一个节距的过程中，感应电压变化了一个余弦波形。 设当滑尺相对定尺移动后，感 应电压逐渐变小，在错开1/4节 距的b点时，感应电压为零。再 继续移到1/2节距的c点时得到的 电压值与a点位置相同，但极性 相反。随后感应电压在3/4节距 位置d点时又变为零，在移动一 个节距到e点时，电压幅值与a 点位置相同。 第12页/共70页 定尺和滑尺绕组的节距均为2=2mm，当两 尺相 对移动2 后，感应电势

7、以余弦或正弦函数变化电 气角2 ，当相对移动距离为x时，则对应的感应 电压将变化一个相位角，由比例关系 /(2 )=x / ( 2 ) 可得 : = x/ 同理，因余弦绕组与正弦绕组错开1/4个节距，即 /2的相位角，由余弦绕组激磁在定尺上产生的感 应电压应按正弦规律变化。定尺上的总感应电压 ，是上述两个感应电压的线性叠加。 第13页/共70页 i.光栅检测装置的结构 光光源源 透透镜镜 标标尺尺光光栅栅G Gs s 指指示示光光栅栅G Gi i 光光电电元元件件 驱驱动动电电路路 驱驱动动 电电路路 执行部件带着标尺光栅相对指示光栅移动，通过读 数头的光电转换，发送出与位移量对应的数字脉冲

8、信号，用作位置反馈信号或位置显示信号 第14页/共70页 包括标尺光栅和指示光栅. 根据制造方法和光学原理不同，光栅可分为透射光栅和反射光栅. 透射光栅是在光学玻璃表面，或在玻璃表面感光材料的涂层上刻成光栅线纹。其特点是: 光源可以垂直入射，光电元件直接接受光照，因此信号幅值比较大，信噪比好，光电密度为200线/mm时，光栅本身就已经细分到.005mm从而减轻了电子线路的负担。 光光源源 透透镜镜 标标尺尺光光栅栅G Gs s 指指示示光光栅栅G Gi i 光光电电元元件件 驱驱动动电电路路 驱驱动动 电电路路 第15页/共70页 令k= W/ = 1/,则k为放大比。 如=0.01mm，取=

9、0.002 rad = 0.11o 则W=5mm, K=500, 即放大500倍，这样光栅节距虽小，摩尔条纹的节距却有5mm，因此摩尔条纹清晰可见，易于测量。 a.放大作用 b.误差均化作用 摩尔条纹是由许多根刻线共同形成的，这样可使光栅的节距误差得到平均化。 第16页/共70页 摩尔条纹的移动距离与光栅的移动距离成比例， 光栅横向移动一个节距，摩尔条纹正好沿刻线上 下移动一个节距W，或者说在光栅刻线的某一位 置，摩尔条纹明-暗-明变化一个周期，这为光 元件的安装与信号检测提供了良好的条件。 v利用脉冲变换电路可以提高光栅检测装置的 读数分辨率，有四倍、八倍、十倍、二十倍等 。 c. 测量位移

10、测量位移 第17页/共70页 是一种精度较高的位置检测装置。它 由磁性标尺、磁头、和检测电路组成。 磁尺 ： 伺伺 服服 系系 统统 数数 字字 显显 示示 尺尺 磁磁 检检 测测 电电 路路 磁磁 磁尺位置检测装置 第18页/共70页 v磁性标尺： 磁尺位置检测装置磁尺位置检测装置 磁尺按基本形状分为 平面实体形 磁 尺 一般长度为600mm 带 状 磁 尺基体厚0.2mm，宽70mm 线 状 磁 尺 长度小于1.5m，套装在磁头内 圆 形 磁 尺 做成磁盘状，检测角位移 表面录有相等节距（一般为0.05， 0.1，0.2，1mm）周期变化的磁信号。 N N N NN N N NS S S

11、S S S S S N N N N S S S S N N N N S S S S 磁磁尺尺 N N 磁磁头头 U U 第19页/共70页 磁尺位置检测装置 磁头是进行磁电转换的变换器，它把 反映空间位置的磁信号转换为电信号输 送到检测电路中去。 使用单个磁头的输出信号很小，实际使用中 常将几个到几十个磁头以一定的方式联接起 来，组成多间隙磁头。多间隙磁头中的每一 个磁头都以相同的间距m/2配置，相邻两个磁 头的输出绕组反向串接。如图（多间隙磁头 ） N NN NN NN NS SS SS SS SN NN NS SS SN NN NS SS S 磁磁 尺尺 N N 磁磁 头头 U U 第20

12、页/共70页 S S N NN N N N S S S S N N N N S SN N S S S S N N N N S S S S 求求和和 电电路路 带 带通 通滤 滤波 波器 器 限限幅幅放放 大大整整形形 功功放放 功功放放 低 低通 通滤 滤波 波器 器 分分频频率率 / /4 40 00 0 震震荡荡 器器2 2M MC C 9 90 0度度 移移相相 器器 检检相相 内内插插 电电路路 可 可逆 逆记 记数 数器 器译 译码 码器 器 数数字字 显显示示 代代码码输输出出 磁磁场场 分分布布 磁磁头头I I磁磁头头I II I 磁磁尺尺 ( (m m+ +1 1/ /4 4)

13、 ) 磁尺检测是模拟测量，检出信号是一模拟信号，必须经检 测电路处理变换，才能获得表示位移量的脉冲信号。 第21页/共70页 两个磁头I、II的激电流，由分频、滤波和功放 后获得，磁头移动距离x后的输出电压为： U1=U0sin(2/)sint U2=U0cos(2/)sint 在求和电路中相加，则得磁头总输出电压为： U=U0sin(t+2x/) 第22页/共70页 脉冲编码器是一种旋转式角位移检测装置，能 将机械转角变换成电脉冲，是数空机床上使用 最光的检测装置。 脉冲编码器的分类 增量式脉冲编码器 绝对式脉冲编码盘 光电式 接触式 电磁感应式 光电式 接触式 电磁感应式 第23页/共70

14、页 结构图 指示光栅有两组线纹A和B，每组线纹的节距和圆 光栅的节距相同，但A、B两组线纹彼此错开1/4 个节距，每组线纹与旋转圆光栅配合产生两路脉 冲A和B用于记数和辩向。 第24页/共70页 光源接通，圆光栅旋转 ，光线透过两个光栅的 A,B两组线纹，每转过 一个光栅节距，便在光 电元件上形成明暗 明变化一个周期的光信 号，并被转化为两组近 乎于正弦波的电压信号 ，连续旋转便得到A和 B两路正弦电压信号 放大、整形后得到所示 的方波信号A和B，如 光栅盘正转时A相超前 90o，反转时B相超前 90o。另外还产生一转 脉冲Z，Z为基准脉冲 ，或称零点脉冲，它是 圆光栅盘，可以作为坐 标原点的

15、信号，车削螺 纹时作为刀点的信号。 第25页/共70页 是一种绝对角度位置检测装置，它的位置输出信号是 某种制式的数码信号，它表示位移后所达到的绝对位置， 要用起点和终点的绝对位置的数码信号，经运算后才能得 到位移量的大小。 特点 电源切除后位置信息不会丢失，只要通电就能显示出所在的绝 对位置信号，因此在事故停机检修后，可以根据加工程序章上 标明的停机时的绝对位置，或停机时记录下来的绝对位置，用 绝对位移指令直接找回原机位置进行继续加工。 第26页/共70页 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 (2)0 (2)1 (2)2 (2)3 (a) 0 1 2 3

16、 4 5 6 78 9 10 11 12 13 1415 (2)0 (2)1 (2)2 (2)3 输输出出 二二进进制制编编码码盘盘葛葛莱莱编编码码盘盘 (b) 绝绝对对式式脉脉冲冲编编码码盘盘 第27页/共70页 码盘上有许多同心圆环，称为码道，整个圆盘又分 为若干个等分的扇形区段，每一相同的扇形区段的 码道组成一个数码，着色的码道为“1”，未着色的 码道为“0”，内环码道为数码的高位。 A图为二进制数码，B图为葛莱循环码 在圆盘的同一半径方向的每个码道处，如图的圆点 所示，安装一个光电元件，光源装在圆盘的另一侧 ，码盘转动，每一扇形区段愉的光信号通过光电元 件转换成数码脉冲信号。 第28页

17、/共70页 图中二进制的数码 1100的位置就是从0 位算起的第12个角 度绝对坐标位置， 换算成角度是（ 360/16）x12=270 的位置（编码盘分 为16个区段）。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 (2)0 (2)1 (2)2 (2)3 二进制编码盘二进制编码盘 第29页/共70页 纯二进制码有一个缺点：相邻两个二进制数可能有多 位二进制码不同，当数码切换时有多个数位要进行切 换，增大了误读的机率。 葛莱码相邻两个二进制数码只有一个数位不同，因此 两数切换时只在一位进行，提高了读数的可靠性。 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 111

18、2 13 14 15 0 1 2 3 4 5 6 78 9 10 11 12 13 1415 二进制编码盘二进制编码盘 葛莱编码盘葛莱编码盘 多多位位二二进进 码码不不同同 两种编码的可靠性的比较两种编码的可靠性的比较: 第30页/共70页 多圈式绝对编码器，综合了各种编码器的长处。其内部结构 如图所式。 固定窄缝固定窄缝 光码盘光码盘 A ALSILSI 线性线性 驱动驱动 LEDLED 转盘转盘 A B ZA B Z +5V+5V +3V+3V CPUCPU A A 磁电阻元件磁电阻元件 磁盘 磁盘 多圈式绝对编码器原理框图多圈式绝对编码器原理框图 第31页/共70页 它有一个光电码盘和一

19、个磁码盘，两条通道的信号经过检测 装置内部的CPU、大规模集成电路及驱动电路串行地输出绝对 位置信息。 这种编码器的优点是： 分辨率高 响应快 具有数据长期存储功能 串行输出，信号线少，可靠性高，便于长距离传输 第32页/共70页 (一) 对驱动元件的要求 1转动惯量小以提高系统的快速响应 3低速运行的稳定性、均匀性好以保证低速时的精度 2过载能力强以适应经常出现的过冲现象 第33页/共70页 1小惯量直流伺服电动机 1)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

20、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 第34页/共70页 1) 转矩大 2) 调速范围宽 10001500r/min 3) 转动惯量小 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 v特点： 2大惯量直流伺服电动机 第35页/共70页 小惯量 中惯量 大惯量 型 号 参数 OL 5L 10L H OM 20M 30M 0 10 20H 40 50 70H 输

21、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 暂定转矩(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) 2000 2000 2000 2000 1500 1200 2000 1500 1500 2000 2000 2000 电枢转动惯量 (9.8N.m2) 0.0001 9 0.0008 8 0.01 5 0.00 2 0.0

22、1 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 第36页/共70页 1笼型异步型伺服电动机 定子 对称三相绕组产生旋转磁场 转子 转子绕组（导体） 切割磁通产生感应电势 感应电流 电磁转矩 转子转动 转子转动方向与旋转磁场方向不同异步 转子转动速度小于旋转磁场速度n0

23、转差率 (三) 交流伺服电动机 第37页/共70页 2永磁同步型伺服电动机 v 定子 三相电枢绕组产生旋转磁场 v 转子 永磁体 产生恒定励磁磁场 v 通电的电枢绕组及载流导体切割磁力线产生电磁力 以反作用力方式驱动转子永磁体转动 v 转子转动的方向与旋转磁场方向相同同步 (三)交流伺服电动机 第38页/共70页 v 表表2 DC2 DC伺服电动机与伺服电动机与ACAC伺服电动机的比较伺服电动机的比较 机机 种种 比比 较较 内内 容容 永永 磁磁 同同 步步 型型 A C 伺伺 服服 电电 动动 机机 异异 步步 型型 A C 伺伺 服服 电电 动动 机机 D C 伺伺 服服 电电 动动 机

24、机 电电 机机 构构 造造 比比 较较 简简 单单 简简 单单 因因 有有 电电 刷刷 和和 换换 向向 器器 ， 结结 构构 复复 杂杂 变变 流流 机机 构构 C TR 或或 P-MO SFET 逆逆 变变 器器 或或 P-MO SFET 逆逆 变变 器器 大大 转转 矩矩 约约 束束 永永 磁磁 体体 去去 磁磁 无无 特特 殊殊 要要 求求 整整 流流 火火 花花 ， 永永 磁磁 体体 退退 磁磁 发发 热热 情情 况况 只只 有有 定定 子子 线线 圈圈 发发 热热 ， 有有 利利 定定 、转转 子子 均均 发发 热热 ，需需 采采 取取 措措 施施 转转 子子 发发 热热 ， 不不

25、 利利 高高 速速 化化 比比 较较 容容 易易 容容 易易 稍稍 有有 困困 难难 大大 容容 量量 化化 稍稍 微微 困困 难难 容容 易易 难难 制制 动动 容容 易易 困困 难难 容容 易易 控控 制制 方方 法法 稍稍 复复 杂杂 复复 杂杂 (矢矢 量量 控控 制制 ) 简简 单单 磁磁 通通 产产 生生 永永 磁磁 体体 二二 次次 感感 应应 磁磁 通通 永永 磁磁 体体 感感 应应 电电 压压 电电 枢枢 感感 应应 电电 压压 二二 次次 阻阻 抗抗 电电 压压 电电 枢枢 感感 应应 电电 压压 环环 境境 适适 应应 性性 好好 好好 受受 火火 花花 限限 制制 维维

26、 护护 性性 无无 无无 较较 麻麻 烦烦 第39页/共70页 1DC电动机转速公式 (一) 直流伺服电动机的调速 n= UD /Ce - RI/ Ce UD 电枢电压 Ce与电机结构有关的常数 励磁磁通 I 励磁电流 R电枢回路电阻 改变 UD 调速的方法 可控硅调速 PWM调速 第40页/共70页 1 ) 可控硅 电力半导体器件，是弱电控制到强电输出的桥梁作用。 包括：阳极（A）、阴极（K）、控制级（G） 导通条件：）阳极A： 阴极K： ）控制级G 加正向电压。 2可控硅调速（SCR-M） (一) 直流伺服电动机的调速 K A G 第41页/共70页 (一) 直流伺服电动机的调速 2) S

27、CR-M调速系统 特点：工作频率低，输出电压波形差，电流脉动分量大， 这不但使电机发热，工作条件恶化，也影响电网电压 波动。 位置检测及反馈 速度检测及反馈 位置 位置 速度 速度 电流 uk 指令 偏差 指令 偏差 指令 M M 电流检测反馈 UD M 第42页/共70页 1) 脉宽调速原理 3. 脉宽调制脉宽调制 ( (PWM) 原理与系统原理与系统 PWM Pulse Width Modulation 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。 S U u D MMM 第43页/共70页

28、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Ud为： Ud = U/T=rU r :导通率(脉宽系数) T一定 Ud =0 Ud=0 电机停止 =T Ud=U 最高转速 S U u D MMM 3. 脉宽调制脉宽调制 ( (PWM) 原理与系统原理与系统 PWM Pulse Width Modulation 1) 脉宽调速原理 uDuD Ud 1 Ud 2 TT T：500 2500Hz， 大大小于电动机的时间常数，故无转速脉动。 第44页/共70页 2) 脉宽调制器脉宽调制器 PWM 输入：电流调节器输出的直流电压Uc 输出：幅值恒定，宽度可变的矩形脉冲电压 方法：高频载波法、数

29、字脉宽调制、高频极限环法等 比较器 调制信号发生器 Uc Uc+D(t) e(t) D(t) + + 位置检测及反馈 速度检测及反馈 位置 位置 速度 速度 电流 uk 指令 偏差 指令 偏差 指令 M M 电流检测反馈 UD 第45页/共70页 调制信号发生器 产生频率、幅值都固定的高频载波信号D（t）, D(t)可以是三角波、锯齿波、正弦波 高频载波法的原理 直流输入信号Uc 叠加 在载波信号D(t)上， 再进入比较器。 比较器是一个具有继电器特性的电子元件，其输出信号是一个与D(t)同频率的矩形脉冲，脉冲占空比取决于Uc的大小。 2) 脉宽调制器 PWM 比较器 调制信号发生器 Uc U

30、c+D(t) e(t) D(t) + + 第46页/共70页 2) 脉宽调制器 PWM Vc D(t) e(t) e(t) Vc=0 Vc D(t) e(t) e(t) Vc0 Vc D(t) e(t) e(t) Vc0 e(t) e(t) +V Vc -V D(t) 第47页/共70页 3) 功率放大器 t t t Ub1 Ub2 Uab M VD 2 VD 1 VD 3 VD 4 ab V 1 V 2 V 3 V 4 Ed Ub3 t t Ub4 H型单极型PWM放大器原理器 第48页/共70页 3) 功率放大器 双极型PWM放大器原理器 Uab t t t Ub1 Ub2 M VD 2

31、VD 1 VD 3 VD 4 ab V 1 V 2 V 3 V 4 Ed Ub3 t t Ub4 第49页/共70页 4) PWM-M系统组成及工作原系统组成及工作原 理理 电压脉宽调制器 比较器 功率放大器 伺服 电机 调制信号发生器 Uc Uc+D(t) e(t) u4 D(t) + + PWM-M 特点： 开关频率高，仅靠电枢的电感作用， 即可获得满意的滤波作用，近似直流。无论高速或 低速电机转速和扭矩平滑均匀，调速比可以做得很 大，且发热小，寿命长。 第50页/共70页 1.交流调速方法 交流电动机调速公式： n = 60 f1(1-S)/P f1: 定子电源频率 变频调速 高效率、宽

32、范围、 高精度 P: 磁极对数 变 P调速 S: 转差率 变 S调速 (二二) 交流伺服电动机的调速交流伺服电动机的调速 第51页/共70页 (二) 交流伺服电动机的调速 2. PWM型变频器 v 构成 二极管整流器：交直变换，经电容器滤波平滑， 产生恒定的直流电压，输出给逆变器。 PWM逆变器：直交变换、调频、调压，产生电压、 频率可调交流电压,输出给伺服电动机的电枢绕组。 M 第52页/共70页 (二) 交流伺服电动机的调速 2. PWM型变频器 vPWM 逆变器原理逆变器原理 O a b 负负 载载 E d / 2 E d / 2 V D 1 V D 2 V T 1 V T 4V T 3

33、 V T 2 V D 3 V D 4 U a b U a b + E d - E d + E d - E d V T 1 、 V T 4 导 通 V T 2 、 V T 3 导 通 2 a ) b ) 逆 变 器 输 出 波 形 a ) 1 8 0 o通 电 输 出 波 形 b ) 脉 冲 宽 度 调 制 输 出 波 形 第53页/共70页 (二) 交流伺服电动机的调速 2. PWM型变频器 vPWM 逆变器原理逆变器原理 ED：二极管整流器输出的直流电压 VT1-VT4：大功率晶体管，工作于开关壮态 控制信号：加在VT1-VT4基极上的一组等副、不等宽的矩 形脉冲(调制信号)，由控制电路产生

34、。 输出信号：逆变器输出端Uab一组与控制信号频率相同、但 幅值放大的矩行脉冲。 第54页/共70页 改变VT1 、VY4和VT2 、VT3交替导通的时间改变输出波 形的频率； (二) 交流伺服电动机的调速 2. PWM型变频器 vPWM 逆变器原理逆变器原理 改变半周期内VT1 、VY4（或VT2 、VT3）的通断比改变 脉冲宽度改变输出电压幅值。 第55页/共70页 六只大功率晶体 管组成全桥式电 路，电动机定子 采用“Y”连接。 (二) 交流伺服电动机的调速 2. PWM型变频器 vPWM 逆变器原理逆变器原理 逆变器与电动机 定子三相绕组的 连接如图所示 A B z 电动机定子连接 x

35、 y VT1 VT4VT5 VT2 VT6 VT3 第56页/共70页 方波 三角波调制：输出波形的平均值按方波形式变化 三角波 载波信号，决定逆变器的开关频率。 3.PWM 3.PWM 控制信号形控制信号形 成成 方方波波控控制制信信号号三三角角波波控控制制信信号号 O O A A 第57页/共70页 *正弦波三角波调制：输出波形的平均值按正弦波形式变化 *方波、正弦波 控制信号，频率、幅值均可调，决定逆变器的输出频率和幅值，可以由矢量变换控制获得。 *两信号交叉点调制信号，即逆变器功率晶体管基极的控制信号 3.PWM 3.PWM 控制信号形控制信号形 成成 三三角角波波控控制制信信号号正正

36、弦弦波波控控制制信信号号 O O A A 第58页/共70页 4.4.失量变换控制原理失量变换控制原理 失量控制由德国学者于1972年提出,首先应用于感应(IM)电动 机中,目前也应用于永磁电动机 (PM)中,且更易实现,在高性能 伺服驱动系统中得以广泛应用。 失量控制是模仿直流电动机的控制得出的。 v直流伺服电动机 定子绕组通以电流If产生励磁磁通 电枢绕组通以电流Ia产生电磁转矩 If, Ia彼此独立，分别调节可以控制 、T 此外，励磁磁场和电枢电流空间角度是由电刷和机械换向所 固定，且是正交的，从而使电枢电流产生的电磁转矩最大。 第59页/共70页 4.4.失量变换控制原理失量变换控制原

37、理 同步：两磁场相互作用，转子产生转动，转速与旋转磁常相同 v永磁同步交流伺服电动 转子永磁体产生恒定的励磁磁场 定子三相电枢绕组电枢电流产生旋转磁场 励磁磁场与电枢电流的空间角度不是固定的，随负载而变化， 故不能简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。 第60页/共70页 4.4.失量变换控制原理失量变换控制原理 设计一控制系统，对电枢电流相对励磁磁场进行空间定向控 制角度控制；同时也控制电枢电流幅值幅值控制， 统称失量控制。 在角度控制中，选择使电枢磁场与励磁磁场空间角度正交 磁场定向，使电枢电流产生的电磁转矩最大，以实现直流伺服 电动机的严格模拟。 v永磁同步交流伺服电动 第61页/共

38、70页 v交流调速系统控制回路的结构与原理如下图：交流调速系统控制回路的结构与原理如下图： 晶晶 体体 管管 桥桥 基基 级级 驱驱 动动 基基 级级 驱驱 动动 基基 级级 驱驱 动动 基基 级级 驱驱 动动 基基 级级 驱驱 动动 基基 级级 驱驱 动动 比比 较较 器器 比比 较较 器器 比比 较较 器器 U Uu u U Uv v U Uw w A A C C R R 电电 流流 反反 馈馈 正正 弦弦 波波 P P W W M M 回回 路路 三三 角角 波波 产产 生生 回回 路路 S S M M 3 3 - - B B R R 转转 子子 位位 置置 检检 测测 回回 路路 正正 弦弦 波波 产产 生生 回回 路路 速速 度度 检检 测测 回回 路路 D D C C S S I I N N 变变 换换 回回 路路 A A S S R R U U U U A A C C 伺伺