第6章 异步电动机调速系统及主轴驱动

1、异步电动机调速系统及主轴驱动异步电动机调速系统及主轴驱动伺服运动控制伺服运动控制第 6 章内容提要内容提要第第1 1节节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统 第第2 2节节 数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求 第第3 3节节 直流主轴控制单元直流主轴控制单元 第第4 4节节 交流主轴控制单元交流主轴控制单元 第第5 5节节 主轴定向控制主轴定向控制 当电动机的三相定子绕组（各相差当电动机的三相定子绕组（各相差120120电角度），通入三相交流电电角度），通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中后，将产生一个旋

2、转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。 但定子旋转磁场转速和转子转速不同。但定子旋转磁场转速和转子转速不同。 三相异步电动机的工作原理：三相异步电动机的工作原理：第第1 1节节 异步电动机变频调速系统异步电动机变频调速系统 变频调速：变频调速：通过改变电动机

3、定子供电频率来改变同步转速，从而通过改变电动机定子供电频率来改变同步转速，从而实现交流电动机调速的一种方法，变频调速调速范围宽，平滑性好，实现交流电动机调速的一种方法，变频调速调速范围宽，平滑性好，具有优良的动、静态特性，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。具有优良的动、静态特性，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。u 对交流电动机进行变频调速，需要一套变频电源，过去大多采用对交流电动机进行变频调速，需要一套变频电源，过去大多采用旋旋转变频发电机组转变频发电机组作为电源，但这些设备庞大、可靠性差。作为电源，但这些设备庞大、可靠性差。u 随着随着晶闸管及各种大功率电力电子器件晶闸管及各种大功

4、率电力电子器件如：如：GTRGTR、GTOGTO、MOSFETMOSFET、IGBTIGBT等的问世，各种静止变频电源获得了迅速发展，它们具有重量轻、等的问世，各种静止变频电源获得了迅速发展，它们具有重量轻、体积小、维护方便、惯性小和效率高等优点，但由其组成的变频电路体积小、维护方便、惯性小和效率高等优点，但由其组成的变频电路较复杂，造价较高。较复杂，造价较高。u 随着随着功率集成电路功率集成电路的出现，产品价格随之降低，它集功率开关器件、的出现，产品价格随之降低，它集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，可靠性高，维护方便。因此，驱动电路、保护电路、接口电路于一体，可靠性高，维护

5、方便。因此，目前变频调速已成为交流调速的主要发展方向。目前变频调速已成为交流调速的主要发展方向。u在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性的进展。性的进展。7070年代初提出的年代初提出的矢量控制理论矢量控制理论，使交流调速获得了与直流，使交流调速获得了与直流调速同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的调速同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代，时代，8080年代中期又提出了年代中期又提出了直接转矩控制理论直接转矩控制理论，其控制结构简单，便，其控制结构简单，便于实现数字化，

6、所以变频调速是最有前途的一种交流调速方式。于实现数字化，所以变频调速是最有前途的一种交流调速方式。1. 1. 调速原理调速原理 根据电机学原理可知，异步电动机的转速为：根据电机学原理可知，异步电动机的转速为：)1 (60)1 (10spfsnn式中，式中，0n异步电机同步转速；异步电机同步转速；1f定子供电频率；定子供电频率； p电动机的极对数；电动机的极对数； s转差率。转差率。 一、变频调速基本原理一、变频调速基本原理n由此可见，若能连续地改变异步电动机的供电频率由此可见，若能连续地改变异步电动机的供电频率, ,就可以平滑地就可以平滑地改变电动机的同步速度及电动机轴上的转速，从而实现异步电

7、动改变电动机的同步速度及电动机轴上的转速，从而实现异步电动机的无级调速，机的无级调速，这就是变频调速的基本原理这就是变频调速的基本原理。n变频调速的最大特点是：变频调速的最大特点是：电动机从高速到低速，其转差率始终保电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的数值，因此变频调速时，异步电动机的功率因数都很高。持最小的数值，因此变频调速时，异步电动机的功率因数都很高。但它需要特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。但它需要特殊的变频装置供电，以实现电压和频率的协调控制。u 三相异步电动机定子三相异步电动机定子每相感应电动势的有效值每相感应电动势的有效值是：是： （6-3）式中，式中， 定子

8、绕组每相串联匝数，定子绕组每相串联匝数， 基波绕组系数，基波绕组系数， 每极气隙磁通。每极气隙磁通。 由式由式(6-3)(6-3)可见，只要控制好可见，只要控制好E1E1和和f 1 1，便可达到，便可达到控制控制磁通磁通的目的，的目的，对此，对此，需考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。需考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 mNkNfE 111144. 4 N1k1Nm 变频调速的过程中需保持每极磁通恒定，不能太高（铁心过分饱变频调速的过程中需保持每极磁通恒定，不能太高（铁心过分饱和，励磁电流过大，绕组过分发热，功率因数降低），也不能太低和，励磁电流过大，绕组过分发热，功率因数

9、降低），也不能太低（铁心没有充分利用）。（铁心没有充分利用）。 由式由式(6-3)(6-3)可知，要保持磁通不变，当可知，要保持磁通不变，当频率从额定值向下调节时频率从额定值向下调节时，必须同时降低必须同时降低E1E1使使: : 常数常数 即即采用恒电动势频比控制方式采用恒电动势频比控制方式。 当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，而认为定子当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，而认为定子相电压相电压U1U1E1E1，则得：，则得： 常数常数这是这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。 11fE 11fU2. 2. 基频以下调速基频以下调速 在基频以上调速时，频率可以从在

10、基频以上调速时，频率可以从 往上提高，但电压往上提高，但电压 却不能在额却不能在额定电压上增加了，最多只能保持定电压上增加了，最多只能保持 不变。由式不变。由式(6-3)(6-3)可知，可知，这将迫这将迫使磁通与频率成反比地减少使磁通与频率成反比地减少，相当于直流电动机弱磁升速的情况。，相当于直流电动机弱磁升速的情况。 图图6-1 6-1 恒压频比控制特性恒压频比控制特性 图图6-2 6-2 异步电动机变频调速控制特性异步电动机变频调速控制特性 Nf11UNUU11 3. 3. 基频以上调速基频以上调速额定电压额定电压a-a-恒电压频率比恒电压频率比b-b-恒电势频率比恒电势频率比（一）（一）

11、SPWMSPWM逆变器的工作原理逆变器的工作原理 1. 1. 基本概念基本概念 为了更好地控制异步电动机速度，不但要求变频器输出为了更好地控制异步电动机速度，不但要求变频器输出频率和电频率和电压大小可调压大小可调，而且，而且要求输出波形尽可能接近正弦波（尽量减少谐波损要求输出波形尽可能接近正弦波（尽量减少谐波损耗）耗）。即要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电。即要求采用对称的三相正弦波电源为三相交流电动机供电。二、正弦波脉宽调制（二、正弦波脉宽调制（SPWMSPWM）原理）原理 在采样控制理论中有一个重要结论在采样控制理论中有一个重要结论，冲量（窄脉冲的面积）相等而形状不同冲量（窄

12、脉冲的面积）相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同效果基本相同-该结论是该结论是PWMPWM控制的控制的重要理论基础。重要理论基础。 将图将图6-3(a)6-3(a)所示的正弦波分成所示的正弦波分成N N等等份，即把正弦半波看成由份，即把正弦半波看成由N N个彼此相连个彼此相连的脉冲所组成。这些脉冲宽度相等（均的脉冲所组成。这些脉冲宽度相等（均为为/N/N），但幅值不等，其幅值是按正），但幅值不等，其幅值是按正弦规律变化的曲线。弦规律变化的曲线。 我们把每一等份的正弦曲线与横轴我们把每一等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

13、的所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形等高矩形脉冲来代替，脉冲来代替，矩形脉冲的中点矩形脉冲的中点与正弦脉冲的中点重合，且使各矩形脉与正弦脉冲的中点重合，且使各矩形脉冲面积与相应各正弦部分面积相等，冲面积与相应各正弦部分面积相等，就就得到图得到图6-3(b)6-3(b)所示的脉冲序列。所示的脉冲序列。根据上根据上述冲量相等效果相同的原理，述冲量相等效果相同的原理，该矩形脉该矩形脉冲序列与正弦半波是等效的。冲序列与正弦半波是等效的。图图6-3 6-3 与正弦波等效的等幅脉冲序列与正弦波等效的等幅脉冲序列 a) a) 正弦波形正弦波形 b) b)等效的正弦波形等效的正弦波形 同样，正弦波的负

14、半周也可用相同的方法来等效。同样，正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 由图由图6-36-3可见，各矩形脉冲在幅值不变的条件下，其宽度随正可见，各矩形脉冲在幅值不变的条件下，其宽度随正弦规律变化。这种弦规律变化。这种宽度按正弦规律变化并和正弦波等效的矩形脉冲宽度按正弦规律变化并和正弦波等效的矩形脉冲序列称为序列称为SPWMSPWM波形波形。 图图6-3(b)6-3(b)的矩形脉冲系列就是的矩形脉冲系列就是所期望的变频器输出波形所期望的变频器输出波形。通常。通常将输出为将输出为SPWMSPWM波形的变频器称为波形的变频器称为SPWMSPWM型变频器型变频器。 当变频器各开关器件工作在理想状态下

15、时，驱动相应开关器件当变频器各开关器件工作在理想状态下时，驱动相应开关器件的信号也应为与图的信号也应为与图6-3(b)6-3(b)形状相似的一系列脉冲波形。由于各脉冲形状相似的一系列脉冲波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电可由恒定的直流电源供电，即变频器中的，即变频器中的变流器采用不可控的二极管整流器就可以了。变流器采用不可控的二极管整流器就可以了。 图图6-4(a)6-4(a)是是SPWMSPWM变频器的主回路。变频器的主回路。VT1-VT6是逆变器的六个功率是逆变器的六个功率开关器件，开关器件， VD1-VD6用于处理无功功率反馈的二极管。整个

16、逆变器用于处理无功功率反馈的二极管。整个逆变器由三相整流器提供的恒值直流电压由三相整流器提供的恒值直流电压US供电。供电。 2. 2. 工作原理工作原理不可控的二不可控的二极管整流器极管整流器 图图6-4(b)6-4(b)是它的控制电路，一组三相对称的是它的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号正弦参考电压信号UrUrA A、 Ur UrB B 、UrUrC C由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的由参考信号发生器提供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所有要求的输出频率范围内可调；其幅值也可在一基波频率，应在所有要求的输出频率范围内可调；其幅值也可在一定范围内变化，以决定输出电压的

17、大小。定范围内变化，以决定输出电压的大小。 三角波载波信号三角波载波信号UtUt是共用的，分别与每相参考电压比较后，给是共用的，分别与每相参考电压比较后，给出出“正正”或或“零零”的饱和输出，产生的饱和输出，产生脉冲序列波：脉冲序列波：UdA,UdB,UdCUdA,UdB,UdC，作为逆变器功率开关元件的输出控制信号。作为逆变器功率开关元件的输出控制信号。图图6-5 6-5 单极性脉宽调制模式（单相）单极性脉宽调制模式（单相） 图图6-6 6-6 双极性脉宽调制模式（单相）双极性脉宽调制模式（单相） 控制方式：单极式和双极式控制方式：单极式和双极式n采用单极式控制时，在正弦波的半个周期内采用单

18、极式控制时，在正弦波的半个周期内每相只有一个功率开关开每相只有一个功率开关开通或关断通或关断。其调制情况如图。其调制情况如图6-56-5所示。所示。n采用双极式控制时，在采用双极式控制时，在同一桥臂上下两个功率开关交替通断，处于互同一桥臂上下两个功率开关交替通断，处于互补的工作方式补的工作方式，其调制情况如图，其调制情况如图6-66-6所示。所示。 在在SPWMSPWM逆变器中，逆变器中，三角波电压频率三角波电压频率f t与与参照电压频率参照电压频率f r之比之比N=N=f t/ /f r称为称为载波比载波比，也称，也称调制比调制比。根据载波比的变化与否，。根据载波比的变化与否，SPWMSPW

19、M调制方式可调制方式可分为同步式、异步式和分段同步式。分为同步式、异步式和分段同步式。 1.1.同步调制方式同步调制方式 2.2.异步调制方式异步调制方式 3.3.分段同步调制方式分段同步调制方式（二）（二）SPWMSPWM逆变器的调制方式逆变器的调制方式 载波比载波比N N等于常数时称同步调制方式等于常数时称同步调制方式。同步调制方式在逆变器输出。同步调制方式在逆变器输出电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的电压每个周期内所采用的三角波电压数目是固定的，因而所产生的SPWMSPWM脉冲数是一定的。脉冲数是一定的。n 优点：优点：在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输

20、出波形的在逆变器输出频率变化的整个范围内，皆可保持输出波形的正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输正、负半波完全对称，只有奇次谐波存在。而且能严格保证逆变器输出三相波形之间具有出三相波形之间具有120120相位移的对称关系。相位移的对称关系。n 缺点：缺点：当逆变器输出频率很低时，每个周期内的当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWMSPWM脉冲数过少，脉冲数过少，低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。低频谐波分量较大，使负载电动机产生转矩脉动和噪声。1.1.同步调制方式同步调制方式 异步调制方式：异步调制方式：即在逆变器的整个变频范围内，即在逆变器的整个变

21、频范围内，载波比载波比N N不是一个不是一个常数常数。一般在改变参照波频率一般在改变参照波频率f r时保持三角波频率时保持三角波频率f t不变不变，因而提高了因而提高了低频时的载波比，低频时的载波比，n 优点：优点：这样逆变器输出电压每个周期内这样逆变器输出电压每个周期内PWMPWM脉冲数可随输出频率的降脉冲数可随输出频率的降低而增加低而增加，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系，相应地可减少负载电动机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。统的低频工作特性。n 缺点：缺点：当载波比当载波比N N随着输出频率的降低而连续变化时，它不可能总是随着输出频率的降低而连续变化时

22、，它不可能总是的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输的倍数，势必使输出电压波形及其相位都发生变化，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。出的对称性，因而引起电动机工作不平稳。 2.2.异步调制方式异步调制方式 实际应用中，多采用实际应用中，多采用分段同步调制方式分段同步调制方式，具体地说，把整个变频范，具体地说，把整个变频范围划分为若干频段，在每个频段内都维持围划分为若干频段，在每个频段内都维持N N恒定，而对不同的频段取不恒定，而对不同的频段取不同的同的N N值，值，频率低时，频率低时，N N值取大些值取大些。n 优点：优点：它集同步和异步调制方式之所长，

23、而克服了两者的不足。在一它集同步和异步调制方式之所长，而克服了两者的不足。在一定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行定频率范围内采用同步调制，以保持输出波形对称的优点，在低频运行时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调时，使载波比有级地增大，以采纳异步调制的长处，这就是分段同步调制方式。制方式。n 缺点：缺点：采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增采用分段同步调制方式，需要增加调制脉冲切换电路，从而增加控制电路的复杂性。加控制电路的复杂性。 3.3.分段同步调制方式分段同步调制方式 SPWMSPWM波可通过波可通过模拟电路模拟电路、

24、数字电路数字电路或或专用的大规律集成电专用的大规律集成电路芯片路芯片等硬件实现，也可用控制计算机的等硬件实现，也可用控制计算机的软件生成软件生成。 生成生成SPWMSPWM波的方法有多种，但其目标只有一个，尽量减少逆波的方法有多种，但其目标只有一个，尽量减少逆变器的输出谐波分量和计算机的工作量，使计算机能更好地完成变器的输出谐波分量和计算机的工作量，使计算机能更好地完成实时控制任务。实时控制任务。（三）（三）SPWMSPWM波的实现波的实现 关于开关点的算法，可分为两类：一是采样法，二是最佳法。关于开关点的算法，可分为两类：一是采样法，二是最佳法。 采样法：采样法：是从载波与调制波相比较产生是

25、从载波与调制波相比较产生SPWMSPWM波的思路出发，导出开关波的思路出发，导出开关点算法，然后按此算法实时计算或离线算出开关点，通过定时控制，发点算法，然后按此算法实时计算或离线算出开关点，通过定时控制，发出驱动信号的上升沿或下降沿，形成出驱动信号的上升沿或下降沿，形成SPWMSPWM波。波。 最佳法：最佳法：是预先通过某种指标下的优化计算，求出是预先通过某种指标下的优化计算，求出SPWMSPWM波的开关点，波的开关点，其其突出优点是可以预先去掉指定阶次的谐波突出优点是可以预先去掉指定阶次的谐波，最佳法计算的工作量很大，最佳法计算的工作量很大，一般要先离线算出最佳开关点，以表格形势存入内存，

26、运行时再查表进一般要先离线算出最佳开关点，以表格形势存入内存，运行时再查表进行定时控制，发出行定时控制，发出SPWMSPWM信号。信号。 这里讨论几种常用的算法。这里讨论几种常用的算法。 根据根据SPWMSPWM逆变器的工作原理，在逆变器的工作原理，在正弦波和三角波的正弦波和三角波的自然交点时刻自然交点时刻控制控制功率开关元件的通断，这种生成功率开关元件的通断，这种生成SPWMSPWM波的方法称为波的方法称为自然采样法自然采样法。如图。如图6-76-7中，截取了任意一段正弦波与三角波中，截取了任意一段正弦波与三角波的一个周期长度内的相交情况。的一个周期长度内的相交情况。A A点点为脉冲发生时刻

27、，为脉冲发生时刻，B B电为脉冲结束时电为脉冲结束时刻，刻，在三角波的一个周期在三角波的一个周期T Tc c内，内，t t2 2为为SPWMSPWM波的高电平时间，称作脉宽时间波的高电平时间，称作脉宽时间，t t1 1与与t t3 3则为低电平时间，称为则为低电平时间，称为间隙时间隙时间间。显然。显然: : 。 定义调制波与载波的幅值比为调定义调制波与载波的幅值比为调制比制比M=Urm/ Utm，设三角载波幅值，设三角载波幅值Utm=1，则调制波，则调制波: : 321tttTc tMu1rsin 1.1.自然采样法自然采样法图图6-7 6-7 自然采样法自然采样法 式中：式中： 为调制波角频

28、率，即输出角频率。为调制波角频率，即输出角频率。A A、B B两点对三角两点对三角波的中心线来说是不对称的，因此，波的中心线来说是不对称的，因此，t2分成的分成的t2和和t2”两个互不相等两个互不相等的时间段，联立求解两对相似直角三角形，则的时间段，联立求解两对相似直角三角形，则: :2/2cTt2sin1A1tM 2/ 2cTt2sin1B1tM )sin(sin212B1A1C222ttMTttt 自然采样法虽能真实地反映脉冲产生与结束的时刻自然采样法虽能真实地反映脉冲产生与结束的时刻，却难以在实时，却难以在实时控制中在线实现，因为，控制中在线实现，因为，t tA A与与t tB B都是未

29、知数，都是未知数，t t22t t3 3，t t22t t2”2”，求，求取时需花费较多的计算时间。即使可先将计算结果存入内存，控制过程取时需花费较多的计算时间。即使可先将计算结果存入内存，控制过程中查表定时，也会因参数过多而占用计算机太多内存和时间，所以，中查表定时，也会因参数过多而占用计算机太多内存和时间，所以，此此法仅限于调速范围有限的场合。法仅限于调速范围有限的场合。= 规则采样法就是在三角载波规则采样法就是在三角载波每一周期内的固定时刻每一周期内的固定时刻，找到正弦参考，找到正弦参考波上的对应电压值，以此值对三角波进行采样以决定功率元件的通、断波上的对应电压值，以此值对三角波进行采样

30、以决定功率元件的通、断时刻。时刻。采样采样法：法：图图6-8(a)6-8(a)所示为规则所示为规则采样采样法法生成的生成的SPWMSPWM波。它以波。它以三角波正三角波正峰值时峰值时找到正弦波上的对应点找到正弦波上的对应点D D点，得到点，得到 ，用对三角波采，用对三角波采样，得到样，得到A A、B B两点。两点。 可见，在此法中，开关点可见，在此法中，开关点A A、B B位与正弦波的同一侧，这使所得的脉位与正弦波的同一侧，这使所得的脉冲冲宽度明显偏小宽度明显偏小，从而造成较大的控制误差。，从而造成较大的控制误差。采样采样法：法：在图在图6-8(b)6-8(b)所示的规则所示的规则采样采样法法

31、中，以三角波的中，以三角波的负峰值负峰值时找时找到正弦波上的对应点到正弦波上的对应点E E，得到，得到 ，再用对三角波采样，得到，再用对三角波采样，得到A A、B B两开关点。可见，此时两开关点。可见，此时A A、B B两开关点位于正弦波的两侧，这样减少了两开关点位于正弦波的两侧，这样减少了脉宽生成误差，使所得脉宽生成误差，使所得SPWMSPWM波波更为准确更为准确。 drdtMU1sin eretMU1sin 2. 2. 规则采样法规则采样法 (a) (a) 规则采样规则采样法法 (b) (b) 规则采样规则采样法法 图图6-8 规则采样法规则采样法n在规则采样法中，每个三角载波周期的开关点

32、都是确定的，所生在规则采样法中，每个三角载波周期的开关点都是确定的，所生成的成的SPWMSPWM波的脉冲宽度和位置可预先计算出来。由图波的脉冲宽度和位置可预先计算出来。由图6-8(b)6-8(b)的几的几何关系得到何关系得到脉宽时间脉宽时间为：为： 式中，式中，t te e为三角波的中点为三角波的中点( (即负峰值即负峰值) )。n间隙时间为：间隙时间为：)sin1(2e1C2tMTt )(212C31tTtt 以消去输出电压中某些指定次数谐波（主要是低次谐波）为目以消去输出电压中某些指定次数谐波（主要是低次谐波）为目的，的，通过计算通过计算来确定各脉冲的开关时刻，这种方法称为来确定各脉冲的开

33、关时刻，这种方法称为低次谐波消低次谐波消去法去法。在该法中，已经不用三角载波和正弦调制波的比较产生，但。在该法中，已经不用三角载波和正弦调制波的比较产生，但其目的仍是使输出电压波形尽可能接近正弦波，因此，也算是其目的仍是使输出电压波形尽可能接近正弦波，因此，也算是SPWMSPWM波生成的一种方法。波生成的一种方法。 该法可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低该法可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会增大，但它们的次数已比所消去的谐波次数高，次谐波的幅值可能会增大，但它们的次数已比所消去的谐波次数高，因而较易滤去。因而较易滤去。 3. 3. 指定谐波消除

34、法指定谐波消除法 （一）（一）U/FU/F控制方式及其机械特性控制方式及其机械特性 异步电机要求在调频的同时，改变定子电压异步电机要求在调频的同时，改变定子电压U1以维持以维持m近似不变。近似不变。根据根据U1与与f1配合得到不同的控制方式。配合得到不同的控制方式。1. 1. 恒压恒频时异步电动机的机械特性：恒压恒频时异步电动机的机械特性： （6-46-4）当定子电压当定子电压U1和频率和频率f 1都为恒定值时都为恒定值时，可以把它改写成如下的形式：，可以把它改写成如下的形式： （6-56-5） 2212211221)()(3xxsrrsrpUTe 22121222121211)()(3LLs

35、rsrrsUpTe 三、三、U/FU/F变频器调速系统变频器调速系统图图6-11 6-11 异步电动机的稳态等效电路异步电动机的稳态等效电路 当当S S很小时：很小时：s321211 rsUpTe 当当s s很小时很小时，转矩与，转矩与s s近似成正比，机械特性近似成正比，机械特性TeTe是一段直线；是一段直线； 当当s s较大时较大时，转矩近似与，转矩近似与s s成反比，机械特性是对称于原点的一段双曲成反比，机械特性是对称于原点的一段双曲线线, ,机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，如图机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，如图6-96-9所示。所示。图图6-9 6-9 恒压恒频时异步电动机的

36、机械特性恒压恒频时异步电动机的机械特性 1 1）恒）恒U1/1控制控制：当：当U1/1等于恒值时，最大转矩等于恒值时，最大转矩Te(max)随角频率随角频率1的的变化关系为：变化关系为： 可见可见Te(max)是随着是随着1的降低而减小的。频率很低时，的降低而减小的。频率很低时，Te(max)太小将限制太小将限制调速系统的带载能力。采用定子压降补偿，适当提高电压调速系统的带载能力。采用定子压降补偿，适当提高电压U1U1可以增强带载可以增强带载能力如图能力如图6-106-10所示。所示。22121111211(max)(123LLrrUpTe 2.2.电压、频率协调控制下的机械特性电压、频率协调

37、控制下的机械特性图图6-10 恒压频比时变频调速的机械特性恒压频比时变频调速的机械特性2 2）恒）恒 控制控制 恒恒 控制时的机械特性方程式可由异步电动机稳态等效电路导出，控制时的机械特性方程式可由异步电动机稳态等效电路导出，如图如图6-116-11所示。所示。 从等效电路图中可以得出：从等效电路图中可以得出： （6-86-8） 将式（将式（6-86-8）代入电磁转矩基本关系式，得）代入电磁转矩基本关系式，得 （6-96-9） 这就是恒这就是恒 时的机械特性方程式。时的机械特性方程式。11 E11E 22212212LsrEI 2221222212113LsrrsEpTe 11 E 与恒压频比

38、控制时相同，与恒压频比控制时相同，当当s s较小时较小时，转矩近似与，转矩近似与s s成正比，机械特性成正比，机械特性是一段直线；是一段直线；当当s s较大时较大时，转矩近似与，转矩近似与s s成反比，机械特性是对称于原点的一成反比，机械特性是对称于原点的一段双曲线，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡。段双曲线，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡。不同的是不同的是，恒，恒 控控制的转矩公式分母中含制的转矩公式分母中含s s项要小于恒项要小于恒 控制控制的转矩公式中的同类项，控制控制的转矩公式中的同类项，因此，恒因此，恒 控制的机械特性控制的机械特性线性段范围会更宽一些线性段范围会更宽一些。 图

39、图6-126-12中同时绘出了不同协调控制方式的机械特性。中同时绘出了不同协调控制方式的机械特性。 将式（将式（6-96-9）对）对s s求导，并令求导，并令 ，求得恒，求得恒 控制时异步电动控制时异步电动机的最大转矩为机的最大转矩为: : (6-13) 可见，保持可见，保持 恒定进行变频调速时，最大转矩保持不变。恒定进行变频调速时，最大转矩保持不变。所以恒所以恒 控制的稳态性能是优于恒压频比控制的控制的稳态性能是优于恒压频比控制的，它正是恒压频比控制时补偿定子阻它正是恒压频比控制时补偿定子阻抗压降所追求的目标。抗压降所追求的目标。11 E11 E11 U0/ dsdTe11 E1232211

40、(max)LEpTe 11 E11 E图图6-12 6-12 不同协调控制方式的机械特性不同协调控制方式的机械特性 在基频以上调速时，应保持定子电压为额定值不变，即在基频以上调速时，应保持定子电压为额定值不变，即 。相应最大转矩为：相应最大转矩为： （6-16） 可见，可见，保持电压为额定值进行变频调速时，最大转矩将随保持电压为额定值进行变频调速时，最大转矩将随f 1的升高而的升高而减少。减少。机械特性如图（机械特性如图（6-136-13）所示。）所示。NUU11 22121211121(max)(23rrrrpUTe 3 3）保持电压为额定值的恒功率控制方式和机械特性）保持电压为额定值的恒功

41、率控制方式和机械特性图图6-13 6-13 保持保持 时变频调速机械特性时变频调速机械特性NUU11（二）（二） V/F控制系统组成及工作原理控制系统组成及工作原理1. 1. 恒压频比控制的转速开环电压型变频调速系统恒压频比控制的转速开环电压型变频调速系统1 1）给定积分器）给定积分器GIGI 设置给定积分器是为了设置给定积分器是为了将阶跃给定信号转变为斜坡信号将阶跃给定信号转变为斜坡信号，作用于整，作用于整流和逆变回路，以清除阶跃给定过大的冲击，使系统中的电压、电流、流和逆变回路，以清除阶跃给定过大的冲击，使系统中的电压、电流、逆变频率和电机转速都能稳步上升，以提高系统的可靠性。因此，给定逆

42、变频率和电机转速都能稳步上升，以提高系统的可靠性。因此，给定积分器也称为软启动器，如图所示。积分器也称为软启动器，如图所示。系统对给定积分器的要求是：系统对给定积分器的要求是：(1)(1)工作稳定、可靠；工作稳定、可靠；(2)(2)斜坡的线性度高；斜坡的线性度高；(3)(3)能在一定范围内调节积分时间常数。能在一定范围内调节积分时间常数。给定积分器的原理图如下页图所示。给定积分器的原理图如下页图所示。 A1A1接成高放大倍数的比例器，采用同相端接成高放大倍数的比例器，采用同相端(2)(2)输入。由于输入。由于A2A2采用反相采用反相端端(1)(1)输入，因此输入，因此A1A1(2)的两个输入量

43、是相减的。由于的两个输入量是相减的。由于A1A1是高放大倍数的是高放大倍数的比例器，因此只要其比例器，因此只要其(2)(2)端有微小的电压，就会使端有微小的电压，就会使A1A1的输出的输出(11(11端端) )达到饱达到饱和状态。在和状态。在A1A1的输出端采用对接的稳压管，以取得恒定的电压。用电位的输出端采用对接的稳压管，以取得恒定的电压。用电位器器RP2RP2取得不同的分压，供取得不同的分压，供A2A2使用。使用。具体原理：具体原理： A2A2为积分器，采用反相端输入。在为积分器，采用反相端输入。在R7R7和和C C值已定的情况下，值已定的情况下，改变改变RP2RP2的分压比，即可改变给定

44、积分器的积分时间常数。的分压比，即可改变给定积分器的积分时间常数。 A2 A2的输出经电阻的输出经电阻R10R10反馈至第一级运算放大器的输入端，与给定量反馈至第一级运算放大器的输入端，与给定量进行比较。在反馈量不等于给定量的情况下，第一级运算放大器的输进行比较。在反馈量不等于给定量的情况下，第一级运算放大器的输出点是在饱和状态，迫使第二级运算放大器继续积分，直到反馈量等出点是在饱和状态，迫使第二级运算放大器继续积分，直到反馈量等于给定量。于给定量。 给定积分器的输出作为绝对值运算器和逻辑开关的输入。给定积分器的输出作为绝对值运算器和逻辑开关的输入。2 2）绝对值运算器）绝对值运算器 绝对值运

45、算器把给定积分器送来的绝对值运算器把给定积分器送来的( (正值或负值正值或负值) )信号的转换为正值信号的转换为正值信号的输出。其输出值的大小跟随给定积分器送来的输入值。信号的输出。其输出值的大小跟随给定积分器送来的输入值。双向限双向限幅电路幅电路3 3）函数发生器）函数发生器4 4）电压频率转换器）电压频率转换器5 5）环形分配器）环形分配器6 6）脉冲功放及脉冲输出）脉冲功放及脉冲输出7 7）逻辑开关（极性鉴别）逻辑开关（极性鉴别）8 8）频率）频率- -电压转换器电压转换器恒压频比控制的转速开环电压型变频调速系统恒压频比控制的转速开环电压型变频调速系统电压型电压型逆变器逆变器 转速开环变

46、频传动系统由于没有测速反馈，其调速性能差于转速闭转速开环变频传动系统由于没有测速反馈，其调速性能差于转速闭环系统。因此，适用于对调速要求不高的场合，例如，风机、水泵等的节环系统。因此，适用于对调速要求不高的场合，例如，风机、水泵等的节能调速就经常采用这种系统。能调速就经常采用这种系统。 2. 2. 恒压频比控制的转速开环电流型变频调速系统恒压频比控制的转速开环电流型变频调速系统GFCGFC：动态校：动态校正器，用于加正器，用于加快频率控制。快频率控制。电流型电流型逆变器逆变器 现代现代SPWMSPWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字

47、电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的器工作的SPWMSPWM信号。信号。 微机芯片主要采用位或微机芯片主要采用位或1616位单片机，位单片机，3232位的位的DSPDSP，现在已有应用，现在已有应用RISC(RISC(精简指令集算法精简指令集算法) )的产品出现。的产品出现。SPWMSPWM信号可以由微机本身用软件实信号可以由微机本身用软件实时计算或用查表法生成，也可采用专用的时计算或用查表法生成，也可采用专用的SPWMSPWM集成电路芯片。集成电路芯片。 需要设定的信息主要有需要设定的信

48、息主要有U/U/f曲线、工作频率、频率上升时间、频率下曲线、工作频率、频率上升时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于系统本身没有自动限制由于系统本身没有自动限制起、制动电流的作用，因此，频率设定信号须通过给定积分算法产生平缓起、制动电流的作用，因此，频率设定信号须通过给定积分算法产生平缓的控制作用。的控制作用。 SPWMSPWM变压变频器的基本控制作用如图变压变频器的基本控制作用如图6-176-17所示。所示。3. 3. 数字控制的数字控制的SPWMSPWM变频调速系统变频调速系统泵升限制电路泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机的

49、再生制动提供反向电流的通路，由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C C充电，当中间直流回路的充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。将电机释放的动能消耗在制动电阻上。图图6

50、-16 6-16 数字控制数字控制IGBT-SPWMIGBT-SPWM变频调速系统变频调速系统 图图6-17 SPWM SPWM变压变频器的基本控制作用变压变频器的基本控制作用 第第2 2节节 数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求数控机床对主轴驱动和主轴电动机的要求要求包括：要求包括：n 要改善主轴的动态性能，需要主轴传动有较大的无级调速范围，如：要改善主轴的动态性能，需要主轴传动有较大的无级调速范围，如：能在能在（10010010001000）:1:1的范围内进行恒转矩调速的范围内进行恒转矩调速和和1010：1 1的恒功率调速的恒功率调速；而且要求在主轴的两个转向中在任一个方向都可进行加速和

51、减速，即要而且要求在主轴的两个转向中在任一个方向都可进行加速和减速，即要求有四象限的驱动能力。求有四象限的驱动能力。一、数控机床对主轴驱动的要求一、数控机床对主轴驱动的要求 数控机床对主轴驱动的要求和进给驱数控机床对主轴驱动的要求和进给驱动有很大的差别。机床主传动的工作运动动有很大的差别。机床主传动的工作运动通常是旋转运动，无需丝杠或其它直线运通常是旋转运动，无需丝杠或其它直线运动的装置。动的装置。n在数控机床中，数控车床要占在数控机床中，数控车床要占42% 42% ，数控钻、镗和铣床占，数控钻、镗和铣床占33% 33% ，数，数控磨床、冲床占控磨床、冲床占23%23%。其它只占。其它只占2%

52、 2% 。为了满足前两类数控机床的要求，。为了满足前两类数控机床的要求，如为使数控车床等具有螺纹车削功能，如为使数控车床等具有螺纹车削功能，要求要求主轴能与进给驱动实行同步主轴能与进给驱动实行同步控制控制，在，在加工中心上为了自动换刀也要求主轴能进行加工中心上为了自动换刀也要求主轴能进行高精度定位控制高精度定位控制，有的数控机床还要求主轴具有角度控制的功能。有的数控机床还要求主轴具有角度控制的功能。n主轴驱动装置应提供加工各类零件所需的主轴驱动装置应提供加工各类零件所需的切削功率切削功率，无论在何种速，无论在何种速度度( (这取决于不同的材料，如加工钢或铝等这取决于不同的材料，如加工钢或铝等)

53、 )，用各种不同刀具类型的加，用各种不同刀具类型的加工方法，都必须工方法，都必须提供所需的切削功率提供所需的切削功率。因此，。因此，要求主轴驱动在尽可能大要求主轴驱动在尽可能大的调速范围内保持恒功率的输出的调速范围内保持恒功率的输出。主轴传动电机应。主轴传动电机应有有2.22.2250kW250kW的功率的功率范围，既要能输出大的功率，又要求结构简单。范围，既要能输出大的功率，又要求结构简单。n现有的主轴转速范围还必须扩大现有的主轴转速范围还必须扩大，因为加工一些难加工材料所要求，因为加工一些难加工材料所要求的转速范围相差很大，如钛需要低速加工，而铝合金材料则需要高速加的转速范围相差很大，如钛

54、需要低速加工，而铝合金材料则需要高速加工。而用齿轮变速箱满足这类要求的方法业已过时。工。而用齿轮变速箱满足这类要求的方法业已过时。 n 国际上新生产的数控机床已有国际上新生产的数控机床已有85%85%采用采用交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统。这。这是因为：是因为： （1 1）制造交流电动机不象直流电机那样在高转速和大容量方）制造交流电动机不象直流电机那样在高转速和大容量方面受到限制，面受到限制， （2 2）目前的交流主轴驱动的性能已达到直流驱动系统的水平，）目前的交流主轴驱动的性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低，而在价格上却比直流主轴驱动低。甚至在噪声方面还有所降低，而在价

55、格上却比直流主轴驱动低。 ( (一一) ) 直流主轴电机直流主轴电机 1 1结构特点结构特点 为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴电机必须具备下述性能：为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴电机必须具备下述性能： 电输出功率要大；电输出功率要大； 在大的调速范围内速度应该稳定，而且恒功率的速度范围宽；在大的调速范围内速度应该稳定，而且恒功率的速度范围宽； 在断续负载下电机转速波动小；在断续负载下电机转速波动小； 加速和减速时间短；加速和减速时间短； 电机温升低；电机温升低； 振动、噪声小；振动、噪声小； 电机的可靠性高，寿命长，维护容易；电机的可靠性高，寿命长，维护容易； 体积小，重量轻，与机械

56、连接容易；体积小，重量轻，与机械连接容易； 电机过载能力强。电机过载能力强。二、二、 数控机床对主轴电机的要求数控机床对主轴电机的要求n 直流主轴电动机的结构与永磁式直流伺服电机的不同，因为要求主直流主轴电动机的结构与永磁式直流伺服电机的不同，因为要求主轴电机有大的输出功率，所以在结构上轴电机有大的输出功率，所以在结构上不做成永磁式不做成永磁式，而与普通直流，而与普通直流电机相同。电机相同。 图图6-196-19直流主轴电动机的转矩直流主轴电动机的转矩- -转速特性转速特性1 1功率特性曲线功率特性曲线 2 2转矩特性曲线转矩特性曲线 n由特性曲线图由特性曲线图6.196.19可见，在可见，在

57、基本基本速度以下时属于恒转矩范围速度以下时属于恒转矩范围，用，用改变电枢电压来调速。在改变电枢电压来调速。在基本速基本速度以上属于恒功率范围度以上属于恒功率范围，采用控，采用控制激磁的调速方法调速。一般来制激磁的调速方法调速。一般来说，恒转矩的速度范围与恒功率说，恒转矩的速度范围与恒功率的速度范围之比为的速度范围之比为1 1：2020。n另外，直流主轴电机另外，直流主轴电机一般都有过一般都有过载能力载能力，且大都能过载荷，且大都能过载荷150%(150%(即即为连续额定电流的为连续额定电流的1.51.5倍倍) )。至于。至于过载时间，则根据生产厂的不同，过载时间，则根据生产厂的不同，有较大的差

58、别，从有较大的差别，从1min1min至至30min30min不不等。等。 2.2.直流主轴电动机性能直流主轴电动机性能1.1.结构特点结构特点 交流伺服电机的结构有交流伺服电机的结构有笼式感应电机笼式感应电机和和永磁式同步电动机永磁式同步电动机二种结二种结构。交流主轴电动机均采用感应电动机的结构形式。这是因为受永磁构。交流主轴电动机均采用感应电动机的结构形式。这是因为受永磁体的限制，当容量做得很大时，电动机成本太高，使得数控机床无法体的限制，当容量做得很大时，电动机成本太高，使得数控机床无法使用。更重要的原因是，数控机床主轴驱动系统不必像伺服驱动系统使用。更重要的原因是，数控机床主轴驱动系统

59、不必像伺服驱动系统那样，要求如此高的性能，调速范围也不要太大。因此，那样，要求如此高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用感应电采用感应电动机进行矢量控制就完全可满足数控机床主轴的要求。动机进行矢量控制就完全可满足数控机床主轴的要求。( (二二) ) 交流主轴电机交流主轴电机n 一般来说，交流主轴电动机是专门设计的，如为了增加输出功率，一般来说，交流主轴电动机是专门设计的，如为了增加输出功率，缩小电动机的体积，都采用定子铁心在空气中直接冷却的办法，没有缩小电动机的体积，都采用定子铁心在空气中直接冷却的办法，没有机壳。而且在定子铁心上作有轴向孔以利通风等。为此在电动机外形机壳。而且在定子铁心上作

60、有轴向孔以利通风等。为此在电动机外形上是呈多边形而不是圆形。交流主轴电动机结构和普通感应电动机的上是呈多边形而不是圆形。交流主轴电动机结构和普通感应电动机的比较如图比较如图6-206-20所示。所示。1 1一交流主轴电动机一交流主轴电动机 2 2一普通感应电动机一普通感应电动机 3 3冷却通风孔冷却通风孔图图6-20 6-20 交流主轴电动机与普通感应交流主轴电动机与普通感应 电动机比较示意图电动机比较示意图 交流主轴电动机也是由交流主轴电动机也是由功率功率- -速度速度关系曲线来反映它的性能，其特性曲线关系曲线来反映它的性能，其特性曲线如图如图6-216-21所示。所示。 从图中曲线可见，交