机器人伺服控制系统及应用技术第5章 交流伺服电机驱动与控制

机器人伺服控制第五章交流伺服电机驱动与控制自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，是当今全数字伺服驱动系统的发展趋势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交流伺服电机驱动与控制主要内容contents5.1交流伺服电机5.2交流伺服系统交流伺服电机驱动与控制5.3交流伺服电机的速度控制5.4机器人交流伺服电机驱动与控制实例5.1交流伺服电机交流伺服电动机在伺服系统中的任务是将控制电信号快速地转换为转轴转动的一个执行元件同步型（SM）：采用永磁结构的同步电动机与无刷直流伺服电机结构类似，当采用直流驱动时，称为无刷直流伺服电机；当采用交流驱动时，称为交流伺服电机用于进给伺服驱动感应型（异步型）（IM）：如笼型感应电动机与交流异步电机结构类似，转子结构简单坚固，电机成本低，过载能力强，与永磁同步伺服电动机相比效率低、体积大多用于主轴驱动5.1交流伺服电机基本要求转速和转向应方便地受控制信号的控制，调速范围要大整个运行范围内的特性应接近线性关系，保证运行的稳定性当控制信号消除时，伺服电动机应立即停转，即电动机无“自转”现象控制功率要小，启动力矩应大机电时间常数要小，启动电压要低当控制信号变化时，反应要快速灵敏5.1.1交流伺服电机结构及工作原理交流永磁同步伺服电机由定子、转子及测量转子位置的传感器构成定子和一般三相感应电机类似，采用三相对称绕组结构，其轴线在空间彼此相差120度转子上贴有磁性体，一般有两对以上的磁极位置传感器一般为光电编码器或旋转变压器5.1.1交流伺服电机结构及工作原理鼠笼形转子异步交流伺服电动机结构如图a所示，鼠笼形转子由转轴、转子铁心和转子绕组等组成，如图b所示1-定子绕组2-定子铁心3-鼠笼转子(a)鼠笼形转子交流伺服电动机(b)鼠笼式转子绕组体积小、质量轻、效率高启动电压低、灵敏度高、激励电流较小机械强度较高、可靠性好耐高温、振动、冲击等恶劣环境条件低速运转时不够平滑，有抖动等现象主要应用：小功率伺服控制系统5.1.1交流伺服电机结构及工作原理杯形转子异步交流伺服电动机外定子与鼠笼形转子伺服电动机的定子完全一样内定子由环形钢片叠成，通常内定子不放绕组，只代替鼠笼转子的铁心，作为电机磁路的一部分内、外定子之间有细长的空心转子装在转轴上杯形转子套在内定子铁心外，并通过转轴可以在内、外定子之间的气隙中自由转动，而内、外定子是不动的1—杯形转子2—外定子3—内定子4—机壳5—端盖(a)电机结构(b)杯形转子绕组杯形转子伺服电动机5.1.1交流伺服电机结构及工作原理杯形转子异步交流伺服电动机结构如图a所示，转子形状如图b所示杯形转子是鼠笼转子的特殊形式，具有如下特点转子惯量小轴承摩擦阻转矩小运转平稳内、外定子间气隙较大，利用率低，工艺复杂，成本高1—杯形转子2—外定子3—内定子4—机壳5—端盖(a)电机结构(b)杯形转子绕组杯形转子伺服电动机主要应用：要求低噪声及运转非常平稳的某些特殊场合5.1.1交流伺服电机结构及工作原理以异步交流伺服电机为例交流伺服电动机的结构可分为定子和转子两大部分两相绕组分布图l1-l2称为励磁绕组k1-k2称为控制绕组两个绕组的轴线互相垂直，在空间上相隔90°，所以交流伺服电动机是一种两相的交流电动机5.1.1交流伺服电机结构及工作原理基本工作原理交流伺服电动机使用时，励磁绕组两端施加恒定的励磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk无控制信号（控制电压）时，只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子不转动当定子控制绕组加上电压后，伺服电动机就会很快转动起来，将电信号转换成转轴的机械转动电气原理图5.1.1交流伺服电机结构及工作原理基本工作原理假定通入励磁绕组的电流Uf与通入控制绕组的电流Uk相位上彼此相差90°，幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流

5.1.1交流伺服电机结构及工作原理基本工作原理(旋转磁场的产生)控制绕组励磁绕组当两相对称电流通入两相对称绕组时，在电机内就产生一个旋转磁场。当电流变化一个周期时，旋转磁场在空间转了一圈。Uk1Uk2UF1UF2ikif5.1.1交流伺服电机结构及工作原理基本工作原理(旋转磁场的方向)ikif控制绕组励磁绕组5.1.1交流伺服电机结构及工作原理基本工作原理(旋转磁场的方向)控制绕组励磁绕组5.1.1交流伺服电机结构及工作原理基本工作原理设旋转磁场的转速称为同步速ns，其值只与电机极数p和电源频率f

有关当转子静止时，s=1当转子以ns转速逆旋转磁场旋转时，s=2当转子以ns转速顺旋转磁场旋转时，s=0交流伺服电动机转速总是低于旋转磁场的同步速，而且随着负载阻转矩值的变化而变化，因此交流伺服电动机又称为两相异步伺服电动机设转子随旋转磁场旋转的实际转速为n，则转差率s为5.1.1交流伺服电机结构及工作原理两相绕组的圆形旋转磁场假定励磁绕组有效匝数Nf与控制绕组有效匝数Nk相等。这种在空间上互差90°电角度，有效匝数又相等的两个绕组称为对称两相绕组假定通入励磁绕组的电流与通入控制绕组的电流相位上彼此相差90°，幅值彼此相等，这样的两个电流称为两相对称电流单相绕组通入单相交流电后，所产生的是一个脉振磁场圆形旋转磁场的特点：磁通密度在空间按正弦规律分布，其幅值不变并以恒定的速度在空间旋转两相对称绕组通入两相对称电流能产生圆形旋转磁场空间上相夹90°电角度，时间上彼此有90°相位差，幅值又相等的两个脉振磁场必然形成圆形旋转磁场5.1.1交流伺服电机结构及工作原理要得到圆形旋转磁场，加在励磁绕组和控制绕组上的电压应符合怎样条件呢?当励磁绕组有效匝数Nf和控制绕组有效匝数Nk相等，即Nf=Nk时，定子绕组为对称两相绕组，产生圆形磁场的定子电流必须是两相对称电流，即两相电流幅值相等，相位相差90°当两相绕组匝数相等时，为得到圆形旋转磁场，要求两相电压值相等，相位差成90°，这样的两个电压称为两相对称电压5.1.1交流伺服电机结构及工作原理要得到圆形旋转磁场，加在励磁绕组和控制绕组上的电压应符合怎样条件呢?当两相绕组匝数不等时，设Wf/Wk=k，此时为得到圆形旋转磁场，两相电流幅值不等，且应与绕组匝数成反比，相位仍差90°当两相绕组匝数不等时，为得到圆形旋转磁场，要求两相电压的相位差是90°，其值应与匝数成反比5.1.1交流伺服电机结构及工作原理两相绕组的椭圆形旋转磁场交流伺服电动机在圆形旋转磁场作用下的运行情况，称为电机处于对称运行状态，加在定子两相绕组上的电压都是额定值这只是交流伺服电动机运行中的一种特殊状态，交流伺服电动机在系统中工作时，为了对它的转速进行控制，加在控制绕组上的控制电压是在变化的，经常不等于其额定值，电机也常处于不对称状态两相绕组所产生的磁势幅值一般是不相等的，即IkNk≠IfNf，这代表两个脉振磁场的磁通密度向量幅值也不相等，即Bkm≠Bfm，而通入两个绕组中的电流在时间上相位差也不总是90°，这时电机中产生的是椭圆形的旋转磁场5.1.1交流伺服电机结构及工作原理两相绕组的椭圆形旋转磁场令a为椭圆的短长轴之比，。a的值决定了磁场椭圆程度a减小，磁场椭圆度增大长轴为Bfm

,短轴为Bkm

当α=1，图形是个圆，这时两个绕组所产生的磁通密度向量幅值相等，产生圆形旋转磁场当α=0，图形是条线，这时控制绕组中的电流为0，电机是单相运行，只有励磁绕组产生磁场，这个磁场是单相脉振磁场，是一种极限情况5.1.1交流伺服电机结构及工作原理两相绕组的椭圆形旋转磁场令a为椭圆的短长轴之比，。a的值决定了磁场椭圆程度a减小，磁场椭圆度增大长轴为Bfm

,短轴为Bkm

一个脉振磁场可用两个幅值相等、转向相反的圆形旋转磁场来代替，这两个圆形旋转磁场的磁通密度向量都等于脉振磁通密度向量幅值之半，转速等于脉振磁通密度变化的频率f5.1.2交流伺服电机运行特性机械特性转矩T和转速n（转差率s）的关系，即T=f(s)机械特性以峰值为界可分成两段，即上升段ah和下降段hf假定电机带动一个恒定负载，负载的阻转矩为TL(包括电机本身的阻转矩)，这时电机在下降段g点稳定运转负载的阻转矩由TL突然增加到T′L，电动机的转矩小于负载阻转矩，电机要减速，转差率s要增大，这时电动机的转矩也要随着增大，一直增加到等于T′L，与负载的阻转矩相平衡为止，这样电机在g′点又稳定地运转5.1.2交流伺服电机运行特性机械特性如果电动机运行在特性上升段ah假定电机在b点运行，当负载阻转矩突然增加时，电机转速下降，则电动机转矩要减小，造成电机转矩更小于负载阻转矩，结果电机转速一直下降，直到停止为止如果负载阻转矩突然下降，那电动机转速增加，电动机转矩也随之增大，造成电机转矩更大于负载阻转矩，结果电动机的转速一直上升，直到在稳定区fh运转于c点为止电机在从nm到1的转速范围内运行时，对负载来说运转不稳定，即不稳定区5.1.2交流伺服电机运行特性机械特性一般负载(如恒定负载)只有在机械特性下降段，即导数dTem/dn＜0处才是稳定区，才能稳定运行为了使伺服电动机在转速从0~ns的整个运行范围内都保证其工作稳定性，其机械特性须在转速从0~ns的整个运行范围内都是下垂的要具有这样下垂的机械特性，交流伺服电动机要有足够大的转子电阻，使临界转差率sm＞15.1.2交流伺服电机运行特性机械特性阻尼系数为了表示伺服电动机的运行稳定性，常引入阻尼系数的概念下垂机械特性负的斜率(即)表示了伺服电动机内部具有一种粘性阻尼的特性，通常以阻尼系数D来量度阻尼系数的物理意义：D值越大，即机械特性上值越大，表示负载转矩的变化对转速的影响很小，电机运行比较平稳5.1.2交流伺服电机运行特性机械特性不同转子电阻的机械特性(RR4＞RR3

＞RR2＞RR1)从图中几条曲线形状的比较还可看出，转子电阻越大，机械特性越接近直线（如图中特性3比特性2、1更接近直线）。所以，具有大的转子电阻和下垂的机械特性是交流伺服电动机的主要特点5.1.2交流伺服电机运行特性机械特性通常用有效系数来表示控制的效果，有效系数用αe表示不同信号系数αe时的机械特性当控制电压Uk在0～Ukn变化时，有效信号系数αe在0～1变化相同负载下，αe越大，电动机的转速越高式中，Uk--实际控制电压；Ukn--额定控制电压5.1.2交流伺服电机运行特性机械特性采用αe不但可以表示控制电压的值，而且也可以表示电机不对称运行的程度。与前面的a是一样的！αe=1时，气隙合成磁场是圆形旋转磁场，电机为对称运行状态αe=0时，气隙合成磁场是脉振磁场，电机不对称运行状态最大0<αe<1时，气隙合成磁场是椭圆形旋转磁场，电机处于不对称运行状态改变控制电压，即改变αe的大小，也就改变了电机不对称程度，所以两相交流伺服电动机是靠改变电机不对称程度来达到控制的目的5.1.2交流伺服电机运行特性机械特性伺服电动机还有一条很重要的机械特性，即零信号时的机械特性零信号：控制电压为0，磁场为脉振磁场零信号时的机械特性5.1.2交流伺服电机运行特性自转现象与转子电阻的关系转子电阻RR=RR1较小时，在电机工作的转差率范围内，即时，合成转矩T绝大部分是正的如果伺服电动机在控制电压作用下工作，突然切去控制电信号时，只要阻转矩小于单相运行时的最大转矩，电动机仍将在转矩T作用下继续旋转，这就产生了自转现象，造成失控5.1.2交流伺服电机运行特性自转现象与转子电阻的关系转子电阻RR=RR2>RR1时。转子电阻增加，临界转差率增加到，合成转矩减小的多，但仍产生自转现象5.1.2交流伺服电机运行特性自转现象与转子电阻的关系转子电阻增大到的程度。合成转矩在电机运行范围内为负值，即为制动转矩当控制电压取消变为单相运行时，电机立刻产生制动转矩，与负载转矩一起促使电机迅速停转，不会产生自转现象5.1.2交流伺服电机运行特性输入、输出特性输入特性是指电动机在一定的控制电压下，控制绕组和激励回路的输入功率与转速的关系P1=f(S)或输入电流与转速的关系I=f(S)输出特性是指在一定的控制电压下，电动机的输出功率与转速的关系P2=f(S)输入、输出特性曲线5.1.2交流伺服电机运行特性调节特性当输出转矩一定的情况下，转速与有效信号系数αe的变化关系，n=f(αe)不同转矩下的调节特性曲线若负载阻转矩不变，随着控制电压提高，有效信号系数

e增大，电动机转速升高调节特性的线性度很差，只在转速标幺值很小时近似于线性关系。为了使伺服电动机能运行在调节特性的线性范围，应使其始终在较小的转速标准值下运行5.1.2交流伺服电机运行特性堵转特性伺服电动机堵转转矩与控制电压的关系曲线，即Td=f(αe)曲线不同有效信号系数αe时的堵转转矩就是各条机械特性曲线与横坐标的交点堵转特性曲线

eTdo5.1.3交流伺服电机主要性能指标空载始动电压Us0在额定励磁电压和空载的情况下，使转子在任意位置开始连续转动所需的最小控制电压定义为空载始动电压Us0，通过以额定控制电压的百分比来表示Us0越小，表示伺服电动机的灵敏度越高一般Us0要求不大于额定控制电压的3%~4%；使用于精密仪器仪表中的两相伺服电动机，有时要求不大于额定控制电压的1%机械特性非线性度km在额定励磁电压下，任意控制电压时的实际机械特性与线性机械特性在转矩T=Td/2时的转速偏差Δn与空载转速n0（对称状态时）之比的百分数，定义为机械特性非线性度机械特性的非线性度5.1.3交流伺服电机主要性能指标调节特性非线性度kv在额定励磁电压和空载情况下，当αe=0.7时，实际调节特性与线性调节特性的转速偏差Δn与αe=1时的空载转速n0之比的百分数定义为调节特性非线性度调节特性的非线性度5.1.3交流伺服电机主要性能指标堵转特性非线性度kd在额定励磁电压下，实际堵转特性与线性堵转特性的最大转矩偏差(ΔTdn)max与αe=1时的堵转转矩Td0之比值的百分数堵转特性的非线性度5.1.3交流伺服电机主要性能指标以上特性的非线性度越小，特性曲线越接近直线，系统动态误差就越小，工作就越准确，一般要求km≤10%~20%，kv≤20%~25%，kd≤±5%

机电时间常数τj当转子电阻相当大时，交流伺服电动机的机械特性接近于直线。如果把αe=1时的机械特性近似地用一条直线来代替，如图中虚线所示，那么与这条线性机械特性相对应的机电时间常数就与直流伺服电动机机电时间常数表达式相同5.1.3交流伺服电机主要性能指标式中，J--转子转动惯量；ω0--空载角速度；Td0--堵转转矩。当电机工作于非对称状态时，随着αe的减小，相应的时间常数τj会变大型号说明交流伺服电动机的型号说明主要包括机座号、产品代号、频率代号和性能参数序号四个部分5.1.4交流伺服电机主要技术数据电压技术数据表中励磁电压和控制电压指的都是额定值。励磁绕组的额定电压一般允许变动范围为±5%左右电压太高，电机会发热；电压太低，电机的性能将变坏，如堵转转矩和输出功率会明显下降，加速时间增长等5.1.4交流伺服电机主要技术数据频率目前控制电机常用的频率分低频和中频两大类，低频为50Hz（或60Hz），中频为400Hz（或500Hz）堵转转矩，堵转电流定子两相绕组加上额定电压，转速等于0时的输出转矩，称为堵转转矩。这时流经励磁绕组和控制绕组的电流分别称堵转励磁电流和堵转控制电流堵转电流通常是电流的最大值，可作为设计电源和放大器的依据5.1.4交流伺服电机主要技术数据空载转速定子两相绕组加上额定电压，电机不带任何负载时的转速称为空载转速n0，空载转速与电机的极数有关由于电机本身阻转矩的影响，空载转速略低于同步速额定输出功率当电机处于对称状态时，输出功率P2随转速n变化情况如图所示。当转速接近空载转速n0的一半时，输出功率最大。通常就把这点规定为交流伺服电动机的额定状态电机可以在这个状态下长期连续运转而不过热。这个最大的输出功率就是电机的额定功率P2n，对应这个状态下的转矩和转速称为额定转矩Tn和额定转速nn5.1.4交流伺服电机主要技术数据幅值控制控制电压和励磁电压相位相差始终保持90°，通过调节控制电压的幅值来改变电动机的转速，当控制电压Uc＝0时，电动机停转相位控制控制电压的幅值保持不变，通过调节控制电压的相位（即调节控制电压与励磁电压之间的相位差）来改变电动机的转速，当该相位差为零时，电动机停转5.1.5两相感应伺服电动机控制方法幅-相控制(或称电容控制)在励磁绕组中串联电容器，同时调节控制电压Uc的幅值以及它与励磁电压Uf之间的相位差来调节电动机的转速是一种幅值和相位的复合控制方式5.1.5两相感应伺服电动机控制方法机械特性和调节特性直流伺服电动机的机械特性和调节特性都是线性的，且在不同控制电压下机械特性是平行的，斜率不变。而两相感应伺服电动机的机械特性和调节特性都是非线性的，且其线性化机械特性的斜率随控制电压变化而变化，这些都将影响系统的动态精度5.1.6两相感应伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较动态响应动态响应的快速性常以机电时间常数来衡量，而机电时间常数由于直流伺服电动机转子上有电枢绕组和换向器等，转动惯量要比两相感应伺服电动机大得多但由于直流伺服电动机的机械特性比两相感应伺服电动机硬得多，若空载转速相同，直流伺服电动机的堵转转矩要大得多因此综合起来，它们的机电时间常数相差不多“自转”现象两相感应伺服电动机，若参数选择不当或制造工艺不良，可能使电动机产生“自转”现象，而直流伺服电动机却不存在该问题5.1.6两相感应伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较体积、重量和效率为了满足控制系统对电机性能的要求，两相感应伺服电动机的转子电阻很大，因此其损耗大、效率低电机常运行在椭圆形旋转磁场下，负序电流和反向旋转磁场的存在，一方面产生制动转矩，使电磁转矩减小，另一方面也进一步增加了电机损耗，降低了电机的利用率。因此当输出功率相同时，两相感应伺服电动机要比直流伺服电动机体积大、重量重、效率低，所以它只适用于功率从0.5~100W的小功率系统，对于功率较大的控制系统，则较多地采用直流伺服电动机5.1.6两相感应伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较结构复杂性、运行可靠性及对系统的干扰等直流伺服电动机由于存在电刷和换向器，给它带来了一系列问题。电机结构复杂，而且维护比较麻烦；由于电刷和换向器的滑动接触，增加了电动机的阻转矩，由于这种摩擦阻转矩以及电刷的接触电阻都不稳定，会影响电机低速运行的稳定性；存在换向火花问题，会对其它仪器和无线电通讯等产生干扰两相感应伺服电动机结构简单，运行可靠，维护方便，使用寿命长，特别适宜于在不易检修的场合使用5.1.6两相感应伺服电动机与直流伺服电动机的性能比较由伺服电机和伺服驱动器两部分组成目前常按电机类型将交流伺服系统分为两大类同步型交流伺服系统(SM)绝大多数用于机床数控进给驱动控制、工业机器人关节驱动控制和其他需要运动和位置控制场合的是同步型交流伺服电机伺服电机通常具有永磁的转子，故称为永磁交流伺服电机，以区别于有笼型转子的异步型交流伺服电机异步型交流伺服系统(IM)主要讨论永磁交流伺服系统5.2交流伺服系统5.2交流伺服系统5.2.1交流伺服系统组成交流伺服系统具有电流反馈、速度反馈和位置反馈的三闭环结构形式，其中电流环和速度环为内环（局部环），位置环为外环（主环）5.2.1交流伺服系统组成电流环作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流指令信号，限制电枢电流在动态过程中不超交流伺服电机及其控制最大值，使系统具有足够大的加速转矩，提高系统的快速性速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动，实现稳态无静差5.2.1交流伺服系统组成位置环作用是保证系统静态精度和动态跟踪的性能，这直接关系到交流伺服系统的稳定性和能否高性能运行，是设计的关键所在当传感器检测输出轴的速度、位置时，系统称为半闭环系统当检测的是负载的速度、位置时，称为闭环系统当同时检测输出轴和负载的速度、位置时，称为多重反馈闭环系统交流伺服电机同步型交流伺服电机交流伺服电机中最为普及的是同步型交流伺服电机，其励磁磁场由转子上的永磁体产生，通过控制三相电枢电流，使其合成电流矢量与励磁磁场正交而产生转矩感应型交流伺服电机感应电机可以达到与他励式直流电机相同的转矩控制特性，再加上感应电机本身价格低廉、结构坚固及维护简单，因此感应电机逐渐在高精密速度及位置控制系统中得到越来越广泛的应用5.2.1交流伺服系统组成功率变换器主要功能是根据控制电路的指令，将电源单元提供的直流电能转变为伺服电机电枢绕组中的三相交流电流，以产生所需要的电磁转矩5.2.1交流伺服系统组成传感器需要对伺服电机的绕组电流及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、速度环和位置环，因此需要相应的传感器及其信号变换电路电流检测通常采用电阻隔离检测或霍尔电流传感器速度检测可采用无刷测速发电机、增量式光电编码器、磁编码器或无刷旋转变压器位置检测通常采用绝对式光电编码器或无刷旋转变压器，也可采用增量式光电编码器进行位置检测5.2.1交流伺服系统组成控制器控制器的设计直接影响着伺服电机的运行状态，从而在很大程度上决定了整个系统的性能电流控制器：电流环由电流控制器和逆变器组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流指令信号速度控制器：速度环的作用是保证电机的转速与速度指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电机转速的影响位置控制器：位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪5.2.2交流伺服系统的类型模拟控制方式显著标志是其调节器及各主要功能单元由模拟电子器件构成，偏差的运算及伺服电机的位置信号、速度信号均用模拟信号来控制控制系统的响应速度快，调速范围宽易于与常见的输出模拟速度指令的CNC（ComputerizedNumericalControl）接口系统状态及信号变化易于观测系统功能由硬件实现，易于掌握，有利于使用者进行维护、调整模拟器件的温漂和分散性对系统性能影响较大，系统抗干扰能力较差难以实现较复杂的控制算法，系统缺少柔性5.2.2交流伺服系统的类型数字控制方式明显标志是其调节器由数字电子器件构成，目前普遍采用的是微处理器、数字信号处理器（DSP）及专用ASIC（ApplicationSpecificIntergratedCircuit）芯片系统中的模拟信号需经过离散化后，以数字量的形式参与控制系统的集成度较高，具有较好的柔性，可实现软件伺服温度变化对系统的性能影响小，系统的重复性好易于应用现代控制理论，实现较复杂的控制策略易于实现智能化的故障诊断和保护，系统具有较高的可靠性易于与采用计算机控制的系统相接5.2.2交流伺服系统的类型数字-模拟混合控制方式兼有数字控制的高精度、高柔性和模拟控制的快速性、低成本的优点，在数控机床和工业机器人等机电一体化装置中得到广泛应用5.2.2交流伺服系统的类型软件伺服控制方式（全数字伺服）位置与速度反馈环的运算处理全部由微处理器进行处理的伺服控制控制器硬件体积小、成本低控制系统的可靠性高系统的稳定性好、控制精度高硬件电路标准化容易系统控制的灵活性好，智能化程度高控制策略的更新、升级能力强5.3交流电机的速度控制交流传动与交流伺服交流传动系统，只进行转速控制的系统。通常用于机械、矿山、冶金、纺织、化工、交通等行业，其使用最为普遍。交流传动系统一般以感应电机为对象，变频器是当前最为常用的控制装置交流伺服系统，能实现位置控制的系统。主要用于数控机床、机器人、航天航空等需要大范围调速与高精度位置控制的场合，其控制装置为交流伺服驱动器，驱动电机为专门生产的交流伺服电机5.3交流电机的速度控制交流传动与交流伺服调速是交流传动与交流伺服系统的共同要求。根据前面交流伺服电动机工作原理分析，电动机的实际转速为对于异步电动机，常用的调速方法有变极（p）调速、变转差（s）调速和变频（f）调速对于同步电动机，其转差率s=0，所以一般只有两种调速方式由上式可知，改变三个参数中的任意一个，均可改变电动机的转速变极调速变级电动机一般都用鼠笼式转子，因为鼠笼转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变，使定、转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩若为绕线式转子，则定子极对数改变时，转子绕组必须相应地改变接法以得到与定子相同的极对数，很不方便只能用于简单变速或辅助变速，且需要使用专门的变极电动机5.3.1交流电机调速

5.3.1交流电机调速电动机的同步转速取决于磁场的极对数磁极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速n0变极调速U相两个线圈，顺向串联，定子绕组产生4极磁场反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场以4极变2极为例：5.3.1交流电机调速变极调速目前，我国多极电动机定子绕组联绕方式常用的有两种：一种是从星形改成双星形，写作Y-YYY-YY后，电机极数减少一半，转速增大一倍，即，容许输出功率增大一倍，而容许输出转矩保持不变，故这种变极调速属于恒转矩调速适用于恒转矩负载变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变5.3.1交流电机调速变极调速

变极时，调换相序，以保证变极调速以后，电动机转动方向不变5.3.1交流电机调速变极调速变极调速只用于笼型电动机这种方法的缺点十分明显:一台电动机最多只能安置两套绕组，每套绕组最多只能有两种接法。所以最多只能得到4种转速，与所要求的无级调速相去甚远这种调速方法简单，但电动机结构复杂，较少应用5.3.1交流电机调速变转差调速变转差调速系统主要由定子调压、转子变阻、滑差调节、串级调速等装置组成，因此变转差调速又可分为定子调压调速、转子变阻调速和串级调速等方式利用闭环控制环节，根据电动机转速差和转矩成正比的原理，通过控制电动机的转差Δs，来控制电动机的转矩，从而达到控制电动机转速精度的目的由于组成装置均为大功率部件，其体积大、效率低、成本高，且调速范围、调速精度、经济性等指标均较低5.3.1交流电机调速变转差调速--晶闸管调压调速技术通过晶闸管调压电路改变感应电动机的定子电压，从而改变磁场的强弱，转子产生的感应电动势也会发生相应变化，因而转子的短路电流也发生了相应改变，转子所受到的电磁转矩也会变化采用Y形联结的三相调压电路，控制方式为转速负反馈的闭环控制该技术主要应用于短时或重复短时调速的设备上5.3.1交流电机调速晶闸管调压调速原理图变转差调速--晶闸管调压调速技术反馈电压uG与给定电压ug比较得到转速差电压Δun，用Δun通过转速调节器控制晶闸管的导通角改变ug的值即可改变感应电动机的定子电压和电动机的转速，当ug＞uG

，调压器控制角因Δun＝ug－uG的增加而变小，输出电压提高，转速升高，至ug＝uG才会稳定转速；反之上述过程向反方向进行5.3.1交流电机调速晶闸管调压调速原理图变转差调速--晶闸管调压调速技术如图，当电网电压或负载转矩出现波动时，转速不会因扰动出现大幅波动如a点，对应的转差率s=s1，当负载转矩由T1变为T2时，若开环控制，转速将下降到b点闭环控制：转速下降，uG下降而ug不变，则Δun变大，调压器控制角前移，输出电压由u1上升到u2，电动机的转速将上升到c点5.3.1交流电机调速速度-转矩特性变转差调速--晶闸管调压调速技术在低速时感应电动机的转差功率损耗大，运行效率低，调速性能差采用相位控制方式时，电机电流中存在着较大的高次谐波，电动机将产生附加谐波损耗，电磁转矩也会因谐波的存在而发生脉动，对它的输出转矩有较大的影响只能用在有限的场合5.3.1交流电机调速速度-转矩特性变转差调速--转子串电阻调速技术只适用于绕线式异步电动机异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行为了限制启动电流并提高启动转矩，线绕转子的启动可在转子电路中串接几级启动电阻或串入频敏电阻器串入的电阻越大，电动机的转速越低5.3.1交流电机调速变转差调速--转子串电阻调速技术QS合上后，KT1、KT2和KT3接通，它们的延时闭合的常闭触点立即断开，使KM1，KM2，KM3暂时不会接通当电动机定子绕组加上额定电压启动时，转子电路中串接有启动电阻R1、R2与R3，以限制启动电流并提高起动转矩5.3.1交流电机调速变转差调速--转子串电阻调速技术启动时，首先按下按钮SB1，接通欠电压继电器KAv，其动合触点闭合当电源电压严重降低或电路突然失电时，KAv的动合触点断开，对电动机起保护作用然后按下按钮SB2，接通线路接触器KM，电动机定子绕组加上额定电压启动5.3.1交流电机调速变转差调速--转子串电阻调速技术控制电路里KM的动断辅助触点断开，时间继电器KT1断电，它的延时闭合的常闭触点等一段时间闭合，接触器KM1接通，切除电动机转子电路串接的启动电阻R1这时，电动机在转子电路里只有启动电阻R2与R3的人为特性上运行，继续加速5.3.1交流电机调速变转差调速--转子串电阻调速技术接触器KM1接通以后，它的动断触点断开，使时间继电器KT2断电，它的延时闭合的常闭触点等一段时间闭合接通接触器KM2，又将电动机转子里的启动电阻R2切除了，电动机在只有电阻R3的人为特性上运行，继续加速5.3.1交流电机调速变转差调速--转子串电阻调速技术接触器KM2接通以后，它的常闭触点断开，时间继电器KT3断电，它的延时闭合的常闭触点等一段时间闭合，使接触器KM3接通，将启动电阻R3切除至此，电动机转子电路无外加电阻，运行于自然特性上启动过程到此结束5.3.1交流电机调速变转差调速--转子串电阻调速技术优点设备简单，主要用于中、小容量的绕线式异步电动机如桥式起重机等缺点：串联电阻通过的电流较大，难以采用滑线方式，更无法以电气控制的方式进行控制，因此调速只能是有级的串联较大附加电阻后，电动机的机械特性变得很软。低速运转时，只要负载稍有变化，转速的波动就很大电动机在低速运转时，效率甚低，电能损耗很大5.3.1交流电机调速变转差调速--串级调速技术串级调速是指绕线式电动机转子回路中串联接入与转子电势同频率的附加电势，通过改变该电势的幅值大小和相位来实现调速大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速5.3.1交流电机调速变转差调速--晶闸管串级调速技术右图为晶闸管串级调速系统主回路的接线图，在被调速电动机M的转子绕组回路上接入一个受三相桥式晶闸管网络控制的直流-交流逆变电路，使电动机根据需要将运转中的一部分能量回馈到供电电网中去，同时达到调速的目的5.3.1交流电机调速晶闸管串级调速系统主回路D-电动机的负载

T-三相隔离变压器变转差调速--晶闸管串级调速技术这种调速方式可以实现低于同步速度的电动机转速输出调节，此方式效率较高，适合于调速范围不大的场合由于这种方法逆变部分只负责变换转差功率，所以设备的功率低，比变频器直接调节定子频率的方法成本小，这是这种调速方式的优势，缺点是它只能在带电刷的绕线式三相异步交流电动机上应用，功率因数一般较低5.3.1交流电机调速晶闸管串级调速系统主回路D-电动机的负载

T-三相隔离变压器变频调速又称交流变频调速，其装置叫变频器调速装置(VFD)对交流电机控制系统来说，无论速度控制还是位置或转矩控制，都需要调节电机转速，因此，变频是所有交流电机控制系统的基础目前高性能的交流调速系统大都采用变频调速方法来改变电机转速为了保持在调速时电机的最大转矩不变，需要维持磁通恒定，这时就需要定子供电电压做相应调节。因此，对交流电机供电的变频器一般都要求兼有调频调压两种功能电力电子器件、晶体管脉宽调制（PWM）技术、矢量控制理论是实现变频调速的关键技术5.3.1交流电机调速利用电力电子器件的通断作用将电压和频率固定不变的工频交流电源变换成电压和频率可变的交流电源，供给交流电机实现软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能的电能变换控制装置5.3.2变频器5.3.2变频器三菱变频器西门子变频器西林变频器变频技术诞生背景是交流电机无级调速的广泛需求。传统的直流调速技术因体积大故障率高而应用受限20世纪60年代以后，电力电子器件普遍应用晶闸管及其升级产品。但其调速性能远远无法满足需要。1968年以丹佛斯为代表的高技术企业开始批量化生产变频器，开启了变频器工业化的新时代20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM－VVVF)调速的研究得到突破，20世纪80年代以后微处理器技术的完善使得各种优化算法得以容易的实现5.3.2变频器---发展历程20世纪80年代中后期，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器技术实用化，商品投入市场，得到了广泛应用。最早的变频器可能是日本人买了英国专利研制的。不过美国和德国凭借电子元件生产和电子技术的优势，高端产品迅速抢占市场步入21世纪后，国产变频器逐步崛起，现已逐渐抢占高端市场。上海和深圳成为国产变频器发展的前沿阵地5.3.2变频器---发展历程按直流电源的性质分类变频器中间直流环节用于缓冲无功功率的储能元件可以是由电容或是电感，据此变频器可分成电压型变频器和电流型变频器两大类电流型变频器中间直流环节采用大电感作为储能元件，无功功率将由该电感来缓冲优点：当电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的再生电能可以方便地回馈交流电网，不需要在主电路内附加任何设备常用于频繁急加减速的大容量电动机的传动。在大容量风机、泵类节能调速中也有应用5.3.2变频器---分类按直流电源的性质分类电压型变频器中间直流环节的储能元件采用大电容，用来缓冲负载的无功功率对负载而言，变频器是一个交流电压源，在不超过容量限度情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性缺点是电动机处于再生发电状态时，回馈到直流侧的无功能量难于回馈给交流电网。要实现这部分能量向电网的回馈，必须用可逆变流器5.3.2变频器---分类按变换环节分类交-交变频器将工频交流电直接变换成频率电压可调的交流电（转换前后的相数相同），又称直接式变频器对于大容量、低转速的交流调速系统，常采用晶闸管交一交直接变频器直接驱动低速电动机，可以省去庞大的齿轮减速箱缺点是：最高输出频率不超过电网频率的l/3～1/2，且输入功率因数较低，谐波电流含量大，谐波频谱复杂，因此必须配置大容量的滤波和无功补偿设备5.3.2变频器---分类直接变压变频器（交-交变压变频器）只有一个变换环节，能够将恒压恒频的交流电源变换成变压变频电源常用的交-交变压变频器的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路，它们按一定周期互相切换，在负载上就可获得交变的输出电压，该电压的幅值取决于各组整流装置的控制角，变化频率取决于两组装置的切换频率5.3.2变频器---分类按变换环节分类交-直-交变频器先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率电压可调的交流电，又称间接式变频器把直流电逆变成交流电的环节较易控制，在频率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势由于其存在着中间低压环节，所以具有电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点5.3.2变频器---分类间接变压变频器（交-直-交变压变频器）调压和调频分别在两个环节上，由控制电路进行协调，但电网侧功率因数低，输出谐波大整流环节采用不可控整流，增设斩波器进行调压，再用逆变器变频，克服了功率因数低的缺点，输出谐波仍大调压和调频都在逆变器上进行，输出电压是一系列脉冲，调节脉冲宽度就可以调节输出电压值，是最好的一种调压调频方法5.3.2变频器---分类按输出电压调节方式分类脉冲幅值调制方式（PAM---PulseAmplitudeModulation）通过改变直流电压的幅值进行调压的方式。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压的调节则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压实现此种方式下，系统低速运行时谐波与噪声都比较大，所以当前几乎不采用，只有与高速电动机配套的高速变频器中才采用5.3.2变频器---分类PAM调压输出波形按输出电压调节方式分类脉冲宽度调制方式（PWM---PulseAmplitudeModulation）利用参考电压波uR与载波三角波ut互相比较决定主开关器件的导通时间而实现调压5.3.2变频器---分类PWM变频器(a)主电路；(b)调压时的波形按输出电压调节方式分类高载波变频率的PWM方式此种方式与上述PWM方式的区别仅在于其调制频率有很大提高。主开关器件的工作频率较高，常采用IGBT或MPSFET为主开关器件，开关频率可达10～20kHz，可以大幅度降低电动机的噪声，达到所谓“静音”水平5.3.2变频器---分类高载波频率PWM变频器主电路（IGBT变频器）按控制方式分类U/f控制压频比控制，基本特点是对变频器输出的电压和频率同时控制，通过保持U/f恒定使电动机获得所需要的转矩特性转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简单，负载可以是通用标准异步电动机，所以通用性好、经济性好，是目前通用变频器产品中使用较多的一种控制方式5.3.2变频器---分类按控制方式分类转差频率控制转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式，在U/f控制的基础上，按照知道异步电动机的实际转速对应的电源频率，并根据希望得到的转矩来调节变频器的输出频率，就可以使电动机具有对应的输出转矩与U/f控制方式相比，其调速精度大为提高，但是使用速度传感器求取转差频率，要针对具体电动机的机械特性调整控制参数，因而这种控制方式的通用性较差5.3.2变频器---分类按控制方式分类矢量控制根据交流电动机的动态数学模型，利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量电流和转矩分量电流，并分别加以控制通过控制各矢量的作用顺序、时间以及零矢量的作用时间，又可以形成各种PWM波，达到各种不同的控制目的，例如形成开关次数最少的PWM波以减少开关损耗目前，在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种5.3.2变频器---分类按电压等级分类低压型变频器变频器电压等级为380～460V，属低压型变频器常见的中小容量通用变频器均属此类高压大容量变频器通常高（中）压（3、6、10KV等级）电动机多采用变极或电动机外配置机械减速方式调速，综合性能不高，在此领域节能及提高调速性能潜力巨大5.3.2变频器---分类按用途分类通用变频器可以对通用标准异步电动机传动，应用与工业生产及民用各个领域朝着两个方向发展：低成本的简易型通用变频器和高性能多功能的通用变频器高性能专用变频器高性能专用变频器基本上采用矢量控制方式，而驱动对象通常是变频器厂家指定的专用电动机，并且主要应用于对电动机的控制能性要求比较高的系统5.3.2变频器---分类按用途分类高频变频器超精密加工和高性能机械中，常常要用到高速电动机如PAM控制方式的高速电机驱动用变频器。其输出频率可达到3kHz，在驱动2极异步电机时，电机最高转速可达到180000r/min小型变频器为适应现场总线控制技术的要求，变频器必须小型化，与异步电机结合在一起，组成总线上一个执行单元例如安川公司上单的VS-mini-J7型变频器，高度只有128mm，三垦公司的ES、EF、ET系列，也是这种小型变频器5.3.2变频器---分类变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的5.3.2变频器--结构主要包括主电路和控制电路两部分5.3.2变频器--结构主电路控制电路主电路由整流电路、能耗电路和逆变电路组成。将交流变成直流为泵生电压提供放电回路将直流电逆变成频率可调的交流电限制启动电流

续流二极管IGBT导通，并联二极管为再生电流及能量返回直流电路提供通路5.3.2变频器--结构整流电路VD1~VD6组成三相不可控整流桥，将交流电变成513V的直流电，整流桥集成电路模块如图5.3.2变频器--结构滤波电路滤波电容器CF有两个功能：一是滤平全波整流后的电压纹波；二是当负载变化时，使直流电压保持平稳电源指示HLHL除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，表示滤波电容器CF上的电荷是否已经释放完毕5.3.2变频器--结构能耗电路电机在工作频率下降中，异步电机的转子转速将可能超过此时的同步转速（n=60f/P）而处于再生制动（发电）状态，拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线（滤波电容两端）电压UD不断上升（即所说的泵升电压），这样变频器将会产生过压保护，甚至可能损坏变频器，因而需将反馈能量消耗掉，制动电阻就是用来消耗这部分能量的制动单元由开关管VTB与驱动电路构成，其功能是用来控制流经RB的放电电流IB5.3.2变频器--结构电动和制动运行5.3.2变频器--结构逆变电路逆变管VT1~VT6组成逆变桥将直流电逆变成频率、电压都可调的交流电，变频器的核心部分常用逆变模块：GTR、BJT、GTO、IGBT、IGCT等，一般都采用模块化结构有2单元、4单元、6单元IGBT单管：IGBT，封装较模块小，电流通常在100A以下5.3.2变频器--结构IGBT模块：将多个IGBT集成封装在一起目前市场上15kW以上变频器使用的是150A/200A/300A/400A/450A的两单元IGBT模块或100A/150A的三相逆变IGBT模块。全桥IGBT单桥IGBT5.3.2变频器--结构控制电路变频器控制部分一般有：CPU单元、显示单元、电流检测、电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源等主控制电路板CPU单元：采用16位、32位单片机或DSP，变频器专用单片机如：INTEL87C196MH，速度为几十ns级。矢量控制型采用双CPUDSP－电机控制专用CPU

软件烧制在DSP板上的DSP中，其核心是根据电压及负载电流，来控制6个逆变IGBT的导通与关断，从而控制电机的运转5.3.2变频器--结构控制电路变频器控制部分一般有：CPU单元、显示单元、电流检测、电压检测单元、输入输出控制端子、驱动放大电路、开关电源等电流检测单元：对于变频器加速、减速、运行中过流、变频过载及电机过载的检测显示单元：其功能为人机界面、参数设定、状态/故障显示、远距离操作等驱动电路：CPU产生的PWM波经专用驱动芯片、驱动放大电路后给IGBT驱动电路板5.3.2变频器--结构类别作用主要构成器件主电路整流部分将工频交流变成直流，输入无相序要求整流桥逆变部分将直流转换为频率、电压均可变的交流电，输出无相序要求IGBT制动部分消耗过多的回馈能量，保持直流母线电压不超过最大值单管IGBT和制动电阻,大功率制动单元外置上电缓冲降低上电冲击电流，上电结束后开关自动闭合，而后变频器允许运行限流电阻和开关储能部分保持直流母线电压恒定，降低电压脉动电解电容和均压电阻控制回路键盘对变频器参数进行调试和修改，并实时监控变频器状态MCU(单片机）控制电路交流电机控制算法生成，外部信号接收处理及保护DSP(或两个MCU）5.3.2变频器--结构类别作用结构件散热器将整流桥、逆变器产生的热量散发出去温度传感器检测散热器温度，确保模块工作在允许温度环境下风扇配合散热器，将变频器内部的热量带走，有直流风扇（24V)和交流风扇两种5.3.2变频器--结构外部端子---主回路接口

工频电网输入380V3PH/220V3PH220V1PHM3～制动电阻直流电抗器三相交流电机P/+PR5.3.2变频器--结构外部端子---控制电路端子主电路接口控制电路输入端子开关量输入模拟量输入编码器接口控制电路输出端子开关量输出模拟量输出

通信接口外接控制端子---主要用于远距离、多功能控制通信接口---主要用于多电动机、系统控制5.3.2变频器--结构外部端子---通信接口变频器通常采用标准装备RS485接口，配上选择通信卡可以对应世界各地的变频器进行通信现场总线ＭＥＭOBUS（标准装备）DeviceNetProfibus-DPCC-LinkCANopen

LonWorks

通信选用卡InterBus-S

RS485板5.3.2变频器--结构通信接口通信接口人机界面通信接口使用场合：各类中大型生产线或系统特点：所有控制均通过通信电缆线路相对简单，自动化水平高，信息交换量大实时性好，抗扰能力强,为防止网络故障，特设独立急停功能投入大，调试维护困难5.3.2变频器--结构变频器调速装置（VFD）间接变压变频器（交-直-交变压变频器）5.3.2变频器～整流部分储能环节逆变部分M控制系统交流直流直流交流整流逆变直流电压电源电压输出电压变频器的电压波形变化输出电压的平均值是正弦波正弦波ＰＷＭ（脉宽调制）控制方式交流电的交变频率是决定交流电动机工作转速的基本参数直接改变和控制供电频率是控制交流伺服电动机的最有效方法，直接调节交流电动机的同步转速，控制的切入点最直接而明确，变频调速的调速范围宽，平滑性好，具有优良的动、静态特性对交流电动机进行变频调速，需要一套变频电源，相关技术有：普通晶闸管构成的方波形逆变器全控型高频率开关组成的PWM逆变器正弦波脉宽调制（SPWM）逆变器空间矢量脉宽调制（SVPWM）5.3.3变频调速技术为了更好地控制异步电动机的速度，不但要求变频器的输出频率和电压大小可调，而且要求输出波形尽可能接近正弦波正弦波分成N等份，即把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成。这些脉冲宽度相等，为π/N，但幅值不等，幅值是按正弦规律变化的曲线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的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点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与正弦波等效的等幅脉冲序列波a）正弦波形

b）等效的正弦波形5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）为了更好地控制异步电动机的速度，不但要求变频器的输出频率和电压大小可调，而且要求输出波形尽可能接近正弦波各矩形脉冲在幅值不变的条件下，其宽度随之发生变化脉冲的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SPWM（SinusoidalPWM）波形b图中的矩形脉冲系列就是所期望的变频器输出波形将输出为SPWM波形的变频器称为SPWM型变频器与正弦波等效的等幅脉冲序列波a）正弦波形

b）等效的正弦波形5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）SPWM变频器电路原理图a）主回路

b）控制电路控制方式可以是单极式，也可以是双极式5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）单极式控制在正弦波的半个周期内，每相只有一个功率开关开通或关断载波uc在调制信号波ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态当ur>uc时，使V4导通，V3关断，uo=Ud；当ur<uc时，使V4关断，V3导通，uo=0在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态当ur<uc时使V3导通，V4关断，uo=-Ud当ur>uc时使V3关断，V4导通，uo=0双极式控制双极性脉宽调制模式（单相）在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5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud不论调制波的正负，只要调制波大于载波，双极性输出电压为Ud，那么肯定是V1V4开，V2V3关；只要调制波小于载波，双极性输出电压为-Ud，那么肯定是V1V4关，V2V3开双极式控制双极性脉宽调制模式（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5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）SPWM变频调速系统框图5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）调制方式在SPWM逆变器中，三角波电压频率ft与参照波电压频率（即逆变器的输出频率）fr之比N=ft/fr称为载波比，也称调制比根据载波比的变化与否，PWM调制方式可分为：同步式异步式分段同步式5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）同步式调制方式载波比N等于常数时的调制方式优点：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出三相波形之间具有120°相位移的对称关系缺点：当逆变器输出频率很低时，每个周期内的SPWM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5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）异步调制方式为消除同步调制的缺点，采用异步调制方式。即在逆变器的整个变频范围内，载波比N不是一个常数减少了负载电机的转矩脉动与噪声，改善了调速系统的低频工作特性。但失去了同步调制的优点，难以保持三相输出的对称性，因而引起电动机工作不平稳分段同步调制方式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5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）SPWM波的形成根据三角载波与正弦调制波的交点来确定功率器件的开关时刻，从而得到其幅值不变而宽度按正弦规律变化的一系列脉冲开关点的算法可分为两类：一是采样法，二是最佳法采样法：从载波与调制波相比较产生SPWM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，发出驱动信号的上升沿或下降沿，形成SPWM波最佳法：预先通过某种指标下的优化计算，求出SPWM波的开关点，其突出优点是可预先去掉指定阶次的谐波。最佳法计算的工作量很大，一般要先离线算出最佳开关点，以表格形式存入内存，运行时再查表进行定时控制，发出SPWM信号5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）SPWM波的形成利用微处理器计算查表得到，常需复杂的算法利用专用集成电路（ASIC）来产生PWM脉冲如交流电动机微控制器集成芯片MC3PHACMC3PHAC引脚排列5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）芯片MC3PHAC能实现三相交流电动机V/F开环速度控制、正/反转、起/停运动、系统故障输入、低速电压提升和上电复位（POR）等控制功能V/F速度控制。MC3PHAC可按需要提升低速电压，调整V/F速度控制特性DSP（数字信号处理器）滤波32bit运算，使速度分辨率大4mHZ，高精度操作得到平滑运行6输出脉宽调制器（PWM）欠电压检测5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）芯片MC3PHAC能实现三相交流电动机V/F开环速度控制、正/反转、起/停运动、系统故障输入、低速电压提升和上电复位（POR）等控制功能三相波形输出：MC3PHAC产生控制三相交流电动机需要的六个PWM信号。三次谐波信号叠加到基波频率上，充分利用总线电压，和纯正弦波调制相比较，最大输出幅值增加15％4通道模拟/数字转换器（ADC）串行通信接口（SCI）5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）SPWM与PWM基本原理是通过控制输出信号的脉冲宽度和频率来实现对电压和电流的调节区别主要在于∶调制信号的形式不同：SPWM的调制信号是正弦波，而PWM的调制信号通常是方波或锯齿波输出波形的质量不同：由于SPWM的调制信号是正弦波，因此输出波形的质量更高，谐波更少，适用于高精度控制的场合；而PWM的调制信号是方波或锯齿波，输出波形的质量较差，谐波较多，但控制简单、成本低、效率高5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）SPWM与PWM基本原理是通过控制输出信号的脉冲宽度和频率来实现对电压和电流的调节区别主要在于∶应用场合不同：由于SPWM适用于高精度控制的场合，常用于交流电机控制、逆变器控制、电力变换器、UPS等领域；而PWM则广泛应用于调光、电源开关控制、直流电机控制等领域5.3.3变频调速技术--正弦波脉宽调制（SPWM）矢量控制为什么矢量控制？直流电机组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片直流调速度中：与电磁转矩Tm

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和电枢电流Ia是两个互相独立的变量励磁磁通Фm仅正比于励磁电流If，而与Ia无关，分别控制励磁电流If和电枢电流Ia，即可方便地实现转矩Tm与转速n的线性控制5.3.3变频调速技术--空间矢量脉宽调制（SVPWM）矢量控制为什么矢量控制？交流电机电磁转矩公式电磁转矩Tm与气隙磁通Фm、转子电流Ia成正比，但Фm与Ia不正交，不是独立的变量，不能单独控制，因此，不能分别调节同时，交流电机定子产生的是随时间和空间都在变化的旋转磁场，气隙磁通Фm是一个空间交变矢量，这样，在定子侧的各物理量（电压、电流、磁动势）也都在空间上同步旋转且交变，调节、控制和计算很不方便5.3.3变频调速技术--空间矢量脉宽调制（SVPWM）矢量控制单纯的变频调速无法解决