机电一体化 课件 4.4 新加两相交流电机交流伺服电动机驱动控制

4机电一体化伺服驱动技术任务4.4交流伺服电动机驱动控制

──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

1三相异步电动机的主要结构2三相异步电动机基本工作原理3交流伺服电动机的变频调速控制技术任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）交流伺服电动机与直流伺服电动机相比有以下特点：(1)没有炭刷与换向器，不易产生火花，因而维护少、寿命长；(2)转子重量轻体积小，转动惯量小、响应快；(3)适宜高速度、高精度、频繁起动场合。

近年来随着交流驱动技术的飞速发展，交流伺服电动机的转速和转矩控制性能，已经达到了可以与直流伺服电动机相当的水平。它具有坚固耐用、经济可靠及动态响应好等优点。因此，交流伺服系统已在很大程度.上取代了直流伺服系统。交流伺服电动机按结构可分为：

1.异步电动机

2.同步电动机任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）三相笼型异步电动机的结构

1-轴承盖；2-端盖；3-机座；4-轴承；5-笼型绕组；6-转子铁心；7-罩壳

8-风扇；9-定子绕组；10-转子；11-转轴；12-定子铁心；13-接线盒

1.三相异步电动机的主要结构组成：静止的定子；

旋转的转子。定转子之间有气隙，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2~2.5mm左右。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）定子铁心：主磁路的一部分，用0.5mm厚表面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成的，内圆开有许多定子槽，用以嵌放定子绕组。定子槽(a)开口槽；(b)半开口槽；(c)半闭口槽；（c)定子冲片(d))三相异步电动机的引出线（a）Y联接；（b）△联接定子：由定子铁心、定子绕组和机座组成。定子绕组：是电机定子部分的电路，它是由许多嵌放在定子槽内的线圈按一定的规律连接而成的。三相定子绕组在空间互差1200电角度。机座：固定定子铁心，包括前后端盖，由铸铁或钢板焊成。

1.三相异步电动机的主要结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）转子：由转子铁心，转子绕组和转轴等组成。转子铁心：转子磁路的一部分，由0.5mm厚的硅钢片叠成。铁心外圆冲有许多均匀的槽，嵌放转子绕组。转子绕组：分笼型和绕线型两种

1.三相异步电动机的主要结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

笼型转子绕组：鼠笼式绕组是一个短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。由铜条或铸铝构成。去掉转子铁心，外形象鼠笼。小型异步电机多采用铸铝转子绕组。绕线式转子绕组：与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组转子通过电刷装置接成Y。绕线型转子图

（c）绕组的接线示意图任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）三相异步电动机（感应电动机）的工作原理2.三相异步电动机基本工作原理任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）3.交流伺服电动机的变频调速控制技术从数控机床及机械手、机器人等执行机械控制的特点分析有两大要求：

一、速度随各坐标轴进给插补运动的运动轨迹不断变化，要求电机速度也紧紧跟随变化，以实现精密位置控制。

二、负载力矩频繁变化,要求电机输出转矩要随之匹配的快速响应变化；这两者都要求系统的动态、静态特性好。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）（1）变频调速控制原理n---电机转速（r/min）n1--同步转速f1---电源频率（Hz）p---电机极对数S---转差率任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

目前交流电动机变频调速技术得到广泛应用,当调节定子供电电压频率f时，异步电机转速n大致成正比变化改变交流电机转速，有三种方法

变极对数p

电机出厂已定，很难改变。

变转差率S改变激磁绕组电压，但速度改变范围小,约1：10。转子低速时，跟随定子磁场力不够，转矩要减小。

变电源频率f

改变加定子绕阻上三相交流电频率。由异步电机工作原理知，其转速n为

交-交变频是用晶闸管整流器将工频交流电直接变成频率较低的脉动交流电，其正组输出正脉冲，反组输出负脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。称为直接变频。这种方法获得的交流电波动较大。（2）变频调速的装置——变频器：恒压、恒频交流电变成变压、变频交流电。交-直-交变频器也称作间接变频器，是先将固定频率的交流电整流成直流电，然后将直流电压逆变成矩形脉冲波动电压，这个脉动交流电的基波就是所需的变频电压。这种方法获得的交流电的波动小，调频范围宽，调节线性度好。数控机床常采用这种方法。a）交－交变频

b）交－直－交变频变频方式：任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

在机电一体化设备中因中小功率居多，多采用交-直-交变频技术。为避免定子由于激磁绕组过励磁及欠励磁对电机产生不利影响，通常采取既变压又变频技术。即在变频的同时，协调改变电机的供电电压,这就是u/f方式变频调速。即：VVVF交流变压变频技术（VariableVotageVariableFriquency)。

（3）三相SPWM变频调速控制正弦波脉冲宽度调制(sinusoidalpulsewidthmodulation，SPWM）变频器是目前应用较为广泛的一种交-直-交变频器实质：先把频率、电压固定的三相交流电整流成直流电，再把直流电逆变为频率、电压连续可调的三相交流电。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

如图所示的是单极式SPWM波形图，其基本原理是以正弦波作为基准波（称为调制波），再用一列等幅的三角波（称为载波）与其比较，输出一系列等幅、等距、不等宽、频率可调的脉冲序列方波，用来控制逆变器中大功率晶体管的开关；当正弦波高于三角波，输出高电平；当正弦波低于三角波，输出低电平。所得到的脉冲方波宽度随正弦波而变，中间宽、两边细，总面积与正弦波所围的面积等效，并且单位周期内方波脉冲数愈多，等效的精度就愈高，其谐波分量就愈小。当用计算机软件改变三角波的载波频率时,可以改变逆变器中大功率开关管的导通与截止频率，使加在电机定子上频率与电压同时改变。实现调频调速控制。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）三相SPWM波调制原理框图在三相SPWM调制中三角波ut是共用的，而每一相有一个输入正弦波信号和一个SPWM调制器，如图所示。图中输入的ua、ub、uc信号是相位相差120°的正弦交流信号，其幅值和频率都是可调的。改变正弦调制波的幅值时，SPWM脉冲信号的脉宽（占空比）将随之改变，从而改变了输出电压的大小；改变正弦调制波的频率时，输出信号的基波频率也随之改变，这样可以实现既调压又调频的目的，从而控制电动机的转速。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

将380V、50Hz的三相市电交流电，通过VD1～VD6二极管组成的三相不可控整流桥，将交流电变成直流电。经L型或C型滤波器滤去整流后的脉动电压，使交流电压变成了直流高电压UD(UD=1.35×380=513V)。

滤波电容器CF1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。

VTB与RB组成刹车能耗电路。主电路由

整流器、滤波器、能耗电路、逆变器

组成。

该直流高压加在由6个大功率晶体开关管VT1～VT6组成逆变器上，逆变器的作用与整流器相反，将直流电又逆变为电压幅度可变(如0～500V以上)、频率可调（如0～2kHz或几十KHz）的交流电，加在交流异步电动机定子的三相绕组上。从而使交流电动机速度可调，并具有良好力矩特性。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）SPWM逆变器中，载波（三角波）频率fc与调制波频率fr之比称为载波比R。正弦脉宽调制过程中，视载波比R的变化与否，可将调制方式分为：同步调制、异步调制和分段同步调制三种方法。1.同步调制变频时三角载波频率fc和正弦调制波频率fr同步变化，变化过程中保持载波比R＝常数，这就是同步调制。同步调制的优点是可以始终保持载波比R等于3的倍数，从而保持逆变器输出波形对称，使电动机平稳运行。但是，当输出频率较低时，由于相邻两脉冲间的间距增大，谐波分量显著增加，会造成电动机产生较大的脉动转矩和较强的噪声。如果为了降低谐波而提高载波比，那么逆变器输出频率较高时，逆变器功率开关器件的工作频率也较高，会产生较大的开关损耗。3.分段同步调制对于GTR和GTO等开关频率不太高的功率器件，采用同步调制和异步调制都有其缺点。为了扬长避短，可将同步调制和异步调制两种方式结合起来，构成分段同步调制方式。即在额定工作频率范围内，把频率分成若干个频段，在每个频段内采用同步调制以保持输出波形对称。对于不同频段则取不同的载波比，频率低的频段取载波比较大的数值，保持异步调制的优点。2.异步调制为消除同步调制的缺点，可采用异步调制方式，即载波比R≠常数的调制方式。一般是在改变调制波频率fr时，保持三角波载波频率fc不变。这样，逆变器输出频率较低时会有较大的载波比，使输出波半周内矩形脉冲数可随着输出频率的降低而增加，有助于减少谐波，从而减少电机脉动转矩和噪声，改善了低频时的工作性能。但异步调制在改善低频工作性能的同时也失去了同步调制的优点，即在异步调制过程中，载波比R是变量，不能保证频率变化时载波比R始终都为3的倍数，这样就不能保证逆变器三相输出波形的对称，引起电动机工作不平稳。不过，在使用IGBT等高速功率开关器件的情况下，由于载波频率可以做得很高，上述缺点实际上已小到完全可以忽略。此外，由于载波频率是固定的，使得这类问题的数字化处理也比较容易。

任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）双极性三相SPWM变频器的主回路任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）

例如：德国西门子公司产1PH6型交流主轴异步感应电动机，其变频调速范围宽达1：1000，额定转速2000r/min，最大转速达8000r/min，额定转矩从几十个N.m至几百个N.m，恒功率范围宽（如在2000～8000r/min转速范围内仍保持恒功率），并且定位精度高（要装高精度光电编码器），该电动机广泛用于数控机床主轴电动机。

伺服进给电机则多用交流永磁同步电动机，例如西门子公司产1FK6系列交流永磁同步电动机，其调速范围可达1：10000，额定转速2000r/min～4000r/min，额定转矩几个N.m至几十个N.m。这两种电机由于性能优良，价格也较高，多用于要求高精度、高响应、宽广调速范围的伺服系统中。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.1感应型交流伺服电动机（异步电动机）9/8/21任务4.4交流伺服电动机驱动控制

──4.4.2交流永磁同步伺服电动机

(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)

4机电一体化伺服驱动技术1交流永磁同步电动机的结构2交流永磁同步电动机的工作原理3交流永磁同步电动机的驱动控制任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）表面永磁同步电动机内置式永磁同步电动机1.交流永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)的结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）1.交流永磁同步电动机的结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）2.交流永磁同步电动机的工作原理任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）交流永磁同步电动机驱动控制系统框图3.交流永磁同步电动机的驱动控制任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）说明：定子三相绕组采用正弦绕组;由三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流产生旋转磁场,拖动永磁转子同步旋转;定子绕组的通电频率以及由此产生的旋转磁场转速取决于转子的实际位置和转速;转子的实际位置和转速由光电式编码器或旋转变压器获得;

为了实现对交流永磁同步电动机的准确控制，需要确定电机转子的位置。除了在电机中嵌入真正的轴编码器外，还有两个主要选择：使用霍尔效应传感器，称为传感器控制;检测电机的反电动势（电动势），称为无传感器控制。无传感器由于成本较低而成为最常见的，但两者都需要电机转动才能感应真实位置。任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.2交流永磁同步伺服电动机（PMSM）9/8/21任务4.4交流伺服电动机驱动控制

──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用4机电一体化伺服驱动技术1交流伺服电动机的特点2交流伺服电动机的应用任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用1.交流伺服电动机的特点任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用目前运动控制中一般用交流永磁同步伺服电机，其功率范围大，大惯量，最高转速低，转速随功率增大而匀速下降，适用于低速平稳运行场合。交流伺服电机的缺点是控制较复杂，驱动器参数需要现场调整参数确定，而且需要更多的连线来支持其运行工作。交流伺服电机的速度控制特性良好，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，效率高达90%以上，发热少，高精确度位置控制（取决于编码器精度），额定运行区域内，可实现恒力矩，惯量低，低噪音，无电刷磨损，免维护（适用于无尘、易爆环境）

凡是对位置，速度和力矩的控制精度要求比较高的场合，都可以采用交流伺服电机。如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线等多个应用领域。因为多用在定位、速度控制场合，所以伺服又称为运动控制。

2.交流伺服电动机的应用任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用交流伺服电动机调速系统在数控机床中的应用任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用

图中，是西门子802S和802C经济型数控系统分别与步进电机伺服系统和交流伺服电动机伺服系统接线原理图(因802S和802C数控计算机控制面板、显示屏、键盘以及背面通信接口是同样型式，故两张图合一)。与西门子802S/C经济型数控系统配套的伺服系统产品图任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.3交流伺服电动机的特点及应用9/8/21任务4.4交流伺服电动机驱动控制

──4.4.4单相交流伺服电动机的控制4机电一体化伺服驱动技术任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制1单相交流伺服电动机的结构2单相交流伺服电动机的工作原理3单相交流伺服电动机的控制方式1.单相交流伺服电动机的结构任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制感应型交流伺服电动机一般是单相交流电动机，主要由定子和转子构成。定子铁心：硅钢片叠压而成。定子绕组：励磁绕组f，交流励磁电压Uf控制绕组k，控制电压Uk转子一般分为鼠笼转子和杯形转子两种结构型式两个绕组在空间位置上互差90°电角度。1.单相交流伺服电动机的结构感应型交流伺服电动机外形

笼型转子及绕组

空心杯转子任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制2.单相交流伺服电动机的工作原理任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制当励磁绕组和控制绕组所加的交流电压幅值相等、相位互差90°时，在气隙中是圆型旋转磁场。幅值不相等或者相位互差不等于90°时，在气隙中是椭圆型旋转磁场2.单相交流伺服电动机的工作原理交流伺服电动机在没有控制电压时，气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场，转子上没有启动转矩，转子静止不动。当控制绕组电流和励磁绕组电流不同相时，在气隙中产生一个旋转磁场转子载流导体在磁场中受到电磁力f的作用，并相对于转轴产生电磁转矩，使转子沿着旋转磁场的方向旋转转子导体切割这个旋转磁场的磁力线产生感应电动势，由于转子绕组是短路的，转子导体中便有电流流过。转子感应电动势、电流旋转磁场转子电磁力、电磁转矩、转速任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制2.单相交流伺服电动机的工作原理当励磁绕组和控制绕组所加的交流电压幅值相等、相位互差90°时，在气隙中形成的是圆型旋转磁场。幅值不相等或者相位互差不等于90°时，在气隙中形成的是椭圆型旋转磁场任务4.4交流伺服电动机驱动控制──4.4.4单相交流伺服电动机的控制3.单相交流伺服