数控机床交流伺服电机课件

交流伺服电机交流伺服电机直流电机的缺点：直流电机的缺点：电刷和换向器易磨损，有时产生火花；电刷和换向器易磨损，有时产生火花；换向器的制作工艺复杂；换向器的制作工艺复杂；电机的最高速度受到限制；电机的最高速度受到限制；结构复杂，成本较高结构复杂，成本较高 近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结近年来交流电机飞速发展，克服了直流电机结构上的缺点，充分发挥了构上的缺点，充分发挥了坚固耐用、经济可靠、坚固耐用、经济可靠、动态响应好，输出功率大等优点动态响应好，输出功率大等优点。因此，在某些。因此，在某些场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。场合，交流伺服电机已逐渐取代直流伺服电机。直流电机的缺点：电刷和换向器易磨损，有时产2交流伺服电机的分类与特点n在数控机床上应用的交流电机一般都为三相。在数控机床上应用的交流电机一般都为三相。异步交流伺服电机异步交流伺服电机(主轴驱动）主轴驱动）电磁式电磁式 同步交流伺服电机同步交流伺服电机 磁带式磁带式 非电磁式非电磁式 永磁式永磁式 反应式反应式 磁带式和反应式同步电机存在磁带式和反应式同步电机存在效率低效率低、功率因功率因数差数差、制造容量不大制造容量不大等缺点。等缺点。交流伺服电机的分类与特点在数控机床上应用的交流电机一般都为三3 优点优点：结构简单、运行可靠、效率高；：结构简单、运行可靠、效率高；永磁式同步电机永磁式同步电机 缺点缺点：体积大、启动特性欠佳；：体积大、启动特性欠佳；与直流电机相比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小与直流电机相比：外形尺寸、重量、转子惯量大幅减小 与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小与异步交流伺服电机相比：效率高、体积小 因此，在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式交流同因此，在数控机床进给驱动系统中多数采用永磁式交流同步电机。步电机。异步交流伺服电机与同容量的直流电机相比的优缺点：异步交流伺服电机与同容量的直流电机相比的优缺点：优点：重量轻、价格便宜；优点：重量轻、价格便宜；缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较缺点：转速受负载的变化影响较大，不能经济地实现范围较 广的平滑调速；广的平滑调速；相当于感应式交流异步电机，一般用在主轴驱动系统中。相当于感应式交流异步电机，一般用在主轴驱动系统中。优点4永磁式交流同步电机n结构结构 永磁交流同步电机主要由永磁交流同步电机主要由定子定子、转子转子和和检测元件检测元件组成。组成。交流永磁同步电机的定子与异步电机的定子结构相似，是由交流永磁同步电机的定子与异步电机的定子结构相似，是由硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成。硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成。交流永磁同步电机的转子采用永磁稀土材料制成，永磁转子交流永磁同步电机的转子采用永磁稀土材料制成，永磁转子产生固定磁场。产生固定磁场。永磁式交流同步电机结构5数控机床交流伺服电机课件6n原理和性能原理和性能 当定子三相绕组通上交流电流后，产生一个以转速当定子三相绕组通上交流电流后，产生一个以转速ns转动的旋转磁场。转子磁场由永久磁铁产生，用另一对磁转动的旋转磁场。转子磁场由永久磁铁产生，用另一对磁极表示。由于磁极同性相斥，异性相吸，定子的旋转磁场极表示。由于磁极同性相斥，异性相吸，定子的旋转磁场与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此，与转子的永磁磁极互相吸引，并带着转子一起旋转，因此，转子也将以同步转速转子也将以同步转速ns与旋转磁场一起转动。当转子加上与旋转磁场一起转动。当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线一个角，随着负载增加，角，随着负载增加，也随之增大；负载减少时，也随之增大；负载减少时，角也减角也减少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场少；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速以恒定的同步转速ns旋转。旋转。若设转子转速为若设转子转速为nr：原理和性能7 nr=ns=60f1/pnr转子转速转子转速ns同步转速同步转速p定子和转子的极对数定子和转子的极对数f1交流电源频（定子供交流电源频（定子供电频率）电频率）转子磁极轴线与定子转子磁极轴线与定子磁极的轴线夹角磁极的轴线夹角 nr=ns=60f1/p8交流主轴电机 交流主轴电机与普通感应式伺服电机的工作原理相同。有交流主轴电机与普通感应式伺服电机的工作原理相同。有电工学原理可知，在电机定子三相绕组通以三相交流电时，电工学原理可知，在电机定子三相绕组通以三相交流电时，会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应会产生旋转磁场，这个磁场切割转子中的导体，导体感应电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动转子转电流与定子磁场相互作用产生电磁转矩，从而推动转子转动，其转速动，其转速nr为为nr转子转速转子转速ns同步转速同步转速p定子和转子的极对数定子和转子的极对数f1交流电源频（定子供电频率）交流电源频（定子供电频率）s转差率转差率 s=（ns-nr）/ns交流主轴电机 交流主轴电机与普通感应式伺服电机的工作原9交流伺服电机的变频调速 由以上两式可见，只要改变交流伺服电机的供电频率f1，即可改变交流伺服电机的转速，所以交流伺服电机调速应用最多的是变频调速。变频调速的主要环节是：为电机提供频率可变的电源变频器。变频器可分为：交交变频 交直交变频交流伺服电机的变频调速 由以上两式可见，只要改变10交交变频 交交交变频方式是利用交变频方式是利用可控硅整流器可控硅整流器直接将工频交流电（频直接将工频交流电（频率率50Hz）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，）变成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出反脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的交频电反组输出反脉冲，这个脉动交流电的基波就是所需的交频电压。压。这种调频方式所得的交流电波动比较大，而且最大频率即这种调频方式所得的交流电波动比较大，而且最大频率即为变频器输入的工频电压频率。为变频器输入的工频电压频率。整流器：把交流电变成固定的或可调的直流电交交变频 交交变频方式是利用可控硅整流器直接将工11交-直-交变频n先将交流电整成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波先将交流电整成直流电，然后将直流电压变成矩形脉冲波电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。电压，这个矩形脉冲波的基波就是所需的变频电压。n这种调频方式所得的交流电的波动小，调频范围比较宽，这种调频方式所得的交流电的波动小，调频范围比较宽，调节线性度好。调节线性度好。n数控机床上常采用交数控机床上常采用交直直交变频调速。交变频调速。交-直-交变频先将交流电整成直流电，然后将直流电压变成矩形脉12n交交直直交变频交变频 中间直流电压可调中间直流电压可调PWM逆变器逆变器 中间直流电压是否可调中间直流电压是否可调 中间直流电压固定中间直流电压固定PWM逆变器逆变器 中间直流电路上的储能元件中间直流电路上的储能元件 电压型逆变器电压型逆变器 是大电容还是大电感，分为是大电容还是大电感，分为 电流型电流型逆变器逆变器逆变器：把固定的直流电变为固定的或可调的交流电SPWM变频器变频器是目前使用最广、最基本的一种交是目前使用最广、最基本的一种交-直直-交电交电压型变频器，也称为压型变频器，也称为正弦波正弦波PWM变频器变频器，具有输入功率因，具有输入功率因数高和输出波型好等优点，不仅适用于永磁式交流同步电机，数高和输出波型好等优点，不仅适用于永磁式交流同步电机，也适用于感应式交流异步电机，也适用于感应式交流异步电机，在交流调速系统中获得广泛在交流调速系统中获得广泛应用应用。交直交变频逆变器：把固定的直流电变为固定的或可调的交流电13SPWM变压变频器n调制原理（以单相为例）调制原理（以单相为例）正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）波）波形形:与正弦波等效的一系与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲列等幅不等宽的矩形脉冲波。波。n等效原理：把正弦波分成等效原理：把正弦波分成n等分，每一区间面积用等分，每一区间面积用与其相等的等幅不等宽的与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。矩形面积代替。n正弦波的正负半周均如此正弦波的正负半周均如此处理处理SPWM变压变频器调制原理（以单相为例）14nSPWM波形可采用模拟电路、以调制的方法实现。波形可采用模拟电路、以调制的方法实现。SPWM调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需要的电压信号，利用三角波电压与正弦参考电压相个所需要的电压信号，利用三角波电压与正弦参考电压相比较来确定各分段矩形脉冲的宽度。比较来确定各分段矩形脉冲的宽度。nSPWM的调制原理与直流电机的的调制原理与直流电机的SPWM的调制原理是相同的调制原理是相同的，调制信号都是三角波，调制后的波形都是方波，不同的，调制信号都是三角波，调制后的波形都是方波，不同的是的是SPWM把正弦波调制成脉宽按正弦规律变化的方波，把正弦波调制成脉宽按正弦规律变化的方波，用来控制交流伺服电机的速度。用来控制交流伺服电机的速度。n在调制过程中可以是双极性调制，也可以是单极性调制。在调制过程中可以是双极性调制，也可以是单极性调制。双极性能同时调制出正半波和负半波，而单极性调制只能双极性能同时调制出正半波和负半波，而单极性调制只能调制出正半波或负半波，再将调制波倒相得到另外半波形，调制出正半波或负半波，再将调制波倒相得到另外半波形，然后相加得到一个完整的然后相加得到一个完整的SPWM波。波。SPWM波形可采用模拟电路、以调制的方法实现。SPWM调制是15nSPWM控制波的生成控制波的生成:正弦波正弦波三角波调制三角波调制 Q：电压比较器：电压比较器 UR：由指令脉冲转换来的：由指令脉冲转换来的,正弦控制波。正弦控制波。U：三角波发生器：三角波发生器SPWM控制波的生成:正弦波三角波调制16n要获得三相要获得三相SPWM脉冲宽度调制波形，则需要三个互成脉冲宽度调制波形，则需要三个互成1200的控制电压的控制电压UA、UB、UC分别与同一三角波比较，获得分别与同一三角波比较，获得三路互成三路互成1200SPWM脉冲宽调制波脉冲宽调制波U0A、U0B、U0C，如图为，如图为三相三相SPWM波的调制原理图，三相控制电压波的调制原理图，三相控制电压UA、的幅值和频率都是可调的。的幅值和频率都是可调的。n三角波频率为正弦波频率倍的整数倍，所以保证了三路脉三角波频率为正弦波频率倍的整数倍，所以保证了三路脉冲调制波形冲调制波形U0A、U0B、U0C与时间轴所组成的面积随时间的与时间轴所组成的面积随时间的变化互成变化互成1200相位角相位角。要获得三相SPWM脉冲宽度调制波形，则需要三个互成1200的17三相电压型变频器的主回路有两部分组成，即左三相电压型变频器的主回路有两部分组成，即左侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路，逆变器是其核心。侧的桥式整流电路和右侧的逆变器电路，逆变器是其核心。桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而桥式整流电路的作用是将三相工频交流电变成直流电；而逆变器的作用则是将整流电路输出的直流电压逆变成三相逆变器的作用则是将整流电路输出的直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行。交流电，驱动电机运行。三相电压型变频器的主回路有两部分组成，即左侧的桥式18n三相逆变电路有只具有单向导电性的大功率开关管三相逆变电路有只具有单向导电性的大功率开关管组成。每支功率开关上反并联一支续流二极管，组成。每支功率开关上反并联一支续流二极管，即图中，为负载电流滞后提供一条反馈到即图中，为负载电流滞后提供一条反馈到电源的通路。支功率开关每隔电角度导通一支，电源的通路。支功率开关每隔电角度导通一支，相邻的两支的功率开关导通时间相差，一个周期相邻的两支的功率开关导通时间相差，一个周期共换向次，对应个不同的工作状态（又称为六拍）。共换向次，对应个不同的工作状态（又称为六拍）。根据功率开关导通持续的时间不同，可以分为导根据功率开关导通持续的时间不同，可以分为导通型和导通型两种工作方式。导通方式不同，输通型和导通型两种工作方式。导通方式不同，输出电压波形也不同。出电压波形也不同。三相逆变电路有只具有单向导电性的大功率开关管19交流电机变频调速特性n有电工学原理可知有电工学原理可知其中，其中，定子供电电压频率；定子供电电压频率；定子每项绕组匝数；定子每项绕组匝数；定子每项绕组等效匝数系数；定子每项绕组等效匝数系数；定子每项相定子每项相电压；电压；定子每项绕组感应电动势；定子每项绕组感应电动势；每机气隙磁通每机气隙磁通量；量；电机电磁转矩；电机电磁转矩；转矩常数；转矩常数；转子电转子电枢电流；枢电流；转子电枢电流的相位角转子电枢电流的相位角交流电机变频调速特性有电工学原理可知20n由于由于、为常数，为常数，与与成正比。当电机在额定成正比。当电机在额定参数下运行时，参数下运行时，达到临界饱和值，即达到临界饱和值，即达到额定值达到额定值。而在电机工作过程中，要求而在电机工作过程中，要求必须在额定值以内，必须在额定值以内，所以所以的的额定值为界限，供电频率低于额定值额定值为界限，供电频率低于额定值时，称为基频以下调时，称为基频以下调速，高于额定值速，高于额定值时，称为基频以上调速。时，称为基频以上调速。）基频以下调速）基频以下调速由可知，当由可知，当处在临界饱和值不变时，处在临界饱和值不变时，降低降低，必须按比例降低，必须按比例降低，以保持，以保持为常数。若为常数。若不变，则使定子铁心处于过饱和供电状态，不但不能增加不变，则使定子铁心处于过饱和供电状态，不但不能增加，而且会烧坏电机。，而且会烧坏电机。当在基频以下调速时，当在基频以下调速时，保持不变，即保持定子绕组电保持不变，即保持定子绕组电流不变，电机的电磁转矩流不变，电机的电磁转矩为常数，称为恒转矩调速，满足为常数，称为恒转矩调速，满足数控机床主轴数控机床主轴恒转矩调速恒转矩调速运行的要求运行的要求。由于、为常数，与成正比。当电机在额定参21n）基频以上调速）基频以上调速在基频以上调速时，频率高于额定值在基频以上调速时，频率高于额定值，受电机耐压的，受电机耐压的限制，相电压限制，相电压不能升高，只能保持额定值不能升高，只能保持额定值不变。不变。在电机内部，由于供电频率的升高，使感抗增加，相电流在电机内部，由于供电频率的升高，使感抗增加，相电流降低，使降低，使减小，由式可知输出转矩减小，由式可知输出转矩减小，但因转速提高，使输出功率不变，因此成称为减小，但因转速提高，使输出功率不变，因此成称为恒功率调速恒功率调速，满足数控机床主轴恒功率调速运行的要求。，满足数控机床主轴恒功率调速运行的要求。当频率很低时，定子阻抗压降已不能忽略，必须人为当频率很低时，定子阻抗压降已不能忽略，必须人为地提高定子电压地提高定子电压，用以补偿定子阻抗压降。，用以补偿定子阻抗压降。）基频以上调速22交流伺服电机的矢量控制n矢量控制是德国矢量控制是德国F.Blasche于于1971年提出的年提出的n矢量控制是把交流电机模拟成直流电机，用对直流电机的控制方法来矢量控制是把交流电机模拟成直流电机，用对直流电机的控制方法来控制交流电机，使其变频调速后的机械特性和动态特性接近直流电机控制交流电机，使其变频调速后的机械特性和动态特性接近直流电机的性能的性能n已广泛应用于工业生产实践中。已广泛应用于工业生产实践中。交流伺服电机的矢量控制231.矢量控制的基本原理n基本思想：基本思想：n利用利用“等效等效”概念，将三相交流电机输入的概念，将三相交流电机输入的电流电流（矢量矢量）变换为等效的）变换为等效的直流电机中彼此独立的直流电机中彼此独立的励磁电流和电枢电流励磁电流和电枢电流（标量标量），建立起交流电机），建立起交流电机的等效数学模型，然后通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩的等效数学模型，然后通过对这两个量的反馈控制，实现对电机的转矩控制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电控制；再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机还原为三相交流电机，那么三相交流电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能。机，那么三相交流电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能。n等效变化的准则：等效变化的准则：n变换前后必须产生同样的旋转磁场。变换前后必须产生同样的旋转磁场。1.矢量控制的基本原理基本思想：242.矢量控制的等效过程n(1)三相二相变换三相二相变换n将将三相交流电机三相交流电机变化为等效的变化为等效的二相交流电机二相交流电机以及与其相反的变化。以及与其相反的变化。n采用的方法：把异步电动机的采用的方法：把异步电动机的A、B、C三相坐标系的交流量变换为三相坐标系的交流量变换为-两相固定坐标系的交流量两相固定坐标系的交流量n(2)矢量旋转变换矢量旋转变换n将将二相交流电机二相交流电机变换为等效的变换为等效的直流电机直流电机。详细详细2.矢量控制的等效过程(1)三相二相变换详细详细25交流电机的矢量控制过程框图n以上所述的交流电机的矢量控制的基本思想和控制过程可用下图所示以上所述的交流电机的矢量控制的基本思想和控制过程可用下图所示的框图来表达，根据矢量变换原理就可组成交流伺服电机矢量控制变的框图来表达，根据矢量变换原理就可组成交流伺服电机矢量控制变频调速系统。频调速系统。交流电机的矢量控制过程框图以上所述的交流电机的矢量控制的基本26n 在交流电机三相定子绕组在交流电机三相定子绕组A、B、C上通以相位差为上通以相位差为1200的三相交的三相交流流iA、iB、iC，因而产生同步角速度为，因而产生同步角速度为1的旋转磁场，其磁通量为的旋转磁场，其磁通量为1,将这样的一个三相交流电机等效成一个二相交流电机，该二相交流电将这样的一个三相交流电机等效成一个二相交流电机，该二相交流电机的两个定子绕组机的两个定子绕组、在空间正交，分别通以两相交流电流在空间正交，分别通以两相交流电流i、i，产生的旋转磁场的同步角速度和磁通与三相交流电机一致，则该二相产生的旋转磁场的同步角速度和磁通与三相交流电机一致，则该二相交流电机与三相交流电机等效。交流电机与三相交流电机等效。n等效条件是两相电流等效条件是两相电流i、i与三相电流与三相电流iA、iB、iC 满足如下关系满足如下关系n 二相二相/三相逆变换关系为三相逆变换关系为返回 在交流电机三相定子绕组A、B、C上通以相位差为127将三相交流电机变换为二相交流电机后，还需要将二相交流电机将三相交流电机变换为二相交流电机后，还需要将二相交流电机变换为等效的直流电机。方法是：静止变换为等效的直流电机。方法是：静止/旋转变换是将旋转变换是将-两相固定坐两相固定坐标系中的交流电流标系中的交流电流i、i变换为直流电机的变换为直流电机的励磁电流励磁电流id和电枢电流和电枢电流iq,即即变换为以转子磁场定向的变换为以转子磁场定向的 直角坐标系的直流量，变换的条件是直角坐标系的直流量，变换的条件是保证合成磁场不变，保证合成磁场不变，i、i 合成矢量是合成矢量是 ,将其向一个旋转直角将其向一个旋转直角坐标系坐标系 分解，分解，坐标系旋转的同步角速度仍为坐标系旋转的同步角速度仍为1 ，旋转磁场的磁通仍为旋转磁场的磁通仍为1。静止和旋转坐标系之间的夹角静止和旋转坐标系之间的夹角是转子位置是转子位置角，可用安装在电机上的编码器来获得。角，可用安装在电机上的编码器来获得。静止静止/旋转变换的矩阵表达式为旋转变换的矩阵表达式为 其逆变换矩阵为其逆变换矩阵为返回将三相交流电机变换为二相交流电机后，还需要将二相交流电机28