交流伺服调速原理

,Institute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment Technology,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第五章 伺服驱动系统,5-5 交流伺服电动机及控制,5-5-1 概述,5-5-2 交流电机的基本调速原理,5-5-3 矢量变换原理,5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构,5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型,5-5-6 交流伺服电机的速度控制,5-5-7 交流伺服电机的位置控制,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，逐渐取代了直流伺服电机，是当今全数字伺服驱动系统的发展趋势。,5-5-1 概述,5-5 交流伺服电动机及控制,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,1.交流伺服电机的特点,2)永磁同步交流伺服电动机的特点：,体积小，效率高，运行可靠。,调速方便、机械特性好。,调速范围宽。,建模难度大、控制算法复杂。,1)异步交流伺服电机的特点：,重量轻，价格便宜。,转速随负载变化较大，低速时运动平稳性较差,静止时自锁转矩小。,5-5-1 概述,第五章 伺服驱动系统,5-5 交流伺服电动机及控制,5-5-1 概述,5-5-2 交流电机的基本调速原理,5-5-3 矢量变换原理,5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构,5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型,5-5-6 交流伺服电机的速度控制,5-5-7 交流伺服电机的位置控制,1.交流电机的速度和位置控制基础,对电机转矩控制的精度决定了电机的调速精度，也决定了电机的位置控制精度。对直流电机而言，在额定功率以下的调压控制可精确的控制转矩，因此直流伺服电机能够用于进给系统；对于主轴驱动系统的速度控制，直流电机可采用恒功率下的调磁调速。,对于交流电机而言，由于其同步转速为n=60f，因此无论对于交流永磁同步电机还是异步电机，速度调节首先必须调整旋转磁场的转速，这就是,变频调速,。,对位置精度要求不高的主轴驱动系统，通常采用“交流异步电机+通用变频器”调节主轴转速。,5-5-2 交流电机的基本调速原理,异步交流电机,磁场同步转速：,转子转速：,电机转矩公式：,5-5-2 交流电机的基本调速原理,Institute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment Technology,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,目前，交流调速中应用最广的是“,交直交,”变换，一般采用PWM逆变器。PWM调制方法有很多种，在交流电机调速中最基本、应用最广泛的调制方法是,SPWM,(正弦波脉宽调制)、和,SVPWM,（空间矢量脉宽调制），使定子产生所需的旋转磁场，进而实现交流电机的速度控制。,2、交流电机的基本调速原理,5-5 交流伺服电动机及控制,IPM,VT1,VT3,VT5,VT4,VT6,VT2,R,S,T,U,V,W,M,3,开关功放,控制信号,1)SPWM基本原理,双极性调制法（单相）,VT1,VT2,调制,电路,Ud,u,r,u,c,L,VD1,VD2,5-5-2,交流电机的基本调速原理,单相SPWM基本原理,SPWM(正弦波脉宽调制)以三角波为载波，正弦波为调制波，其频率和幅值可调，两波形交点决定逆变器开关管状态。,单相SPWM基本原理,当调制波为正半周，当正弦波高于三角波时，VT1导通、VT2关断，使负载上得到的相电压为u,0,=Ud/2；当正弦波低于三角波时，VT1关断、VD2续流二极管释放能量，负载上的相电压为u,0,=-Ud/2；实现双极性调制。,VT1,VT2,调制,电路,Ud,u,r,u,c,L,VD1,VD2,5-5-2,交流电机的基本调速原理,三相SPWM基本原理,双极性调制法（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。,5-5-2,交流电机的基本调速原理,SPWM变频调速系统,SPWM变频调速系统框图,5-5-2,交流电机的基本调速原理,第五章 伺服驱动系统,5-5 交流伺服电动机及控制,5-5-1 概述,5-5-2 交流电机的基本调速原理,5-5-3 矢量变换原理,5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构,5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型,5-5-6 交流伺服电机的速度控制,5-5-7 交流伺服电机的位置控制,U,=,I,R,+,=,C,e,n,T,=,C,t,I,直流伺服电机,Institute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment Technology,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,单纯的变频调速无法解决交流电机的转矩控制，由于交流电机的励磁电流与转矩电流耦合在一起，因此难以象直流电机那样直接实现调压和调磁控制，这就是早期进给伺服驱动采用直流电机的原因，也是单纯采用变频调速的主轴系统速度和位置控制精度不高的原因。要想使交流电机达到同样的调速性能，就需要将励磁电流与转矩电流解耦，这就是矢量控制。,5-5-3 矢量变换原理,TeC,t,Ia,EaC,e,n,UEa+RaIa,直流电机方程,5-5-3 矢量变换原理,i,d,i,q,w,0,F,q,d,i,a,i,b,w,0,F,b,a,i,a,i,b,i,c,w,0,F,a,b,c,W,V,U,三相交流坐标系,（,a,-,b,-,c,）,两相直角坐标系,（,a,-,b,）,两相旋转坐标系,（d-q）,Clarke变换,3相/2相变换,Park变换,Park逆变换,Clarke逆变换,2相/3相变换,2.交流电机矢量变换的数学模型,Institute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment Technology,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,IPM,ADC,Clarke变换,Park,Clarke,变换,SVPWM,U,W,整流滤波,DC,AC,-,-,+,电流,控制,M,3,U,U,U,V,i,b,Park,变换,Park,逆变换,i,U,i,W,i,a,i,d,i,q,速度,控制,+,指令速度,i,qr,i,dr,i,a,r,i,b,r,编码器,微分,5-5-3 矢量变换原理,3.矢量变换的应用,矢量变换控制原理框图,Institute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment Technology,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,第五章 伺服驱动系统,5-5 交流伺服电动机及控制,5-5-1 概述,5-5-2 交流电机的基本调速原理,5-5-3 矢量变换原理,5-5-4 永磁同步交流伺服电机的结构,5-5-5 永磁同步交流伺服电机的数学模型,5-5-6 交流伺服电机的速度控制,5-5-7 交流伺服电机的位置控制,2.交流伺服电机的工作方式,扭矩控制方式；,速度控制方式；,位置控制方式。,模拟量输入；,数字输入（选择8-16种内部速度）；,串行通信。,脉冲输入；,串行通信。,Dir+clk,Up Down；,AB相正交脉冲。,模拟量输入；,5-5-1 概述,5-5-1 概述,3.交流进给伺服系统工作方式,1）闭环速度控制/扭矩工作方式,交流伺服驱动器,速度,控制,电流,控制,位置,控制,d/dt,CNC,位置,反馈,位置,控制,伺服,电机,工作台,模拟电压,Institute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment Technology,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,5-5-1 概述,3.交流进给伺服系统工作方式,2）高速伺服总线闭环控制工作方式,伺服,驱动器,伺服,电机,编码器,光栅,伺服,驱动器,PLC,伺服,电机,CNC,Institute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment Technology,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,5-5-1 概述,3.交流进给伺服系统工作方式,2）脉冲位置控制工作方式,交流伺服驱动器,速度,控制,电流,控制,位置,控制,d/dt,CNC,位置,控制,伺服,电机,工作台,有些交流伺服驱动器具有光栅反馈接口，可实现从伺服驱动器到工作台的全闭环控制，而CNC到伺服驱动器则采用开环控制。,Institute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment TechnologyInstitute of Numerical Control And Equipment Technology,Institute of Numerical Control And Equipment Technology,