第6章数控伺服系统.ppt

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1、第6章数控伺服系统 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望6.1 概 述 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置动。伺服系统是数控装置(计算机计算机)和机床的联系环节，和机床的联系环节，是数控机床

2、的重要组成部分。是数控机床的重要组成部分。数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。伺服机构或伺服单元。该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强合性强。6.1 概 述 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说如果说C C装置是数控系统的装置是数控系统的“大脑大脑”，是发布，是发布“命令命令”的的“指挥所指挥所”，那么进给伺服系统，那么进给伺服系统则是数控系统的则是数控系统的“四肢四肢”，是一种，是一种“执行机执行机构构”。它忠实地执行

3、由。它忠实地执行由CNCCNC装置发来的运动装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。速度与位移量。6.1.1 伺服系统的组成 组成：组成：伺服电机伺服电机 驱动信号控制转换电路驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块电子电力驱动放大模块 位置调节单元位置调节单元 速度调节单元速度调节单元 电流调节单元电流调节单元 检测装置检测装置一般闭环系统为三环结构一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。：位置环、速度环、电流环。6.1.1 伺服系统的组成 位置调解位置调解速度调解速度调解电流调解电流调解转换驱动转换驱动工作台工作台电

4、流反馈电流反馈速度反馈速度反馈位置反馈位置反馈MG 位置、速度和电流环均由：位置、速度和电流环均由：调节控制模块调节控制模块、检测检测和和反馈反馈部分组成。电力电子驱动装置由部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路驱动信号产生电路和和功率功率放大器放大器组成。组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。控制包括速度和电流控制。6.1.2 对伺服系统的基本要求 1 1精度高精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。度。包括定位

5、精度和轮廓加工精度。2 2稳定性好稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。影响数控加工的精度和表面粗糙度。3 3快快速速响响应应 快快速速响响应应是是伺伺服服系系统统动动态态品品质质的的重重要要指指标标，它它反反映映了系统的跟踪精度。了系统的跟踪精度。4 4调速范围宽调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。和最低转速之比

6、。0 024m/min24m/min。5 5低速大转矩低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。的输出功率。6.1.2 对伺服系统的基本要求 对伺服电机的要求：（1 1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性（2 2）电机应具有大的、较长时间的过载能

7、力，以满足低速电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。大转矩的要求。（3 3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度(400rad/s(400rad/s2 2以上以上)。（4 4）能承受频繁的起动、制动和正反转。）能承受频繁的起动、制动和正反转。6.1.2 伺服系统的分类 1 1按调节理论分类按调节理论分类（1 1）开环伺服系统）开环伺服系统 （2 2）闭环伺服系统）闭环伺服系统（3 3）半闭环伺服系统）半闭环伺服系统指令指令驱动电路驱动

8、电路步进电机步进电机工作台工作台脉冲脉冲伺服电机伺服电机速度检测速度检测速度控制速度控制位置控制位置控制位置检测位置检测伺服电机伺服电机速度控制速度控制位置控制位置控制工作台工作台脉冲编码器脉冲编码器指令指令6.1.2伺服系统的分类开环数控系统开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置进给系统），故系统稳定性好。进给系统），故系统稳定性好。电机电机机械执行部件机械执行部件A相、相、B相相C相、相、f、nCNC插补指令插补指令脉冲频率脉冲频率f脉冲个数脉冲个数n换算换算脉冲环脉冲环形分配形分配变换变换功率功率放大放大 6.1.2伺服系统的分

9、类无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。的性能和精度。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。一般用于经济型数控机床。6.1.2伺服系统的分类 半闭环数控系统半闭环

10、数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置动装置(常用伺服电机常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈单检测与反馈单元元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈6.1.2伺服系统的分类 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环半闭环环路内不包括或只

11、包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。定性虽不如开环系统，但比闭环要好。由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。满意的精度。半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代较高，因而在现代CNCCNC机床中得到了广泛应用。机床中得到了广泛应用。6

12、.1.2伺服系统的分类 全闭环数控系统全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节位置控制调节器器速度控制速度控制调节与驱动调节与驱动检测与反馈检测与反馈单元单元位置控制单元位置控制单元速度控制单元速度控制单元+-电机电机机械执行部件机械执行部件CNC插补插补指令指令实际实际位置位置反馈反馈实际实际速度速度反馈反馈6.1.2 伺服系统的分类 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制

13、精度。差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。床、超精磨床以及较大型的数控机床等。6.1.2伺服系统的分类2 2按使用的执行元件分类按使用的执行元件分类（1 1）电液伺服系统）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马

14、达。电液脉冲马达和电液伺服马达。优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳。数小、反应快和速度平稳。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。（2 2）电气伺服系统）电气伺服系统 伺服电机伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机）、直流电机和交流电机）优点：操作维护方便，可靠性高。优点：操作维护方便，可靠性高。1 1）直流伺服系统）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺 服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系

15、统采用他激直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺 服电机。服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。2 2）交流伺服系统）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动态响态响 应好、转速高和容量大。应好、转速高和容量大。6.1.2伺服系统的分类3 3按被控对象分类按被控对象分类

16、 （1 1）进给伺服系统）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包指一般概念的位置伺服系统，包括速度控制环和位置控制环。括速度控制环和位置控制环。（2 2）主轴伺服系统）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。只是一个速度控制系统。C C 轴控制功能。轴控制功能。4 4按反馈比较控制方式分类按反馈比较控制方式分类（1 1）脉冲、数字比较伺服系统）脉冲、数字比较伺服系统（2 2）相位比较伺服系统）相位比较伺服系统（3 3）幅值比较伺服系统）幅值比较伺服系统（4 4）全数字伺服系统）全数字伺服系统6.2 伺服电动机 伺服电动机伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速为数控伺服系统的重要组成部分，

17、是速 度和轨迹控制的执行元件。度和轨迹控制的执行元件。数控机床中常用的伺服电机数控机床中常用的伺服电机：直流伺服电机（调速性能良好）直流伺服电机（调速性能良好）交流伺服电机（主要使用的电机）交流伺服电机（主要使用的电机）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）步进电机（适于轻载、负荷变动不大）直线电机（高速、高精度）直线电机（高速、高精度）6.2.1 直流伺服电机及工作特性 常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、印刷绕组）印刷绕组）励磁式直流电机励磁式直流电机 混合式直流电机混合式直流电机 无刷直流电机无刷直流电机 直流力矩电机直

18、流力矩电机 直流进给伺服系统：直流进给伺服系统：永磁式直流电机类型中的永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁有槽电枢永磁 直流电机（普通型）直流电机（普通型）；直流主轴伺服系统：直流主轴伺服系统：励磁式直流电机类型中的励磁式直流电机类型中的他激直流电机他激直流电机。1直流伺服电机的结构极靴极靴机壳机壳瓦状永磁材料（定子）瓦状永磁材料（定子）电枢（转子）电枢（转子）换向极换向极主磁极主磁极定子定子转子转子线圈线圈图图6.5永磁直流伺服电机的结构永磁直流伺服电机的结构 图图6.6直流主轴电机结构示意图直流主轴电机结构示意图 2直流电机的工作特性 静态特性静态特性电磁转矩由下式表示电磁转矩由下式表示:（

19、6.16.1）K KT T 转矩常数；转矩常数；磁场磁通；磁场磁通；I Ia a 电枢电流；电枢电流；T TM M 电磁电磁转矩。电枢回路的电压平衡方程式为转矩。电枢回路的电压平衡方程式为:（6.26.2）U Ua a 电枢上的外加电压；电枢上的外加电压；R Ra a 电枢电阻；电枢电阻；E Ea a 电枢反电势。电枢反电势。电枢反电势与转速之间有以下关系：电枢反电势与转速之间有以下关系：（6.36.3）K Ke e电势常数；电势常数；电机转速（角速度）。电机转速（角速度）。根据以上各式可以求得：根据以上各式可以求得：（6.46.4）2直流电机的工作特性 当负载转矩为零时：当负载转矩为零时：理

20、想空载转速理想空载转速（6.56.5）当转速为零时：当转速为零时：启动转矩启动转矩(6.66.6）当电机带动某一负载当电机带动某一负载T TL L时时电机转速与理想空载转速的差电机转速与理想空载转速的差（6.76.7）图图6.76.7 直流电机的机械特性直流电机的机械特性（n n）O OO O TS T TL 2直流电机的工作特性 动态特性动态特性直流电机的动态力矩平衡方程式为直流电机的动态力矩平衡方程式为 （6.86.8）式中式中 T TM M 电机电磁转矩；电机电磁转矩；T TL L 折算到电机轴上的负载转矩；折算到电机轴上的负载转矩；电机转子角速度；电机转子角速度；J J 电机转子上总转

21、动惯量；电机转子上总转动惯量；t t 时间自变量。时间自变量。3永磁直流伺服电机的工作特性(1)(1)永磁直流伺服电机的性能特点永磁直流伺服电机的性能特点 1)1)低转速大惯量低转速大惯量 2)2)转矩大转矩大 3)3)起动力矩大起动力矩大 4)4)调调速泛速泛围围大，低速运行平稳，力矩波动小大，低速运行平稳，力矩波动小 (2)(2)永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1)1)转矩转矩-速度特性曲线（工作曲线）速度特性曲线（工作曲线）2)2)负载负载-工作周期曲线工作周期曲线 过载倍数过载倍数T Tmdmd，负载工作周期比，负载工作周期比 d

22、d。3)3)数据表：数据表：N N、T T、时间常数、转动惯量等等。时间常数、转动惯量等等。3永磁直流伺服电机的工作特性 d%80 110%120%60 130%140%40 160%d 180%20 200%0 1 3 tR 6 10 30 60 100 tR(min)图图69负载负载-工作周期曲线工作周期曲线M/（N-cm）转矩极限转矩极限1200010000 瞬时换向极限瞬时换向极限8000 6000 换向极限换向极限速度极限速度极限4000 温度极限温度极限2000 0 500 1000 1500 n 图图6868永磁直流伺服电机工作曲线永磁直流伺服电机工作曲线区为连续工作区；区为连续

23、工作区；区为断续工作区，由负区为断续工作区，由负载载-工作周期曲线决定工作时间；工作周期曲线决定工作时间；区为瞬时加区为瞬时加减速减速区区 4主轴直流伺服电机的工作原理和特性 O nj nmax nP,T1 2图图6.10 直流主轴电机特性曲线直流主轴电机特性曲线 1-1-转矩特性曲线转矩特性曲线 2-2-功率特性曲线功率特性曲线6.2 2 交流伺服电机及工作特性 直流伺服电机的缺点：它的电刷和换向器易磨损；电机最高转速的限制，应用环境的限制；结构复杂，制造困难，成本高。交流伺服电机的优点：动态响应好；输出功率大、电压和转速提高交流伺服电机形式：同步型交流伺服电机和异步型交流感应伺服电机。VS

24、VS1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 交流同步伺服电机的种类：交流同步伺服电机的种类：励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式 （1 1）永磁交流同步伺服电机的结构）永磁交流同步伺服电机的结构 VSVS定定子转子转子 脉冲编码器脉冲编码器定子三相绕组定子三相绕组 接线盒接线盒图图611 永磁交流同步伺服电机结构永磁交流同步伺服电机结构 1永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 （2 2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能 n（r/min）VSNns nr S 图图6112 工作原理工作原理 图图6113 特性曲线特性曲线T（N-cm）

25、120001000080006000400020000100020003000 2交流主轴伺服电机的结构和工作原理交流主轴电机的要求：交流主轴电机的要求：w w大功率大功率w w低速恒转矩、高速恒功率低速恒转矩、高速恒功率鼠笼式交流异步伺服电机鼠笼式交流异步伺服电机 交流主轴电机交流主轴电机 普通交流普通交流 异步感应电机异步感应电机 通风孔通风孔 P（KW）8 6 4 2 02000 4000 6000 8000 12000 n（r/min）图615 交流主轴伺服电机的特性曲线图614 交流主轴电机与普通交流异步感应电机的比较图示意图 3、交流伺服电机的发展（1 1）永磁交流同步伺服电机的发

26、展）永磁交流同步伺服电机的发展 新永磁材料的应用新永磁材料的应用 钕铁硼钕铁硼 永久磁铁的结构改革永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机内装永磁交流同步伺服电机 与与机机床床部部件件一一体体化化的的电电机机 空空心心轴轴永永磁磁交交流流同同步步伺伺服服电机电机（2 2）交流主轴伺服电机的发展）交流主轴伺服电机的发展 输出转换型交流主轴电机输出转换型交流主轴电机 三角三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。星形切换，绕组数切换或二者组合切换。液体冷却电机液体冷却电机 内装式主轴电机内装式主轴电机6.3 速度控制概述：概述：速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测装置速度控制系统由速

27、度控制单元、伺服电机和速度检测装置 组成。分为主运动和进给运动。组成。分为主运动和进给运动。进给运动：进给运动：是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与主运动相比功率较小。主运动相比功率较小。主运动：主运动：主要无级调速，但还要有下面的控制功能：主要无级调速，但还要有下面的控制功能：主轴于进给驱动的同步控制；主轴于进给驱动的同步控制；准停控制；准停控制；分度控制；分度控制；恒线速度控制。恒线速度控制。速度控制：速度控制：主要是调速，调速有机械主要是调速

28、，调速有机械、液压和电气方法，电气调液压和电气方法，电气调速最有利于实现自动化。速最有利于实现自动化。6.3.1 直流进给运动的速度控制1.1.、直流伺服电机的调速原理直流伺服电机的调速原理根据机械特性公式可知调速有二种方法根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压电枢电压U Ua a和和气隙磁通气隙磁通 改变电枢外加电压改变电枢外加电压U Ua a:由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定 转速以下进行。属于恒转矩调速。转速以下进行。属于恒转矩调速。改变气隙磁通量改变气隙磁通量：改激磁电流即可改改激磁电流即可改，在，在U Ua a恒定情况下，磁场接恒定情

29、况下，磁场接 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。2.2.直流速度控制单元调速控方式直流速度控制单元调速控方式晶闸管（可控硅）晶闸管（可控硅）调速系统调速系统晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统调速系统（6.18）（6.19）(1)晶闸管调速系统1 1）系统的组成）系统的组成 包括包括 控制回路控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。主回路：主回路：可控硅整流放大器等。可控硅整流放大器等。速度环：速度调节（速度环：速度调节（PIPI），作用：好的静态、动

30、态特性。），作用：好的静态、动态特性。电流环：电流调节电流环：电流调节(P(P或或PI)PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。作用：加快响应、启动、低频稳定等。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器触发脉冲触发脉冲发生器发生器可控硅可控硅整流器整流器电流反馈电流反馈速度反馈速度反馈电流检测电流检测编码器编码器电机电机UR+-UfIfIR+-E1ES2 2）主）主回路工作原理工作原理组

31、成：由大功率晶闸管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，分成二大部分（和），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，分别实现正转和反转。原理原理：三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组 （1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一 个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，2、4、6在负半周导通。每 组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，每相内二个触发脉冲相差180。按管号排列，触发脉冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间相位差60。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通，采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60后，在

32、补发一个辅助脉冲；也 可以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于120。462791113581210ABCMUMUDKMKM+-e)uacbcaba)b)c)d)135 tub246bcatttt1 1 3 3 5 5 1 1 3 3 6 2 2 4 4 6 6 2 2 4 135246120120180601324606056 只要改变可控只要改变可控硅触发角（即改变硅触发角（即改变导通角），就能改导通角），就能改变可控硅的整流输变可控硅的整流输出电压，从而改变出电压，从而改变直流伺服电机的转直流伺服电机的转速。速。触发脉冲提前触发脉冲提前来，增大整流输出来，增大整流输出电压；触发脉冲延电压；

33、触发脉冲延后来，减小整流输后来，减小整流输出电压。出电压。主回路波形图主回路波形图3 3）控制回路分析）控制回路分析U1U2R1R2R3C-+同步信号同步信号过零信号过零信号由速度由速度F变换来的变换来的电流调节电流调节器输出的器输出的直流信号直流信号,123窄脉冲窄脉冲：即即移相触发脉冲移相触发脉冲同步信号同步信号方波信号方波信号矩齿波矩齿波矩齿波与直矩齿波与直流电压叠加流电压叠加 信号信号尖脉冲尖脉冲直流电压直流电压（可控硅导通时间），可调速。可控硅导通时间），可调速。没反馈是开环，特性软。没反馈是开环，特性软。1-同步电路同步电路 2-移向控制电路移向控制电路3-脉冲分配器脉冲分配器 电

34、流调节器电流调节器:同上，加快电流的反应。同上，加快电流的反应。触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发 电路，与电路，与F直流信号叠加。直流信号叠加。速度调节器：比例积分速度调节器：比例积分PI，高放大（相，高放大（相当当 C短路）短路）缓放大缓放大增放大增放大稳定（相当稳定（相当C 开路）无静差。开路）无静差。（2）晶体管脉宽调制（PWM）调速系统1 1）系统的组成及特点）系统的组成及特点usrus f整流整流速度调节器速度调节器电流调节器电流调节器脉宽调节脉宽调节振荡器振荡器基极驱动基极驱动MG电流反馈电流反馈U功放功放主回路：大功率晶体管开关放大器；功率

35、整流器。控制回路：速度调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；脉宽调制器和基极驱动电路。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。直流脉宽调调制的基本原理周期不变周期不变周期不变周期不变脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽脉宽平均直流电压平均直流电压Ut功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。脉冲宽度正比（代

36、表）速度F值的直流电压2 2）脉宽调制器脉宽调制器ttU U +U S rU +U S rU S CU S CU S C+U S rooo-U S rtttt同向加法放大器电路图同向加法放大器电路图U S r 速度指令转化过速度指令转化过 来的直流电压来的直流电压U -三角波三角波USC-脉宽调制器的输脉宽调制器的输 出（出（U S r+U ）调制波形图调制波形图R1+12VUSCR1R3R2+-12VU S rU -US r为为0时时调制出正负脉宽一样方波调制出正负脉宽一样方波平均电压为平均电压为0US r为正时为正时US r为负时为负时调制出脉宽较宽的波形调制出脉宽较宽的波形平均电压为正平

37、均电压为正调制出脉宽较窄的波形调制出脉宽较窄的波形平均电压为负平均电压为负3 3）开关功率放大器开关功率放大器主回路：可逆主回路：可逆H型双极式型双极式PWM 开关功率放大器开关功率放大器电路图电路图:由四个大功率晶体管由四个大功率晶体管（GTR）T 1、T 2、T 3、T4 及四个续流二极管组成的桥及四个续流二极管组成的桥 式电路。式电路。H型：型：又分为又分为双极式、单极双极式、单极式和受限单极式和受限单极式三种。式三种。Ub1、Ub2、Ub3Ub4 为调制器为调制器输出，经脉冲输出，经脉冲分配、基极驱分配、基极驱动转换过来的动转换过来的脉冲电压。分脉冲电压。分别加到别加到T1、T2、T3

38、、T4的基极。的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id2（4）PWM调速系统的特点频带宽、频率高频带宽、频率高:晶体管晶体管“结电容结电容”小，开关频率远高于可控（小，开关频率远高于可控（50Hz)50Hz)，可达可达2-10KHz2-10KHz。快速性好。快速性好。电流脉动小电流脉动小:由于由于PWMPWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动

39、调制频率高，电机负载成感性对电流脉动 由平滑作用，波形系数接近于由平滑作用，波形系数接近于1 1。电源的功率因数高电源的功率因数高:SCRSCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸 变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。PWMPWM 系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。动态硬度好动态硬度好:校校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。6.3.3 交流进给运动的速度控制1.1.交流伺服电机的调速方法交流伺服电机的

40、调速方法由电机学知，交流电机转速公式：由电机学知，交流电机转速公式：式中：式中：f f1 1 定子电源频率定子电源频率 p p 磁激对数磁激对数 S S 转差率转差率n ns s 定子旋转磁场转速定子旋转磁场转速n n 转子转速转子转速异步电机异步电机 变频变频 用于笼型电机用于笼型电机 调压（定子电压）调压（定子电压）电磁转差离合器电磁转差离合器 调阻（转子电组）调阻（转子电组）串级调速串级调速 交交直直交交 交交交交 交交直直交交 交交交交变转变转差率差率变频变频变频变频同步电机同步电机交流电动机交流电动机由此可知调速方法：由此可知调速方法：（6.20）对于进给系统常使用交流同步电机，该电

41、机没有转差率，电机对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：转速公式变为：从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：器，变频器分为：交交直直交变频器交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功交流

42、电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。率。交交交变频器交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。电变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交直直交变频器。交变频器。（6.21）异步电机异步电机 变频变频 用于笼型电机用于笼型电机 调压（定子电压）调压（定子电压）电磁转差离合器电磁转差离合器 调阻（转子电组）调阻（转子电组）串级调速串级调速 交交直直交交 交交交交 交交直直交交 交交交交变转变转差率差率变频变频变频变频同步电机同步电机

43、交流电动机交流电动机交流电机的调速方法交流电机的调速方法2.正弦脉宽调制（正弦脉宽调制（SPWM）变压变频器）变压变频器 基本概念基本概念 脉宽调制变频思想，是把通讯系统中的调制技术应用于交流变脉宽调制变频思想，是把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量压矢量PWM、最优、最优PWM、预测、预测PWM、随机、随机PWM、规则采样数字、规则采样数字化化PWM等等。等等。SPWM交交直直交变压变频器的原理框图如下：交变压变频器的原理框图如下：M3UIURUR整流器整流器 固定电压

44、不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器 结构将交流变为直流，电压幅值不变。结构将交流变为直流，电压幅值不变。为逆变器的供电。为逆变器的供电。UI 逆变器逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控 制极（大功率晶体管制极（大功率晶体管GTR为基极为基极）输入由基准正弦波（由速度指）输入由基准正弦波（由速度指 令转化过来的）和三角波叠加出来的令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等调制波（等幅、不等 宽的矩形脉冲波）宽的矩形脉冲波），使这些大功率晶体管按一定规律导通、截

45、止，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止，输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等 宽的矩形脉冲电压波，即功率级宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。电压，使电机转动。正弦脉宽调制原理正弦脉宽调制原理（以单相为例）（以单相为例）正弦脉宽调制正弦脉宽调制（SPWM）波形）波形:与正弦波等效的一系列等幅不等与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波，如右下图所示。宽的矩形脉冲波，如右下图所示。uttuOOa)b)等效原理等效原理：把：把正弦分正弦分成成 n 等分，每一区间的面等分，每一区间的面积用与其相等的

46、等幅不等积用与其相等的等幅不等宽的矩形面积代替。宽的矩形面积代替。正弦的正负半周均如此正弦的正负半周均如此处理。处理。SPWM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、方波、方波三角波调制。三角波调制。方波发生器方波发生器（带正反馈比较（带正反馈比较 又有又有RC积分）积分）三角波发生器三角波发生器（积分器）（积分器）三角波与基准三角波与基准正弦波叠加正弦波叠加（比较器）（比较器）SPWM调制波调制波基准正弦波基准正弦波(由速度指令由速度指令转化过来的转化过来的)VD1调制波调制波载波载波uutu1:utu1u0OOOtttRFRR1R2R3R4R5R6R7VD2VD3VD4

47、C 1C 2U0 (ua、ub、uc)tO-+ut:uAB50HzSPWMD1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12T1T2T3T4T5T6uauaububucucu1u2u3utu1utudua1t1t1t1t1t1tuA0uB0uC0逆变器输出逆变器输出A相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出逆变器输出B相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出逆变器输出C相等效正弦相等效正弦脉宽电压波脉宽电压波逆变器输出线逆变器输出线电压等效正弦电压等效正弦脉宽电压波脉宽电压波u1:由由F转换来的转换来的ut改变调制波的频改变调制波的频率、幅值，就可率、幅值，就可改变最终

48、输出改变最终输出 ：变频变压的交流变频变压的交流电压电压主回路：主回路：左半部：整流器左半部：整流器右半部：逆变器右半部：逆变器1.1.系统的组成：速度环、电流环系统的组成：速度环、电流环SPWSPW电路、功放电路电路、功放电路检测反馈电路检测反馈电路6.3.4 交流进给伺服电机的速度控制系统 校正校正补偿补偿乘法器乘法器SPWM功率功率放大放大速度反速度反馈信号馈信号转子位置转子位置检测电路检测电路电流信号电流信号处理电路处理电路传感器信号处理电路传感器信号处理电路传感器传感器MS3电流电流比较比较速度速度比较比较电流电流传感传感+-U(t)2.SPWM电路原理电路原理SPWM的控制方法：的

49、控制方法：模拟控制模拟控制 原始的控制方法；原始的控制方法；数字控制数字控制微机存储事先算好的微机存储事先算好的SPWM数据表格，由指令调出，或通过软数据表格，由指令调出，或通过软 件实时生成。件实时生成。专用集成芯片专用集成芯片单片机微处理器直接带有单片机微处理器直接带有SPWM信号产生功能，并有其输出端信号产生功能，并有其输出端 口，如口，如8098、8XC196MC。去主回路三极管基极 u/f 分频分频 u/f 分频分频 基准正弦波基准正弦波 产生产生三角波三角波发生器发生器比较器比较器 SPWM比较叠加ui 压/频变换、分频器 正弦逻辑三角波逻辑指令比较器比较器 比较器比较器 脉冲脉冲

50、分配分配 SPWM变压变频调速的优点：变压变频调速的优点：1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构；2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响；4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形可获得更接近于正弦波的输出电压波形。6.3.5 6.3.5 交流主轴电机的速度控制交流主轴电机的速度控制交流主轴驱动系统：交流感应异步电机调速方法很多，变频调速是最适用交流主轴驱动系统：交流感应异步电机调速方法很多，变频调速是最适用的方