《数控伺服系统》课件.ppt

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1、第第 6 章章 数控伺服系统数控伺服系统10/25/20226.1 6.1 概概 述述 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

2、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。10/25/20221 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。现代数控机床的位移精度一般为度。包括定位精度和轮廓加工精度。现代数控机床的位移精度一般为，甚至可高至。甚至可高至。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

3、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，它它反反映映了了系系统统的的跟跟踪踪精精度度。200毫毫秒秒以以下下，甚甚至至几几十十毫毫秒秒。动动态态响响应应的的快快慢慢，反反映映了了系系统统跟跟踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏。踪精度的高低，直接影响轮廓加工精度的高低和加工表面质量的好坏。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

4、高转速 和最低转速之比。和最低转速之比。0 0240m/min240m/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 6.1.2 6.1.2 6.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求 10/25/2022

5、对伺服电机的要求：对伺服电机的要求：（1）调调运运范范围围宽宽且且有有良良好好的的稳稳定定性性，低低速速时时的的速速度度平平稳稳性性好。好。（2 2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，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 6

6、6 6.1.2.1.2.1.2.1.2 对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求对伺服系统的基本要求 10/25/2022步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，

7、而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。机性能的限制。步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统 10/25/2022步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统一、步进驱动的原理：一、步进驱动的原理：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的步进电机是一种将电脉冲转化为

8、角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度进电机按设定的方向转动一个固定的角度 1组成：组成：步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。步进驱动控制装置、步进电机、减速机构。实例如下图实例如下图2各部分的作用：各部分的作用：数控装置：数控装置：根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移根据控制要求发出指令脉冲，指令脉冲的个数代表移 动距离；脉冲频率代表移动速度。动距离；脉冲频率代表移动速度。每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角每发出一个脉冲电机旋转一个特定的角度，即步距角 环形分

9、配：环形分配：根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步根据指令方向，依次产生步进电机的各相的通电步 骤，分为硬件环分、软件环分两种。骤，分为硬件环分、软件环分两种。放大电路：放大电路：放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱放大环形分配的各相指令，产生步进电机的各相的驱 动电流动电流 10/25/2022步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统步进电动机伺服系统 3三相三拍的原理介绍。三相三拍的原理介绍。三相是指步进电机有三相定子三相是指步进电机有三相定子绕组，三拍是指每三次转换为一个绕组，三拍是指每三次转换为一个循环循环 三相步进电机，定子有六个磁三相步进电机，定子有

10、六个磁极，分为三对，每个磁极上装有控极，分为三对，每个磁极上装有控制绕组。一对磁极通电后，对应产制绕组。一对磁极通电后，对应产生生N/S极磁场；转子为带齿的铁心极磁场；转子为带齿的铁心（反应式）或磁钢（混合式）。（反应式）或磁钢（混合式）。当定子三相依次通电时，三对当定子三相依次通电时，三对磁极依次产生气隙磁场，吸引转子磁极依次产生气隙磁场，吸引转子一步步转动。一步步转动。三相三拍的通电次序为：三相三拍的通电次序为：A-B-C-A;AB-BC-CA-AB三相六拍的通电次序为：三相六拍的通电次序为：A-AB-B-BC-C-CA-A可见三相三拍与三相六拍相比较，可见三相三拍与三相六拍相比较，六拍的

11、步距角小，精度高。六拍的步距角小，精度高。动态模拟：动态模拟：10/25/2022 步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统二、步进电机的主要性能指标1.步距角和步距误差步距角和步距误差步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：(6-1)式中式中步进电机的步距角；步进电机的步距角；m电机相数；电机相数；Z转子齿数；转子齿数；K系数，相邻两次通电相数相同，系数，相邻两次通电相数相同，K1；相邻两次通电相数不同，相邻两次通电相数不同，K2。同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为、度等。同一相

12、数的步进电机可有两种步距角，通常为、度等。步步距距误误差差是是指指步步进进电电机机运运行行时时，转转子子每每一一步步实实际际转转过过的的角角度度与与理理论论步步距距角角之之差差值值。连连续续走走若若干干步步时时，上上述述步步距距误误差差的的累累积积值值称称为为步步距距的的累累积积误误差差。由由于于步步进进电电机机转转过过一一转转后后，将将重重复复上上一一转转的的稳稳定定位位置置，即即步步进进电电机机的的步步距距累积误差将以一转为周期重复出现。累积误差将以一转为周期重复出现。步距误差在一转后回复为零。步距误差在一转后回复为零。10/25/2022 步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系

13、机伺服系机伺服系统统统统 2.静态转矩与矩角特性静态转矩与矩角特性当当步步进进电电机机上上某某相相定定子子绕绕组组通通电电之之后后，转转子子齿齿将将力力求求与与定定子子齿齿对对齐齐，使使磁磁路路中中的的磁磁阻阻最最小小，转转子子处处在在平平衡衡位位置置不不动动（0）。如如果果在在电电机机轴轴上上外外加加一一个个负负载载转转矩矩Mz，转转子子会会偏偏离离平平衡衡位位置置向向负负载载转转矩矩方方向向转转过过一一个个角角度度，角角度度称称为为失失调调角角。有有失失调调角角之之后后，步步进进电电机机就就产产生生一一个个静静态态转转矩矩（也也称称为为电电磁磁转转矩矩），这这时时静静态态转转矩矩等等于于负

14、负载载转转矩矩。静静态态转转矩矩与与失失调调角角的的关关系系叫叫矩矩角角特特性性，如如图图6-6所所示示，近近似似为为正正弦弦曲曲线线。该该矩矩角角特特性性上上的的静静态态转转矩矩最最大大值值称称为为最最大大静静转转矩矩。在在静静态态稳稳定定区区内内，当当外外加加负负载载转转矩矩除除去去时时，转转子子在在电电磁磁转转矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（矩作用下，仍能回到稳定平衡点位置（0）。）。O10/25/2022 步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统3.最大启动转矩图示为三相单三拍矩角特性曲线，图中的图示为三相单三拍矩角特性曲线，图中的A、B分别是相邻分别

15、是相邻A相和相和B相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电相的静态矩角特性曲线，它们的交点所对应的转矩是步进电机的最大启动转矩机的最大启动转矩Tq。如果外加负载转矩大于。如果外加负载转矩大于Tq，电机就不能启，电机就不能启动。动。BACT1TqTMB10/25/2022 4.启动频率启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，失步的正常运行的最高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步

16、进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。围内），启动频率会进一步降低。5.连续运行频率连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。一般为启动频率

17、大小而异，与驱动电源也有很大关系。一般为启动频率的的440倍。因此，步进电机常用升降速控制，起停时倍。因此，步进电机常用升降速控制，起停时频率较低，正常时，频率升高。频率较低，正常时，频率升高。步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统10/25/2022 步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统6.矩频特性与动态转矩矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系（见图的关系（见图6-8），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。

18、当步），该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。下降的特点。Mf图6-8矩频特性10/25/2022 三、脉冲分配 脉冲分配可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是分配可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来根据真值表或逻辑关系式采用逻辑门电路和触发器来实现。软件环形分配由计算机软件完成

19、。实现。软件环形分配由计算机软件完成。1，硬件脉冲分配器，硬件脉冲分配器硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式由门电路和集成逻辑电路设计的，数控机床上常用式由门电路和集成逻辑电路设计的，数控机床上常用三相、四相、五相及六相步进电机三相、四相、五相及六相步进电机。目前，国产有。目前，国产有YB01301636相相18管脚管脚TTL集成脉冲分配器，集成脉冲分配器，CH2503相相CMOS16管脚集成脉冲分配器。管脚集成脉冲分配器。步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统10/25/20222.软件环形分配软件环形分配计

20、算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现计算机控制的步进电机驱动系统中，使用软件实现脉冲分配，常用的是查表法。脉冲分配，常用的是查表法。例如对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进例如对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据表给脉冲指令，环形分配器软件根据表6-1所示真值表，所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将按顺序及方向控制输出接口将A、B、C的值输出即可。的值输出即可。如果上一个进给脉冲到来时，控制输出接口输出的如果上一个进给脉冲到来时，控制输出接口输出的A、B、C的值是的值是100，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制输，则对于下一个正向进给脉冲指令，控制

21、输出接口输出的值是出接口输出的值是110，再下一个正向进给脉冲，应是，再下一个正向进给脉冲，应是010，而使步进电机正向地旋转起来。，而使步进电机正向地旋转起来。步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统VSVS10/25/2022步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统 VSVS表6-1三相六拍环形分配器真值表10/25/20221.1.高低压驱动高低压驱动步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统单稳延时前 置 放大前 置 放大t1t2+u180V12VVd1R1LR2VT1+u2VT2如如图：当当

22、环形形分分配配器器输出出高高电平平时，两两只只功功率率放放大大管管T1，T2同同时导通通，电机机绕组以以80V高高压供供电，绕组电流流快快速速上上升升，前前沿沿很很陡陡，当当接接近近额定定电流流时，单稳延延时时间到到，T1管管截截止止，改改由由低低压12V供供电，维持持绕组额定定电流流。若若高高低低压之之比比为U1/U2，则电流流上上升升也也提提高高U1/U2倍倍，上上升升时间明明显减减小小。当当低低压断断开开时，电感感中中储能能通通过构构成成的的放放电回回路路放放电，因因此此也也加加快快了了放放电过程程。这种种供供电线路路由由于于加加快快了了绕组电流流的的上上升升和和下下降降过程程，有有利利

23、于于提提高高步步进电机机的的启启动频率率和和最最高高连续工工作作频率率。由由于于额定定电流流是是由由低低压维持持的的，只只需需较小小的的限限流流电阻阻，功功耗耗小小。该电路路能能在在较宽的的频率率范范围内内有有较大大的的平平均均电流流，能能产生生较大大且且较稳定定的的电磁磁转矩矩，缺缺点点是是高高低低压电路路波形波形连接接处有凹形有凹形Vd210/25/20222.2.恒流斩波驱动电路恒流斩波驱动电路V1是是20kHz的的方方波波，它它作作为为各各相相D触触发发器器的的时时钟钟信信号号CP，以以保保证证各各相相以以同同样样的的频频率率进进行行斩斩波波。V2是是步步进进控控制制信信号号。Vref

24、是是比比较较器器OP的的正正输输入入端端信信号号，它它用于确定电机绕组电流用于确定电机绕组电流iL的稳定值。的稳定值。步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统恒恒流流驱驱动动的的设设计计思思想想是是，设设法法使使导导通通相相绕绕组组的的电电流流不不论论在在锁锁定定、低低频频、高高频频工工作作时时均均保保持持固固定定数数值值。使使电电机机具具有有恒恒转转矩矩输输出出特特性性。当当电电流流不不大大时时，VT1和和VT2同同时时受受控控于于步步进进信信号号。当当电电流流超超过过恒恒流流给给定定的的数数值值，VT1被被封封锁锁，电电源源U被被切切除除。由由于于电电机机绕

25、绕组组具具有有较较大大电电感感，此此时时靠靠二二极极管管VD1续续流流，维维持持绕绕组组电电流流，电电机机靠靠消消耗耗电电感感中中的的磁磁场场能能量量产产生生出出力力。此此时时电电流流将将按按指指数数曲曲线线衰衰减减，同同样样电电流流采采样样值值将将减减小小。当当电电流流小小于于恒恒流流给给定定的的数数值值，VT1导导通通，电电源源再再次次接接通通。如如此此反反复复，电电机机绕绕组组电电流流就就稳稳定定在在由由给给定定电电平平所所决决定定的的数值上，形成小小的锯齿波，数值上，形成小小的锯齿波，10/25/2022步步步步进电动进电动进电动进电动机伺服系机伺服系机伺服系机伺服系统统统统3.调频调

26、压驱动调频调压驱动综合了高低压驱动、恒流斩波驱动的优点。低速时绕组中电综合了高低压驱动、恒流斩波驱动的优点。低速时绕组中电流上升沿较平缓，以保证转子在到达新的平稳点不产生过冲；高速流上升沿较平缓，以保证转子在到达新的平稳点不产生过冲；高速时，电流前沿陡，以产生足够的绕组电流，以提高步进电机负载能时，电流前沿陡，以产生足够的绕组电流，以提高步进电机负载能力。即：低频时用较低电压供电，高频时用较高电压供电。力。即：低频时用较低电压供电，高频时用较高电压供电。接口接口CPUVT1VT2VT3VD2VD1CR1R2UcpR3WLUctU1U2Ucp为脉冲控制信号，为脉冲控制信号，Uct为为开关调压信号

27、。当开关调压信号。当Uct为负脉为负脉冲信号时，冲信号时，VT1,VT2导通，导通，U1作用在作用在L和和W上，上，L感应出感应出负电势，电流逐渐增加，并对负电势，电流逐渐增加，并对C充电。当充电。当Uct负脉冲过后，负脉冲过后，VT1,VT2截止，截止，L感应电势感应电势U2为正。若为正。若VT3导通，该感应电导通，该感应电势经势经WR3VT3VD1L放电放电,同时同时C也向也向W放电放电.可可见向电动机绕组供电的时间取见向电动机绕组供电的时间取决于决于Uct负脉冲宽度负脉冲宽度ton,ton越大越大,U2越高越高.因此根据因此根据Ucp的的频率频率,调整调整Uct负脉冲宽度负脉冲宽度,便便

28、可实现调频调压可实现调频调压.10/25/20226.3直流伺服电机调速系统直流伺服电机调速系统1.直流伺服电机的结构及特点直流伺服电机的结构及特点直流伺服电机的结构直流伺服电机的结构10/25/20226.3直流伺服电机调速系统直流伺服电机调速系统直流伺服电机的特点直流伺服电机的特点过载倍数大，时间长；过载倍数大，时间长；具有大的转矩具有大的转矩/惯量比，电机的加速大，响应快。惯量比，电机的加速大，响应快。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联。低速转矩大，惯量大，可与丝杆直接相联。调速范围大：调速范围大：1 2000。带有高精度的速度和角位置检测元件；带有高精度的速度和角位置检测元件；电机允

29、许温度达电机允许温度达150以上，由于温升高，影响机床精度以上，由于温升高，影响机床精度因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。因转子惯性大，电源容量以及机械传动件的刚度都需相应增大。电刷、维护不便电刷、维护不便 但其却存在一些固有的缺点，即：但其却存在一些固有的缺点，即：w电刷和换向器易磨损，维护麻烦电刷和换向器易磨损，维护麻烦w结构复杂，制造困难，成本高结构复杂，制造困难，成本高10/25/20226.3直流伺服电机调速系统直流伺服电机调速系统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

30、枢电压Ua和气隙磁通和气隙磁通改变电枢外加电压改变电枢外加电压Ua: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Ua恒定情况下，磁场接恒定情况下，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.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）调速系统晶闸管（可控硅）调速系统晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWM）调速系统）调速系统1

31、0/25/20226.3直流伺服电机调速系统直流伺服电机调速系统晶闸管调速系统晶闸管调速系统1）系统的组成）系统的组成包括包括控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。控制回路：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（PI），作用：好的静态、动态特性。），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或或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

32、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+-E1ES10/25/20226.3直流伺服电机调速系统直流伺服电机调速系统主回路主回路工作原理工作原理组成：由大功率晶闸组成：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（路，分成二大部分（和和），每部分内按三相桥式连接，二组反并接，），每部分内按三

33、相桥式连接，二组反并接，分别实现正转分别实现正转和反转。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共阴极组（极组（1、3、5）和共阳极组（）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须）。为构成回路，这二组中必须各有一个可控硅同时导通。各有一个可控硅同时导通。1、3、5在正半周导通，在正半周导通，2、4、6在负半周在负半周导通。每导通。每组内（即二相间）触发脉冲相位相差组内（即二相间）触发脉冲相位相差120，每相内二个触发脉，每相内二个触发脉冲相差冲相差180。按管号排列，触发脉冲的顺序：。按管号排列，触发脉

34、冲的顺序：1-2-3-4-5-6，相邻之间，相邻之间相位差相位差60。为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通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或已截止的相再次导通，双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60后，在补发一个辅助脉冲；也后，在补发一个辅助脉冲；也可可以采用宽脉冲控制，宽度大于以采用宽脉冲控制，宽度大于60，小于，小于120。462791113581210ABCMUMUDKMKM+-10/25/20223）控制回路分析）控制回路分析触发脉冲产生的过程：触发脉冲产生的过程：改变触发角，即改变控制角改变触发角，即改变控制角U1U2R1R2R

35、3C-+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电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（相当，高放大（相当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。1-同步电

36、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10/25/2022总结总结速度控制的原理速度控制的原理：调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的调速：当给定的指令信号增大时，则有较大的偏差信号加到调节器的输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电输入端，产生前移的触发脉冲，可控硅整流器输出直流电压提高，电机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到机转速上升。此时测速反馈信号也增大，与大的速度给定相匹配达到新的平衡，电机以较高的转速运行。新的平衡，电机以较高的转速运行。干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速

37、度反干扰：假如系统受到外界干扰，如负载增加，电机转速下降，速度反馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，馈电压降低，则速度调节器的输入偏差信号增大，其输出信号也增大，经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机经电流调节器使触发脉冲前移，晶闸管整流器输出电压升高，使电机转速恢复到干扰前的数值。转速恢复到干扰前的数值。电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流电网波动：电流调节器通过电流反馈信号还起快速的维持和调节电流作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机作用，如电网电压突然短时下降，整流输出电压也随之降低，在电机转速

38、由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电转速由于惯性还未变化之前，首先引起主回路电流的减小，立即使电流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来流调节器的输出增加，触发脉冲前移，使整流器输出电压恢复到原来值，从而抑制了主回路电流的变化。值，从而抑制了主回路电流的变化。启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转启动、制动、加减速：电流调节器还能保证电机启动、制动时的大转矩、加减速的良好动态性能。矩、加减速的良好动态性能。10/25/2022（2 2）晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（晶体管脉宽调制（PWMPWM）调速系统）调速系统）

39、调速系统）调速系统1 1）系统的组成及特点）系统的组成及特点）系统的组成及特点）系统的组成及特点速度调节速度调节器器电流调节电流调节器器脉宽调脉宽调节节振荡器振荡器脉宽调脉宽调节节MG电流反电流反馈馈Uusrus f整流整流功放功放10/25/2022 主回路：功率晶体管开关放大器；功率整流器。主回路：功率晶体管开关放大器；功率整流器。主回路：功率晶体管开关放大器；功率整流器。主回路：功率晶体管开关放大器；功率整流器。控制回路：控制回路：速度调节器；速度调节器；电流调节器；电流调节器；固定频率振荡器及三角波发生器；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。脉宽调制器和基极驱动电路

40、。区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节区别：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。器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。直流脉宽调制：功率放大器中的大功率晶体管工作在开直流脉宽调制：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获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于

41、频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。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。脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。10/25/2022直流脉宽调调制的基本原理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脉冲宽度正比代表速度脉冲宽度正比代表速度F值的直流电压值的直流电压Ut10/25/20222）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

42、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10/25/20223 3）开关功率放大器开关功率放大器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

43、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、T4的基极。的基极。Ub3Ub4Ub1Ub2USABD1D2D3D4MT1T2T4T3tUS-USUdUABOtUb1Ub 4Ub2Ub3OOttt1Tidid1id2id1

44、id2OOOOOt1t3Tt2t3t1Ub1、Ub 4Ub2、Ub 3UdUABidttttid1id1id4id2id3id4id210/25/2022（4）PWM调速系统的特点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)，可达可达2-10KHz。快速性好。快速性好。电流脉动小电流脉动小:由于由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动调制频率高，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。电源的功率因数高电源的功率因数高:SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸

45、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。PWM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:校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。10/25/20226.4交流伺服电机调速系统交流伺服电机调速系统10/25/20226.4交流伺服电机调速系统交流伺服电机调速系统10/25/20221.交流伺服电机的调速方法交流伺服电机的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：

46、f 定子电源频率定子电源频率 p 磁激对数磁激对数 S 转差率转差率ns 定子旋转磁场转速定子旋转磁场转速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）电磁砖差离合器电磁砖差离合器调阻（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：（）（）（）（）10/25/2022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：公式变

47、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、变压电源的变频器，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：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流分电压型和电流型。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交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，用于大功率。流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。交交交变频器交变频器该变频器没有中间环节

48、，直接将电网的交流电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。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。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1964年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的年德国人率先提出脉宽调制变频思想，把通讯系统中的（）（）10/25/2022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。还有空间电压矢量脉宽调制。还有

49、空间电压矢量PWM、最优、最优PWM、预测、预测PWM、随机、随机PWM、规则采样数字化、规则采样数字化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

50、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 宽的宽的矩形脉冲电压波，即功率级矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。电压，使电机转动。功率开关器件还可采用：可关断晶闸管功率开关器件还可采用：可关断晶闸管GTO、功率场效应晶、功率场效应晶 体管体