6数控机床电气驱动.ppt

* 永磁交流伺服电机工作原理图 * * 3) 交流伺服电动机调速原理 根据交流电动机的工作原理，当电机定子三相绕组通三相交流正弦电源时，将建立旋转磁场，其主磁通Φm的空间转速称为同步转速n0。其值为 若电机的实际转速为n，则电机的转差率为 故 式中f为电源电压频率；p为电机磁极对数。 * * (1) 改变磁极对数p调速。磁极对数可变的交流电动机称为多速电动机。通常磁极对数设计成4/2、8/4、6/4、8/6/4等几种。显然，磁极对数只能成对地改变，转速只能成倍地变化。 (2) 改变转差率s调速。这种方法只能在绕线式异步电动机中使用。在转子绕组回路中串入电阻，通过改变电阻值的大小，可以改变转差率的大小。串入电阻值大，转差率大，转速低；串入电阻值小，转差率小，转速高。调速系统的调速范围为3∶1。 (3) 改变频率f调速。如果电源频率能平滑调节，电机转速也就可以平滑改变。目前，高性能交流电动机伺服驱动系统都采用改变频率调速方法，这是一种先进的调速方法，电机从高速到低速其转差率都很小，因而变频调速的效率和功率因数都很高。 * * 4) 变频调速技术 　　对交流电动机实现变频调速的装置叫变频器，其功能是将电网电压提供的恒压恒频(CVCF，Constant Voltage Constant Frequency)交流电变换为变压变频(VVVF，Variable Voltage Variable Frequency)交流电。变频器有交-交变频器与交-直-交变频器两大类，结构对比如图4-18所示，性能对比见表4-6。 * * 图4-18 两种类型变频器 (a) 交-交变频器；(b) 交-直-交变频器 * * 表4-6 交-交变频器与交-直-交变频器的主要特点比较 * * 　　1. 正弦波脉宽调制(SPWM)原理 　正弦波脉宽调制(SPWM)变频器是使用最广泛的PWM调制方法，属于交-直-交变频装置，将50 Hz交流电经整流变压器变压到所需电压，经二极管整流和电容滤波，形成直流电压，再送入6个大功率晶体管构成的逆变器主电路，输出三相频率和电压均可调整的等效于正弦波的脉宽调制波(SPWM波). 　　SPWM逆变器可产生正弦脉宽调制波(SPWM)波形，主要是通过一个正弦波得到2N个等高而不等宽的脉冲序列，与正弦波等效，如图所示。SPWM波的产生原理是将正弦波作为调制波对等腰三角波进行调制，经倒相后可得6路SPWM信号。 * * 图4-20 与正弦波等效的矩形脉冲序列 * * 　　2. 矢量变换控制的SPWM调速系统 　　矢量控制是一种新型控制技术，这种技术的应用使交流调速系统的静、动态性能接近或达到了直流电机的高性能。在数控机床的主轴与进给驱动中，矢量控制应用日益广泛，并有取代直流驱动的趋势。 * * 　　直流电动机能获得优异的调速性能，其根本原因是与电机电磁转矩相关的是两个互相独立的变量磁通Φ和电流Id。然而，交流电动机却不一样，其定子与转子间存在着强烈的电磁耦合关系，不能形成像直流电机那样的独立变量，而是一个高阶、非线性、强耦合的多变量控制系统。矢量变换控制调速系统应用了适于处理多变量系统的现代控制理论及坐标变换和反变换等数学工具，能够建立起一个与交流电动机等效的直流电动机模型，通过对该模型的控制，可实现对交流电动机的控制，从而得到与直流电机相同的优异控制性能。 * * 　　如果利用“等效”的概念，将三相交流电机输入电流变换为等效的直流电机中彼此独立的电枢电流和励磁电流，然后和直流电机一样，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机，那么，三相电机的调速性能就完全体现了直流电机的调速性能，这就是矢量控制的基本构思。 　　矢量变换控制的SPWM调速系统，是将通过矢量变换得到相应的交流电动机的三相电压控制信号作为SPWM系统的给定基准正弦波，以实现对交流电动机的调速。该系统实现了转矩与磁通的独立控制，控制方式与直流电动机相同，可获得与直流电动机相同的调速控制特性，满足了数控机床进给驱动的恒转矩、宽调速的要求，也可以满足主轴驱动中恒功率调速的要求，在数控机床上得到了广泛应用。 * * 　　矢量变换调速系统的主要特性如下： 　　(1) 速度控制精度和过渡过程响应时间与直流电动机大致相同，调速精度可达±0.1%。 　　(2) 自动弱磁控制与直流电动机调速系统相同，弱磁调速范围为4∶1。 　　(3) 过载能力强，能承受冲击负载、突然加减速和突然可逆运行，能实现四象限运行。 　　(4) 性能良好的矢量控制的交流调速系统比直流系统效率高约2%，不存在直流电机换向火花问题。 * * 5）矩频特性与动态转