第四章 机电一体化系统的执行元件(三).ppt

第四章 机电一体化系统的执行元件 （三） 一、概述 采用交流伺服电机的系统称为交流伺服系统。交流伺服系统主要用于需要快速跟踪、超宽的调速范围、精确定位、超低速大力矩等应用场合，比如精密数控机床、高速包装机、高端纺织、包装印刷机械等机械制造和配套行业。 其主要技术指标是：瞬态力矩要达到2.5－3倍额定力矩，调速范围要超过1:2000－10000，必须采用编码器作为速度和位置反馈，为了保证停车定位，有的电机自带抱闸。 二、交流伺服电机分类 交流电机一般分为同步电机和异步电机 1、交流同步电机（SM）：转子由永磁材料构成，随着电机的定子所产生的旋转磁场的变化，转子也做相应频率的速度变化，而且转子速度=定子旋转磁场速度，即转子只能跟随给定的旋转磁场进行同步旋转，所以称“同步”，又称无刷直流伺服电机。但在控制和性能上完全可以和直流伺服电机媲美。 2、交流异步（感应）电机（IM）：转子由感应线圈构成。工作时，定子产生旋转磁场并切割转子线圈而产生感应电流，进而转子产生感应磁场，使转子旋转。感应磁场随定子旋转磁场而变化，但转子的磁场变化永远小于定子的变化，一旦相等就没有变化的磁场切割转子的感应线圈，转子线圈中也就没有了感应电流，转子磁场消失，转子失速又与定子产生速度差又重新获得感应电流。所以在交流异步电机里有个关键的参数是转差率，就是转子与定子的速度差的比率。 三、交流伺服与变频器加普通交流电机的区别 其工作原理基本相同，都是属于交-直-交电压型电机驱动器，只是技术指标要求差别大，所以在电机和驱动器设计方面有很大的差别。其实现实应用中大多数设备对电机的控制性能要求不高，对比伺服：其调速范围一般是：1:100（无编码器）/1:1000(带编码器），最大转矩：1.5倍额定即可。电机和驱动器的技术难度、方案及配置、价格都大幅度降低。而且功率范围宽，从几百瓦到上千KW不等。 由于应用在各行各业，所以变频器的功能特别丰富，为了满足特定行业的需求，许多厂家都在开发行业专用型变频器，比较典型的有：电梯专用变频器、供水专用变频器等。价格低、覆盖范围宽是变频器的主要特点。电机可以是异步电机，也可以是同步电机。一般变频器只包括速度控制和电流控制两个环节。 伺服的基本概念就是准确、精确、快速定位。变频是伺服控制的一个必须的内部环节，伺服驱动器中同样存在变频（要进行无级调速）。但伺服将电流环、速度环或者位置环都闭合进行控制，这是很大的区别。除此之外，伺服电机的构造与普通电机是有区别的，要满足快速响应和准确定位的要求。 现在市面上的交流伺服电机多为永磁同步交流伺服电机，但这种电机受工艺限制，很难做到很大的功率，十几KW以上的同步伺服价格非常昂贵，这样在现场应用允许的情况下多采用交流异步伺服，这时很多驱动器就是高端变频器，带编码器反馈闭环控制。 变频器交流异步变频常见，伺服则交流同步伺服常见。 四、变频器及伺服系统应用 由于变频器和伺服在性能和功能上的不同，所以应用也不大相同： 1、在速度控制和力矩控制的场合要求不是很高的一般用变频器，也有在上位加位置反馈信号构成闭环用变频进行位置控制的，精度和响应都不高。 2、在有严格位置控制要求的场合中只能用伺服来实现，另外，伺服的响应速度远远大于变频，有些对速度的精度和响应要求高的场合也用伺服控制，能用变频控制的运动的场合几乎都能用伺服取代，关键是两点：一是价格上伺服远远高于变频，二是功率的原因：变频最大的能做到几百KW，甚至更高，伺服最大为几十KW。但是现在伺服也能做到几百KW了。 五、交流伺服电机的控制方法 1、同步电机（SM）的控制方法 控制系统框图：P75 反馈的信息：三相绕组电流、转子的位置。 2、异步（感应）电机（IM）的控制方法 控制系统框图：P77 反馈的信息：三相绕组电流、转子的位置。 完成的控制：转速、转矩、位置 六、交流伺服电机的变频调速控制 1、交流感应电机的转速特性 三相异步电动机的转速n可用下面的公式表示： 在整个调速范围内电动机的转矩应保持不变。转矩与磁通Φ成正比，而磁通近似正比于电源电压U和频率的比值，即Φ∝U / f 。所以在改变频率 f 调速时，必须同时相应地调节电源电压，以保持U / f 的值不变，使电动机的转矩恒定。 2、变频调速方法 可分为交—直—交变频、交—交变频、脉宽调制（SPWM）变频等，其中每一种变频又有很多变换形式和接线方法。 3、SPWM变频调速原理 在