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伺服电动机应用举例,由伺服电动机组成的伺服驱动系统，按被控对象可分为转矩控制方式；速度控制方式；位置控制方式；混合控制方式；图2-47,直流电动机,各种类型数控机床,用数控机床加工一个零件的过程见图 零件图 数控系统 机床,用数控机床加工工件时，首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。,基本概念：数控系统（NC system）、数控装置 NCU 和计算机数控CNC，数控系统的功能：读入载体上的数字信息，经过译码、数据处理、插补运算和位置控制，控制机床运动。数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成。以计算机为数控装置构成的数控系统成为计算机数控系统。,数控机床的逻辑组成,数控机床物理结构与逻辑结构比较,同类型的加工中心与数控铣床的结构布局相似，主要在刀库的结构和位置上有区别，一般由床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给机构、自动换刀装置、辅助系统（气液、润滑、冷却）、控制系统等组成，如图所示。,（一）按控制轨迹的特点分类1.点位控制数控机床（进给过程中不加工）2.直线控制数控机床（进给过程中可以加工）3.轮廓控制数控机床（可以加工非直线轮廓）,（二）按伺服系统的类型分类1 开环控制数控机床,2 闭环控制 数控机床,3 半闭环控制 数控机床,表1.1 数控系统的功能分类,（三）按功能水平分类1.高级型数控系统 2.普及型数控系统 3.经济型数控系统,智能化数控系统的智能化主要体现在以下几个方面：（1）应用自适应控制技术,（2）自动编程技术,（3）具有故障自动诊断功能,（4）应用模式识别技术实现系统自动建模,开放式数控系统 随着数控技术的发展，数控系统变得越来越复杂，暴露出许多自身固有的缺陷。最大的问题是，这些数控系统都是专门设计的，它们具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、非标准的硬件接口等，这些缺陷造成了数控系统使用和维护的不便，也限制了数控技术的进一步发展。为了解决这些问题，人们提出了“开放式数控系统”的概念。这个概念最早见于1987年美国的NGC(Next Generation Controller)计划，NGC控制技术通过实现基于相互操作和分级式的软件模块的“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS）”找到解决问题的办法。一个开放式的系统体系结构能够使供应商为实现专门的最佳方案去定制控制系统。由于这样一个富有哲理的概念作为NGC计划的奠基石，NGC代表了下一代控制技术。,基于网络的数控系统 网络的任务主要是进行通讯，共享信息。数控机床作为车间的基本设备，它的通讯范围是：（1）数控系统内部的CNC装置与数字伺服间的 通信，主要通过SERCOS链式网络传送数字伺服控制信息；（2）数控系统与上级主计算机间的通信；（3）与车间现场设备及I/O装置的通信，主要通过现场总线，如PROFIBUS等进行通讯；（4）通过因特网与服务中心的通信，传递维修数据；（5）通过因特网与另一个工厂交换制造数据。,提高数控系统的可靠性 可靠性是数控机床用户最为关注的问题，提高可靠性通常可采取下列一些措施：（1）提高线路的集成度。采用大规模集成电路、专用芯片及混合式集成电路，以减少元器件数量，精简外部连线和降低功耗。（2）建立由设计、试制到生产的完整质量保证体系。例如采取防电源干扰，输入输出隔离；使数控系统模块化、通用化及标准化，以便组织批量生产和维修；在安装制造时注意严格筛选元器件；对系统可靠性进行全面检查考核等。,（3）增强故障自诊断功能和保护功能。由于元器件失效、编程及人为操作失误等原因，数控系统完全可能出现故障。数控系统一般具有故障预报和自恢复功能。此外，应注意增强监控和保护功能，例如有的系统设有刀具破损检测、行程范围保护和断电保护等功能，以避免损坏机床或报废工件。由于采用了各种有效的增强可靠性的措施，现代数控系统的平均无故障时间可达到MTBF=1000036000小时。,数控技术在自动化制造系统中的地位,公司级管理计算机,工厂级管理计算机,工厂级管理计算机,车间级管理计算机,车间级管理计算机,数据高速公路,数控设备 1,数控设备 N,CRT监视操作站,通信控制,MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS-51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品，其典型系统有（广州数控设备厂产品）：,由单片机组成的数控装置,数控装置的硬件结构,图4-3 单微处理机数控装置的结构图,二、单微处理机数控装置,数控装置的物理结构（FANUC-6MB）,单微处理机数控装置典型产品：,右：FANUC 150i-M系列下：华中世纪星,三、基于PC的和网络型数控装置,图4-5 基于网络的数控系统结构图,位置检测装置,返回课件首页,位置检测装置是数控机床的重要组成部分。在闭环、半闭环控制系统中，它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床对位置检测装置的要求如下：（1）工作可靠，抗干扰能力强；（2）满足精度和速度的要求；（3）易于安装，维护方便，适应机床工作环境；（4）成本低。位置检测装置按工作条件和测量要求不同，有下面几种分类方法：,（一）直接测量和间接测量 1.直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。2.间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,（二）数字式测量和模拟式测量1.数字式测量 它是将被测的量以数字形式来表示，测量信号一般为脉冲，可以直接把它送到数控装置进行比较、处理。信号抗干扰能力强、处理简单。2.模拟量测量 它是将被测的量用连续变量来表示，如电压变化、相位变化等。它对信号处理的方法相对来说比较复杂。,（三）增量式测量和绝对式测量1.增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。2.绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。,旋转变压器,结构与工作原理 旋转变压器是输出电压信号与转子转角成一定函数关系的控制微电机,旋转变压器是一种角位移测量装置，由定子和转子组成。旋转变压器的工作原理与普通变压器基本相似，其中定子绕组作为变压器的一次侧，接受励磁电压。转子绕组作为变压器的二次侧，通过电磁耦合得到感应电压，只是其输出电压大小与转子位置有关。旋转变压器通过测量电动机或被测轴的转角来间接测量工作台的位移。旋转变压器分为单极和多极形式，先分析一下单极工作情况。,感应同步器,结构与工作原理 感应同步器和旋转变压器均为电磁式检测装置，属模拟式测量，二者工作原理相同，其输出电压随被测直线位移或角位移而改变。感应同步器按其结构特点一般分为直线式和旋转式两种：直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。旋转式感应同步器由转子和定子组成，用于角位移测量。以直线式感应同步器为例，介绍其结构和工作原理。,脉冲编码器,脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，能把机械转角变成电脉冲，是数控机床上使用很广泛的位置检测装置。脉冲编码器可分为增量式与绝对式两类。,从产生元件上分，脉冲编码器有光电式、接触式、电磁感应式三种，从精度和可靠性来看，光电式较好，数控机床上主要使用的是光电式脉冲编码器。型号用 脉冲数/转（p/r）分，常用的2000，2500，3000p/r,现在有10万p/r以上的产品。它可以用于角度检测，也可用于速度检测。通常它与电机做成一体，或安装在非轴伸端。,光电盘是用玻璃材料研磨抛光制成，玻璃表面在真空中镀上一层不透光的铬，然后用照相腐蚀法在上面制成向心透光窄缝。透光窄缝在圆周上等分，其数量从几百条到几千条不等。圆盘也用玻璃材料研磨抛光制成，其透光窄缝为两条，每一条后面安装有一只光电元件。光电盘与工作轴连在一起，光电盘转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线的明暗变化，光电元件把通过光电盘和圆盘射来的忽明忽暗的光信号转换为近似正弦波的电信号，经过整形、放大、和微分处理后，输出脉冲信号。通过记录脉冲的数目，就可以测出转角。测出脉冲的变化率，即单位时间脉冲的数目，就可以求出速度。,光电式脉冲编码器，它由光源、聚光镜、光电盘、圆盘、光电元件和信号处理电路等组成（如图）。,光栅,结构 光栅种类较多。根据光线在光栅中是透射还是反射分为透射光栅和反射光栅，透射光栅分辨率较反射光栅高，其检测精度可达1m以上。从形状上看，又可分为圆光栅和直线光栅。圆光栅用于测量转角位移，直线光栅用于检测直线位移。两者工作原理基本相似，本节着重介绍一种应用比较广泛的透射式直线光栅。直线光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长。短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两光栅尺是刻有均匀密集线纹的透明玻璃片，线纹密度为25、50、100、250条/mm等。线纹之间距离相等，该间距称为栅距，测量时它们相互平行放置，并保持0.050.1mm的间隙。,数控机床的伺服系统 概述,返回课件首页,一、伺服系统的组成 数控机床的伺服系统按其功能可分为：进给伺服系统和主轴伺服系统。主轴伺服系统用于控制机床主轴的转动。进给伺服系统是以机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，通常由伺服驱动装置、伺服电机、机械传动机构及执行部件组成。进给伺服系统的作用：接受数控装置发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动装置作一定的转换和放大后，经伺服电机（直流、交流伺服电机、功率步进电机等）和机械传动机构，驱动机床的工作台等执行部件实现工作进给或快速运动。数控机床的进给伺服系统能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。如果把数控装置比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构，它是一个不折不扣的跟随者。,图6-1 闭环进给伺服系统结构,数控机床闭环进给系统的一般结构如图，这是一个双闭环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。,由速度检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。,二、对伺服系统的基本要求1.位移精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。伺服系统的位移精度是指指令脉冲要求机床工作台进给的位移量和该指令脉冲经伺服系统转化为工作台实际位移量之间的符合程度。两者误差愈小，位移精度愈高。2.稳定性好 稳定性是指系统在给定外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来平衡状态的能力。要求伺服系统具有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控加工精度和表面粗糙度。3.快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统跟踪精度。机床进给伺服系统实际上就是一种高精度的位置随动系统，为保证轮廓切削形状精度和低的表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快，跟随误差小。4.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和最低转速之比。在数控机床中，由于所用刀具、加工材料及零件加工要求的不同，为保证在各种情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。,5.低速大扭矩 要求伺服系统有足够的输出扭矩或驱动功率。机床加工的特点是，在低速时进行重切削。因此，伺服系统在低速时要求有大的转矩输出,三、伺服系统的分类 数控机床的伺服系统按其控制原理和有无位置反馈装置分为开环和闭环伺服系统；按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按其驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统及直线电动机伺服系统。,（一）开环和闭环伺服系统 开环伺服系统采用步进电机作为驱动元件，它没有位置反馈回路和速度反馈回路，因此设备投资低，调试维修方便，但精度差，高速扭矩小，被用于中、低档数控机床及普通机床改造。如图6-2为开环伺服系统简图，步进电机转过的角度与指令脉冲个数成正比，其速度由进给脉冲的频率决定。,图6-2开环伺服系统简图,指令脉冲,步进电机,齿轮箱,闭环伺服系统又可进一步分为闭环和半闭环伺服系统。闭环伺服系统的位置检测装置安装在机床的工作台上（图6-1），检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给CNC装置，与指令进行比较，求得差值，依此构成闭环位置控制。闭环方式被大量用在精度要求较高的大型数控机床上。半闭环伺服系统一般将位置检测元件安装在电动机轴上，用以精确控制电机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动部件，将角度转换成工作台的位移，为间接测量(图6-3)。即坐标运动的传动链有一部分在位置闭环以外，其传动误差没有得到系统的补偿，因而半闭环伺服系统的精度低于闭环系统。目前在精度要求适中的中小型数控机床上，使用半闭环系统较多。,（二）进给驱动与主轴驱动 进给伺服系统包括速度控制环和位置控制环，用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需转矩。主轴伺服系统只是一个速度控制系统，控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力，且保证任意转速的调节。,（三）直流伺服系统、交流伺服系统与直线电动机伺服系统 直流伺服系统就是控制直流电机的系统。目前使用比较多的是永磁式直流伺服电机。永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流伺服电机），调速范围宽，输出转矩大，过载能力强，而且电机转动惯量较大，应用较方便。但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单，适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展，其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已在数控机床中得到广泛应用。,电动机,直流,交流,其它,整流子，电刷,无整流子，电刷电子电路切换,永磁式,绕线励磁式（电磁铁）,并励,串励,复励,无刷,步进,直线,同步,异步感应,超声波,永磁式,永磁式,绕线式,磁阻式,鼠笼式,交流整流子式,混合,绕线式,电动机,控制,功率,信号,伺服,步进,力矩,开关磁阻,无刷直流,永磁,磁阻,混合,直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。,在机床进给系统中，采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法达到的性能指标和优点,由于直线电动机在机床中的应用目前还处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给驱动的机床会得到广泛应用。,线性直线电机,磁悬浮列车,交流伺服系统,一、数控机床用交流电机 在交流伺服系统中，按电机种类可分为同步型和异步型（感应电机）两种。交流伺服同步电机有永磁式、磁阻式（反应式）、磁滞式、绕组磁极式等。数控机床进给伺服系统中多采用永磁式同步电机，同步电机的转速是由供电频率所决定的，即在电源电压和频率固定不变时，它的转速是稳定不变的。由变频电源供电给同步电机时，能方便地获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性及宽的调速范围。交流主轴电机多采用交流异步电机，很少采用永磁同步电机，主要因为永磁同步电机的容量做得不够大，且电机成本较高。另外主轴驱动系统不象进给系统那样要求很高的性能，调速范围也不要太大。因此，采用异步电机完全可以满足数控机床主轴的要求，笼型异步电机多用在主轴驱动系统中。,伺服电动机与驱动器,适合于各种加工中心的电主轴,二、交流电机的速度控制(一)交流电机的调速 据电机学知，交流异步电机的转速表达式为,(r/min)(6-7),式中 f1定子电源频率（Hz）；p磁极对数；s转差率。由式(6-7)可知异步电机的调速方法，可以有变转差率、变极对数及变频三种。靠改变转差率对异步电机进行调速时，低速时转差率大，转差损耗功率也大，效率低。变极调速只能产生二种或三种转速，不可能做成无级调速，应用范围较窄。变频调速是从高速到低速都可以保持有限的转差率，故它具有高效率、宽范围和高精度的调速性能，可以认为是一种理想的调速方法。,交流同步电机的转速表达式为,(r/min),可知改变频率f1，可平滑调节同步转速。但在实际调速时，只改变频率是不够的，现在来看一下变频时电动机的机械特性的变化情况，由电机学知：,(6-8),式中 E1感应电势；Kr1基波绕组系数；N1定子每相绕组串联匝数；m每极气隙磁通量。,当略去定子阻抗压降时，定子相电压U1为,(6-9),可以看出，m减小导致电机允许输出转矩T下降，则电机利用率下降，电机的最大转矩也将降低，严重时可能发生负载转矩超过最大转矩，电机就带不动了，即所谓堵转现象。又当电压U1不变，减小f1时，m上升会造成磁路饱合，激磁电流会上升，铁心过热，功率因数下降，电机带负载能力降低。故在调频调速中，要求在变频的同时改变定子电压U1，以维持m接近不变，由U1，f1不同的相互关系,而得出不同的变频调速方式、不同的调速机械特性。,由式(6-9)可见，定子电压不变时，随f1的上升，气隙磁通m将减小。又从转矩公式,(6-10),式中 CT转矩常数；I2折算到定子上的转子电流；cos2 转子电路功率因数。,1.恒转矩调速,(6-10),方法：U1/f1=常数，原理：m近似恒定,因而扭矩T近似恒定优点：特性曲线的线性段基本平行，扭矩恒定。缺点：但最大转矩Tm随着f1下降而减小。这是因为f1高时，E1数值较大，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例较小，可以认为U1近似于定子绕组中感应电势E1。而当f1相对很较低时，E1数值变小，U1值也变小，此时定子漏阻抗压降在U1中所占比例增大，E1与U1相差很大，所以m减小，从而使Tm下降。,(6-9),图恒转矩调速特性曲线,2.恒最大转矩（Tm）调速 为了在低速时保持最大转矩Tm不变，就必须采取E1/f1=常数的协调控制，显然，这是一种理想的保持磁通恒定的控制方法。恒Tm调速的机械特性见图6-25所示，对应于同一转矩，转速降基本不变，即直线部分斜率不变，机械特性平行地移动。,方法：E1/f1=常数原理：使m精确恒定，Tm恒定。优点：因而最大扭矩恒定缺点：实现困难,3.恒功率调速 为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通m将随着f1的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。如图6-26所示，随着频率增加，转矩减少，而转速增加，可得近似恒功率的调速特性。,图恒功率调速特性曲线,方法：只改变f1优点：调整方法简单缺点：最大扭矩变化,（二）交流感应电机矢量控制原理 矢量控制理论最先是在1971年由德国学者F.Blachke提出的。在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制只有电机磁通和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（Tm=KT Ia）与磁通和电枢电流Ia分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控制。,图所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为0的旋转磁场。如果用的两套空间相差900的绕组和来代替，并通以两相在时间上相差900的交流电流，使其也产生角速度为0的旋转磁场，则可以认为图和图的两套绕组是等效的。若给图所示模型上两个互相垂直绕组d和q，分别通以直流电流id 和iq，则将产生位置固定的磁场，如果再使绕组以角速度0旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与一样。,图交流电机三相/二相直流电机变换,三相A、B、C系统变换到两相、系统,这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。图6-27a所示的三相异步电机的定子三相绕组，彼此相差1200空间角度，当通以三相平衡交流电流 iA,iB,iC 时，在定子上产生以同步角速度0旋转的磁场矢量。三相绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的、绕组代替，并通以两相在时间上相差900的交流平衡电流 i 和 i，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别和0，则可以认为、b中的两套绕组是等效的。,应用三相/二相的数学变换公式，将其化为二相交流绕组的等效交流磁场。则产生的空间旋转磁场与三相A、B、C绕组产生的旋转磁场一致。令三相绕组中的A相绕组的轴线与坐标轴重合，其磁势为（见图）。,图三相磁动势的变换,按照磁势与电流成正比关系，可求得对应的电流值i 和 i,除磁势的变换外，变换中用到的其它物理量，只要是三相平衡量与二相平衡量，则转换方式相同。这样就将三相电机转换为二相电机，如图6-27b。,2.矢量旋转变换 将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机，若设图d为激磁绕组，通以激磁电id，q为电枢绕组，通以电枢电流iq，则产生固定幅度的磁场，在定子上以角速度0旋转。这样就可看成是直流电机了。将二相交流电机转化为直流电机的变换，实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换。这里，就是把i 和 i 转化为 id 和 iq，转化条件是保证合成磁场不变。在图b中，i 和 i的合成矢量是 i1，将其在方向及垂直方向投影，即可求得id 和 iq。id 和 iq 在空间以角速度0旋转。转换公式为,图6-28b,三相磁动势的变换,3.直角坐标与极坐标的变换 矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。如图6-28b中，由id 和 iq求i1，其公式为,采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点，而且结构简单、可靠，电机容量不受限制，与同等直流电机相比机械惯量小，其前景非常可观。,（三）交流电机的变频调速装置,变频器基本组成,A,B,C,电源,PWM变频器的主电路原理图,图中是脉宽调制（Pulse Width Modulation简称PWM）变频器的主电路。它由担任交-直变换的二极管整流器和担任直-交变换、同时完成调频和调压任务的脉冲宽度调制逆变器组成。图中续流二极管D1D6，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管（全控式功率开关器件）T1T6组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。电容器Cd的功能是：滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。,A,B,C,电源,图PWM变频器的主电路原理图,下面讨论逆变管T1T6以怎样的顺序动作（导通和关断）才能将直流电变为三相交流电？如图6-30所示，在t1、t2时间内，V1、V6同时导通，A为正，B为负，uAB为正。在t4、t5时间内，V3、V4同时导通，A为负，B为正，uAB为负。在t3、t4时间内，T3、T2同时导通，B为正，C为负，uBC为正。在t6、t1时间内，T5、T6同时导通，B为负，C为正，uBC为负。在t5、t6时间内，T5、T4同时导通，C为正，A为负，uCA为正。在t2、t3时间内，T1、T2同时导通，C为负，A为正，uCA为负。,图6-30 各逆变管的通断安排,图所示为逆变管的工作情况，图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。,图6-31 三相逆变桥的输出电压,如图所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。与图6-32a相比，图6-32b所示电压周期增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。,图脉宽调制的输出电压,采用PWM方法控制逆变管的通、断时，可获得一组幅值相等、宽度相同的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可控制其输出电压，改变调制周期可控制其输出频率，同时实现变压和变频。因输出电压波形为矩形波，具有许多高次谐波成分。对电机来说，有用的是电压的基波。为了减少谐波影响，提高电机的运行性能，应采用对称的三相正弦波电源为三相交流电机供电。正弦波脉宽调制型逆变器（SPWM）的输出端可获一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。SPWM脉宽调制波形，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大大减少。,下面介绍用正弦波（调制波）控制，三角波（载波）调制的采用模拟电路元件实现SPWM（正弦波脉宽调制）控制的变频器的工作原理。如图6-33所示，首先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角波信号VT和正弦波信号VS，然后送入电压比较器A，产生SPWM调制的矩形脉冲。,图6-33 电路原理图,图脉宽调制波的形成,1,2,3,4,5,a),14,13,u,+Ud/2,-Ud/2,b),图所示的数字位置为这二种波形交点，决定了逆变器某相元件的通断时间（在此为A相），即V1和V4的通断，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度。当正弦波高于三角波时，开关器件V1导通、V4关断，使负载上得到的相电压为uA=Ud/2；当正弦波低于三角波时，开关器件V1关断、V4导通，负载上的相电压为uA=Ud/2；调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，调制出脉宽波形如图6-34b。由相电压合成为线电压时，如uAB=uA-uB，可得逆变器输出线电压脉冲系列，其脉冲幅值为Ud和Ud。,uA,改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；增加调制波的幅值时，各段脉冲的宽度都将变宽，从而使输出电压基波的幅值也相应变大。如果用这样的矩形脉冲作为逆变管的控制信号，则在逆变器输出端可以获得一组类似的矩形脉冲，其幅值就是直流侧的整流电压Ud，其宽度是按正弦规律变化的。采用模拟电路调制的优点是完成VT与VS信号的比较和确定脉冲宽度所用的时间短，几乎是瞬间完成的。然而，这种方法的缺点是所需要硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。,采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强。缺点是需要通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而，随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。微机控制的SPWM控制模式有多种，以规则取样法为例来介绍。微机是采用计算的办法寻找三角波VT与参考正弦波VS的交点从而确定SPWM脉冲宽度的。VT和VS的交点A1、B1能准确求得，从而确定脉冲宽度t2，但计算工作量较大。为简化计算，可采用近似的求VT和VS交点的方法。通过两个三角波峰之间中线与VS的交点m作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点A和B确定的SPWM脉宽为t2，显然，t2与t2数值相近。,规则取样法就是用VT和VS近似交点A和B代替实际的交点A1和B1，用以确定SPWM脉冲信号的。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减少了计算工作量。由图6-35可很容易地导出规则取样法的计算公式。设三角波和正弦波的周期分别为TT和TS，幅值分别为UT和US。t1为在TT时间内，在脉冲发生以前（即A点以前）的间歇时间，t2为AB之间的脉宽时间，t3为在TT以内B点以后的间隙时间。显然TT=t1+t2+t3，t1、t3及t2可由下式计算,机床进给伺服系统设计,一 进给电机的选择（一）步进电机的选择1 电机类型2 相数3 步距角4 静态扭矩5 启动频率6 电机总扭矩,（二）伺服电机的选择1 扭矩2 负载转动惯量与电机转动惯量的匹配,机床进给伺服系统设计,一、数控机床进给驱动系统的特点1.负载扭矩大、惯性大；2.调速范围宽；进给速度在0.5mm/min10m/min之间3.可靠性要求高；4.响应速度快。响应时间在100ms之内,依机床大小而定。,二、步进电机进给伺服系统设计,图6-2开环伺服系统简图,指令脉冲,步进电机,齿轮箱,1.步距角的选择,S,i,0.6,1.2,1.5,3标准系列,2.静态扭矩的选择,图6-2开环伺服系统简图,指令脉冲,步进电机,齿轮箱,S,i,F,Mz,3.启动扭矩,0(r/min),n(r/min),4.启动频率,0(r/min),n(r/min),fq0:空载启动频率M:启动频率下的输出力矩（见矩频特性曲线）,步进电机驱动的各种类型数控机械,三、交流伺服驱动系统1.电机扭矩的选择负载扭矩：,加速度扭矩：,伺服电机扭矩：,2.伺服电机转动惯量的选择(1)负载转动惯量的计算：转动物体:,移动物体:,(2)折算到电机轴上的转动惯量,J1,J2,J3,m,J2,(3)电机和负载转动惯量的匹配,Jl,Jm,Jl,Jl,Jm,Jm,V,X,X,四、伺服进给系统分析1.伺服进给系统的固有频率（1）为什么要计算固有频率？（2）怎样计算固有频率？,M,F,K,Ks2,Kc,KB,KNR,KBR,（3）怎样计算复合结构的固有频率？,（4）怎样提高系统的固有频率？,减小转动惯量提高结构刚度,2.跟随误差及其对加工精度的影响（1）数控系统的跟随误差,（2）跟随误差对直线轮廓加工精度的影响,两个方向的分速度：,两个方向的位置误差：,轮廓误差：,（3）跟随误差对圆弧轮廓加工精度的影响,实际圆弧半径：,从中解出轮廓误差：,两个方向刚度相同时：,设计完成的两自由度运动控制平台：,返回,交流伺服电动机,基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统,随着现代化工业的不断发展，交流伺服控制系统的应用越来越广泛，而高性能的全数字化伺服控制系统是当代交流伺服控制系统发展的趋势，这种系统被广泛应用在高精度数控机床、机器人、特种加工装备和精细进给系统中，因此对其性能的要求也越来越高，尤其是在军用领域和机器人系统中，要求伺服控制系统具有高速度、高精度、高可靠性及高抗干扰能力。由于集高速运算能力和面向电机的高效控制能力于一体的数字信号处理芯片DSP的应用，因此基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统逐步成为交流伺服控制系统的主流。,基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统主电路,交流伺服控制系统的主电路是交流伺服控制系统的主要部分，主电路的性能优劣直接影响整个交流伺服控制系统的性能，因此对主电路的设计显得尤为重要。,图1系统框图,主电路由三相整流电路、智能功率模块、滤波电容、能耗制动回路组成,主电路工作原理及各部分设计,工作原理：三相交流电经三相全控桥整流电路整流后，再经过滤波电容滤波，将其转换为直流电，使加于逆变器桥臂的电压为一恒压源。R和T组成能耗制动回路。智能功率模块由三相六个桥臂构成，把直流电变换成三相交流输出，即变压也变频，输到电动机的三相电压和频率都是同时变换的。实际应用上经电流反馈控制后，智能功率模块输出的三相电流为近似对称的正弦交流电流，以使电动机获得圆形旋转的气隙磁场。,功率主电路的作用：直接驱动伺服电机工作,功率主电路的组成：三相整流电路、智能功率模块、滤波电容、能耗制动回路,主电路的具体构成,图2 主电路原理图,三相整流电路,整流电路采用富士公司的三相整流桥6R130G-1600，整流电路为三相桥式全波整流电路，耐压高，可达1600V,输入是三相交流电，三相输入为220V，则经整流后平均直流电压为的=2.34220=514.8V。三相桥式全波整流电路完成工频电流到直流的转换，经整流器整流后的直流电存在脉动。滤波电容起到稳压滤波的作用，滤波电容中的滤波电容值很大,智能功率模块,功率变换部分是永磁同步电机控制系统的重要组成部分，其功能是依据PWM控制信号将三相工频交流电变换成频率、相位和幅值均可调的交流电，功率变换单元的结构形式多种多样，而采用交一直一交变换方式的电压源逆变器，目前在永磁同步电动机控制系统中应用广泛。在功率变换单元的设计中，功率电子开关的选择很重要，IGBT由于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好，耐高压且承受大电流、驱动电路简单而得到广泛的应用。,智能功率模块,采用的智能功率模块是富士公司的R系列PM25RSBI20智能功率模块。它以IGBT为主开关器件，这就决定了它的开关速度较高，目前己达到20kHz。它的智能化主要表现在容易实现控制、保护和接口功能等三个方面。采用它来构建主逆变电路，可以极大地简化电路结构，同时也提高了电路工作的可靠性与稳定性。智能功率模块的内部结构。见图3,图3IPM的内部结构图,由图3可见，这是一种含有制动单元在内的完整的逆变器，它包括7个IGBT和它们各自的驱动保护电路，其中的6个可组成三相逆变桥，另一个再外加电阻即可构成制动单元。内含驱动电路IPM设定了内部IGBT的最佳驱动条件，驱动电路离IGBT很近，可以大大减少信号传输阻抗，且受外界的干扰很小，因此不需要加反向偏压。它共需要4组控制电源，上桥臂为互相独立的3组，下桥臂三个驱动器共用一组电源;内含各种保护，使内部ICTBT因故障损坏的机率大大降低。这些保护包括过电流保护(OC)，短路保护(SC)、控制电源欠电压保护(UV)、过热保护(OH)等和报警输出;制动电路只要在外电路端子P与B之间接入制动电阻，即可实现能耗制动，散去减速时的再生电能。,参数设定,PMSM是交流伺服控制系统的执行元件，它的运行状态是交流伺服系统控制性能的体现。因此，电动机要能很好地体现各式各样的控制性能，达到各种设计要求，电动机参数与变换器各环节的参数必须很好地匹配。,滤波电容的参数设计,整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波，这要通过滤波电容C来实现。滤波电容的作用除了稳压和滤除整流后的电压纹波外，还在整个电路和逆变电路之间起去藕作用，以消除相