數(shù)控機床-交流伺服電機

交流伺服電機直流電機的缺點：

·電刷和換向器易磨損，有時產生火花；

·換向器的制作工藝復雜；·電機的最高速度受到限制；

·結構復雜，成本較高近年來交流電機飛速發(fā)展，克服了直流電機結構上的缺點，充分發(fā)揮了堅固耐用、經濟可靠、動態(tài)響應好，輸出功率大等優(yōu)點。因此，在某些場合，交流伺服電機已逐漸取代直流伺服電機。交流伺服電機的分類與特點在數(shù)控機床上應用的交流電機一般都為三相。

異步交流伺服電機(主軸驅動）電磁式同步交流伺服電機磁帶式非電磁式永磁式反應式磁帶式和反應式同步電機存在效率低、功率因數(shù)差、制造容量不大等缺點。

優(yōu)點：結構簡單、運行可靠、效率高；永磁式同步電機

缺點：體積大、啟動特性欠佳；與直流電機相比：外形尺寸、重量、轉子慣量大幅減小與異步交流伺服電機相比：效率高、體積小

因此，在數(shù)控機床進給驅動系統(tǒng)中多數(shù)采用永磁式交流同步電機。異步交流伺服電機與同容量的直流電機相比的優(yōu)缺點：優(yōu)點：重量輕、價格便宜；缺點：轉速受負載的變化影響較大，不能經濟地實現(xiàn)范圍較廣的平滑調速；

相當于感應式交流異步電機，一般用在主軸驅動系統(tǒng)中。永磁式交流同步電機結構

永磁交流同步電機主要由定子、轉子和檢測元件組成。交流永磁同步電機的定子與異步電機的定子結構相似，是由硅鋼片、三相對稱的繞組、固定鐵心的機殼及端蓋部分組成。交流永磁同步電機的轉子采用永磁稀土材料制成，永磁轉子產生固定磁場。

原理和性能

當定子三相繞組通上交流電流后，產生一個以轉速ns轉動的旋轉磁場。轉子磁場由永久磁鐵產生，用另一對磁極表示。由于磁極同性相斥，異性相吸，定子的旋轉磁場與轉子的永磁磁極互相吸引，并帶著轉子一起旋轉，因此，轉子也將以同步轉速ns與旋轉磁場一起轉動。當轉子加上負載轉矩之后，轉子磁極軸線將落后定子磁場軸線一個θ角，隨著負載增加，θ也隨之增大；負載減少時，θ角也減少；只要不超過一定限度，轉子始終跟著定子的旋轉磁場以恒定的同步轉速ns旋轉。若設轉子轉速為nr：

nr=ns=60f1/pnr——轉子轉速ns——同步轉速p——定子和轉子的極對數(shù)f1——交流電源頻（定子供電頻率）θ——轉子磁極軸線與定子磁極的軸線夾角交流主軸電機交流主軸電機與普通感應式伺服電機的工作原理相同。有電工學原理可知，在電機定子三相繞組通以三相交流電時，會產生旋轉磁場，這個磁場切割轉子中的導體，導體感應電流與定子磁場相互作用產生電磁轉矩，從而推動轉子轉動，其轉速nr為nr——轉子轉速ns——同步轉速p——定子和轉子的極對數(shù)f1——交流電源頻（定子供電頻率）s——轉差率s=（ns-nr）/ns交流伺服電機的變頻調速

由以上兩式可見，只要改變交流伺服電機的供電頻率f1，即可改變交流伺服電機的轉速，所以交流伺服電機調速應用最多的是變頻調速。變頻調速的主要環(huán)節(jié)是：為電機提供頻率可變的電源變頻器。變頻器可分為：

交——交變頻交——直——交變頻交—交變頻

交—交變頻方式是利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出反脈沖，這個脈動交流電的基波就是所需的交頻電壓。這種調頻方式所得的交流電波動比較大，而且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。整流器：把交流電變成固定的或可調的直流電交-直-交變頻先將交流電整成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，這個矩形脈沖波的基波就是所需的變頻電壓。這種調頻方式所得的交流電的波動小，調頻范圍比較寬，調節(jié)線性度好。數(shù)控機床上常采用交—直—交變頻調速。交—直—交變頻中間直流電壓可調PWM逆變器中間直流電壓是否可調中間直流電壓固定PWM逆變器

中間直流電路上的儲能元件電壓型逆變器是大電容還是大電感，分為電流型逆變器逆變器：把固定的直流電變?yōu)楣潭ǖ幕蚩烧{的交流電SPWM變頻器是目前使用最廣、最基本的一種交-直-交電壓型變頻器，也稱為正弦波PWM變頻器，具有輸入功率因數(shù)高和輸出波型好等優(yōu)點，不僅適用于永磁式交流同步電機，也適用于感應式交流異步電機，在交流調速系統(tǒng)中獲得廣泛應用。SPWM變壓變頻器調制原理（以單相為例）正弦脈寬調制（SPWM）波形:與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。等效原理：把正弦波分成n等分，每一區(qū)間面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。正弦波的正負半周均如此處理SPWM波形可采用模擬電路、以調制的方法實現(xiàn)。SPWM調制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需要的電壓信號，利用三角波電壓與正弦參考電壓相比較來確定各分段矩形脈沖的寬度。SPWM的調制原理與直流電機的SPWM的調制原理是相同的，調制信號都是三角波，調制后的波形都是方波，不同的是SPWM把正弦波調制成脈寬按正弦規(guī)律變化的方波，用來控制交流伺服電機的速度。在調制過程中可以是雙極性調制，也可以是單極性調制。雙極性能同時調制出正半波和負半波，而單極性調制只能調制出正半波或負半波，再將調制波倒相得到另外半波形，然后相加得到一個完整的SPWM波。SPWM控制波的生成:正弦波—三角波調制

Q：電壓比較器

UR：由指令脈沖轉換來的,正弦控制波。

UΔ：三角波發(fā)生器要獲得三相SPWM脈沖寬度調制波形，則需要三個互成1200的控制電壓UA、UB、UC分別與同一三角波比較，獲得三路互成1200SPWM脈沖寬調制波U0A、U0B、U0C，如圖為三相SPWM波的調制原理圖，三相控制電壓UA、ＵＢ、ＵＣ的幅值和頻率都是可調的。三角波頻率為正弦波頻率３倍的整數(shù)倍，所以保證了三路脈沖調制波形U0A、U0B、U0C與時間軸所組成的面積隨時間的變化互成1200相位角。三相電壓型ＳＰＷＭ變頻器的主回路有兩部分組成，即左側的橋式整流電路和右側的逆變器電路，逆變器是其核心。橋式整流電路的作用是將三相工頻交流電變成直流電；而逆變器的作用則是將整流電路輸出的直流電壓逆變成三相交流電，驅動電機運行。三相逆變電路有６只具有單向導電性的大功率開關管ＶＴ１～ＶＴ６組成。每支功率開關上反并聯(lián)一支續(xù)流二極管，即圖中ＶＤ１～ＶＤ６，為負載電流滯后提供一條反饋到電源的通路。６支功率開關每隔６００電角度導通一支，相鄰的兩支的功率開關導通時間相差１２００，一個周期共換向６次，對應６個不同的工作狀態(tài)（又稱為六拍）。根據功率開關導通持續(xù)的時間不同，可以分為１８００導通型和１２００導通型兩種工作方式。導通方式不同，輸出電壓波形也不同。交流電機變頻調速特性有電工學原理可知

其中，ｆ１—定子供電電壓頻率；Ｎ１—定子每項繞組匝數(shù)；Ｋ１—定子每項繞組等效匝數(shù)系數(shù)；Ｕ１—定子每項相電壓；Ｅ１—定子每項繞組感應電動勢；—每機氣隙磁通量；Ｔｍ—電機電磁轉矩；ＣＭ—轉矩常數(shù)；Ｉ２—轉子電樞電流；—轉子電樞電流的相位角由于Ｎ１、Ｋ１為常數(shù)，Φｍ與Ｕ１／ｆ１成正比。當電機在額定參數(shù)下運行時，Φｍ達到臨界飽和值，即Φｍ達到額定值ΦｍＮ。而在電機工作過程中，要求Φｍ必須在額定值以內，所以Φｍ的額定值為界限，供電頻率低于額定值ｆ１Ｎ時，稱為基頻以下調速，高于額定值ｆ１Ｎ時，稱為基頻以上調速。１）基頻以下調速由可知，當Φｍ處在臨界飽和值不變時，降低ｆ１，必須按比例降低Ｕ１，以保持Ｕ１／ｆ１為常數(shù)。若Ｕ１不變，則使定子鐵心處于過飽和供電狀態(tài)，不但不能增加Φｍ，而且會燒壞電機。當在基頻以下調速時，Φｍ保持不變，即保持定子繞組電流不變，電機的電磁轉矩Ｔｍ為常數(shù)，稱為恒轉矩調速，滿足數(shù)控機床主軸恒轉矩調速運行的要求。２）基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率高于額定值ｆ１Ｎ，受電機耐壓的限制，相電壓Ｕ１不能升高，只能保持額定值ΦｍＮ不變。在電機內部，由于供電頻率的升高，使感抗增加，相電流降低，使Φｍ減小，由式可知輸出轉矩Ｔｍ減小，但因轉速提高，使輸出功率不變，因此成稱為恒功率調速，滿足數(shù)控機床主軸恒功率調速運行的要求。當頻率很低時，定子阻抗壓降已不能忽略，必須人為地提高定子電壓Ｕ１，用以補償定子阻抗壓降。交流伺服電機的矢量控制矢量控制是德國F.Blasche于1971年提出的矢量控制是把交流電機模擬成直流電機，用對直流電機的控制方法來控制交流電機，使其變頻調速后的機械特性和動態(tài)特性接近直流電機的性能已廣泛應用于工業(yè)生產實踐中。1.矢量控制的基本原理基本思想：利用“等效”概念，將三相交流電機輸入的電流（矢量）變換為等效的直流電機中彼此獨立的勵磁電流和電樞電流（標量），建立起交流電機的等效數(shù)學模型，然后通過對這兩個量的反饋控制，實現(xiàn)對電機的轉矩控制；再通過相反的變換，將被控制的等效直流電機還原為三相交流電機，那么三相交流電機的調速性能就完全體現(xiàn)了直流電機的調速性能。等效變化的準則：變換前后必須產生同樣的旋轉磁場。2.矢量控制的等效過程(1)三相／二相變換將三相交流電機變化為等效的二相交流電機以及與其相反的變化。采用的方法：把異步電動機的A、B、C三相坐標系的交流量變換為α-β兩相固定坐標系的交流量(2)矢量旋轉變換將二相交流電機變換為等效的直流電機。詳細詳細交流電機的矢量控制過程框圖以上所述的交流電機的矢量控制的基本思想和控制過程可用下圖所示的框圖來表達，根據矢量變換原理就可組成交流伺服電機矢量控制變頻調速系統(tǒng)。在交流電機三相定子繞組A、B、C上通以相位差為1200的三相交流iA、iB、iC，因而產生同步角速度為ω1的旋轉磁場，其磁通量為Φ1,將這樣的一個三相交流電機等效成一個二相交流電機，該二相交流電機的兩個定子繞組α、β在空間正交，分別通以兩相交流電流iα、iβ，產生的旋轉磁場的同步角速度和磁通與三相交流電機一致，則該二相交流電機與三相交流電機等效。等效條件是兩相電流iα、iβ與三相電流iA、iB、iC滿足如下關系二相/三相逆變換關系為返回

將三相交流電機變換為二相交流電機后，還需要將二相交流電機變換為等效的直流電機。方法是：靜止/旋轉變換是將α-β兩相固定坐標系中的交流電流i