1项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统项目6 数控机床的伺服驱动系统任务任务6.7 6.7 交流永磁同步电机的变频控制系统交流永磁同步电机的变频控制系统按磁场定向的矢量控制系统按磁场定向的矢量控制系统（了解）（了解）永磁同步电动机的他控变频调速系统 梯形波永磁同步电动机（无刷直流梯形波永磁同步电动机（无刷直流电动机）的自控系统（掌握）电动机）的自控系统（掌握） 正弦波永磁同步电动机的自控系统正弦波永磁同步电动机的自控系统（掌握）（掌握）永磁同步电动机的自控变频调速系统2项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统 一、一、交流永磁同步电机交流永磁同步电机同步电机同步电机永磁式同步电机永磁式同步电机反应式同步电机反应式同步电机磁滞式同步电机同步电机永磁式同步电动机的转子由永久磁钢制成，结构形式可以是凸极式，也可以是隐极式。隐极式电机气隙均匀，凸极式则不均匀，但凸极效应能产生平均转矩。3项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统思考：哪个是凸极式哪个是隐极式？图6-7-14项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统l工作原理： 定子绕组与三相电源接通后可以产生旋转磁场，根据异性相吸原理，定子N0极（或S0极）吸住永磁转子的S极（或N极），使转子随着旋转磁场以同一速度旋转起来。 l显然，改变磁极对数P可以实现有级调速，且P较大时，成为低速电机；而改变f可以实现无级平滑调速。5项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统 同步电动机电磁转矩的大小与定、 转子磁场轴线之间的夹角的大小有关。如图6-7-2所示。对于磁极对数p=1的隐极式转子的永磁式同步电动机来说： 当=0时，转子只受到径向力的作用，不会形成电磁转矩。 当090时，转子受到的作用力可以分解为一个径向分量和一个切向分量，其中切向分量产生电磁转矩。 当=90时转子只受到切向力的作用，电磁转矩最大，称为最大同步转矩。 6项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统 图6-7-2 永磁式同步电动机的电磁转矩(a) =0; (b) 090; (c) =90 (a)(b)(c)7项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统因此，当电动机的负载转矩增加时，稳定后的转速n虽然不变， 却相应增大。如果负载转矩超过最大同步转矩（900) ，电动机就会带不动负载，转速便会下降即而出现所谓的失步现象，直到转速下降为零。 8项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统永磁同步电机的优缺点永磁同步电机的优缺点l优点：（1）转速与电压频率严格同步；（2）功率因数高到1.0；l存在的问题：（1）起动困难；（2）重载时有振荡，甚至存在失步危险；9项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统p对于起动问题： 通过变频电源频率的平滑调节，使电机转速逐渐上升，实现软起动。p对于振荡和失步问题 ： 由于采用频率闭环控制，同步转速可以跟着频率改变，于是就不会振荡和失步了。 问题解决思路问题解决思路10项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统他控变频调速系统他控变频调速系统 用独立的变压变频装置给同步电动机供电的系统。 自控变频调速系统自控变频调速系统 用电动机本身轴上所带转子位置检测器提供的转子位置信号来控制变压变频装置换相时刻的系统。 11项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统二、他控变频调速系统二、他控变频调速系统按转子磁场定向的矢量控制系统按转子磁场定向的矢量控制系统 基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。12项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统无刷直流电动机的驱动原理和直流电动机是等效的。无刷直流电动机的驱动原理和直流电动机是等效的。无刷直流电动机采用电子逆变器和转子位置检测无刷直流电动机采用电子逆变器和转子位置检测器，用静止的电子换向电路代替了机械式的电刷器，用静止的电子换向电路代替了机械式的电刷和换向器。和换向器。在无刷直流电动机中，三相绕组通入的方波驱动在无刷直流电动机中，三相绕组通入的方波驱动电流具有双极性、方波宽度为电流具有双极性、方波宽度为120120。角度、三相电角度、三相电流相位差流相位差120120。电角度的特性。三相绕组方波电流电角度的特性。三相绕组方波电流由由V1V1V6V6大功率晶体管组的逆变器生成。大功率晶体管组的逆变器生成。三、自控变频调速系统三、自控变频调速系统1 1、无刷直流电动机的方波电流驱动、无刷直流电动机的方波电流驱动13项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统14项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统每每6060度时度时,V1V6,V1V6导通状态改变一导通状态改变一次次, ,定子三相绕定子三相绕组中电流状态改组中电流状态改变一次变一次, ,定子磁定子磁场转动场转动6060度，转度，转子也步进子也步进6060度。度。15项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统无刷直流电动机的转速控制是无刷直流电动机在无刷直流电动机的转速控制是无刷直流电动机在恒转矩调速状态下，根据速度给定指令的大小，恒转矩调速状态下，根据速度给定指令的大小，经速度和电流调节，通过经速度和电流调节，通过PWMPWM控制，换向逻辑控制控制，换向逻辑控制电路输出的基极驱动脉冲频率发生变化，从而使电路输出的基极驱动脉冲频率发生变化，从而使逆变器输出的方波电流频率也随之变化，最终实逆变器输出的方波电流频率也随之变化，最终实现调速的目的。现调速的目的。和直流电动机改变电枢电压极性从而改变转向的和直流电动机改变电枢电压极性从而改变转向的控制不同，无刷直流电动机的转向控制是根据速控制不同，无刷直流电动机的转向控制是根据速度给定指令中的方向信号，经逻辑换向控制，使度给定指令中的方向信号，经逻辑换向控制，使逆变器中的大功率晶体管的通断顺序发生改变，逆变器中的大功率晶体管的通断顺序发生改变，从而改变三相通电顺序，使定子磁场的转向改变，从而改变三相通电顺序，使定子磁场的转向改变，实现电动机的转向控制。实现电动机的转向控制。16项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统首先，交流永磁同步电动机的转距表达式首先，交流永磁同步电动机的转距表达式 T= K T= KT T I I 式中式中 K KT T是比例系数是比例系数 I I是定子电流幅值是定子电流幅值 是转子磁链是转子磁链由于由于K KT T是常数，是常数，是转子磁链，对于同一电机来说是转子磁链，对于同一电机来说认为是常数。因此电机的输出转矩与正比于定子电认为是常数。因此电机的输出转矩与正比于定子电流幅值，流幅值，控制定子电流幅值就能很好地控制转矩，控制定子电流幅值就能很好地控制转矩，和直流电动机完全一样。和直流电动机完全一样。2 2、正弦波永磁同步电动机的自控变频、正弦波永磁同步电动机的自控变频17项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统正弦波永磁同步电动机的自控变频系统正弦波永磁同步电动机的自控变频系统18项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统由电机转子上的位置检测装置测的转子位置角由电机转子上的位置检测装置测的转子位置角，经正弦信号发生器得到三个正弦波位置信号分别为：经正弦信号发生器得到三个正弦波位置信号分别为： a= a=sinsin b=sin(-120 b=sin(-1200 0) ) c=sin(+120 c=sin(+1200 0) )速度指令速度指令Un*Un*与反馈指令与反馈指令UnUn比较后比较后, ,通过速度调节器通过速度调节器ASRASR输出转矩指令输出转矩指令T*T*，T*T*与电流与电流I*I*成正比，在乘法成正比，在乘法器中与器中与a a、b b、c c相乘得到三相电流信号相乘得到三相电流信号 i iU U* *= Isin= Isin i iV V* *= Isin(-120= Isin(-1200 0) ) i iW W* *= Isin(-120= Isin(-1200 0) )19项目项目5 5 数控机床的进给伺服系统数控机床的进给伺服系统三相电流指令三相电流指令i i* *U U、i i* *V V、i i* *W W 在与电流检测反馈在与电流检测反馈信号信号i iU U、i iV V、i iW W比较后，通过电流调节器比较后，通过电流调节器ACRACR得得到正弦波控制信号，然后经到正弦波控制信号，然后经SPWMSPWM控制及驱动电控制及驱动电路获得六个大功率晶体管基极驱动电压，控制路获得六个大功率晶体管基极驱动电压，控制主电路中的六个大功率晶体管的导通和截止，主电路中的六个大功率晶体管的导通和截止，输出输出U U、V V、W W三相正弦波电流控制电动机运行。三相正弦波电流控制电动机运行。