第 6 章 数控伺服系统.

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1 第 6 章 数控伺服系统

2 6.1 概 述 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。
6.1 概 述 伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。它接受来自数控装置的进给指令信号，经变换、调节和放大后驱动执行件，转化为直线或旋转运动。伺服系统是数控装置(计算机)和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分。 数控机床伺服系统又称为位置随动系统、驱动系统、伺服机构或伺服单元。 该系统包括了大量的电力电子器件，结构复杂，综合性强。

3 6.1 概 述 进给伺服系统是数控系统主要的子系统。如果说C装置是数控系统的“大脑”，是发布“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。

4 6.1.1 伺服系统的组成 组成：伺服电机 位置调节单元 驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块 速度调节单元 电流调节单元 检测装置
伺服系统的组成 组成：伺服电机 驱动信号控制转换电路 电子电力驱动放大模块 位置调节单元 速度调节单元 电流调节单元 检测装置 一般闭环系统为三环结构：位置环、速度环、电流环。

5 6.1.1 伺服系统的组成 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈 部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率
伺服系统的组成 位置调解 速度调解 电流调解 转换驱动 工作台 电流反馈 速度反馈 位置反馈 M G 位置、速度和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈 部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率 放大器组成。 严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度 控制包括速度和电流控制。

6 6.1.2 对伺服系统的基本要求 1．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。包括定位精度和轮廓加工精度。 2．稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在 短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接 影响数控加工的精度和表面粗糙度。 3．快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。 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。0～24m / min。 5．低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度 范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转 矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大 的输出功率。

7 对伺服电机的要求： 6.1.2 对伺服系统的基本要求 （1）调运范围宽且有良好的稳定性，低速时的速度平稳性
（2）电机应具有大的、较长时间的过载能力，以满足低速 大转矩的要求。 （3）反应速度快，电机必须具有较小的转动惯量、较大的 转矩、尽可能小的机电时间常数和很大的加速度 (400rad / s2以上)。 （4）能承受频繁的起动、制动和正反转。

8 6.1.2 伺服系统的分类 1．按调节理论分类 （1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统 指令 驱动电路 步进电机
伺服系统的分类 1．按调节理论分类 （1）开环伺服系统 （2）闭环伺服系统 （3）半闭环伺服系统 指令 驱动电路 步进电机 工作台 脉冲 伺服电机 速度检测 速度控制 位置控制 位置检测 脉冲编码器

9 6.1.2 伺服系统的分类 开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。 A相、B相 f、n
伺服系统的分类 开环数控系统 没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。 电机 机械执行部件 A相、B相 C相、… f、n CNC 插补指令 脉冲频率f 脉冲个数n 换算 脉冲环形分配变换 功率放大

10 伺服系统的分类 无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，其精度主要取决于伺服驱动系统和机械传动机构的性能和精度。 一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。 这类系统具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。

11 伺服系统的分类 半闭环数控系统 半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈单元 位置控制单元 速度控制单元 + - 电机 机械执行部件 CNC插补 指令 实际位置反馈 实际速度反馈

12 伺服系统的分类 半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。 由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除。因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。 半闭环数控系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。

13 6.1.2 伺服系统的分类 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。 位置控制调节器
伺服系统的分类 全闭环数控系统 全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。 位置控制调节器 速度控制 调节与驱动 检测与反馈 单元 位置控制单元 速度控制单元 + - 电机 机械执行部件 CNC插补 指令 实际位置反馈 实际速度反馈

14 6.1.2 伺服系统的分类 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。
伺服系统的分类 从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量。具有很高的位置控制精度。 由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。 该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。

15 6.1.2 伺服系统的分类 2．按使用的执行元件分类 （1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。
伺服系统的分类 2．按使用的执行元件分类 （1）电液伺服系统 电液脉冲马达和电液伺服马达。 优点：在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常 数小、反应快和速度平稳。 缺点：液压系统需要供油系统，体积大。噪声、漏油。 （2）电气伺服系统 伺服电机（步进电机、直流电机和交流电机） 优点：操作维护方便，可靠性高。 1）直流伺服系统 进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺 服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺 服电机。优点：调速性能好。缺点：有电刷，速度不高。 2）交流伺服系统 交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系 统） 和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。 优点：结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作。动 态响 应好、转速高和容量大。

16 伺服系统的分类 3．按被控对象分类 （1）进给伺服系统 指一般概念的位置伺服系统，包 括速度控制环和位置控制环。 （2）主轴伺服系统 只是一个速度控制系统。 C 轴控制功能。 4．按反馈比较控制方式分类 （1）脉冲、数字比较伺服系统 （2）相位比较伺服系统 （3）幅值比较伺服系统 （4）全数字伺服系统

17 6.2 伺服电动机 度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机）
6.2 伺服电动机 伺服电动机为数控伺服系统的重要组成部分，是速 度和轨迹控制的执行元件。 数控机床中常用的伺服电机： 直流伺服电机（调速性能良好） 交流伺服电机（主要使用的电机） 步进电机（适于轻载、负荷变动不大） 直线电机（高速、高精度）

18 6.2.1 直流伺服电机及工作特性 常用的直流电动机有：永磁式直流电机（有槽、无槽、杯型、 印刷绕组） 励磁式直流电机 混合式直流电机 无刷直流电机 直流力矩电机 直流进给伺服系统： 永磁式直流电机类型中的有槽电枢永磁 直流电机（普通型）； 直流主轴伺服系统： 励磁式直流电机类型中的他激直流电机。

19 图6.5永磁直流伺服电机的结构 图6.6直流主轴电机结构示意图
1．直流伺服电机的结构 极靴 机壳 瓦状永磁材料（定子） 电枢（转子） 换向极 主磁极 定子 转子 线圈 图6.5永磁直流伺服电机的结构 图6.6直流主轴电机结构示意图

20 2 直流电机的工作特性 ⑴ 静态特性 电磁转矩由下式表示: （6.1） KT —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁
2 直流电机的工作特性 ⑴ 静态特性 电磁转矩由下式表示: （6.1） KT —转矩常数； Φ—磁场磁通；Ia —电枢电流；TM —电磁 转矩。电枢回路的电压平衡方程式为: （6.2） Ua─ 电枢上的外加电压；Ra─ 电枢电阻；Ea─ 电枢反电势。 电枢反电势与转速之间有以下关系： （6.3） Ke─电势常数；ω─电机转速（角速度）。 根据以上各式可以求得： （6.4）

21 2 直流电机的工作特性 当负载转矩为零时： 理想空载转速 （6.5） 当转速为零时： 启动转矩 ( 6.6） 当电机带动某一负载TL时 电机转速与理想空载转速的差 （6.7） 图6.7 直流电机的机械特性 ω（n） ωO O △ω TS T TL

22 2 直流电机的工作特性 ⑵ 动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为 （6.8） 式中 TM ─电机电磁转矩；
2 直流电机的工作特性 ⑵ 动态特性 直流电机的动态力矩平衡方程式为 （6.8） 式中 TM ─电机电磁转矩； TL ─ 折算到电机轴上的负载转矩； ω ─ 电机转子角速度； J ─ 电机转子上总转动惯量； t ─时间自变量。

23 3．永磁直流伺服电机的工作特性 (1) 永磁直流伺服电机的性能特点 1) 低转速大惯量 2) 转矩大 3) 起动力矩大 4) 调速泛围大，低速运行平稳，力矩波动小 (2) 永磁直流伺服电机性能用特性曲线和数据表描述 1) 转矩-速度特性曲线（工作曲线） 2) 负载-工作周期曲线 过载倍数Tmd，负载工作周期比 d。 3) 数据表：N、T、时间常数、转动惯量等等。

24 3．永磁直流伺服电机的工作特性 图6﹒9负载-工作周期曲线 图6﹒8永磁直流伺服电机工作曲线
d% % 120% % 140% % d % 20 200% tR tR(min) 图6﹒9负载-工作周期曲线 M/（N-cm） 转矩极限 12000 瞬时换向极限 Ⅲ Ⅱ 换向极限 速度极限 温度极限 Ⅰ n 图6﹒8永磁直流伺服电机工作曲线 Ⅰ区为连续工作区； Ⅱ区为断续工作区，由负载-工作周期曲线决定工作时间；Ⅲ区为瞬时加减速区

25 4．主轴直流伺服电机的工作原理和特性 图6.10 直流主轴电机特性曲线 1-转矩特性曲线 2-功率特性曲线 P,T 1 2
O nj nmax n P,T 图6.10 直流主轴电机特性曲线 1-转矩特性曲线 2-功率特性曲线

26 6.2 2 交流伺服电机及工作特性 直流伺服电机的缺点： ◆ 它的电刷和换向器易磨损； ◆ 电机最高转速的限制，应用环境的限制； ◆ 结构复杂，制造困难，成本高。 交流伺服电机的优点： ◆ 动态响应好； ◆ 输出功率大、电压和转速提高 交流伺服电机形式： ◆ 同步型交流伺服电机和 ◆ 异步型交流感应伺服电机。 VS VS

27 1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 交流同步伺服电机的种类： 励磁式、永磁式、磁阻式和磁滞式 （1）永磁交流同步伺服电机的结构
定子 转子 脉冲编码器 VS VS 定子三相绕组 接线盒 图6﹒11 永磁交流同步伺服电机结构

28 1．永磁交流同步伺服电机的结构和工作原理 （2）永磁交流同步伺服电机工作原理和性能 图6﹒12 工作原理 图6﹒13 特性曲线 N
VS N ns nr θ S 图6﹒12 工作原理 图6﹒13 特性曲线 T（N-cm） 12000 10000 8000 6000 4000 2000 1000 3000 Ⅰ Ⅱ n（r/min）

29 2．交流主轴伺服电机的结构和工作原理 交流主轴电机的要求： 大功率 低速恒转矩、高速恒功率 鼠笼式交流异步伺服电机
普通交流 异步感应电机 通风孔 P（KW） 8 6 4 2 2000 4000 6000 8000 12000 n（r/min） 图6﹒14 交流主轴电机与普通交流异步感应电机的比较图示意图 图6．15 交流主轴伺服电机 的 特性曲线

30 3、交流伺服电机的发展 （1）永磁交流同步伺服电机的发展 ① 新永磁材料的应用 钕铁硼 ② 永久磁铁的结构改革 内装永磁交流同步伺服电机 ③ 与机床部件一体化的电机 空心轴永磁交流同步伺服电机 （2）交流主轴伺服电机的发展 ① 输出转换型交流主轴电机 三角-星形切换，绕组数切换或二者组合切换。 ② 液体冷却电机 ③ 内装式主轴电机

31 6.3 速度控制 概述： 速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测装置 进给运动：是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制，
6.3 速度控制 概述： 速度控制系统由速度控制单元、伺服电机和速度检测装置 组成。分为主运动和进给运动。 进给运动：是保证轨迹、尺寸和形位精度的。不但有速度控制， 还有位置控制。在整个速度范围内，保持恒转矩。与 主运动相比功率较小。 主运动： 主要无级调速，但还要有下面的控制功能： ⑴ 主轴于进给驱动的同步控制； ⑵ 准停控制； ⑶ 分度控制； ⑷ 恒线速度控制。 速度控制：主要是调速，调速有机械、液压和电气方法，电气调 速最有利于实现自动化。

32 6.3.1 直流进给运动的速度控制 1.、直流伺服电机的调速原理 根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ
直流进给运动的速度控制 1.、直流伺服电机的调速原理 根据机械特性公式可知调速有二种方法:电枢电压Ua和气隙磁通Φ ⑴改变电枢外加电压Ua :由于绕组绝缘耐压的限制，调压只能在额定 转速以下进行。属于恒转矩调速。 ⑵改变气隙磁通量Φ：改激磁电流即可改Φ，在Ua恒定情况下，磁场接 近饱和，故只能弱磁调速，在额定转速以上进行。属于恒功率调速。 2.直流速度控制单元调速控方式 ◆晶闸管（可控硅）调速系统 ◆晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 （6.18） （6.19）

33 晶闸管调速系统 1）系统的组成 包括 控制回路：速度环、电流环、触发脉冲发生器等。 主回路： 可控硅整流放大器等。
主回路： 可控硅整流放大器等。 速度环：速度调节（PI），作用：好的静态、动态特性。 电流环：电流调节(P或PI)。作用：加快响应、启动、低频稳定等。 触发脉冲发生器：产生移相脉冲，使可控硅触发角前移或后移。 可控硅整流放大器：整流、放大、驱动，使电机转动。 速度 调节器 电流 触发脉冲 发生器 可控硅 整流器 电流反馈 速度反馈 电流检测 编码器 电机 UR + - Uf If IR E1 ES

34 2）主回路工作原理 组成：由大功率晶闸 管构成的三相全控桥式（三相全波）反并接可逆电路，
分成二大部分（ Ⅰ和 Ⅱ ），每部分内按三相桥式连接，二组反并接， 分别实现正转 和反转。 4 6 2 7 9 11 1 3 5 8 12 10 A B C M Ⅰ Ⅱ UM UD KM + - 原理 ： 三相整流器，由二个半波整流电路组成。每部分内又分成共阴极组 （1、3、5）和共阳极组（2、4、6）。为构成回路，这二组中必须各有一 个可控硅同时导通。 1、3、5在正半周导通， 2、4、6在负半周导通。每 组内（即二相间）触发脉冲相位相差120º，每相内二个触发脉冲相差180º。 按管号排列，触发脉冲的顺序： ，相邻之间相位差60º。 为保证合闸后两个串联可控硅能同时导通，或已截止的相再次导通， 采用双脉冲控制。既每个触发脉冲在导通60º后，在补发一个辅助脉冲；也 可以采用宽脉冲控制，宽度大于60º，小于120º。

35 主回路波形图 只要改变可控 硅触发角（即改变 导通角），就能改 变可控硅的整流输 出电压，从而改变 直流伺服电机的转 速。 触发脉冲提前
u a c b a) b) c) d) 1 3 5 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ωt 2 4 6 120° 180° 60° α 只要改变可控 硅触发角（即改变 导通角），就能改 变可控硅的整流输 出电压，从而改变 直流伺服电机的转 速。 触发脉冲提前 来，增大整流输出 电压；触发脉冲延 后来，减小整流输 出电压。 e)

36 3）控制回路分析 （可控硅导通时间），可调速。 没反馈是开环，特性软。 同步信号 方波信号 矩齿波 矩齿波与直 流电压叠加 信号 尖脉冲
直流电压 （可控硅导通时间），可调速。 没反馈是开环，特性软。 ① 速度调节器：比例积分PI，高放大（相当 C短路）—缓放大—增放大—稳定（相当C 开路）无静差。 U1 U2 R1 R2 R3 C - + ② 电流调节器:同上，加快电流的反应。 ③ 触发脉冲发生器：正弦波同步锯齿波触发 电路，与F直流信号叠加。 同步信号 过零信号 由速度F变换来的电流调节器输出的直流信号, 1 2 3 1-同步电路 2-移向控制电路 3-脉冲分配器 窄脉冲 ： 即 移相触发脉冲

37 （2） 晶体管脉宽调制（PWM）调速系统 1）系统的组成及特点
usr us f 整流  速度调节器 电流调节器 脉宽调节 振荡器 基极驱动 M G 电流反馈 U～ 功放

38 ① 主回路： 大功率晶体管开关放大器； 功率整流器。 ② 控制回路： 速度调节器； 电流调节器； 固定频率振荡器及三角波发生器； 脉宽调制器和基极驱动电路。 区别：与晶闸管调速系统比较，速度调节器和电流调节器原理一样。不同的是脉宽调制器和功率放大器。

39 直流脉宽调调制的基本原理 功率放大器中的大功率晶体管工作在开关状态下，开关频率保持恒定，用调整开关周期内晶体管导通时间（即改变基极调制脉冲宽度）的方法来改变输出。从而使电机获得脉宽受调制脉冲控制的电压脉冲，由于频率高及电感的作用则为波动很小的直流电压（平均电压）。 脉宽的变化使电机电枢的直流电压随着变化。 脉冲宽度正比（代表）速度F值的直流电压 周期不变 脉宽 平均直流电压 U ωt

40 2） 脉宽调制器 同向加法放大器电路图 U S r –速度指令转化过 来的直流电压 U △- 三角波 USC- 脉宽调制器的输
调制波形图 R1 +12V USC R3 R2 + -12V U S r U △ - t U △ U △+U S r U S C +U S r o -U S r t US r为0时 US r为正时 US r为负时 调制出正负脉宽一样方波 平均电压为0 调制出脉宽较宽的波形 平均电压为正 调制出脉宽较窄的波形 平均电压为负

41 3） 开关功率放大器 主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大器 电路图: 由四个大功率晶体管
Ub3 Ub4 Ub1 Ub2 US A B D1 D2 D3 D4 M T1 T2 T4 T3 主回路：可逆H型双极式PWM 开关功率放大器 电路图: 由四个大功率晶体管 （GTR）T 1 、T 2 、T 3 、T4 及四个续流二极管组成的桥 式电路。 H型： 又分为 双极式、单极 式和受限单极 式三种。 Ub1、 Ub2、Ub3 Ub4 –为调制器 输出，经脉冲 分配、基极驱 动转换过来的 脉冲电压。分 别加到T1 、T2、 T3 、T4的基极。 US -US Ud UAB O t Ub1 Ub 4 Ub2 Ub3 t1 T id id1 id2 O t1 t3 T t2 Ub1、Ub 4 Ub2、Ub 3 Ud UAB id t id1 id4 id2 id3 t

42 （4）PWM调速系统的特点 ①频带宽、频率高: 晶体管“结电容”小，开关频率远高于可控（50Hz)， 可达2-10KHz。快速性好。 ②电流脉动小: 由于PWM调制频率高，电机负载成感性对电流脉动 由平滑作用，波形系数接近于1。 ③电源的功率因数高: SCR系统由于导通角的影响，使交流电源的波形畸 变、高次谐波的干扰，降低了电源功率因数。 PWM 系统的直流电源为不受控的整流输出，功率因数高。 ④动态硬度好: 校正瞬态负载扰动能力强，频带宽，动态硬度高。

43 6.3.3 交流进给运动的速度控制 1.交流伺服电机的调速方法 由电机学知，交流电机转速公式： 式中：f1 – 定子电源频率
p – 磁激对数 S – 转差率 ns – 定子旋转磁场转速 n– 转子转速 （6.20） 异步电机 变频– 用于笼型电机 调压（定子电压） 电磁转差离合器 调阻（转子电组） 串级调速 交–直–交 交–交 变转 差率 变频 同步电机 交流电动机 由此可知调速方法：

44 对于进给系统常使用交流同步电机，该电机没有转差率，电机转速公式变为：
（6.21） 从式中可以看出：只能用变频调速，并且是有效方法。 变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为： 交–直–交变频器 分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。 交–交变频器 该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。 目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交–直–交变频器。

45 交流电机的调速方法 异步电机 变频– 用于笼型电机 调压（定子电压） 电磁转差离合器 调阻（转子电组） 串级调速 交–直–交 交–交 变转
变频– 用于笼型电机 调压（定子电压） 电磁转差离合器 调阻（转子电组） 串级调速 交–直–交 交–交 变转 差率 变频 同步电机 交流电动机

46 SPWM交–直–交变压变频器的原理框图如下：
⑴基本概念 脉宽调制变频思想，是把通讯系统中的调制技术应用于交流变频器。调制方法很多，目前用得最多的是正弦脉宽调制。还有空间电压矢量PWM、最优PWM、预测PWM、随机PWM、规则采样数字化PWM等等。 SPWM交–直–交变压变频器的原理框图如下： M 3～ UI UR ～ UR–整流器 固定电压不可控整流器，常采用六个二级管桥式整流器 结构将交流变为直流，电压幅值不变。 为逆变器的供电。 UI –逆变器 由六个功率开关器件组成，常采用大功率晶体管。其控 制极（大功率晶体管GTR为基极 ）输入由基准正弦波（由速度指 令转化过来的）和三角波叠加出来的SPWM调制波（等幅、不等 宽的矩形脉冲波） ，使这些大功率晶体管按一定规律导通、截止， 输出一系列功率级等效于正弦交流电的可变频变压的等幅、不等 宽的矩形脉冲电压波，即功率级SPWM电压，使电机转动。

47 正弦脉宽调制 （SPWM）波形: 与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波，如右下图所示。
⑵正弦脉宽调制原理（以单相为例） 正弦脉宽调制 （SPWM）波形: 与正弦波等效的一系列等幅不等 宽的矩形脉冲波，如右下图所示。 u ωt O a) b) ① 等效原理：把正弦分 成 n 等分，每一区间的面 积用与其相等的等幅不等 宽的矩形面积代替。 正弦的正负半周均如此 处理。

48 ②SPWM控制波的生成:正弦波—三角波调制、方波—三角波调制。
方波发生器 （带正反馈比较 又有RC积分） 三角波发生器 （积分器） 三角波与基准 正弦波叠加 （比较器） SPWM调制波 基准正弦波 (由速度指令 转化过来的) VD1 调制波 载波 u ut u1: u1 u0 O t RF R R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 VD2 VD3 VD4 C 1 C 2 U0 (ua、ub、 uc ) - + ut:

49 主回路： 左半部：整流器 右半部：逆变器 uAB 50Hz SPWM T1 T2 T3 T4 T5 T6 ua ub uc u1 u2 u3
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 T1 T2 T3 T4 T5 T6 ua ub uc u1 u2 u3 ut ud ω1t uA0 uB0 uC0 逆变器输出 A相等效正弦 脉宽电压波 B相等效正弦 C相等效正弦 逆变器输出线电压等效正弦脉宽电压波 u1:由F转换来的 改变调制波的频率、幅值，就可改变最终输出 ： 变频变压的交流电压 主回路： 左半部：整流器 右半部：逆变器

50 6.3.4 交流进给伺服电机的速度控制系统 1.系统的组成：速度环、电流环 SPW电路、功放电路 检测反馈电路 + - 校正 补偿 乘法器
SPWM 功率 放大 速度反 馈信号 转子位置 检测电路 电流信号 处理电路 传感器信号处理电路 传感器 MS 3~ 电流 比较 速度 传感 + - U(t)

51 2. SPWM电路原理 ui SPWM的控制方法： ⑴模拟控制 原始的控制方法； ⑵数字控制
去主回路 三极管基极 u/f 分频 基准正弦波 产生 三角波 发生器 比较器 SPWM 比较 叠加 ui 压/频变换、 分频器 正弦逻辑 三角波逻辑 指令 脉冲 分配 SPWM的控制方法： ⑴模拟控制 原始的控制方法； ⑵数字控制 ①微机存储事先算好的SPWM数据表格，由指令调出，或通过软 件实时生成。 ②专用集成芯片 ③单片机微处理器直接带有SPWM信号产生功能，并有其输出端 口，如8098、8XC196MC。

52 SPWM变压变频调速的优点： 1.主电路只有一个可控的功率环节，简化了结构； 2.采用了不可控整流器。使电网功率因数提高；
3.逆变器同时调频调压，动态相应不受中间环节影响； 4.可获得更接近于正弦波的输出电压波形。

53 6.3.5 交流主轴电机的速度控制 交流主轴驱动系统：交流感应异步电机调速方法很多，变频调速是最适用的方法，主要有： 压频（u/f）调速
矢量变换控制调速 三相异步电机定子每相电动势的有效值为： E1 = 4.44f1N1kN1Φm ≈ u1 式中： f1 — 定子频率（Hz）； N1 — 定子电动绕组串联匝数； kN1— 基波绕组系数； Φm — 每极气隙磁通量 由上式可知 Φm ≈ u1 / 4.44f1N1kN1 1.变压变频调速的基本控制方式 在电机调速时，希望保持每极磁通为额定值。 磁通过弱— 没有充分利用铁心，是一种浪费。 磁通过强— 使铁心饱和，产生过大的励磁电流，严重时因绕组过热烧毁电机。 交流异步电机中，磁通是定子和转子磁动势合成产生的，所以不能单独调频。

54 6.3.5 交流主轴电机的速度控制 （1）基频以下调速 ②恒最大转矩Tm调速 若低速时Tm不变，则需E1/f1为常数
n T 10 20 30 40 1000 2000 3000 恒转矩调速特性曲线 恒Tm调速特性曲线 ②恒最大转矩Tm调速 ①恒转矩调速 若低速时Tm不变，则需E1/f1为常数 T不变，则需u1/f1为常数

55 6.3.5 交流主轴电机的速度控制 （2）基频以上调速 恒功率调速 10 20 30 40 50 60 1000 2000 n T 恒P

56 6.3.6 交流伺服电机的矢量控制 1.交流感应伺服电机的矢量控制
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Ф和电枢电流Ia，且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（Tm=KT Ф Ia）与磁通Ф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。

57 图6-44a所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为ω0的旋转磁场Φ。如果用图6-44b中的两套空间相差900的绕组α和β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ω0的旋转磁场Φ,则可以认为图6-44a和图6-44b中的两套绕组是等效的。若给图6-44c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Φ,如果再使绕组以角速度ω0旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与图6-44a一样。 A B C ω0 d q Φ β α 图6.4 交流机三相-二相直流机变换

58 1) 三相A、B、C系统变换到两相α、β系统
ω0 d q Φ β α 这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。图6-44a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ω0旋转的磁场矢量Φ。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α、β绕组代替，并通以两相在时间上相差900的交流平衡电流 iα 和 iβ ，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别Φ和ω0，则可以认为图6-44a、b中的两套绕组是等效的。

59 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6-44b。
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α坐标轴重合，其磁势为。 60o FC FA FB F 按照磁势与电流成正比关系，可求得对应的电流值iα 和 iβ 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6-44b。

60 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，见图6-44c。若设图6-44c中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Φ，在定子上以角速度ω0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iα 和 iβ 转化为 id 和 iq ，转化条件是保证合成磁场不变。在图6-45b中， iα 和 iβ的合成矢量是 i1，将其在Φ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ω0旋转。转换公式为 α β i1 Φ id iq θ φ

61 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6-45b中，由 和 求 ，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。

62 6.4 位置控制 6.4.1 位置控制的基本原理 + - 位置检测 测速值 位置传感器 测速计 电动机 速度控制 位置控制 指令位置 Doi
位置控制的基本原理 位置检测 测速值 位置传感器 测速计 电动机 速度控制 位置控制 指令位置 Doi + - DAi 实际 位置 ∆Di Vpi ∆Vi VDi KD KV

63 6.4.2 数字脉冲比较位置控制伺服系统 指令脉冲 F 反馈脉冲 位置信息 2019/4/18 比较 环节 伺服 放大器 D/A 工作台
数字脉冲比较位置控制伺服系统 比较 环节 伺服 放大器 D/A 工作台 位置 检测器 电机 脉冲 处理 指令脉冲 F 反馈脉冲 位置信息

64 6.4.3 全数字控制伺服系统

65 本课程全部结束 谢谢大家！