第三章機電一體化系統執行元件的選擇與設計

第一節伺服系統與執行元件概述

第二節步進電動機及其驅動

第三節直流（DC）伺服電動機

第四節交流伺服電機

第五節執行元件的特性分析第一節伺服系統與執行元件概述一、伺服系統的基本概念及一般組成（一）伺服系統定義

伺服系統：以機械參數（位移、速度、加速度、力和力矩等）作為被控制量的一種自動控制系統。它在控制命令的指揮下，控制執行元件工作，使機械運動部件按照控制命令的要求進行運動，并具有良好的動態性能，實現機電一體化的驅動（操作）功能。（二）一般組成圖伺服系統的一般組成電源裝置檢測裝置信號轉換電路放大裝置執行機構被控對象信號輸入輸出補償裝置＋－二、伺服系統的分類

1、按其控制原理——開環、全閉環和半閉環；

2、按其驅動方式

——電氣伺服、氣壓伺服、液壓伺服

3、按其被測控量的性質

——速度、位置、同步、扭矩控制等形式；

4、按其執行元件

——步進伺服、直流伺服、交流伺服等形式。應用提示：開環系統的執行元件大多采用步進電機、閉環和半閉環伺服系統的執行元件大多采用直流伺服電機。三、機電一體化系統對其伺服系統的要求

1）快速性：

2）精確性：

3）穩定性：

即輸出量能迅速而精確地響應指令輸入的變化，稱為隨動系統或自動跟蹤系統。四、執行元件的類型及特點1、執行元件作用它位于電氣（電子）裝置與機械部件之間，根據指令進行能量的轉換，將輸入的各種形式的能量（如電能、液壓能、氣壓能、化學能等）轉換為機械能（機械部件運動所需的）。圖執行元件的種類2、執行元件的種類圖常用電動機適用范圍控制用電機的種類、特點及選用（結合表書3.2）類型特點優點缺點電氣式可使用商用電源；信號與動力的傳送方向相同；有交流和直流之別，須注意電壓的大小操作簡單；編程容易；能實現規定位伺服；響應快、易與CPU相接；體積小，動力較大；無污染瞬時輸出功率大；過載差，特別是由于某種原因而卡住時，會引起燒毀事故，易受外部噪聲影響。氣壓式空氣壓力源的壓力為（5～7）×105Pa；要求操作人員技術熟悉。氣源方便、成本低；無泄漏污染；速度快、操作比較簡單功率小，體積大，動作不夠平穩；不易小型化；遠距離傳輸困難；工作噪聲大、難于伺服、液壓式要求操作人員技術熟練；液壓源壓力為（20～80）×105Pa輸出功率大，速度快，動作平穩，可實現定位伺服；易與CPU相接；響應快。設備難于小型化；液壓源或液壓油要求（雜質、溫度、測量、質量）嚴格，易泄漏且有污染3、執行元件的特點五、機電一體化系統對執行元件的要求1、慣量小、動力大；

2、體積小，重量輕；

3、便于維修，安裝；

4、快速性能好，即加（減）速扭矩大，頻率特性好；

5、可靠性高，壽命長；

6、便于微機控制。六、伺服系統選擇和設計要點

1、選擇適用范圍的伺服系統；

2、適當精度的控制方式；

3、簡單的機械傳動方案。第二節步進電機及其控制一、步進電機的特點

1、輸出轉角與輸入脈沖嚴格成正比，且在方向上與輸入脈沖同步。每輸入一個電脈沖，電機就轉動一個角度（步距角），當連續不斷地輸入脈沖，就一步一步不斷轉動。若控制輸入脈沖數量、頻率及電機各相繞組的通電順序可以控制電機轉角、轉速與轉向（很容易用微機實現數字控制）。

步進電機是一種將脈沖信號變換成相應的直線位移（或角位移）的數字/模擬變換器。2、輸出轉角的精度高，雖有（相鄰）步距角誤差，但無累積誤差，有步距角誤差，但轉子轉速轉過一轉以后，其（一轉內）累積誤差為“0”,不會長期積累。

3、可實現平滑無級調速。調速范圍較寬。

4、步進電機的工作狀態不易受各種干擾因素影響（如電壓波動，負載變化，環境誤差的影響），只要干擾因素不引起“丟步”，就不影響正常工作。

5、其它：啟停時間短，一般在信號輸入幾毫秒后就使電動機達到同步轉速，信號切斷后電機立即停止轉動。二、步進電機的種類（一）按運動形式：有旋轉式和直線步進電機；（二）從勵磁相數分有（3、4、5、6相等）。（三）就常用的旋轉式步進電機的轉子結構來說可分為三種：1、反應式（可變磁阻型）圖反應式步進電機1－定子2－轉子3、混合式(HB)

2、永磁式（PM）；圖步進電機1－定子2－轉子3－勵磁線圈U2U1W2W1V1V2步進電機工作原理典型結構圖步進電機簡圖三、步進電機工作原理（以反應式為例）

拍——定子繞組每改變一次通電方式。（旋轉一周改變次數）

單——每次切換前后只有項通電。

雙——有兩相通電。相數環形分配方式名稱系數k33A－B－C－A……AB－BC－CA－AB……三相單三拍（1相勵磁）三相雙三拍（2相勵磁）113A－AB－B－BC－C－CA－A……三相六拍（1－2相勵磁）2444A－B－C－D－A……AB－BC－CD－DA－AB……A－AB－B－BC－C－CD―D―DA－A……四相單四拍（1相勵磁）四相雙四拍（2相勵磁）四相八拍（1－2相勵磁）112555A－B－C－D―E―A……AB－BC－CD－DE－EA－AB……AB－ABC－BC－BCD－CD－CDE－DE－DEA－EA－EAB－AB……五相單五拍（1相勵磁）五相雙五拍（2相勵磁）五相十拍（2－3相勵磁）1126666A－B－C－D－E－F－A……AB－BC－CD－DE－EF－FA－AB……ABC－BCD－CDE－DEF－EFA－FAB－ABC……AB－ABC－BC－BCD－CD－CDE－DE－DEF－EF－EFA－FA－FAB－AB……六相單六拍（1相勵磁）六相雙六拍（2相勵磁）六相六拍（3相勵磁）六相十二拍(2－3相勵磁)1112表反應式步進電機環形分配方式四、主要性能指標

1、步距角，

②目前我國步進電動機的步距角為0.360～900，最常用的為：7.50/150，30/60，0.90/1.80，0.750/1.50，1.60/3.20，0.360/0.720等幾種。

③靜態步距誤差（步距角精度）由于定、轉子的齒距因分度不均勻，定、轉子之間的氣隙不均勻等會使實際步距角間有偏差。步距角越小，分辨力越高。注，

①；2、靜態特性（最大靜轉矩、距角特性、最大啟動轉矩）

靜態：靜態——即步進電機的穩定狀態（步進電機處于通電狀態不變，轉子保持不動的定位狀態）。

靜轉矩：步進電機處于穩定狀態下的電磁轉矩。

失調角：在靜態下如果在轉子軸上加一負載轉矩，使轉子轉過一個角度（θ），并能穩定下來，這時轉子受到的電磁轉矩與負載轉矩相等，該電磁轉矩為靜轉矩，而θ稱為失調角。

矩-角特性：靜態轉矩（M）與失調角（θ）的對應關系叫矩角特性M與θ之間大致為正弦關系。最大靜轉矩：矩-角特性曲線上電磁轉矩的最大值稱為最大靜轉矩。

圖失調角示意圖圖矩角特性曲線3、起動頻率和連續運行頻率（1）起動頻率：指在一定負載轉矩下能夠不失步地起動的最高脈沖頻率。

（2）連續運行頻率：指步機啟動后，逐漸升速（脈沖頻率連續上升）所能達到的不失步運行的最高頻率。4、動態特性：圖距角特性圖曲線族（1）動態轉矩：在運行狀態下的轉矩。（2）動態穩定區：步進電機從一相通電狀態切換到另一相通電狀態時，不致引起丟步，該區域被稱為動態穩定區。（3）矩角特性族：在某一通電方式下各相（如三相）矩角特性的總和。表不同相數步進電機的起動轉矩

運行方式相數3456拍數3648510612Mq/Mjmax0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866（4）起動轉矩（Mq）——步進電機矩角特性曲線上兩相之交點所對應的轉矩（Mq），它表示步進電機所能承受的極限負載轉矩（電機單相勵磁時），不同相數步機的起動轉矩是不同的，如：Mf圖矩-頻特性（5）矩—頻特性：動態轉矩與脈沖頻率（運行頻率）的關系（運行頻率增加，動態轉矩變小）。（6）空載起動頻率與慣－頻特性在空載狀態下，轉子從靜止狀態能夠不失步地起動的最大控制頻率稱為空載起動頻率或空載突跳頻率（fq）。步進電動機帶動慣性負載時的起跳頻率與負載轉動慣量之間的關系為慣-頻特性。5、步進電動機技術指標實例五、步進電動機的驅動與控制控制器微機脈沖分配器功率放大器步進電機圖步進電動機驅動系統原理示意圖

1、步進電機環形脈沖分配器相關的基礎知識圖雙三拍正反轉控制的環形分配器的邏輯電路圖（一）步進電機的環形分配器

圖CH250管腳及三相六拍連接圖存儲地址通電狀態通電狀態狀態字PB2PB1PB0CBATABLE02000H001A01HTABLE12001H011AB03HTABLE22002H010B02HTABLE32003H110BC06HTABLE42004H100C04HTABLE52005H101CA05H表環分分配表2、實現軟件環分的步驟（1）先建立環分表（以三相六拍為例）圖用單片機實現軟件環分（2）確定接口通道；圖正轉子程序框圖（3）軟件設計俄卡-50“黑鯊”武裝直升機取索引值狀態表首地址→HLHL←HL＋1（索引值加1）輸出新的狀態字（步進電機走一步）到表低（正轉的最后一個供電狀態）結束開始NY是否結束YN（二）功率放大器

作用和定義：從計算機輸出口或環形分配器輸出的信號脈沖電流一般比較小（只有幾個毫安），不能直接驅動電動機，必須采用功率放大器將脈沖信號放大，使其增大到能夠驅動電動機運行（幾至幾十安培）。這種裝置稱為功率放大器。1、步進電機對放大器要求①為步進電機繞組提供幅值足夠，波形良好的脈沖電流（電流波形盡量接近矩形）。②功耗低，效率高。2、常見的驅動電路

（1）單電壓驅動電路圖單電壓驅動電路示意圖RDR圖單電壓功率放大電路應用（2）雙電壓驅動電路圖雙電壓驅動電路示意圖圖高低壓功率放大電路應用（3）恒流源功率放大電路（略）011（4）斬波恒流功率放大電路（略）*輸入低電平，電機不工作00＝010*輸入高電平，電機工作11ABCDE（5）調頻調壓功放電路（略）A、調頻調壓功放電路的基本原理：B、實現調頻調壓控制的硬件電路：*充電（UCT負脈沖）*放電（UCT正脈沖）注意：U2大小取決因素

#UCT負脈沖寬度，調整UCT負脈沖寬度，可實現調頻調壓。工作過程：（三）細分驅動

1、定義：將一個步距角細分成若干步的驅動方法被稱為細分驅動。2、特點優點：（1）在不改動電機結構參數的情況下，能夠使步距角減小；（2）能使步進電機運行平穩、提高均勻性；（3）能減小或消除振蕩。缺點：（1）細分后的步距角精度不高；（2）功率放大器驅動電路相應復雜。3、實現細分電流波形的方法（1）采用多路功率開關器件圖功率開關細分驅動電源*工作原理：*特點（2）將開關的控制脈沖信號進行疊加圖疊加細分驅動原理圖階梯波合成原理圖a）先放大后疊加b）先疊加后放大（四）步進電動機的微機控制圖開環串行控制功能框圖1、開環串行控制2、開環并行控制圖開環并行控制功能框圖3、步進電機的閉環控制圖閉環步進電機閉環控制功能框圖4、步進電機速度控制圖點-位控制的加減速過程第三節直流（DC）伺服電動機直流伺服電機是伺服系統中使用最早，也是應用最廣的執行元件。直流伺服電機的基本結構和工作原理與普通直流電機基本相同，不同之點只是它做得比較長一些，慣量小一些，以便能滿足快速響應的要求以及靈敏性、特性線性度、控制功耗和動靜態控制性能指標。在性能要求較高的系統中多采用直流伺服電機。應用最早的是：小慣量直流伺服電機（20世紀60年代研制）。特點是—轉子轉動慣量小，反應靈敏，動態特性好，適用于高速且負載慣量較小的場合，否則，為了使慣量匹配（為得到的合理比值，以達到電機的靈敏度，快速性，而增設機械傳動裝置，增加成本）而使調整麻煩。20世紀70年代，大慣量寬調速直流伺服電動機研制成功，由于在結構上采取了一些措施。提高了轉矩，改善了動態特性，使其既具有一般直流電機的各項優點，又具有小慣量直流伺服電機的快速響應性能，同時又易與較大慣性負載匹配而較好滿足伺服系統的要求，而在機電一體化產品中（如數控機床、工業機器人等）得到了廣泛應用，特別在閉環伺服系統中應用廣泛。種類：直流電動機有永磁式、它激式、串激式和并激式幾種。永磁式和它激式直流電動機具有線性的機械特性，有良好的起動、制動和調速性能，特別適合伺服驅動。直流電動機伺服驅動系統組成：包括直流電動機、位置或速度反饋裝置、直流電源及控制驅動電路等幾大部分。此處只對直流電動機的機械特性和動特性進行分析，以掌握直流電動機伺服驅動的原理及特點，以便在選擇驅動類型時做出決策。一、直流伺服電動機的特性和調速原理1、直流伺服電動機種類與典型特點直流電動機的分類種類：直流電動機有永磁式、它激式、串激式和并激式幾種。永磁式和它激式直流電動機具有線性的機械特性，有良好的起動、制動和調速性能，特別適合伺服驅動。

供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。他勵式直流電動機

他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示。他勵直流電機的電樞電流和負載電流相同，即：并勵：電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯，由同一電源供電。且滿足：

如圖所示并勵式直流電動機

串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯。滿足

串勵式直流電動機

復勵：并勵和串勵兩種勵磁方式的結合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯，一個與電樞繞組并聯。(先并后串/先串后并)積復勵式直流電動機

組成：

（1）定子：定子上有磁極，可以用直流線圈來激磁，也可以用永久磁鐵。（2）轉子：在轉子軸上繞有多相線圈(稱為電樞繞組)，通以直流電時，會在定子磁場作用下產生帶動負載旋轉的電磁轉矩。（3）換相機構：換相機構包括電刷與換相片，電刷與直流電源相連，換相片與電樞中繞組相連，目的是使轉子在旋轉的同時，轉子上各相繞組依序通電，所產生的電磁轉矩保持恒定方向，可使轉子沿固定方向連續旋轉。圖直流伺服電動機工作原理2、直流伺服電動機的工作原理

2.1直流電機的基本工作原理補充：分析電機常用的基本電磁定律

(1)電磁力定律：垂直于磁力線的導體通過電流時，會受到力的作用。力的方向用左手定則確定：

若與磁力線垂直的導體通過電流，導體受的力為：F=B·L·IF：力，NB：磁感應強度,Wb/m2或T(特斯拉)L:導體的有效長度，mI：導體中的電流，A若導體與磁力線發生相對運動，導體中感應的電勢為：E=B·L·VE：感應電勢，VB：磁感應強度,Wb/m2或T(特斯拉)L:導體的有效長度，mV：導體的運動速度，m/s感應電動勢的方向用右手定則確定：

2.1直流電機的基本工作原理(2)電磁感應定律：若導體切割磁力線，導體中會產生感應電動勢。

2.1直流電機的基本工作原理(3)電流磁效應：通電的導體周圍會產生磁場。磁場的方向用右手螺旋定則確定：

2.1直流電機的基本工作原理

2.1.1直流電動機的基本工作原理直流電動機是將直流電能轉變成機械能的旋轉機械。

N和S是一對固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負極。此時電樞線圈中將電流流過，電流方向a到b到c到d到a。在磁場作用下，N極性下導體ab受力方向從右向左，S極下導體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。當電磁轉矩大于阻轉矩時，電機轉子逆時針方向旋轉。如右圖。

a)圖1-1直流電動機的工作原理2.1.1直流電動機的基本工作原理當電樞旋轉到右圖所示位置時原N極性下導體ab轉到S極下，受力方向從左向右，原S極下導體cd轉到N極下，受力方向從右向左。該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩。線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續逆時針方向旋轉。實際的直流電動機，電樞圓周上均勻地嵌放許多線圈，相應地換向器由許多換向片組成，使電樞線圈所產生的總的電磁轉矩足夠大并且比較均勻，電動機的轉速也就比較均勻。

b)

圖1-1直流電動機的工作原理2.1.1直流電動機的基本工作原理電機的各組成部件圖直流伺服電動機工作原理原理：一匝繞組在轉子旋轉一周時產生的電磁力的大小是變化的。實際的電動機轉子上當然不可能是一匝繞組，而是在轉子的圓周上均勻均布了許多繞組，總的電磁力是這些繞組產生的電磁力的總和。轉子上分布的繞組越密，總的電磁力越大，越接近恒定。3、直流伺服電動機的基本方程（1）電路工作描述

根據直流電機的工作原理，當給電機的激磁繞組通以直流電時，會在電機氣隙中建立極性不變的磁場(永磁電機由永久磁鐵產生)。

電樞繞組兩端加直流控制電壓Ua時，電樞繞組中便產生電樞電流Ia，處于氣隙磁場中的電樞載流導體受到磁場力的作用，產生電磁轉矩M，驅動電機轉動起來。電機一但旋轉起來之后，電樞導體將切割氣隙磁場產生感應電勢Ea，其極性與Ua相反，稱為反電勢。（2）直流伺服電動機參數（3）直流伺服電動機基本方程的建立5、直流伺服電動機的調速公式：直流電機的調速方法通常有三種：

(1)通過改變電樞電壓Ua進行調理；電樞電壓調速具有起動力矩大，阻尼效果好，響應速度快且線性較好等特點，所以在伺服系統中普遍采用(t=C)。

(2)在電樞回路中串入可調電阻Ra進行調速；

(3)Ua保持恒定，在激磁回路中串入調節電阻Rf調速(弱磁調速)(p=C)。串入電阻調速將引起功率損耗，效率低，機械特變軟，而且只能將轉速調低。弱磁調理的調理范圍小，所以在伺服系統的調速中，這兩種方法都很少采用。（1）調壓調速工作條件：保持勵磁=N；保持電阻R=Ra調節過程：改變電壓UN

U

Un，n0調速特性：轉速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調壓調速特性曲線（2）調阻調速工作條件：保持勵磁=N

；保持電壓U=UN；調節過程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調速特性：轉速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調阻調速特性曲線（3）調磁調速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調節過程：減小勵磁N

n，n0調速特性：轉速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調磁調速特性曲線

三種調速方法的性能與比較

對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（即電機額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主。二、直流電機的驅動調速方法

直流電機的電樞電壓調理要求靈活地控制電樞電壓的大小和極性，因此直流電機的驅動電路實際上是一個可控的大功率整流電路。常用的方法有可控硅法和PWM法等。直流電動機調壓調速系統的主要方式常用的可控直流電源有以下三種：1、旋轉變流機組2、靜止可控整流器3、直流斬波器和脈寬調制變換器1、旋轉變流機組----用交流電動機拖動直流發電機，以獲得可調的直流電壓（G-M系統）。

交流電動機為原動機，工作時轉速基本恒定，由它拖動的直流發電機G給需要調速的直流電動M的電樞供電。GE為一臺小型直流發電機，可與交流電動機、直流發電機同軸相連，也可另設一臺小型交流電動機對其拖動，它提供一小容量的直流電源供直流發電機和直流電動機勵磁用，所以又稱GE為勵磁發電機。旋轉變流機組供電的直流調速系統可簡稱為G-M系統。改變G的勵磁電流If的大小時，也就改變了G的輸出電壓U，進而改變了直流電動機M的轉速。組成：由~M拖動=G→=G給=M供電→直流勵磁發電機GE給=G和=M勵磁。原理：調節→U改變→轉速n變化。改變方向，n轉向跟著改變。特點：設備多、體積大、費用高、效率低、安裝維護不便、運行有噪聲。2、靜止可控整流器--利用靜止的可控整流器(如晶閘管可控整流器)，獲得可調的直流電壓。（V-M系統）GT為晶閘管觸發裝置，V為晶閘管整流器，合起來為一可控直流電源。可控直流電源給直流電動機電樞供電組成直流調速系統。這類直流調速系統簡稱V-M系統晶閘管整流器可以是單相、三相或多相；電路形式可以是半波、全波、半控、全控等類型；改變GT的輸入信號大小，就可改變GT輸出脈沖的相位，晶閘管在不同的相位處開始導通，使整流器輸出的電壓平均值Ud大小變化，進而改變電動機的轉速。優點:整流裝置效率高、體積小、成本低、無噪聲。缺點:可逆難；過電壓、過電流能力差；諧波電流大。組成：原理：3、直流斬波器（二）PWM法1、何謂PWM電路原理圖（1）電路原理與工作過程：A、可控開關S以一定的時間間隔重復地接通和斷開。B、當S接通時，供電電源US通過開關S施加到電機M的兩端，電源向電機提供能量，電機儲能；C、當開關S斷開，中斷了供電電源US向電機M提供能量。這時，在S接通期間電樞電感所儲存的能量將通過續流二極管使電機電流繼續流通。（2）電壓的平均值為：

電路原理圖占空比A、PWM：B、PFM：A、脈沖頻率不變（T不變），改變脈沖寬度（ton改變），從而改變占空比a，這就是脈沖寬度調制，英文名稱PulseWidthModulation，簡寫為PWM。本控制方式為目前直流電機調速主要方式。B、脈沖寬度不變（ton不變），改變脈沖頻率（T改變），從而改變占空比a，這就是脈沖頻率調制，英文名稱PulseFrequencyModulation，簡寫為PFM。2、PWM驅動電路裝置（1）直流PWM驅動裝置涵義

PWM驅動裝置是利用大功率晶體管的開關作用，將恒定的直流電源電壓轉換成一定頻率的方波電壓，加在直流電機的電樞上通過對方波脈沖寬度的控制，改變電樞的平均電壓，從而控制電機的轉速。因此，這種裝置又稱為“開關驅動裝置”。根據PWM的工作原理，必須有一種電路或裝置將控制轉速的指令轉換成脈沖的寬度，其中元件工作在高速開關狀態，這種裝置叫直流PWM驅動裝置。脈寬調速系統早已出現，但因缺乏高速開關元件而未能在生產實際中推廣應用。只是近年來，由于大功率晶體三極管的制造成功和成本的下降，晶體管脈寬調速系統才又受到重視，并在生產實際中得到廣泛應用。圖PWM驅動電路框圖（2）PWM驅動電路裝置組成與原理脈沖頻率發生器頻率脈沖發生器可以是三角波發生器或者鋸齒波發生器，它的作用是產生一個頻率固定的調制信號U0。電壓-脈沖變換電壓-脈沖變換器的作用是將外加直流控制電平信號Ue與脈沖頻率發生器送來的三角波電壓U0在其中混合后，產生一個寬度被調制了的開關脈沖信號。分配器分配器的作用是將電壓-脈沖變換器輸出的脈沖信號按一定的邏輯關系分配到功率放大器的各個晶體管基極，以保證各晶體管協調工作。功率放大器基極驅動電路工作在開關狀態，它對寬度被調制了的脈沖信號進行功率放大，以驅動主電路的功率晶體管。3、PWM驅動電路裝置雙向調速實現圖PWM系統的主回路電氣原理第四節交流伺服電機

直流伺服電機具有電刷和整流子，尺寸較大且必須經常維修，使用環境也受到一定影響，特別是其容量鉸小，受換向器限制，很多特性參數隨速度而變化，因而限制了直流伺服電機向高特速、大容量發展。

交流伺服電機采用了全封閉無刷結構，以適應實際生產環境，不需要定期檢查和維修。其定子省去了鑄件殼體，結構緊湊、外形小、重量輕（只有同類直流電機的75％～90％）。定子鐵芯較一般電機開槽多且深，繞組繞在定于鐵芯上，絕緣可靠，磁場均勻。可對定子鐵芯直接冷卻，散熱效果好，因而傳給機械部分的熱量小，提高了整個系統的可靠性。轉子采用具有精密磁極形狀的永久磁鐵，因而可實現高轉矩/慣量比，動態響應好，運行平穩。因此交流伺服電機以其高性能、大容量日益受到廣泛的重視和應用。但是交流電機的控制性能沒有直流的好，也正是由于這一點，交流伺服系統的發展歷史沒有直流伺服系統早，在過去較長的一段時間遠沒有直流伺服系統應用廣泛。人們一直在從事研究，提高改善交流電機的控制性能。早在20世紀60年代，隨著電子學和電子技術的發展，實現了半導體交流技術的交流調速系統。20世紀70年代以來，大規模集成電路和計算機控制技術的發展以及現代控制技術的應用，為交流伺服電機的進一步發展創造了有利條件。特別是矢量控制技術的應用，使得交流伺服驅動具備了調速范圍寬、穩速精度高、動態響應快等良好的技術性能。在調速性能方面已經可與直流伺服驅動媲美，應用越來起廣泛。一、交流伺服電動機工作原理與調速方法（一）交流伺服電動機的工作原理（以感應式交流電動機為例）圖交流電動機工作原理1、感應式交流電動機組成

定子：產生旋轉磁場轉子：切割磁場力線

當轉子處在旋轉磁場中時，相當于轉子不斷地切割磁場（更確切地說，是旋轉磁場不斷地切割轉子），設定子的磁場以逆時針方向旋轉，如圖所示，則轉子相當于以順時針方向切割磁場力線。若把金屬圓筒形看成由很多根金屬條線組成，則由電磁感應定律可知，圓筒的上半周金屬條中產生向里的感應電勢，下半周金屬條中產生向外的感應電勢（均垂直于紙面），在金屬條中形成的感應電流和感應電勢方向相同。此感應電流與磁場將產生磁力，由右手定理，電磁力F的方向在轉子的上半周向左，下半周向右，轉子在此電磁力作用下，也將以逆時針方向（與旋轉磁場相同的方向）旋轉。當定子的旋轉磁場反方向旋轉時，轉子也將跟著以反方向旋轉。2、工作原理圖交流電動機工作原理（二）交流電機的調速公式與調速方法1、交流電機的轉速公式：轉速公式：轉差率公式：其中，n0——同步轉速；

P——極對數；

f——定子電源頻率；

S——轉差率。①改變S（A、轉子繞組串聯電阻改變S；B、改變定子電壓改變S）；②改變P（有級的）；③改變f（交流變頻調速，此法最理想），采用變頻器調速裝置（VFD）。轉速公式：2、交流伺服電機調速方法：

交流調速系統的主要類型

交流電機主要分為異步電機（即感應電機）和同步電機兩大類，每類電機又有不同類型的調速系統。

現有文獻中介紹的異步電機調速系統種類繁多，可按照不同的角度進行分類。按電動機的調速方法分類常見的交流調速方法有：①降電壓調速；②轉差離合器調速；③轉子串電阻調速；④繞線電機串級調速或雙饋電機調速；⑤變極對數調速；⑥變壓變頻調速等等。

在研究開發階段，人們從多方面探索調速的途徑，因而種類繁多是很自然的。現在交流調速的發展已經比較成熟，為了深入掌握其基本原理，就不能滿足于這種表面上的羅列，而要進一步探討其本質，認識交流調速的基本規律。~按電動機的能量轉換類型分類

按照交流異步電機的原理，從定子傳入轉子的電磁功率可分成兩部分：一部分是拖動負載的有效功率，稱作機械功率；另一部分是傳輸給轉子電路的轉差功率，與轉差率s成正比。PmechPmPs

即Pm=Pmech+Ps

Pmech=(1–

s)Pm

Ps=sPm

從能量轉換的角度上看，轉差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調速系統效率高低的標志。從這點出發，可以把異步電機的調速系統分成三類。1.轉差功率消耗型調速系統

這種類型的全部轉差功率都轉換成熱能消耗在轉子回路中，上述的第①、②、③三種調速方法都屬于這一類。在三類異步電機調速系統中，這類系統的效率最低，而且越到低速時效率越低，它是以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低的（恒轉矩負載時）。可是這類系統結構簡單，設備成本最低，所以還有一定的應用價值。2.轉差功率饋送型調速系統

在這類系統中，除轉子銅損外，大部分轉差功率在轉子側通過變流裝置饋出或饋入，轉速越低，能饋送的功率越多，上述第④種調速方法屬于這一類。無論是饋出還是饋入的轉差功率，扣除變流裝置本身的損耗后，最終都轉化成有用的功率，因此這類系統的效率較高，但要增加一些設備。3.轉差功率不變型調速系統

在這類系統中，轉差功率只有轉子銅損，而且無論轉速高低，轉差功率基本不變，因此效率更高，上述的第⑤、⑥兩種調速方法屬于此類。其中變極對數調速是有級的，應用場合有限。只有變壓變頻調速應用最廣，可以構成高動態性能的交流調速系統，取代直流調速；但在定子電路中須配備與電動機容量相當的變壓變頻器，相比之下，設備成本最高。

同步電機的調速

同步電機沒有轉差，也就沒有轉差功率，所以同步電機調速系統只能是轉差功率不變型（恒等于0）的，而同步電機轉子極對數又是固定的，因此只能靠變壓變頻調速，沒有像異步電機那樣的多種調速方法。在同步電機的變壓變頻調速方法中，從頻率控制的方式來看，可分為他控變頻調速和自控變頻調速兩類。

自控變頻調速利用轉子磁極位置的檢測信號來控制變壓變頻裝置換相，類似于直流電機中電刷和換向器的作用，因此有時又稱作無換向器電機調速，或無刷直流電機調速。

開關磁阻電機是一種特殊型式的同步電機，有其獨特的比較簡單的調速方法，在小容量交流電機調速系統中很有發展前途。二、變頻器調速裝置（VFD）1、按變頻方式分類（一）變頻器分類（1）交－直－交變頻器變頻調速系統中廣泛使用的方法。（2）交-交變頻器只適用于低速(最高頻率為電源頻率的1/3～1/2)、大容量的場合。圖電流型和電壓型變頻器框圖2、根據無功能量的處理方式分類

由于變頻器的負載通常為異步電機，其功率因素是滯后的，同時因直流環節不便向負載提供無功功率，必須在期間設置儲能元件，以吞吐系統的無功能量。（1）電流型(CurrentStructureInverter簡稱CSI)（2）電壓型(VoltageStructureInverter簡稱VSI)

在CSI和VSI中，逆變器是變頻調速系統的核心。選擇怎樣的控制方法對逆變器各開關器件的通斷次序及通斷時間進行控制，與開關器件的特性密切相關。（二）SPWM變頻調速的工作原理1、脈寬調制技術涵義

脈寬調制技術是利用通訊技術中“調制”的概念，以所期望的波形作為調制波，而將被調制的信號稱為載波。由于三角波是上下對稱變化的波形，常以它作為載波同步信號，當它與任何一個光滑的調制信號曲線相交時，就可調制矩形（載波）的寬度，使調制波為一組等幅而脈沖寬度正比于該調制信號曲線函數值的矩形脈沖。這就是脈寬調制技術（PWM）。圖SPWM調制波2、正弦波脈寬調制

取正弦波作為調制信號，它與三角波(載波同步信號)相比較后可調制矩形波(載波)，得到的調制波是一組寬度按正弦規律變化的矩形脈沖，這種調制方式稱為正弦被脈寬調制，簡稱SPWM。三、交流伺服系統組成（一）同步（SM）型伺服電動機控制系統1、同步（SM）型交流伺服電動機概述

同步型電動機采用永久磁鐵磁場，不需要磁化電流，只要檢測磁鐵轉子的位置即可，這種交流伺服電動機也叫做無刷直流伺服電動機。由于它不需要磁化電流控制，故比IM型伺服電機容易控制。其轉矩產生機理與直流伺服電動機相同。2、SM型交流伺服電動機構成與原理圖同步（SM）型伺服電動機控制系統框圖CONV.—整流器；SM—同步電機；INV.—變換器；PS—磁極位置檢測器；REF—速度基準；IFG—電流函數發生器；SC—速度控制放大器；CC—電流控制放大器；RD—速度變換器；PWM—脈寬調制器；iu、iv、iw—相電流；P.B.U.—再生電力吸收電路（二）感應式伺服電機控制系統1、感應型伺服電動機概述

感應型伺服電動機是籠式感應電動機，因為是旋轉磁場，由于氣隙磁場難于直接檢驗，可以用轉子的位置和速度的等效控制來代替，其中之一是矢量控制。

交流電動機的矢量控制是交流伺服系統的關鍵，可以利用微處理器和計算機數控CNC對交流電動機磁場的控制，從而獲得對交流電動機的最佳控制。（a）等效電路