交流伺服电动机调速系统介绍.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,6.3.3,积分调整器及百分比积分调整器,1.,积分调整器及控制规律,为,“”,地,，且运放内阻无穷大，,即，,输出电压,U,ex,为输入电压,U,in,对时间积分。,为积分时间常数；,“”,输入输出相位相反。,当输入信号由,0,变到某一电压时，电容,C,以近似恒流方式进行充电，输出电压与,t(,时间,),呈线性关系，即,，当,t=,时，,交流伺服电动机调速系统介绍,第1页,几分调整器有三个主要特征：,a.,延缓性：电容,C,充放电需要时间，输入阶跃电压后，输出改变较迟缓，呈线性增加。,b.,保持性：当输出阶跃信号,U,in,=0,后,输出仍保持在输入信号改变前瞬时值,上。当,t,d,故用一个调整器调整两个参数,n,、,I,是困难，难以到达良好控制品质，采取双闭环调速方式。,交流伺服电动机调速系统介绍,第6页,4.,转速、电流双闭环调速系统,ASR,：速度调整器，是主调整器。,内环工作隶属于外环,ACR,：电流调整器，是辅调整器。,交流伺服电动机调速系统介绍,第7页,调整过程以下：,1,）突然开启：开启前，,U,n,*,=0,U,n,=0,，在突然加了,U,n,*,后瞬间，电机,n=0,。此时，到达最大值；因为采取限幅,PI,调整器，,U,n,使,ASR,输出,i,快速到达饱和值,i,m,，直到,U,n,U,n,*,为止（即,U,n,为负值）。,刚开启瞬间，电动机电流电流反馈值,i,0,，,ACR,输入信号,|,i,|=|,i,m,*,i|,最大值，在该信号作用下，,ACR,输出,U,c,增大,PWM,输出脉宽发生改变，,I,a,增大，电动机开启。当开启电流到达最大值，反馈值,i,与给定值,i,m,*,近似值相等，,i=0,输出到达最大稳定值，,I,a,到达最大稳定值，,T,最,大,，给定转速。因为电磁常数,d,j,(,机械常数,),，电枢电流到达最大开启电流时间比转子到达给定转速时间小许多，故开启动态响应短。,交流伺服电动机调速系统介绍,第8页,2,）抗负载扰动,在速度给定值,U,n,*,不变情况下，电动机负载改变时，双环系统能很好维持电动机速度不变。,外载加大时，电机,U,n,减小,U,n,=(U,n,*,U,n,),增大，,|,i,|,增大。在刚加瞬间,i,没变，故,|,i|,|,i,i|,增大，使,ACR,U,c,增大,PWM,输出方波占空比改变，,I,a,增大。当,U,n,0,，在,PI,累作用下，,|,i,|,增大，且大于,i,，,i,增大，,U,c,增大,I,a,增大,电机升速直到,U,n,0,且,i,0,，,U,c,在新稳定数值上。用来平衡改变后外载，使速度不变。,3,）抗电网电压扰动过程,因为电网电压波动，使,I,a,改变，因为机电时间常数作用，当转速尚无改变时，电流负反馈值,i,已改变 使,i,、,U,c,改变,PWM,占空比改变，从而消除电网电压波动引发,I,a,改变。,小结：外载改变使,n,改变，由,ASR,调整起主要作,用；电网电压波动，使,I,a,改变,ACR,起主要,作用。,交流伺服电动机调速系统介绍,第9页,6.4,交流伺服电动机调速系统,直流伺服电机有显著弱点,因为机械换向器和,电,存在，易磨损，易产生火花，降低了电机运行可靠性，增加了维护和保养负担。且直流伺服电机结构复杂，成本高，使用受到一定限制。近十多年来，直流伺服电机已被交流伺服电机所代替。交流伺服电机无电 、结构简单、动态响应好，输出功率大，在数控机床上广泛应用。,交流伺服电机分为 交流永磁式：用于进给,交流感应式：住轴伺服系统,由交流电频率来决定。,f,减小，,n,减小；,f,增加，,n,增加，能够改变供电频率方法来调速。,交流电动机速度控制分为 标量法，属开环控制,矢量法，属闭环控制,交流伺服电动机调速系统介绍,第10页,6.4.1,交流伺服电动机调速主电路,由电机学知识可知，交流电动机转速公式为：,(6,17),（,f,定子供电电压频率；,P,磁极对数；,s,转差率）,从上式可知，若均匀改变电动机定子供电电压频率，则能够平滑地改变电动机同时转速。,异步电机中，定子绕组反电势为：,E,4.44fk,，若忽略定子阻抗压降，则端电压,UE,4.44fk(k,为感应系数,),。,上式说明，在感应系数,k,c,，端电压,U,不变；当频率,f,，同时角速度,升高时，气隙磁通,减小，从转距公式，,T=C,m,I,2,cos,，当,减小，则造成,T,减小，使电动机利用率恶化，严重时电动机会堵转。,另外，,U,C,，当,f,减小，,增大，会使磁路饱和，激励电流上升，造成缺损急剧增加。,所以，为使,T,C,，需要保持,C,，即要求变频同时改变定子电压,U,，即变频调速关键问题是要取得调频调压交流电源。,交流伺服电动机调速系统介绍,第11页,1.,变频器,定义：将电网供电,2,频（,f,50HZ,）交流电源变为适合用于交流电机变频调速用电压可变、频率可变交流电交流装置。,变频器可分为：交,交,VVVF,变频器,交,直,交,VV VF,1,）交,交变频器（直接变频器、周波变频器）,定义：直接将电网交流电变为电压和频率都能够调整交流电（,Variable Voltage Variable Freqency,）,下列图由两组反并联整流器,p,组和,N,组组成。,交流伺服电动机调速系统介绍,第12页,若,p,组，,N,组交替地向负载,R,供电，则在负载上取得交流电压,U,0,；,U,0,幅值由两组可控整流器控制角,决定。,U,0,频率由,p,、,N,整流器切换频率来决定。因为,U,输出波形是由供电电源波形是由供电电源波形经整流后得到，故交流输出频率不能高于电网频率。,P,组通,N,组通,0,U,0,t,交流伺服电动机调速系统介绍,第13页,2,）交,直,交变频器,以单相负载供电为例说明可控硅整流装置把交流变为直流电，开关元件,1,、,3,和,2,、,4,交替 对负载,R,供电，取得负载上交流输电,U,0,。,U,0,幅值由可控硅整流装置控制角,来决定；,U,频率由开关元件切换频率来定，不受电源频率限制。,1,3,通,2,4,通,0,U,0,t,交流伺服电动机调速系统介绍,第14页,3,）变频器基本组成,整流器：为交流电，整流器可采取硅整流元件组成不可控整流器，也可采取晶闸管 可控整流器。交流输入电源可用单相或三相，视交流电机容量而定。,滤波器：用来缓冲直流步骤和负载之间压力能量，,电,滤波 电压型，大电感滤波 电流型。,功率逆变器：,直流电变为电。功率元件有晶闸管、大功率晶体管、功率场效应管。,控制器：控制逆变器中个功率元件工作状态，使逆变器输出预定电压和预定频率交流电源。,交流伺服电动机调速系统介绍,第15页,2.,逆变器,定义：将直流电变为交流电变流装置称功率逆变器。（反之为整流器）,按功效分 电压型逆变器,电流型,逆变器,按控制方法分 脉宽,PWM,逆变器,脉幅,PAM,逆变器,按逆变器波形分 矩形（方法）逆变器,分类 正弦波,逆变器,按使用功率元件分 晶闸管,(SCR),可关断晶闸管,(GTD),大功率晶体管,(GTR),功率场效应管,(P-MOSFET),按逆变器控制分 固定压变，固定频率,(CV,CF),固定压变，可变频率,(CV,VF),可变电压，可变频率,(VV,VF),普通，异步步电动机采取,VVVF,逆变器。,交流伺服电动机调速系统介绍,第16页,6.4.2 SPWM,波调制原理,SPWM,变频器同时适合用于永磁式及感应式伺服电动机，采取正弦规律脉宽调制原理，功,率,数增大、波形好等优点，交流调速系统中广泛应用。,1.,一相,SPWM,波调制原理,交流,SPWM,中，输出电压,U,0,由,波调到正弦电压得到,U,为幅值相等、宽度不等方波信号。各脉冲面积与正弦波下面积成百分比，脉宽基本上按正弦分布，基波是等效正弦波。,调制原理以下：,当控制电压,(U,1,波,)U,1,U,t,时，,电压比 器输出,(,高电平,),，反之,输出 电平。,交流伺服电动机调速系统介绍,第17页,双极性,SPWM,波调制原理,将右图正弦正半周分成,N,等分，每一等分正弦曲线与横轴所包围面积,都,一个与此面积相等等幅矩形脉冲所代替，即,N,个等幅而步等宽矩形脉冲组成波形与正弦正半周等效。,交流伺服电动机调速系统介绍,第18页,任何一个平滑曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅脉宽正比于该函数值矩形脉冲。,图中看出，幅值为,U,m,脉宽按正弦规律改变矩形脉冲。,假如这一组矩形脉冲作为逆变器多开关元件控制信号，则在逆变器输出端取得一组类似矩形脉冲，其幅值为逆变器直流电,压,U,d,，宽度按正弦规律改变。这一组矩形脉冲可用正弦波等效，正弦波负半波，用负值三角波调制。,当逆变器输出端升高电压时，加大正弦波幅值，逆变器输出,U,d,U,m,不变，脉宽加大，到达调压目标，当逆变器要变频时，改变正弦波频率亦可。,交流伺服电动机调速系统介绍,第19页,2.,三相,SPWM,波调制,在三相,SPWM,调制中，波发生器,U,t,是共用，每一相有一个输入正弦信号和一个,SPWM,调制器输入,U,a,、,U,b,、,U,c,信号相差,120,正弦交流信号，幅值频率均可调。,在三相桥式逆变器中，有,180,导通型换向方式和,120,导通性换向方式,(,在某一瞬间，控制一个开关器关断，同时使另一个开关器 导通，就实现了两个 之间换向,),。,同一个桥臂上，下两管之间相互换向逆变器为,180,导通型逆变器，例：,T,1,(,),后,T,4,(,),，当,T,4,(,),后,T,1,(,),。即每个开关 在一个周期内导通区间为,180,，其它相亦如此。,交流伺服电动机调速系统介绍,第20页,在,180,导通型逆变器，每一时刻总有,3,个开关器导通，但须注意预防同一桥臂上上下管相通，连成直流电源段路换向时，采取“先断后通”标准。,T,6,T,5,T,4,300,360,T,5,T,4,T,3,240,300,T,4,T,3,T,2,180,240,T,3,T,2,T,1,120,180,T,6,T,2,T,1,60,120,T,6,T,5,T,1,0,60,导通器件,时间段,180,导通型逆变器开关导通规律,交流伺服电动机调速系统介绍,第21页,120,导通型逆变器换向在同,一,不一样桥臂左右两管之间进行。,例：,T,3,(,),后,T,5,(,),，,T,4,(,),后,T,6,(,).,每个开关器件一次连续 导通,120,，在同一时刻只有两个器件导通。若负载由动机绕组是,Y,联结，则只有两相导电，另一相悬空。,交流伺服电动机调速系统介绍,第22页,3.SPWM,变频器功效,SPWM,调制波经功放后才能驱动电机。功放电路以下列图：,整流器：用六个硅整流元件接成三相桥式整流电路；,滤波器：两只高压大容量串联接在整流器直流输出端，以缓冲直流部分与负载之间无功功率组成电压型变频器，并联大瓦数电阻，是断电时电容释放之用。,逆变器：采取大功率晶体管组成,(GTR),交流伺服电动机调速系统介绍,第23页,4.SPWM,调制制约条件,1,）开关频率,功率器件开关频率决定了调制三角波频率。,普通晶闸管开关频率,300,500HZ,；,大功率晶体管开关频率：,1,5KHZ,；,可关断晶闸管开关频率：,1,2KHZ,；,功率场效应管开关频率：,20KHZ,。,绝缘栅式双极晶体管,IGBT,高速开关特征,好，,时间,0.15s,，,饱,电压,2.2V,，是非常好功率电子器件。,IGBT,耐压,300V,，电流达,1500A,。,2,）调,制,因为功率器件开关频率限制，所调制脉冲波有最小脉宽与最小间隙限制，以确保脉宽大于器件导通和关断时间即满足：,（,M,调制系数；,U,1,正弦控制电压峰值；,Ut,三角波载波峰值电压）,交流伺服电动机调速系统介绍,第24页,5.SPWM,同时异步调制,（,N,载波比；,f,t,三角波载波峰值电压；,f,t,正弦控制电压峰值）,为确保调制波对称性,N,是,3,倍数，如,N,15,，,18,，,21,，,30,，,36,，,42,，,60,，,72,，,84,，,120,，,144,，,168,等。,交流伺服电动机调速系统介绍,第25页,3,）分段同时调制,把整个频率范围分成,n,段，结协议异步调制优点，,同,同时各段之间,N,值不一样。即,f,r,减小，,N,取大值；,f,r,增大，,N,取小值。,1,）同时调制,即载波比,N=C,（常数），变频时,f,t,、,f,n,同时改变。故一个正弦控制波周期内输出矩形脉冲数量是不变。若,N,是,3,倍数确保逆变器输出波形正负对称，三相波形互差,120,相位角。,缺点：低频段，相邻两脉冲间距加大，谐波增大，使转矩脉动产生噪声。,2,）异步调制,载波比,N,改变，,f,t,不改变，,f,n,改变，在低频段，,SPWM,输出波每一个正弦控制波周期内有较多脉冲数，,f,r,减小，脉冲个数增大，既减小了屡次谐波电机转矩波动、噪音。,优点：改变了低频工作特征；缺点：输出波形改变时，引发波形不对称性和相反改变，难确保三相输出对称关系，电机工作不平稳。,交流伺服电动机调速系统介绍,第26页,6.,软件,SPWM,实现,SPWM,调制实质：依据三角载波与正弦控制波交点来确定功率开关管通断时刻。,数字方式,SPWM,控制，可实现硬件,SPWM,波形，有,n,种方法。,交流伺服电动机调速系统介绍,第27页,1,）自然采样法,方法：以正弦波三角波交点采样，从而生成,SPWM,波形方式。,三角波改变一周期,T,，与正弦波有两个交点；,A,发生脉冲时刻，,B,脉冲结束时刻。功率管导通工作区是,t,2,关断区：脉冲间隙时间,t,1,、,t,3,、,t,1,、,t,2,、,t,3,在正弦波不一样频段是不一样。,设三角波幅值为,1,，正弦控制波为,U,Msint,依据相同三角形几何关系,及,整理得：,交点相对于三角形不对称，,t,1,t,3,。将事先计算数据存入计算机内，以查表方式控制。当调速范围改变大，频段多时，公用内存多，该方法适合用于有限调速场所。,交流伺服电动机调速系统介绍,第28页,2,）规则采样法,以三角形波,峰点向上作水平轴 与正弦交于,E,点，过,E,点作水平线，与三角波交于,A,、,B,两点。使,优点：每个采样时刻都有确定值，计算时间较少。,缺点：有一定误差，但采取办法后能够到达精度。,交流伺服电动机调速系统介绍,第29页,3,）指定简谐波消除法,方法：计算前事先设定好每半个正弦周期用,n,个脉冲代替，然后以消除一些指定阶次谐波为出发点求出功率元件通断时刻。,计算式用付氏变换方法。逆变器输出电压基波幅值为,U,1m,，消除,5,次,和,7,次简谐波电压，,SPWM,电压波形付氏变换为：,交流伺服电动机调速系统介绍,第30页,求解以上三式，即得到脉冲波开关时刻，,t,1,、,t,2,、,t,3,来关断或打开功率管，产生,SPWM,波。,普通计算出不一样频率下开,关,数值，存入微机系统，以查表方式来控制。,交流伺服电动机调速系统介绍,第31页,