1、6.3 交流伺服電機及其控制6.3.1 交流伺服電機 交流伺服電機一般有兩種：籠型異步伺服電機和永磁同步伺服電機。籠型異步伺服電機的原理結構與籠型異步電動機一樣的，區(qū)別在于籠型異步伺服電機輸出量可調，即輸入電壓、電流或頻率具有可控性。永磁同步伺服電機的情況與籠型異步伺服電機是十分相似的。 6.3.2 交流電動機調速種類 n=60f(1-s)/p 交流電動機調速系統(tǒng)種類常見有1.變極對數調速；2.變轉差率調速：（1)調壓調速（2）電磁轉差離合器調速（3）繞線異步電機轉子串電阻調速（4）繞線異步電機轉子串附加電動勢（串級調速）；3.變頻調速等。 6.3. 晶閘管調壓調速 通過改變感應電動機的定子電

2、壓進行調速，它主要應用于短時或重復短時調速的設備上。晶閘管調壓調速控制系統(tǒng)結構圖： 該系統(tǒng)電路是采用Y形聯(lián)結的三相調壓電路，控制方式為轉速負反饋的閉環(huán)控制。反饋電壓uG與給定電壓ug比較得到轉速差電壓un，用un通過轉速調節(jié)器控制晶閘管的導通角。改變ug的值即可改變感應電動機的定子電壓和電動機的轉速，當uguG ，調壓器的控制角因unuguG的增加而變小，輸出電壓提高，轉速升高，至uguG才會穩(wěn)定轉速；反之上述過程向反方向進行。閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)可得到比較硬的機械特性，如圖，當電網電壓或負載轉矩出現波動時，轉速不會因擾動出現大幅度波動。如a 點，對應的轉差率s=s1 當負載轉矩由T1變?yōu)門2 時

3、，若開環(huán)控制，轉速將下降到b點。閉環(huán)控制：轉速下降， uG下降而ug不變，則un變大，調壓器的控制角前移，輸出電壓由u1上升到u2，電動機的轉速將上升到c點，這對減少低速運行時的靜差度、增大調速范圍是有利的。 晶閘管調壓調速存在著：在低速時感應電動機的轉差功率損耗大，運行效率低；采用相位控制方式時，電壓為非正弦，電動機電流中存在著較大的高次諧波，電動機將產生附加諧波損耗，電磁轉矩也會因諧波的存在而發(fā)生脈動，對它的輸出轉矩有較大的影響。6.3.(PWM)型晶閘管變頻調速系統(tǒng)1.變頻器的工作原理變頻調速系統(tǒng)中的變頻器通常分為交交變頻器和交直交變頻器兩種。 交交變頻器直接將電網的交流電變換為電壓和頻

4、率都可調的交流電，但輸出電壓的頻率不能高于電網的供電頻率，這適用于低頻大容量的調速系統(tǒng)。 交直交變頻器首先將電網的交流電整流為可控的直流電，然后再由逆變器將直流電逆變?yōu)榻涣麟姟?交直交變頻器由整流器和逆變器兩部分構成，逆變器的工作原理如圖說明：三相逆變器由S1S6六個開關組成，這六個開關按照圖（b）的開關動作時序表閉合、斷開，就能在輸出端A、B和C上得到矩形波的三相交流電，矩形波的幅值等于直流電壓UDC，改變UDC的大小即可調節(jié)交流矩形波的幅值。在實際應用中UDC應是可調節(jié)的，這可由可控整流器來實現，實際的逆變器采用半導體功率（電力）器件作為開關元件如晶閘管等。. PWM型交流變頻器交直交變頻

5、器的控制方式主要有電流型、電壓型和PWM型。脈寬調制（PWM）型變頻器的特點是調頻和調壓任務都由逆變器擔當，二極管整流器提供恒定的直流電壓，討論PWM型變頻器就是討論PWM型逆變器， PWM型逆變器的主電路如圖：PWM逆變器輸出電壓波形的每個周是由一組等幅而不等寬的矩形脈沖構成的，與半周正弦波等效，輸出電流波形很近似于正弦波。由于調頻、調壓都在逆變器內進行，調節(jié)及時且迅速，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。（） PWM信號的生成PWM信號矩形脈沖序列的生成是根據下圖的等效原則來實現的。PWM逆變器輸出電壓的脈寬調制波是由控制電路按一定的規(guī)律控制半導體開關元件的通斷而產生的，這一定的規(guī)律就是PWM信號，逆變

6、器的輸出電壓是PWM信號的放大。將正弦波正半周劃分為m等分，每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的等高矩形脈沖代替，由m個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的正半周等效。同理負半周也是等效的。由于矩形波的幅值恒定，要使它的面積與相應的正弦波的那一等分面積相等，只能調整矩形脈沖的寬度，這就是脈沖寬度調制（PWM）。 PWM信號的生成方法有多種，最常用是用正弦波與三角波相交來產生的，三角波稱為載波（亦稱調制波），其幅值恒定，而正弦波稱為正弦控制波。圖中PWM波脈沖的寬度對應于正弦波幅值大于三角波幅值的那一部分，該寬度按正弦規(guī)律變化，改變正弦控制波的幅值，即可改變脈沖寬

7、度，從而改變逆變器的輸出電壓。頻率的調節(jié)有：同步和非同步調制。同步調制方式的載波和正弦控制波的頻率成比例地變化，每周輸出脈沖數不變；非同步調制方式的載波頻率固定，只改變正弦控制波的頻率。采用正弦控制波與三角波相交生成PWM信號的方法去改變正弦控制波的頻率或幅值，即可改變逆變器輸出頻率或輸出電壓的幅值；同時改變正弦控制波的頻率和幅值，即可達到調頻又調壓的目的。目前常用的PWM信號產生方法有以下幾種：專用集成電路（ASIC) 生成PWM信號的專用集成電路種類較多，如脈寬調制集成電路HEF4752V及供交流伺服電機用的PLLPWM專用集成電路TA8444F和PWM用的專用集成電路SL20等。專用單片

8、機根據變頻調速的需要生產的專用單片機，如80C196MC，它是16位專用單片機，片內有16KB的OTP/ROM，波形生成器及EAP等。微機生成PWM信號生成PWM信號的微機最小系統(tǒng)由微處理器（MPU）、可編程只讀存儲器（PROM）、讀寫存儲器（RAM）、非易失性存儲器、門陣列和頻率指令輸入回路等構成。此種微機為變頻調速設計專用的，其中的非易失性存儲器存放U/f的常數、加減速時間及其他常數， PWM信號在門陣列中形成并送往逆變橋GTR的基極驅動電路。(2)8051單片機與HEF4752V構成的PWM型交流調速系統(tǒng) HEF4752V簡介 HEF4752V引腳排列為雙列直插28腳芯片， VDD接正電

9、源（+5V），VSS接地。a.驅動輸出主驅動輸出T1T6 T1和T驅動U相、 T3和T4驅動V相、 T5和T6驅動W相。AT1AT6輔助換相驅動輸出，主電路采用晶閘管時，AT1AT6用于觸發(fā)換相晶閘管。b.控制輸入 工作方式選擇II=0驅動輸出為功率晶體管模式；I=1驅動輸出為晶閘管模式。互鎖推遲間隙選擇K為防止上、下橋臂的功率晶體管因短路事故損壞，在上、下兩管的驅動波中插入一個延時，在此時間內兩管均不導通，死區(qū)時間稱為互鎖推遲間隙。允許禁止控制端LL=0封鎖驅動輸出；L=1允許T1T6輸出PWM信號。相序選擇CWCW=0時PWM信號相序為UWV；CW=1相序為UVW。c.時鐘輸入信號FCT為

10、控制逆變器輸出頻率f的時鐘端；VCT為控制逆變器輸出頻壓比的時鐘端；RCT為控制最高開關頻率的時鐘端；OCT確定推遲間隙。d.控制輸出RSYN為A相同步信號、觸發(fā)示波器掃描；VAV模擬輸出平均電壓；CSP逆變器開關輸出。系統(tǒng)組成系統(tǒng)由MCS-51、8253、HEF4752V及其它支持芯片組成，如圖系統(tǒng)中HEF4752V所需的頻率控制時鐘fFCT由8253的通道提供，該通道的分頻系數取固定值，通道的時鐘信號fCLK由比例乘法器提供，比例乘法器由兩只MC14527串聯(lián)構成，它的數據輸入D0D7由MCS-51的PB0PB7提供。可變比率系數的比例乘法器與固定分頻系數的8253的通道相串聯(lián)，達到均勻輸

11、出fFCT控制信號；8253的通道提供VCT時鐘信號，分頻系數由P0口寫入8253，RCT、OCT時鐘脈沖直接使用系統(tǒng)時鐘經8253的通道分頻產生。晶閘管變頻器工作原理如圖為交直交變頻器的主電路，它由整流器、中間濾波環(huán)節(jié)及逆變器三部分組成。整流器為晶閘管三相橋式電路，作用是將恒壓恒頻交流電變?yōu)橹绷麟娮鳛槟孀兤鞯闹绷鞴╇婋娫矗荒孀兤饕彩蔷чl管三相橋式電路，是將直流電變換調制為可調頻率的交流電，是變頻器的主要組成部分；中間濾波環(huán)節(jié)由電容器、電抗器組成是對整流后的電壓或電流進行濾波。根據晶閘管在一個周期內導電的不同，三相橋式逆變電路有180和120通電型。在180通電型三相逆變器中，電動機正轉時，晶

12、閘管的導通順序是VK1VK6，各觸發(fā)信號間隔60相位角。 180通電型特點是每只晶閘管的導通角為60，在任意瞬間有三只晶閘管同時導通，它們的換流是在同一相橋臂內進行的。因此逆變器的輸出是三相對稱的交流電，各相相差120。在實際工程中是由給定信號來改變頻率發(fā)生器的振蕩頻率，改變逆變器輸出的交流頻率。脈沖調制型晶閘管變頻調速系統(tǒng)脈沖調制型變頻器的特點：主回路簡單、功率因數較高，由于高頻調制，輸出波形得到了改善，轉矩脈動顯著下降，調速范圍增寬，但控制回路較復雜。（） PWM變頻器的控制方式分為變幅脈寬調制和恒幅脈寬調制兩種，變幅脈寬調制是將變頻器輸出電壓和頻率分別進行調節(jié)，如圖。由晶閘管整流器與晶閘

13、管逆變器調壓，也是采用相位控制，通過改變觸發(fā)脈沖的相位角來獲得與逆變器輸出頻率相對應的不同大小的直流電壓，逆變器只作頻率控制，由個開關元件組成，可按脈沖調制方式進行工作。 恒幅脈寬調制方式如圖，由二極管整流器、中間濾波環(huán)節(jié)及逆變器三部分組成。輸入恒定直流電壓到逆變器，通過調節(jié)逆變器輸出電壓的脈沖寬度和輸出電壓的頻率，既實現調壓又變頻，調壓和變頻都由PWM逆變器完成的。由于輸出電壓直接由逆變器接在一個公共的直流母線上，便于實現多臺電動機拖動，若逆變器采用快速開關元件，可實現高頻脈寬調制，可以提高系統(tǒng)的性能，縮小裝置的體積，降低成本。（2）脈沖寬度調制方法 分為單極性和雙極性調制兩種，如圖三相橋式

14、逆變器的單極性調制原理。它采用晶體管GTR作開關元件，負載為三相對稱電阻負載，由各開關管的基極驅動信號分別控制各開關管的通斷，基極驅動信號在電路中一般常以載頻信號（單極性等腰三角波）uc與參考信號（直流電壓）ur相比較產生，如下圖：在uc和ur波形相交處發(fā)出調制信號，部分脈沖調制波形經過三相對稱倒相后，a、b的相位波形及u0,0和ua,0相電壓脈沖序列波形圖，一個周期內有12個等腰三角波輸出波正負半周對稱，主回路中6個開關元件VT1VT6都是半周工作，通斷6次輸出6個等幅、等寬、等距的脈沖序列，另半周總處于截止狀態(tài)。這6個開關元件以VT1VT6順序輪流工作。輸出的相電壓波形每半個周期出現6個等寬、等距脈沖序列，中間2個脈沖高（U）、兩邊4個脈沖低（U