机电一体化交流伺服电机

由于矩形波的幅值恒定， 由于矩形波的幅值恒定，要使它的面积与相应的 矩形波的幅值恒定 正弦波的那一等分面积相等， 正弦波的那一等分面积相等，只能调整矩形脉冲的宽 度，这就是脉冲宽度调制（PWM）。 这就是脉冲宽度调制（PWM）。 PWM信号的生成方法有多种， PWM信号的生成方法有多种，最常用是用正弦波与 信号的生成方法有多种 三角波相交来产生的，三角波称为载波（ 三角波相交来产生的，三角波称为载波（亦称调制 波），其幅值恒定，而正弦波称为正弦控制波。图中 ），其幅值恒定，而正弦波称为正弦控制波。 其幅值恒定 PWM波脉冲的宽度对应于正弦波幅值大于三角波幅值的 PWM波脉冲的宽度对应于正弦波幅值大于三角波幅值的 那一部分，该宽度按正弦规律变化， 那一部分，该宽度按正弦规律变化，改变正弦控制波 的幅值，即可改变脉冲宽度， 的幅值，即可改变脉冲宽度，从而改变逆变器的输出 电压。 电压。
角前移，输出电压由u 上升到u 角前移，输出电压由u1上升到u2，电动机的转速将 上升到c 上升到c点，这对减少低速运行时的静差度、增大调 这对减少低速运行时的静差度、 速范围是有利的。 速范围是有利的。 晶闸管调压调速存在着： 晶闸管调压调速存在着：在低速时感应电动机 调压调速存在着 的转差功率损耗大，运行效率低；采用相位控制方 的转差功率损耗大，运行效率低； 式时，电压为非正弦， 式时，电压为非正弦，电动机电流中存在着较大的 高次谐波，电动机将产生附加谐波损耗，电磁转矩 高次谐波，电动机将产生附加谐波损耗， 也会因谐波的存在而发生脉动， 也会因谐波的存在而发生脉动，对它的输出转矩有 较大的影响。 较大的影响。
6.3.４ (PWM)型晶闸管变频调速系统 6.3.４ (PWM)型晶闸管变频调速系统 1.变频器的工作原理 1.变频器的工作原理
变频调速系统中的变频器通常分为交－ 变频调速系统中的变频器通常分为交－交变频器 和交－ 和交－直－交变频器两种。 交变频器两种。 交－交变频器直接将电网的交流电变换为电压和 频率都可调的交流电， 频率都可调的交流电，但输出电压的频率不能高于电 网的供电频率，这适用于低频大容量的调速系统。 网的供电频率，这适用于低频大容量的调速系统。 交－直－交变频器首先将电网的交流电整流为可 控的直流电，然后再由逆变器将直流电逆变为交流电。 控的直流电，然后再由逆变器将直流电逆变为交流电。
6.3.2 交流电动机调速种类
n=60f(1n=60f(1-s)/p 交流电动机调速系统种类常见有 1.变极对数调速； 1.变极对数调速； 变极对数调速 2.变转差率调速： 2.变转差率调速： 变转差率调速 （1)调压调速（2）电磁转差离合器调速（3）绕线异 1)调压调速（ 调压调速 电磁转差离合器调速（ 步电机转子串电阻调速（ 步电机转子串电阻调速（4）绕线异步电机转子串附 加电动势（串级调速）； 加电动势（串级调速）； 3.变频调速等 3.变频调速等。
频率的调节有：同步和非同步调制。 频率的调节有：同步和非同步调制。同步调制 方式的载波和正弦控制波的频率成比例地变化， 方式的载波和正弦控制波的频率成比例地变化，每周 载波和正弦控制波的频率成比例地变化 输出脉冲数不变；非同步调制方式的载波频率固定， 输出脉冲数不变；非同步调制方式的载波频率固定， 载波频率固定 只改变正弦控制波的频率。 只改变正弦控制波的频率。 采用正弦控制波与三角波相交生成PWM信号的方 采用正弦控制波与三角波相交生成PWM信号的方 PWM 法去改变正弦控制波的频率或幅值， 法去改变正弦控制波的频率或幅值，即可改变逆变器 输出频率或输出电压的幅值； 输出频率或输出电压的幅值；同时改变正弦控制波的 频率和幅值，即可达到调频又调压的目的。 频率和幅值，即可达到调频又调压的目的。
PWM信号的生成 （１） PWM信号的生成
PWM信号－－矩形脉冲序列的 PWM信号－－矩形脉冲序列的 信号－－
生成是根据下图的等效原则来实现的。 生成是根据下图的等效原则来实现的。
PWM逆变器输出电压的脉宽调制波是由控制电 PWM逆变器输出电压的脉宽调制波是由控制电 路按一定的规律控制半导体开关元件的通断而产生 的，这一定的规律就是PWM信号，逆变器的输出电 这一定的规律就是PWM信号， PWM信号 压是PWM信号的放大。 压是PWM信号的放大。 PWM信号的放大 将正弦波正半周划分为m等分，每一等分的正 将正弦波正半周划分为m等分， 弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等 的等高矩形脉冲代替， 的等高矩形脉冲代替，由m个等幅而不等宽的矩形 脉冲所组成的波形就与正弦波的正半周等效。 脉冲所组成的波形就与正弦波的正半周等效。同理 负半周也是等效的。 负半周也是等效的。
b.控制输入 b.控制输入 工作方式选择I 工作方式选择I I=0驱动输出为功率晶体管模式； I=0驱动输出为功率晶体管模式； 驱动输出为功率晶体管模式 为防止上、 为防止上、下桥臂的功率晶体 I=1驱动输出为晶闸管模式。 I=1驱动输出为晶闸管模式。 驱动输出为晶闸管模式 互锁推迟间隙选择K 互锁推迟间隙选择K 管因短路事故损坏，在上、下两管的驱动波中插入 管因短路事故损坏，在上、 一个延时，在此时间内两管均不导通， 一个延时，在此时间内两管均不导通，死区时间称 为互锁推迟间隙。 为互锁推迟间隙。 允许／禁止控制端L 允许／禁止控制端L 输出PWM PWM信号 T1～T6输出PWM信号。 L=0封锁驱动输出；L=1允许 L=0封锁驱动输出；L=1允许 封锁驱动输出
(2)8051单片机与HEF4752V构成 (2)8051单片机与HEF4752V构成 单片机与HEF4752V 的PWM型交流调速系统 PWM型交流调速系统 HEF4752V简介 ① HEF4752V简介 HEF4752V 引脚排列为双列直插28脚芯片， 引脚排列为双列直插28脚芯片， 28脚芯片 接正电源（+5V）， 接地。 ），V VDD接正电源（+5V），VSS接地。 a.驱动输出 主驱动输出T1～T6 a.驱动输出 主驱动输出T 驱动U 驱动V T1和T２驱动U相、 T3和T4驱动V 驱动W 相、 T5和T6驱动W相。AT1～AT6 辅助换相驱动输出， 辅助换相驱动输出，主电路采用 晶闸管时， 晶闸管时，AT1～AT6用于触发换 相晶闸管。 相晶闸管。
闭环调压调速系统可得到比较硬的机械特性，如图， 闭环调压调速系统可得到比较硬的机械特性，如图， 调压调速系统可得到比较硬的机械特性 当电网电压或负载转矩出现波动时，转速不会因扰动 当电网电压或负载转矩出现波动时， 出现大幅度波动。 出现大幅度波动。如a 点，对应的转差率s=s1 对应的转差率s=s 当负载转矩由T 变为T 当负载转矩由T1变为T2 时，若开环控制，转速 若开环控制， 将下降到b 将下降到b点。闭环控 制：转速下降， uG下 转速下降， 降而u 不变， 降而ug不变，则Δun 变大， 变大，调压器的控制
目前常用的PWM信号产生方法有以下几种： 目前常用的PWM信号产生方法有以下几种： PWM信号产生方法有以下几种 ①专用集成电路（ASIC) 专用集成电路（ 生成PWM信号的专用 生成PWM信号的专用 PWM
集成电路种类较多，如脉宽调制集成电路HEF4752V 集成电路种类较多，如脉宽调制集成电路HEF4752V 及供交流伺服电机用的PLL·PWM专用集成电路 及供交流伺服电机用的PLL·PWM专用集成电路 PLL·PWM TA8444F和PWM用的专用集成电路SL20等 TA8444F和PWM用的专用集成电路SL20等。 用的专用集成电路SL20 ②专用单片机 根据变频调速的需要生产的专
6.3.３ 晶闸管调压 调压调速 6.3.３ 晶闸管调压调速
通过改变感应电动机的定子电压进行调速， 通过改变感应电动机的定子电压进行调速，它主要 应用于短时 或重复短时 调速的设备 上。晶闸管 调压调速控 调压调速控 制系统结构 图：
该系统电路是采用Y形联结的三相调压电路， 该系统电路是采用Y形联结的三相调压电路，控 制方式为转速负反馈的闭环控制。反馈电压u 制方式为转速负反馈的闭环控制。反馈电压uG与给定 电压u 比较得到转速差电压Δ 电压ug比较得到转速差电压Δun，用Δun通过转速调节 器控制晶闸管的导通角。改变u 器控制晶闸管的导通角。改变ug的值即可改变感应电 动机的定子电压和电动机的转速， 动机的定子电压和电动机的转速，当ug＞uG ，调压器 的增加而变小，输出电压提高， 的控制角因Δ 的控制角因Δun＝ug－uG的增加而变小，输出电压提高， 转速升高， 才会稳定转速； 转速升高，至ug＝uG才会稳定转速；反之上述过程向 反方向进行。 反方向进行。
PWM型交流变频器 ２. PWM型交流变频器
交－直－交变频器的控制方式主要有电流型、 交变频器的控制方式主要有电流型、 电压型和PWM型 脉宽调制（PWM） 电压型和PWM型。脉宽调制（PWM）型变频器的特点是 PWM 调频和调压任务都由逆变器担当，二极管整流器提供 调频和调压任务都由逆变器担当， 恒定的直流电压，讨论PWM型变频器就是讨论PWM型逆 恒定的直流电压，讨论PWM型变频器就是讨论PWM型逆 PWM型变频器就是讨论PWM 变器， PWM型逆变器的主电路如图 型逆变器的主电路如图： 变器， PWM型逆变器的主电路如图：
6.3 交流伺服电机及其控制
6.3.1 交流伺服电机
交流伺服电机一般有两种： 交流伺服电机一般有两种：笼型异步伺服电机 和永磁同步伺服电机。笼型异步伺服电机的原理结构 和永磁同步伺服电机。 与笼型异步电动机一样的， 与笼型异步电动机一样的，区别在于笼型异步伺服电 机输出量可调，即输入电压、电流或频率具有可控性。 机输出量可调，即输入电压、电流或频率具有可控性。 永磁同步伺服电机的情况与笼型异步伺服电机是十分 相似的。 相似的。
PWM逆变器输出电压波形的每个周是由一组等幅而不 PWM逆变器输出电压波形的每个周是由一组等幅而不 等宽的矩形脉冲构成的，与半周正弦波等效， 等宽的矩形脉冲构成的，与半周正弦波等效，输出 电流波形很近似于正弦波。由于调频、 电流波形很近似于正弦波。由于调频、调压都在逆 变器内进行，调节及时且迅速， 变器内进行，调节及时且迅速，改善了系统的动态 性能。 性能。