畢業(yè)設計--pwm變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運用與分析

1、<p>　　畢業(yè)生畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　課題名稱 PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運用與分析 </p><p>　　專業(yè) </p><p>　　班級 </p><p>　　學號

2、 </p><p>　　姓名 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）題目： PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運用與分析

3、 </p><p>　　專業(yè)： 姓名： </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）工作起止時間： </p><

4、;p>　　畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容要求： </p><p>　　1.對PWM技術的基本認識 </p><p>　　2.數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

5、 </p><p>　　3.PWM技術在電機中的運用 </p><p>　　4.PWM技術在伺服系統(tǒng)中的運用與分析

6、 </p><p>　　指導教師（簽名）： 系主任： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設計開題報告</b></p><p>　　一、課

7、題設計（論文）目的及意義</p><p>　　PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,PWM控制技術才真正得到應用。PWM控制技術以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式,也是人們研究的熱點。隨著電力電子技術,微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理

8、論方法,如現(xiàn)代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應用,PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。PWM技術的無級調(diào)速，軟啟動，恒轉矩輸出極大的滿足了機械加工設備對恒速度，恒轉矩的要求。數(shù)控機床無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機。通過傳動帶帶動主軸旋轉，或通過傳動帶和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉矩)帶動主軸旋轉。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結構大為簡化。研究PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的

9、運用，具有十分重要的意義。</p><p>　　二、課題設計（論文）提綱</p><p>　　1.       論文總體的描述和分析</p><p>　　2.       系統(tǒng)模塊的劃分</p><p>　　3. 

10、    系統(tǒng)模塊的設計</p><p>　　4.       系統(tǒng)模塊的分析</p><p>　　5.       報告小結</p><p>　　6.    

11、0;  參考資料</p><p>　　三、課題設計（論文）思路、方法及進度安排</p><p>　　按照自頂向下，由總提到部分的設計原則，首先針對所設計的任務要求，根據(jù)所掌握的知識和資料，從全局出發(fā)，明確</p><p>　　第一至二周：PWM技術和伺服系統(tǒng)的認識</p><p>　　第三至四周：PWM技術在電機中的運用</p

12、><p>　　第五周： PWM技術在伺服系統(tǒng)中的運用與分析</p><p><b>　　第六周：答辯</b></p><p>　　四、課題設計（論文）參考文獻；</p><p>　　孫立志 編 PWM與數(shù)字化電動機控制技術運用 中國電力出版社 2008</p><p>　　張祟巍 編 PWM技

13、術及其運用 機械工業(yè)出版社 2003</p><p>　　夏伯雄 編 數(shù)控技術 水利水電出版社 2010</p><p>　　4 顏嘉男 編 伺服電機運用技術 科學出版社 2010</p><p><b>　　摘 要：</b></p><p>　　PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件

14、發(fā)展水平的制約,在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn)。直到進入上世紀80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,PWM控制技術才真正得到應用。PWM控制技術以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式,也是人們研究的熱點。隨著電力電子技術,微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應用,PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展。PWM技術的無級調(diào)速，軟啟動，恒轉矩輸出極

15、大的滿足了機械加工設備對恒速度，恒轉矩的要求。數(shù)控機床無級變速系統(tǒng)主要有變頻主軸系統(tǒng)和伺服主軸系統(tǒng)兩種，一般采用直流或交流主軸電機。通過傳動帶帶動主軸旋轉，或通過傳動帶和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉矩)帶動主軸旋轉。由于主軸電機調(diào)速范圍廣，又可無級調(diào)速，使得主軸箱的結構大為簡化。研究PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運用，具有十分重要的意義。</p><p>　　關鍵詞：PWM技術；伺服電機；數(shù)控系統(tǒng)；變頻器；運用

16、</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設計要求…………………………………………………………………………7</p><p>　　PWM技術基礎………………………………………………………………… 7</p><p>　　2.1 基本原理……………………………………………………………………7</

17、p><p>　　2.2 具體過程……………………………………………………………………7</p><p>　　2.3 PWM技術的優(yōu)點……………………………………………………………8</p><p>　　2.4 PWM技術的控制方法………………………………………………………8 </p><p>　　三、PWM變頻器在點集中的運用…………………………

18、………………………13</p><p>　　3.1 直流電機PWM控制原理…………………………………………………13</p><p>　　3.2 PWM調(diào)速系統(tǒng)…………………………………………………………… 14</p><p>　　四、PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運用……………………………………………14</p><p>　　4.1 直流伺服

19、驅(qū)動（PWM速度控制）系統(tǒng)………………………………… 14</p><p>　　4.2 交流伺服驅(qū)動…………………………………………………………… 1 6</p><p>　　4.3 直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)……………………………………………………… 1 9</p><p>　　4.4 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)……………………………………………………… 2 1</p>

20、<p>　　五、結論…………………………………………………………………………… 2 2</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………… 22</p><p><b>　　一、設計要求</b></p><p>　　1.對PWM技術的基本認識

21、 </p><p>　　2.數(shù)控機床的伺服系統(tǒng) </p><p>　　3.PWM技術在電機中的運用

22、 </p><p>　　4.PWM技術在數(shù)控系統(tǒng)中的運用與分析 </p><p><b>　　二、PWM技術基礎</b></p><p>　　脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的

23、技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。</p><p><b>　　2.1 基本原理</b></p><p>　　隨著電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列

24、的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化?？梢酝ㄟ^調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達到控制充電電流的目的。 </p><p>　　模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。9V電池就是一種模擬器件，因為它的輸出電壓并不精確地等于9V，而是隨時間發(fā)生變化，并可取任何實數(shù)值。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。模擬信號與數(shù)字信號

25、的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預先確定的可能取值集合之內(nèi)，例如在{0V, 5V}這一集合中取值。 </p><p>　　模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。在簡單的模擬收音機中，音量旋鈕被連接到一個可變電阻。擰動旋鈕時，電阻值變大或變??；流經(jīng)這個電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動揚聲器的電流值，使音量相應變大或變小。與收音機一樣，模擬電路的輸出與輸入成線性比例。 </p

26、><p>　　盡管模擬控制看起來可能直觀而簡單，但它并不總是非常經(jīng)濟或可行的。其中一點就是，模擬電路容易隨時間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個問題的精密模擬電路可能非常龐大、笨重(如老式的家庭立體聲設備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴重發(fā)熱，其功耗相對于工作元件兩端電壓與電流的乘積成正比。模擬電路還可能對噪聲很敏感，任何擾動或噪聲都肯定會改變電流值的大小。 </p><p>　　通過以數(shù)字方式控制

27、模擬電路，可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。此外，許多微控制器和DSP已經(jīng)在芯片上包含了PWM控制器，這使數(shù)字控制的實現(xiàn)變得更加容易了。 </p><p><b>　　2.2 具體過程</b></p><p>　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍

28、然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。 </p><p>　　多數(shù)負載(無論是電感性負載還是電容性負載)需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為1kHz到200

29、kHz之間。 </p><p>　　許多微控制器內(nèi)部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67內(nèi)含兩個PWM控制器，每一個都可以選擇接通時間和周期。占空比是接通時間與周期之比；調(diào)制頻率為周期的倒數(shù)。執(zhí)行PWM操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： </p><p>　　1、設置提供調(diào)制方波的片上定時器/計數(shù)器的周期 </p><p&g

30、t;　　2、 在PWM控制寄存器中設置接通時間 </p><p>　　3、設置PWM輸出的方向，這個輸出是一個通用I/O管腳 </p><p><b>　　4、啟動定時器 </b></p><p>　　5、使能PWM控制器</p><p>　　2.3 PWM技術的優(yōu)點 </p><p>　　PW

31、M的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。 </p><p>　　對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾

32、除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 </p><p>　　總之，PWM既經(jīng)濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。</p><p>　　2.4 PWM技術的控制方法</p><p>　　采樣控制理論中有一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同.PWM控制技術就是以該結論為理論基礎,對半

33、導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率. </p><p>　　PWM控制的基本原理很早就已經(jīng)提出,但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約,在上世紀80年代以前一直未能實現(xiàn).直到進入上世紀80年代,隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展,PWM控制技術才

34、真正得到應用.隨著電力電子技術,微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法,如現(xiàn)代控制理論,非線性系統(tǒng)控制思想的應用,PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展.到目前為止,已出現(xiàn)了多種PWM控制技術,根據(jù)PWM控制技術的特點,到目前為止主要有以下9類方法. </p><p><b>　　1.等脈寬PWM法</b></p><p>　　VVVF(Variable Volt

35、age Variable Frequency)裝置在早期是采用PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術來實現(xiàn)的,其逆變器部分只能輸出頻率可調(diào)的方波電壓而不能調(diào)壓.等脈寬PWM法正是為了克服PAM法的這個缺點發(fā)展而來的,是PWM法中最為簡單的一種.它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波,通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓,采用適當控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.相對于PAM

36、法,該方法的優(yōu)點是簡化了電路結構,提高了輸入端的功率因數(shù),但同時也存在輸出電壓中除基波外,還包含較大的諧波分量. </p><p><b>　　2.隨機PWM</b></p><p>　　在上世紀70年代開始至上世紀80年代初,由于當時大功率晶體管主要為雙極性達林頓三極管,載波頻率一般不超過5kHz,電機繞組的電磁噪音及諧波造成的振動引起了人們的關注.為求得改善,隨機

37、PWM方法應運而生.其原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標系中,各頻率能量分布是均勻的),盡管噪音的總分貝數(shù)未變,但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱.正因為如此,即使在IGBT已被廣泛應用的今天,對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合,隨機PWM仍然有其特殊的價值;另一方面則說明了消除機械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機PWM技術正是提供了一個分析,解決這種問題的全新思路. <

38、;/p><p><b>　　3.SPWM法</b></p><p>　　SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的,目前使用較廣泛的PWM法.前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同.SPWM法就是以該結論為理論基礎,用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆變電路

39、中開關器件的通斷,使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區(qū)間內(nèi)的面積相等,通過改變調(diào)制波的頻率和幅值則可調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值.該方法的實現(xiàn)有以下幾種方案. </p><p><b>　　1）面積法</b></p><p>　　該方案實際上就是SPWM法原理的直接闡釋,用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波,然后計算各脈沖的寬度和間隔,

40、并把這些數(shù)據(jù)存于微機中,通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷,以達到預期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點,可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計算繁瑣,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大,不能實時控制的缺點. </p><p><b>　　2）硬件調(diào)制法</b></p><p>　　硬件調(diào)制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺

41、點而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號,把接受調(diào)制的信號作為載波,通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形.通常采用等腰三角波作為載波,當調(diào)制信號波為正弦波時,所得到的就是SPWM波形.其實現(xiàn)方法簡單,可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路,用比較器來確定它們的交點,在交點時刻對開關器件的通斷進行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結構復雜,難以實現(xiàn)精確的控制. </p><p>&l

42、t;b>　　3）軟件生成法</b></p><p>　　由于微機技術的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易,因此,軟件生成法也就應運而生.軟件生成法其實就是用軟件來實現(xiàn)調(diào)制的方法,其有兩種基本算法,即自然采樣法和規(guī)則采樣法. </p><p><b>　　自然采樣法</b></p><p>　　以正弦波為調(diào)制波,等腰三角

43、波為載波進行比較,在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點有任意性,脈沖中心在一個周期內(nèi)不等距,從而脈寬表達式是一個超越方程,計算繁瑣,難以實時控制. </p><p><b>　　4）規(guī)則采樣法</b></p><p>　　規(guī)則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法,一般采用三角波作為載

44、波.其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷,從而實現(xiàn)SPWM法.當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對稱的,這種方法稱為對稱規(guī)則采樣.當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時,由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬,在一個載波周期(此時為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對稱,這種方法稱為非對

45、稱規(guī)則采樣. </p><p>　　規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進,其主要優(yōu)點就是是計算簡單,便于在線實時運算,其中非對稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點是直流電壓利用率較低,線性控制范圍較小. </p><p>　　以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中. </p><p><b>　　5）低次諧波消去法</b></p>&

46、lt;p>　　低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法.其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)展開,表示為u(ωt)=ansinnωt,首先確定基波分量a1的值,再令兩個不同的an=0,就可以建立三個方程,聯(lián)立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個頻率的諧波. </p><p>　　該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波,但是,剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大,而且同樣存在計

47、算復雜的缺點.該方法同樣只適用于同步調(diào)制方式中. </p><p>　　6）梯形波與三角波比較法</p><p>　　前面所介紹的各種方法主要是以輸出波形盡量接近正弦波為目的,從而忽視了直流電壓的利用率,如SPWM法,其直流電壓利用率僅為86.6%.因此,為了提高直流電壓利用率,提出了一種新的方法--梯形波與三角波比較法.該方法是采用梯形波作為調(diào)制信號,三角波為載波,且使兩波幅值相等,以兩

48、波的交點時刻控制開關器件的通斷實現(xiàn)PWM控制. </p><p>　　由于當梯形波幅值和三角波幅值相等時,其所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值,從而可以有效地提高直流電壓利用率.但由于梯形波本身含有低次諧波,所以輸出波形中含有5次,7次等低次諧波. </p><p>　　4.線電壓控制PWM</p><p>　　前面所介紹的各種PWM控制方法用于三相逆變電路時,都

49、是對三相輸出相電壓分別進行控制的,使其輸出接近正弦波,但是,對于像三相異步電動機這樣的三相無中線對稱負載,逆變器輸出不必追求相電壓接近正弦,而可著眼于使線電壓趨于正弦.因此,提出了線電壓控制PWM,主要有以下兩種方法. </p><p>　　1）馬鞍形波與三角波比較法</p><p>　　馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入PWM方式(HIPWM),其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波

50、,調(diào)制信號便呈現(xiàn)出馬鞍形,而且幅值明顯降低,于是在調(diào)制信號的幅值不超過載波幅值的情況下,可以使基波幅值超過三角波幅值,提高了直流電壓利用率.在三相無中線系統(tǒng)中,由于三次諧波電流無通路,所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波[4]. </p><p>　　除了可以注入三次諧波以外,還可以注入其他3倍頻于正弦波信號的其他波形,這些信號都不會影響線 </p><p>　　電壓.這是因為,經(jīng)過PW

51、M調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信號的諧波,但在合成線電壓時,各相電壓中的這些諧波將互相抵消,從而使線電壓仍為正弦波. </p><p><b>　　2）單元脈寬調(diào)制法</b></p><p>　　因為,三相對稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關系,所以,某一線電壓任何時刻都等于另外兩個線電壓負值之和.現(xiàn)在把一個周期等分為6個區(qū)間,每區(qū)間

52、60°,對于某一線電壓例如Uuv,半個周期兩邊60°區(qū)間用Uuv本身表示,中間60°區(qū)間用-(Uvw+Uwu)表示,當將Uvw和Uwu作同樣處理時,就可以得到三相線電壓波形只有半周內(nèi)兩邊60°區(qū)間的兩種波形形狀,并且有正有負.把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號,載波仍用三角波,并把各區(qū)間的曲線用直線近似(實踐表明,這樣做引起的誤差不大,完全可行),就可以得到線電壓的脈沖波形,該波形是完全對稱,

53、且規(guī)律性很強,負半周是正半周相應脈沖列的反相,因此,只要半個周期兩邊60°區(qū)間的脈沖列一經(jīng)確定,線電壓的調(diào)制脈沖波形就唯一地確定了.這個脈沖并不是開關器件的驅(qū)動脈沖信號,但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式,就可以確定開關器件的驅(qū)動脈沖信號了. </p><p>　　該方法不僅能抑制較多的低次諧波,還可減小開關損耗和加寬線性控制區(qū),同時還能帶來用微機控制的方便,但該方法只適用于異步電動機,應用范圍較小.

54、</p><p><b>　　5.電流控制PWM</b></p><p>　　電流控制PWM的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號,把實際的電流波形作為反饋信號,通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷,使實際輸出隨指令信號的改變而改變.其實現(xiàn)方案主要有以下3種. </p><p><b>　　1）滯環(huán)比較法</b>

55、;</p><p>　　這是一種帶反饋的PWM控制方式,即每相電流反饋回來與電流給定值經(jīng)滯環(huán)比較器,得出相應橋臂開關器件的開關狀態(tài),使得實際電流跟蹤給定電流的變化.該方法的優(yōu)點是電路簡單,動態(tài)性能好,輸出電壓不含特定頻率的諧波分量.其缺點是開關頻率不固定造成較為嚴重的噪音,和其他方法相比,在同一開關頻率下輸出電流中所含的諧波較多. </p><p><b>　　2）三角波比較法&

56、lt;/b></p><p>　　該方法與SPWM法中的三角波比較方式不同,這里是把指令電流與實際輸出電流進行比較,求出偏差電流,通過放大器放大后再和三角波進行比較,產(chǎn)生PWM波.此時開關頻率一定,因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點.但是,這種方式電流響應不如滯環(huán)比較法快. </p><p><b>　　3）預測電流控制法</b></p><

57、;p>　　預測電流控制是在每個調(diào)節(jié)周期開始時,根據(jù)實際電流誤差,負載參數(shù)及其它負載變量,來預測電流誤差矢量趨勢,因此,下一個調(diào)節(jié)周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預測的誤差.該方法的優(yōu)點是,若給調(diào)節(jié)器除誤差外更多的信息,則可獲得比較快速,準確的響應.目前,這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準確性. </p><p>　　6.空間電壓矢量控制PWM</p><p>　　

58、空間電壓矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法.它以三相波形整體生成效果為前提,以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的,用逆變器不同的開關模式所產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準圓磁通,由它們的比較結果決定逆變器的開關,形成PWM波形.此法從電動機的角度出發(fā),把逆變器和電機看作一個整體,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制,使電機獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通). </p><p>　　具體方法又分為磁通開環(huán)式

59、和磁通閉環(huán)式.磁通開環(huán)法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量,若采樣時間足夠小,可合成任意電壓矢量.此法輸出電壓比正弦波調(diào)制時提高15%,諧波電流有效值之和接近最小.磁通閉環(huán)式引 </p><p>　　入磁通反饋,控制磁通的大小和變化的速度.在比較估算磁通和給定磁通后,根據(jù)誤差決定產(chǎn)生下一個電壓矢量,形成PWM波形.這種方法克服了磁通開環(huán)法的不足,解決了電機低速時,定子電阻影響大的問題,減小了電機的脈

60、動和噪音.但由于未引入轉矩的調(diào)節(jié),系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善. </p><p><b>　　矢量控制PWM</b></p><p>　　矢量控制也稱磁場定向控制,其原理是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia,Ib及Ic,通過三相/二相變換,等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1及Ib1,再通過按轉子磁場定向旋轉變換,等效成同步旋轉坐標系下的直流電流Im1及It

61、1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流;It1相當于與轉矩成正比的電樞電流),然后模仿對直流電動機的控制方法,實現(xiàn)對交流電動機的控制.其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機,分別對速度,磁場兩個分量進行獨立控制.通過控制轉子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量,經(jīng)坐標變換,實現(xiàn)正交或解耦控制. </p><p>　　但是,由于轉子磁鏈難以準確觀測,以及矢量變換的復雜性,使得實際控制效果往往難以達到理論分析的

62、效果,這是矢量控制技術在實踐上的不足.此外.它必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制,在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉子位置或速度傳感器,這顯然給許多應用場合帶來不便. </p><p>　　7.直接轉矩控制PWM</p><p>　　1985年德國魯爾大學Depenbrock教授首先提出直接轉矩控制理論(Direct Torque Control簡稱DTC).直

63、接轉矩控制與矢量控制不同,它不是通過控制電流,磁鏈等量來間接控制轉矩,而是把轉矩直接作為被控量來控制,它也不需要解耦電機模型,而是在靜止的坐標系中計算電機磁通和轉矩的實際值,然后,經(jīng)磁鏈和轉矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制,從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足,能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化,有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制精度,并以新穎的控制思想,簡潔明了的系統(tǒng)結構,優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到

64、了迅速發(fā)展. </p><p>　　但直接轉矩控制也存在缺點,如逆變器開關頻率的提高有限制. </p><p>　　8.非線性控制PWM</p><p>　　單周控制法[7]又稱積分復位控制(Integration Reset Control,簡稱IRC),是一種新型非線性控制技術,其基本思想是控制開關占空比,在每個周期使開關變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比

65、例.該技術同時具有調(diào)制和控制的雙重性,通過復位開關,積分器,觸發(fā)電路,比較器達到跟蹤指令信號的目的.單周控制器由控制器,比較器,積分器及時鐘組成,其中控制器可以是RS觸發(fā)器,其控制原理如圖1所示.圖中K可以是任何物理開關,也可是其它可轉化為開關變量形式的抽象信號. </p><p>　　單周控制在控制電路中不需要誤差綜合,它能在一個周期內(nèi)自動消除穩(wěn)態(tài),瞬態(tài)誤差,使前一周期的誤差不會帶到下一周期.雖然硬件電路較復雜

66、,但其克服了傳統(tǒng)的PWM控制方法的不足,適用于各種脈寬調(diào)制軟開關逆變器,具有反應快,開關頻率恒定,魯棒性強等優(yōu)點,此外,單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應,減小畸變和抑制電源干擾,是一種很有前途的控制方法. </p><p>　　9.諧振軟開關PWM</p><p>　　傳統(tǒng)的PWM逆變電路中,電力電子開關器件硬開關的工作方式,大的開關電壓電流應力以及高的du/dt和di/dt限制了開關器件工作頻率

67、的提高,而高頻化是電力電子主要發(fā)展趨勢之一,它能使變換器體積減小,重量減輕,成本下降,性能提高,特別當開關頻率在18kHz以上時,噪聲將已超過人類聽覺范圍,使無噪聲傳動系統(tǒng)成為可能. </p><p>　　諧振軟開關PWM的基本思想是在常規(guī)PWM變換器拓撲的基礎上,附加一個諧振網(wǎng)絡,諧振網(wǎng)絡一般由諧振電感,諧振電容和功率開關組成.開關轉換時,諧振網(wǎng)絡工作使電力電子器件在開關點上實現(xiàn)軟開關過程,諧振過程極短,基本不

68、影響PWM技術的實現(xiàn).從而既保持了PWM技術的特點,又實現(xiàn)了軟開關技術.但由于諧振網(wǎng)絡在電路中的存在必然會產(chǎn)生諧振損耗,并使電路受固有問題的影響,從而限制了該方法的應用。 </p><p>　　三、PWM變頻器在電機中的應用</p><p>　　隨著半導體技術的進步，電力電子技術飛速發(fā)展，使直流電機的傳動技術得到改進，以往普遍采用的三種基本調(diào)速方法，即：（1）改變電樞回路總電阻；（2）改變

69、電樞的供電電壓；（3）改變勵磁磁通，發(fā)展為晶閘管相控整流直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)， 以及全波不控整流—PWM 斬波直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。近年來，電氣傳動的 PWM 控制技術已成為電氣傳動等自動控制技術的熱點之一。</p><p>　　3.1 直流電機 PWM 控制原理</p><p>　　直流斬波的功能是將某一直流電變?yōu)榱硪恍枰墓潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。 直流斬波電路采用的脈寬調(diào)制 （P

70、ulse Width Modulation-PWM）控制技術，實際上就把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。</p><p>　　直流斬波電路用 PWM 斬波器實現(xiàn)。 以下簡述一下 PWM 斬波器的工作原理。</p><p>　　PWM 斬波器工作原理電路及其輸出波形如圖 3-1 所示。</p><p>　　圖3-1 PWM 斬波器工作

71、原理電路及其輸出波形</p><p>　　假設 V1 先導通 T1 秒， 然后又關斷 T2 秒，如此反復進行，可得到圖 1b 的波形圖。 則電機電樞端的平均電壓 Ua 為（1）式。</p><p>　　Ua= T1 Ud （1）T設 墜= T1 ,墜 定義為占空比。設定輸入電壓 U不變，墜 越大， 電機電樞端的平均電壓 Ua 越大，反之也成立。 因此改變 墜 值就可以達到調(diào)壓的目的。

72、</p><p>　　改變 墜 有三種方法：第一種就是保持開關管導通時間 T1 不變，使其關斷時間 T2 在 0 到 ∞ 之間變化，這叫定寬調(diào)頻；第二種就是使開關管關斷時間 T2 不變，使其導通時間 T1 在 0 到 ∞ 之間變化，這叫調(diào)寬調(diào)頻；第三種就是保持開關管導通和截止的總時間（也就是周期）T 一定，使管子導通時間 T1 在 0 到 T 間變化，這叫定頻調(diào)寬。</p><p>　　3

73、.2 PWM 調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　在數(shù)控機床的直流電機伺服系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)主要通過改變電樞電壓的大小來實現(xiàn)。 它采用脈沖寬度調(diào)制技術，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機電樞上電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機的轉速。</p><p>　　常見的 PWM 驅(qū)動系統(tǒng)的主電路 （功率放大器）結構有：H 型和 T 型。下面以 H 型結構為例說明

74、PWM 雙極式驅(qū)動的電路工作原理， 如圖 3-2 所示。</p><p>　　在圖 3-2a 中 VD1、VD2、VD3、VD4 為續(xù)流二極管， 用 來 保 護 VT1、VT2、VT3、VT4 三 極 管 ，Ub1=Ub4=-Ub2=-Ub3。當 Ub1=Ub4 為正時，VT1 和 VT4 導通，VT2 和VT3 不能立即導通， 因為電機的反電勢使 AB 存在續(xù)流，續(xù)流流經(jīng) VD3 和 VD2，保護了四個三極管

75、， 若續(xù)流在這個過程沒有得到很大衰減 ，而Ub1=Ub4 為正的階段已經(jīng)來臨， 則 VT2 和 VT3 一直不能導通； 若續(xù)流在這個過程中得到很大衰減，則 VT2 和 VT3 導通，UAB 的電壓=-US。</p><p>　　顯然，Ub1=Ub4 為正的時間和 Ub2=Ub3 為正的時間相同時，UAB 的平均電壓為 0，電機動態(tài)靜止(如圖3-2b 所示)； 當 Ub1=Ub4 為正的時間長于 Ub2=Ub3 為

76、正的時間時，UAB 的平均電壓＞0，電機正轉，UAB 的值越大，轉速越高；當 Ub1=Ub4 為正的時間短于 Ub2=Ub3 為正的時間時，UAB 的平均電壓＜0，電機反轉，UAB 的值越小，轉速越高。</p><p>　　可見，只要控制 Ub1、Ub2、Ub3、Ub4 的脈沖寬度，就可控制電機的轉向和速度，且可以達到動態(tài)靜止，有利于正反轉死區(qū)電壓的消除。</p><p>　　四、PWM變

77、頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運用</p><p>　　4.1 直流伺服驅(qū)動（PWM速度控制系統(tǒng)）</p><p>　　PWM速度控制系統(tǒng)是通過脈寬調(diào)制器對大功率晶體管的開關時間進行控制，將直流電壓轉換成某種頻率的方波電壓，并通過對脈沖寬度的控制，改變輸出直流平均電壓的自動調(diào)速系統(tǒng)。 </p><p>　　以脈沖編碼器作為檢測器件的常見PWM 直流伺服系統(tǒng)的框圖如圖4-1所示

78、。其工作過程如下：</p><p>　　圖4-1PWM直流伺服系統(tǒng)原理圖</p><p>　　數(shù)控裝置CPU發(fā)出的指令信號，經(jīng)過數(shù)值積分器DDA（即為插補器）轉換后，輸出一系列的均勻脈沖。為了使實際機床位置分辨率與指令脈沖相對應，系統(tǒng)中通常都需要通過指令倍乘器CRM.，對指令脈沖進行信頻 / 分頻變換。指令脈沖與位置反饋脈沖比較的差值，送到誤差寄存器ER;誤差寄存器的輸出與位置增益（G）、

79、偏移值補償（D）運算合成后，送到脈寬調(diào)制器（PWM）進行脈寬調(diào)制。被調(diào)制的脈沖經(jīng)過 D/A 變換器轉換成模擬電壓，作為速度控制單元（W）的指令電壓VCMD 輸出。</p><p>　　電動機旋轉后，脈沖編碼器（PC）發(fā)出的脈沖，經(jīng)斷線檢查器（BL）確認無信號斷線之后，送到鑒相器（DG），進行電動機的旋轉方向的識別。鑒相器的輸出分M路，一路經(jīng) , F/V變換器，將反饋脈沖變換成測速電壓（TSA），送速度控制單元，并

80、與VCMD指令進行比較，從而實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。另一路輸出到檢測倍乘器DMR，經(jīng)倍乘后送到比較器作為位置環(huán)的位置反饋輸入。</p><p>　　通過設置不同的CRM與DRM 值，可以將指令脈沖的移動量和實際機床的每脈沖移動量相一致，從而使控制系統(tǒng)能適合于各種場合。</p><p>　　速度控制單元V的框圖與原理如圖 4-2 所示。</p><p>　　圖4-2PWM

81、速度控制單元原理框圖</p><p>　　由圖4-2可見，指令電壓VCMD與測速反饋信號TSA經(jīng)過比較、放大后，輸出誤差信號“T—K（VCMD－TSA）”和“－ER=－K（VCMD－TSA）”。誤差信號ER送到A相和B相調(diào)制器，并與三角波發(fā)生器產(chǎn)出的三角波進行邏輯運算后，經(jīng)脈寬調(diào)制、驅(qū)動放大之后輸出TRA和TRB信號，控制晶體管VTA和VTB的基極；－ER信號與H角波進行邏輯運算后，經(jīng)脈寬調(diào)制、驅(qū)動放大之后輸出T

82、RC和TRD信號，控制晶體管VTC和VTD的基極。</p><p>　　電動機正轉時，圖4-2中各信號的波形如圖4-3 所示。此時，電動機電樞回路工作可以分以下4步：</p><p>　　1）VTB和VTC晶體管導通。這時電流方向從直流電源的“+”端，經(jīng)過VTC、電動機M、VTB回到電源的“”－端。</p><p>　　2）VTC和VTA 晶體管導通。此時電樞電感釋

83、放能量，電流從電樞M經(jīng)二極管VDa、晶體管VTc構成回路。</p><p>　　3）VTB和VTC 晶體管導通。此過程同第一步。</p><p>　　4）VTB和VTD晶體管導通。此時電流方向從電動機M經(jīng)VTB、續(xù)流M極管VDd構成回路。</p><p>　　主回路按上述順序循環(huán)工作，從而形成對電動機的連續(xù)供電，使電動機正向旋轉。波形圖中的△t在是工作死區(qū)，該值一定

84、要大于晶體管的關斷時間，以確保晶體管不會出現(xiàn)VTA 和VTB、VTC和VTD同時導通的情況，以避免電源短路。</p><p>　　圖4-3中，虛線是表示當ER值（－ER 值）較小時的情況。在這種情況下，給電動機電樞供電的晶體管導通時間變短，電樞兩端的電壓脈寬變窄，平均電壓較低，從而使直流電動機的轉速降低，以上就是PWM速度控制系統(tǒng)的工作原理。</p><p>　　圖4-3脈寬調(diào)制各點波形圖

85、</p><p>　　4.2 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　交流伺服電動機亦稱為無刷直流伺服電動機，它與直流電動機相比，由于無換向器，故克服了以上缺點，從而提高了機床的可靠性、快速性和整體性能。近年來，隨著新型大功率電力電子器件的出現(xiàn)，新型變頻技術，現(xiàn)代控制理論以及數(shù)字控制技術等技術的發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)也取得了快速發(fā)展，在中小功率的伺服驅(qū)動系統(tǒng)上，有全面取代直流伺服驅(qū)動的趨勢。&

86、lt;/p><p>　　交流伺服電動機一般都是永磁式的三相同步電動機。根據(jù)不同的規(guī)格與要求，永磁材料可分別采用鐵氧體、鋁鎳鈷和稀土材料等，電動機一般采用全封閉結構。它具有以下特點：</p><p>　　1)采用特殊的轉子結構，其氣隙磁密通常按正弦分布，實現(xiàn)了最小的轉矩波動。</p><p>　　2)定子通常采用無外殼的結構，改善了電動機的冷卻效果、減小了體積和重量，提高

87、了加 /減速能力。</p><p>　　3)通過采用無刷和全封閉的結構形式，使得電動機不需維修，即使在惡劣的使用環(huán)境下仍有很長的壽命。</p><p>　　在控制上，現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)一般都采用磁場矢量控制方式，它使交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能完全達到了直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能，這樣的交流伺服系統(tǒng)具有下述特點：</p><p>　　1)系統(tǒng)在極低速度時仍能平滑地運轉，而且具有

88、很快的響應速度。</p><p>　　2)在高速區(qū)仍然具有較好的轉矩特性，即：電動機的輸出特性“硬度”好。</p><p>　　3)可以將電動機的噪聲和振動抑制到最低的限度。</p><p>　　4)具有很高的轉矩/慣量比，可實現(xiàn)系統(tǒng)的快速起動和制動。</p><p>　　5)通過采用高精度的脈沖編碼器作為反饋器件，采用數(shù)字控制技術，可大大

89、提高系統(tǒng)的位置控制精度。</p><p>　　6)驅(qū)動單元一般都采用大規(guī)模的專用集成電路，系統(tǒng)的結構緊湊、體積小、可靠性高。</p><p>　　正因為如此，在數(shù)控機床上，交流伺服系統(tǒng)全面取代直流伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為技術發(fā)展的必然趨勢。</p><p>　　1. 模擬式交流伺服控制系統(tǒng)</p><p>　　交流伺服系統(tǒng)按其指令信號與內(nèi)部的控制形式

90、，可以分為模擬式伺服與數(shù)字式伺服兩類。初期的交流伺服系統(tǒng)一般是模擬式伺服系統(tǒng)，而目前使用的交流伺服通常都是全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)。</p><p>　　典型的交流模擬伺服系統(tǒng)原理如圖4-4所示。系統(tǒng)的工作過程簡述如下：</p><p>　　圖4-4 交流模擬伺服系統(tǒng)原理圖</p><p>　　速度給定指令VCMD來自數(shù)控系統(tǒng)；來自檢測元件（通常為脈沖編碼器）的信號經(jīng)F

91、/V變換后作為系統(tǒng)的速度反饋信號TSA；它們經(jīng)比較、放大后輸出速度誤差信號。速度誤差信號再經(jīng)調(diào)節(jié)器放大，作為轉矩指令輸出。電流指令又與電流反饋信號相比較后，產(chǎn)生電流誤差信號，電流誤差信號經(jīng)放大，輸出到PWM控制回路，進行脈寬調(diào)制控制。脈寬調(diào)制信號通過功率晶體管與電源回路的逆變，形成三相交流電，控制交流伺服電動機的電樞。</p><p>　　圖4-5中的虛線框，在實際系統(tǒng)中，通常為集成一體的專用大規(guī)模集成電路。在F

92、ANUC 常見的交流伺服驅(qū)動中，其中一片型號為AF20，它包括兩個乘法器和一個轉子位置計算回路；另一片型號為MB63137，它包括PWM控制回路和脈沖編碼器的接收回路。圖4-5為交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖。</p><p>　　圖4-5 交流模擬伺服系統(tǒng)的簡化框圖</p><p>　　2.數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)</p><p>　　數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)是隨著交流伺服控制技

93、術、計算機技術的發(fā)展而產(chǎn)生的新穎交流伺服系統(tǒng)，它所用的元器件更少，通常只要一片專用大規(guī)模集成電路，如FANUC 公司通常采用的是MB651105, 專用大規(guī)模集成電路，這種結構具有以下特點：</p><p>　　1）通過總線與調(diào)度，驅(qū)動系統(tǒng)的CPU和信號處理器可以共用RAM。</p><p>　　2）具有A/D 變換控制功能，可將模擬量轉換為數(shù)字量。</p><p>

94、;　　3）系統(tǒng)同時具有電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制的功能，以適應不同的控制要求。</p><p>　　4）驅(qū)動系統(tǒng)CPU可與主CPU之間進行通信，容易采用總線控制方式。</p><p>　　5）可以方便地產(chǎn)生PWM信號，控制電動機調(diào)速。</p><p>　　6）可以進行位置檢測信號（如：脈沖編碼器信號）處理。</p><p>　　此外，在數(shù)字式

95、伺服系統(tǒng)中，還可以采用絕對脈沖編碼器作為位置檢測器件，在數(shù)控系統(tǒng)停電后，仍能記憶機床的實際位置；因此，機床開機時可以不進行手動“回參考點”操作。</p><p>　　數(shù)字式伺服系統(tǒng)的框圖如圖4-6所示。通過比較圖4-6與圖4-6可以看出，與模擬式交流伺服系統(tǒng)相比，數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)具有下述明顯的優(yōu)點：</p><p>　　1）系統(tǒng)精度不受電子器件的溫度漂移影響；系統(tǒng)不需要采用自動漂移補償電

96、路，結構簡單，精度高.</p><p>　　2）系統(tǒng)控制精度高，定位精度可達到0.1以上。</p><p>　　3）系統(tǒng)所用的元器件少，可靠性高。</p><p>　　4）功能上可擴充性好，如可以對系統(tǒng)的非線性、干擾轉矩等進行補償，提高系統(tǒng)的精度。</p><p>　　5）維修方便，系統(tǒng)的診斷、監(jiān)視功能比模擬伺服更強。</p>

97、<p>　　6）對位置、速度、轉矩、電流等信息進行了集中管理、控制，可以避免機械共振。</p><p>　　7）系統(tǒng)的參數(shù)的設定與調(diào)節(jié)可以通過數(shù)字量進行，較模擬式伺服的電位器調(diào)節(jié)更加準確，更簡單、容易。</p><p>　　圖4-6 數(shù)字伺服系統(tǒng)的簡化框圖</p><p>　　4.3直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　從原理上說，

98、直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)與通常的直流調(diào)速系統(tǒng)無本質(zhì)的區(qū)別，但因為數(shù)控機床高速、高效、高精度的要求，決定了直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)具有以下特點：</p><p>　　1）調(diào)速范圍寬。采用直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)控機床通常只設置高、低兩級速度的機械變速機構，電動機的轉速由主軸驅(qū)動器控制，實現(xiàn)無級變速，因此，它必須具有較寬的調(diào)速范圍。</p><p>　　2）直流主軸電動機通常采用全封閉的結構形式，可以在有塵埃和切

99、削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。</p><p>　　3）主軸電動機通常采用特殊的熱管冷卻系統(tǒng)，能將轉子產(chǎn)生的熱量迅速向外界發(fā)散。此外，為了使電動機發(fā)熱最小，定子往往采用獨特附加磁極，以減小損耗，提高效率。</p><p>　　4）直流主軸驅(qū)動器主回路一般采用晶閘管三相全波整流，以實現(xiàn)四象限的運行。</p><p>　　5）主軸控制性能好。為了便于與數(shù)控系統(tǒng)的配合，主軸伺

100、服器一般都帶有D/A轉換器、使能”信號輸入、準備好”輸出、速度/轉矩顯示輸出等信號接口。</p><p>　　6）純電氣主軸定向準停控制功能。由于換刀、精密?？?、螺紋加工等需要，數(shù)控機床的主軸應具有定向準?？刂乒δ?，而且應由電氣控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)，以進一步縮短定位時間，提高機床效率。</p><p>　　數(shù)控機床常用的直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的原理框圖如圖4-7所示。</p><

101、p>　　由圖可見，主軸驅(qū)動系統(tǒng)類似于直流進給伺服系統(tǒng)，它也是由速度環(huán)和電流環(huán)構成的雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，通過控制直流主軸電動機的電樞電壓實現(xiàn)變速?？刂葡到y(tǒng)的主回路一般采用晶閘管反并聯(lián)可逆整流電路。系統(tǒng)的工作原理可參閱直流進給伺服系統(tǒng)部分，在此不再贅述。</p><p>　　圖4-7 直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖4-7 的上半部分為勵磁控制回路，由于主軸電動機功率通常較大

102、，且要求恒功率調(diào)速范圍盡可能大，因此，一般采用他勵電動機，勵磁繞組與電樞繞組相互獨立，并由單獨的可調(diào)直流電源供電。</p><p>　　圖中，磁控制回路的電流給定、電樞電壓反饋、勵磁電流反饋三組信號經(jīng)比較之后輸入至比例一積分調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過電壓/相位轉換器，控制晶閘管觸發(fā)脈沖的相位，調(diào)節(jié)勵磁繞組的電流大小，實現(xiàn)電動機的恒功率弱磁調(diào)速。主軸定向準?？刂频淖饔檬菍⒅鬏S準確停在某一固定的角度上，以進行換刀等動作

103、。主軸定向準停的位置檢測，可以利用裝在主軸上的位置編碼器或磁性傳感器進行，通過位置閉環(huán)，使主軸準確定位在規(guī)定的位置上。</p><p>　　圖4-8為主軸定向準?？刂剖疽鈭D，當采用位置編碼器作為位置檢測器件時，為了控制主軸位置，主軸與編碼器之間必須是 1：1傳動或?qū)⒕幋a器直接安裝在主軸軸端。</p><p>　　當采用磁性傳感器作為位置檢測器件時，磁性器件應直接安裝在主軸上，而磁性傳感頭則

104、應固定在主軸箱體上。</p><p>　　采用編碼器的方式與使用磁性傳感器的方式相比，具有定位點在0-360°范圍內(nèi)靈活可調(diào)，定位精度高，定位速度快等優(yōu)點，而且還可以作為主軸同步進給的位置檢測器件，因此其使用較廣。</p><p>　　圖4-8 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　4.4 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)</p><p>　　與交

105、流伺服驅(qū)動一樣，交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)也有模擬和數(shù)字式兩種型式，交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)與直流主軸驅(qū)動系統(tǒng)相比，具有如下特點：</p><p>　　1）由于驅(qū)動系統(tǒng)必須采用微處理器和現(xiàn)代控制理論進行控制，因此其運行平穩(wěn)、振動和噪聲小。</p><p>　　2）驅(qū)動系統(tǒng)一般都具有再生制動功能，在制動時既可將電動機能量反饋回電網(wǎng)，起到節(jié)能的效果，又可以加快起制動速度。</p><p>

106、;　　3）特別是對于全數(shù)字式主軸驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動器可直接使用CNC的數(shù)字量輸出信號進行控制，不要經(jīng)過D/A轉換，轉速控制精度得到了提高。</p><p>　　4）與數(shù)字式交流伺服驅(qū)動一樣，在數(shù)字式主軸驅(qū)動系統(tǒng)中，還可采用參數(shù)設定方法對系統(tǒng)進行靜態(tài)調(diào)整與動態(tài)優(yōu)化，系統(tǒng)設定靈活、調(diào)整準確。</p><p>　　5）由于交流主軸電動機無換向器，主軸電動機通常不需要進行維修。</p>

107、<p>　　6）主軸電動機轉速的提高不受換向器的限制，最高轉速通常比直流主軸電動機更高，可達到數(shù)萬轉。</p><p>　　交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)的原理如圖4-9 所示。其工作過程如下：</p><p>　　圖4-9 交流主軸伺服系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　由CNC來的轉速給定指令1在比較器中與測速反饋信號2比較后產(chǎn)生轉速誤差信號，這一轉速誤差經(jīng)比例積分調(diào)

108、節(jié)器3放大后，作為轉矩給定指令電壓輸出。轉矩給定指令經(jīng)絕對值回路4將轉矩給定指令電壓轉化為單極性信號。然后經(jīng)函數(shù)發(fā)生器6、V/F轉換器 7，轉換為轉矩給定脈沖信號。</p><p>　　轉矩給定脈沖信號在微處理器 8中與四倍頻回路17輸出的速度反饋脈沖進行運算。同時，預先存儲在微處理器ROM中的信息給出幅值和相位信號，分別送到DA振幅器10和DA強勵磁9。</p><p>　　DA振幅器用

109、于產(chǎn)生與轉矩指令相對應的電動機定子電流的幅值，而DA勵磁強化回路用于控制增加定子電流的幅值。兩者輸出經(jīng)乘法器11處理后，形成定子電流的幅值給定。</p><p>　　另一方面，從微處理器輸出的U、V相位信號分別送到U相和V相的電流指令回路12并在電流指令回路中與幅值給定相乘后產(chǎn)生U相和V相的電流給定指令。</p><p>　　電流給定指令與電流反饋信號比較之后的誤差，經(jīng)放大送到PWM控制回