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行業(yè)資訊

直流伺服電機(交流伺服電機及其調(diào)速系統(tǒng))

發(fā)布時間:2021-03-12 18:00

DC伺服電機廣泛用于CNC進給伺服系統(tǒng)中,其速度控制和轉(zhuǎn)矩特性良好,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,制造成本高,體積大,電動機的電刷容易磨損,換向器具有直流伺服電機的容量和使用機會會產(chǎn)生極限火花。交流伺服電機沒有電刷和換向器等結(jié)構(gòu)缺陷,新型電源開關(guān)設(shè)備,專用集成電路,計算機技術(shù)和控制算法的發(fā)展促進了交流驅(qū)動電路的發(fā)展,使其成為交流伺服系統(tǒng)。更有效的驅(qū)動調(diào)速功能可以更好地滿足CNC機床進給伺服系統(tǒng)的要求?,F(xiàn)代的數(shù)控機床傾向于使用交流伺服驅(qū)動器,交流伺服驅(qū)動器有可能取代直流伺服驅(qū)動器。

1.交流伺服電機的結(jié)構(gòu)

交流電動機分為交流感應(yīng)電動機和交流同步電動機。交流感應(yīng)電動機具有結(jié)構(gòu)簡單,容量大,價格低廉等優(yōu)點,通常用作主運動的驅(qū)動電動機。

永磁同步交流伺服電動機用作進給運動的驅(qū)動電動機,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。電動機由定子,轉(zhuǎn)子和傳感元件組成。定子由多孔板組成,其形狀為無底的多邊形,有利于散熱。定子槽中內(nèi)置有一定數(shù)量的極對的三相繞組。轉(zhuǎn)子上還堆疊有沖孔板,安裝了永磁體,并且極對的數(shù)量與定子的數(shù)量相同。永磁體包括Al-Ni-Co合金,鐵號合金和釹鐵硼合金,即稀土永磁體合金。稀土永磁合金具有最佳性能。傳感元件通常使用脈沖編碼器,旋轉(zhuǎn)變壓器和taco發(fā)生器也可以用于檢測電動機的角位置,位移和轉(zhuǎn)速,以提供永久的位置信息,位置反饋和速度反饋。磁鐵交流同步電動機轉(zhuǎn)子的數(shù)量。

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圖1永磁同步交流伺服電機的結(jié)構(gòu)示意圖

2.交流伺服電機的變頻調(diào)速

交流電動機的速度n與交流電源的頻率f,電動機的極對數(shù)p和速度滑移速度s之間的關(guān)系如下。

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對于異步電動機,s≠0,對于同步電動機,s=0在公式(1)中,如果更改電源頻率f,則可以看到電動機的轉(zhuǎn)速n與f成正比變化。電動機定子繞組的反電動勢如下。

E=4.44fWkwΦ

如果省略了定子阻抗電壓降,則定子相電壓

U≈E=4.44fWkwΦ

<p>上述式表示kw為常數(shù),如果相電壓U不變,則氣隙磁通Φ隨著頻率f的增加而減少。

在扭矩公式中

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可以看出,當Φ的值減小時,電動機轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流I2也減小,這不可避免地減小了電動機的容許輸出轉(zhuǎn)矩M。同樣,如果相電壓U不變,則隨著f的減小,氣隙磁通Φ增大,磁路飽和,勵磁電流增大,鐵損急劇增大和減小。功率因數(shù)。因此,在改變頻率f進行調(diào)速時,需要同時改變定子的相電壓U,以使Φ的值接近相同,從而使M也接近??梢钥闯?,交流伺服電機變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是要獲得用于調(diào)頻和調(diào)壓的交流電源。

FM和電壓電源有幾種類型。通常將其實現(xiàn)為AC-DC-AC轉(zhuǎn)換電路,并且該電路的主要組件是三相電流逆變器。圖2顯示了使用最廣泛的電壓型功率晶體管(GTR)三相逆變器的主電路原理圖。通過AC-DC轉(zhuǎn)換二極管整流器電路獲得恒定的DC電壓Ud。功率晶體管開關(guān)元件T1,T4,T3,T6,T5,T2構(gòu)成三相脈寬調(diào)制逆變器,電容器C將逆變器的輸入保持為直流電壓Ud為恒定值,因此將該電路稱為電壓型逆變器。

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圖2(a)電壓型功率晶體管(GTR)三相逆變器主電路電路圖081913pzrnp04n3c703ptl.gif081913rn0vo0i5injnnort.gif

圖2(b)電壓型功率晶體管三相逆變器主電路波形圖

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逆變器開關(guān)元件T1,T2,T3由三角波1和正弦波2控制,并根據(jù)速度控制的要求產(chǎn)生特定的頻率和電壓幅度。等于恒定幅度的幅度產(chǎn)生如下:比較波形1和2。等距離和等距寬度的矩形脈沖3用作控制信號的開和關(guān)。因此,在逆變器的輸出端,得到與控制波形3相同的一組三個方波脈沖,該波形與驅(qū)動電動機時的三相正弦電壓4相同。

在上面的討論中,調(diào)節(jié)逆變器變頻電壓的關(guān)鍵是逆變器控制端子獲得所需的控制波形3。作為控制波形的實現(xiàn)方法(即電動機速度調(diào)節(jié)的控制方法),廣泛使用的方法是矢量轉(zhuǎn)換控制。

圖3是交流伺服速度控制系統(tǒng)的示意圖的示例,該系統(tǒng)由兩部分組成:功率轉(zhuǎn)換器和控制平臺。電源轉(zhuǎn)換器由整流器和逆變器組成,整流器的功能是將輸入的三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電,如圖3的左上角所示。逆變器根據(jù)控制信號的要求將直流電轉(zhuǎn)換為直流電。所需的三相交流電,現(xiàn)在的高性能逆變器通常使用具有更高開關(guān)頻率的新型IPM電源模塊,如圖3右上方所示。

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圖3“交流伺服速度控制系統(tǒng)示例

控制器平臺的硬件采用DSP + FPGA方法,如圖3底部所示。其中,F(xiàn)PGA(現(xiàn)場可編程門陣列)設(shè)備和DSP(數(shù)字信號處理器)的主要功能是使用軟件對所有控制任務(wù)進行調(diào)度,輸入和輸出信號處理,逆變器控制信號生成以及其他控制功能等。單片機AT89C52實現(xiàn)了顯示屏數(shù)碼管,鍵盤(用于調(diào)試和參數(shù)設(shè)置)和串口的管理。由于篇幅所限,此處不詳細介紹每個模塊的詳細角色。

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