畢業(yè)設(shè)計(jì)--pwm變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用與分析

1、<p>　　畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　課題名稱 PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用與分析 </p><p>　　專業(yè) </p><p>　　班級(jí) </p><p>　　學(xué)號(hào)

2、 </p><p>　　姓名 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用與分析

3、 </p><p>　　專業(yè)： 姓名： </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作起止時(shí)間： </p><

4、;p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容要求： </p><p>　　1.對(duì)PWM技術(shù)的基本認(rèn)識(shí) </p><p>　　2.數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

5、 </p><p>　　3.PWM技術(shù)在電機(jī)中的運(yùn)用 </p><p>　　4.PWM技術(shù)在伺服系統(tǒng)中的運(yùn)用與分析

6、 </p><p>　　指導(dǎo)教師（簽名）： 系主任： </p><p>　　年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告</b></p><p>　　一、課

7、題設(shè)計(jì)（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(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)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(shù)才真正得到應(yīng)用。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)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(yīng)用,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。PWM技術(shù)的無級(jí)調(diào)速，軟啟動(dòng)，恒轉(zhuǎn)矩輸出極大的滿足了機(jī)械加工設(shè)備對(duì)恒速度，恒轉(zhuǎn)矩的要求。數(shù)控機(jī)床無級(jí)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(jī)。通過傳動(dòng)帶帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過傳動(dòng)帶和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。研究PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的

9、運(yùn)用，具有十分重要的意義。</p><p>　　二、課題設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)</p><p>　　4.       系統(tǒng)模塊的分析</p><p>　　5.       報(bào)告小結(jié)</p><p>　　6.    

11、0;  參考資料</p><p>　　三、課題設(shè)計(jì)（論文）思路、方法及進(jìn)度安排</p><p>　　按照自頂向下，由總提到部分的設(shè)計(jì)原則，首先針對(duì)所設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，根據(jù)所掌握的知識(shí)和資料，從全局出發(fā)，明確</p><p>　　第一至二周：PWM技術(shù)和伺服系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)</p><p>　　第三至四周：PWM技術(shù)在電機(jī)中的運(yùn)用</p

12、><p>　　第五周： PWM技術(shù)在伺服系統(tǒng)中的運(yùn)用與分析</p><p><b>　　第六周：答辯</b></p><p>　　四、課題設(shè)計(jì)（論文）參考文獻(xiàn)；</p><p>　　孫立志 編 PWM與數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)運(yùn)用 中國電力出版社 2008</p><p>　　張祟巍 編 PWM技

13、術(shù)及其運(yùn)用 機(jī)械工業(yè)出版社 2003</p><p>　　夏伯雄 編 數(shù)控技術(shù) 水利水電出版社 2010</p><p>　　4 顏嘉男 編 伺服電機(jī)運(yùn)用技術(shù) 科學(xué)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(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì)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(shù)才真正得到應(yīng)用。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)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(yīng)用,PWM控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。PWM技術(shù)的無級(jí)調(diào)速，軟啟動(dòng)，恒轉(zhuǎn)矩輸出極

15、大的滿足了機(jī)械加工設(shè)備對(duì)恒速度，恒轉(zhuǎn)矩的要求。數(shù)控機(jī)床無級(jí)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(jī)。通過傳動(dòng)帶帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，或通過傳動(dòng)帶和主軸箱內(nèi)的減速齒輪(以獲得更大的轉(zhuǎn)矩)帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。由于主軸電機(jī)調(diào)速范圍廣，又可無級(jí)調(diào)速，使得主軸箱的結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。研究PWM變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用，具有十分重要的意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PWM技術(shù)；伺服電機(jī)；數(shù)控系統(tǒng)；變頻器；運(yùn)用

16、</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………………………7</p><p>　　PWM技術(shù)基礎(chǔ)………………………………………………………………… 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(shù)的優(yōu)點(diǎn)……………………………………………………………8</p><p>　　2.4 PWM技術(shù)的控制方法………………………………………………………8 </p><p>　　三、PWM變頻器在點(diǎn)集中的運(yùn)用…………………………

18、………………………13</p><p>　　3.1 直流電機(jī)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(yùn)用……………………………………………14</p><p>　　4.1 直流伺服

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

20、<p>　　五、結(jié)論…………………………………………………………………………… 2 2</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………… 22</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1.對(duì)PWM技術(shù)的基本認(rèn)識(shí)

21、 </p><p>　　2.數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng) </p><p>　　3.PWM技術(shù)在電機(jī)中的運(yùn)用

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

23、技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。</p><p><b>　　2.1 基本原理</b></p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)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(dāng)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(dá)到控制充電電流的目的。 </p><p>　　模擬信號(hào)的值可以連續(xù)變化，其時(shí)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?yàn)樗妮敵鲭妷翰⒉痪_地等于9V，而是隨時(shí)間發(fā)生變化，并可取任何實(shí)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(hào)與數(shù)字信號(hào)

25、的區(qū)別在于后者的取值通常只能屬于預(yù)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(jìn)行控制，如對(duì)汽車收音機(jī)的音量進(jìn)行控制。在簡(jiǎn)單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。擰動(dòng)旋鈕時(shí)，電阻值變大或變??；流經(jīng)這個(gè)電阻的電流也隨之增加或減少，從而改變了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的電流值，使音量相應(yīng)變大或變小。與收音機(jī)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(jiǎn)單，但它并不總是非常經(jīng)濟(jì)或可行的。其中一點(diǎn)就是，模擬電路容易隨時(shí)間漂移，因而難以調(diào)節(jié)。能夠解決這個(gè)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(shè)備)和昂貴。模擬電路還有可能嚴(yán)重發(fā)熱，其功耗相對(duì)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(duì)噪聲很敏感，任何擾動(dòng)或噪聲都肯定會(huì)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(shí)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(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。PWM信號(hào)仍

28、然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)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(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。 </p><p>　　多數(shù)負(fù)載(無論是電感性負(fù)載還是電容性負(fù)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(gè)PWM控制器，每一個(gè)都可以選擇接通時(shí)間和周期。占空比是接通時(shí)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(shè)置提供調(diào)制方波的片上定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的周期 </p><p&g

30、t;　　2、 在PWM控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間 </p><p>　　3、設(shè)置PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用I/O管腳 </p><p><b>　　4、啟動(dòng)定時(shí)器 </b></p><p>　　5、使能PWM控制器</p><p>　　2.3 PWM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) </p><p>　　PW

31、M的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。 </p><p>　　對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長(zhǎng)通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾

32、除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 </p><p>　　總之，PWM既經(jīng)濟(jì)、節(jié)約空間、抗噪性能強(qiáng)，是一種值得廣大工程師在許多設(shè)計(jì)應(yīng)用中使用的有效技術(shù)。</p><p>　　2.4 PWM技術(shù)的控制方法</p><p>　　采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)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(shí),其效果基本相同.PWM控制技術(shù)就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),對(duì)半

33、導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)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(duì)各脈沖的寬度進(jìn)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(jì)80年代以前一直未能實(shí)現(xiàn).直到進(jìn)入上世紀(jì)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(shù)才

34、真正得到應(yīng)用.隨著電力電子技術(shù),微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)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(yīng)用,PWM控制技術(shù)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(shù),根據(jù)PWM控制技術(shù)的特點(diǎn),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(shù)來實(shí)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(gè)缺點(diǎn)發(fā)展而來的,是PWM法中最為簡(jiǎn)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(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化.相對(duì)于PAM

36、法,該方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu),提高了輸入端的功率因數(shù),但同時(shí)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(jī)PWM</b></p><p>　　在上世紀(jì)70年代開始至上世紀(jì)80年代初,由于當(dāng)時(shí)大功率晶體管主要為雙極性達(dá)林頓三極管,載波頻率一般不超過5kHz,電機(jī)繞組的電磁噪音及諧波造成的振動(dòng)引起了人們的關(guān)注.為求得改善,隨機(jī)

37、PWM方法應(yīng)運(yùn)而生.其原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)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(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱.正因?yàn)槿绱?即使在IGBT已被廣泛應(yīng)用的今天,對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合,隨機(jī)PWM仍然有其特殊的價(jià)值;另一方面則說明了消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作頻率,隨機(jī)PWM技術(shù)正是提供了一個(gè)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(gè)重要結(jié)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(shí),其效果基本相同.SPWM法就是以該結(jié)論為理論基礎(chǔ),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(guān)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(yīng)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(shí)現(xiàn)有以下幾種方案. </p><p><b>　　1）面積法</b></p><p>　　該方案實(shí)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(jì)算各脈沖的寬度和間隔,

40、并把這些數(shù)據(jù)存于微機(jī)中,通過查表的方式生成PWM信號(hào)控制開關(guān)器件的通斷,以達(dá)到預(yù)期的目的.由于此方法是以SPWM控制的基本原理為出發(fā)點(diǎn),可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在計(jì)算繁瑣,數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大,不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn). </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(jì)算繁瑣的缺

41、點(diǎn)而提出的,其原理就是把所希望的波形作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波,通過對(duì)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(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí),所得到的就是SPWM波形.其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單,可以用模擬電路構(gòu)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(diǎn),在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以生成SPWM波.但是,這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)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(jī)技術(shù)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(yīng)運(yùn)而生.軟件生成法其實(shí)就是用軟件來實(shí)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(jìn)行比較,在兩個(gè)波形的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,這就是自然采樣法.其優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波,但由于三角波與正弦波交點(diǎn)有任意性,脈沖中心在一個(gè)周期內(nèi)不等距,從而脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程,計(jì)算繁瑣,難以實(shí)時(shí)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(yīng)用較廣的工程實(shí)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(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到階梯波,再以階梯波與三角波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷,從而實(shí)現(xiàn)SPWM法.當(dāng)三角波只在其頂點(diǎn)(或底點(diǎn))位置對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期(即采樣周期)內(nèi)的位置是對(duì)稱的,這種方法稱為對(duì)稱規(guī)則采樣.當(dāng)三角波既在其頂點(diǎn)又在底點(diǎn)時(shí)刻對(duì)正弦波進(jìn)行采樣時(shí),由階梯波與三角波的交點(diǎn)所確定的脈寬,在一個(gè)載波周期(此時(shí)為采樣周期的兩倍)內(nèi)的位置一般并不對(duì)稱,這種方法稱為非對(duì)

45、稱規(guī)則采樣. </p><p>　　規(guī)則采樣法是對(duì)自然采樣法的改進(jìn),其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡(jiǎn)單,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算,其中非對(duì)稱規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦.其缺點(diǎn)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(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)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(gè)不同的an=0,就可以建立三個(gè)方程,聯(lián)立求解得a1,a2及a3,這樣就可以消去兩個(gè)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(huì)相當(dāng)大,而且同樣存在計(jì)

47、算復(fù)雜的缺點(diǎn).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(hào),三角波為載波,且使兩波幅值相等,以兩

48、波的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷實(shí)現(xiàn)PWM控制. </p><p>　　由于當(dāng)梯形波幅值和三角波幅值相等時(shí),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(shí),都

49、是對(duì)三相輸出相電壓分別進(jìn)行控制的,使其輸出接近正弦波,但是,對(duì)于像三相異步電動(dòng)機(jī)這樣的三相無中線對(duì)稱負(fù)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(hào)便呈現(xiàn)出馬鞍形,而且幅值明顯降低,于是在調(diào)制信號(hào)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(gè)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(hào)的其他波形,這些信號(hào)都不會(huì)影響線 </p><p>　　電壓.這是因?yàn)?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(yīng)的3倍頻于正弦波信號(hào)的諧波,但在合成線電壓時(shí),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?yàn)?三相對(duì)稱線電壓有Uuv+Uvw+Uwu=0的關(guān)系,所以,某一線電壓任何時(shí)刻都等于另外兩個(gè)線電壓負(fù)值之和.現(xiàn)在把一個(gè)周期等分為6個(gè)區(qū)間,每區(qū)間

52、60°,對(duì)于某一線電壓例如Uuv,半個(gè)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(dāng)將Uvw和Uwu作同樣處理時(shí),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(fù).把這樣的電壓波形作為脈寬調(diào)制的參考信號(hào),載波仍用三角波,并把各區(qū)間的曲線用直線近似(實(shí)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(duì)稱,

53、且規(guī)律性很強(qiáng),負(fù)半周是正半周相應(yīng)脈沖列的反相,因此,只要半個(gè)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(gè)脈沖并不是開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào),但由于已知三相線電壓的脈沖工作模式,就可以確定開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)了. </p><p>　　該方法不僅能抑制較多的低次諧波,還可減小開關(guān)損耗和加寬線性控制區(qū),同時(shí)還能帶來用微機(jī)控制的方便,但該方法只適用于異步電動(dòng)機(jī),應(yīng)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(hào),把實(shí)際的電流波形作為反饋信號(hào),通過兩者瞬時(shí)值的比較來決定各開關(guān)器件的通斷,使實(shí)際輸出隨指令信號(hào)的改變而改變.其實(shí)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(yīng)橋臂開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài),使得實(shí)際電流跟蹤給定電流的變化.該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,動(dòng)態(tài)性能好,輸出電壓不含特定頻率的諧波分量.其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定造成較為嚴(yán)重的噪音,和其他方法相比,在同一開關(guān)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(shí)際輸出電流進(jìn)行比較,求出偏差電流,通過放大器放大后再和三角波進(jìn)行比較,產(chǎn)生PWM波.此時(shí)開關(guān)頻率一定,因而克服了滯環(huán)比較法頻率不固定的缺點(diǎn).但是,這種方式電流響應(yīng)不如滯環(huán)比較法快. </p><p><b>　　3）預(yù)測(cè)電流控制法</b></p><

57、;p>　　預(yù)測(cè)電流控制是在每個(gè)調(diào)節(jié)周期開始時(shí),根據(jù)實(shí)際電流誤差,負(fù)載參數(shù)及其它負(fù)載變量,來預(yù)測(cè)電流誤差矢量趨勢(shì),因此,下一個(gè)調(diào)節(jié)周期由PWM產(chǎn)生的電壓矢量必將減小所預(yù)測(cè)的誤差.該方法的優(yōu)點(diǎn)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(zhǔn)確的響應(yīng).目前,這類調(diào)節(jié)器的局限性是響應(yīng)速度及過程模型系數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)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(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的,用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通,由它們的比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān),形成PWM波形.此法從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā),把逆變器和電機(jī)看作一個(gè)整體,以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制,使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)(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(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量,若采樣時(shí)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(shí)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(gè)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(jī)低速時(shí),定子電阻影響大的問題,減小了電機(jī)的脈

60、動(dòng)和噪音.但由于未引入轉(zhuǎn)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(chǎng)定向控制,其原理是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)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(biāo)系下的交流電流Ia1及Ib1,再通過按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向旋轉(zhuǎn)變換,等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Im1及It

61、1(Im1相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流;It1相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流),然后模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的控制.其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī),分別對(duì)速度,磁場(chǎng)兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制.通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈,然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量,經(jīng)坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制. </p><p>　　但是,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè),以及矢量變換的復(fù)雜性,使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的

62、效果,這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足.此外.它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)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(zhuǎn)子位置或速度傳感器,這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來不便. </p><p>　　7.直接轉(zhuǎn)矩控制PWM</p><p>　　1985年德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授首先提出直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control簡(jiǎn)稱DTC).直

63、接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制,它也不需要解耦電機(jī)模型,而是在靜止的坐標(biāo)系中計(jì)算電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值,然后,經(jīng)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)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(shí)現(xiàn)無速度傳感器化,有很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度及轉(zhuǎn)矩控制精度,并以新穎的控制思想,簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu),優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能得到

64、了迅速發(fā)展. </p><p>　　但直接轉(zhuǎn)矩控制也存在缺點(diǎn),如逆變器開關(guān)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(fù)位控制(Integration Reset Control,簡(jiǎn)稱IRC),是一種新型非線性控制技術(shù),其基本思想是控制開關(guān)占空比,在每個(gè)周期使開關(guān)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(shù)同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性,通過復(fù)位開關(guān),積分器,觸發(fā)電路,比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的.單周控制器由控制器,比較器,積分器及時(shí)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(guān),也可是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量形式的抽象信號(hào). </p><p>　　單周控制在控制電路中不需要誤差綜合,它能在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài),瞬態(tài)誤差,使前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期.雖然硬件電路較復(fù)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(guān)逆變器,具有反應(yīng)快,開關(guān)頻率恒定,魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),此外,單周控制還能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng),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(guān)PWM</p><p>　　傳統(tǒng)的PWM逆變電路中,電力電子開關(guān)器件硬開關(guān)的工作方式,大的開關(guān)電壓電流應(yīng)力以及高的du/dt和di/dt限制了開關(guān)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(shì)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(dāng)開關(guān)頻率在18kHz以上時(shí),噪聲將已超過人類聽覺范圍,使無噪聲傳動(dòng)系統(tǒng)成為可能. </p><p>　　諧振軟開關(guān)PWM的基本思想是在常規(guī)PWM變換器拓?fù)涞幕A(chǔ)上,附加一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò),諧振網(wǎng)絡(luò)一般由諧振電感,諧振電容和功率開關(guān)組成.開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí),諧振網(wǎng)絡(luò)工作使電力電子器件在開關(guān)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)過程,諧振過程極短,基本不

68、影響PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn).從而既保持了PWM技術(shù)的特點(diǎn),又實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù).但由于諧振網(wǎng)絡(luò)在電路中的存在必然會(huì)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(yīng)用。 </p><p>　　三、PWM變頻器在電機(jī)中的應(yīng)用</p><p>　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，使直流電機(jī)的傳動(dòng)技術(shù)得到改進(jìn)，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(lì)磁磁通，發(fā)展為晶閘管相控整流直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)， 以及全波不控整流—PWM 斬波直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。近年來，電氣傳動(dòng)的 PWM 控制技術(shù)已成為電氣傳動(dòng)等自動(dòng)控制技術(shù)的熱點(diǎn)之一。</p><p>　　3.1 直流電機(jī) 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(shù)，實(shí)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(shí)現(xiàn)。 以下簡(jiǎn)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(shè) V1 先導(dǎo)通 T1 秒， 然后又關(guān)斷 T2 秒，如此反復(fù)進(jìn)行，可得到圖 1b 的波形圖。 則電機(jī)電樞端的平均電壓 Ua 為（1）式。</p><p>　　Ua= T1 Ud （1）T設(shè) 墜= T1 ,墜 定義為占空比。設(shè)定輸入電壓 U不變，墜 越大， 電機(jī)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(dá)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(guān)管導(dǎo)通時(shí)間 T1 不變，使其關(guān)斷時(shí)間 T2 在 0 到 ∞ 之間變化，這叫定寬調(diào)頻；第二種就是使開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間 T2 不變，使其導(dǎo)通時(shí)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(guān)管導(dǎo)通和截止的總時(shí)間（也就是周期）T 一定，使管子導(dǎo)通時(shí)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(jī)床的直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)。 它采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p>　　常見的 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主電路 （功率放大器）結(jié)構(gòu)有：H 型和 T 型。下面以 H 型結(jié)構(gòu)為例說明

74、PWM 雙極式驅(qū)動(dòng)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(hù) VT1、VT2、VT3、VT4 三 極 管 ，Ub1=Ub4=-Ub2=-Ub3。當(dāng) Ub1=Ub4 為正時(shí)，VT1 和 VT4 導(dǎo)通，VT2 和VT3 不能立即導(dǎo)通， 因?yàn)殡姍C(jī)的反電勢(shì)使 AB 存在續(xù)流，續(xù)流流經(jīng) VD3 和 VD2，保護(hù)了四個(gè)三極管

75、， 若續(xù)流在這個(gè)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(dǎo)通； 若續(xù)流在這個(gè)過程中得到很大衰減，則 VT2 和 VT3 導(dǎo)通，UAB 的電壓=-US。</p><p>　　顯然，Ub1=Ub4 為正的時(shí)間和 Ub2=Ub3 為正的時(shí)間相同時(shí)，UAB 的平均電壓為 0，電機(jī)動(dòng)態(tài)靜止(如圖3-2b 所示)； 當(dāng) Ub1=Ub4 為正的時(shí)間長(zhǎng)于 Ub2=Ub3 為

76、正的時(shí)間時(shí)，UAB 的平均電壓＞0，電機(jī)正轉(zhuǎn)，UAB 的值越大，轉(zhuǎn)速越高；當(dāng) Ub1=Ub4 為正的時(shí)間短于 Ub2=Ub3 為正的時(shí)間時(shí)，UAB 的平均電壓＜0，電機(jī)反轉(zhuǎn)，UAB 的值越小，轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)向和速度，且可以達(dá)到動(dòng)態(tài)靜止，有利于正反轉(zhuǎn)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(yùn)用</p><p>　　4.1 直流伺服驅(qū)動(dòng)（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(duì)大功率晶體管的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制，將直流電壓轉(zhuǎn)換成某種頻率的方波電壓，并通過對(duì)脈沖寬度的控制，改變輸出直流平均電壓的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。 </p><p>　　以脈沖編碼器作為檢測(cè)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(hào)，經(jīng)過數(shù)值積分器DDA（即為插補(bǔ)器）轉(zhuǎn)換后，輸出一系列的均勻脈沖。為了使實(shí)際機(jī)床位置分辨率與指令脈沖相對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)中通常都需要通過指令倍乘器CRM.，對(duì)指令脈沖進(jìn)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(bǔ)償（D）運(yùn)算合成后，送到脈寬調(diào)制器（PWM）進(jìn)行脈寬調(diào)制。被調(diào)制的脈沖經(jīng)過 D/A 變換器轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)后，脈沖編碼器（PC）發(fā)出的脈沖，經(jīng)斷線檢查器（BL）確認(rèn)無信號(hào)斷線之后，送到鑒相器（DG），進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向的識(shí)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(cè)速電壓（TSA），送速度控制單元，并

80、與VCMD指令進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。另一路輸出到檢測(cè)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(shè)置不同的CRM與DRM 值，可以將指令脈沖的移動(dòng)量和實(shí)際機(jī)床的每脈沖移動(dòng)量相一致，從而使控制系統(tǒng)能適合于各種場(chǎng)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(cè)速反饋信號(hào)TSA經(jīng)過比較、放大后，輸出誤差信號(hào)“T—K（VCMD－TSA）”和“－ER=－K（VCMD－TSA）”。誤差信號(hào)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(jìn)行邏輯運(yùn)算后，經(jīng)脈寬調(diào)制、驅(qū)動(dòng)放大之后輸出TRA和TRB信號(hào)，控制晶體管VTA和VTB的基極；－ER信號(hào)與H角波進(jìn)行邏輯運(yùn)算后，經(jīng)脈寬調(diào)制、驅(qū)動(dòng)放大之后輸出T

82、RC和TRD信號(hào)，控制晶體管VTC和VTD的基極。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，圖4-2中各信號(hào)的波形如圖4-3 所示。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞回路工作可以分以下4步：</p><p>　　1）VTB和VTC晶體管導(dǎo)通。這時(shí)電流方向從直流電源的“+”端，經(jīng)過VTC、電動(dòng)機(jī)M、VTB回到電源的“”－端。</p><p>　　2）VTC和VTA 晶體管導(dǎo)通。此時(shí)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(gòu)成回路。</p><p>　　3）VTB和VTC 晶體管導(dǎo)通。此過程同第一步。</p><p>　　4）VTB和VTD晶體管導(dǎo)通。此時(shí)電流方向從電動(dòng)機(jī)M經(jīng)VTB、續(xù)流M極管VDd構(gòu)成回路。</p><p>　　主回路按上述順序循環(huán)工作，從而形成對(duì)電動(dòng)機(jī)的連續(xù)供電，使電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。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(guān)斷時(shí)間，以確保晶體管不會(huì)出現(xiàn)VTA 和VTB、VTC和VTD同時(shí)導(dǎo)通的情況，以避免電源短路。</p><p>　　圖4-3中，虛線是表示當(dāng)ER值（－ER 值）較小時(shí)的情況。在這種情況下，給電動(dòng)機(jī)電樞供電的晶體管導(dǎo)通時(shí)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(diǎn)波形圖

85、</p><p>　　4.2 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　交流伺服電動(dòng)機(jī)亦稱為無刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，它與直流電動(dòng)機(jī)相比，由于無換向器，故克服了以上缺點(diǎn)，從而提高了機(jī)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(shù)，現(xiàn)代控制理論以及數(shù)字控制技術(shù)等技術(shù)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(dòng)系統(tǒng)上，有全面取代直流伺服驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)。&

86、lt;/p><p>　　交流伺服電動(dòng)機(jī)一般都是永磁式的三相同步電動(dòng)機(jī)。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(dòng)機(jī)一般采用全封閉結(jié)構(gòu)。它具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1)采用特殊的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其氣隙磁密通常按正弦分布，實(shí)現(xiàn)了最小的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。</p><p>　　2)定子通常采用無外殼的結(jié)構(gòu)，改善了電動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)形式，使得電動(dòng)機(jī)不需維修，即使在惡劣的使用環(huán)境下仍有很長(zhǎng)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(chǎng)矢量控制方式，它使交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能完全達(dá)到了直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，這樣的交流伺服系統(tǒng)具有下述特點(diǎn)：</p><p>　　1)系統(tǒng)在極低速度時(shí)仍能平滑地運(yùn)轉(zhuǎn)，而且具有

88、很快的響應(yīng)速度。</p><p>　　2)在高速區(qū)仍然具有較好的轉(zhuǎn)矩特性，即：電動(dòng)機(jī)的輸出特性“硬度”好。</p><p>　　3)可以將電動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng)抑制到最低的限度。</p><p>　　4)具有很高的轉(zhuǎn)矩/慣量比，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速起動(dòng)和制動(dòng)。</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(shù)，可大大

89、提高系統(tǒng)的位置控制精度。</p><p>　　6)驅(qū)動(dòng)單元一般都采用大規(guī)模的專用集成電路，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、可靠性高。</p><p>　　正因?yàn)槿绱?，在?shù)控機(jī)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(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。</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(hào)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(jiǎn)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(cè)元件（通常為脈沖編碼器）的信號(hào)經(jīng)F

91、/V變換后作為系統(tǒng)的速度反饋信號(hào)TSA；它們經(jīng)比較、放大后輸出速度誤差信號(hào)。速度誤差信號(hào)再經(jīng)調(diào)節(jié)器放大，作為轉(zhuǎn)矩指令輸出。電流指令又與電流反饋信號(hào)相比較后，產(chǎn)生電流誤差信號(hào)，電流誤差信號(hào)經(jīng)放大，輸出到PWM控制回路，進(jìn)行脈寬調(diào)制控制。脈寬調(diào)制信號(hào)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(dòng)機(jī)的電樞。</p><p>　　圖4-5中的虛線框，在實(shí)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(dòng)中，其中一片型號(hào)為AF20，它包括兩個(gè)乘法器和一個(gè)轉(zhuǎn)子位置計(jì)算回路；另一片型號(hào)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(jiǎn)化框圖。</p><p>　　圖4-5 交流模擬伺服系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)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(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1）通過總線與調(diào)度，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的CPU和信號(hào)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(zhuǎn)換為數(shù)字量。</p><p>

94、;　　3）系統(tǒng)同時(shí)具有電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)控制的功能，以適應(yīng)不同的控制要求。</p><p>　　4）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CPU可與主CPU之間進(jìn)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(hào)，控制電動(dòng)機(jī)調(diào)速。</p><p>　　6）可以進(jìn)行位置檢測(cè)信號(hào)（如：脈沖編碼器信號(hào)）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(duì)脈沖編碼器作為位置檢測(cè)器件，在數(shù)控系統(tǒng)停電后，仍能記憶機(jī)床的實(shí)際位置；因此，機(jī)床開機(jī)時(shí)可以不進(jìn)行手動(dòng)“回參考點(diǎn)”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(diǎn)：</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(dòng)漂移補(bǔ)償電

96、路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高.</p><p>　　2）系統(tǒng)控制精度高，定位精度可達(dá)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(kuò)充性好，如可以對(duì)系統(tǒng)的非線性、干擾轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行補(bǔ)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(qiáng)。</p>

97、<p>　　6）對(duì)位置、速度、轉(zhuǎn)矩、電流等信息進(jìn)行了集中管理、控制，可以避免機(jī)械共振。</p><p>　　7）系統(tǒng)的參數(shù)的設(shè)定與調(diào)節(jié)可以通過數(shù)字量進(jìn)行，較模擬式伺服的電位器調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確，更簡(jiǎn)單、容易。</p><p>　　圖4-6 數(shù)字伺服系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖</p><p>　　4.3直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　從原理上說，

98、直流主軸驅(qū)動(dòng)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?yàn)閿?shù)控機(jī)床高速、高效、高精度的要求，決定了直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：</p><p>　　1）調(diào)速范圍寬。采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床通常只設(shè)置高、低兩級(jí)速度的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由主軸驅(qū)動(dòng)器控制，實(shí)現(xiàn)無級(jí)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(dòng)機(jī)通常采用全封閉的結(jié)構(gòu)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(dòng)機(jī)通常采用特殊的熱管冷卻系統(tǒng)，能將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量迅速向外界發(fā)散。此外，為了使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱最小，定子往往采用獨(dú)特附加磁極，以減小損耗，提高效率。</p><p>　　4）直流主軸驅(qū)動(dòng)器主回路一般采用晶閘管三相全波整流，以實(shí)現(xiàn)四象限的運(yùn)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(zhuǎn)換器、使能”信號(hào)輸入、準(zhǔn)備好”輸出、速度/轉(zhuǎn)矩顯示輸出等信號(hào)接口。</p><p>　　6）純電氣主軸定向準(zhǔn)?？刂乒δ堋Ｓ捎趽Q刀、精密模孔、螺紋加工等需要，數(shù)控機(jī)床的主軸應(yīng)具有定向準(zhǔn)停控制功能，而且應(yīng)由電氣控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，以進(jìn)一步縮短定位時(shí)間，提高機(jī)床效率。</p><p>　　數(shù)控機(jī)床常用的直流主軸驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)類似于直流進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它也是由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)速度控制系統(tǒng)，通過控制直流主軸電動(dòng)機(jī)的電樞電壓實(shí)現(xiàn)變速。控制系統(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(jìn)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(dòng)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖4-7 的上半部分為勵(lì)磁控制回路，由于主軸電動(dòng)機(jī)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(lì)電動(dòng)機(jī)，勵(lì)磁繞組與電樞繞組相互獨(dú)立，并由單獨(dú)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(lì)磁電流反饋三組信號(hào)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(zhuǎn)換器，控制晶閘管觸發(fā)脈沖的相位，調(diào)節(jié)勵(lì)磁繞組的電流大小，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的恒功率弱磁調(diào)速。主軸定向準(zhǔn)停控制的作用是將主軸準(zhǔn)確停在某一固定的角度上，以進(jìn)行換刀等動(dòng)作

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

104、應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)，而且還可以作為主軸同步進(jìn)給的位置檢測(cè)器件，因此其使用較廣。</p><p>　　圖4-8 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　4.4 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　與交

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

106、;　　3）特別是對(duì)于全數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)器可直接使用CNC的數(shù)字量輸出信號(hào)進(jìn)行控制，不要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)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(dòng)一樣，在數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，還可采用參數(shù)設(shè)定方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)整與動(dòng)態(tài)優(yōu)化，系統(tǒng)設(shè)定靈活、調(diào)整準(zhǔn)確。</p><p>　　5）由于交流主軸電動(dòng)機(jī)無換向器，主軸電動(dòng)機(jī)通常不需要進(jìn)行維修。</p>

107、<p>　　6）主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制，最高轉(zhuǎn)速通常比直流主軸電動(dòng)機(jī)更高，可達(dá)到數(shù)萬轉(zhuǎn)。</p><p>　　交流主軸驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)速給定指令1在比較器中與測(cè)速反饋信號(hào)2比較后產(chǎn)生轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)，這一轉(zhuǎn)速誤差經(jīng)比例積分調(diào)

108、節(jié)器3放大后，作為轉(zhuǎn)矩給定指令電壓輸出。轉(zhuǎn)矩給定指令經(jīng)絕對(duì)值回路4將轉(zhuǎn)矩給定指令電壓轉(zhuǎn)化為單極性信號(hào)。然后經(jīng)函數(shù)發(fā)生器6、V/F轉(zhuǎn)換器 7，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩給定脈沖信號(hào)。</p><p>　　轉(zhuǎn)矩給定脈沖信號(hào)在微處理器 8中與四倍頻回路17輸出的速度反饋脈沖進(jìn)行運(yùn)算。同時(shí)，預(yù)先存儲(chǔ)在微處理器ROM中的信息給出幅值和相位信號(hào)，分別送到DA振幅器10和DA強(qiáng)勵(lì)磁9。</p><p>　　DA振幅器用

109、于產(chǎn)生與轉(zhuǎn)矩指令相對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值，而DA勵(lì)磁強(qiáng)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(hào)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(hào)比較之后的誤差，經(jīng)放大送到PWM控制回