【正文】 的制約 ,在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn) 。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)。 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)。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)。 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 。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)。 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 目錄 一、 設(shè)計(jì)要求??????????????????????????? ? 7 二、 PWM技術(shù)基礎(chǔ) ?????????????????? ??????? 7 基本原理 ????????????????????? ????? 7 具體過程 ?????????????????????? ???? 7 PWM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) ???????????????????? ??? 8 PWM技術(shù)的控制方法 ???????????????????? ? 8 三、 PWM 變頻器在點(diǎn)集中的運(yùn)用 ?????????????????? ? 13 直流電機(jī) PWM 控制原理??????????????????? 13 PWM調(diào)速系統(tǒng) ??????????????????????? 14 四、 PWM 變頻器在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用 ???????????????? ? 14 直流伺服驅(qū)動(dòng)（ PWM 速度控制）系統(tǒng)????????????? 14 交流伺服驅(qū)動(dòng) ????????????????????? ?? 1 6 直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ??????????????? ?????? 1 9 交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)????????????????????? 2 1 五 、結(jié)論???????????????????????????? ? 2 2 參考文獻(xiàn)???????????????????????????? ? 22 一、設(shè)計(jì)要求 PWM 技術(shù)的基本認(rèn)識(shí) 技術(shù)在電機(jī)中的運(yùn)用 技術(shù)在數(shù)控系統(tǒng)中的運(yùn)用與分析 二、 PWM技術(shù) 基礎(chǔ) 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(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。 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。在簡單的模擬收音機(jī)中，音量旋鈕被連接到一個(gè)可變電阻。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)。 通過以數(shù)字方式控制模擬電路，可以大 幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗。 PWM 信號(hào) 仍然是數(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)。 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 200kHz 之間。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： 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 在 PWM 控制寄存器中設(shè)置接通時(shí)間 設(shè)置 PWM輸出的方向，這個(gè)輸出是一個(gè)通用 I/O 管腳 啟動(dòng)定時(shí)器 使能 PWM控制器 PWM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) PWM 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 。從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)向 PWM 可以極大地延長通信距離。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 . 法 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 . 1） 面積法 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 ,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) . 2） 硬件調(diào)制法 硬 件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(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 . 3） 軟件生成法 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 . 自然采樣法 以正弦波為調(diào)制波 ,等腰三角波為載波進(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 . 4） 規(guī)則采樣法 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波 .其原理就是用三角波對正弦波進(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)的位置是對稱的 ,這種方法稱為對稱規(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)的位置一般并不對稱 ,這種方法稱為非對稱規(guī)則采樣 . 規(guī)則采樣法是對自然采樣法的改進(jìn) ,其主要優(yōu)點(diǎn)就是是計(jì)算簡單 ,便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)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(diǎn)是直流電壓利用率較低 ,線性控制范圍較小 . 以上兩種方法均只適用于同步調(diào)制方式中 . 5） 低次諧波消去法 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(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 . 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)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 . 6） 梯形波與三角波比較法 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 %.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 . 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 . PWM 前面所介紹的各種 PWM 控制方法用于三相逆變電路時(shí) ,都是對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 ,對于像 三相異步電動(dòng)機(jī) 這樣的三相無中線對稱負(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 . 1） 馬鞍形波與三角波比較法 馬鞍形波與三角波比較法也就是諧波注入 PWM 方式