【正文】 控制脈沖的正負和導(dǎo)通率就可以改變電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速 。 為了不致造成 VT1和 VT VT2和 VT3同時導(dǎo)通而燒壞晶體管 ， 在電路設(shè)計時 ， 要保證上述兩對管子先截止后導(dǎo)通 ， 而中間的時間應(yīng)大于晶體管的關(guān)斷時間 。 交流伺服電機調(diào)速系統(tǒng) Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 在異步電動機的變頻調(diào)速中 ， 希望保持磁通不變 。磁通減弱 ， 鐵心材料利用不充分 ， 電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降 ，導(dǎo)致帶負載能力減弱 。 磁通增強 ， 引起鐵芯飽和 、 勵磁電流急劇增加 ， 電動機繞組發(fā)熱 ， 可能燒毀電機 。 由式 （ 420） 可知 ΦKNfEU 111444 .=≈ （ 420） 要實現(xiàn)恒磁通調(diào)速，應(yīng)滿足 U / f=常數(shù)。 （ 1） 交流伺服電動機的調(diào)速主電路 變頻的方法改變電動機供電頻率的方法有：直接的交 交變頻和間接的交 直 交變頻 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 交 交變頻 （ 圖 436a） 是用晶閘管整流器直接把工頻交流電直接變成頻率較低的脈動交流電 ， 正組輸出正脈沖 ， 反組輸出負脈沖 。 這個脈動交流電的基波就是所需變頻電壓 。 這種方法得到的交流電波動較大 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖 436b是交 直 交變頻 ， 它由擔(dān)任交 直變換的二極管整流器和擔(dān)任直 交變換 、 同時完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)的脈沖寬度調(diào)制逆變器組成 。 所得交流電波動小 ， 調(diào)頻范圍寬 ， 調(diào)節(jié)線性度好 ， 數(shù)控機床上經(jīng)常用這種變頻方法 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 在交 直 交變頻中 ， 根據(jù)中間直流電壓是否可調(diào) ，分為中間直流電壓可調(diào) PWM逆變器和中間直流電壓固定的 PWM逆變器；根據(jù)中間直流電路上的儲能組件是大電容或大電感分為電壓型 PWM逆變器和電流型 PWM逆變器 。 交 直 交變頻中典型的逆變器是固定電流型 PWM逆變器 。 （ 2） 交流伺服電動機的 PWM調(diào)速系統(tǒng) 圖 437所示為采用正弦波調(diào)制方法的 PWM變頻器 （ 稱為 SPWM變頻器 ） 的主回路 ， 這是一個雙極型 SPWM的通用型主回路 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) SPWM波調(diào)制變頻器不僅適用于交流永磁式伺服電動機 ， 也適用于交流感應(yīng)式伺服電動機 。 PWM采用正弦規(guī)律脈寬調(diào)制原理 ， 具有功率因數(shù)高 ， 輸出波形好等優(yōu)點 ， 因而在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用 。 圖 437左側(cè)是橋式整流電路 ， 將工頻交流電變成直流電 右側(cè)是逆變器，用 VT1～ VT6六個大功率開關(guān)管把直流電變成脈寬按正弦規(guī)律變化的等效正弦交流電，用來驅(qū)動交流伺服電動機。 VD7～ VD12是續(xù)流二極管 ， 用來導(dǎo)通電動機繞組產(chǎn)生的反電勢 。功放輸出端接伺服電動機 VT1～ VT6的基極由圖 438所示的 SPWM調(diào)制波控制 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖 438所示為調(diào)制波的形成 ， 三角波 VT為載波 ，其幅值為 ET， 頻率為 fT， 正弦波 Vs為控制波 （ 如 U相 ） ， 其幅值為 Es， 頻率為 fs。 而這兩種波形的交點 ，決定了逆變器某相元件的通斷時間 ， 此時為 VT1和VT4的通斷 。 圖 437中三相整流器的輸出直流電壓為 Ed。 在正半周， VT1工作在調(diào)制狀態(tài)， VT4處于截止， U相繞組的相電壓為 +(1/2)Ed， 而當(dāng) VT1截止時，電機繞組中的磁場能量通過 VD10續(xù)流，使該繞組承受 (1/2)Ed電壓，從而實現(xiàn)了雙極性 SPWM調(diào)制特性。在負半周時， VT4工作在調(diào)制狀態(tài)， VT1處于截止。 SPWM的輸出脈沖的寬度正比于相交點的正弦控制波的幅值。逆變器輸出端為一具有控制波的頻率，且有某種諧波畸變的調(diào)制波形，而其基波幅值為 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) MEEEEE dTSdm 22 ==1（ 423） 由此可見 ， 只要改變調(diào)制系數(shù) M就可靈活地調(diào)節(jié)輸出基波的幅值 。 只要改變 fs就可改變輸出基波的頻率 。 而且 fT／ fs的升高 ， 輸出波形的諧波分量不斷減 小，輸出的正弦性越來越好。由于電動機繞組電感的濾波作用，使電流變成準正弦波。三相輸出電壓（電流）相位上互差 120ｏ 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖 439為 SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)框圖 。 頻率 （ 速度 ） 給定器給定信號 ， 用以控制頻率 、電壓及正反轉(zhuǎn)； 平穩(wěn)起動回路使起動加、減速時間可隨機械負載情況設(shè)定達到軟起動目的； 函數(shù)發(fā)生器是為了在輸出低頻信號時，保持電機氣隙磁通一定，補償定子電壓降的影響而設(shè)； 電壓頻率變換器將電壓轉(zhuǎn)換為頻率 ， 經(jīng)分頻器 、環(huán)形計數(shù)器產(chǎn)生方波 ， 和經(jīng)三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波一并送入調(diào)制回路； 電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生頻率與幅度可調(diào)的控制正弦波 ，送入調(diào)制回路 ， 它和電壓檢測器構(gòu)成閉環(huán)控制； 在調(diào)制回路中進行 PWM變換產(chǎn)生三相的脈沖寬度調(diào)制信號； 在基極回路中輸出信號至功率晶體管基極 ， 對SPWM的主回路進行控制 ， 實現(xiàn)對永磁交流伺服電機的變頻調(diào)速； 電流檢測器為過載保護而設(shè)。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 目前 SPWM的生成方法有分立元件法 、 專用集成電路和微機生成幾種方法 。 國內(nèi)外 PWM變頻器的產(chǎn)品大多采用微機控制 PWM技術(shù) 。 主軸驅(qū)動 對于主軸驅(qū)動 ， 既要求輸出較大功率 ， 又要求主軸結(jié)構(gòu)簡單；要改善主軸的動態(tài)性能 ， 需要主傳動有更大的無級調(diào)速范圍；有四象限的驅(qū)動能力等 。 另外 ， 不同的數(shù)控機床對主軸驅(qū)動還提出一些特殊的要求 ， 如要求主軸與進給驅(qū)動同步控制 、 主軸能高精度定位控制 、 主軸具有角度分度控制功能等 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 為實現(xiàn)上述的要求 ， 采用直流 、 交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 。 現(xiàn)在 ， 國際上新生產(chǎn)的數(shù)控機床 85％ 采用交流主軸驅(qū)動系統(tǒng) 。 交流主軸電機均采用鼠籠式異步電機 。 這是因為受永磁體的限制 ， 當(dāng)容量做得很大時 ， 永磁同步電機成本太高 ， 使得數(shù)控機床無法采用 。 一般說來 ，交流主軸電機的結(jié)構(gòu)與一般鼠籠式異步電機不同 ，是專門設(shè)計的 。 為了增加輸出功率 ， 縮小電機體積 ，采用了定子鐵心在空氣中直接冷卻的辦法 ， 沒有機殼 ， 而且在定子鐵心上開了軸向孔 ， 以利通風(fēng) 。 此外 ， 電機外形呈多邊形而非圓形 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 交流主軸電機的控制單元 ， 廣泛采用矢量控制的方法進行變頻調(diào)速 ， 即矢量控制 PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng) 。 交流異步電機矢量控制的基本思想是分析直流電動機和異步電動機旋轉(zhuǎn)原理不同而提出的一種控制方案 。 直流電動機有一旋轉(zhuǎn)的整流子式電樞和一個用來產(chǎn)生磁場的定子 ， 磁極上的氣隙磁通 Ф是由磁極繞組中的電流 If激勵產(chǎn)生的 ， Ф正比于 If而與電樞電流 Ia的大小無關(guān) 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 直流電動機的轉(zhuǎn)矩是由 Ф和 Id的相互作用而產(chǎn)生的 ， 由于 Ф與 Id無關(guān) ， 且勵磁繞組電路和電樞電路是各自獨立的 ， 因而可以通過分別調(diào)節(jié) If和 Id來進行磁通控制和轉(zhuǎn)速 、 轉(zhuǎn)矩控制 。 直流電動機就是由于具有如此特點 ， 才能有優(yōu)良的調(diào)速特性 。 在交流異步電機中 ， 磁極磁通量 Ф是一個矢量 ，由定子電流 I1和轉(zhuǎn)子電流 I2合成的電流 I0產(chǎn)生的 。 與直流電機相比 ， 交流異步電機沒有獨立的激磁回路 ， 若把 Ｉ 2比作電樞電流 Id， 則 I2變化時刻影響 Ф的變化 ， 而且交流異步電機的輸入量為隨時間變化的 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 量 ， 其磁通量也為空間的交變矢量 ， 如果僅僅控制定子電壓和電源頻率 ， 則其輸出特性 （ n＝ f（ T））顯然不是線性的 。 為此 ， 利用等效概念 ， 將三相交流輸入電流變?yōu)榈刃У闹绷麟姍C中彼此獨立的激磁電流 If和電樞電流 Id， 然后和直流電機一樣 ， 通過對這兩個量的反饋控制 ， 實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)矩控制 。 最后 ， 再通過相反的變換 ， 將直流量還原為三相交流量 ， 控制實際的三相異步電機 ， 獲得與直流電機同樣的調(diào)節(jié)特性 。 Y X SH 現(xiàn)代電氣自動控制技術(shù) 數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 矢量控制是很有發(fā)展前途的一種控制方案 ， 采用矢量變換的感應(yīng)電動機具有和直流電動機一樣的控制特點 ， 具有結(jié)構(gòu)簡單 、 可靠 ， 電動機容量不受限制以及與同等直流電動機相比機械慣量小等優(yōu)點 。因此可望能取代直流電動機 ， 如采用微處理器來完成坐標變換和控制功能 ， 可大大降低成本 ， 對機床傳動系統(tǒng)設(shè)計必將產(chǎn)生重大影響 。