【正文】 、絕緣門極晶體管IGBT等。 逆變器由六個功率開關(guān)器件組成，常采用大功率晶體管。整流器固定電壓不可控整流器，常采用六個二級管橋式整流器結(jié)構(gòu)將交流變?yōu)橹绷鳎妷悍挡蛔?。還有空間電壓矢量PWM、最優(yōu)PWM、預測PWM、隨機PWM、規(guī)則采樣數(shù)字化PWM等等。調(diào)制方法很多，目前用得最多的是正弦脈寬調(diào)制。 變頻器的基本概念。電容用于濾平全波整流后的電壓波紋；并在負載變化時，使直流電壓保持平穩(wěn)。正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變壓變頻器的組成如圖312所示 ； 圖 312 正弦脈寬變頻器主電路圖組成二極管整流器，用于交直變換；脈寬調(diào)制逆變器，用于直交變換、同時完成調(diào)頻和調(diào)壓任務(wù)。在交—直—交變頻中，根據(jù)中間直流電壓是否可調(diào)，可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；中間直流電路上的儲能元件是大電容還是大電感，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。這種調(diào)頻方式所得交流電的波動小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性好。但這種方法所得到的交流電中波動比較大，而且最大頻率即為變額器輸入的工頻電壓頻率。交交變頻，利用可控硅整流器直接將工頻交流電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。 變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為電機提供頻率可變電源的變頻器。電動機從高速到低速其轉(zhuǎn)差率都很小，因而變頻調(diào)速的效率和功率因數(shù)都很高。2)交流電動機調(diào)速原理 圖 311 永磁式伺服電機工作原理由電動機學基本原理可知，交流電動機的同步轉(zhuǎn)n0為： 式中 f1——定子供電頻率，單位Hz，P——電動機定子繞組磁極對數(shù)；從公式可以看出：平滑改變定子供電電壓頻率f1而使轉(zhuǎn)速平滑變化，這就是變頻調(diào)速方法。當負載轉(zhuǎn)矩超過一定的限度，電動機就會“丟步”，即不再按同步轉(zhuǎn)速運行直至停轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的負載轉(zhuǎn)矩增大時，定子磁極軸線與轉(zhuǎn)子磁極軸線間的夾角θ增大；當負載轉(zhuǎn)矩減小時θ角減小。根據(jù)兩異性磁極相吸的原理，定子磁極Ns(或Ss)緊緊吸住轉(zhuǎn)子，以同步轉(zhuǎn)速ns在空間旋轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)子和定子磁場同步旋轉(zhuǎn)。交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子是一個具有兩個極的永磁體(也可以是多極的)。 2）永磁式三相交流同步電機伺服系統(tǒng)。但采用高剩磁感應、高矯頑力的稀土類磁鐵材料后，電機在外形尺寸、質(zhì)量及轉(zhuǎn)子慣量方面都比直流電機大幅減小。交流伺服電機依據(jù)電機運行原理不同，可分為永磁同步式、永磁直流無刷式、感應式、磁阻同步式交流伺服電機。交流伺服系統(tǒng)除了具有穩(wěn)定性好、快速性好、精度高的特點外，與直流伺服電機系統(tǒng)相比有一系列優(yōu)點:交流電機不存在換向器圓周調(diào)速限制， 也不存在電樞元件中電抗電勢數(shù)值限制，其轉(zhuǎn)速限制可以設(shè)計得比相同功率的直流電機高；調(diào)速范圍寬，目前大多數(shù)的交流伺服電機的變速比可以達到 1:5000，高性能的伺服電機的變速比已達 1:10000 以上。而異步伺服電機雖然結(jié)構(gòu)堅固、制造簡單、價格低廉，但是在特性上和效率上存在差距，只在大功率場合得到重視。目前交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)之一。雖然采用功率步進電機直接驅(qū)動的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在90年代的所謂經(jīng)濟型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代。控制器的功能是完成伺服系統(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。進入21世紀，在以多媒體和互聯(lián)網(wǎng)為特征的信息時代，電動機和驅(qū)動裝置繼續(xù)發(fā)揮支撐作用，向節(jié)約資源、環(huán)境友好、高效節(jié)能運行的方向發(fā)展。從20世紀開始一直到1970年代，是電動機的成長和成熟期，有刷直流電機、感應電動機、同步電動機和步進電動機等各種電機相繼誕生，半導體驅(qū)動技術(shù)和電子控制概念引入，帶來變頻驅(qū)動的實用化。具體元器件如表32所示. 表32 電路中的元器件元器件名型號數(shù)量參數(shù)環(huán)形分配器CH2501可分配雙三拍，三相六拍與門74LS683有0出0，全1出1非門NOT6取反光電開關(guān)OPTOCOUPLERNPN6上拉電阻330歐姆，電壓5V功率三極管IRG4BC10U3承載電流4A、電壓10KV，壓降2V二極管DIODE、1N54016正向壓降100V，導通電流3A，壓降2V電壓比較器TLC327336 交流伺服系統(tǒng)1）交流伺服電機概述。二極管D3起續(xù)流保護作用，IN5401最大能夠承受的正向電壓為100V，電流3A，能夠滿足設(shè)計要求，所串電阻可以使電流下降更快，讓繞組后沿波形變陡，阻值越大，耗能越快，選用1K的電阻滿足設(shè)計要求，采樣電阻R7一般很小。圖使用三個與非門，用于對所給信號相與取反，實現(xiàn)對IGBT的導通關(guān)斷的控制。電壓比較器TLC372是單通道的比較器，該電路克服了上一個電路在非0V恒定電壓不能比較正弦波的情況。 圖 310 斬波恒流驅(qū)動電 當輸入為脈沖為高電平時，信號分為兩路，第一路經(jīng)過非門U7，輸出低電平，光電開關(guān)正向?qū)?，開始工作，觸發(fā)電壓使IGBT管Q2導通，另一路信號到與門U8同比較器輸出信號相與，輸出高電平，經(jīng)非門U2取反，輸出低電平，光電開關(guān)U4導通，觸發(fā)電壓使IGBT管Q1導通，電機繞組上的電流逐漸增大，當電流增大到額定電流以上時，采樣電阻R7上的電壓增大，反饋電壓增大，比較器輸出低電平，經(jīng)非門輸出高電平，光電開關(guān)U4停止工作，IGBTQ1截止，電機繞組由12V電源提供電流，電流逐漸減小，當電流小于額定值時，采樣電阻反饋回的電壓減小，與非門輸出低電平，光電開關(guān)U4工作，IGBT管Q1接著工作，繞組電流又逐漸增大。斬波恒流驅(qū)動電路對步進電動機的控制在成本、電路結(jié)構(gòu)、實用場所等方面綜合條件尤為優(yōu)秀。 35 步進電機驅(qū)動方案的選擇通過上述介紹的幾種驅(qū)動方式相比斬波恒流驅(qū)動具有高頻響應性能好輸出轉(zhuǎn)矩均勻無共振現(xiàn)象等優(yōu)點從而成為當今步進電機驅(qū)動的主要方式。圖39為多路功率開關(guān)細分電路工作原理：由基極開關(guān)電壓U1～U5控制多路功率開關(guān)管VTd1 ～ VTd5的通斷，從而控制功放管VT的導通電流大小，即步進電機線圈繞組電流的大小，實現(xiàn)對步進電機步進量的細分。 通過細分驅(qū)動可得到更小的脈沖當量，因而提高了定位精度。把額定電流分成n個極分別進行通電，轉(zhuǎn)子就會以n個通電極別所決定的步數(shù)來完成原有一個步距角所轉(zhuǎn)過的角度，使原來的每個脈沖走過一個步距角，變成了每個脈沖走1/n個步距角，即把原來一個步距角細分成n份，從而提高了步進電機的精度。 5）步進電機的細分驅(qū)動技術(shù) 采用細分驅(qū)動電路的目的：整步運轉(zhuǎn)或半步運轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上，不改變步進電機結(jié)構(gòu)，提高步進電機的運轉(zhuǎn)、控制精度 。而在高速時電流則應有較陡的前沿，以產(chǎn)生足夠的繞組電流，這樣才能提高步進電機的負載能力。所以斬波恒流放大電路廣泛應用在要求較高的控制系統(tǒng)中圖37 斬波驅(qū)動電路4) 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路 調(diào)頻調(diào)壓驅(qū)動電路如圖38所示，它可分為三部分：開關(guān)調(diào)壓、調(diào)頻調(diào)壓控制和功率放大，電壓一般與頻率呈線性關(guān)系，在理想條件下，保持步進電動機的力矩不變，電源電壓將隨著工作頻率的升高而升高，隨著工作頻率的下降而下降。為了使勵磁繞組中的電流維持在額定值附近，提高步進電動機的轉(zhuǎn)矩和效率，所以采用斬波驅(qū)動電路。斬波恒流放大電路是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近。同時脈沖的上升沿使4528單穩(wěn)態(tài)電路觸發(fā)，Q端6腳輸出低電平，這時開關(guān)管VT1截止，高壓管VF1導通。同時單穩(wěn)態(tài)電路VF1不觸發(fā)，Q端6腳輸出高電平，開關(guān)管VT1飽和導通，高壓管VF2柵極為低電平，VF1截止，繞組無電流。當輸入端為低電平時。具有功效高、電流上升率高、高速運轉(zhuǎn)性能好，但波形陡有時存在過沖現(xiàn)象，諧波豐富，在低速運轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生振動。這時，12V低電壓經(jīng)VD1加到電動機繞組W上并維持繞組中的電流。如圖36（a）。主要用于轉(zhuǎn)速要求不高的小型步進電機控制。電路中與繞組并聯(lián)的二極管VD分別起續(xù)流作用，即下功放管截止時，使儲存在繞組中的能量通過二極管行程續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。放大器輸入端與環(huán)形分配器相連，在沒有信號輸入時，3D4K和3DD15功率放大器均截止，繞組無電流通過，當A相通電時，步進電機轉(zhuǎn)動一步。步進電機驅(qū)動方案的比較。所以需要進行功率放大。 表31 CH250工作狀態(tài)表 R R*CLENJ3rJ3LJ6rJ6L 功能00↑11000雙三拍正轉(zhuǎn)↑10100反轉(zhuǎn)↑10010六拍（1~2相）正轉(zhuǎn)↑10001反轉(zhuǎn)0↓1000雙三拍正轉(zhuǎn)0↓0100反轉(zhuǎn)0↓0010六拍（1~2相）正轉(zhuǎn)0↓0001反轉(zhuǎn)↓1不變00↑110A=B=C=001A=B=0、C=034 步進電機伺服系統(tǒng)的功率驅(qū)動 功率放大器又叫功率驅(qū)動器，由于脈沖分配器輸出端A、B、C的輸出電流很小，如CH250脈沖分配器的輸出電流大約為200400μA，而步進電動機的驅(qū)動電流較大，如75BF001型步進電動機每相靜態(tài)電流為3A，為了滿足驅(qū)動要求，脈沖分配器輸出的脈沖需經(jīng)脈沖放大器（即功率放大器）后才能驅(qū)動步進電機，功率放大電路對步進電機的性能影響很大，驅(qū)動電路的核心問題是如何提高步進電機的快速性和穩(wěn)定性。A、B、C 為環(huán)形分配器的三個輸出端，經(jīng)過脈沖放大器（功率放大器）后分別接到步進電動機的三相線上。當脈沖CP由CL端 輸入，只有EN端為高電平時，時鐘脈沖的上升沿才起作用。R*是雙三拍的復位端，R是六拍的復位端，使用時，首先將其對應復位端接入高電平，使其進入工作狀態(tài)，然后換接到工作位置。其工作狀態(tài)表如表31。圖34（a）為CH250引腳圖。觸發(fā)器工作的同步信號就是來自插補器的某個坐標軸的位移驅(qū)動信號Δx或Δy。因為步進電機有幾相就需要幾個序列脈沖，所以步進電機有幾相，就要設(shè)置幾個觸發(fā)器。硬件環(huán)形分配驅(qū)動與數(shù)控裝置的連接硬件環(huán)型分配器可由D觸發(fā)器或JK觸發(fā)器構(gòu)成，亦可用專用集成芯片或通用可編程邏輯器件。因此，在插補器到步進電機之間必須有個能將插補器的單序列脈沖轉(zhuǎn)換為步進電機需要的多序列脈沖的裝置，這就是環(huán)行分配器。33 環(huán)形分配器 步進電機的轉(zhuǎn)動是靠不停地改變各相繞組的通電順序?qū)崿F(xiàn)的，若想讓某相繞組通電，就要給某相繞組提供一組序列脈沖，因此步進電機有幾相，就要為其提供幾個脈沖序列。從環(huán)形分配器來的進給控制信號的電流只有幾毫安，而步進電機的定子繞組需要幾安倍電流。作用：把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進電機定子繞組通,斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變此術(shù)及順序與進給脈沖的個數(shù)及方向?qū)?，環(huán)形分配器可以由硬件邏輯線路構(gòu)成，也可以用軟件來實現(xiàn)。經(jīng)過該電路后，輸出脈沖的個數(shù)與輸入的進給脈沖的個數(shù)相等，以保證電機不會丟步。為了保證步進電機能夠正常、可靠地工作，上述躍變頻率必須首先進行緩沖，使之變成符合進電機加減速特性的脈沖頻率，然后再送入步進電機的定子繞組。而且應有一定的時間常數(shù)。加減速電路也稱自動升降速電路。這從機械加工工藝方面來看是不允許的，即使允許，控制線路也相當復雜。在實際的機床進給控制中，這些與某個進給方向相反的個別脈沖的出現(xiàn)，意味著步進電機正在沿著一個方向旋轉(zhuǎn)時，在反向的方向旋轉(zhuǎn)極個別幾個步距角。加減脈沖分配電路。脈沖混合電路的作用。其驅(qū)動控制如圖33所示。3．工作臺運動方向的控制 步進電機定子繞組的通電順序→步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)→工作臺的進給方向步進電機的驅(qū)動控制線路。32 步進電動機驅(qū)動控制器的構(gòu)成1．工作臺位移量的控制進給脈沖數(shù)N→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)N→步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角→工作臺位移量L。若步進電動機通電的脈沖頻率為f，則步進電動機的轉(zhuǎn)速ns公式為：式中：Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；N一個周期的運行拍數(shù)。它取決于電機結(jié)構(gòu)和控制方式。在步進電機負載能力允許的情況下，這種線性關(guān)系不會因為負載的變化等因素而變化，所以可以在較寬的范圍內(nèi)，通過對指令脈沖頻率和數(shù)量的控制，實現(xiàn)對機床運動速度和位置的控制。 步進電機的主要特性。所謂“單”是指每次只有一相繞組通電；所謂“三拍”是指經(jīng)過三次切換控制繞組的通電狀態(tài)為一個循環(huán)。定子繞組每改變一次通電方式，稱為一拍。這樣，用不同的脈沖通入次序方式就可以實觀對步進電動機的控制。反之則為順時針方向旋轉(zhuǎn)。 圖32 步進電機的通電示意圖若按ABCA通電相序連續(xù)通電，則步進電機就連續(xù)地沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，每換接一次通電相序，步進電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)過30176。當C相通電時，電動機鐵芯CC方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沒逆時針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子3齒與C相磁極對齊。當B相通電時，電動機鐵芯BB方向產(chǎn)生磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)30176。當A相通電時，電動機鐵芯AA方向產(chǎn)一磁通，在磁拉力作用下，轉(zhuǎn)子3齒與A相磁極對齊。 現(xiàn)在比較常用的步進電機包括反應式步進電機（VR）、永磁式步進電機（PM）、混合式步進電機（HB）和單相式步進電機等?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。如圖31所示。反應式步進電機在定子的每個磁極上面向轉(zhuǎn)子的部分，均勻分布著 5個小齒，齒槽等寬，齒間夾角為9度。每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)