第8章--交流伺服电动机及驱动

变频器及应用技术上海电机学院王侃夫变频器及应用技术第8章交流伺服电动机及驱动交流伺服电动机交流伺服驱动器一、伺服电动机概述伺服电动机作为进给电动机通常用于闭环或半闭环伺服系统中。为满足对伺服系统的要求，伺服电动机有别于普通电动机。从最低速到最高速，伺服电动机都能平稳运行，转矩波动小，尤其在低速时转速平稳无爬行现象。具有较长时间的过载能力，能承受频繁的启动、制动和正、反转。快速响应性好，机械和电气时间常数小。变频器及应用技术交流伺服电动机在正弦波交流伺服电动机中，当定子三相绕组通入三相正弦波电流后，就会在定、转子之间产生一个旋转磁场，由于转子是一个永磁体，因此，转子的转速也就是转子磁场的转速，而电磁转矩只能在定子旋转磁场和转子磁场完全同步时才发挥作用。为了实现同步控制，必须对转子角位移进行即时和精确的测量，为此，在电动机上通常同轴安装有光电编码器。当三相绕组通入正弦波驱动电流时，三相交流伺服电动机称为正弦波永磁同步电动机（PermentMagentSynchronousMotor）。二、正弦波永磁同步电动机（PMSM）变频器及应用技术交流伺服电动机西门子1FK6交流伺服电动机FANUC伺服电动机有α/αi和β/βiS系列AA向（卸掉罩壳后）内装编码器（增量式/绝对式）编码器处理电路（卸掉红色防护罩后）三相定子绕组转子铁心转子永久磁钢变频器及应用技术交流伺服电动机1FT5系列交流伺服电动机采用霍尔开关作为位置检测器。在电动机尾部机座上固定着霍尔开关组件，组件上有三个霍尔开关；转子上有带磁性条的感应盘，并随转子在霍尔开关槽内旋转。西门子1FT5系列交流伺服电动机当磁性条与霍尔开关对应时，霍尔开关便发出信号，该信号反映了转子转过的角度，经控制电路处理后对定子三相绕组进行换向控制，实现了电子换向器的功能。U、V、W三相电源霍尔开关和测速发电机信号光电编码器信号变频器及应用技术交流伺服电动机三、直流无刷电动机（BLDCM）变频器及应用技术交流伺服电动机四、伺服电动机在进给驱动中的应用一、BLDCM控制直流无刷电动机的驱动原理和直流电动机是等效的，无刷直流电动机采用电力电子逆变器和转子位置检测器，用静止的电子电路代替了换向器和电刷。为确保逆变器中的VT1～VT6按顺序通断，需用转子位置检测器实时检测转子位置信息给换向逻辑控制及驱动电路，输出ub1~ub6驱动电压给VT1～VT6大功率晶体管。PNUdcVT1VT2VT3VT5VT6VT4根据速度给定信号，经速度和电流调节，通过PWM和换向逻辑控制及驱动电路，输出占空比可调的基极驱动电压，实现电动机转速的控制。根据速度给定信号中的方向信息，经逻辑换向控制，使逆变器中的大功率晶体管的通断顺序发生改变，从而改变电机三相绕组的通电顺序，实现电动机的转向控制。交流伺服驱动器变频器及应用技术1.主电路及控制电路2.换向逻辑控制HWHUHV-iV、+iWVT6、VT5110300°～360°6-iU、+iWVT4、VT5101240°～300°5-iU、+iVVT4、VT3100180°～240°4+iV、-iWVT3、VT2011120°～180°3+iU、-iWVT1、VT201060°～120°2+iU、-iVVT1、VT60010～60°1绕组电流功率管导通HUHVHW转子角度状态换向逻辑及驱动电路电动机转子每转过60°，转子位置检测元件（霍尔开关）即获得一组逻辑信号，经驱动电路放大后，驱动VT1～VT6大功率晶体管逻辑导通，从而生成U、V、W三相交流方波电流。转子位置检测交流伺服驱动器变频器及应用技术3.三相绕组方波驱动电流在直流无刷电动机中，三相绕组通入的方波电流具有双极性、方波宽度为120电角度的特性，三相绕组电流每隔60改变一次。例如：在①状态，VT1和VT6导通，绕组U、V相导通（下张图片中的红色虚线）。在③状态，VT3和VT2导通，绕组V、W相导通（下张图片中的蓝色虚线）。三相绕组电流的改变是通过转子位置检测器（霍尔开关）、换向控制逻辑及驱动电路和逆变器共同配合来完成的。①②③交流伺服驱动器变频器及应用技术采用二相通电模式来控制三相BLDCM的运行。VT1和VT6导通时，电流流向为：P极→VT1→U相绕组→V相绕组→VT6→N极。VT3和VT2导通时，电流流向为：P极→VT3→V相绕组→W相绕组→VT2→N极。VT1～VT6导通、关断的逻辑控制是由三个霍尔开关来实现的。转子每转过60，有两相绕组换流。UdcUVWPN4.三相绕组方波驱动电流交流伺服驱动器变频器及应用技术5.SIMODRIVE611A伺服驱动装置功率模块电源模块插入式控制单元驱动电源三相交流电源交流伺服驱动器变频器及应用技术用电动机上的转子位置检测装置（如光电编码器）测得转子位置角，生成正弦信号，再与转矩电流合成，从而生成三相定子电流，即iU＝IsiniV＝Isin（－120）iW＝Isin（＋120）控制电路将正弦电压控制信号经SPWM获得六个大功率晶体管基极驱动电压，控制主电路中逆变器六个大功率晶体管的导通和截止，输出U、V、W三相正弦波电流，以控制电动机的运行。二、PMSM控制交流伺服驱动器变频器及应用技术PG速度反馈速度给定转子位置1.βi系列放大器βi-SVU伺服单元（SVU-4、20型，适用于βi2、4、8伺服电动机）βi-SVU伺服单元（SVU-40、80型，适用于βi12、22伺服电动机）βi-SVPM一体式主轴及伺服功率模块三、FANUC伺服放大器交流伺服驱动器变频器及应用技术交流伺服驱动器变频器及应用技术2.αi系列放大器三相交流异步电动机伺服电动机四、西门子伺服放大器交流伺服驱动器变频器及应用技术西门子1FK7交流伺服电动机SINAMICS120书本型驱动器1PH7三相交流异步电动机交流伺服驱动器变频器及应用技术SIMODRIVE611UE驱动装置SINAMICS120模块式驱动器