交流伺服与变频技术及应用 工业和信息化高职高专“十二五”规划教材立项项目 教学课件 ppt 作者 龚仲华 导论.ppt

交流伺服与变频技术,主讲人：龚 仲 华 职 称：二级教授,导 论,一、交流电机控制系统概述 1. 交流传动与交流伺服 电机与作用 电机作用：将电能转变为机械能 交流电机：通入电机的电流为交流电控制难，但结构简单、转速高、几乎不需要维修 直流电机：通入电机的电流为直流电控制容易，但结构复杂，转速低，维修工作量大 ☞ 研发交流电机控制系统是当前技术发展的方向电机需要控制什么？ 速度：改变电机转速，控制机械运动速度； 位置：保证在指定位置停止，控制机械定位 ☞ 控制速度的系统称为传动系统； 控制位置的系统称为伺服系统 ☺要点： 交流电机驱动的伺服系统、传动系统统称为交流电机控制系统； 伺服系统同样需要控制电机的速度和转矩 2. 交流电机的调速 交流电机的种类 同步电机：在允许范围内，如交流电的频率不变，负载变化不会引起电机转速的变化感应电机：即使交流电的频率不变，电机的转速也将随着负载的增加而降低 ☞ 感应电机俗称异步电机；伺服电机是同步电机 交流电机的转速公式 同步电机：n0 = 60 f / P （同步转速） 感应电机： n = n0 （1-S）（异步转速） f ：交流电的频率（Hz）； P：电机磁极对数； S：转差率（额定负载时的转速降低百分率）。

交流电机的转速方案 ☞ 改变频率的调速称为变频调速；改变磁极对数的调速称为变极调速；改变转差的调速称为变转差调速交流调速方案与比较 变极调速：通过改变电机绕组的连接实现，只需要继电——接触器电路控制，控制最简单但因P必须为正整数，只能成倍改变转速（有级调速） 变转差调速：本质改变电机的输出特性，可通过改变电枢电压、定子电阻、转子电阻等方式实现无级调速，但控制装置的体积大、硬件成本高 变频调速：直接改变电机供电频率实现无级调速，调速性能好、体积小、技术先进，但控制复杂，实现较困难3. 变频调速技术的发展（见P3,图0-1.2） 怎样调速：控制理论研究 变频调速：V/f控制 → 矢量控制 → 直接转矩控制 伺服驱动：BLDCM（方波、PID调节）→ PMSM（正弦波、矢量控制） 如何实现：控制技术研究 模拟量控制 → 数字控制 → 网络控制 用什么做：控制器件研究 GTR（电力晶体管）→ IGBT （复合电力电子器件） → IPM （功率集成器件） ☞ 变频器至今还没有世所公认的最佳方案4. 变频调速装置分类 ☺ 非常重要 ！ 变频器：专指控制普通感应电机的通用调速装置 应用最广泛，生产厂众多。

主轴驱动器：控制专用感应电机的专用调速装置多用于数控机床主轴调速，CNC生产厂提供 伺服驱动器：控制伺服电机（同步电机）的专用调速装置，可以实现位置控制 应用较广泛，生产较多，国产数控机床使用较多 ☺变频器、交流主轴驱动器、伺服驱动器广义上都是变频调速装置了解三者的大致区别 相同点 调速原理相同，都通过变频实现调速； 主回路相同，都采用PWM逆变电路 区别 控制对象不同 交流伺服：专用同步电机；15kW以下； 交流主轴：专用感应电机；100kW以下； 变频器：通用感应电机；最大到1000kW 性能区别很大（将在后期课中介绍） 用途不同（将在后期课中介绍）5. 常用伺服驱动品牌 ☞ 本课程的“伺服驱动”是指可独立使用的通用型伺服驱动器 国产数控配套的都是通用伺服 FANUC、SIEMENS数控配套的是专用伺服 日本 安川（YASKAWA） ： ∑II系列（广泛使用）、∑V系列（最新） 三菱：MR-J系列（常用）、 FR-J3系列（最新） 松下：MINAS-A系列（常用）、 FR-A5系列（最新） 国内 KND-SD98/SD100、GSK-DA98/DAT、GS2000等6. 常用变频器品牌 ☞ 本课程的“变频器”是指用于通用感应电机控制的通用变频器。

日本 安川： CIMR - *7系列（常用）、CIMR –*1000系列（最新）（ * = J、V、F、G） 三菱：FR-*500系列（常用）、 FR-*700系列（最新） （ * = S、E、F、A） 欧美 西门子（德）：MM420/430/440 系列（常用） 施耐德（法）：ATV系列（常用） ☞ 台湾、大陆电子产品均为日本早期的山寨产品二、交流调速系统的性能与比较 1. 技术指标 ☞ 技术指标：衡量产品内在质量与性能的参数 调速范围 系统在一定负载下实际可达到的最高转速与最低转速之比（或比值） ☞ 变频器：最大输出转矩大于120~150%（三菱）或：连续输出转矩大于50~60%（安川） ☺要点： 一定负载≠额定负载，变频器只有在额定转速的点上才能输出额定转矩和功率 调频范围≠调速范围，不能带负载的调速无意义调速精度 变频器控制4极（2对磁极）标准电机时，在额定负载下所产生的转速降与额定转速之比（百分率） δ=[（空载转速 - 满载转速）/额定转速 ]×100% ☺要点： 采用闭环控制时，变频器调速精度一般可以提高10倍 计算交流主轴、交流伺服的调速精度，式中的额定转速应为最高转速。

速度响应 系统在负载惯量和电机惯量相等、给定输入为正弦波信号时，速度（频率）输出可完全跟踪给定变化的最大正弦波输入频率值 ☺要点： 速度响应也称“频率响应”，可用rad/s或Hz两种单位表示 ：1Hz = 2π rad/s 速度响应是衡量交流调速系统性能（跟随性能）的重要指标 变 频 器：10~30 rad/s（1.5~5Hz） 交流主轴：300~500 rad/s（50~80Hz） 交流伺服：3000~4500 rad/s（500~700Hz）,2. 性能比较 输出特性（见P5 图0-2.1） 变频器：只有在额定转速的点上才能输出额定转矩和额定功率 交流主轴：额定转速以下输出转矩不变（恒转矩），额定转速以上输出功率不变（恒功率） 交流伺服：全范围输出转矩不变（恒转矩） ☺要点： 采用变频器调速时，应按照实际需要的2倍来选择电机功率和转矩 CNC机床的进给驱动需要转矩，切削加工需要功率；伺服电机不能用来作为机床主轴，反之亦然控制对象 变频器：所有通用感应电机，最大可达1000kW 交流主轴：专用感应电机，100kW以下 交流伺服：专用伺服电机，15kW以下 过载性能 变频器：短时过载120~150%。

交流主轴：短时过载200%，长时（30min）过载150% 交流伺服：短时过载200~350%， ☺要点： CNC机床的主轴功率一般有“连续/30min输出”两种表示法，如5.5/7.5kW等制动性能 变频器：感应电机开环控制，停止后无保持转矩 交流主轴：感应电机闭环控制，速度控制时停止后无保持转矩，位置控制时能产生恢复转矩 交流伺服：永磁同步电机闭环位置控制，停止后始终存在制动转矩 ☞ 称为零速锁定或伺服锁定功能 其他性能 ☞ 见P7，表0-2.2☺总体评价： 变频器：功率最大、性能最差、用量最广、价格最低 交流主轴：转速最高（＞60 000r/min）、用量最小、价格最高、性能较好 交流伺服：功率最小、转速最低、性能最好、用量较大。