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1、1 前言1.1 交流变频调速技术的发展与研究现状 随着计算机技术的发展，无论是生产还是生活当中，人民对数字化信息的依赖程度越来越高。如果说计算机是大脑，网络是神经，那么电机传动系统就是骨骼和肌肉。它们之间的完美结合才是现代产业发展方向。为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统实现全数字化控制。 由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。交流电机变频调速经历近20年的发展及应用，已逐步被人们接受并成为当代电机调
2、速的主流。由于变频器体积小、重量轻、精度高、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便、通用性强、易形成闭环控制等优点，它优于以往的任何调速方式，如变极调速、调压调速、滑差调速、串级调速、整流子电机调速、液力耦合调速等，因而深受钢铁、有色、石油、石化、化工、化纤、纺织、机械、电力、建材、煤炭、医药、造纸、卷烟、城市供水及污水处理等行业的欢迎。由于交流笼型电机没有直流电机的滑环和炭刷，极大的提高了系统可靠性和扩大了应用领域，它逐渐地替代直流调速，如上海宝钢一期工程和二期工程，几乎全是直流调速，而三期工程全为交流变频调速。这是对交流变频调速认识的升华。如果说我国变频器的研究和生产是从天传所(
3、电压型)、西整所(电流型)、大连电机厂(最早引进东芝技术)开始，那么，日本三垦(1984年)、日本富士(1988年)变频器的进入直接刺激了我国变频器行业的发展。20年来，不但有日本三垦、富士、美国罗宾康、德国西门子、欧洲ABB等外国公司进入中国市场并在中国建厂。还有象普传、佳灵、利德华福、英威腾、微能等70多家国产变频器厂家进入市场。已经形成了令人瞩目的变频器行业，政府规划、节能论坛、各种展览会都少不了变频厂家的参与。今日的变频器，已由压频控制发展到动态矢量控制和直接转矩控制等高性能控制，优点很多，如:转矩大。0频率时，转矩输出100%，0.5Hz时，转矩输出200%，对吊车、港机、搅拌机、转
4、炉倾动、高炉卷扬等重负载设备意义重大;高速CPU不但能测定负载的最佳控制电压和电流矢量，还能快速响应急变负载和及时检知瞬时功率，实现最短时间内平稳地加减速;控制精度可达0.02%，并具有010V，420mA，RS485接口，可以和计算机，现场总线通讯。另外还具备软启动功能，瞬时停电自动再启动功能，跳跃共振频率点功能，在线自整定功能，多种保护功能等。 (1) 在我国已形成了变频器理论和生产的专家队伍。 (2) 设计院、所已把变频调速作为新厂建厂和老厂设备改造的必备技术。 (3) 有上百家变频器的生产厂和几百家从事变频器二次开发的公司，他们提供变频器的基础产品。 (4) 有一个博大的变频器市场和技
5、术熟练的应用变频器电气工程师。 让我们回顾一下近20多年调速领域变化，这是惊人的。1995年11月14日中国石化报第一版“茂名石化公司炼油节能跃居同行业前面”文章称“仅通过变频调速技术一年就节电2000万kWh”。许多自来水公司的水泵、化工和化肥行业的化工泵、往复泵、有色金属等行业的泥浆泵等采用变频调速均产生非常好的效果。 1.2 变频调速技术的优点和发展方向1调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 2调速范围较大，精度高。 3起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 4变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 5易于实现过程自动化。 6必须有专用的变频电源，目前
6、造价较高。 7在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。在交流调速的研究与制造过程中，硬件的设计与组装占了相当大的比重。电机制造以及调速装置的制造需要大批的技术熟练工人，对人员的素质有一定要求。而国外相关产业的人工成本相对较高，在近十年内，交流调速的制造业有可能向发展中国家转移。对中国来说，这也是一个机遇，如果我们抓住这个机会，再利用本身的市场有利条件，有可能在我国形成交流调速系统的制造业中心，使我国工业上一个新的台阶。需要注意的是发达国家在高技术领域是不会轻易放弃的，他们非常注意核心技术及软件的保护和保密，为此，必须加大该领域的科研与开发的力度。1.3 数控机床主轴控制系统1.3.1主
7、轴控制系统的结构及分类目前，数控机床的主传动电机已经基本不再使用普通交流异步电机和传统的直流调速电机，他们与逐步被新兴的交流变频调速伺服电机和直流伺服调速电机代替。数控机床的主运动要求有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切屑用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。为了适应各种工件和各种工件材料的要求，多恭喜自动换刀的数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大。数控机床的变速时按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。由于直流和交流变速主轴电机的调速系统日趋完善，不仅能方便地实现宽范围的无级变速，而且减少了中间传递环节和提高了变速控制的可靠性，因此在数控机床的
8、主传动系统中更能显示出它的优越性。为了确保低速时的扭矩，有的数控机床在交流和直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速。由于主运动采用了无级变速，在大型数控车床上测斜端面时就可实现恒速切屑控制，以便进一步提高生产效率和表面质量。数控机床主传动主要有三种配置方式。(1)由调速电机直接驱动的主传动这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴的精度影响较大。(2)带有变速齿轮的主传动这是大、种型数控机床采用较多的一种方式。通过少数几对齿轮减速，扩大了输出扭矩，以满足主轴对输出扭矩特性的要求。一部分小型数控机床业采用此种传动方式，以获得强力切屑时
9、所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压油缸带动齿轮实现。(3)通过皮带传动的主传动这主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动是引起的振动与噪声。但它只能使用与要求的扭矩特性的主轴。1.3.2主轴控制系统的发展方向作为数控机床的重要功能部件，伺服驱动装置的特性一直是影响数控机床加工性能的重要指标。围绕伺服驱动装置的动态特性与静态特性的提高，近年来国内外发展了多种伺服驱动技术。可以预见，随着高速切削、超精密加工、网络制造等先进技术的发展，具有网络接口的全数字交流伺服驱动系统、直线伺服系统及高速电主轴等成为机床行业的关注热点，并成为伺服驱动系统的发展方向。 从2005年德国汉诺威
10、展览会，可以看到伺服驱动装置的两个发展趋势：(1)全数字化全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势。全数字化不仅包括伺服驱动内部控制的数字化，伺服驱动到数控系统接口的数字化，而且还应该包括测量单元数字化。因此伺服驱动单元内部三环的全数字化、现场总线连接接口、编码器到伺服驱动的数字化连接接口，是全数字化的重要标志。随着微电子制造工艺的日益完善，采用新型高速微处理器，特别是数字信号处理器DSP技术，使运算速度呈几何级数上升。伺服驱动内部的三环控制(位置环/速度环/电流环)数字化是保证伺服驱动高响应、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驱动所有的控制运算，都可由其内部的DSP完成，达到了伺服环路高速实时
11、控制的要求。一些产品还将电机控制的外围电路与DSP内核集成于一体，一些新的控制算法速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。 伺服驱动传统的模拟量控制接口，容易受到外部信号干扰，传输距离短。我国目前伺服驱动装置上大量采用的脉冲式控制接口，也不是真正意义上的数字接口。这种接口受脉冲频率的限制，不能满足高速、高精控制的要求。而采用现场总线的数字化控制接口，是伺服驱动装置实现高速、高精控制的必要条件。 全数字化已经延伸到测量单元接口的数字化。德国HEIDENHAIN将各种类型的编码器，如绝对、增量式和正余弦编码器的细分功能，都统一到EnDae2.2编码器连接协议中。细分过程在编码器内部完成
12、，再通过数字接口和伺服驱动连接起来，这才是真正的全数字化。(2)高性能表现为高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价比。在2005年汉诺威展览会上，日本发那科推出了HRV4伺服控制控制技术。伺服HRV4继承并进一步发展了HRV3的优点，具有如下特点：在任何时刻，均采用纳米层次的位置指令，使用1600万/转的i 高分辨率的脉冲编码器，可以实现纳米精度的伺服控制；HRV4超高速伺服控制处理器，所控制的电机转速可以达到60000r/min；HRV4控制算法，可使得伺服电机的最大控制电流减少50，并减少电机发热17，因此，伺服驱动装置可以获得更高的刚性和过
13、载能力。2 系统主电路设计 2.1 主电路工作原理本文所研制逆变器基于42V 的汽车电气系统， 逆变器交流侧的输出电流额定值为100Arms，对于这种低压大电流的应用场合，MOSFET 是非常合适的选择。MOSFET 相对于IGBT 而言，具有更小的导通电阻，因而导通损耗也就更小，能得到更大的变换器效率，这对于对体积和效率要求很高的汽车用ISG 逆变器而言，是个很大的优点。并且，MOSFET 的导通电阻具有正的温度系数，这使得MOSFET非常适于并联，不但可以得到更大的电流等级，而且还可以得到更小的导通电阻，进一步减小导通损耗。所以，本文选择MOSFET 做为主电路的功率开关器件。由功率半导体
14、器件开关引起的电压尖峰典型值在75V 到100V 之间，所以功率器件的阻断电压Vdss 必须高于这个区间，并且考虑到下一阶段关于Z 源逆变器的研究，直流侧的电压将有一定的提升，所以，取MOSFET 的Vdss 为150V。交流侧的输出电流额定值为100Arms，考虑到ISG 起动时需要的大电流（本设计中为200A ） 及MOSFET 安全工作区和结温对MOSFET 过流能力的影响，取MOSFET 的电流等级为300A。为了充分利用MOSFET 的导通电阻具有正温度系数适于并联的特点，考虑采用MOSFET 并联，这样可以减小导通电阻，减少导通损耗，提高变换器效率。不仅如此，在这一应用中，采用单一
15、的大尺寸MOSFET 成本较高，采用小尺寸MOSFET 并联可以降低成本，对价格很敏感的汽车工业而言是非常重要的。进一步考虑到逆变器系统总体结构设计的需要和将来功率的扩展，本文用6 个小功率的MOSFET 并联做为三相逆变桥的半个桥臂，这样，每个MOSFET 的电流等级选为50A 即可。经过对国内外主要半导体器件供应商产品的综合分析比较， 选定RENESAS 公司的FS50MS-3。2.2 直流侧电容选型主电容除了稳压外，还在蓄电池和逆变器之间起去藕的作用，为电机感性负载提供必要的无功功率。在ISG 逆变器这种电流较大、环境温度较高而体积又要求小的应用中，直流电容需要有较小的等效串联电阻（ES
16、R）和电感（ESL），高纹波电流能力以及紧凑的体积。因直流电容起储能的作用，所以电容的容量必须比较大，按40F /A 进行初选。直流侧电流为：所以主电容容量在5300F 左右。为了减小电容的ESR 和ESL，除了选用低ESR 和ESL 的电容外，考虑用小容量电容并联来得到大容量的电容，并且小容量的电容体积小，对于空间的利用非常有利，可使结构更加紧凑。本文在每一对上下桥臂MOSFET 的两端都并联一个小容量的电解电容，这样的话，每相桥臂并联6 个电解电容，三相共18 个电解电容。5300F电容分为18 个小容量的电容，则每个电容的容量约为295F，考虑到实际电容的规格并留一定的裕量，选取470F
17、 的电解电容，则18 个电容的容量为8460F。电压等级选与150VMOSFET 相当等级的160V。2.3 缓冲电路设计缓冲电路也称为吸收电路，在电力电子器件的应用中起着重要的作用。功率器件在开通时流过很大的电流，在关断时承受很大的电压；尤其在开关转换瞬间，电路中各种储能元件的能量释放会导致器件经受很大的冲击，有可能超过器件的安全工作区而导致损坏。附加各种缓冲电路， 可大大缓减器件在电路中承受的各种应力，设计合理的吸收电路还能降低器件的开关损耗、避免器件的二次击穿和抑制电磁干扰，提高电路的可靠性。目前常见的逆变器桥臂缓冲电路有如下三种：图2.1 所示缓冲电路直接在一个桥臂上下两个功率器件旁并
18、联一个电容，这种缓冲电路适用于中小功率场合，对抑制瞬变电压非常有效且结构简单、成本较低。图2.1 常见逆变器桥臂缓冲电路拓扑结构而B、C 缓冲电路适用于功率较大的场合，由于二极管的钳位作用，可抑制吸收电容和母线寄生电感之间的振荡，但结构相对复杂些。基于本文所设计的逆变器的功率等级，综合考虑装置的成本及设计的简易性，本文采用了图3A所示的缓冲电路。2.4 系统主电路参数设计与选择在复杂的三相PWM整流电路中，由于存在非线性期间，要确定主电路参数比较困难。很多文献在这方面进行了一定的探讨和研究，提出了一些计算方法，但是分析过程很复杂，而且最终结果也只是一个大致的取值范围。一种比较理想的解决方法是建
19、立可逆PWM整流器仿真模型，在一定范围内，选取不同值对系统仿真，根据实验结果确定各参数的数值.在目前的电力电子领域中，常用的电路仿真软件Pspice和MATLAB等要构造这种能量双向流动的PWM整流器有一定的局限性，而且建模很复杂.本研究采用功能强大、系统中可以同时进行数模混合仿真的软件SaberDesigner构造了仿真模型。三相可逆PWM整流器主电路图如图1所示，图中Ea、Eb和Ec为三相输入电压；Va，Vb和Vc为PWM整流器三相输入电压；Lre为整流器电感值；Rre为电感寄生电阻阻值；ia，ib和ic为三相输入电流。图2.2 三相可逆PWM整流器结构图假设三相电源输入电压式中Vm和分别
20、是三相输入电压幅值与角频率。将三相电压变换到d2q坐标系下面，得到通过给定整流器的有功功率P*和无功功率Q*得到其所对应的电流给定为了实现PWM整流器单位功率因数，无功功率Q*必须等于0。由式(1)和(2)得到整流器的d-q坐标系下的电流给定因为三相是平衡输入，所以可以将式(3)转换到d-q同步模式，得到对应的微分方程 式中id和iq是三相输入电流在同步坐标系下的值。根据上式可以构造电流调节器的设计为(忽略电感寄生电阻的影响)：式中，V*d和V*q为d-q轴电压给定;Kdp和Kdi为d轴PI调节器系数;Kqp和Kqi为q轴PI调节器系数.具体控制框图如图2.3所示，其中Ed=Vm，Eq=0，同
21、时忽略寄生电阻的影响。图2.3电流控制器控制框图加上电压环控制部分和电压电流检测部分，构成完整的系统，如图2.4所示.图2.4 PWM整流器系统图3 交流变频电机的参数设计及选型流电机选型要根据功率、转速、电压等级、应用场合、放水标准等条件选择，交流电机控制非常简单，运用变频器，软启动器或直接启动都可以控制，直流电机控制现在也不是很复杂，只是直流电机不能做到交流电机的免维护，故障率稍高，如果工作条件差还是建议使用交流电机。一般直流电机比交流电机造价高，但直流电机机械特性要稍好于交流电机。不过现在采用矢量变频控制技术的交流电机已经和直流电机特性已经非常接近。因此一般情况还是建议采用交流电机。 3
22、.1机电领域中交流电机的选择原则现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心，因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机，如图3.1所示。图3.1 各种电机的T-曲线（1）传统的选择方法 这里只考虑电机的动力问题，对于直线运动用速度v(t)，加速度a(t)和所需外力F(t)表示，对于旋转运动用角速度(t)，角加速度(t)和所需扭矩T(t)表示，它们均可以表示为时间的函数，与其他因素无关。很显然。电机的最大功率P电机，最大应大于工作负载所需的峰值功率P
23、峰值，但仅仅如此是不够的，物理意义上的功率包含扭矩和速度两部分，但在实际的传动机构中它们是受限制的。用峰值，T峰值表示最大值或者峰值。电机的最大速度决定了减速器减速比的上限，n上限=峰值，最大/峰值，同样，电机的最大扭矩决定了减速比的下限，n下限=T峰值/T电机，最大，如果n下限大于n上限，选择的电机是不合适的。反之，则可以通过对每种电机的广泛类比来确定上下限之间可行的传动比范围。只用峰值功率作为选择电机的原则是不充分的，而且传动比的准确计算非常繁琐。（2）新的选择方法一种新的选择原则是将电机特性与负载特性分离开，并用图解的形式表示，这种表示方法使得驱动装置的可行性检查和不同系统间的比较更方便
24、，另外，还提供了传动比的一个可能范围。这种方法的优点：适用于各种负载情况；将负载和电机的特性分离开；有关动力的各个参数均可用图解的形式表示并且适用于各种电机。因此，不再需要用大量的类比来检查电机是否能够驱动某个特定的负载。在电机和负载之间的传动比会改变电机提供的动力荷载参数。比如，一个大的传动比会减小外部扭矩对电机运转的影响，而且，为输出同样的运动，电机就得以较高的速度旋转，产生较大的加速度，因此电机需要较大的惯量扭矩。选择一个合适的传动比就能平衡这相反的两个方面。通常，应用有如下两种方法可以找到这个传动比n，它会把电机与工作任务很好地协调起来。一是，从电机得到的最大速度小于电机自身的最大速度
25、电机，最大；二是，电机任意时刻的标准扭矩小于电机额定扭矩M额定。3.2 交流变频电机的参数（1）电机的最高转速 电机选择首先依据机床快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。式中，为电机的额定转速（rpm）；n为快速行程时电机的转速（rpm）；为直线运行速度（m/min）；u为系统传动比，u=n电机/n丝杠；丝杠导程（mm）。（2）惯量匹配问题及计算负载惯量 为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求, 负载惯量JL应限制在2.5倍电机惯量JM之内，即。式中，为各转动件的转动惯量，kg.m2；为各转动件角速度，rad/min；为各移动件的质量，kg；为各移
26、动件的速度，m/min；为伺服电机的角速度，rad/min。（3）空载加速转矩空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80% 以内。式中，为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩（N.m）；为空载时加速转矩（N.m）；为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩（N.m）；为快速行程时加减速时间常数（ms）。（4）切削负载转矩 在正常工作状态下，切削负载转矩不超过电机额定转矩的80%。式中，为最大切削转矩（N.m）；D为最大负载比。3.3 根据负载转矩选择变频电机 根据伺服电机的工作曲线，负载转矩应满足：当机床作空载运行时，在整个速度范围内，加在伺
27、服电机轴上的负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内，即在工作曲线的连续工作区；最大负载转矩，加载周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。加在电机轴上的负载转矩可以折算出加到电机轴上的负载转矩。式中，为折算到电机轴上的负载转矩（N.m）；F为轴向移动工作台时所需的力（N）；L为电机每转的机械位移量（m）；为滚珠丝杠轴承等摩擦转矩折算到电机轴上的负载转矩（N.m）；为驱动系统的效率。式中，为切削反作用力（N）；为齿轮作用力（N）；W为工作台工件等滑动部分总重量（N）；为由于切削力使工作台压向导轨的正压力（N）；为摩擦系数。无切削时，。计算转矩时下列几点应特别注意。 （a）由于镶条产生的摩擦转矩必须充
28、分地考虑。通常，仅仅从滑块的重量和摩擦系数来计算的转矩很小的。请特别注意由于镶条加紧以及滑块表面的精度误差所产生的力矩。（b）由于轴承，螺母的预加载，以及丝杠的预紧力滚珠接触面的摩擦等所产生的转矩均不能忽略。尤其是小型轻重量的设备。这样的转矩回应影响整个转矩。所以要特别注意。（c）切削力的反作用力会使工作台的摩擦增加，以此承受切削反作用力的点与承受驱动力的点通常是分离的。如图所示，在承受大的切削反作用力的瞬间，滑块表面的负载也增加。当计算切削期间的转矩时，由于这一载荷而引起的摩擦转矩的增加应给予考虑。（d）摩擦转矩受进给速率的影响很大，必须研究测量因速度工作台支撑物(滑块，滚珠，压力)，滑块表
29、面材料及润滑条件的改变而引起的摩擦的变化。已得出正确的数值。（e）通常，即使在同一台的机械上，随调整条件，周围温度，或润滑条件等因素而变化。当计算负载转矩时，请尽量借助测量同种机械上而积累的参数，来得到正确的数据。3.4 根据负载惯量选择变频电机 为了保证轮廓切削形状精度和低的表面加工粗糙度，要求数控机床具有良好的快速响应特性。随着控制信号的变化，电机应在较短的时间内完成必须的动作。负载惯量与电机的响应和快速移动ACC/DEC时间息息相关。带大惯量负载时，当速度指令变化时，电机需较长的时间才能到达这一速度，当二轴同步插补进行圆弧高速切削时大惯量的负载产生的误差会比小惯量的大一些。因此，加在电机
30、轴上的负载惯量的大小，将直接影响电机的灵敏度以及整个伺服系统的精度。当负载惯量5倍以上时，会使转子的灵敏度受影响，电机惯量和负载惯量必须满足： 由电机驱动的所有运动部件，无论旋转运动的部件，还是直线运动的部件，都成为电机的负载惯量。电机轴上的负载总惯量可以通过计算各个被驱动的部件的惯量，并按一定的规律将其相加得到。（a）圆柱体惯量 如滚珠丝杠，齿轮等围绕其中心轴旋转时的惯量可按下面公式计算：（kg cm2）式中，为材料的密度(kg/cm3)；D为圆柱体的直经(cm)；L为圆柱体的长度(cm)。（b）轴向移动物体的惯量工件，工作台等轴向移动物体的惯量，可由下面公式得出：（kg cm2）式中，W为
31、直线移动物体的重量(kg)；L为电机每转在直线方向移动的距离(cm)。 图3.2 圆柱体围绕中心运动时的惯量（c）圆柱体围绕中心运动时的惯量如图3.2所示：属于这种情况的例子：如大直经的齿轮，为了减少惯量，往往在圆盘上挖出分布均匀的孔这时的惯量可以这样计算：（kg cm2）式中，为圆柱体围绕其中心线旋转时的惯量(kgcm2)；W为圆柱体的重量(kg)；R为旋转半径(cm)。（d）相对电机轴机械变速的惯量计算将上图所示的负载惯量Jo折算到电机轴上的计算方法如下：（kg cm2）式中，、为齿轮的齿数。3.5电机加减速时的转矩（1）按线性加减速时加速转矩如图3.3所示图3.3电机加速或减速时的转矩按
32、线性加减速时加速转矩计算如下： （N.m）式中， 为电机的稳定速度；为加速时间； 为电机转子惯量（kg.cm2）；为折算到电机轴上的负载惯量（kg.cm2）；为位置伺服开环增益。加速转矩开始减小时的转速如下：（2）按指数曲线加速（如图3.4所示）图3.4 电机按指数曲线加速时的加速转矩曲线此时，速度为零的转矩To可由下面公式给出： （N.m）式中，为指数曲线加速时间常数。（3）输入阶段性速度指令 这时的加速转矩Ta相当于To，可由下面公式求得（ts=Ks）。 （N.m）4 系统控制电路设计4.1 触发控制回路设计 由图4.1可见，三相交流经不控整流变换成直流，贮能电容C起平波作用，使加于逆变器
33、桥臂的电压为一恒压源，Ud为直流母线电压; R和T组成能耗制动回路;PWM逆变器由三相六个桥臂构成，把直流电变换成三相交流输出，即变压也变频，输到电动机的三相电压和频率都是同时变换的。实际应用上经电流反馈控制后，逆变器输出的三相电流为近似对称的正弦交流电流，以使电动机获得圆形旋转的气隙磁场。整个电路称为交-直-交变换器(AC-DC-AC Converter)。 图4.1交流伺服主回路原理图 在交流伺服系统中，永磁同步电动机(PMSM)是一个执行元件，在逆变器中PMSM是一个非常关键的机电能量转换的元件，它的运行状态是伺服系统控制性能的体现。要使电动机能很好地体现各式各样的控制性能，达到各种设计
34、要求，电动机参数与变换器各环节的参数必须很好地匹配。4.2 驱动电路设计驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、泵升保护、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。4.2.1 开关频率和主回路附加电感的选择力矩波动也即电流波动，由系统设计给定的力矩波动指标为I/IN，对有刷直流电动机而言，通常在(510)%左右。为了便于分析可认为I/IN=I/(Us/Rd) (1)式中Rd为电枢回路总电阻。代入前面各种驱动控制方式的I表达式中，消去Us，可求出：对于单极性控制 Ld/Rd5T2.5T(可逆或不可逆) (2)对于双极性控制Ld/Rd10T5T （3
35、）式中T为功率开关的开关周期。对于有刷直流电动机，电磁时间常数Ld/Rd一般在10ms至几十毫秒。若采用GTR，开关频率可取2KHz左右，T=0.5ms。若采用IGBT，开关频率可取18KHz以上，所以上式均能满足。若采用GTO或可控硅功率器件，由于工作频率只有100Hz左右，此时应考虑在主回路附加电抗器，且 Ld=Lf+La (4)对不可逆系统还应进一步检查临界电流，IaL=UsT/8LdIa0应小于电机空载电流，防止空载失控。对于低惯量电机、力矩电动机，由于电磁时间常数很小（几个毫秒或更小），此时应考虑采用开关频率高的IGBT功率开关器件。4.2.2功率驱动电路的选择图4.2 H桥开关电路
36、小功率驱动电路可以采用如图4.2所示的H桥开关电路。UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。由于大功率PNP晶体管价格高，难实现，所以这个电路只在小功率电机驱动中使用。当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管(BG1和BG3)的基极电平偏移问题。图中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。当驱动功率比较大时，一般桥臂电压也比较高，例如直接取工频电压，单相220V，或三相380V。为了安全和可靠，希望驱动回路（主回路）与控制回路绝缘。此时，主回路必须采用
37、浮地前置驱动。图4.3所示的浮地前置驱动电路都是互相独立的，并由独立的电源供电。由于前置驱动电路中采用了光电耦合，使控制信号分别与各自的前置驱动电路电气绝缘，于是使控制信号对主回路浮地（或不共地）。图4.3 大功率驱动电路4.2.3 具有光电耦合绝缘的前置驱动电路对于大功率驱动系统，希望将主回路与控制回路之间实行电气隔离，此时常采用光电耦合电路来实现。有三种常用的光电耦合电路如图4所示，其中普通型的典型型号是4N25、117等，高速型的典型型号有985C，高电流传输比型也称达林顿型，典型型号有113等。图4.4 典型光电耦合器电路图4.4中，普通型光耦的Ic/Id=0.10.3；高速型光耦采用
38、光敏二极管；高电流传输比型光耦的Ic/Id=0.5；它们的上升延时时间和关断延时时间分别为tr，ts45s；tr，ts1.5s；tr，ts为10s左右。光电耦合器与后续电路结合就能构成前置驱动电路，如图4.5所示。这个前置驱动电路的上升延时tr3.9s，关断延时ts1.6s，可以在中等功率系统中使用。图4.5 前置驱动电路为了对功率开关提供最佳前置驱动，现在已有很多专用的前置驱动模块。这种驱动模块对功率开关提供理想前置驱动信号，保证功率开关迅速导通，迅速关断，对功率开关的饱和深度进行最佳控制，对功率开关的过电流、过热进行检测和保护。例如，EX356、EX840等等。4.2.4防直通导通延时电路
39、对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号，由于带载情况下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，例如当下桥臂晶体管未及时关断，而上桥臂抢先开通时就出现所谓“桥臂直通”故障。桥臂直通时电流迅速变大，造成功率开关损坏。所以设置导通延时，是必不可少的。图4.6是导通延时电路及其波形。图4.6 导通延时电路及波形导通延时，有时也称死区时间，可通过RC时间常数来设置；对GTR可按0.2s/A来设置；对MOSFET可按0.10.2s设计，且与电流无关，IGBT可按25s设计。举例说明，若为GTR，f=5kHz，双极性工作，调宽区域为T/2=1/10=0.1ms。若I=100A，则t=0.2X100=2
40、0s，则PWM调制分辨率最大可能性为 (T/2)t=0.1/0.02=5 (5)这说明死区时间占据了调制周期的1/5，显然是不可行的。所以对于100A的电机系统，GTR的开关频率必须低于5kHz。例如，2kHz以下，此时分辨率达12.5左右。 驱动电路的设计还有很多问题，例如过压、过流、过热、泵升保护等等。4 系统电气控制线路设计 4.1 系统电气控制线路主要设计要求1Y降压起动；2电动机能正反向运行；3系统求有能耗制动；4 系统电压及电流保护； 4.2 电气控制单元电路设计4.2.1 Y降压起动电路 本设计中，降压启动采用了 降压启动电路。线路工作原理如下：合上总开关QS，按SB2起动按钮，
41、KT1、KM3通电吸合，KM3触点动作使KM1也通电吸合并自锁，并使KM得电吸合，电动机M接成星形减压起动，随着电动机转速的升高，起动电流下降，这时时间继电器KT1延时到其延时长闭触点断开，因而KM3断电释放，KM2通电吸合，电动机M接成三角形正常运行，这时时间继电器也断电释放。4.2.2 电动机正反转控制电路在实际的生产中，为了提高劳动生产率，减小辅助工时，所以系统中设计了交流电机的正反转控制电路。由于电动机正转时，若按下反转按钮，首先应断开正转接触器线圈线路，待正转接触器释放后，再接通反转接触器，于是，为此可以采用两只复合按钮实现之。其控制线路如电气控制原理图所示。线路工作原理如下：正转至
42、反转，按下SB3，使KM1断电，KM4得电，KM4自锁，并与KM1互锁，电机有正转变为反转；反转时，按下SB5工作原理与上述相同。4.2.3 能耗制动回路设计 本设计中采用的是时间原则控制的单向能耗制动控制线路。在电动机正常工作时，若按下停止按钮SB7，电动机由于KM断电释放而脱离三相交流电源。而直流电源则由于接触器KM5线圈通电KM5主触头闭合而加入定子绕组，时间继电器KT2线圈和KM5线圈同时通电并自锁，于是电动机进入能耗制动状态。当其转子的惯性速度接近于零时，时间继电器延时打开的常闭触头断开接触器KM5线圈电路。由于KM5常开辅助触头的复位，时间继电器KT2线圈的电源也被断开，电动机能耗
43、制动结束。图中KT的瞬时常开触头的作用是考虑KT线圈断线或机械卡住故障时，电动机在按下按钮SB6后电动机能迅速制动，两相的定子绕组不致长期接入能耗制动的直流电流。该线路具有手动控制能耗制动能力，只要使停止按钮SB6处于按下状态，电动机就能够实现能耗制动。4.2.4 系统保护电路设计 （1） 短路保护FU 绝缘损坏、负载短路、接线错误等故障，都可能产生短路现象。短路的瞬时故障电流可达到额定电流的几倍到几十倍而使电气设备损坏。短路保护要求具有瞬动特性，即要求在很短的时间内切断电源。该设计用常用的熔断器。如图32中的FU。 （2）过电流保护KI 过流保护是区别于短路保护的另一种电流型保护。电动机或电
44、器元件超过其额定电流的运行状态，时间长了同样会过热损坏绝缘，因而需要这样一种保护，即保护的特点是电流值比短路时小，一般不超过2.5I。过流保护也要求有瞬动保护特性，即只要过电流值达到整定值，保护电器立即切断电源。如图32所示，当电机运行时，按下SB8时，时间继电器KT的常闭触点立即闭合，将过流继电器KI接入电路。当电动机起动时，延时继电器KT的常闭触点闭合着，过流继电器的过电流线圈被短接，这时虽然起动电流很大，但过电流保护不动作。起动结束后，KT的常闭触点经过延时已经断开，过电流继电器KI开始起保护作用。当电流值达到整定值时，过流继电器KI动作，其常闭触点断开，接触器KM失电，电机停止运行。
45、（3）过载保护FR 过载也是指电动机运行电流大于其额定电流，但超过额定电流的倍数要小些。通常在1.5I以内。过载保护是采用热继电器和接触器配合动作的方法完成保护的。如图32中的FR在过载时其常闭触点动作，使KM失电，电动机停转而得到保护。 （4）电压保护通过电压继电器KV接入，当电压高于或低于某规定值时其常闭触点动作，使接触器KM失电，电机停转而得到保护。4.2.5 电气控制线路调试方法电气控制线路是为生产机械服务的，生产中使用的机械设备种类繁多，其控制线路和拖动控制方式各不相同，所以对电气控制线路的调试方法有一定的差异。然而，从整体上看，在调试的步骤、手段、处理方法上是大致相同的。为此，下面
46、将对调试电气控制线路的共性问题进行讨论。为了实现生产机械的工作任务以及达到规定的静态、动态性能指标，必须在系统安装竣工并经质量检验合格后，进行认真细致的调试工作。这是确保系统安全可靠、合理进行的必要手段。为此，应做到以下几方面要求。按技术文件及图纸对各单体设备、附属装备进行外观检查，关键尺寸检查，装配质量及部件互换性检查，接线检查，绝缘试验等常规的检验，以发现整个系统的设备及附件在经过长途搬运、仓库保管以及安装过程中有无损坏、差错或其他隐患。找出并核对系统中各电源装置的极性、相序以及各单元之间的正确连接关系。将所有保护装置均按设计要求进行整定。对每一单元进行特性测定、调整、试验，使其工作在最合
47、理的工作状态达到满意的技术指标。通过调试，使得整个系统获得较为理想的静态特性和动态指标。验证在各种状态下，系统工作的可靠性，以及各种事故状态下保护装置的可靠性。通过调试，校核设计文件的正确性及提供修改设计的必要依据。调试前的准备工作：1.应具备完整的设计图纸、说明书（包括有关计算）以及主要设备的技术文件。2.应编制详尽的系统调试大纲，明确规定各单元、各环节以及整个系统的调试步骤、操作方法、技术指标。3. 应挑选对本系统有一定了解的熟练技术人员和电工参加调试工作，必要时可邀请有关设计人员及厂家技术人员参加调试。4.除一般常用的仪器、仪表、工具、器材、备品、配件等应齐备完好外，还应准备好被调试系统所需的专用仪器和仪表，如双踪示波器等。5.为确保调试安全顺利进行，应具有可切断全部电源的紧急总开关，并认真考虑调试时的各种安全措施。调试前的检查
