交流伺服系统

第三节交流伺服系统
交流伺服电机分两大类：
同步型：多用于机床进给传动控制（运动，位置）
异步型：多用于机床主轴转速（调速）一．异步型交流电动机的变频调速的 基本原理及特性。

转速方程：
n—电机转速
n1—定子转速磁场的同步转速
f1—定子供电频率
s—转差率
p—极对数
可以改变其同步转速改变供电频率f1，

n1，实现调速运行。也称为变频调速。

变频调速控制时，希望电动机的每极磁场保持额定值不变。

由。E1=4.44f1N1φm.

可知.φm的值是由E1和f1共同决定的，对E1.f1进行适当控制，就可使磁通φm保持额定值不变。

分两种情况：
从基频（电动机的额定频率f1n）向
下调速的情况。要求降低供电频率的
同时降低感应电动势，保持E1/f1=常
称为恒磁通变频调速，属于恒转数，
矩调速方式。

2．基频以上的弱磁通变频调速。

基频开始向上调速。频率由额定
值f1n向上增大，但电压V1受额
定电压V1n的不能再升高，只
能保持V1=V1n不变，必然会使
磁通随着f1的上升而减小，这属
于近似的恒功率调速方式，两种
情况综合起来。控制方式如图
3-31所示。
以正弦波脉宽调制（SPWM）型v/f控
制变频调速系统为例介绍系统结构和
工作原理。

1．SPWM变频器
图3-32所示
脉宽调制技术中，以所期望的波形作

为调试波，受它调制的信号称为载波。

在SPWM中常用等腰调波，与光滑正弦曲线相比较，得到一组等幅而脉冲宽度随时间按正弦规律变化的矩形脉冲。

输出基波电压的大小和频率可以通
过改变正弦调制信号的幅值和频率
而改变。
载频比N=fc/f f—正弦调制波
的频率
fc—三角载波的
频率
载波比N是否改变。分为同步，异

步调制两种方式。

（1）同步调制
在改变f的同时或正比的改变fc，使N保持不变。

优点：可保证输出波形对称
缺点：当输出频率很低时，若仍保持N值不变，会导致谐波含量变大，使电动机产生较大的脉动 转矩。

改变f的同时，fc的值保持不变，使N值不断变化。

优点：可使逆变器低频运行时N加大。

缺点：可以使N值出现非整数， 可能连续漂移，正，负半波不对

称，当N不能是够大时，引起电机工作不平稳。

（3）分段同步调制
完用的GTR逆变器常用分段同步
调制的方案。图3-34中
恒转矩区，低速段采用异步调制， 高速段分段同步化。N值不做改
变，恒动率，取N=1，保持输出
点，保证输出波形对称。

3．SPWM变频调速系统
原理如图3-35，作用原理： （1）绝对值运算器。

根据电动机正反转的要求，给定

电位器输出正值或负值电压。绝
对值运算器输出单一极性的电压， 输出电压的数值与输入相同，
（2）函数发生器
用来实现调速过程中电压u1和
频率f1的协调关系。函数发生器
的输入是正比于频率f1的电压
信号，输出是正比于v1的电压信
（3）逻辑控制器
电位器→（正，负，零电压）逻
辑开关→SPWM波输出→（正，
逆顺序，停转）
逆变器→电动机正，旋转，停止。

逻辑控制还要完成各种保护控制

第四节步进电动机控制系统
控制方式：开环、闭环
开环：不使用位置，速度检测，无反馈，没有闭环系统的稳定性问题，具有结构简单，使用维护方便，可靠性高。制造成本低等优点。

机或者交流电动机组成的开环控制系统

精度高。适用于精度要求不太高的机电一体化伺服传动系统。

图4-36，开环步进电动控制系统框图。指令脉冲→环形分配器→功率驱动器→

一．步进电动机
1．结构与工作原理
工作原理分类{磁电式
反应式
反应式：
步进电机定子绕阻中
通以直流电，就会产生磁场，

当u、v、w三个磁极绕组依次 场吸引转子转动。

步距角，步进电机每步转过的角度。步 进电机反转，只要改变通电绕 组转换的次序。为使步距角减 少，在转子和定子上开有很多 定分的小齿，定子上开的齿有

意错开一个角度。

2．步进电机的使用特性
（1）步距误差
直接影响执行部件的定位精度。

单相通电时，步矩误差决定于定
子和转子的分齿精度和各项定子
错位角度的精度。多相通电时不
仅与加工装配精度有关。还和各
有关。

（2）最高启动频率和最高工作频 率。

空载时，电机由静止突然启动，并逐步的进入稳速运行，所 允许的启动频率的最高值，称为

最高启动频率,fg。fg与电机的负
载惯量J有关，J↑→fg↓。国产
步进电机fg最大1000~2000HZ,
功率步进电机fg一般为
500~800HZ。最高工作频率，电
机连续运行时所能接受的最高频
率。它与步距角一起决定执行部
件的最大运行速度，和fg一样决
通电方式、控制电路的功率驱动
器等因素有关。

3．输出的转矩—频率特性
输入频率增高后，输出力矩Td要降 低。应根据负载要求参照高频输出转 矩来选用步进电机规格

二．环形分配器
使电动机绕组的通电顺序按输入 脉冲的控制而循环变化的装置。

运行中的通电顺序称为一个拍，若干个拍组成一个循环。三相步进电机有三种通电规律：三相三拍、三相六拍和双三拍。

→u→v→w→

→u→uv→v→vw→w→wu→↑←←←←←←←←←←↓

→uv→vw→wu→

实现环形分配的三种方法

1）采用计算机软件分配：

能充分利用计算机软件资源，但

是插补一次的时间增加，影响步进电

动机的运行速度。

2）采用小规模集成电路搭接一个硬

件分配器。是灵活性较大，不占用计

算机的工作时间，使插补的速度加快。

使用方便，接口简单。图3-40所示。

三．功率驱动器

功能是将环形分配器的输出信号

进行功率放大，得到步进电机控制绕

组所需要的脉冲电流，及所需要的脉

冲波形。驱动电路采用的功率元件有：

晶闸管功率驱动器和晶体管功率驱动器。主电路结构中有，单电压驱动和高低电压驱动，目前应用较广是晶体管功率驱动器，具有控制方便，调试容易。开关速度快等优点。

1．单电压驱动电路
只要某相为逻辑1，该相绕组便通
因其线路简单，常被用于驱动所电，
2．高，低压双压驱动电路
可改善电机的频率响应和电流
启动后运波形，转矩—频率特性好。

行频率得到大的提高。

3．伺服控制
（1）执行部件的位移量控制

θ步距角。

2）采用细分电路。以解决微量进 给与快速移动的矛盾。

3）提高系统组成环节的精度，包 括机械传动与支撑装置的精度。

第五节电液伺服系统
是由电信号处理部分和液压功率输
出部分组成的控制系统。
快速和方便等特点。

液压元件：理想的功率执行元件。

在信号处理部分采用电元件,在功率输出部分使用液压元件,两者之间利用电液伺服阀作为连接的桥梁,有机地结合起

优点：响应速度快、输出功率大、结构紧凑。

被控物理量分类：位置、速度、力或者压力伺服控制系统。应用最广泛的是电液位置伺服控制系统。

一．电液位置伺服控制系统
按控制元件的种类和驱动方式分：
1.节流式（阀控式）系统
阀控式：液压缸、液压马达
1)阀控液压缸电液位置控制系统
的工作原理
工作台位置能够精确的跟随指
令电位器滑臂位置的任意变化，

实现位置的伺服控制。

e

i



e

i



e

f



k

(

x

i



x

f

)

2)阀控液压马达电液位置控制系统的工作原理。

旋转变压器检测输入和输
误差信号转换成电压信号输出
es=k(θi-θl)
3)电液位置伺服系统应用实例
图4-46所示为用在轧钢机
上的电液位置伺服跑偏控制系

统

系统由光电检测装置，电放大器，电液伺服阀，液压缸、卷取机和液压能源装置组成。

光电检测装置用来检测钢带的横向跑偏及方向，它由电源和光电管接受器组成。

图4-47所示，利用光电管作为
一个桥臂构成的电桥电路，输出
差信号。送入放大器。信号经放
大后，输入电液伺服阀，伺服阀
输出与输入信号成正比的流量，
使伺服液压缸拖动卷取机的卷
筒向跑偏的方向跟踪，当跟踪位

移和跑偏位移相等时，偏差信号

等于零，卷筒停止移动，在新的平衡状态下卷取，完成了自动纠偏过程。

二．电液速度伺服控制系统
系统的输出量为速度，将此速
度反馈到输入端，并与输入量比较
就可以实现对系统的速度控制，
图3-48所示
三．电液力控制系统
以力或压力为被控制物理量的控制
系统。以液压带钢张力控制系统为例，
图3-49

力传感器

张力控制系统功能框图

新课小结：

电液位置伺服控制系统的工作原理、场合有较系统的了解，以利于今后的运用。
对异步型交流电动机的变频调速的基本原理及特性、步进电动机位置速度控制方式、

作业：

1．简述恒磁通变频调速（恒转矩调速） 2、简述恒功率变频调速

3、高低双电压驱动电路的作用

4、简述图4-49带钢张力控制系统

原理