数控技术(伺服3)

6.3.3积分调节器及比例积分调节器1.积分调节器及控制规律∵Σ为“”地，且运放的内阻无穷大，∴即，输出的电压Uex为输入电压Uin对时间的积分。τ—为积分时间常数；“～”—输入输出相位相反。当输入信号由0变到某一电压时，电容C以近似恒流方式进行充电，输出电压与t(时间)呈线性关系，即，当t=τ时，ninRUidtUdtUcRidtcUininex1110tUUinexinexUU几分调节器有三个重要特性：a.延缓性：电容C充放电需要时间，输入阶跃电压后，输出变化较缓慢，呈线性增长。b.保持性：当输出阶跃信号Uin=0后,输出仍保持在输入信号改变前的瞬时值上。当tτ时消失，；当t≥τ时消失，c.叠加性：当输入一个阶跃信号后，再输入若干阶跃信号，输出端能把这些信号累加，上跳变相加，下跳变相减。即下图：)(44332221tUtUtUtUUininininexUexUinUinUext0UinUin1Uin2Uin30Uext1t2t3t4Uex1Uex2Uex3Uex4Uin4ttUUinexinexUU2.比例积分(PI)调节器由于运放内阻无穷大∑为“”地，故，输出电压为：当输出阶跃电压信号时，有分析：PI调节器的输出电压Uex由P、I两部分组成，在输出阶跃信号的瞬间，电容C相当于短路，输出相当于一个放大系数为Kp的比例环节，输出电压立即为KpUin；之后，随电容充电，输出电压开始积分，其数值不断增长，直到稳态，在稳态，Uin＝0，Uex仍维持稳定值。P调节的放大作用加快了系统的调节过程，I调节保持叠加实现稳态无静差。dtUUKdtUCRURRidtCiRUininpininex1110011dtUtUKUininpex0RUiin3.转速负反馈单闭环无静差调速系统调速两个目的：·速度指令改变时，电机转速随意改变。·速度指令不变时，电机转速稳定不变。无静差调速：稳定运行时，输入端的给定值与实测量的反馈值相等，相差为0。PI调节器输出端输入给定值和反馈值Un，当两者之间差不为0时，P调节迅速响应起控制作用，I最终消除稳态偏差。*nUPMW工作原理如下：1）当PWM输出脉冲在正半周时，经R2C2延时后，A1输出使T1、T4(+)，而A2，使T2、T3(-)；当PWM负半周时，经R3C3延时后，A输出,T2、T3(+)，A1使T1、T4(-)。2）突然加了负载后，电机转矩失衡，转速下降，使，即，△Un使PI调节器输出Uc产生一个增量△Uc，该增量PWM方波占空比δ发生变化，电机转速增加Un＝Un*为止，电机转速值增到加载前的值，但Uc比前增加了△Uc△Uc引起PWM占空比的变化，但不是用于改变n，是用于改变电枢电流ia，使电机转矩T与TL（外载）平衡。dtUUKUnnpc10*nnUUU*nnUU3）当外载负荷TL不变时，改变Un*，在突变的瞬间，使PI调节器Uc发生了变化使PWM占空比发生了变化改变了电机转速，电枢电流没变化，当Un*=Un时，电机达新的稳态。0*nnnUUU问题：一般直流伺服电机，机电常数τj＝数ms～数s，故电磁时间常数τd＝(10～30)ms，个别小于1ms，τjτd故用一个调节器调节两个参数n、I是困难的，难以达到良好的控制品质，采用双闭环调速方式。4.转速、电流双闭环调速系统ASR：速度调节器，是主调节器。内环工作从属于外环ACR：电流调节器，是辅调节器。nnnUUU*调节过程如下：1）突然启动：启动前，△Un*=0,Un=0，在突然加了Un*后的瞬间，电机的n=0。此时，达到最大值；由于采用的限幅的PI调节器，△Un使ASR的输出i＊快速达到饱和值im，直到UnUn*为止（即△Un为负值）。刚启动的瞬间，电动机电流电流的反馈值i＝0，ACR输入信号|－△i|=|－im*＋i|最大值，在该信号作用下，ACR的输出Uc增大PWM输出的脉宽发生变化，Ia增大，电动机启动。当启动电流达到最大值，反馈值i与给定值im*近似值相等，－△i=0,输出达到最大稳定值，Ia达到最大稳定值，T最大，给定转速。由于电磁常数τdτj(机械常数)，电枢电流达到最大启动电流时间比转子达到给定转速时间小许多，故启动动态响应短。2）抗负载扰动在速度给定值Un*不变的情况下，电动机负载变化时，双环系统能很好维持电动机速度不变。外载加大时，电机Un减小,△Un=(Un*－Un)增大，|－i＊|增大。在刚加瞬间i没变，故|－△i|＝|－i＊＋i|增大，使ACR的Uc增大,PWM输出方波的占空比变化，Ia增大。当△Un0，在PI累作用下，|－i＊|增大，且大于i，－△i增大，Uc增大Ia增大,电机升速直到△Un＝0且－△i＝0，Uc在新的稳定数值上。用来平衡变化后的外载，使速度不变。3）抗电网电压扰动过程由于电网电压波动，使Ia变化，由于机电时间常数作用，当转速尚无变化时，电流负反馈值i已变化使－△i、Uc变化PWM占空比变化，从而消除电网电压波动引起Ia的变化。小结：外载变化使n变化，由ASR调节起主要作用；电网电压波动，使Ia变化,ACR起主要作用。6.4交流伺服电动机调速系统直流伺服电机有明显的弱点——由于机械换向器和电的存在，易磨损，易产生火花，降低了电机运行的可靠性，增加了维护和保养的负担。且直流伺服电机结构复杂，成本高，使用受到一定的限制。近十多年来，直流伺服电机已被交流伺服电机所代替。交流伺服电机无电、结构简单、动态响应好，输出功率大，在数控机床上广泛应用。交流伺服电机分为交流永磁式：用于进给交流感应式：住轴伺服系统由交流电的频率来决定。f减小，n减小；f增加，n增加，可以改变供电频率的方法来调速。交流电动机速度控制分为标量法，属开环控制矢量法，属闭环控制6.4.1交流伺服电动机调速主电路由电机学知识可知，交流电动机的转速公式为：(6－17)（f—定子供电电压频率；P—磁极对数；s—转差率）从上式可知，若均匀改变电动机定子供电电压的频率，则可以平滑地改变电动机的同步转速。异步电机中，定子绕组的反电势为：E＝4.44fωkΦ，若忽略定子阻抗压降，则端电压U≈E＝4.44fωkΦ(k为感应系数)。上式说明，在感应系数k＝c，端电压U不变；当频率f，同步角速度ω升高时，气隙磁通Φ减小，从转距公式，T=CmΦI2cosΦ，当Φ减小，则导致T减小，使电动机利用率恶化，严重时电动机会堵转。另外，U＝C，当f减小，Φ增大，会使磁路饱和，激励电流上升，导致缺损急剧增加。所以，为使T＝C，需要保持Φ＝C，即要求变频的同时改变定子电压U，即变频调速关键问题是要获得调频调压的交流电源。)1(60sPfn1.变频器定义：将电网供电的2频（f＝50HZ）交流电源变为适用于交流电机变频调速用的电压可变、频率可变的交流电的交流装置。变频器可分为：交—交VVVF变频器交—直—交VVVF1）交—交变频器（直接变频器、周波变频器）定义：直接将电网的交流电变为电压和频率都可以调节的交流电（VariableVoltageVariableFreqency）下图由两组反并联的整流器p组和N组构成。若p组，N组交替地向负载R供电，则在负载上获得交流电压U0；U0的幅值由两组可控整流器的控制角α决定。U0的频率由p、N整流器的切换频率来决定。由于U的输出波形是由供电电源波形是由供电电源波形经整流后得到的，故交流输出的频率不能高于电网的频率。P组通N组通0U0t2）交—直—交变频器以单相负载供电为例说明可控硅整流装置把交流变为直流电，开关元件1、3和2、4交替对负载R供电，获得负载上的交流输电U0。U0的幅值由可控硅整流装置的控制角α来决定；U的频率由开关元件的切换频率来定，不受电源频率的限制。1,3通2,4通0U0t3）变频器的基本构成•整流器：～为交流电，整流器可采用硅整流元件构成不可控整流器，也可采用晶闸管可控整流器。交流输入电源可用单相或三相，视交流电机容量而定。•滤波器：用来缓冲直流环节和负载之间的压力能量，电滤波电压型，大电感滤波电流型。•功率逆变器：—直流电变为～电。功率元件有晶闸管、大功率晶体管、功率场效应管。•控制器：控制逆变器中个功率元件的工作状态，使逆变器输出预定电压和预定频率的交流电源。2.逆变器定义：将直流电变为交流电的变流装置称功率逆变器。（反之为整流器）按功能分电压型逆变器电流型逆变器按控制方法分脉宽PWM逆变器脉幅PAM逆变器按逆变器波形分矩形（方法）逆变器分类正弦波逆变器按使用功率元件分晶闸管(SCR)可关断晶闸管(GTD)大功率晶体管(GTR)功率场效应管(P-MOSFET)按逆变器控制分固定压变，固定频率(CV,CF)固定压变，可变频率(CV,VF)可变电压，可变频率(VV,VF)一般，异步步电动机采用VVVF逆变器。6.4.2SPWM波调制原理SPWM变频器同时适用于永磁式及感应式伺服电动机，采用正弦规律的脉宽调制原理，功率数增大、波形好等优点，交流调速系统中广泛应用。1.一相SPWM波调制原理交流SPWM中，输出电压U0由△波调到正弦电压得到U为幅值相等、宽度不等方波信号。各脉冲的面积与正弦波下的面积成比例，脉宽基本上按正弦分布，基波是等效的正弦波。调制原理如下：当控制电压(U1△波)U1Ut时，电压比器输出(高电平)，反之输出电平。双极性SPWM波调制原理将右图正弦正半周分成N等分，每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都一个与此面积相等的等幅矩形脉冲所代替，即N个等幅而步等宽的矩形脉冲组成的波形与正弦正半周等效。任何一个平滑的曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅的脉宽正比于该函数值的矩形脉冲。图中看出，幅值为Um脉宽按正弦规律变化的矩形脉冲。如果这一组矩形脉冲作为逆变器多开关元件的控制信号，则在逆变器输出端获得一组类似的矩形脉冲，其幅值为逆变器的直流电压Ud，宽度按正弦规律变化。这一组矩形脉冲可用正弦波等效，正弦波的负半波，用负值三角波调制。当逆变器输出端升高电压时，加大正弦波的幅值，逆变器输出UdUm不变，脉宽加大，达到调压目的，当逆变器要变频时，改变正弦波频率亦可。2.三相SPWM波的调制在三相SPWM调制中，△波发生器Ut是共用的，每一相有一个输入正弦信号和一个SPWM调制器输入Ua、Ub、Uc信号相差120°的正弦交流信号，幅值频率均可调。在三相桥式逆变器中，有180°导通型换向方式和120°导通性换向方式(在某一瞬间，控制一个开关器关断，同时使另一个开关器导通，就实现了两个之间的换向)。同一个桥臂上，下两管之间互相换向的逆变器为180°导通型逆变器，例：T1(－)后T4(＋)，当T4(－)后T1(＋)。即每个开关在一个周期内导通的区间为180°，其他相亦如此。在180°导通型逆变器，每一时刻总有3个开关器导通，但须注意防止同一桥臂上的上下管相通，连成直流电源段路换向时，采取“先断后通”的原则。T6T5T4300～360°T5T4T3240～300°T4T3T2180～240°T3T2T1120～180°T6T2T160～120°T6T5T10～60°导通器件时间段180°导通型逆变器开关导通规律120°导通型逆变器的换向在同一不同桥臂的左右两管之间进行的。例：T3(－)后T5(＋)，T4(－)后T6(＋).每个开关器件一次连续导通120°，在同一时刻只有两个器件导通。若负载由动机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。3.SPWM变频器功效SPWM调制波经功放后才能驱动电机。功放电路如下图：整流器：用六个硅整流元件接成三相桥式整流电路；滤波器：两只高压大容量串联接在整流器的直流输出端，以缓冲直流部分与负载之间的无功功率构成电压型变频器，并联大瓦数的电阻，是断电时电容释放之用。逆变器：采用大功率晶体管构成(GTR)4.SPWM调制的制约条件1）开关频率功率器件的开关频率决定了调制三角波的频率。普通晶闸管开关频率300～500HZ；