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加工中心伺服系统的永磁同步电动机的自控变频
3) 永磁同步电动机的自控变频控制
图4.69为自控变频同步电动机控制框图。它通过电动机轴端上的转子位置检测器BQ(如霍尔元件、接近开关等)发出的信号来控制逆变器的换流,从而改变同步电动机的供电频率,调速时由外部控制逆变器的直流输入电压。

图4.69自控变频同步电动机控制框图
自控变频同步电动机在原理上和直流电动机相似,其励磁环节采用永磁转子,三相电枢绕组与V1、V2、V3、V4、V5、V6六个大功率晶体管组成的逆变器相连,逆变电源为直流电压。当三相电枢绕组通有平衡的电流时,将在定子空间产生以同步转速n1旋转的磁场,并带动转子以n1的转速同步旋转。其电枢绕组电流的换向由转子位置控制,取代了直流电动机通过换向器和电刷使电枢绕组电流的机械换向,避免了电刷和换向器因接触产生火花的问题,同时可用交流电动机的控制方式,获得直流电动机优良的调速性能。与直流电动机不同的是这里磁极在转子上是旋转的,电枢绕组却是静止的,这显然并没有本质的区别,只是处于不同位置的相对运动而图4.70为一个四极的位置检测器安装位置和逻辑图。在金属圆板上,每隔180°空间电角度就有凸部和凹部与N极和S极对应,如图4.70(a)所示。间隔120°空间电角度设置3个检测元件A、B、C,转子旋转时,检测元件A、B、C的输出为图4.70(b)上的a、b、c方波。利用a、b、c及其反向信号等六个信号,经逻辑运算得到晶体管V1、V2、V3、V4、V5、V6基极的控制脉冲。
转子每转过60°空间电角度,通过控制电路,顺序地使大功率晶体管导通。如按图4.70
所示的编号,则6个大功率晶体管按V6—V1—V2—V3—V4—V5—V6—V1顺序循环导通,每个功率晶体管导通120°空间电角度,给电枢绕组提供三相平衡电流,产生电磁转矩使电动机转子连续旋转。数控机床进给用三相永磁同步电动机,可采用自控变频的控制方式进行控制。永磁同步电动机利

图4.70位置检测器安装位置和逻辑图
矢量控制调速系统具有动态特性好、调速范围宽、控制精度高、过载能力强且可承受冲击负载和转速突变等特点。正是由于具有这些优良特性,近年来矢量控制随着变频技术的发展而得到了广泛的采用。直流电动机之所以具有优良的调速性能,是因为其输出转矩只与电动机的磁场Ö 和电枢电流Ia相关,而且这两个量是相互独立的。在利用频率、电压可调的变频器来实现交流电动机的调速过程中,通过“等效”的方法获得与直流电动机相同的转矩特性的控制方式,就叫矢量控制。即把交流电动机的三相输入电流等效为直流电动机中彼此独立的电枢电流和励磁电流,然后像直流电动机一样,通过对这两个量的控制,实现对电动机的转矩控制,再通过反变换,将控制的等效直流电动机还原成三相交流电动机。这样,三相交流电动机的调速特性就完全体现了直流电动机的调速特性。三相交流电动机的矢量变换过程见表


(1) 三/二相变换(U、V、W→α、β)见表中1和2,在三相定子绕组U、V、W中通过正弦电流iU、iV、iW,形成定子旋转磁通Ö ,它的旋转方向和角频率ω1分别取决于电流的相序和频率。通过等效变换,就可以用固定的、对称的二相绕组α、β的异步电动机来代替,即同样产生角频率ω1的定子旋转磁通Ö 。
(2)矢量旋转(VR)变换见表中2和3,将二相绕组α、β中的交流电流iα、iβ变换成以转子磁通Ö2 定向的直流电动机的励磁绕组d和电枢绕组q,分别通以励磁电流id和电枢电流iq。在确保旋转磁通Ö 恒定的前提下,实现了二相交流电动机与直流电动机的等效变换。由于励磁电流id与转矩成正比,电枢电流iq与转子磁通Ö2 成正比,所以在实际的调速控制系统中,id和iq可通过转矩指令和磁通来确定。
在VR变换中,转子磁通相位角ϕ 和磁通Ö2 的幅值检测有直接测量法和间接测量法两
种。从理论上讲,直接测量应该较为准确,但实际上却会遇到不少工艺和技术方面的困难。
而且由于磁槽的影响,测量信号中含有较大成分的脉动分量,转速越低越严重。因此,现
在实用的系统中,多采用间接计算的方法,即利用容易测量的电压、电流、转速等信号,
来实时计算转子磁通相位角

式中K1、K2——与电动机相关的常数;
ws——转差角频率,ws=K2iq/K1id;
w——转子实际旋转角频率。
等效后转子旋转磁场的角频率与原定子旋转磁场的角频率是相同的,因此对ω1进行积
分就可以获得转子磁场的相位角ϕ 。
(3)直角坐标/极坐标变换(K/P)把直角坐标系中的iq、id通过极坐标变换,即可求得定
子电流i1和负载角θ。而负载角θ与转子磁通相位角ϕ 的和即为三相交流电动机的旋转磁
通Φ的相位角θ1,它的大小决定了三相定子电流的角频率。矢量控制调速系统就是通过上述的矢量变换获得幅值和频率可调的正弦波,经过SPWM,驱动主电路中的三组共6个开关元件,输出电压到三相交流电动机,使电动机的

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