交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速解析，交流伺服電機(jī)的SPWM變頻調(diào)速

　　交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩部分，即定子部分和轉(zhuǎn)子部分。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同，在定子鐵心中也安放著空間互成90度電角度的兩相繞組。其中一組為激磁繞組，另一組為控制繞組，交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)使用時(shí)，激磁繞組兩端施加恒定的激磁電壓Uf，控制繞組兩端施加控制電壓Uk。當(dāng)定子繞組加上電壓后，伺服電動(dòng)機(jī)很快就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 通入勵(lì)磁繞組及控制繞組的電流在電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向決定了電機(jī)的轉(zhuǎn)向，當(dāng)任意一個(gè)繞組上所加的電壓反相時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向就發(fā)生改變，電機(jī)的方向也發(fā)生改變。

　　伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。

　　交流伺服電機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動(dòng)機(jī)相似。其定子上裝有兩個(gè)位置互差90°的繞組，一個(gè)是勵(lì)磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上;另一個(gè)是控制繞組L，聯(lián)接控制信號(hào)電壓Uc。所以交流伺服電動(dòng)機(jī)又稱兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)。

　　交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速

　　只要改變交流伺服電機(jī)的供電頻率f1，即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，所以交流伺服電機(jī)調(diào)速應(yīng)用最多的是變頻調(diào)速。

　　變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是：為交流電機(jī)提供變頻電源的變頻器。

　　變頻器分：交-交變頻；交-直-交變頻。

　?。?）交-交變頻

　　利用可控硅整流器直接將工頻交流電（頻率50Hz）變成頻率較低的脈動(dòng)交流電，正組輸出正脈沖，反組輸出負(fù)脈沖，脈動(dòng)交流電的基波是所需的變頻電壓。

　　該方法所得的交流電波動(dòng)比較大，且最大頻率即為變頻器輸入的工頻電壓頻率。

　?。?）交-直-交變頻

　　先將交流電整流成直流電，然后將直流電壓變成矩形脈沖波電壓，矩形脈沖波的基波是所需的變頻電壓。

　　該調(diào)頻方式所得交流電的波動(dòng)小，調(diào)頻范圍比較寬，調(diào)節(jié)線性度好。

　　在交-直-交變頻中根據(jù)中間直流電壓是否可調(diào)分為中間直流電壓可調(diào)PWM逆變器和中間直流電壓固定的PWM逆變器；根據(jù)中間直流電路儲(chǔ)能元件是大電容還是大電感分為電壓型逆變器和電流型逆變器。

　　SPWM（正弦波PWM）變頻器是目前應(yīng)用最廣、最基本的一種交-直-交型電壓型變頻器，在交流調(diào)速系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。

　　SPWM變壓變頻器調(diào)制原理（以單相為例）

　　正弦脈寬調(diào)制（SPWM）波形：與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。

　　等效原理：把正弦波分成n等分，每一區(qū)間面積用與其相等的等幅不等寬的矩形面積代替。正弦波的正負(fù)半周均如此處理。

　　SPWM控制波的生成：正弦波—三角波調(diào)制。

　　Q——電壓比較器；

　　UR——由指令脈沖轉(zhuǎn)換來(lái)的，正弦控制波；

　　UΔ——三角波發(fā)生器。

　　整流器將三相工頻交流電變成直流電；

　　逆變器將直流電壓逆變成三相交流電，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

　　交流伺服電機(jī)SPWM變頻調(diào)速方法

　　交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一就是逆變器，由于調(diào)速的要求，逆變器必須具有頻率連續(xù)可調(diào)、以及輸出電壓連續(xù)可調(diào)，并與頻率保持一定比例關(guān)系等功能。

　　利用脈沖寬度調(diào)制逆變器可實(shí)現(xiàn)變頻也變壓。如圖所示，因電壓的平均值和占空比成正比，所以在調(diào)節(jié)頻率時(shí)，改變輸出電壓脈沖的占空比，就能同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻和變壓。與圖1（a）相比，圖1（b）所示電壓周期增大（頻率降低），而占空比減小，故平均電壓降低。

　　采用PWM方法控制逆變管的通、斷時(shí)，可獲得一組幅值相等、寬度相同的矩形脈沖，改變矩形脈沖的寬度可控制其輸出電壓，改變調(diào)制周期可控制其輸出頻率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)變壓和變頻。因輸出電壓波形為矩形波，具有許多高次諧波成分。對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，有用的是電壓的基波。為了減少諧波影響，提高電機(jī)的運(yùn)行性能，應(yīng)采用對(duì)稱的三相正弦波電源為三相交流電機(jī)供電。

　　正弦波脈寬調(diào)制型逆變器（SPWM）的輸出端可獲一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形，來(lái)近似等效于正弦電壓波。SPWM脈寬調(diào)制波形，如圖2。當(dāng)正弦值為最大值時(shí)，脈沖的寬度也最大，而脈沖的間隔則最小。反之，當(dāng)正弦值較小時(shí)，脈沖的寬度也小，而脈沖的間隔則較大，這樣的電壓脈沖系列可以使負(fù)載電流中的高次諧波成分大大減少。

　　采用數(shù)字電路的SPWM逆變器，可采用以軟件為基礎(chǔ)的控制模式。優(yōu)點(diǎn)是所需硬件少，靈活性好和智能性強(qiáng)。缺點(diǎn)是需要通過(guò)計(jì)算確定SPWM的脈沖寬度，有一定的延時(shí)和響應(yīng)時(shí)間。隨著高速度、高精度多功能微處理器、微控制器和SPWM專用芯片的發(fā)展，采用微機(jī)控制的數(shù)字化SPWM技術(shù)已占當(dāng)今PWM逆變器的主導(dǎo)地位。

　　SPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)，其中各部分的功用：

　　速度給定器：給定信號(hào)，控制頻率、電壓及正反轉(zhuǎn)。

　　平穩(wěn)啟動(dòng)回路：使啟動(dòng)加、減速時(shí)間可隨機(jī)械負(fù)載設(shè)定，以達(dá)到軟啟動(dòng)的目的。

　　函數(shù)發(fā)生器：在輸出低頻信號(hào)時(shí)保持電機(jī)氣隙磁通一定，補(bǔ)償定子電壓降的影響。

　　電壓頻率變壓器：將電壓轉(zhuǎn)換為頻率，經(jīng)分頻器、環(huán)形計(jì)數(shù)器產(chǎn)生方波，和經(jīng)三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波一起送入調(diào)制回路。

　　電壓調(diào)節(jié)器：產(chǎn)生頻率和幅度可調(diào)的控制正弦波，送入調(diào)制回路，送入調(diào)制回路，在調(diào)制回路中進(jìn)行SPWM變換，產(chǎn)生三相的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)。在基極回路中輸出信號(hào)至功率晶體管基極，即對(duì)SPWM的主回路進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速。

　　電流檢測(cè)器：過(guò)載保護(hù)。