交流伺服电机变频调速分析 交流伺服电机SPWM变频调速

交流伺服电机的结构可分为两部分，即定子部分和转子部分。定子的结构与旋变器基本相同，定子铁芯内放置90度电角度的两相绕组。一组是励磁绕组，另一组是控制绕组。交流伺服电机是两相交流电机。当使用交流伺服电机时，恒定的励磁电压Uf施加到励磁绕组的两端，控制电压Uk施加到控制绕组的两端。当电压施加到定子绕组时，伺服电机将快速转动。电流通过励磁绕组和控制绕组在电机中产生旋转磁场，旋转磁场的旋转方向决定电机的旋转方向。当施加到任何绕组上的电压反向时，旋转磁场的方向就会改变，电机的方向也随之改变。

伺服电机内部的转子是永磁体，由驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在这个磁场的作用下旋转。同时，电机的编码器将信号反馈给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值的比较来调整转子的旋转角度。伺服电机的精度取决于编码器的精度(行数)。

交流伺服电机的定子结构与电容分相单相异步电机基本相似。其定子配有两个位置相差90度的绕组，一个是励磁绕组Rf，始终接交流电压Uf；另一个是与控制信号电压Uc连接的控制绕组l。所以交流伺服电机也叫两个伺服电机。

　　交流伺服电机的变频调速

只要改变交流伺服电机的供电频率f1，就可以改变电机转速。因此，变频调速是交流伺服电机应用广泛的调速方式。

变频调速的主要环节是为交流电机提供变频电源的变频器。

变频器分为交-交变频；交流-DC-交流变频。

　　（1）交-交变频

可控硅整流器用于直接将工频交流电(频率50Hz)转换成频率较低的脉动交流电，正组输出正脉冲，反组输出负脉冲。脉动交流电的基波是所需的变频电压。

这种方法得到的交流电波动很大，频率是变频器输入的工频电压频率。

　　（2）交-直-交变频

先将交流电整流成直流电，再将直流电电压变为矩形脉冲波电压，矩形脉冲波的基波即为所需的变频电压。

用这种调频方法得到的交流电波动小，调频范围宽，调节线性好。

在交流-DC-交流变频中，根据中间DC电压是否可调，可分为中间DC电压可调的脉宽调制逆变器和中间DC电压固定的脉宽调制逆变器。根据中间DC电路的储能元件是大电容还是大电感，可分为电压型逆变器和电流型逆变器。

SPWM(正弦波脉宽调制)变频器是应用广泛、基本的交流-DC-交流电压源变频器，广泛应用于交流调速系统。

SPWM变压转换器的调制原理(以单相为例)

正弦脉宽调制(SPWM)波形：一系列等幅不等宽的矩形脉冲波，相当于正弦波。

等效原理：将正弦波分成n等份，每个区间的面积用等幅不等宽的矩形面积代替。正弦波的正负半周也是这样处理的。

SPWM控制波的产生：正弦波-三角波调制。

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　　Q——电压比较器；

　　UR——由指令脉冲转换来的，正弦控制波；

　　UΔ——三角波发生器。

　　整流器将三相工频交流电变成直流电；

　　逆变器将直流电压逆变成三相交流电，驱动电机运行。

　　交流伺服电机SPWM变频调速方法

　　交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是逆变器，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。

　　利用脉冲宽度调制逆变器可实现变频也变压。如图所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。与图1（a）相比，图1（b）所示电压周期增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。

　　采用PWM方法控制逆变管的通、断时，可获得一组幅值相等、宽度相同的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可控制其输出电压，改变调制周期可控制其输出频率，同时实现变压和变频。因输出电压波形为矩形波，具有许多高次谐波成分。对电机来说，有用的是电压的基波。为了减少谐波影响，提高电机的运行性能，应采用对称的三相正弦波电源为三相交流电机供电。

　　正弦波脉宽调制型逆变器（SPWM）的输出端可获一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。SPWM脉宽调制波形，如图2。当正弦值为值时，脉冲的宽度也，而脉冲的间隔则小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大大减少。

　　采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强。缺点是需要通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。

　　SPWM变频调速系统，其中各部分的功用：

　　速度给定器：给定信号，控制频率、电压及正反转。

　　平稳启动回路：使启动加、减速时间可随机械负载设定，以达到软启动的目的。

　　函数发生器：在输出低频信号时保持电机气隙磁通一定，补偿定子电压降的影响。

　　电压频率变压器：将电压转换为频率，经分频器、环形计数器产生方波，和经三角波发生器产生的三角波一起送入调制回路。

　　电压调节器：产生频率和幅度可调的控制正弦波，送入调制回路，送入调制回路，在调制回路中进行SPWM变换，产生三相的脉冲宽度调制信号。在基极回路中输出信号至功率晶体管基极，即对SPWM的主回路进行控制，实现对永磁交流伺服电机的变频调速。

　　电流检测器：过载保护。