現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)原理及控制方法

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無(wú)處不在，比如換相、電流、速度和位置控制;采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊(比如IR推出的伺服控制專用引擎)也不足為奇。本文主要介紹了現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)原理及控制方法，具體的跟隨小編一起來(lái)了解一下。

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)原理

交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元、伺服電動(dòng)機(jī)及相應(yīng)的反饋檢測(cè)器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動(dòng)器其集先進(jìn)的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強(qiáng)大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所不可比擬的。

目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)作為控制核心，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊(ipm)為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，ipm內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)具有過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路，在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路，以減小啟動(dòng)過(guò)程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊。

伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊。如圖2所示功率板(驅(qū)動(dòng)板)是強(qiáng)電部，分其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元ipm用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二是開(kāi)關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。

控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制核心也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^(guò)相應(yīng)的算法輸出pwm信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來(lái)改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。

功率驅(qū)動(dòng)單元

功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過(guò)三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過(guò)整流好的三相電或市電，再通過(guò)三相正弦pwm電壓型變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過(guò)程可以簡(jiǎn)單的說(shuō)就是ac-dc-ac的過(guò)程。整流單元(ac-dc)主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐贰?/p>

逆變部分(dc-ac)采用采用的功率器件集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開(kāi)關(guān)于一體的智能功率模塊(ipm)，主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用了三相逆變電路原理圖見(jiàn)圖3，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即pwm(pulse width modulaTIon)通過(guò)改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來(lái)改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比，也就是說(shuō)通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)改變逆變器輸出電壓副值的大小以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。

圖3中vt1～vt6是六個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，s1、s2、s3分別代表3個(gè)橋臂。對(duì)各橋臂的開(kāi)關(guān)狀態(tài)做以下規(guī)定：當(dāng)上橋臂開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)(此時(shí)下橋臂開(kāi)關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài))，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為1;當(dāng)下橋臂開(kāi)關(guān)管“開(kāi)”狀態(tài)時(shí)(此時(shí)下橋臂開(kāi)關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài))，開(kāi)關(guān)狀態(tài)為0。三個(gè)橋臂只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，因此s1、s2、s3形成000、001、010、011、100、101、111共八種開(kāi)關(guān)管模式，其中000和111開(kāi)關(guān)模式使逆變輸出電壓為零，所以稱這種開(kāi)關(guān)模式為零狀態(tài)。輸出的線電壓為uab、ubc、uca，相電壓為ua、ub、uc，其中udc為直流電源電壓，根據(jù)以上可得到附表分析。

控制單元

控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。所采用的數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如a/d轉(zhuǎn)換器、pwm發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、can總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)ram和大容量的程序存儲(chǔ)器等。伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)采用磁場(chǎng)定向的控制原理(foc) 和坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)矢量控制(vc)，同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(spwm)控制模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般通過(guò)檢測(cè)或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來(lái)控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對(duì)于永磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡(jiǎn)化。

伺服驅(qū)動(dòng)器控制交流永磁伺服電機(jī)(pmsm)伺服驅(qū)動(dòng)器在控制交流永磁伺服電機(jī)時(shí)，可分別工作在電流(轉(zhuǎn)矩)、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示由于交流永磁伺服電機(jī)(pmsm)采用的是永久磁鐵勵(lì)磁，其磁場(chǎng)可以視為是恒定;同時(shí)交流永磁伺服電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速，即其轉(zhuǎn)差為零。這些條件使得交流伺服驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)交流永磁伺服電機(jī)時(shí)的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖4可以看出，系統(tǒng)是基于測(cè)量電機(jī)的兩相電流反饋(ia、ib)和電機(jī)位置。將測(cè)得的相電流(ia、ib)結(jié)合位置信息，經(jīng)坐標(biāo)變化(從a，b，c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d，q坐標(biāo)系)，得到id、iq分量，分別進(jìn)入各自得電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過(guò)反向坐標(biāo)變化(從d，q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標(biāo)系)，得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^(guò)這三相電壓指令，經(jīng)過(guò)反向、延時(shí)后，得到6路pwm波輸出到功率器件，控制電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下，指令和反饋通過(guò)相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器，得到下一級(jí)的參考指令。在電流環(huán)中，d，q軸的轉(zhuǎn)矩電流分量(iq)是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下，磁通分量為零(id=0)，但是當(dāng)速度大于限定值時(shí)，可以通過(guò)弱磁(id《0)，得到更高的速度值。

從a，b，c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d，q坐標(biāo)系有克拉克(clarke)和帕克(park)變換來(lái)是實(shí)現(xiàn);從d，q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標(biāo)系是有克拉克和帕克的逆變換來(lái)是實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)的控制方法

1、轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過(guò)外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來(lái)設(shè)定電機(jī)軸對(duì)外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。

2、位置控制

位置控制模式一般是通過(guò)外部輸入的脈沖的頻率來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度的大小，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)確定轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，也有些伺服可以通過(guò)通訊方式直接對(duì)速度和位移進(jìn)行賦值。由于位置模式可以對(duì)速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。

3、速度模式

通過(guò)模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時(shí)速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電機(jī)的位置信號(hào)或直接負(fù)載的位置信號(hào)給上位反饋以做運(yùn)算用。

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達(dá)控制。逐漸進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和其他廣義的數(shù)控機(jī)械，比如紡織機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、郵政機(jī)械、冶金機(jī)械、自動(dòng)化流水線、各種專用設(shè)備等。其中伺服用量最大的行業(yè)依次是：機(jī)床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機(jī)械，合計(jì)超過(guò)75%。