交流伺服系统控制回路和伺服控制器

现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器第6章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器交流伺服放大器可认为是由控制回路和主回路两大部分组成。主回路部分主要由功率变换器的功率开关器件及其驱动部分组成；控制回路主要由电流控制器、速度控制器和位置控制器以及与其相应的基准信号产生、反馈信号的检测、处理电路等组成。本章将重点介绍相关电路和各被控变量的控制器。6.1交流伺服系统控制回路的组成6.2交流伺服控制器6.4数字化交流伺服系统现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成6.1.1转子磁极位置检测电路6.1.2正弦波产生回路6.1.3直流→正弦(DC→SIN)变换回路6.1.4正弦波PWM电路6.1.5位置和速度检测回路6.1.6电流检测6.1交流伺服系统控制回路的组成现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成众所周知，在DC伺服电动机中，励磁磁场和电枢电流在空间上正交，并且可以分别独立控制。在保持磁场不变的情况下，电动机所产生的电磁转矩和电枢电流成正比，改变施加于电枢两端的电压就可以调节电动机的速度。现将DC伺服电动机控制系统的框图示于图6-1，以便与下面将要说明的AC伺服电动机控制系统相比较。图6-1DC伺服电动机控制系统框图��ASRACR比较器三角波产生电路脉冲分配隔离驱动滤波IGBT模块现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成永磁交流伺服电动机控制系统框图如图6-2所示。图6-2永磁AC伺服电动机控制系统框图��ASRACR比较器三角波产生电路隔离驱动正弦波产生回路IGBT模块现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成比较DC与AC伺服控制系统可大致看出，DC伺服电动机只控制单相电枢回路，而AC伺服电动机则控制三相电枢绕组。由于永磁式AC伺服电动机的结构特点，AC伺服系统还必须具有检测转子磁极位置的电路、正弦波产生电路、DC-SIN变换电路、速度检测电路等，而这些电路除速度检测电路外，在DC伺服电动机控制中是没有的。下面就这些特有的电路逐个加以介绍。6.1.1转子磁极位置检测电路为了使电枢电流所产生磁场的方向与转子上永磁体产生的磁通方向在空间上正交，必须正确地检测出磁极的位置，并以此作为基准，通过控制电枢电流相位以实现定、转子磁场空间正交。为了满足正弦波的相位条件，转子磁极位置检测电路接受来自编码器的转子位置信息，然后变换成容易为后面的正弦波发生电路所读取的形式。这里，采用绝对式光电编码器来检测磁极位置。如果编码器是8位绝对式编码器，它转一周则送出256个编码信号，把该码变换成 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 6-1所示的纯二进制数。而后，把各位信息所表征的信号取出来，送到正弦波发生电路。只要把某一绝对位置作为磁极的初始位置，以此为基准来控制电枢电流正交就可以了。现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成表6-1对应转子旋转角的各位状态 转子旋转位信号 1/256 2/256 4/256 … 254/256 255/256 1 27 0 0 … 1 1 0 26 0 0 0 … 1 1 0 25 0 0 0 … 1 1 0 24 0 0 0 … 1 1 0 23 0 0 0 … 1 1 0 22 0 0 0 … 1 1 0 21 0 1 1 … 1 1 0 20 1 0 1 … 0 1 0现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成6.1.2正弦波产生电路该电路的任务是产生以转子位置为相位的正弦波，主要是由ROM(只读存储器)构成。在ROM中，像表6-2所示那样，对应各不同地址写入相应的数据。在连接的地址母线上，当确定地址的二进制数输入的时候，把对应的数据运送到数据母线附近。这时，如输入读出命令的话，就把数据运载到数据母线上。利用这种特性，如果是2极电动机，把对应转子的一转记为正弦波一个周期。如果是4极电动机，对应于半转就记为正弦波一个周期。在产生正弦波的波形时还应该注意到，电动机是三相的，每相之间有120°的相位差。实际上，由于UV＝-(UU＋UW)，这样就可以很方便地通过模拟运算求出UV。表6-2ROM的内容 地址号 内容 0 数据0 1 数据1 2 数据2 3 数据3 … … 254 数据254 255 数据255现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成表6-3表示的是U相正弦波数据转移表，表6-4表示的是W相正弦波数据转移表。把一个正弦波周期的地址用00H～FFH(16进制)表示。振幅的最大值为FFH，最小值为00H，根据计算机计算出各自对应的数据，就是写入ROM中的值。ROM的连线如图6-3所示。图6-3ROM的连接OEROM数据总线D7地址总线读信号D0D1D2D3D4D5D6A7A6A5A4A3A2A1A0现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成图6-4和图6-5中，由于是用图形来分别表示各自的数据，该波形相当于电路上的模拟输出。图6-4U相模拟变换后的波形图6-5W相模拟变换后的波形�FF800080FF00地址 数据�现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成6.1.3直流→正弦(DC→SIN)变换电路由正弦波产生电路，可以产生出与转子位置同步的二相正弦波。若假设该正弦波的振幅系数经过0由-1变化到＋1，用00H～FFH表示其值的话，那么在实际应用中，还必须变换成必要的电流。在直流伺服电动机控制中，速度控制器的输出就直接作为电流的参考值，因为通入直流电动机电枢中的电流是直流电流。然而，在交流伺服电动机中需要向电枢绕组中通入三相交流正弦电流。因此，其速度控制器输出直流电流参考信号必须进行交流正弦化，而后作为交流正弦电流指令，如图6-6所示。图6-6DC→SIN变换的目的�0tt电流指令（速度控制器输出）正弦电流指令0现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成DC→SIN变换电路结构如图6-7所示。在该电路中，正弦波发生电路输出的数字化正弦波信号与速度控制器输出的直流信号在乘法器中相乘。乘法器的输出信号就作为交流正弦电流指令。图6-7DC→SIN变换的结构现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成6.1.4正弦波PWM电路在交流伺服电动机中，为了使电动机中通入正弦电流，把正弦波电流控制器的输出按着原样进行功率放大后送入电动机，如果能实现的话，这是最理想的。但是，要把正弦波不失真地放大，就得使功率器件工作在线性区。这样，由于功率耗散在功率管中会造成严重的发热，因而在实际上是不可行的。但是，如果把功率器件作为开关来使用，管子内的功率损耗就很小了，这样就产生了所谓PWM工作方式，也就是说，把电动机电流变换成与正弦波幅值成正比的脉冲宽度，在平均的意义上来说就得到了正弦波控制。在此，选择三角波的振荡频率是很重要的。由于三角波的频率实际上也是功率器件的开关频率，如果选择高了，功率器件的开关损耗也就相应增加。如果选择较低，伺服系统的响应能力便降低。同时，正弦波电流的纹波成分加大，谐波力矩也随之增大。一般情况，如果逆变器是由双极型功率晶体管构成的话，三角波频率可在1-3kHz。如果使用P-MOSFET时，则选择5-20kHz作为载波频率。在这个频率下的电流纹波成分将使电动机的铁心产生振动，如果进入听觉范围内，会使人感受到不愉快的噪声。为解决这种噪声可使P-MOSFET的工作频率选在20kHz以上。而对IGBT逆变器而言，开关工作频率可选在10～20kHz。现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成6.1.5位置和速度检测位置和速度是本系统需要检测的两个重要量，他们是为了实现位置与速度控制以及坐标变换的需要。能否准确的测量位置和速度，直接影响着系统的控制性能。本节以广泛用于AC伺服电动机(此处指方波电流型驱动，即所说的无刷直流电动机)的速度和位置检测的光电编码器为例来进行说明。1.位置检测位置检测包括转子旋转角度的检测和转子磁极位置的检测。旋转角度检测只须对脉冲计数。磁极位置检测则相对复杂一些，编码器输出的磁极位置信号只是简单的提供相位差120°的u,、v、w信号，它只能反映转子的大致位置。位置检测的原理是，在光电码盘的转动圆盘内侧制成空间位置互成120°的三个缝隙，受光元件接受发光元件通过缝隙的光线而产生互差120°的三相信号，经过放大整形后输出矩形波信号u、v、w。利用这些信号状态的组合来分别代表磁极在空间的不同位置。在每转内中可以组合成六种状态，每种状态代表的空间角度范围为60°，即在整个磁极位置360°空间内，每60°空间位置用一个三相输出信号状态表示。而且，在正常情况下不会出现信号为全零或全1的状态，此时可判断为码盘信号故障。现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成实际检测时，通过磁极位置信号的变化判断出转子的跨区动作(如图6-8所示)，同时通过码盘的零码信号不断对转子位置作修正，最终获得准确的转子磁极位置信号。2.关于初始定向问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 为保证在电动机静止时定、转子磁通就能正交，必须使光电编码器中的磁极位置检测器(或霍尔元件检测器)的初始相位与转子磁极位置有正确的对应关系，这就是所谓初始定向问题。图6-8磁极位置信号波形vw101100101100111000u现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器初始定向可用磁极位置信号UU和电机定子Ax相与By相间的线电动势eAB来实现。在实际定向调准时，使电机转动，此时调节光电编码器的位置，用示波器测量信号UU和定子线电动势eAB，使之具有图6-9c所示的相位关系，那么，转子磁通与定子电流(定子磁通)间就具有正交关系，即实现了初始定向。对于UV、UW信号与线电动势eBC、eCA也有类似的关系。因此，据此可以进行初始相位调定。6.1交流伺服系统控制回路的组成图6-9初始转子磁场定向与定子电流成空间90°角090o00a)60ob)c)现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成图6-10编码器输出二相正交脉冲3.速度检测电路在交流伺服系统中，速度检测器件多半和磁极检测器件功能合一。即用一个检测器件同时完成转子磁极位置检测和转子转速度检测，甚至还同时实现系统的位置检测。在使用光电编码器的情况下，编码器输出与电机转子同步旋转的二相正交的脉冲信号，如图6-10所示。为了得到直流的速度信号，一般是使用F/U(频率/电压)转换器。但在作为伺服使用时，还要求具有以下条件：①为了使系统具有快速跟踪响应能力，滤波电路的时间数要尽可能小些。为此，编码器的输出脉冲要进行倍频。②要有正、反转方向的判别电路，并且在一个脉冲单位期间就能实现判别。A相B相现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成满足上述条件的一种速度检测电路如图6-11所示。图6-11使用编码器的速度检测电路来自编码器A相与B相的脉冲列，经过同步化电路后，其上升沿和下降沿便与时钟脉冲同步。经同步化整形后的A相与B相脉冲列，送到后面的延迟电路，延迟一个时钟脉冲。同步化的二相脉冲和延迟一个时钟的二相脉冲输入译码器。同步化电路加法译码电路正转脉冲滤波延迟电路同步化电路逆转脉冲滤波延迟电路A相输入B相输入时钟脉冲速度信号输出现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成通常时钟脉冲的频率要比编码器输出信号的最高频率高得多，所以在译码器电路中，根据各脉冲的逻辑条件，输出一个4倍频率的脉冲，根据旋转方向判别分别从不同通道输出。电动机不断旋转变化，但该脉冲具有的面积一定。电动机速度不同时，只是输出频率变化。这样就得到了图6-12所示的与速度成比例的直流信号。平滑电路(滤波器)的输入信号是方波，因此，在理论上，要把纹波完全除去是不可能的。然而，设定滤波器的时间常数是电机上升时间(阶跃响应)的1/10左右时，输出纹波大小就是允许的，在确定编码器的脉冲数时应考虑到这一点。如果在超低速旋转的使用场合，还采用上述F/U变换方式提取速度信号，编码器的脉冲数就应该很高才行，这在实际上是不合理的。此时应该考虑采用脉冲数较少的编码器。作为低速旋转的方式，把编码器的输出假定为近似正弦波，由其微分输出提取速度信号。现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成a)高速时b)低速时图6-12F/U变换原理应该指出，交流永磁伺服电动机的转子位置检测和速度信号检测的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 有许多种，这里所介绍的只是一个例子而已。�A相B相时钟脉冲译码器输出滤波器输出现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成6.1.6电流检测在永磁交流同步电机制系统中，控制器需要及时准确的知道绕组中实际电流，以实现电流反馈闭环控制和电流保护。因此需要检测电机绕组中的电流。电流检测的方法有多种，在这里，介绍用霍尔元件进行电流检测的方法，检测电路如图6-13所示。图6-13电流检测电路-15VOUTGND+-R8R7R6R5R3C2+VCR9C1LEM+15V被检测电流R2电流信号输出现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.1交流伺服系统控制回路的组成霍尔元件具有磁敏特性，即载流的半导体在磁场中产生霍尔电势。霍尔电流传感器是目前普遍采用的电流检测及过流保护器件，其特点是测量精度高，线性度好，响应速度快，电隔离性能好，它的工作原理是当外电路供给其电流时，将产生磁感应强度为B的磁场，同时在信号电压输出端有霍尔效应电压UH输出，其大小与通电导体的电流成正比。目前利用霍尔效应检测电流有直接检测式霍尔电流传感器和磁场平衡式霍尔电流传感器(LEM模块)。前者当被检测电流过大时，为不使磁路饱和，保证测量的线性度，必须相应增大铁芯的截面积，这就造成检测装置的体积过大。而后者把互感器，磁放大器，霍尔元件和电子线路集成在一起，具有测量，反馈，保护三重功能。LEM模块通过磁场的补偿，铁芯内的磁通保持为零，致使其 尺寸 手机海报尺寸公章尺寸朋友圈海报尺寸停车场尺寸印章尺寸 和重量显著减少。LEM模块使用方便，电流过载能力强，且整个传感器已模块化，套在被测母线上即可工作。其响应速度快，可以达到3μs以内，是理想的电流检测方法。现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器6.2交流伺服控制器交流伺服控制器用于控制交流伺服电动机。由于交流永磁伺服电动机与直流电动机不同，所以交流伺服控制器与直流控制器的特点也不同。这里简要介绍其结构与特点，主要是针对永磁同步伺服电动机的控制器而言。通常情况下，作位置控制用的永磁同步电机伺服系统由内而外都采用电流环、速度环和位置环组成的三环系统。永磁同步伺服电动机伺服系统三环控制框图如图6-14所示。图6-14永磁同步伺服电动机伺服系统三环控制框图位置控制器现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器6.2.1电流控制器与直流电机伺服系统相同，交流同步电机伺服控制系统也设置电流控制环，其主体是PI型电流控制器。设置电流环的方法既可以每相单独设置，也可以转化为幅值、相位按极坐标设置。由于极坐标变换的电路复杂而少用，一般都采用各相分别设置电流环。由于永磁同步电动机运行时，必须知道磁极位置，所以电机要装有检测磁极位置的磁极位置传感器，通常是光电编码器或旋转变压器上附加上检测磁极位置的功能。通过电路处理，把磁极位置的空间角度转换成电压或电流的时间相位角，再与速度控制器的输出相乘，就得到了交流电流指令信号，根据电流检测信号构成负反馈闭环。由于电流的跟踪作用，在电机绕组中就得到了与电流指令相一致的绕组电流，改变电流的幅值就可以改变电机输出的转矩大小，改变交流电流的频率，可以改变电机的转速，改变三相电流的相序就可改变电机的转速方向。电流控制器的电路结构如图6-15所示。电流控制器也是按PI控制规律调节电流的。现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器乘法器输出的电流指令是幅值正负变化、频率可变的矩形波或正弦波信号。电流控制器与速度控制器一样，也是由反馈电阻R6，电容C6等组成的近似的比例积分型放大器，它的传递函数与速度控制器的传递函数相同，不过传递函数中的时间常数应选得小一些。调整RP3可以调节电流控制放大器的反馈量，也就调节了增益。根据C6、R6来决定电流局部控制的截止频率。而R6、C6所决定的时间常数应大致与电动机的电磁时间常数相等。图6-15电流控制器电路�电流指令电流反馈+-RP3R6R5C6R4去PWM电路现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器6.2.2速度控制器在速度控制器的输入端将速度指令信号与速度反馈信号进行比较，再通过放大器将该偏差信号放大输出作为多路乘法器的输入信号。模拟速度控制器如图6-16所示。图6-16速度控制器电路�速度指令速度反馈+-UcRP2R1R3C1R2R0RP1限幅器现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器运算放大器由反馈阻抗R1、C1和输入电阻R0等元件组成近似比例－积分型放大器，其传递函数为(6-1)式中：为PI控制器比例部分的放大系数；为PI控制器的积分时间常数。若令，则(6-2)其中，为PI控制器的超前时间常数。有时，为避免放大器长期工作时的零点漂移，特地将其放大系数降低一些，在R1-C1两端或C1两端再并接一个阻值较大的电阻R2，这样就形成了近似的PI控制器，或称准PI控制器。在这种情况下，控制器的稳态放大系数为或(6-3)现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器这样，系统就成为一个近似的无差调速系统。当然，在动态过程中，基本上还是按PI控制规律工作的。输入端的可调电位器RP1用来调整速度指令和速度反馈之间的相对大小，适当调整该电位器，可以抑制速度超调量。当电机加上负载时，如果改变电位器RP2使反馈量增加，放大器的增益变小，要获得同样的输出，在放大器的输入端就必然存在较大的偏差，这就意味着速度下降较大。如果调整RP2使放大器反馈量变小，其增益必然增加，则速度下降较小。如果负载去掉后，最好调整RP2使放大器反馈量为零，反馈量为零即意味着放大器的增益将变得很大，速度降落当然很小，因为此时没有负载施于电机轴上。实际上，调整电位器RP1、RP2都是用来改变放大器的增益，根据R1、C1就可以决定速度控制电路的截止频率。放大器的输出为下一个控制环节的电流基准，限制这个基准信号就可以把电动机的绕组电流限制在一个特定的电流值，因此在放大器的输出端设置一个限幅电路，限幅电路也可以设置在放大器的输入与输出之间。现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器6.2.3位置控制器1．位置控制的基本概念位置控制的根本任务就是使执行机构对位置指令的精确跟踪。被控量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控量准确无误地跟踪并复现给定量，给定量可能是角位移或直线位移。所以，位置控制必然是一个反馈控制系统，组成位置控制回路，即位置环。它处于系统最外环，其组成各部分包括：位置检测器、位置控制器、功率变换器、伺服电动机以及速度和电流控制的二个内环等。速度控制的给定量通常为恒值，不管外界扰动的情况如何，希望输出量能够稳定，因此系统的抗扰性能就显得十分重要。而位置控制系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化。输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置控制系统的主要特征，也就是说，系统的跟随性成为主要指标。在位置控制系统的输入端加入位置给定信号，而位置控制器的输出端即给出速度指令信号，伺服电动机即按速度指令运转。所以，只要在速度控制系统的基础上再加一个位置外环就构成了位置控制系统了。现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器位置控制大体有二类：一类是模拟位置控制，如图6-17a所示，它的位置控制精度不是很高；另一类是数字式位置控制，如图6-17b所示。图6-17位置控制系统原理图b)数字式a)模拟式位置控制器计数器或微机速度控制器位置检测(光电编码器)D/A执行电机数字给定现代永磁电机交流伺服系统第六章交流伺服系统的控制回路和伺服控制器6.2交流伺服控制器在这类位置控制系统中，检测元件一般为光电编码器或其它数字反馈发生器，经转换电路得到二进制数字信号，与给定的二进制数字信号同时送入计算机或可逆计数器进行比较并确定出误差，按一定控制规律运算后（通常为比例放大），构成数字形式的校正信号，在经数/模转换变成电压信号，作为速度控制器的给定。采用微机进行控制时，系统的控制规律可以很方便地通过软件来改变，这大大增加了控制的灵活性。