《交流伺服系统的控制回路和伺服控制器教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流伺服系统的控制回路和伺服控制器教材（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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,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(DCSIN)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
2、 6.1.6 电流检测,6.1 交流伺服系统控制回路的组成,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6-1 DC伺服电动机控制系统框图,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,6.1 交流伺服系统控制回路的组成,比较DC与
3、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
4、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。,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,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
5、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-(UUUW)，这样就可以很方便地通过模拟运算求出UV。,表6-2 ROM的内容,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00HFFH(16进制)
6、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6-3 ROM的连接,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6-4 U相模拟变换后的波形,图6-5 W相模拟变换后的波形,6.1 交流伺服系统控制回路的组成,6.1.3 直流正弦(DCSIN)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00HFFH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
7、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6-6 DCSIN变换的目的,6.1 交流伺服系统控制回路的组成,DCSIN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6-7 DCSIN变换的结构,6.1 交流伺服系统控制回路的组成,6.1.4 正弦波PWM电路
8、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
9、，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1020kHz。,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
10、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
11、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。,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 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
12、向问题。,图6-8 磁极位置信号波形,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,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
13、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： 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。 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。,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
14、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。,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
15、，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。,6.1 交流伺服系统控制回路的组成,a) 高速时 b) 低速时 图6-12 F/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有许多种，这里所介绍的只是一个例子而已
16、。,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,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
