伺服控制原理

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1、注塑机电液伺服系统培训教材（二）上海御能动力科技有限公司华南办 2010年7月伺服控制原理伺服来自英文单词servo，指系统跟随外部指令进行人们所期 望的运动，运动要素包括位置、速度和力矩。在中小容量高精度传动领域，广泛采用永磁式同步电机，采 用在转子上加永磁体的方法来产生磁场。由于永磁材料的固有特 性，它经过预先磁化（充磁）以后，不再需要外加能量就能在其 周围空间建立磁场。这既可简化电机结构，又可节约能量。我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料钕铁硼资 源在我国非常丰富，稀土矿的储藏量为世界其他各国总和的4倍左 右，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水 平都达到了国际先

2、进水平。因此，对我国来说，永磁同步电动机 有很好的应用前景。充分发挥我国稀土资源丰富的优势，大力研 究和推广应用以稀土永磁电机为代表的各种永磁电机，对实现我 国社会主义现代化具有重要的理论意义和实用价值。 伺服系统概述位置 指令位置控制 调节器速度控制 调节器速度检测+实际位置反馈实际速 度反馈功率 驱动位置检测+伺服电机旋转变压器 或编码器闭环伺服系统组成伺服系统主要部件伺服驱动器交流永磁同步电机电机转子电机定子外壳位置传感器定子绕组电磁设计 使电机旋转时产生 标准的正弦反电势 ，并确保电机转子 静止阻力矩最小。转子磁钢采用高温 强磁钕铁錋材料， 内嵌式安装，退磁 温度为160。高可靠性传感

3、器 适应各种各种恶 劣环境工况。拉伸铝外壳，散 热能力出众，也 可集成风冷或水 冷。温度电阻位于定子绕组内， 用于检测绕组的温 度。交流永磁同步电机构成同性相斥异性相吸给线圈通电能使线圈具备磁性电机基本工作原理假如:一块磁铁固定于转轴一块以转轴为中心转动固定于转轴的磁铁会跟着另一块进行转动固定于转轴的磁铁会跟着另一块进行转动电机基本工作原理定子中平均分布了三相绕组电机基本工作原理一相绕组以正弦形式通电,产生正弦变化的磁场。电机基本工作原理如果给空间位置相差120度的三相绕组以正弦形式通电o电机基本工作原理合成产生一个稳定的旋转磁场旋转磁场的旋转速度 与频率、极对数有关。方向取决于相序。调整输入

4、电机定子三相 交流电的频率就达到调 速的目的。电机基本工作原理交流永磁同步电机工作原理永磁电机的工作原理可以通俗的描述为：旋转磁场拖着转子 运动，磁场旋转加速则转子的运动也加速。两者以相同的速 度旋转，故称为同步电机，磁场的转速称为同步转速。永磁材料：钕铁錋退磁温度：160截面图永磁电机的转子和定子位置/速度传感器转子位置传感器原理图旋转变压器有定子和转子两部分，在 定子和转子上各有两套在空间上完全 正交的绕组。当旋转时，定、转子绕 组间的相对位置之变化，使输出电压 与转子角呈一定的函数关系。御能电机采用的旋变可达到每转输出4096个脉冲的精度。电机运行过程中，定子绕组的温度是非常重要的状态量

5、 ，御能伺服系统设置的电机报警停机温度是120。放置于定子绕组中的温度电阻。电机温度传感器额定转速：单位为：转/分，简写为RPM，在注塑机应用中常见额定转 速为：1500RPM，1800RPM，2000RPM。最高转速：由电机结构决定，在注塑机应用中与电机同轴的油泵往往 也存在最高转速的限制，一般低于2500RPM。额定力矩：单位为：牛米，简写为：NM。额定功率：单位为千瓦，简写为：KW，对应额定转速和额定力矩时的 电机功率。力矩常数：牛米/安培，NM/A，也称电动势常数，表征单位电流产生 的力矩。 交流永磁同步电机主要指标MT电机转矩T负载转矩中间传动机构终端机械电机转矩 负载转矩加速运行

6、电机转矩 负载转矩减速运行 电机转矩负载转矩恒速运行电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能的最重要因素 加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关。电气传动基础知识电气传动系统运动方程式T1 T2T3vv、TtO起动 t1运动 t2制动 t3停止 t4T4=0转速与转矩的关系当电机工作在0速-额定转速之间， 电机输出额定力矩，称为恒力矩运 转。当电机工作转速高于额定转速 时，电机输出额定功率，称为恒功 率运转，有时称为弱磁运转。伺服电机的外特性电机外特性是电机的重要指标，测试条件是转速低于额定转速时给 电机输入额定电流以拖动额定负载，也就是说只要负载和输入电流 不变，电机的输出力矩就相同，

7、很多机械都需要电机在低速运转时 输出大力矩，永磁电机就具有这种宝贵的特点。当转速高于额定转 速时，即便输入额定电流，电机的输出力矩也会迅速降低。当电机需要拖动较大的负载时，向电机定子绕组输入较大的电流， 永磁电机的输出力矩可以超过额定力矩，这就是人们常说的过载， 说电机过载就是指力矩过载，但是过载时定子绕组的温度会迅速上 升。视电机的冷却能力，一般可以短时间过载2-3倍。伺服电机的机械特性负反馈控制的步骤：检测输出量（被控制量），将输出量与给定输入 量比较得到偏差量，用偏差量产生控制作用以消除偏差。负反馈控制的实质：建立在偏差信号的基础上，先检测偏差再纠正偏 差。对控制系统的要求：稳定性（系统

8、本身结构决定）、精确性（稳态误 差衡量）、响应快速性（调节过程所用时间），三者彼此制约。带负反馈的闭环控制系统阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。通过阶跃 响应可以了解自动控制系统的性能。对控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳 定性，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的；准是指控制系统 的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述；快是指控制系统响应 的快速性，通常用上升时间来定量描述。 从阶跃响应看系统的性能没有超调，过渡时间长超调大，波动大过渡时间短，超调小， 稳态误差小。比例（P）控制：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的 输出与输入误差信号成比

9、例关系，当仅有比例控制时系统输出存在 稳态误差。 积分（I）控制：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积 分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态 误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消 除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于 时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很 小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大 使稳态误差进一步减小，直到等于零。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 PID控制方法注塑机伺服系统的工作过程n 驱动器从上位机接收压力、流量指令，然后将一定的电

10、流输送给 电机； n 电机将电流转换成转矩，将转矩传给负载； n 负载根据它自己的特性进行动作或加减速； n 旋转变压器测量电机的位置（注意：旋转变压器没有直接反映负 载的位置，仅仅反馈的是电机轴的位置），把信号反馈给驱动器; n 将给定与反馈的误差输入到驱动器，通过一系列运算再输出电机 电流，重复此过程，直至误差为零。流量反馈压力反馈伺服驱动器伺服电机油泵流量给定压力给定流量输出压力输出系统硬件框图当转子加上负载转矩之后，将造 成定子磁场轴线与转子磁极轴线不重 合，其夹角为。若负载发生变化， 角也跟着变化，但只要不超过一定的 限度，转子始终跟着定子的旋转磁场 以恒定的同步转速ns旋转。转子转

11、速 为nns60f/p (r/min)式中 f电源的频率p磁极对数nNSnSn永磁电机的速度控制由于直流电动机的励磁电流和转矩电流能够被独立控制，直流电动 机具有非常优异的动态性能，而交流电动机的定子电流既包含产生 磁场的电流也包含产生转矩的电流，而且耦合在一起，无法单独控 制。交流电动机的矢量控制就是利用直流电动机的转矩控制的原理，将 交流电动机的定子电流在理论上分为两部分：产生磁场的电流分量 （磁场电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流），分别进行控制 ，同时将二者合成后的定子电流供给电动机，这样就可以象控制直 流电机那样控制交流永磁电机，从而获得满意的控制效果。 矢量控制原理o空间上互差1

12、20三相绕组+时间相位上互差120三相正弦波电流= 空间上相差90两相绕组+时间相位上相差90 两相正弦波电流三相交流等效转换为两相交流iB i 600 i iA600iC由于磁动势与电流成正比关系， 可求得对应的电流值ia和ib：三相A、B、C绕组的作用，完全可以 用在空间上互相垂直的两个静止的 、绕组代替，并给两相通以在时间 上相差90的交流平衡电流 ，使其 产生旋转磁场的幅值和角速度相同， 则可以认为两套绕组是等效的。三相交流到两相交流的等效变换d轴的定义：与转子磁 极方向相同的轴。q轴的定义：按照转子 旋转方向，比d轴超前 90的轴。d q轴的定义及ABC轴、轴的关系i i a ai

13、id di i i iq q i i1 1将 和 投影到d轴和q轴：这就是所谓的磁场定向。至此完成了从三相交流到两相交流再到两相 直流的等效变换，也就可以象控制直流电机那样控制三相交流电机。两相交流到两相直流的等效变换控制策略：用最小的电流产生克服负载转矩的最大电机输出转矩。当定子磁极与转子保持 90的相对位置时，两 者之间的电磁力最大， 此时夹角=90 。如果控制励磁电流分量Id，使之一直等于0时，就实现了用最 小的电流产生克服负载转矩最大电机输出转矩的目的。Id=0 的控制策略旋转 变压器Id=0 的矢量控制框图由于永磁同步电机的反电势与转速成正比，因此当电机端电压 随转速升高到逆变器能够

14、输出的最大电压后，电机电枢绕组电 流不能再增大，如果不采用特殊的控制，电机不能产生驱动负 载的转矩，无法在高速下维持恒功率调速。在电压型逆变器驱动的电机调速系统中，当电机端电压随转速 升高到逆变器能够输出的最大电压时，减弱电机磁场使电机转 速升高的方法称为弱磁控制。由于永磁同步电机的转子励磁磁场是由永磁体产生的，不可能 直接削弱转子磁场，弱磁控制是通过增加定子直轴负向电流,利 用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱,达到等效于减弱合成磁场 的效果，以实现弱磁增速的目的。弱磁运行时,转速越高对应的 直轴负向电流越大。高于额定转速的弱磁运行当电机运行在额定转速之上时，驱动器需要输出额外的电流以 抵消反电

15、势，让逆变器的输出电流能够进入定子绕组，维持电 机的恒功率运行，这部分无功电流无助于电机的输出力矩，就 如同电流流过电阻会发热一样，弱磁电流会导致电机定子绕组 的温度急剧上升，发热量为电流的平方乘以时间。由于注塑机达到最大流量时电机速度远高于额定转速，电机弱 磁运行的时间占全周期的比例就是非常重要的指标。比例太高 时，即便有冷却风扇降温，电机的温度仍然不能稳定下来，累 积到120后，系统只能报警停机。弱磁运行导致电机温升伺服控制单元：包括位置控制环、速度控制环、转矩和电流控制 环等。采用高速数字信号处理器（DSP）作为驱动器的控制核心， 实现各种复杂的控制算法，并输出脉宽调制（PWM）信号至逆

16、变 功率驱动电路，来控制逆变器的输出频率和功率，以达到控制三 相永磁同步交流伺服电机的目的。 整流/逆变功率单元：最先进的智能型IGBT模块作为逆变器的核心 功率输出单元，与高可靠的驱动电路和开关电源配合，确保在大 的电压波动和恶劣高噪音运行环境下电机仍能正常和可靠工作。通讯接口单元：采用高可靠性要求的CAN总线通讯方式，使系统 在恶劣环境中运行时仍能实时监控伺服系统及电机的相关参数。反馈检测单元：精确的伺服控制需要知道电机转子的瞬时位置， 传感反馈模块通过传感器的位置信号计算出瞬时转速，并反馈至 数字控制模块。伺服驱动器的构成单元针对各种类型电机的控制算法及软件 高性能矢量控制 无位置传感器力矩控制 精确位置和速度控制 非线性弱磁高速控制 位置校正空间矢量低速控制 将高性能的电机控制算法和特殊的应 用控制算法在软件上有机结合，组成 高性价比的注塑机专用伺