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1、3、基于PLC的交流永磁同步伺服系统3.1 系统总体结构3.1.1 永磁交流伺服系统的基本结构它与一般的反馈控制系统一样，也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成。其结构如图2-1所示:控控土控控图2-1 伺服系统总结构框图3.1.2 永磁交流伺服系统的基本原理伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、 连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。由图（2-1 ）可以看出，输入给控制器 PLC后，PLC发命令（如脉冲个数，固定频率的脉冲等）给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机按命令执行，
2、通过旋转编码器反馈电机的执行情况与接收到的命令进行对比并在内部进行调整，使其 与接收到的命令一致，从而实现精确的定位。而负载的运动情况（位置、速度等）通过相应传感器反馈到控制器输入端与输入命令进行比较，实现闭环控制。当然，伺服系统也可以是半闭环控制。 下面就逐一介绍各个部分的原理。3.2 系统各部分原理3.2.1 交流永磁同步伺服电机伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，伺服电机每旋转一个角度，都会发 出对应数量的
3、脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时通过旋转编码器又反馈了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001 mm。近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机（Perma ne nt Mag net Synchron ous Motor简称PMSM ）得以迅速的推广应用。3.2.2 永磁同步电机的结构永磁同步电机是由绕线式同步电机发展而来，磁线它用永磁体代替了电励磁，从而省去了励 圈、滑环与电刷，其定子电流与绕线式同步电机基本相同，输入为对称正弦交
4、流电，故 称为交流永磁同步电 机。永磁同步伺服电机主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕组，它们的轴线在空间彼此相差120度。绕组嵌放在铁心的槽中；转子主要由永磁体、导磁辗和转轴构成。永磁体贴在导磁柜上，导磁碗为圆筒形，套在转轴上；当转子直径比较小时，可以直接把永磁体贴在导磁轴上。转子同轴连接有位置、速度传感器，用于检测转子磁极相对于定子绕组的相对位置以及转子转速。 永磁同步伺服电机实际如图2-2所示：图2-2伺服电机323永磁同步电机的原理永磁同步电机产生旋转磁场的机理同三相感应电机一样，电机当其对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子
5、气隙中建立起旋转磁场，其转速为：60fns (rpm)P式中f电源频率 p一定子极对数即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数；磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。与普通同步电机不同的是，永磁同步电机的转子用永磁体代替。当永磁同步电动机的定子通入对称三相交流电时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。在稳态情况下，转子的转速恒为磁场的同步转速。于是，定子旋转磁场与转子的永磁体产生的永磁体产生的主极磁场保持静止，它们之间相互作用，产生电磁转矩拖动转子旋转，进行电机能量转换。当负载发生变化 时，转子的瞬时转速就会发生变化，这时，如果通过传感器检测转子的位置和速度，根据转子永磁体磁场的位置，
6、利用逆变器控制定子绕组中电流的大小，相位和频率，便会产生连续的转矩作用到转子上，这就是闭环控制的永磁同步电机的工作原理。3.2.4 伺服驱动器可以说，伺服驱动器是整个伺服系统的核心，其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域。交流永磁同步伺服驱动器主要由伺服控制单元、功率 驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其中伺服控制单元包括位置控制器、速 度控制器和电流控制器等等。目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器(DSP)作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件通常采用以智能功率模块（IP
7、M ）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过 热、欠压等故 障检测保护电路。其结构组成如图所示：T-FPGA故障检 测电路DSPiw it1 ITT接口入接口缓 冲 电 路逆变器开关电源CPU相 控 流 器522控制电门极驱动电路编码器输 出接口RS232 |键册及|第二编码器串行口 I I显示I I控制II输入接口IPG图伺服驱动器内部结构图伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。功率板（驱动板）是强电部分，其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。控制板是弱电部分，是电机的
8、控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。1 .功率驱动单元功率变换电路的主要作用是进行能量的转换-将电网的电能转换成能够驱动伺服电机工作的交流电能，有时还需要将电机转子动能转换为储能回路的直流电能。功率驱动单元首先通过单相整流电路对输入的交流电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的交流电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（ACDC）主要的
9、拓扑电路是单相全桥不控整流电路。逆变部分（DC-AC ）采用的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块（ IPM ）,主要拓扑结构是采用了三相桥式 电路，其触发电路采用空间矢量脉宽调制（ SVPWM ）技术，通过改变功率晶体管交替导通 的时间来改变逆变器输出波形的频率，改变每半周期内晶体管的通断时间比，也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小以达到调节功率的目的。其主电路如图27所示：图2-7伺服系统主电路图2 . SVPWM (Space Vector PWM)技术交流电机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电机内部形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。针对
10、这一目标，把逆变电路和交流电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变电路的工作，这种控制方法称作“礴链跟踪控制”，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称为“电压空间矢量PWM (SVPWM ,Space Vector PWM )控制”。SVPWM ( Space Vector PWM )技术的基本思路就是通过控制逆变器功率器件的开 关模式及导通时间，产生有效电压矢量来逼近圆形磁场轨迹的一种方法。这种方法利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，特别适用于DSP直接计算，且方法简便。3 .控制单元 控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制。所采用
11、的数字信号处理器(DSP),除了具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的，用于电机控制的专用 集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理(FOC)和坐标变换，实现矢量控制(VC)。同时结合正弦波脉宽调制 (SVPWM )控制模式对电机进行控制。永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置 和幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，
12、这样通过检测转子的实际位置就可以知道电机转子的磁通位置，从而使永磁同 步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。由于交流永磁伺服电机(PMSM)采用的是永久磁铁励磁，其磁场可以视为是恒定，同时交流永磁伺服 电机的电机转速就是同步转速，即其转差为零。这些条件使得交流伺服驱动器在驱动交流永磁伺服电机时的数学模型的复杂程度得以大大降低。4 .交流永磁伺服电机磁场的定向控制20世纪70年代初发明了矢量控制技术,或称磁场定向控制技术。通过坐标变换,把交流电机中交流电流的控制，变换成类似于直流电机中直流电流的控制，实现了力 矩的控制，可以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的控制技术取得了
13、突破性的进展。设想建立一个以电源角频率旋转的旋转坐标系(dv q)o从静止坐标系(a,b,c)上看,专业资料是时变的。从动坐标系(d、(3)然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中;合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场,q)上看，则合成定子电流矢量是静止的，即从时变量变成了时不变量，从交流量变成了直 流量。具体步骤如下:(1)通过坐标变换把合成定子电流矢量从静止坐标系变换到旋转坐标系;在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值;将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，从而实现电机力矩的控制。坐标变换是通过两次变换实现的，从a, b,c坐标系转换到d,q坐标系是由克
14、拉克(CLARKE)和帕克(PARK)变换来实现的；从坐标系转换到坐标系是由克拉克和帕克的逆变换来实现的。克拉克变换用矩阵可表示为：ia2- 3ic帕克变换用矩阵可表示为:idcossiniqsinCOSidjq并不是真实的物理量,电机力矩的控制最终还是定子绕组电流电压Ua,Ub,Uc实现，因此，必须将虚拟量变换为这些真实的物理量，这可通过ia,ib,ic或定子绕组clarke、Park变换的逆变换实现。总体变换如图28所示:图2-8矢量控制总体变换图图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ib作为clarke变换的输入ic可由三相电流对称关系ia+ib+ic=O求出。clarke变换的输出ia
15、, i B与由编码器测出的转角作为park变换的输入，其输出id与iq作为电流反馈量与指令电流idref及iqref比较，产生的误差在力矩回路中经PI运算后输出电压值 Ud,Uqo再经逆park变换将这Ud,Uq变换成坐标系中的电压Ua,U 30 SVPWM算法将Ua,U B转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电 流。其中断流程图如图2-9所示:b）中断服务程图2-9中断流程图5.驱动器内部的三种工作模式伺服驱动器控制交流永磁伺服电机(PMSM)伺服驱动器在控制交流永磁伺服电机时，可分别工作在电流(转矩)、速度、位置控制方式下。系统的控制结构框图如图2-10所示:力矩指令口A/D图2-10伺服驱动器控制单元三种工作模式结构图由图2-10可知，
