時(shí)間:2018-08-06 10:49:37來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
【導(dǎo)讀】伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備,伺服電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象,以控制器為核心,以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu),在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。組合機(jī)床通常由標(biāo)準(zhǔn)通用部件和加工專用部件組合構(gòu)成,動(dòng)力部件采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng),由電氣系統(tǒng)進(jìn)行工作自動(dòng)循環(huán)的控制,是典型的機(jī)電或機(jī)電液一體化的自動(dòng)加工設(shè)備。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角,將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。
一、前言
電氣伺服技術(shù)應(yīng)用最廣,主要原因是控制方便,靈活,容易獲得驅(qū)動(dòng)能源,沒有公害污染,維護(hù)也比較容易。特別是隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展,它為電氣伺服技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。早在70年代,小慣量的伺服直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)實(shí)用化了。到了70年代末期交流伺服系統(tǒng)開始發(fā)展,逐步實(shí)用化,AC伺服電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣,并且還有取代DC伺服系統(tǒng)的趨勢(shì)成為電氣伺服系統(tǒng)的主流。永磁轉(zhuǎn)子的同步伺服電動(dòng)機(jī)由于永磁材料不斷提高,價(jià)格不斷下降,控制又比異步電機(jī)簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)高性能的緣故,所以永磁同步電機(jī)的AC伺服系統(tǒng)應(yīng)用更為廣泛研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能交流伺服控制技術(shù),尤其是最具應(yīng)用前景的永磁同步電動(dòng)機(jī)伺服控制技術(shù),具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
隨著高效率的逆變器、數(shù)字信號(hào)控制器、高性能伺服電機(jī)和控制理論的發(fā)展,交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)成為必然的趨勢(shì)。PMSM轉(zhuǎn)子無勵(lì)磁繞組,電機(jī)運(yùn)行效率高,采用高效的稀土永磁材料勵(lì)磁可以有效地減少電機(jī)體積重量,實(shí)現(xiàn)高力矩輸出,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量明顯降低。因而PMSM廣泛應(yīng)用于高性能的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式,其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置,來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變,這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定,是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。WM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。80年代Broeck博士提出了一種新的脈寬調(diào)制方法--空間矢量PWM調(diào)制,將空間矢量引入到脈寬調(diào)制中。它具有線性范圍寬,高次諧波少,易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),在新型的驅(qū)動(dòng)器中得到了普遍應(yīng)用。分析了三相交流電機(jī)空間矢量脈寬調(diào)制的原理,探討了采用空間矢量脈寬調(diào)制三相橋式電壓型逆變器的電壓輸出能力。將SVPWM和基于載波的SPWM進(jìn)行了比較分析,指出了SVPWM和疊加了三次諧波的SPWM之間的聯(lián)系。零序矢量放置的不同可以導(dǎo)致不同的SVPWM調(diào)制方式,每個(gè)PWM周期只插入一個(gè)零序矢量可減少1/3的開關(guān)次數(shù),即可實(shí)現(xiàn)最小開關(guān)損耗SVPWM調(diào)制。
近年來,伺服電機(jī)控制技術(shù)正朝著交流化、數(shù)字化、智能化三個(gè)方向發(fā)展。作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu),伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體,并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步,經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流,進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。
二、交流伺服電動(dòng)機(jī)的組成結(jié)構(gòu)
交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)主要可分為兩大部分,即定子部分和轉(zhuǎn)子。其中定子的結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)變壓器的定子基本相同,在定子鐵心中也安放著空間互成90°電角度的兩相繞組。其中L1-L2稱為勵(lì)磁繞組,k1-k2稱為控制繞組,所以交流伺服電動(dòng)機(jī)是一種兩相的交流電動(dòng)機(jī)。
轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)常用的有鼠籠形轉(zhuǎn)子和非磁性杯形轉(zhuǎn)子。鼠籠形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu),它的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是由硅鋼片疊成的,每片沖成有齒有槽的形狀,然后疊壓起來將軸壓入軸孔內(nèi)。鐵心的每一槽中放有一根導(dǎo)條,所有導(dǎo)條兩端用兩個(gè)短路環(huán)連接,這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子繞組籠轉(zhuǎn)子。
非磁性杯形轉(zhuǎn)子交流伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)外定子與鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)的定子完全一樣,內(nèi)定子由環(huán)形鋼片疊成,通常內(nèi)定子不放繞組,只是代替鼠籠轉(zhuǎn)子的鐵心,作為電機(jī)磁路的一部分。在內(nèi)、外定子之間有細(xì)長(zhǎng)的空心轉(zhuǎn)子裝在轉(zhuǎn)軸上,空心轉(zhuǎn)子作成杯子形狀,所以又稱為空心杯形轉(zhuǎn)子??招谋煞谴判圆牧箱X或銅制成,它的杯壁極薄,一般在0.3mm左右。杯形轉(zhuǎn)子套在內(nèi)定子鐵心外,并通過轉(zhuǎn)軸可以在內(nèi)、外定子之間的氣隙中自由轉(zhuǎn)動(dòng),而內(nèi)、外定子是不動(dòng)的。與鼠籠形轉(zhuǎn)子相比較,非磁性杯形轉(zhuǎn)子慣量小,軸承摩擦阻轉(zhuǎn)矩小。由于它的轉(zhuǎn)子沒有齒和槽,所以定、轉(zhuǎn)子間沒有齒槽粘合現(xiàn)象,轉(zhuǎn)矩不會(huì)隨轉(zhuǎn)子不同的位置而發(fā)生變化,恒速旋轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)子一般不會(huì)有抖動(dòng)現(xiàn)象,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。但是由于它內(nèi)、外定子間氣隙較大(杯壁厚度加上杯壁兩邊的氣隙),所以勵(lì)磁電流就大,降低了電機(jī)的利用率,因而在相同的體積和重量下,在一定的功率范圍內(nèi),杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)比鼠籠轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和輸出功率都小;另外,杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝又比較復(fù)雜。因此,目前廣泛應(yīng)用的是鼠籠形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī),只有在要求運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)的某些特殊場(chǎng)合下(如:積分電路等),才采用非磁性杯形轉(zhuǎn)子伺服電動(dòng)機(jī)。
三、交流伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理
交流伺服電機(jī)的工作原理和單相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無本質(zhì)上的差異。但是,交流伺服電機(jī)必須具備一個(gè)性能,就是能克服交流伺服電機(jī)的所謂“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,即無控制信號(hào)時(shí),它不應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng),特別是當(dāng)它已在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),如果控制信號(hào)消失,它應(yīng)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)。而普通的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來以后,如控制信號(hào)消失,往往仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
當(dāng)電機(jī)原來處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),如控制繞組不加控制電壓,此時(shí)只有勵(lì)磁繞組通電產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)??梢园衙}動(dòng)磁場(chǎng)看成兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同樣的大小和轉(zhuǎn)速,向相反方向旋轉(zhuǎn),所建立的正、反轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分別切割籠型繞組(或杯形壁)并感應(yīng)出大小相同,相位相反的電動(dòng)勢(shì)和電流(或渦流),這些電流分別與各自的磁場(chǎng)作用產(chǎn)生的力矩也大小相等、方向相反,合成力矩為零,伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)不起來。一旦控制系統(tǒng)有偏差信號(hào),控制繞組就要接受與之相對(duì)應(yīng)的控制電壓。在一般情況下,電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)是橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可以看成是由兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)合成起來的。這兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幅值不等(與原橢圓旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向相同的正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大,與原轉(zhuǎn)向相反的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)?。?,但以相同的速度,向相反的方向旋轉(zhuǎn)。它們切割轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電勢(shì)和電流以及產(chǎn)生的電磁力矩也方向相反、大小不等(正轉(zhuǎn)者大,反轉(zhuǎn)者?。┖铣闪夭粸榱悖运欧姍C(jī)就朝著正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來,隨著信號(hào)的增強(qiáng),磁場(chǎng)接近圓形,此時(shí)正轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩增大,反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其力矩減小,合成力矩變大,如負(fù)載力矩不變,轉(zhuǎn)子的速度就增加。如果改變控制電壓的相位,即移相180o,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相反,因而產(chǎn)生的合成力矩方向也相反,伺服電機(jī)將反轉(zhuǎn)。若控制信號(hào)消失,只有勵(lì)磁繞組通入電流,伺服電機(jī)產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是脈動(dòng)磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子很快地停下來。鼠籠轉(zhuǎn)子(或者是非磁性杯形轉(zhuǎn)子)所以會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來是由于在空間中有一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條,在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電流再與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用就產(chǎn)生力和轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩的方向和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相同,于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)沿同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域與范圍的不斷擴(kuò)大,系統(tǒng)柔性化與各種性能要求更高,采用傳統(tǒng)的以完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)預(yù)定動(dòng)作循環(huán)和限于系統(tǒng)靜態(tài)性能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。因此,現(xiàn)代液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究人員對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究,了解和掌握液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)工作特性與參數(shù)變化,以提高系統(tǒng)的響應(yīng)特性、控制精度以及工作可靠性,是非常必要的。
液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性是其在失去原來平衡狀態(tài)到達(dá)新的平衡狀態(tài)過程中所表現(xiàn)出來的特性,原因主要是由傳動(dòng)與控制系統(tǒng)的過程變化以及外界干擾引起的。在此過程中,系統(tǒng)各參變量隨時(shí)間變化性能的好壞,決定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)劣。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性主要表現(xiàn)為穩(wěn)定性(系統(tǒng)中壓力瞬間峰值與波動(dòng)情況)以及過渡過程品質(zhì)(執(zhí)行、控制機(jī)構(gòu)的響應(yīng)品質(zhì)和響應(yīng)速度)問題。
液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究方法主要有傳遞函數(shù)分析法、模擬仿真法、實(shí)驗(yàn)研究法和數(shù)字仿真法等。數(shù)字仿真法是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的一種方法。先是建立液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的數(shù)字模型——狀態(tài)方程,然后在計(jì)算機(jī)上求出系統(tǒng)中主要變量在動(dòng)態(tài)過程的時(shí)域解。該方法適用于線性與非線性系統(tǒng),可以模擬出輸入函數(shù)作用下系統(tǒng)各參變量的變化情況,從而獲得對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程直接、全面的了解,使研究人員在設(shè)計(jì)階段就可預(yù)測(cè)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,以便及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證與改進(jìn),保證系統(tǒng)的工作性能和可靠性,具有精確、適應(yīng)性強(qiáng)、周期短以及費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。
四、PWM調(diào)制技術(shù)及死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor),絕緣柵雙極型晶體管,是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低,載流密度大,但驅(qū)動(dòng)電流較大;MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小,開關(guān)速度快,但導(dǎo)通壓降大,載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn),驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。
在感應(yīng)電機(jī)的SVPWM調(diào)制方式控制中,對(duì)定子電流進(jìn)行預(yù)測(cè),計(jì)算死區(qū)的影響,提出了預(yù)測(cè)補(bǔ)償?shù)乃惴?。通過仿真分析了逆變器死區(qū)的特性,建立死區(qū)的數(shù)學(xué)模型和整個(gè)系統(tǒng)的非線性模型,采用自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制策略消除逆變死區(qū)的影響。不需要測(cè)量死區(qū)的參數(shù),具有較強(qiáng)的魯棒性,可使系統(tǒng)全局穩(wěn)定并且達(dá)到準(zhǔn)確的位置跟蹤。
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