交流伺服電機及其控制1

1、24828B第1章伺服系統(tǒng)概述1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程1.3交流伺服系統(tǒng)的構成1.4交流伺服系統(tǒng)的分類1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢24828B1.1伺服系統(tǒng)的基本概念1.1.1伺服系統(tǒng)的定義1.1.2伺服系統(tǒng)的組成1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1.1.4伺服系統(tǒng)的種類24828B1.1.1伺服系統(tǒng)的定義“伺服系統(tǒng)”是指執(zhí)行機構按照控制信號的要求而動作，即控制信號到來之前，被控對象是靜止不動的；接收到控制信號后，被控對象則按要求動作；控制信號消失之后，被控對象應自行停止。24828B1.1.2伺服系統(tǒng)的組成伺服系統(tǒng)是具有反饋的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)

2、。它由檢測部分、誤差放大部分、執(zhí)行部分及被控對象組成。24828B1.1.3伺服系統(tǒng)性能的基本要求1)精度高。2)穩(wěn)定性好。3)快速響應。4)調速范圍寬。5)低速大轉矩。6)能夠頻繁地起動、制動以及正反轉切換。24828B1.1.4伺服系統(tǒng)的種類伺服系統(tǒng)按照伺服驅動機的不同可分為電氣式、液壓式和氣動式三種；按照功能的不同可分為計量伺服和功率伺服系統(tǒng)，模擬伺服和功率伺服系統(tǒng)，位置伺服、速度伺服和加速度伺服系統(tǒng)等。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)電氣信號可分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)兩大類。交流伺服系統(tǒng)又有感應電機伺服系統(tǒng)和永磁同步電機伺服系統(tǒng)兩種。24828B1.2伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程伺服系統(tǒng)的發(fā)展經歷了由液壓

3、到電氣的過程，電氣伺服系統(tǒng)的發(fā)展則與伺服電機的不同發(fā)展階段具有緊密的聯(lián)系，伺服電機至今已有50多年的發(fā)展歷史，經歷了三個主要發(fā)展階段。24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構成1.3.1交流伺服電機1.3.2功率變換器1.3.3傳感器1.3.4控制器24828B1.3交流伺服系統(tǒng)的構成圖1-1交流伺服系統(tǒng)24828B1.3.1交流伺服電機1.同步型交流伺服電機(無刷直流伺服電機)2.感應型交流伺服電機3.兩種交流伺服電機的比較24828B1.同步型交流伺服電機(無刷直流伺服電機)交流伺服電機中最為普及的是同步型交流伺服電機，其勵磁磁場由轉子上的永磁體產生，通過控制三相電樞電流，使其合成電流矢量與勵磁

4、磁場正交而產生轉矩。由于只需控制電樞電流就可以控制轉矩，因此比感應型交流伺服電機控制簡單。而且利用永磁體產生勵磁磁場，特別是數(shù)千瓦的小容量同步型交流伺服電機比感應型效率更高。24828B2.感應型交流伺服電機近年來，隨著電力電子技術、微處理器技術與磁場定向控制技術的快速發(fā)展，使感應電機可以達到與他勵式直流電機相同的轉矩控制特性，再加上感應電機本身價格低廉、結構堅固及維護簡單，因此感應電機逐漸在高精密速度及位置控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。24828B3.兩種交流伺服電機的比較(1) 同步型交流伺服電機(2) 感應型交流伺服電機24828B(1) 同步型交流伺服電機1)正弦波電流控制稍復雜，轉

5、矩波動小。2)方波電流控制較為簡單，轉矩波動較大。3)采用稀土永磁體勵磁，功率密度高。4)電子換相，不需維護，散熱好，慣量小，峰值轉矩大。5)弱磁控制難，不適合恒功率運行。6)要注意高溫及大電流可能引起的永磁體去磁。24828B(2) 感應型交流伺服電機1)采用磁場定向控制，轉矩控制原理類似直流伺服。2)需要無功的勵磁電流，損耗稍大。3)設計上要減小漏感及磁路飽和的影響。4)利用弱磁控制，適合高速及恒功率運行。5)結構簡單、堅固，適合大功率應用。6)控制復雜，參數(shù)易受轉子溫升影響。24828B1.3.2功率變換器交流伺服系統(tǒng)功率變換器的主要功能是根據(jù)控制電路的指令，將電源單元提供的直流電能轉變

6、為伺服電機電樞繞組中的三相交流電流，以產生所需要的電磁轉矩。功率變換器主要包括控制電路、驅動電路、功率變換主電路等。24828B1.3.3傳感器在伺服系統(tǒng)中，需要對伺服電機的繞組電流及轉子速度、位置進行檢測，以構成電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)，因此需要相應的傳感器及其信號變換電路。24828B1.3.4控制器1.電流控制器2.速度控制器3.位置控制器24828B1.4交流伺服系統(tǒng)的分類1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號的處理方法分類1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類24828B1.4.1按伺服系統(tǒng)控制信號的處理方法分類1.模擬控制方式2.數(shù)字控制方式3.數(shù)字-模擬混合控制方式4.軟件伺服控制方式24828

7、B1.模擬控制方式1)控制系統(tǒng)的響應速度快，調速范圍寬。2)易于與常見的輸出模擬速度指令的CNC(Computerized Numerical Control)接口。3)系統(tǒng)狀態(tài)及信號變化易于觀測。4)系統(tǒng)功能由硬件實現(xiàn)，易于掌握，有利于使用者進行維護、調整。5)模擬器件的溫漂和分散性對系統(tǒng)的性能影響較大，系統(tǒng)的抗干擾能力較差。6)難以實現(xiàn)較復雜的控制算法，系統(tǒng)缺少柔性。24828B2.數(shù)字控制方式1)系統(tǒng)的集成度較高，具有較好的柔性，可實現(xiàn)軟件伺服。2)溫度變化對系統(tǒng)的性能影響小，系統(tǒng)的重復性好。3)易于應用現(xiàn)代控制理論，實現(xiàn)較復雜的控制策略。4)易于實現(xiàn)智能化的故障診斷和保護，系統(tǒng)具有較高

8、的可靠性。5)易于與采用計算機控制的系統(tǒng)相接。24828B3.數(shù)字-模擬混合控制方式由于數(shù)字控制方式的響應速度由微處理器的運算速度決定，在現(xiàn)有技術條件下，要實現(xiàn)包括電流調節(jié)器在內的全數(shù)字控制，就必須采用DSP等高性能微處理器芯片，這導致全數(shù)字控制系統(tǒng)結構復雜、成本較高。為滿足電流調節(jié)快速性的要求，全數(shù)字控制永磁交流伺服系統(tǒng)產品中，電流調節(jié)器雖已數(shù)字化，但其控制策略一般仍采用PID調節(jié)方式。同時，考慮到系統(tǒng)中模擬傳感器(如電流傳感器)的溫漂和信號噪聲的干擾及其數(shù)字化時引入的誤差的影響，全數(shù)字化控制在性價比上并沒有明顯的優(yōu)勢。24828B4.軟件伺服控制方式1)控制器硬件體積小、成本低。2)控制系

9、統(tǒng)的可靠性高。3)系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、控制精度高。4)硬件電路標準化容易。5)系統(tǒng)控制的靈活性好，智能化程度高。6)控制策略的更新、升級能力強。24828B1.4.2按伺服系統(tǒng)的控制方式分類1.開環(huán)伺服系統(tǒng)2.閉環(huán)伺服系統(tǒng)3.半閉環(huán)伺服系統(tǒng)24828B1.5交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(1) 調速范圍D(2) 轉矩脈動系數(shù)KTr(3)穩(wěn)速精度(4)超調量(5)轉矩變化的時間響應(6)轉速響應時間(7)靜態(tài)剛度K(8)定位精度和穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差24828B1.6伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(1)交流化(2)全數(shù)字化(3)高性能化(4)多功能化(5)低成本化(6)小型化和集成化(7)模塊化和網絡化24828B第2章感

10、應電機伺服控制系統(tǒng)2.1感應電機伺服控制系統(tǒng)的構成2.2感應電機的數(shù)學模型與坐標變換2.3感應電機的矢量控制2.3.3解耦控制2.3.6弱磁控制2.4伺服控制感應電機的等效直流電機常數(shù)2.4.2伺服控制感應電機的等效直流電機常數(shù)2.5關于感應電機的直接轉矩控制24828B2.1感應電機伺服控制系統(tǒng)的構成(1)感應電機的電動運行(2)感應電機的發(fā)電制動24828B2.1感應電機伺服控制系統(tǒng)的構成圖2-1感應電機伺服控制系統(tǒng)的構成24828B2.1感應電機伺服控制系統(tǒng)的構成圖2-2感應電機的轉子與籠型繞組a)轉子b)籠型繞組24828B2.2感應電機的數(shù)學模型與坐標變換2.2.1矢量控制的基本思路

11、2.2.2在三相靜止坐標系下感應電機的數(shù)學模型2.2.3坐標變換24828B2.2.1矢量控制的基本思路由電機學中感應電機的運行原理可知，只要能實現(xiàn)對感應電機定子各相電流(iA、iB、iC)的瞬時控制，就能夠實現(xiàn)對感應電機轉矩的瞬時控制24828B2.2.2在三相靜止坐標系下感應電機的數(shù)學模型1)忽略空間諧波，設三相繞組對稱，在空間互差120電角度，所產生的磁動勢沿氣隙周圍按正弦規(guī)律分布。2)忽略磁路飽和，各繞組的自感和互感都是恒定的。3)忽略鐵心損耗。4)不考慮頻率變化和溫度變化對繞組電阻的影響。1.磁鏈方程2.電壓方程3.電磁轉矩方程4.運動方程24828B圖2-3三相靜止坐標系下的三相籠

12、型感應電機的物理模型24828B1.磁鏈方程(1)互感為常數(shù)(2)互感是角度re的函數(shù)24828B2.電壓方程將三相定、轉子繞組的電壓平衡方程寫成矩陣方程形式，并以微分算子P代替微分運算符號d/dt旋轉電動勢矩陣，由轉子旋轉產生，與轉子轉速成正比。24828B3.電磁轉矩方程24828B4.運動方程作用在電動機軸上的轉矩與電動機速度變化之間的關系可以用運動方程來表達，轉子與負載的轉動慣量之和。24828B2.2.3坐標變換1.靜止三相/兩相坐標變換2.靜止/旋轉兩相坐標變換24828B1.靜止三相/兩相坐標變換圖2-4靜止三相兩相坐標系與繞組磁動勢的空間矢量24828B1.靜止三相/兩相坐標變

13、換圖2-5兩相靜止和旋轉坐標系與磁動勢空間矢量圖24828B2.靜止/旋轉兩相坐標變換圖2-6M-T坐標系下感應電機的框圖24828B2.3感應電機的矢量控制2.3.1轉子磁場定向M-T坐標系中的基本方程2.3.2轉差頻率控制24828B2.3.1轉子磁場定向M-T坐標系中的基本方程式(2-27)為感應電機兩相同步旋轉坐標系數(shù)學模型的電壓方程式，式右邊的4行4列系數(shù)矩陣每一項都是占滿了的，也就是說，系統(tǒng)仍是強耦合的。24828B2.3.2轉差頻率控制圖2-7電源頻率的計算框圖24828B2.3.2轉差頻率控制圖2-8電源頻率的簡化計算方法24828B2.3.2轉差頻率控制圖2-9勵磁電流恒定時

14、的電源頻率計算方法24828B2.3.3解耦控制2.3.4磁通與電流控制2.3.5坐標變換的實現(xiàn)24828B2.3.3解耦控制圖2-10轉子磁場定向控制感應電動機的系統(tǒng)框圖24828B2.3.3解耦控制圖2-11解耦控制的感應電動機的系統(tǒng)框圖24828B2.3.4磁通與電流控制圖2-12含有磁通、電流控制器的感應電機伺服系統(tǒng)的控制框圖24828B2.3.5坐標變換的實現(xiàn)圖2-13從、到、的實現(xiàn)框圖24828B2.3.5坐標變換的實現(xiàn)圖2-14從、到、的實現(xiàn)框圖24828B2.3.6弱磁控制圖2-15轉子磁鏈的控制框圖24828B2.3.7M-T坐標系下感應電機矢量控制伺服系統(tǒng)的構成1)位置環(huán)、

15、速度環(huán)、電流環(huán)控制單元、磁鏈控制單元、解耦控制單元。2)電機轉子位置、轉速檢測及信號處理計算單元。3)坐標變換單元。4)三相逆變單元。24828B圖2-16M-T坐標系下感應電機矢量控制伺服系統(tǒng)24828B2.4.1伺服控制感應電機的等效電路圖2-17感應電機的等效電路24828B2.4.1伺服控制感應電機的等效電路圖2-18轉矩分量等效電路24828B2.4.1伺服控制感應電機的等效電路圖2-19勵磁分量等效電路24828B2.4.3伺服控制感應電機的特性框圖與時間常數(shù)圖2-20伺服控制感應電機的特性框圖24828B2.5關于感應電機的直接轉矩控制1)直接轉矩控制以定子磁鏈作為被控制的磁鏈，控制過程中只涉及電機定子側的參數(shù)，即定子電壓、電流、磁鏈、阻抗等，所以控制效果不受轉子回路參數(shù)變化的影響。2)直接轉矩控制的控制運算均在定子靜止坐標系中進行，不需要在旋轉坐標系中對定子電流進行分解和設定，所以不需要進行靜止坐標系與旋轉坐標系之間的變換運算，從而明顯簡化了信號的處理過程，提高了控制運算的速度。24828B2.5關于感應電機的直接轉矩控制3)直接轉矩控制采用轉矩閉環(huán)直接控制電動機的電磁轉矩，不像矢量變換控