交流進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理與方法

1、 華中科技大學機械科學與工程學院華中科技大學機械科學與工程學院14.1 概述概述4.2 位置檢測裝置位置檢測裝置4.3 進給電機及驅(qū)動進給電機及驅(qū)動4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法2（略）（略）4.4.1 步進伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理與方法步進伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理與方法 4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法34.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法4.4.2 交流進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理與方法交流進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制原理與方法 交流進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組成：交流進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組成： 控制器、功率驅(qū)動器、檢

2、測裝置和伺服電機；控制器、功率驅(qū)動器、檢測裝置和伺服電機； 系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控裝置的指令信號和檢測裝置檢測的實際系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控裝置的指令信號和檢測裝置檢測的實際信號之差來調(diào)節(jié)控制量。信號之差來調(diào)節(jié)控制量。41. 交流伺服電機的矢量控制原理交流伺服電機的矢量控制原理為什么矢量控制？為什么矢量控制？直流電機調(diào)速方法：直流電機調(diào)速方法：直流電機組成直流電機組成：磁極（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、電刷與換向片：磁極（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、電刷與換向片MIaIfUfUaRaLaEaUa4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法5mTEamTEaEaTCCRnTCCRCUn202aTmICTm 直

3、流調(diào)速度中：與電磁轉(zhuǎn)矩直流調(diào)速度中：與電磁轉(zhuǎn)矩Tm 相關的勵磁磁通相關的勵磁磁通m 和電和電樞電流樞電流Ia是兩個互相獨立的變量。勵磁磁通是兩個互相獨立的變量。勵磁磁通m僅正比于勵僅正比于勵磁電流磁電流If，而與，而與Ia無關，分別控制勵磁電流無關，分別控制勵磁電流If和電樞電流和電樞電流Ia，即可方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩即可方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩Tm與轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速n的線性控制。的線性控制。 直流電機的兩個重要參數(shù)直流電機的兩個重要參數(shù)：4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法6交流電機交流電機交流電機電磁轉(zhuǎn)矩公式交流電機電磁轉(zhuǎn)矩公式電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩Tm與氣隙磁通與氣隙磁通m、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)

4、子電流Ia成正比，但成正比，但m與與Ia不正交，不是獨立的變量，不能單獨控制，因此，不能分不正交，不是獨立的變量，不能單獨控制，因此，不能分別調(diào)節(jié)。同時，交流電機定子產(chǎn)生的是隨時間和空間都在變別調(diào)節(jié)。同時，交流電機定子產(chǎn)生的是隨時間和空間都在變化的旋轉(zhuǎn)磁場，氣隙磁通化的旋轉(zhuǎn)磁場，氣隙磁通m是一個空間交變矢量，這樣，是一個空間交變矢量，這樣，在定子側(cè)的各物理量（電壓、電流、磁動勢）也都在空間上在定子側(cè)的各物理量（電壓、電流、磁動勢）也都在空間上同步旋轉(zhuǎn)且交變，調(diào)節(jié)、控制和計算很不方便。同步旋轉(zhuǎn)且交變，調(diào)節(jié)、控制和計算很不方便。2cosamMmICT4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)

5、的控制原理和方法71)矢量控制的基本思想：矢量控制的基本思想： 將三相交流電機輸入的電流等效變換為類似直流電機彼此將三相交流電機輸入的電流等效變換為類似直流電機彼此獨立的勵磁電流和力矩電流，建立起與之等效的直流電機數(shù)獨立的勵磁電流和力矩電流，建立起與之等效的直流電機數(shù)學模型，通過對這兩個電流量的反饋控制實現(xiàn)對電機電磁轉(zhuǎn)學模型，通過對這兩個電流量的反饋控制實現(xiàn)對電機電磁轉(zhuǎn)矩和速度的控制。然后，再通過相反的變換，將被控制的等矩和速度的控制。然后，再通過相反的變換，將被控制的等效直流電機電流還原為三相交流電機電流，那么就可以采用效直流電機電流還原為三相交流電機電流，那么就可以采用類似直流電機的調(diào)速方

6、法對三相交流電機進行調(diào)速了。類似直流電機的調(diào)速方法對三相交流電機進行調(diào)速了。等效變換的準則：等效變換的準則：變換前后必須產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場變換前后必須產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法8（1）三相）三相/二相變換二相變換 將三相靜止繞組將三相靜止繞組A、B、C的交流變換為兩相靜止的交流變換為兩相靜止繞組繞組、的交流。從而實的交流。從而實現(xiàn)三相交流電機變換為等現(xiàn)三相交流電機變換為等效的二相交流電機以及與效的二相交流電機以及與其相反的變換。其相反的變換。 2)矢量變換的實現(xiàn)：矢量變換的實現(xiàn)：4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和

7、方法9方法：方法： 根據(jù)三相交流根據(jù)三相交流 iA、iB、iC所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢Fm與兩與兩相交流相交流 i、i所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動勢Fm 等效。等效。CBACBAiiiiiiii23230212113234sin32sin0sin44cos32cos0cos32 建立三相交流建立三相交流 iA、iB、iC轉(zhuǎn)換為兩相交流轉(zhuǎn)換為兩相交流 i、i的電的電流變換矩陣：流變換矩陣：4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法10 建立兩相交流建立兩相交流i、i 轉(zhuǎn)換為三相交流轉(zhuǎn)換為三相交流 iA、iB、iC的電流的電流變換矩陣：變換矩陣：iiiiiC

8、BA2321232101324.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法11（2）矢量旋轉(zhuǎn)變換）矢量旋轉(zhuǎn)變換 將靜止坐標系將靜止坐標系-上的兩相交流上的兩相交流 i、i變換為旋轉(zhuǎn)坐標系變換為旋轉(zhuǎn)坐標系d-q上的兩相直流上的兩相直流 id、iq。方法：方法： 將繞組將繞組d、q中分別通入直流中分別通入直流id、iq，并且使得包含這兩個繞組在內(nèi)的整個鐵并且使得包含這兩個繞組在內(nèi)的整個鐵心，以與旋轉(zhuǎn)磁動勢心，以與旋轉(zhuǎn)磁動勢Fm同步的轉(zhuǎn)速同步的轉(zhuǎn)速1旋旋轉(zhuǎn)。在該鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)觀察時，轉(zhuǎn)。在該鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)觀察時，d和和q便成了兩個通入直流而相互垂直的便成了兩個通入直流而

9、相互垂直的靜止繞組。靜止繞組。4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法124.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法 當選擇旋轉(zhuǎn)坐標系的當選擇旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸與旋轉(zhuǎn)磁動勢軸與旋轉(zhuǎn)磁動勢Fm的方向重的方向重合時，旋轉(zhuǎn)坐標系合時，旋轉(zhuǎn)坐標系d軸上的直流分量軸上的直流分量id相當于直流電機相當于直流電機的勵磁電流的勵磁電流if。q軸上的直流電流軸上的直流電流iq相當于直流電機的力相當于直流電機的力矩電流矩電流ia。13建立靜止坐標系建立靜止坐標系-上兩相交流上兩相交流 i、i轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標系系d-q上兩相直流上兩相直流 id、iq的電流變換

10、矩陣：的電流變換矩陣：iiiiqdcossinsincosdqiiiicossinsincos 建立旋轉(zhuǎn)坐標系建立旋轉(zhuǎn)坐標系d-q上兩相直流上兩相直流 id、iq與靜止坐標系與靜止坐標系-上兩相交流上兩相交流 i、i的電流變換矩陣：的電流變換矩陣：4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法142 交流伺服電機的矢量控制系統(tǒng)交流伺服電機的矢量控制系統(tǒng)在矢量控制中，當以獲得最大轉(zhuǎn)矩為控制目標時，變換在矢量控制中，當以獲得最大轉(zhuǎn)矩為控制目標時，變換旋轉(zhuǎn)坐標系旋轉(zhuǎn)坐標系d-q中勵磁電流分量中勵磁電流分量id通?？刂茷榱?。通?？刂茷榱恪＝涣麟姍C在矢量轉(zhuǎn)換中輸出電磁轉(zhuǎn)矩交流電機在矢量

11、轉(zhuǎn)換中輸出電磁轉(zhuǎn)矩Mm的關系式為：的關系式為：qfmipM23 可知，可知，電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩Mm僅與轉(zhuǎn)矩電流分量僅與轉(zhuǎn)矩電流分量iq成線性關系狀態(tài)變成線性關系狀態(tài)變量量id、iq可以獨立調(diào)節(jié)，可以獨立調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩線性化控制。從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩線性化控制。4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法15采用采用Id=0控制策略的三相永磁同步伺服控制系統(tǒng)：控制策略的三相永磁同步伺服控制系統(tǒng)：4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法16（1）位置控制環(huán)。）位置控制環(huán)。位置控制環(huán)使實際位置保持和給定令位置位置控制環(huán)使實際位置保持和給定令位置一致，它由位置調(diào)節(jié)

12、器、位置反饋和位置前饋控制器構(gòu)成。一致，它由位置調(diào)節(jié)器、位置反饋和位置前饋控制器構(gòu)成。（2）速度控制環(huán)。）速度控制環(huán)。速度控制環(huán)使電機實際速度保持和給定速度控制環(huán)使電機實際速度保持和給定速度一致，它由速度調(diào)節(jié)器、速度反饋構(gòu)成。速度一致，它由速度調(diào)節(jié)器、速度反饋構(gòu)成。（3）電流控制環(huán)。）電流控制環(huán)。電流控制是提高伺服系統(tǒng)控制精度和響應電流控制是提高伺服系統(tǒng)控制精度和響應速度、改善控制性能的關鍵。電流控制環(huán)由電流調(diào)節(jié)器、矢速度、改善控制性能的關鍵。電流控制環(huán)由電流調(diào)節(jié)器、矢量控制算法以及電流反饋三個部分構(gòu)成。量控制算法以及電流反饋三個部分構(gòu)成。4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制

13、原理和方法173. 進給伺服系統(tǒng)的全數(shù)字控制系統(tǒng)進給伺服系統(tǒng)的全數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)字式控制系統(tǒng)數(shù)字式控制系統(tǒng)進給伺服控制系統(tǒng)的分類：進給伺服控制系統(tǒng)的分類：模擬控制系統(tǒng)模擬控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的給定指令信號和反饋信號都是系統(tǒng)中的給定指令信號和反饋信號都是模擬量。模擬量。 特點：特點：是動態(tài)性能好、成本低；模擬伺服系統(tǒng)的電路復是動態(tài)性能好、成本低；模擬伺服系統(tǒng)的電路復雜、一致性較差、有零點漂移等不足。雜、一致性較差、有零點漂移等不足。數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)位置環(huán)位置環(huán)給定信號和反饋信號都是數(shù)字量；給定信號和反饋信號都是數(shù)字量；速度環(huán)和電流環(huán)的信號仍為模擬量。速度環(huán)和電流環(huán)的信號仍為模擬量

14、。全數(shù)字式控制系全數(shù)字式控制系控制信號全部采控制信號全部采用數(shù)字量來處理，利用計算機軟件實用數(shù)字量來處理，利用計算機軟件實現(xiàn)三環(huán)控制功能現(xiàn)三環(huán)控制功能4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法181)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成與特點全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成與特點構(gòu)成構(gòu)成4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法19特點特點（1）無溫漂，無參數(shù)變化，穩(wěn)定性好；）無溫漂，無參數(shù)變化，穩(wěn)定性好； （2）系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整方便，線性度及可重復性高；）系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整方便，線性度及可重復性高；（3）軟件模塊化設計，以滿足不同的用途；可以方便的增加、）軟件模塊化設計，以滿足不同

15、的用途；可以方便的增加、更改、刪減，靈活性強；更改、刪減，靈活性強；（4）伺服系統(tǒng)與上位機的信息傳遞靈活、方便；）伺服系統(tǒng)與上位機的信息傳遞靈活、方便；（5）許多控制思想和手段得以實現(xiàn)。如魯棒控制、自適應控）許多控制思想和手段得以實現(xiàn)。如魯棒控制、自適應控制、變參數(shù)控制等；制、變參數(shù)控制等；（6）增加監(jiān)控、診斷、調(diào)整以及分級控制等功能，系統(tǒng)趨于）增加監(jiān)控、診斷、調(diào)整以及分級控制等功能，系統(tǒng)趨于多功能化，智能化。多功能化，智能化。4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法202)全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器實例全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器實例HSV162/160/16系列全數(shù)字伺服控制器系

16、列全數(shù)字伺服控制器4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法21（1）HSV-160全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器硬件控制平臺全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器硬件控制平臺4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法22 控制簡單、靈活；控制簡單、靈活； 狀態(tài)顯示齊全；狀態(tài)顯示齊全； 寬調(diào)速比。最高轉(zhuǎn)速可達寬調(diào)速比。最高轉(zhuǎn)速可達3000轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分，最低轉(zhuǎn)速可低至分，最低轉(zhuǎn)速可低至0.5轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)/分；調(diào)速比為分；調(diào)速比為1：6000； 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、易于安裝和拆卸；結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、易于安裝和拆卸； 支持上位機支持上位機DC5V與與DC24V兩種電平的脈沖指令與反兩種電平

17、的脈沖指令與反饋接口。饋接口。（2）HSV-160全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器特點全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器特點4.4 進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法進給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法23 位置控制方式（脈沖量接口）：接收三種形式的脈沖指令（正位置控制方式（脈沖量接口）：接收三種形式的脈沖指令（正交脈沖；脈沖交脈沖；脈沖+方向；正、負脈沖）。方向；正、負脈沖）。 速度控制方式（模擬量接口）：接收幅值不超過速度控制方式（模擬量接口）：接收幅值不超過10V的模擬量。的模擬量。 轉(zhuǎn)矩控制方式（模擬量接口）：接收幅值不超過轉(zhuǎn)矩控制方式（模擬量接口）：接收幅值不超過10V 的模擬量。的模擬量。 JOG控制方式：通過按鍵（無須外部指令）操作使驅(qū)動單元驅(qū)控制方式：通過按鍵（無須外部指令）操作使