伺服電機(jī)工作原理.doc

1、伺服電機(jī)的工作原理圖伺服電機(jī)工作原理伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在此磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。1、永磁交流伺服系統(tǒng)具有以下等優(yōu)點(diǎn)：（1）電動(dòng)機(jī)無電刷和換向器，工作可靠，維護(hù)和保養(yǎng)簡(jiǎn)單；（2）定子繞組散熱快；(3)慣量小，易提高系統(tǒng)的快速性；（4）適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；（5）相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應(yīng)用于機(jī)床、機(jī)械設(shè)備、搬運(yùn)機(jī)構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機(jī)器人、加工機(jī)械、高速卷繞機(jī)、紡織機(jī)械等場(chǎng)合，滿足了傳動(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展需求。永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器經(jīng)歷了模擬式、模式

2、混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進(jìn)入了全數(shù)字的時(shí)代。全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢(shì)和控制方法的靈活，使伺服驅(qū)動(dòng)器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且性能更加的可靠?，F(xiàn)在，高性能的伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器兩部分。伺服驅(qū)動(dòng)器有兩部分組成：驅(qū)動(dòng)器硬件和控制算法?？刂扑惴ㄊ菦Q定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國(guó)外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分，也是在技術(shù)壟斷的核心。2、交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動(dòng)單元、通訊接口單元、伺服電動(dòng)機(jī)及相

3、應(yīng)的反饋檢測(cè)器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動(dòng)器其集先進(jìn)的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強(qiáng)大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所不可比擬的。目前主流的伺服驅(qū)動(dòng)器均采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制核心，其優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項(xiàng)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊（IPM）為核心設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路,IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測(cè)保護(hù)電路,在主回路中還加入軟啟動(dòng)電路,以減小啟動(dòng)過程對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖

4、擊。圖1 交流永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器大體可以劃分為功能比較獨(dú)立的功率板和控制板兩個(gè)模塊。如圖2所示功率板（驅(qū)動(dòng)板）是強(qiáng)電部，分其中包括兩個(gè)單元，一是功率驅(qū)動(dòng)單元IPM用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，二是開關(guān)電源單元為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。控制板是弱電部分，是電機(jī)的控制核心也是伺服驅(qū)動(dòng)器技術(shù)核心控制算法的運(yùn)行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應(yīng)的算法輸出PWM信號(hào)，作為驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，來改逆變器的輸出功率，以達(dá)到控制三相永磁式同步交流伺服電機(jī)的目的。3、功率驅(qū)動(dòng)單元功率驅(qū)動(dòng)單元首先通過三相全橋整流電路對(duì)輸入的三相電或者市電進(jìn)行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器

5、變頻來驅(qū)動(dòng)三相永磁式同步交流伺服電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)單元的整個(gè)過程可以簡(jiǎn)單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（AC-DC）主要的拓?fù)潆娐肥侨嗳珮虿豢卣麟娐?。逆變部分（DC-AC）采用采用的功率器件集驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)，主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用了三相橋式電路原理圖見圖3，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即PWM(Pulse Width Modulation)通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時(shí)間來改變逆變器輸出波形的頻率,改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時(shí)間比,也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓副值的大小以達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。4、控制單元控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心,實(shí)

6、現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。所采用的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機(jī)控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時(shí)計(jì)數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲(chǔ)器等。伺服驅(qū)動(dòng)器通過采用磁場(chǎng)定向的控制原理( FOC) 和坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)矢量控制(VC) ,同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制 。永磁同步電動(dòng)機(jī)的矢量控制一般通過檢測(cè)或估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機(jī)的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對(duì)于永

7、磁同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置相同，這樣通過檢測(cè)轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置就可以得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機(jī)的矢量控制比起異步電機(jī)的矢量控制有所簡(jiǎn)化。伺服驅(qū)動(dòng)器控制交流永磁伺服電機(jī)( PMSM)伺服驅(qū)動(dòng)器在控制交流永磁伺服電機(jī)時(shí),可分別工作在電流(轉(zhuǎn)矩) 、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示由于交流永磁伺服電機(jī)(PMSM) 采用的是永久磁鐵勵(lì)磁,其磁場(chǎng)可以視為是恒定;同時(shí)交流永磁伺服電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速,即其轉(zhuǎn)差為零。這些條件使得交流伺服驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)交流永磁伺服電機(jī)時(shí)的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖4可以看出,系統(tǒng)是基于測(cè)量電機(jī)的兩相電流反饋和電機(jī)位置。將測(cè)得的相電流結(jié)合位置信息,經(jīng)坐標(biāo)變化(從a ,b ,c 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d ,q 坐標(biāo)系) ,得到分量,分別進(jìn)入各自得電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標(biāo)變化(從d ,q 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a ,b ,c 坐標(biāo)系) ,得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令,經(jīng)過反向、延時(shí)后,得到6 路PWM 波輸出到功率器件,控制電機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下,指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器,得到下一級(jí)的參考指令。在電流環(huán)中,d ,q 軸的轉(zhuǎn)矩電流分量是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下,磁通分量為零( = 0) ，但是當(dāng)速度大于限定值時(shí),可以通過弱磁( 0)