XINJE技術(shù)支持培訓(xùn)材料

1、3、基于PLC的交流永磁同步伺服系統(tǒng)3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)3.1.1 永磁交流伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)它與一般的反饋控制系統(tǒng)一樣，也是由控制器、被控對象、反饋測量裝置等部分組成。其結(jié)構(gòu)如圖2-1所示:控控土控控圖2-1 伺服系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)框圖3.1.2 永磁交流伺服系統(tǒng)的基本原理伺服系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)的一類，它的輸出變量通常是機械或位置的運動，它的根本任務(wù)是實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)對給定指令的準(zhǔn)確跟蹤，即實現(xiàn)輸出變量的某種狀態(tài)能夠自動、 連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸入指令信號的變化規(guī)律。由圖（2-1 ）可以看出，輸入給控制器 PLC后，PLC發(fā)命令（如脈沖個數(shù)，固定頻率的脈沖等）給伺服驅(qū)動器，伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機按命令執(zhí)行，

2、通過旋轉(zhuǎn)編碼器反饋電機的執(zhí)行情況與接收到的命令進行對比并在內(nèi)部進行調(diào)整，使其 與接收到的命令一致，從而實現(xiàn)精確的定位。而負載的運動情況（位置、速度等）通過相應(yīng)傳感器反饋到控制器輸入端與輸入命令進行比較，實現(xiàn)閉環(huán)控制。當(dāng)然，伺服系統(tǒng)也可以是半閉環(huán)控制。 下面就逐一介紹各個部分的原理。3.2 系統(tǒng)各部分原理3.2.1 交流永磁同步伺服電機伺服電動機又稱執(zhí)行電動機，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。伺服主要靠脈沖來定位,基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā) 出對應(yīng)數(shù)量的

3、脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時通過旋轉(zhuǎn)編碼器又反饋了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達到0.001 mm。近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發(fā)展，永磁同步電動機（Perma ne nt Mag net Synchron ous Motor簡稱PMSM ）得以迅速的推廣應(yīng)用。3.2.2 永磁同步電機的結(jié)構(gòu)永磁同步電機是由繞線式同步電機發(fā)展而來，磁線它用永磁體代替了電勵磁，從而省去了勵 圈、滑環(huán)與電刷，其定子電流與繞線式同步電機基本相同，輸入為對稱正弦交

4、流電，故 稱為交流永磁同步電 機。永磁同步伺服電機主要由定子、轉(zhuǎn)子及測量轉(zhuǎn)子位置的傳感器構(gòu)成。定子主要包括電樞鐵心和三相對稱電樞繞組，它們的軸線在空間彼此相差120度。繞組嵌放在鐵心的槽中；轉(zhuǎn)子主要由永磁體、導(dǎo)磁輾和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。永磁體貼在導(dǎo)磁柜上，導(dǎo)磁碗為圓筒形，套在轉(zhuǎn)軸上；當(dāng)轉(zhuǎn)子直徑比較小時，可以直接把永磁體貼在導(dǎo)磁軸上。轉(zhuǎn)子同軸連接有位置、速度傳感器，用于檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子繞組的相對位置以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。 永磁同步伺服電機實際如圖2-2所示：圖2-2伺服電機323永磁同步電機的原理永磁同步電機產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的機理同三相感應(yīng)電機一樣，電機當(dāng)其對稱三相繞組接通對稱三相電源后，流過繞組的電流在定轉(zhuǎn)子

5、氣隙中建立起旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速為：60fns (rpm)P式中f電源頻率 p一定子極對數(shù)即磁場的轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，反比于定子的極對數(shù)；磁場的旋轉(zhuǎn)方向取決于繞組電流的相序。與普通同步電機不同的是，永磁同步電機的轉(zhuǎn)子用永磁體代替。當(dāng)永磁同步電動機的定子通入對稱三相交流電時，定子將產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場。在穩(wěn)態(tài)情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速恒為磁場的同步轉(zhuǎn)速。于是，定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的永磁體產(chǎn)生的永磁體產(chǎn)生的主極磁場保持靜止，它們之間相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進行電機能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)負載發(fā)生變化 時，轉(zhuǎn)子的瞬時轉(zhuǎn)速就會發(fā)生變化，這時，如果通過傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，根據(jù)轉(zhuǎn)子永磁體磁場的位置，

6、利用逆變器控制定子繞組中電流的大小，相位和頻率，便會產(chǎn)生連續(xù)的轉(zhuǎn)矩作用到轉(zhuǎn)子上，這就是閉環(huán)控制的永磁同步電機的工作原理。3.2.4 伺服驅(qū)動器可以說，伺服驅(qū)動器是整個伺服系統(tǒng)的核心，其集先進的控制技術(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)動領(lǐng)域。交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要由伺服控制單元、功率 驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其中伺服控制單元包括位置控制器、速 度控制器和電流控制器等等。目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為控制核心，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件通常采用以智能功率模塊（IP

7、M ）為核心設(shè)計的驅(qū)動電路，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過 熱、欠壓等故 障檢測保護電路。其結(jié)構(gòu)組成如圖所示：T-FPGA故障檢 測電路DSPiw it1 ITT接口入接口緩 沖 電 路逆變器開關(guān)電源CPU相 控 流 器522控制電門極驅(qū)動電路編碼器輸 出接口RS232 |鍵冊及|第二編碼器串行口 I I顯示I I控制II輸入接口IPG圖伺服驅(qū)動器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊。功率板（驅(qū)動板）是強電部分，其中包括兩個單元，一是功率驅(qū)動單元IPM用于電機的驅(qū)動，二是開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源?？刂瓢迨侨蹼姴糠?，是電機的

8、控制核心也是伺服驅(qū)動器技術(shù)核心控制算法的運行載體?？刂瓢逋ㄟ^相應(yīng)的算法輸出PWM信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。1 .功率驅(qū)動單元功率變換電路的主要作用是進行能量的轉(zhuǎn)換-將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動伺服電機工作的交流電能，有時還需要將電機轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)換為儲能回路的直流電能。功率驅(qū)動單元首先通過單相整流電路對輸入的交流電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的交流電或市電，再通過三相正弦PWM電壓型逆變器變頻來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是AC-DC-AC的過程。整流單元（ACDC）主要的

9、拓撲電路是單相全橋不控整流電路。逆變部分（DC-AC ）采用的功率器件集驅(qū)動電路，保護電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊（ IPM ）,主要拓撲結(jié)構(gòu)是采用了三相橋式 電路，其觸發(fā)電路采用空間矢量脈寬調(diào)制（ SVPWM ）技術(shù)，通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通 的時間來改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時間比，也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓幅值的大小以達到調(diào)節(jié)功率的目的。其主電路如圖27所示：圖2-7伺服系統(tǒng)主電路圖2 . SVPWM (Space Vector PWM)技術(shù)交流電機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在電機內(nèi)部形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。針對

10、這一目標(biāo)，把逆變電路和交流電機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變電路的工作，這種控制方法稱作“礴鏈跟蹤控制”，磁鏈的軌跡是交替使用不同的電壓空間矢量得到的，所以又稱為“電壓空間矢量PWM (SVPWM ,Space Vector PWM )控制”。SVPWM ( Space Vector PWM )技術(shù)的基本思路就是通過控制逆變器功率器件的開 關(guān)模式及導(dǎo)通時間，產(chǎn)生有效電壓矢量來逼近圓形磁場軌跡的一種方法。這種方法利用電壓空間矢量直接生成三相PWM波，特別適用于DSP直接計算，且方法簡便。3 .控制單元 控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制。所采用

11、的數(shù)字信號處理器(DSP),除了具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的，用于電機控制的專用 集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時計數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲器等。伺服驅(qū)動器通過采用磁場定向的控制原理(FOC)和坐標(biāo)變換，實現(xiàn)矢量控制(VC)。同時結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制 (SVPWM )控制模式對電機進行控制。永磁同步電動機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉(zhuǎn)子磁通的位置 和幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同，

12、這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實際位置就可以知道電機轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同 步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。由于交流永磁伺服電機(PMSM)采用的是永久磁鐵勵磁，其磁場可以視為是恒定，同時交流永磁伺服 電機的電機轉(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)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機時的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大降低。4 .交流永磁伺服電機磁場的定向控制20世紀(jì)70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù),或稱磁場定向控制技術(shù)。通過坐標(biāo)變換,把交流電機中交流電流的控制，變換成類似于直流電機中直流電流的控制，實現(xiàn)了力 矩的控制，可以獲得和直流電機相似的高動態(tài)性能，從而使交流電機的控制技術(shù)取得了

13、突破性的進展。設(shè)想建立一個以電源角頻率旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dv q)o從靜止坐標(biāo)系(a,b,c)上看,專業(yè)資料是時變的。從動坐標(biāo)系(d、(3)然后將這個電流值再反變換到靜止坐標(biāo)系中;合成定子電流矢量在空間以電源角頻率旋轉(zhuǎn)從而形成旋轉(zhuǎn)磁場,q)上看，則合成定子電流矢量是靜止的，即從時變量變成了時不變量，從交流量變成了直 流量。具體步驟如下:(1)通過坐標(biāo)變換把合成定子電流矢量從靜止坐標(biāo)系變換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系;在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中計算出實現(xiàn)力矩控制所需要的定子合成電流的數(shù)值;將虛擬的合成電流轉(zhuǎn)換成實際的繞組電流，從而實現(xiàn)電機力矩的控制。坐標(biāo)變換是通過兩次變換實現(xiàn)的，從a, b,c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d,q坐標(biāo)系是由克

14、拉克(CLARKE)和帕克(PARK)變換來實現(xiàn)的；從坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系是由克拉克和帕克的逆變換來實現(xiàn)的?？死俗儞Q用矩陣可表示為：ia2- 3ic帕克變換用矩陣可表示為:idcossiniqsinCOSidjq并不是真實的物理量,電機力矩的控制最終還是定子繞組電流電壓Ua,Ub,Uc實現(xiàn)，因此，必須將虛擬量變換為這些真實的物理量，這可通過ia,ib,ic或定子繞組clarke、Park變換的逆變換實現(xiàn)。總體變換如圖28所示:圖2-8矢量控制總體變換圖圖中電流傳感器測量出定子繞組電流ia,ib作為clarke變換的輸入ic可由三相電流對稱關(guān)系ia+ib+ic=O求出。clarke變換的輸出ia

15、, i B與由編碼器測出的轉(zhuǎn)角作為park變換的輸入，其輸出id與iq作為電流反饋量與指令電流idref及iqref比較，產(chǎn)生的誤差在力矩回路中經(jīng)PI運算后輸出電壓值 Ud,Uqo再經(jīng)逆park變換將這Ud,Uq變換成坐標(biāo)系中的電壓Ua,U 30 SVPWM算法將Ua,U B轉(zhuǎn)換成逆變器中六個功放管的開關(guān)控制信號以產(chǎn)生三相定子繞組電 流。其中斷流程圖如圖2-9所示:b）中斷服務(wù)程圖2-9中斷流程圖5.驅(qū)動器內(nèi)部的三種工作模式伺服驅(qū)動器控制交流永磁伺服電機(PMSM)伺服驅(qū)動器在控制交流永磁伺服電機時，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2-10所示:力矩指令口

16、A/D圖2-10伺服驅(qū)動器控制單元三種工作模式結(jié)構(gòu)圖由圖2-10可知，控制系統(tǒng)由內(nèi)到外，依次是轉(zhuǎn)矩環(huán)(電流環(huán))、速度環(huán)、位置環(huán)。一般情況下，位置環(huán)采用P控制器控制，轉(zhuǎn)速和電流環(huán)采用PI控制器控制，可以通過改變控制器參數(shù)值來改變系統(tǒng)剛性以適應(yīng)不同負載的需要。 三種工作模式：位置方式，速度方式，力矩方式。交流伺服電機驅(qū)動器中一般都包含有位置回路，速度回路 和力矩回路，但使用時可將驅(qū)動器、電機和運動控制器結(jié)合起來組合成不同的工作模式，以滿足不同的應(yīng)用 要求。(1 )位置方式這種模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驅(qū)動器中執(zhí)行。驅(qū)動器接受運動控制器送來的位置指令信號。 以脈沖及方向指令信號形式為例

17、：脈沖個數(shù)決定了電機的運動位置；脈沖的頻率決定了電機的運動 速度；而方向信號電平的高低決定了電機的運動方向。這與步進電機的控制有相 似之處，但脈沖的頻率要 高一些，以適應(yīng)伺服電機的高轉(zhuǎn)速。(2 )速度方式驅(qū)動器內(nèi)僅執(zhí)行速度回路和力矩回路，由外部的運動控制器執(zhí)行位置回路的所有功能。這時運動控制 器輸出土 10v范圍內(nèi)的直流電壓作為速度回路的指令信號。正電壓使電機正 向旋轉(zhuǎn)，負電壓使電機反向旋 轉(zhuǎn)，零伏對應(yīng)零轉(zhuǎn)速。這個信號在驅(qū)動器中由A/D轉(zhuǎn)換器接入DSP,由DSP中的軟件實現(xiàn)回路的控制。 (3 )力矩方式 驅(qū)動器僅實現(xiàn)力矩回路，由外部的運動控制器實現(xiàn)位置回路的功能。這時系統(tǒng)中往往沒有速度回路。力

18、矩回路的指令信號是由運動控制器輸出土 10V范圍內(nèi)的直流電壓信號。正電壓對應(yīng)正轉(zhuǎn)矩，負電壓對應(yīng)負轉(zhuǎn)矩，零伏對應(yīng)零力矩輸出。這個信號經(jīng)力矩標(biāo)定后送入DSP,由DSP中的軟件實現(xiàn)回路的控制。力矩回路一般也采用PI控制規(guī)律，但大多數(shù)制造商已在出廠時調(diào)整好控制參數(shù)，用戶無法修改這些參數(shù)。3.2 .5系統(tǒng)各部分選型1 .控制器的選則由于伺服電機是由脈沖驅(qū)動的，所以相應(yīng)控制器必須具備發(fā)脈沖的功能。又因為伺服系統(tǒng)一般用于高精度，高轉(zhuǎn)速的應(yīng)用場合，所以控制器又必須具備發(fā)高頻脈沖的功能。因此選用PLC作為 控制器的話，一般的繼電器輸出接口頻率已不能滿足要求，況且繼電器輸出壽命短，并不適合用于快速通斷 的場合。那

19、么，我們必須選擇帶高速晶體管輸出接口PLC。例如信捷XC3-32RT-E,XCC-32T等，帶晶體管輸出的型號。2伺服驅(qū)動器的選擇選擇一個伺服驅(qū)動器，關(guān)鍵看負載及控制要求，主要是以下幾點：（1） 電機軸上負載力矩的折算和加減速力矩的計算；（2）計算負載慣量，慣量的匹配，負載慣量小于3倍電機轉(zhuǎn)子慣量。但實際越小越好，這 樣對精度和響應(yīng)速度好；（3）再生電阻的計算和選擇，對于伺服，一般 2kw以上，要外配置；（4）扭矩計算：連續(xù)工作扭矩V伺服電機額定扭矩，瞬時最大扭矩V伺服電機最大扭矩；（5） 轉(zhuǎn)速限制選擇和負載需要轉(zhuǎn)速選擇，連續(xù)工作速度小于電機額定轉(zhuǎn)速。3 .伺服電機的選擇伺服電機的選擇方法與驅(qū)

20、動器相同，都是根據(jù)負載選擇的，選擇好伺服驅(qū)動器后一般伺服電機也就選擇好了，電機是與其驅(qū)動機構(gòu)相配套的。例如驅(qū)動器選擇了DS2-20P2,則伺服電機就選具有相同功率的MS-60ST-M00630-20P2o4 .反饋元件的選擇反饋兀件在伺服系統(tǒng)中擔(dān)任重要的作用，它不僅能測量電機位置，還能測量其轉(zhuǎn)速，通過反饋構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，是伺服系統(tǒng)高精度的保證。一般選擇結(jié)構(gòu)簡單， 機械平均壽命長，抗干擾能力強，可靠性高，適合長距離傳輸?shù)墓怆娋幋a器。而光電編碼的精度決定了系統(tǒng)的精度，編碼器的線數(shù)越圖其精度越圖。3.2.6伺服參數(shù)的設(shè)定與調(diào)節(jié)設(shè)定一個伺服驅(qū)動器的參數(shù)時，首先得選擇需要對運行模式進行設(shè)定，主要有轉(zhuǎn)矩（指

21、令）、轉(zhuǎn)矩（模擬）、速度（接點指令）、速度（模擬）、位置（內(nèi)部）、位置（脈沖）和速度（脈沖）模 式供選擇。伺服最重要的參數(shù)莫過于剛性的調(diào)節(jié)，所謂剛性，即電機轉(zhuǎn)子抵抗負載慣性的能力，也就是電機轉(zhuǎn)子的自鎖能力，剛性越低，電機轉(zhuǎn)子越軟弱無力，越容易引起低頻振動，發(fā)生負載在到達制定位置后左右晃動的情況。剛性需和慣量比配合使用，如果剛性遠遠高于慣量比匹配的范圍，那么電機將發(fā)生高頻自激振蕩，表現(xiàn)為電機發(fā)出高頻刺耳的聲響。而剛性的調(diào)節(jié)即位置環(huán)、速度環(huán)比例增益和積分時間常數(shù)等這些參數(shù)的調(diào)節(jié)。調(diào)整參數(shù)的含義和使用：1 .位置環(huán)增益：決定偏差計數(shù)器中的滯留脈沖數(shù)量。數(shù)值越大，滯留脈沖數(shù)量越小，停止時的調(diào)整時間越短，