第7章 三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制

三相永磁同步伺服

電動(dòng)機(jī)的控制

伺服系統(tǒng)第7章編寫人：葛翔上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院內(nèi)容提要第一節(jié)三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)及其數(shù)學(xué)模型

第二節(jié)三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略第三節(jié)速度反饋信號(hào)的檢測(cè)和處理

第四節(jié)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)

第五節(jié)交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能

引言近年來，采用數(shù)字控制技術(shù)，以稀土永磁正弦波伺服電動(dòng)機(jī)（PMSM）為控制對(duì)象的全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)正逐漸取代了以直流伺服電機(jī)為控制對(duì)象的直流伺服系統(tǒng)和采用模擬控制技術(shù)的模擬式交流伺服系統(tǒng)。數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)不僅其控制性能是以往的模擬式伺服系統(tǒng)和直流伺服系統(tǒng)所無法比擬的，而且更所具有的一系列新的功能，如電子齒輪功能、自動(dòng)辯識(shí)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的功能、自動(dòng)整定調(diào)節(jié)器控制參數(shù)功能、自動(dòng)診斷故障的功能等等。引言數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床，機(jī)器人等領(lǐng)域里已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和信息化的基礎(chǔ)構(gòu)件。研究數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)包括研究其速度控制、位置控制以及輔助功能三個(gè)方面的問題，本章首先詳細(xì)介紹數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的速度控制，然后介紹“電子齒輪”等輔助功能。第7章第一節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)及其數(shù)學(xué)模型

第一節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)及其數(shù)學(xué)模型圖7-1給出了三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)模型。A、B、C為定子上的三個(gè)線圈繞組，各繞組的位置在空間上差120°。將d軸固定在轉(zhuǎn)子磁鏈Ψr的方向上，建立隨轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系，便可以確立電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。圖7-1三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型···qBCAd1第一節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)及其數(shù)學(xué)模型對(duì)靜止坐標(biāo)系上的電樞電壓瞬時(shí)值UA、UB、UC和電樞電流瞬時(shí)值iA、、iB、、iC進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，可得dq坐標(biāo)系上電壓瞬時(shí)值Ud、、Uq和電樞電流瞬時(shí)值id、iq

：

(7-1)式中，￠a——A相繞組軸線相對(duì)d軸的電角度。第一節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)及其數(shù)學(xué)模型三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型：式中：Ud、Uq——dq坐標(biāo)系上的電樞電壓分量；

id、iq——dq坐標(biāo)系上的電樞電流分量;第一節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)及其數(shù)學(xué)模型Ld、Lq——dq坐標(biāo)系上的等效電樞電感;Ψd、Ψq——dq坐標(biāo)系上的定子磁鏈分量；R——定子繞組的內(nèi)阻；ωr——dq坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角頻率;Ψr——永久磁鐵對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁鏈；p——微分算子；Te——輸出電磁轉(zhuǎn)矩；np——三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。第7章第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略dq坐標(biāo)系上得到的三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的矢量如圖7-2所示。圖7-2三相永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量圖qdidiqLaidLaiq101a第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略在上圖中Ψa是電動(dòng)機(jī)定子磁鏈，Ψ0是電動(dòng)機(jī)中總的磁鏈，顯然由于定子磁鏈的存在，使得總磁鏈偏離了d軸，這就是電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)主要是由定子電流的q軸分量iq引起的，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)一般忽略不計(jì)。定子電流的d軸分量id相當(dāng)于勵(lì)磁電流。關(guān)于對(duì)id的控制，在不同的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合下一般有兩種控制策略第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略1.控制id=0以實(shí)現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩輸出：目前大多數(shù)的交流伺服電動(dòng)機(jī)用于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)工作于其額定轉(zhuǎn)速以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。在這類應(yīng)用場(chǎng)合，追求的是在一定的定子電流幅值下能夠輸出最大的轉(zhuǎn)矩，因此最佳的控制方式是使定子電流與d軸正交，與q軸重合，也就是要保持id=0。在這種控制方式下，從模型上看交流永磁伺服電動(dòng)機(jī)已經(jīng)相當(dāng)于直流永磁電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為：第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略2.控制id<0以達(dá)到弱磁升速的目的從圖7-2中可以看出，當(dāng)id<0時(shí)，其作用是去磁，抵消轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)。在有些應(yīng)用場(chǎng)合，希望電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速超過其額定值。在額定轉(zhuǎn)速以上不能靠提高逆變器輸出電壓的辦法來升速，只能靠控制id為負(fù)值的辦法來實(shí)現(xiàn)。由于id的去磁作用，使總的磁場(chǎng)減弱，從而在保持電壓不變的情況下實(shí)現(xiàn)了弱磁升速。應(yīng)當(dāng)指出的是，電動(dòng)機(jī)的相電流有一定的限制，當(dāng)id負(fù)向增加后，必須相應(yīng)減小iq

，以保持相電流幅值的不變。在上面介紹的兩種控制方式中，id=0的控制方式是最常用的方式，下面主要介紹這種控制方式。第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略圖7-3是三相永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)的框圖。在這個(gè)結(jié)構(gòu)框圖中包括了位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)，在本章里只分析速度和電流控制的基本原理。圖7-3所示的控制系統(tǒng)采用id=0的控制方式。ST表示速度調(diào)節(jié)器。在dq坐標(biāo)系中，速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)可以作為定子電流q軸分量的給定，為了保證電流產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互正交，應(yīng)當(dāng)將電動(dòng)機(jī)定子電流的d軸分量調(diào)節(jié)為零。LQ和LD分別是控制電流q軸分量和d軸分量的調(diào)節(jié)器。第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略圖7-3三相永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略這里介紹三種實(shí)現(xiàn)數(shù)字式空間矢量脈沖寬度調(diào)制的方法，第一種是常規(guī)的SPWM法；第二種是用軟件來實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量脈沖寬度調(diào)制的方法；第三種是通過查表的方式，主要由硬件來實(shí)現(xiàn)空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制的方法。分別介紹如下：1.常規(guī)的SPWM方法在圖7-3中表示的就是常規(guī)的SPWM方法，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)θ，將dq坐標(biāo)系中的電壓給定信號(hào)Uq和Ud,旋轉(zhuǎn)變換到A、B、C三相坐標(biāo)系下，形成電壓控制信號(hào)Ua、Ub、Uc

，以此作為調(diào)制信號(hào)，對(duì)三角載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，就可形成SPWM信號(hào)。第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略2．用軟件實(shí)現(xiàn)空間矢量脈沖寬度調(diào)制用軟件實(shí)現(xiàn)空間電壓矢量脈寬調(diào)制的方法也是一種通常使用的方法，這種方法的優(yōu)越性在于其控制精度比較高。首先確定要求輸出的電壓空間矢量的幅值和方向角，才能進(jìn)行SVPWM運(yùn)算，在異步電動(dòng)機(jī)變頻器中，由于是開環(huán)控制，只能通過對(duì)輸出的PWM波形的個(gè)數(shù)進(jìn)行累計(jì)而獲得電壓矢量的方向角θ，電壓空間矢量的幅值則用調(diào)制比M來表達(dá)。在三相永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，可以通過閉環(huán)的實(shí)時(shí)計(jì)算來獲得電壓空間矢量的幅值Ur和方向角θ

：第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略式中：θr——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角；

Δθ——dq坐標(biāo)系下的電壓矢量方向角；第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略3．基于硬件的數(shù)字式空間矢量脈沖寬度調(diào)制近來，大規(guī)模可編程邏輯器件（FPGA、EPLD）在交流伺服系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，出現(xiàn)了主要基于硬件邏輯電路的數(shù)字式脈寬調(diào)制方法，主要介紹這種方法。伺服系統(tǒng)采用電壓型三相逆變器，如圖7-4。逆變器輸出電壓矢量V。根據(jù)6個(gè)主開關(guān)管的不同開關(guān)狀態(tài),可以得到了6個(gè)基本電壓矢量V0、V1、…V6、V7，其中V0、V7是零矢量，V1…V6是非零矢量，如圖7-5所示。任意角度θ的電壓矢量,可以由以上的基本電壓矢量的線性組合而得到。在這里，我們關(guān)心的是在以下六個(gè)角度上的電壓矢量：V12位于30°的方向上；V23位于90°的方向上；V34位于150°的方向上；V45位于210°的方向上；V56位于270°的方向上；V61位于330°的方向上。如圖7-5所示。稱這6個(gè)電壓矢量為組合電壓矢量。第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略

ABCV2V12V1V23V3V34V4V45V5V56

ABCV1:100V2:110V3:010V4:011V5:001V6:101V0:111V0:000圖7-4逆變器主回路圖7-5

基本電壓矢量和組合電壓矢量V6V61

第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略V12在扇區(qū)I內(nèi)，介于基本矢量V1和V2之間，由V1和V2線性合成，只要V1和V2的作用時(shí)間相等，就可合成在30°方向上的矢量V12。對(duì)應(yīng)于電壓矢量V12的三相輸出電壓PWM波形如圖7-6所示。圖7-6對(duì)應(yīng)于電壓矢量V12的三相輸出電壓PWM波形第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略圖5-7采用硬件數(shù)字式脈寬調(diào)制器的交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖5-7表示采用硬件數(shù)字式脈寬調(diào)制器的交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，ST表示速度調(diào)節(jié)器。在d-q坐標(biāo)系中，速度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)作為定子電流q軸分量的給定，定子電流d軸分量的給定為零。LQ和`LD分別是控制電流q軸分量和d軸分量的調(diào)節(jié)器，LQ和`LD都是常規(guī)的線性PI調(diào)節(jié)器。第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略圖7-7采用硬件數(shù)字式脈寬調(diào)制器的交流伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略設(shè)電壓逆變器的輸出電壓矢量v在d軸和q軸的分量分別是ud和uq，電流矢量I在d軸和q軸的分量分別是id和iq。有學(xué)者根據(jù)對(duì)永磁同步伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析，以及通過實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，已經(jīng)得出了下面的重要結(jié)論：當(dāng)ud>0時(shí)，id增加；當(dāng)ud<0時(shí)，id減小。當(dāng)uq>0時(shí)，iq增加；當(dāng)uq<0時(shí)，iq減小。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，在某一時(shí)刻，定子電流的兩個(gè)分量究竟是應(yīng)該增加還是應(yīng)該減小，進(jìn)一步的，應(yīng)將增加多少或者減小多少，這些信息都包含在電流調(diào)節(jié)器LQ和LD的輸出信號(hào)UQ和UD中。因此，我們可以根據(jù)UQ和UD來選擇逆變器的輸出電壓矢量V在d軸的分量和q軸的分量。進(jìn)一步，再根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的瞬間位置，就可確定逆變器在瞬間的開關(guān)狀態(tài)。第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略設(shè)置了兩個(gè)三值比較器CM1和CM2，來確定UQ和UD的極性。三值比較器的特性如圖7-8所示。CM1和CM2的輸出信號(hào)分別是QX和DX。Ｅ是在比較器當(dāng)中設(shè)定的誤差范圍，當(dāng)輸入信號(hào)的絕對(duì)值在誤差范圍以內(nèi)時(shí)，比較器的輸出信號(hào)QX（DX）為零，當(dāng)輸入信號(hào)為正，且超出了誤差范圍時(shí)，比較器輸出為１。當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)，且超出了誤差范圍時(shí)，比較器的輸出為－１。QXVQ圖7-8三值比較器E1-1第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略根據(jù)QX和DX的值，以及電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，來選擇電壓矢量，下面首先介紹選擇電壓矢量的規(guī)則。表7-1給出了所有扇區(qū)內(nèi)的電壓矢量的選取方案。在圖7-5中，12個(gè)非電壓矢量將空間分成了12個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)由相鄰的電壓矢量確定?，F(xiàn)在假定電機(jī)的轉(zhuǎn)子正處于第1號(hào)扇區(qū)，其相鄰的兩個(gè)電壓矢量是V1和V12。這時(shí)，如果DX=1且QX=1,則說明我們應(yīng)當(dāng)選取的電壓矢量在d軸和q軸的投影都應(yīng)在為正，這時(shí)選擇V2是恰當(dāng)?shù)?；如果DX=1且QX=0，則說明我們應(yīng)當(dāng)選取的電壓矢量在d軸的投影應(yīng)為正，而在q軸的投影應(yīng)當(dāng)為零，這時(shí)選擇V1是恰當(dāng)?shù)?。第二?jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略如果DX=1且QX=－1，則說明我們應(yīng)當(dāng)選取的電壓矢量在d軸的投影應(yīng)為正，而在q軸的投影應(yīng)當(dāng)為負(fù)，這時(shí)選擇V６是恰當(dāng)?shù)模煌?，如果DX=０且QX=１，則說明我們應(yīng)當(dāng)選取的電壓矢量在d軸的投影應(yīng)為零，而在q軸的投影應(yīng)當(dāng)為正，這時(shí)選擇V23是恰當(dāng)?shù)?；如果DX=0且QX=0，則說明我們應(yīng)當(dāng)選取的電壓矢量在d軸和q軸的投影都應(yīng)當(dāng)為零，這時(shí)應(yīng)選擇零矢量V0；如果DX=0且QX=－１，這時(shí)應(yīng)選擇V56；如果DX=－１且QX=１，這時(shí)應(yīng)選擇V３；如果DX=－１且QX=０，這時(shí)應(yīng)選擇V４；如果DX=－１且QX=－１，這時(shí)應(yīng)選擇V5。第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略上面根據(jù)圖7-5的描述，分析了當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于第１號(hào)扇區(qū)內(nèi)時(shí)，選取定子電壓矢量的方法。同樣，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于其它扇區(qū)內(nèi)時(shí)，可以依次遞推地選取定子電壓矢量?？刂品橇汶妷菏噶康淖饔脧?qiáng)度，是通過在非零電壓矢量作用時(shí)間內(nèi)間隔地插入零矢量來完成的，控制零矢量作用時(shí)間所占的比例，就控制了前面所說的“作用強(qiáng)度”。先取得d軸電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和q軸電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的絕對(duì)值，然后分別進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，從調(diào)制器輸出的PWM信號(hào)的脈沖寬度與電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的大小成正比。根據(jù)PWM信號(hào)的占空比，在非零電壓矢量作用期間間隔地插入零矢量，就可控制非零電壓矢量的“作用強(qiáng)度”。第二節(jié)

三相永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略第7章第三節(jié)

速度反饋信號(hào)的檢測(cè)和處理第三節(jié)

速度反饋信號(hào)的反饋和處理在數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)中，一般可采用增量式光電脈沖編碼器或絕對(duì)式光電脈沖編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來檢測(cè)位置和速度信號(hào)，但在目前采用增量式光電脈沖編碼器較為普遍。根據(jù)增量式光電脈沖編碼器的輸出信號(hào)來獲取電動(dòng)機(jī)的速度反饋信息，是一個(gè)重要的技術(shù)問題，常用的測(cè)速方法有M法、T法和M/T法，最近有學(xué)者又提出了“鎖相跟蹤測(cè)速”的方法。第三節(jié)

速度反饋信號(hào)的反饋和處理鎖相測(cè)速方法：最近有學(xué)者提出了一種全新的鎖相測(cè)速方法，采用這種方法，無論電機(jī)高速運(yùn)行還是低速運(yùn)行，都可以獲得一個(gè)始終跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速值的14位的并行的測(cè)速結(jié)果，測(cè)速周期短，測(cè)量精度高。測(cè)速單元與伺服系統(tǒng)的主CPU并行地工作。鎖相測(cè)速環(huán)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)如圖7-9所示。DoutDoutfdP-P+Q2Q1第三節(jié)

速度反饋信號(hào)的反饋和處理脈沖相位變換1脈沖相位變換2鑒相器脈沖測(cè)寬控制運(yùn)算

TJQ鎖存輸出數(shù)控振蕩器DCO時(shí)鐘

測(cè)速脈沖fe圖7-9鎖相測(cè)速環(huán)節(jié)的基本結(jié)構(gòu)同步f減法計(jì)數(shù)器A比較器C加法計(jì)數(shù)器B輸出e置數(shù)清零預(yù)置數(shù)cpcp-時(shí)鐘脈沖圖2Qf-第三節(jié)

速度反饋信號(hào)的反饋和處理1)脈沖相變換器脈沖相位變換器的原理如圖7-10所示。Q是輸出相位信號(hào)，f是輸入的光電脈沖編碼器信號(hào)，clock是時(shí)鐘脈沖，clock的頻率大大高于f的頻率。Clock反相后，經(jīng)過同步環(huán)節(jié)對(duì)輸入的光電脈沖信號(hào)f進(jìn)行同步，得到了與cp_同步的脈沖f_。圖7-10相位變換器第三節(jié)

速度反饋信號(hào)的反饋和處理2)鑒相器在圖5-9中，“脈沖相位變換器1”和“脈沖相位變換器2”有著完全相同的結(jié)構(gòu)，它們輸出的相位信號(hào)Q1和Q2之間的相位差由鑒相器鑒得。如果Q1的相位超前于Q2的相位，相位差由P+脈沖的寬度表示，反之，相位差由P-脈沖的寬度表示。3)脈沖測(cè)寬、控制運(yùn)算環(huán)節(jié)在圖5-9中，“脈沖測(cè)寬、控制運(yùn)算”環(huán)節(jié)TJQ相當(dāng)于鎖相環(huán)測(cè)速環(huán)路中的“調(diào)節(jié)器”，主要完成兩項(xiàng)工作。其一，要根據(jù)鑒相器的輸出P+或P-,測(cè)算出Q1與Q2的相位差。其二，要對(duì)相位差進(jìn)行“調(diào)節(jié)運(yùn)算”，進(jìn)而得出輸出的并行數(shù)據(jù)Dout,這個(gè)并行數(shù)據(jù)用來控制后面的“數(shù)字控制振蕩器DCO”的振蕩頻率，當(dāng)Q1和Q2鎖定是，Dout正比于光電脈沖f的頻率，也就是正比與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。第三節(jié)

速度反饋信號(hào)的反饋和處理圖7-11鎖相測(cè)速環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖第7章第四節(jié)

伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)第四節(jié)

伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)從前面的分析中已經(jīng)知道，稀土永磁正弦波電動(dòng)機(jī)（PMSM）交流伺服系統(tǒng)采用了轉(zhuǎn)子定向的矢量控制方式，必須實(shí)時(shí)地測(cè)出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角才能確定dq坐標(biāo)系。過去，一般采用絕對(duì)式光電脈沖編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置檢測(cè)元件，其原因就在于絕對(duì)式光電脈沖編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器都能夠?qū)崟r(shí)地測(cè)出轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置。只有測(cè)出了轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置，系統(tǒng)才能計(jì)算出定子電流指令的相位，從而保證定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)正交。第四節(jié)

伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)但是，無論是絕對(duì)式光電脈沖編碼器或是旋轉(zhuǎn)變壓器都有其缺陷。絕對(duì)式光電脈沖編碼器價(jià)格昂貴，分辨率遠(yuǎn)不如增量式光電脈沖編碼器。旋轉(zhuǎn)變壓器從本質(zhì)上說是一種模擬式位置檢測(cè)元件，需要復(fù)雜的數(shù)字軸角變換電路，而且其檢測(cè)精度也遠(yuǎn)不及增量式光電脈沖編碼器。所以，近年來一般大多采用增量式光電脈沖編碼器作為正弦波永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件。第四節(jié)

伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)采用增量式光電脈沖編碼器作為正弦波永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)元件，必須要在系統(tǒng)剛上電時(shí)就測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確的初始位置，這樣才能在以后的過程中隨時(shí)得到轉(zhuǎn)子的正確的位置，這是問題的關(guān)鍵所在。在控制系統(tǒng)剛剛通電，電動(dòng)機(jī)尚未運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)就應(yīng)首先進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)子初始位置的工作。這個(gè)過程中，根據(jù)伺服系統(tǒng)的工作要求，在尋找初始位置的過程中，轉(zhuǎn)子只允許有很微小的抖動(dòng)，并且很快回歸原位。具體工作過程可由圖7-12簡(jiǎn)單說明。轉(zhuǎn)子I1

I2圖7-12測(cè)量初始位置第四節(jié)

伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)簡(jiǎn)單地說，測(cè)量轉(zhuǎn)子初始位置的過程就是定子電流矢量漸近地靠近轉(zhuǎn)子，直至與其重合的過程。在這個(gè)過程中，在一開始，定子電流矢量的相位角是任意取定的，但最終定子電流矢量將趨向轉(zhuǎn)子的位置。前面介紹過,正弦波電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行時(shí),為了得到最大的電磁轉(zhuǎn)矩,定子電流矢量與轉(zhuǎn)子是正交的,而在初始定位的過程中,二者要趨于重合。在這一點(diǎn)上，初始定位過程和連續(xù)運(yùn)行過程確實(shí)有很大的不同。對(duì)于電流環(huán)來說，在連續(xù)正常運(yùn)行時(shí)，d軸的給定值應(yīng)該為零，這保證了定子電流矢量和轉(zhuǎn)子趨于正交。而q軸電流的給定值由速度調(diào)節(jié)器的輸出值提供，由此可以控制轉(zhuǎn)矩的大小。第四節(jié)

伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)與連續(xù)運(yùn)行時(shí)情況不同，在初始定位的過程中，實(shí)際上是不斷地在d軸電流的給定端加上“擾動(dòng)信號(hào)”，其大小應(yīng)該保證定子電流矢量的作用強(qiáng)度，在“擾動(dòng)信號(hào)”的作用下，轉(zhuǎn)子離開原來的位置，在位置控制器的作用下，又回到原來的位置?？刂瞥跏级ㄎ贿^程的電路結(jié)構(gòu)如圖7-13。第四節(jié)

伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)圖7-13控制初始定位過程的電路結(jié)構(gòu)第7章第五節(jié)交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能

第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能數(shù)字交流伺服系統(tǒng)具有位置控制的功能，上位控制機(jī)向伺服系統(tǒng)發(fā)出位置指令脈沖。指令脈沖序列包含了兩方面的信息，一是指明電機(jī)運(yùn)行的位移，二是指名電機(jī)運(yùn)行的方向。通常指令脈沖單位是0.001mm或0.01mm等，而伺服系統(tǒng)的位置反饋脈沖當(dāng)量由檢測(cè)器（如光電脈沖編碼器等）的分辨率，以及電機(jī)每轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的機(jī)械位移量等決定。當(dāng)指令脈沖單位與位置反饋脈沖當(dāng)量二者不一致時(shí)，就可使用電子齒輪使二者完全匹配。使用了電子齒輪功能，可以任意決定一個(gè)輸入脈沖所相當(dāng)?shù)碾姍C(jī)位移量。發(fā)出指令脈沖的上位控制裝置無須關(guān)注機(jī)械減速比和編碼器脈沖數(shù)就可以進(jìn)行控制。圖7-14是具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能圖7-14具有電子齒輪功能的伺服系統(tǒng)第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能在圖7-14中，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺距為W，指令脈沖當(dāng)量為ΔL，光電脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為P，一般電機(jī)軸與傳動(dòng)絲杠是直接相連的，這樣就可以確定位置反饋脈沖當(dāng)量ΔM：上式右邊的4P是考慮到一般在采用光電脈沖編碼器作為位置反饋元件時(shí)，都對(duì)其輸出脈沖進(jìn)行4倍頻處理。從上面的分析可以知道，指令脈沖當(dāng)量ΔL，與反饋脈沖當(dāng)量ΔM不一定相等，這就需要通過指令脈沖的倍率系數(shù)A/B來建立二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體的計(jì)算公式為：第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能根據(jù)一個(gè)指令脈沖的位置當(dāng)量和反饋脈沖的位置當(dāng)量，可以確定電子齒輪的倍率系數(shù)。在上式中A和B必須為整數(shù)，A/B稱為電子齒輪的齒數(shù)比。其中A和B都可以單獨(dú)設(shè)置，其范圍一般在1~65535之間。就目前的全數(shù)字伺服系統(tǒng)而言，齒數(shù)比要滿足下面的限制條件：電子齒輪功能可以在位置環(huán)中實(shí)現(xiàn)，也可以在位置環(huán)以外用一個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，兩中方式的基本原理是一樣。第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能這里介紹一種實(shí)用電子齒輪環(huán)節(jié)，該電子齒輪環(huán)節(jié)是在一個(gè)單獨(dú)的微處理器控制下工作的，電子齒輪的工作原理可以由圖7-15簡(jiǎn)單地表示。第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能所有的外圍電路都集中在可編程邏輯器件中。整個(gè)電子齒輪環(huán)節(jié)由CPU和可編程邏輯器件構(gòu)成。下面介紹工作原理。通常由控制指令裝置發(fā)送到伺服系統(tǒng)的位置指令脈沖由以下三種形式﹕1﹒方向信號(hào)+脈沖序列；2﹒CCW脈沖序列+CW脈沖序列；3﹒正交兩相脈沖序列。這三種不同的形式的指令脈沖都包含了兩方面的信息，一是電機(jī)運(yùn)行的距離，二是電機(jī)運(yùn)行的方向。這三種不同的指令脈沖輸入方式都是全數(shù)字伺服系統(tǒng)所可以接收的，可以由用戶自行設(shè)定。第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能“輸入脈沖處理電路”的主要作用：是將上述三種不同的脈沖輸入方式轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的方式，一般是選擇“CCW脈沖序列+CW脈沖序列”為統(tǒng)一的脈沖方式。如果原始的輸入指令脈沖采用兩相正交脈沖的輸入方式，則“輸入脈沖處理電路”還具有對(duì)輸入指令脈沖進(jìn)行4倍頻的功能。指令脈沖經(jīng)處理后得到了統(tǒng)一的形式（CW脈沖序列+CCW脈沖序列），可逆計(jì)數(shù)器1對(duì)指令CW脈沖和CCW脈沖進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。同時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器2對(duì)電子齒輪的輸出脈沖Pulse+和Pulse-進(jìn)行可逆計(jì)數(shù)。第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能微處理器定時(shí)中斷，分別讀取計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2的數(shù)，然后對(duì)其清零。在第n次中斷時(shí)，從計(jì)數(shù)器1中讀到的數(shù)是D﹙n﹚，從計(jì)數(shù)器2中讀到的數(shù)是DF﹙n﹚，經(jīng)過計(jì)算可以得到跟隨誤差E﹙n﹚：上式中的A和B，就構(gòu)成了電子齒輪的齒數(shù)比。微處理器對(duì)跟隨誤差進(jìn)行比例運(yùn)算，或著進(jìn)行比例積分運(yùn)算，以得到輸出頻率的控制量FC（n）。如果采用比例運(yùn)算第五節(jié)

交流伺服系統(tǒng)的電子齒輪功能如果采用比例積分運(yùn)算：其中，K1,K