伺服电动机应用举例

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,伺服电动机应用举例,由伺服电动机组成的伺服驱动系统，按被控对象可分为,转矩控制方式；,速度控制方式；,位置控制方式；,混合控制方式；,图2-47,1,直流电动机,2,各种类型数控机床,3,用数控机床加工一个零件的过程见图,零件图 数控系统 机床,数,控,装,置,伺,服,系,统,加工程序,用数控机床加工工件时，首先由编程人员按照零件的几何形状和加工工艺要求将加工过程编成加工程序。数控系统读入加工程序后，将其翻译成机器能够理解的控制指令，再由伺服系统将其变换和放大后驱动机床上的主轴电机和进给伺服电机转动，并带动机床的工作台移动，实现加工过程。数控系统实质上是完成了手工加工中操作者的部分工作。,4,基本概念,：,数控系统（NC system）、,数控装置 NCU 和计算机数控CNC，,数控系统的功能：,读入载体上的数字信息，经过译码、数据处理、插补运算和位置控制，控制机床运动。,数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成。,以计算机为数控装置构成的数控系统成为计算机数控系统。,5,主轴伺服单元,数,控,装,置,输出设备,P,L,C,进给伺服单元,主轴电机,进给电机,位置检测,机,床,本,体,接口电路,操作面板,输入设备,数控机床的逻辑组成,6,主轴伺服单元,数,控,装,置,输出设备,P,L,C,进给伺服单元,主轴电机,进给电机,位置检测,机,床,本,体,接口电路,操作面板,输入设备,数控机床物理结构与逻辑结构比较,7,同类型的加工中心与数控铣床的结构布局相似，主要在刀库的结构和位置上有区别，一般由床身、主轴箱、工作台、底座、立柱、横梁、进给机构、自动换刀装置、辅助系统（气液、润滑、冷却）、控制系统等组成，如图所示。,8,（一）按控制轨迹的特点分类1. 点位控制数控机床,（进给过程中不加工） 2. 直线控制数控机床,（进给过程中可以加工）,3. 轮廓控制数控机床,（可以加工非直线轮廓）,9,（二）按伺服系统的类型分类,1 开环控制数控机床,10,2,闭环控制,数控机床,11,3,半闭环控制,数控机床,12,性能,类别,CPU位数,联动轴数,分辨率(um),进给速度,(m/min),显示,高级型,32,5,24,三维动态,普及型,26,3,0.110,1024,字符/图形,经济型,8,3,10,f,2,f,3,f,4,f,2,f,3,图恒T,m,调速特性曲线,方法：,E,1/,f,1=常数,原理： 使m精确恒定，Tm恒定。,优点： 因而最大扭矩恒定,缺点： 实现困难,62,n,T,f,4,f,1,f,1,f,2,f,3,f,4,f,2,f,3,3. 恒功率调速,为了扩大调速范围，可以在额定频率以上进行调速。因电机绕组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行将受到绕组绝缘强度的限制，因此定子电压不可能与频率成正比地提高。若频率上升，额定电压不变，那么气隙磁通,m,将随着,f,1,的升高而降低。这时，相当于额定电流时的转矩也减小，特性变软。如图6-26所示，随着频率增加，转矩减少，而转速增加，可得近似恒功率的调速特性。,图恒功率调速特性曲线,方法：只改变,f,1,优点：调整方法简单,缺点：最大扭矩变化,63,（二）交流感应电机矢量控制原理,矢量控制理论最先是在1971年由德国学者F.Blachke提出的。在伺服系统中，直流伺服电机能获得优良的动态与静态性能，其根本原因是被控制只有电机磁通,和电枢电流,I,a,，,且这两个量是独立的。此外，电磁转矩（T,m,=K,T,I,a,）与磁通,和电枢电流,I,a,分别成正比关系。因此，控制简单，性能为线性。如果能够模拟直流电机，求出交流电机与之对应的磁场与电枢电流，分别而独立地加以控制，就会使交流电机具有与直流电机近似的优良特性。为此，必须将三相交变量（矢量）转换为与之等效的直流量（标量），建立起交流电机的等效模型，然后按直流电机的控制方法对其进行控制。,64,图所示三相异步交流电机在空间上产生一个角速度为,0,的旋转磁场,。如果用的两套空间相差90,0,的绕组,和,来代替，并通以两相在时间上相差90,0,的交流电流，使其也产生角速度为,0,的旋转磁场,，,则可以认为图和图的两套绕组是等效的。若给图所示模型上两个互相垂直绕组,d,和,q,，分别通以直流电流i,d,和i,q,，则将产生位置固定的磁场,，如果再使绕组以角速度,0,旋转，则所建立的磁场也是旋转磁场，其幅值和转速也与一样。,图交流电机三相/二相直流电机变换,0,0,0,B,C,65,三相,A、B、C,系统变换到两相,、,系统,0,0,0,B,C,这种变换是将三相交流电机变为等效的二相交流电机。图6-27a所示的三相异步电机的定子三相绕组，彼此相差120,0,空间角度，当通以三相平衡交流电流,i,A,i,B,i,C,时，在定子上产生以同步角速度,0,旋转的磁场矢量,。三相绕组的作用，完全可以用在空间上互相垂直的两个静止的,、,绕组代替，并通以两相在时间上相差90,0,的交流平衡电流,i,和,i,，使其产生的旋转磁场的幅值和角速度也分别,和,0,，则可以认为、b中的两套绕组是等效的。,66,应用三相/二相的数学变换公式，将其化为二相交流绕组的等效交流磁场。则产生的空间旋转磁场与三相A、B、C绕组产生的旋转磁场一致。令三相绕组中的A相绕组的轴线与,坐标轴重合，其磁势为（见图）。,F,B,F,60,0,F,A,F,F,C,图三相磁动势的变换,按照磁势与电流成正比关系，可求得对应的电流值,i,和,i,除磁势的变换外，变换中用到的其它物理量，只要是三相平衡量与二相平衡量，则转换方式相同。这样就将三相电机转换为二相电机，如图6-27b。,67,2. 矢量旋转变换,将三相电机转化为二相电机后，还需将二相交流电机变换为等效的直流电机，若设图,d,为激磁绕组，通以激磁电,i,d,，,q,为电枢绕组，通以电枢电流,i,q,，则产生固定幅度的磁场,，在定子上以角速度,0,旋转。这样就可看成是直流电机了。将二相交流电机转化为直流电机的变换，实质就是矢量向标量的转换，是静止的直角坐标系向旋转的直角坐标系之间的转换。这里，就是把,i,和,i,转化为,i,d,和,i,q,，转化条件是保证合成磁场不变。在图b中，,i,和,i,的合成矢量是,i,1,，将其在,方向及垂直方向投影，即可求得,i,d,和,i,q,。,i,d,和,i,q,在空间以角速度,0,旋转。转换公式为,i,1,i,d,i,q,图6-28b,三相磁动势的变换,68,3. 直角坐标与极坐标的变换,矢量控制中，还要用到直角坐标系与极坐标系的变换。如图6-28b中，由,i,d,和,i,q,求,i,1,，其公式为,采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点，而且结构简单、可靠，电机容量不受限制，与同等直流电机相比机械惯量小，其前景非常可观。,69,（ 三）交流电机的变频调速装置,整流电路,平波电路,逆变电路,控制电路,逆变器,输入恒电压，,恒频率,输出可变电压，,可变频率,变频器基本组成,A,B,C,电源,PWM变频器的主电路原理图,70,图中是脉宽调制（Pulse Width Modulation简称PWM）变频器的主电路。它由担任交-直变换的二极管整流器和担任直-交变换、同时完成调频和调压任务的脉冲宽度调制逆变器组成。图中续流二极管D,1,D,6,，为负载的滞后电流提供一条反馈到电源的通路，逆变管（全控式功率开关器件）T,1,T,6,组成逆变桥，A、B、C为逆变桥的输出端。电容器C,d,的功能是：滤平全波整流后的电压波纹；当负载变化时，使直流电压保持平稳。,交流电机变频调速系统中的关键部件之一就是,逆变器,，由于调速的要求，逆变器必须具有频率连续可调、以及输出电压连续可调，并与频率保持一定比例关系等功能。,A,B,C,电源,图PWM变频器的主电路原理图,71,T,1,T,5,T,2,T,3,T,4,T,6,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,下面讨论逆变管T,1,T,6,以怎样的顺序动作（导通和关断）才能将直流电变为三相交流电？,如图6-30所示，,在,t,1,、,t,2,时间内，V,1,、V,6,同时导通，A为正，B为负，,u,AB,为正。,在,t,4,、,t,5,时间内，V,3,、V,4,同时导通，A为负，B为正，u,AB,为负。,在,t,3,、,t,4,时间内，T,3,、T,2,同时导通，B为正，C为负，,u,BC,为正。,在,t,6,、,t,1,时间内，T,5,、T,6,同时导通，B为负，C为正，,u,BC,为负。,在,t,5,、,t,6,时间内，T,5,、T,4,同时导通，C为正，A为负，,u,CA,为正。,在,t,2,、,t,3,时间内，T,1,、T,2,同时导通，C为负，A为正，,u,CA,为负。,图6-30 各逆变管的通断安排,图所示为逆变管的工作情况，图中阴影部分为各逆变管的导通时间，其余为关断状态。,72,300,0,300,0,300,0,u,AB,60,0,u,BC,u,CA,120,0,180,0,240,0,360,0,60,0,120,0,180,0,240,0,360,0,60,0,120,0,180,0,240,0,360,0,0,0,0,0,0,0,t,w,t,w,t,w,图6-31 三相逆变桥的输出电压,T,1,T,5,T,2,T,3,T,4,T,6,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,73,如图所示，因电压的平均值和占空比成正比，所以在调节频率时，改变输出电压脉冲的占空比，就能同时实现变频和变压。与图6-32a相比，图6-32b所示电压周期增大（频率降低），而占空比减小，故平均电压降低。,图脉宽调制的输出电压,74,采用PWM方法控制逆变管的通、断时，可获得一组幅值相等、宽度相同的矩形脉冲，改变矩形脉冲的宽度可控制其输出电压，改变调制周期可控制其输出频率，同时实现变压和变频。因输出电压波形为矩形波，具有许多高次谐波成分。对电机来说，有用的是电压的基波。为了减少谐波影响，提高电机的运行性能，应采用对称的三相正弦波电源为三相交流电机供电。正弦波脉宽调制型逆变器（SPWM）的输出端可获一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形，来近似等效于正弦电压波。,SPWM脉宽调制波形，当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲的间隔则最小。反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大大减少。,75,下面介绍用正弦波（调制波）控制，三角波（载波）调制的采用模拟电路元件实现SPWM（正弦波脉宽调制）控制的变频器的工作原理。,如图6-33所示，首先由模拟元件构成的三角波和正弦波发生器分别产生三角波信号,V,T,和正弦波信号,V,S,，然后送入电压比较器A，产生SPWM调制的矩形脉冲。,V,T,U,d,V,S,+,_,A,图6-33 电路原理图,76,图脉宽调制波的形成,1,2,3,4,5,a),14,13,u,+ U,d,/2,-U,d,/2,b),图所示的数字位置为这二种波形交点，决定了逆变器某相元件的通断时间（在此为A相），即V,1,和V,4,的通断，决定了SPWM脉冲系列的宽度和脉冲间的间隔宽度。当正弦波高于三角波时，开关器件V,1,导通、V,4,关断，使负载上得到的相电压为,u,A,=,U,d,/2；当正弦波低于三角波时，开关器件V,1,关断、V,4,导通，负载上的相电压为,u,A,=,U,d,/2；调制波和载波的交点决定了逆变桥输出相电压的脉冲系列，调制出脉宽波形如图6-34b。由相电压合成为线电压时，如,u,AB,=,u,A,-,u,B,，可得逆变器输出线电压脉冲系列，其脉冲幅值为,U,d,和,U,d,。,u,A,77,改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；增加调制波的幅值时，各段脉冲的宽度都将变宽，从而使输出电压基波的幅值也相应变大。,如果用这样的矩形脉冲作为逆变管的控制信号，则在逆变器输出端可以获得一组类似的矩形脉冲，其幅值就是直流侧的整流电压,U,d,，其宽度是按正弦规律变化的。,采用模拟电路调制的优点是完成,V,T,与,V,S,信号的比较和确定脉冲宽度所用的时间短，几乎是瞬间完成的。然而，这种方法的缺点是所需要硬件较多，而且不够灵活，改变参数和调试比较麻烦。,78,采用数字电路的SPWM逆变器，可采用以软件为基础的控制模式。优点是所需硬件少，灵活性好和智能性强。缺点是需要通过计算确定SPWM的脉冲宽度，有一定的延时和响应时间。然而，随着高速度、高精度多功能微处理器、微控制器和SPWM专用芯片的发展，采用微机控制的数字化SPWM技术已占当今PWM逆变器的主导地位。,微机控制的SPWM控制模式有多种，以规则取样法为例来介绍。微机是采用计算的办法寻找三角波,V,T,与参考正弦波,V,S,的交点从而确定SPWM脉冲宽度的。,V,T,和,V,S,的交点A,1,、B,1,能准确求得，从而确定脉冲宽度,t,2,，但计算工作量较大。为简化计算，可采用近似的求,V,T,和,V,S,交点的方法。通过两个三角波峰之间中线与,V,S,的交点m作水平线与两个三角波分别交于A和B点，由交点A和B确定的SPWM脉宽为,t,2,，显然，,t,2,与,t,2,数值相近。,79,规则取样法就是用,V,T,和,V,S,近似交点A和B代替实际的交点A,1,和B,1,，用以确定SPWM脉冲信号的。这种方法虽然有一定的误差，但却大大减少了计算工作量。由图6-35可很容易地导出规则取样法的计算公式。设三角波和正弦波的周期分别为,T,T,和,T,S,，幅值分别为,U,T,和,U,S,。,t,1,为在,T,T,时间内，在脉冲发生以前（即A点以前）的间歇时间，,t,2,为AB之间的脉宽时间，,t,3,为在,T,T,以内B点以后的间隙时间。显然,T,T,=,t,1,+,t,2,+,t,3,，,t,1,、,t,3,及,t,2,可由下式计算,图规则取样SPWM调制模式,80,机床进给伺服系统设计,一 进给电机的选择,（一）步进电机的选择,1 电机类型,2 相数,3 步距角,4 静态扭矩,5 启动频率,6 电机总扭矩,（二）伺服电机的选择,1 扭矩,2 负载转动惯量与电机转动惯量的匹配,81,机床进给伺服系统设计,一、数控机床进给驱动系统的特点,1.负载扭矩大、惯性大；,2.调速范围宽；进给速度在0.5mm/min10m/min之间,3.可靠性要求高；,4.响应速度快。响应时间在100ms之内,依机床大小而定。,82,二、步进电机进给伺服系统设计,工作台,驱动控制线路,图6-2开环伺服系统简图,指令脉冲,步进电机,齿轮箱,1.步距角的选择,S,i,0.6, 1.2,1.5,3标准系列,83,2.静态扭矩的选择,工作台,驱动控制线路,图6-2开环伺服系统简图,指令脉冲,步进电机,齿轮箱,S,i,F,Mz,84,3. 启动扭矩,工作台,驱动控制线路,工作台,驱动控制线路,0(r/min),n(r/min),85,4.启动频率,工作台,驱动控制线路,工作台,驱动控制线路,0(r/min),n(r/min),f,q0,:空载启动频率,M:启动频率下的输出力矩,（见矩频特性曲线）,86,步进电机驱动的各种类型数控机械,87,三、交流伺服驱动系统,1.电机扭矩的选择,负载扭矩：,加速度扭矩：,伺服电机扭矩：,88,2.伺服电机转动惯量的选择,(1)负载转动惯量的计算：,转动物体:,移动物体:,89,(2)折算到电机轴上的转动惯量,J,1,J,2,J3,m,J,2,90,(3)电机和负载转动惯量的匹配,J,l,J,m,J,l,J,l,J,m,J,m,V,X,X,91,四、伺服进给系统分析,1.伺服进给系统的固有频率,（1）为什么要计算固有频率？,（2）怎样计算固有频率？,M,F,92,K,K,s2,K,c,K,B,K,NR,K,BR,（3）怎样计算复合结构的固有频率？,93,（4）怎样提高系统的固有频率？,减小转动惯量,提高结构刚度,94,2.跟随误差及其对加工精度的影响,（1）数控系统的跟随误差,95,（2）跟随误差对直线轮廓加工精度的影响,96,两个方向的分速度：,两个方向的位置误差：,轮廓误差：,97,（3）跟随误差对圆弧轮廓加工精度的影响,98,实际圆弧半径：,从中解出轮廓误差：,两个方向刚度相同时：,99,设计完成的两自由度运动控制平台：,100,返回,交流伺服电动机,101,基于DSP的永磁同步,电机,交流伺服控制系统,随着现代化工业的不断发展，交流伺服控制系统的应用越来越广泛，而高性能的全数字化伺服控制系统是当代交流伺服控制系统发展的趋势，这种系统被广泛应用在高精度,数控机床,、,机器人,、,特种加工装备和精细进给系统,中，因此对其性能的要求也越来越高，尤其是在军用领域和机器人系统中，要求伺服控制系统具有高速度、高精度、高可靠性及高抗干扰能力。由于集高速运算能力和面向,电机,的高效控制能力于一体的数字信号处理芯片DSP的应用，,因此基于DSP的永磁同步,电机,交流伺服控制系统逐步成为交流伺服控制系统的主流,。,102,基于DSP的永磁同步,电机,交流伺服控制系统主电路,交流伺服控制系统的主电路是交流伺服控制系统的主要部分，主电路的性能优劣直接影响整个交流伺服控制系统的性能，因此对主电路的设计显得尤为重要 。,103,图1系统框图,主电路由三相整流电路、智能功率模块、滤波电容、能耗制动回路组成,104,主电路工作原理及各部分设计,工作原理：三相交流电经三相全控桥整流电路整流后，,再经过滤波电容滤波，将其转换为直流电，使加于逆,变器桥臂的电压为一恒压源。R和T组成能耗制动回路。,智能功率模块由三相六个桥臂构成，把直流电变换成,三相交流输出，即变压也变频，输到,电动机,的三相电,压和频率都是同时变换的。实际应用上经电流反馈控,制后，智能功率模块输出的三相电流为近似对称的正,弦交流电流，以使,电动机,获得圆形旋转的气隙磁场。,功率主电路的作用,：直接驱动伺服,电机,工作,功率主电路的,组成：三相整流电路、智能功率模块、滤波电容、能耗制动回路,105,主电路的具体构成,图2 主电路原理图,106,三相整流电路,整流电路采用富士公司的三相整流桥6R130G-1600，,整流电路为三相桥式全波整流电路，耐压高，可达,1600V ,输入是三相交流电，三相输入为220V，则,经整流后平均直流电压为的=2.34220=514.8V。,三相桥式全波整流电路完成工频电流到直流的转换，,经整流器整流后的直流电存在脉动。滤波电容起到,稳压滤波的作用，滤波电容中的滤波电容值很大,107,智能功率模块,功率变换部分是永磁同步,电机,控制系统的重要组成部分，其功能是依据PWM控制信号将三相工频交流电变换成频率、相位和幅值均可调的交流电，功率变换单元的结构形式多种多样，而采用交一直一交变换方式的电压源逆变器，目前在永磁同步,电动机,控制系统中应用广泛。在功率变换单元的设计中，功率电子开关的选择很重要，IGBT由于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好，耐高压且承受大电流、驱动电路简单而得到广泛的应用。,108,智能功率模块,采用的智能功率模块是富士公司的R系列PM25RSBI20智能功率模块。它以IGBT为主开关器件，这就决定了它的开关速度较高，目前己达到20kHz。它的智能化主要表现在容易实现控制、保护和接口功能等三个方面。采用它来构建主逆变电路，可以极大地简化电路结构，同时也提高了电路工作的可靠性与稳定性。智能功率模块的内部结构。见图3,109,图3IPM的内部结构图,110,由图3可见，这是一种含有制动单元在内的完整的,逆变器，它包括7个IGBT和它们各自的驱动保护电,路，其中的6个可组成三相逆变桥，另一个再外加,电阻即可构成制动单元。内含驱动电路IPM设定了,内部IGBT的最佳驱动条件，驱动电路离IGBT很近，,可以大大减少信号传输阻抗，且受外界的干扰很小，,因此不需要加反向偏压。它共需要4组控制电源，,上桥臂为互相独立的3组，下桥臂三个驱动器共用,一组电源;内含各种保护，使内部ICTBT因故障损坏,的机率大大降低。这些保护包括过电流保护(OC)，,短路保护(SC)、控制电源欠电压保护(UV)、过热保护,(OH)等和报警输出;制动电路只要在外电路端子P与B,之间接入制动电阻，即可实现能耗制动，散去减速时,的再生电能。,111,参数设定,PMSM是交流伺服控制系统的执行元件，它的运行状态是交流伺服系统控制性能的体现。因此，,电动机,要能很好地体现各式各样的控制性能，达到各种设计要求，,电动机,参数与变换器各环节的参数必须很好地匹配。,112,滤波电容的参数设计,整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波，这要通过滤波电容C来实现。滤波电容的作用除了稳压和滤除整流后的电压纹波外，还在整个电路和逆变电路之间起去藕作用，以消除相互干扰，为感性负载提供必要的无功功率。因此，中间直流电路电容的容量必须较大，起储能作用，所以该电容器又称为储能电容。,电动机,制动运行时，,电机,转子轴系上的动能和,电动机,电感的贮能都要以电能的形式回馈到直流电源给电容C充电，导致电容电压迅速升高，若此电压升高得过多，会造成主回路开关器件和电容C的损坏。因此对滤波电容的容量有一定的要求：,113,其中: U一电容C电压的升高限制，一般U=20%;J一算到转子轴上的转动部分总惯量;U,C0,一电容C的初始电压，U,C0,=Ud;n,H,一PMSM的额定转速，r/min;K,5,一过载倍数;I,一PMSM的额定相电流;,114,能耗制动回路电阻设计,由上可知，在主电路工作过程中滤波电容的电压迅速升高，若此电压升高得过多，会造成主回路开关器件和电容C的损坏。因此对于小容量的伺服驱动器要设计一个能耗制动回路。当滤波电容的电压升高到设定峰值U,CMAX,=+U时，开通能耗回路开关，滤波电容和,电机,同时通过制动电阻放电，电容电压降到回差谷点U,CMIN,时，关断能耗回路。因为滤波电容C也要通过能耗电阻放电，因此以电容器C设定的是最高电压计算能耗电阻值：,115,其中，Ud 是主电路的直流母线电压,能耗电阻值：,(K0是考虑开关元件损耗的安全系数，一般取1.10),116,IGBT的参数设定,在大功率电力电子器件应用中，IGBT成为主流。IGBT的优点在于输入阻抗高、开关损耗小、饱和压降低、通断速度快、热稳定性能好，耐高压且承受大电流、驱动电路简单。由于开关元件在PWM逆变器中是至关重要的器件，因此IGBT的耐压和电流容量以及开关过程中引起的发热损耗都是要认真考虑的。IGBT的电压额定，直流母线电压 可作为开关元件电压的计算依据，但还要考虑电网电压波动，过电压等因素的影响。,117,IGBT集电极的电压为:,V,CEO,=K,1,K,2,K,3,K,4,U,d,(4),式中:K,1,一为交流电网电压的波动系数，一般K,1,=1.1;K,2,一过电压保护程度，一般K,2,=1.15;K,3,一考虑制动运行时，电容电压的升高一般K,3,=1.20;K,4,一安全系数，K,4,=1.2;,所选元件的标称电压V,CEO,大于或等于上式的计算值即可,118,IGBT的额定电流：,其中:I,cm,一为集电极最大电流K,5,一过载倍数;K,6,一为元件的利用系数，一般取1.4,;,119,