基于分布式运动控制的高性能伺服驱动.docx

基于分布式运动控制的高性能伺服驱动lihan导语：数字信号处理器dsp技术的开展，使伺服驱动变得越来越智能化。数字信号处理器dsp技术的开展，使伺服驱动变得越来越智能化。现场总线的开展也使基于分布式控制构造的控制设计更加灵敏并且模块化。它节约了绕组本钱并能简化机器构造。智能cd1p伺服驱动是一个独立信号的轴控制器，如图1包括:控制序列程序，轨迹计算器，位置、速度和电流伺服环，还有在同一个设备中的变压器。align=center图1分布式运动控制系统智能伺服驱动/align在主机控制和每一个伺服驱动之间的信息传输都是基于profibusdp的标准。用高复用性的模块化的方式可以方便建立复杂的多轴控制的应用。使用了总线设备，控制系统就可以方便的为新产品进展参数重设，而不需要对硬件做任何的更改。通过增加或删除控制元件伺服驱动，i/o模块等来编辑这个进程，而不需要对主要控制系统进展编辑和改动。这个方案的灵敏性有助于在自动化消费经过的长期竞争中生存:方便的在对产品缩减和技术生命周期的反应中编辑改进机器。同时，数字化电流、速度和位置伺服环都包含在伺服驱动中，也改良了伺服性能。伺服控制器设计串级控制构造非常合适高性能的伺服驱动。其内部电流控制环控制电机转力矩，还影响外部速度和位置控制环的动态性能。电流控制设计无刷伺服驱动由一个在轴上安装了位置感应器的永磁同步电机pmsm构成。变压器通过脉宽调制器pwm实现恒定的直流电压到三相沟通电压的转换。常值直流电压源由沟通主电源整流而来。为了控制pmsm的转矩，需要控制定子电流幅值和定子电流相位值:电流幅值是与设定力矩成比例，电流相位与转子位置有关。控制定子电流，既可以通过定子坐标系，也能通过转子坐标系。当电流控制在定子坐标系中执行时，传统控制构造包括两到三个以设定电流波形的相位为基准的独立相位电流调节环。在转子参照系中的电流控制是基于pmsm数学模型的，如图2所示。align=center图2pmsm数学模型/align电流的直接值和正交分解值id和iq都能通过电流相位park变换计算得到。id和iq调节环赋值给直接和正交的电压值vd和vq。三相pwm命令通过vd和vq的值使用反park变换计算得到的。在转子坐标系的电流控制中，可以获得在整个速度范围中的良好扭矩性能。如图3所示。align=centera电流控制方法的影响曲线b模型控制方法的影响曲线图3伺服驱动的转矩/速度曲线/align由于在定子坐标系中，三相电流相位环以正弦波为基准，所以速度形式下定子控制性能的开展取决于环的带宽。但是，在转子坐标系中，park变换得到的id和iq是以直流变量为基准。由于这个原因，在转子坐标系中的电流控制更合适cd1p的伺服驱动。align=centerapwm对称三角调节方法b空间矢量模型算法图4pwm开关频率计算器/align三个pwm脉宽调制器的命令能通过对称三角调节方法或空间矢量调节svm来计算。在对称三角调节方法中，pwm转换次数由一个对称高频三角波媒介和正弦电压参考波形的穿插点来定义，如图a。在svm模型中，pwm转换序列是用变换器中八种可能的电流状态从park矢量中矢量分解得到的如图b。比照与对称三角调节方法，在svm模型下允许伺服电机运转在更高的速度下约高出15%。这归结于模型内部中附加的3次谐波波形。align=centera对称三角调节命令b空间矢量模型命令图5最高速度下pwm的输出波形/align如图5b在svm命令中含3次谐波，允许了使用带正弦相位电压转换器的满输出电压范围。如图5a，在对称三角调制方法中，三相命令和为0，所以，转换器的输出电压范围减少了15%。位置控制设计为了得到稳定快速的响应，速度和位置伺服环的调整必须通过机械负载参数进展最优化配置。位置伺服控制器设计是基于rst多项式控制器构造和极点定点整定方法。rst多项式控制器构造是最主要的，也是最合适参数整定方法的控制器构造。假定驱动能通过模型转换方程hmc和hmd描绘，如图6a所示。伺服控制器所包括的个多项式r，和分别作用在伺服环错误信号，伺服环反应信号和伺服环参考信号上。闭环输出参考和输出干扰的转换方程分别用hsr和hsd表示在图6b中。align=centera伺服闭环构造b闭环传递函数图6伺服闭环构造和传递函数/align控制器整定进程包括hsr和hsd转换方程极点和零点位置整定，这是为了得到位置环的输出参考和输出干扰的对应关系。这样就可以把伺服环调整和跟踪行为完全分开。hmc和hmd转换方程从机械设备型号中派生出来。设备转换功能通过在额定工作状态下执行识别程序得到。常规pid控制器能通过下面的多项式方便的执行rst控制器构造:rs=r1s+r2s2和ts=ss=s0+s1s+s2s2s是拉普拉斯变换量。在这个方案中位置环跟踪和调节性能如图7所示。rst控制器构造可以在维护同样的调节性能时只改变t多项式就能方便的编辑伺服环跟踪行为。align=centerapid设计brst追踪设计图7rst位置控制器波形/alignrst多项式控制器构造的灵敏性也很轻易整合进知足特殊应用要求的特殊滤波器。当电机轴受到很大的负载惯性时，弹性耦合就能感应到改变振动。改变振动频率通过设备参数计算得到。假定:jm=电机惯性值。ji=负载惯性值，nr=电机/负载耦合率，ks=电机/负载耦合强度;改变振动频率是通过以下公式得到的:fr=ksnr2jm+jl/nr2jmjl1/2。改变振动影响能显著减少伺服环电流损耗。运动控制器执行合适多轴应用的分布式动作控制体系是基于智能独立的伺服驱动的。在这个方案中，轴运动控制任务分布在每一个伺服驱动中的。每一个伺服驱动都能独立的编程执行给定轴的控制任务。主机控制器和伺服驱动之间的总线通讯用于伺服驱动预设和机械进程控制和监控。伺服驱动的eeprom能保存128套以上预设程序的运动控制序列。有五种根本可编程运动序列:轴归位序列是用于伺服驱动启动后的轴复位寻址；绝对定位序列用于通过轴寻址索引挪动轴到所给的绝对地址值；相对定位序列用于挪动轴到所给的相对与当前地址间隔的位置；速度描绘序列用于描绘一个以特定的速度挪动的轴的形态；转力矩设定点序列用于需要提供应负载一个恒定的力的情况，如夹持器的应用。序列执行中的细节可以序列参数加速和减速时间，运行速度，滞留时间，初始状态，触发位置，输出信号，计数，连接来定义。所有的序列都能链接到一起，并在序列链中引入可编程时间延迟。序列计数器也允许执行同种序列屡次或者一次执行一组序列。这些功能知足了伺服驱动一体化的运动控制。而不需要传统的外部运动控制板卡伺服驱动的解决方案。profibusdp通讯连接到profibus串行链路上的伺服驱动可以方便的组态到工业pc或者plc控制器环境中。profibusdp是一个开放性的大范围应用于工业消费，经过控制和自动化应用程序中的总线协议标准。profibus的dp版本是专为自动控制系统和现场设备级的分布式i/o通讯设计的。通过profibusdp，主机plc控制器可以用循环方式在它的分布式总线设备i/o，阀门，设备中高速通讯。主机plc和cd1p伺服驱动中的profibusdp通讯是基于pro信息互换的。cd1p伺服驱动通讯使用信息的ppo1到ppo4类型。plc通过ppo写来发送一个信息，通过ppo读来承受一个信息。ppo读写是通过profibus的数据交换性能循环转换的。plc可以在参数区读取和修改伺服驱动的参数。plc发送给伺服驱动的有两种类型的执行数据;“控制语句包括伺服驱动的动作:使能，运行，推动，归位，挪动“输入语句包括了执行序列的数目和序列开场的状态。plc从伺服驱动中承受到的有两种类型的执行数据;“状态包括了伺服驱动的状态:预备，停顿，运行，等待，错误“反应包括了进程中现行序列的数目，轴位置和电机速度值。cd1p的通讯是为了把伺服驱动像一个简单的i/o设备一样组态到主机plc控制器中而设计的。这样就能直接在伺服驱动中执行高程度的运动控制，而不需要占用主机plc控制器的计算资源。我们也留意到总线循环时间值对伺服运动控制性能没有影响。所以，这个解决方案是最合适多轴位置控制的应用的。相比于基于cnc运动控制器和模拟速度量伺服驱动的传统运动控制，基于智能伺服驱动的运动控制构造是一个高效灵敏的解决方案。基于dsp技术的智能cd1p伺服驱动能为给定的轴执行完好的运动控制。这个构造可以改善伺服环的性能。通过空间向量调制技术，伺服电机在高速状态下转力矩也得到了改善。机器里在线自整定程序可以优化速度和位置伺服环。在profibusdp通讯协议下，智能伺服驱动也能像简单的i/o设备一样整合到主机plc控制器中。这个运动控制解决方案尤其合适对于多轴超过100控制的应用。