项目3ppt课件.pptx

《项目3ppt课件.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《项目3ppt课件.pptx（23页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、项目3伺服系统应用技术项目3 伺服系统与原理 伺服系统是一个动态的随动系统，达到的稳态平衡也是动态的平衡，系统硬件大致由以下几部分组成，电源单元、功率逆变和保护单元、检测器单元、控制器单元、接口单元等，下面介绍一下主要单元的控制原理。3.1 交流电的逆变 3.1.1 逆变电路的基本形式 逆变电路是将直流转换为频率可调的交流的电路。根据控制方式的不同，逆变控制主要有“电流控制型”“电压控制型”与“PWM控制型”3种，其主要特点如表3-1所示。控 制 形 式 电 流 控 制 型 电 压 控 制 型 P W M 控 制 型 主 回 路 形 式 输 出 电 压 输 出 电 流 整 流 要 求 需 要

2、控 制 直 流 电 流 Id 需 要 控 制 直 流 电 压 Ed 要 求 直 流 电 压 Ed恒 定 直 流 母 线 需 要 加 滤 波 电 抗 器 需 要 加 稳 压 电 容 需 要 加 稳 压 电 容 逆 变 回 路 频 率 控 制 频 率 控 制 频 率 、 电 压 控 制 制 动 形 式 回 馈 控 制 能 耗 制 动 能 耗 制 动 3.1.2 电流控制型逆变器 电流控制型逆变器的控制框图如图3-1所示。3.1.3 电压控制型逆变器 电压控制型逆变器的控制框图如图3-3所示。 逆变器的整流部分可看成输出电压保持不变的电压源，电压控制型逆变器需要在直流母线上并联大电容。直流电压可以通

3、过逆变部分功率管的开关作用，以方波电压的形式分配给电动机。由于电动机绕组为感性负载，当电压为方波时，逆变输出的电流波形为近似的正弦波。3.2 PWM逆变原理 随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM/SPWM法、线电压控制PWM等，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。 PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化

4、可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。3.2.1 PWM逆变原理与特点 晶体管脉宽调制（Pulse Width Modulated，PWM）是一种通过电力电子器件的通/断将直流转换为一定形状的脉冲序列的技术。在交流调速系统中，这一脉冲序列可以用来等效代替正弦波。 在采用了PWM技术后，只要改变脉冲的宽度与

5、分配方式，便可达到同时改变电压、电流的幅值与频率的目的，它是当前变频器与伺服驱动器都常用的控制方式。 与传统的晶闸管逆变方式相比，PWM控制具有开关频率高、功率损耗小、动态响应快等优点，在交、直流电动机控制系统以及其他工业控制领域得到了极为广泛的应用，它是交流调速技术发展与进步的基础。1PWM原理 PWM逆变控制的关键是如何将直流电压（或电流）通过PWM转换为电动机控制所需的正弦波，为此，需要简单介绍一下PWM的基本原理。 根据采样控制理论，当面积（冲量）相等、形状不同的窄脉冲加到一个惯性关节上时，其产生的效果基本相同。这就是说，对于图3-6（a）所示的脉冲电流加入到具有惯性特征的RL（电阻/

6、电感）电路或RC电路上，其输出响应基本相同。 根据这一原理，如果将矩形波（方波）进行N等分，便可用N个面积相等的窄脉冲进行等效。因此，如果窄脉冲的幅值保持不变，则可以通过改变窄脉冲的宽度来改变矩形波的幅值，这就是方波PWM调制或PWM直流调压（直流斩波）的基本原理。 同样，如果将图3-7所示的正弦波信号分为N等分，并将每一区域看成是一个宽度相等、幅值不同的窄脉冲见图3-7（a）。这样的窄脉冲便可以由一列幅值相等但宽度不同，面积与等分区域相等的矩形脉冲串来等效代替，这就是正弦波PWM调试的基本原理。2PWM逆变的特点采用了PWM控制的逆变器称为PWM控制型逆变器，这种逆变控制方式与电流型、电压型

7、控制逆变比较具有如下区别：（1）系统结构简单电流型与电压型控制逆变的回路只进行单纯的开/关与频率控制，但加入到负载的电流、电压幅值需要通过整流回路进行调节，因此，逆变器需要同时对整流与逆变回路进行控制，系统结构复杂。采用PAM调压的电压控制型逆变，虽然可省略整流回路的控制环节，但需要增加斩波控制回路，同样增加了控制系统的复杂性。而PWM控制型逆变无须对整流电路进行控制，故可以直接用二极管不可控整流方式。（2）改善用电质量二极管不可控整流方式可以避免可控整流引起的功率因数降低与谐波影响，改善了用电质量。（3）提高系统的响应速度电流控制与电压控制型逆变在调节电流与电压幅值时，需要通过大电感，大电容

8、的延时才能反映到逆变回路上。而PWM逆变则可以同时控制逆变回路的输出脉冲宽度、幅值与频率，提高了系统的响应速度。（4）改善了调速性能电流型与电压型控制逆变的回路只进行单纯的开/关频率控制，逆变器的输出为低频宽脉冲，波形中的谐波分量将引起电动机的发热并影响调速性能。而PWM逆变输出的是远高于电动机运行频率的高频窄脉冲，它是通过提高脉冲频率大大降低了输出中的谐波分量，改善了电动机的低速性能，扩大了调速范围。（5）降低生产制造成本从系统结构上看，为了准确控制逆变输出，电流型与电压型控制逆变的每一逆变回路都需要有单独的整流与中间电路，这样的方式较适合于电动机、大容量变频控制。而PWM控制型逆变器可通过

9、脉宽调制，同时实现频率与幅值的控制，因此，只要容量足够、电压合适，用于逆变的直流电源完全可以独立设置或直接由外部提供，即PWM控制性逆变器可采用模块化的结构形式，由统一的电源模块为多组逆变回路提供公用的直流电源，如图3-8所示。3.2.2 PWM波形的产生 PWM逆变的关键问题是如何产生PWM的波形。虽然，从理论上说可以根据输出频率、幅值以及需要划分的区域数，通过计算得到脉冲宽度数据，但这样的计算与控制通常比较复杂，对提高系统的速度不利。因此，目前实际控制系统大都采用载波调制技术生成PWM波形。 载波调制技术源于通信技术，在20世纪60年代中期，由A.Schonung与H.Stemmler首先

10、提出将其应用于电动机调制的控制。利用载波调试技术产生PWM波形的方法有多种，直到目前还是很多人的研究热点。 1单相调制 图3-9是一种最简单、最早被应用的交流调速系统的载波调制方法，可用于单相交流的调制。 2三相调制 根据单相PWM波的产生原理，同样可以得到三相的调制信号，如图3-10所示。 图3-10中，ua、ub、uc三相调制信号公用一个载波信号，ua、ub、uc的调制与单相波相同，假设逆变器的直流输入为ed，如果选择ed/2作为参考电位，则可以得到图中的PWM波形。在此基础上，根据uab=ua-ub便可以得到图中的线电压uab的PWM波形，这就是三相PWM波。 变频器与伺服驱动器就是根据

11、这一原理控制电压与频率的交流调速装置。3.3 永磁同步电动机伺服驱动系统 近年来，随着高性能永磁材料技术、电力电子技术、微电子技术的飞速发展以及矢量控制理论、自动控制理论研究的不断深入，永磁同步电动机伺服控制系统得到了迅速发展。由于其调速性能优越，克服了直流伺服电动机机械式换向器和电刷带来的一系列限制。其结构简单、运行可靠，且体积小、重量轻、效率高、功率因素高、转动惯量小、过载能力强；与异步伺服电动机相比，控制简单、不存在励磁损耗等问题，因而在高性能、高精度的伺服驱动等领域具有广阔的应用前景。3.3.1 交流永磁同步电动机的矢量控制原理交流永磁同步电动机采用的是正弦波供电方式，它可消除方波电流

12、突变带来的转矩脉动，其运行平稳，动、静态特性好，但控制也比无刷直流电动机复杂，需要采用矢量控制技术。正弦波与方波的区别在于正弦波电流的瞬时值随着相位变化。交流永磁同步电动机的理想状态是：能在转子磁场强度为最大值的位置上，使定子绕组的电流也能够达到最大值，这样电动机便能够在同样的输入电流下获得最大的输出转矩。为了实现这一目的就必须对定子电流的幅值与相位同时进行控制。幅值与相位构成了电流矢量，因此，这种控制称为“矢量控制”。为了对交流电动机实施矢量控制，首先需要建立电动机的数学模型。根据矢量控制的理论，交流永磁同步电动机的数学模型可以按照以下步骤建立。 将三相定子电流合称为统一的合成电流。 将定子

13、合成电流分解为两相正交电流，完成电流的3-2变换。 将定子坐标系中的两相正交电流转换到转子坐标系上。 在转子坐标系中建立定子平衡方程。 根据转子磁场与定子电流的正交分量建立运行方程。 1定子电流合成 对于正弦波供电的电动机，为了便于分析，将三相定子电流以余弦的形式表示如下： 考虑到三相定子绕组本身在定子中的空间位置互差2/3，因此，三相合成电流is可以计算如下： 2定子电流变换 定子电流与转子磁场在电动机中都是空间旋转的矢量，且两者存在一定的夹角（转子磁场落后于定子电流）才能输出转矩，如果将两者在同一静止参考坐标系a-b上表示，可以得到矢量图。 u1cosiItw= v1cos(2/3)iIt

14、wp=+ w1cos(4/3)iItwp=+ s111coscos(2 /3) cos(2 /3)cos(4 /3) cos(4 /3)iItItItwwppwpp=+?+? 13cos2Itw=3定子电压平衡方程式 为了建立定子电压平衡方程，需要在d-q坐标轴中分解磁链。 假设转子永磁体产生的磁链为 。而定子线圈产生的磁链可以按照 计算，d-q坐标系上的合成磁链矢量表达式为： 因转子的d-q坐标系以角速度 旋转，考虑到方向后，磁链变化率可表示为： = (+)+ jrdqLiLiyy d=+ jdttyywy 将式(3-4)代入到式（3-5），并考虑到永磁体产生的磁链 为常数，整理后得到定子绕

15、组上的感应电动势计算式为： 分解到d-q坐标系上，定子电压平衡方程为： 式中已经将转子永磁体产生的转子磁链 直接用电动机常数K的形式进行表示 4电动机运行方程 如果控制与转子磁链同相的电压分量ud，使得上式中的id=0，这就意味着电动机在旋转过程中始终有 ，即电动机可以在输出最大转矩的情况下按照同步转速旋转，这时，可以得到如下永磁同步电动机的运行方程： 1ddd= (-)+ j(+)dddddqqriieLL iLL itttywwy w d=+-ddddqiuRiLL itw d=+dqqqqiuRiLL iKtww3.3.2 交流永磁同步电动机控制系统 交流永磁同步电动机伺服系统需要进行电

16、流变换与矢量计算，因此，一般为采用微处理器的数字控制系统，图3-12所示为某实际交流永磁同步电动机数字伺服驱动器的原理框图。 该驱动器采用的是三相桥式二极管不可控整流电路，提高了驱动器输入功率因数，输入回路安装有短路保护与浪涌电压吸收装置。驱动器输入电压为三相220 V（线电压），平波后的直流母线电压约为320 V。 驱动器的直流母线上安装有能耗制动电阻单元，可以为电动机制动提供能量释放回路。 此外，为了加快电动机的制动过程，线路中还设计了将母线直流电压通过二极管直接加入到电动机三相绕组的直流制动电路，这一制动回路可以在驱动器逆变回路不工作时，为电动机提供制动转矩。启动器的逆变回路采用了IGB

17、T驱动，并带有为电动机制动提供能量反馈通道的续流二极管。 驱动器的速度与位置控制通过CPU进行控制，速度与位置调节器进行了数字化处理，调节器的参数可以根据系统情况进行修改。驱动器带有可以进行参数设置/状态显示的操作/显示单元与通信总线接口，不仅可以通过操作/显示单元检查驱动器工作状态、进行参数的设置与修改，还可以用于网络控制。修改后的参数可以保存在EEPROM中。 驱动器带有CPU，因此，它可以直接接收外部位置指令脉冲，构成位置闭环控制系统。如果需要，驱动器也可以接收来自外部的速度给定模拟电压，成为大范围、恒转矩调速的速度控制系统。 为了提高运算与处理速度，驱动器的电流检测与计算、电流控制、编

18、码器信号分解、PWM信号产生以及位置给定指令脉冲信号的处理均使用了专用集成电路（ASIC）。 由于三相正弦交流电始终有iu+iv+iw=0，故只需要检测其中的两相，便可以在ASIC的电流检测与计算环节通过计算得到第三相的实际电流值。 电流反馈信号按照式（3-2）合成后，转换为幅值为电枢电流23倍的合成电流is；然后再按式（3-3）转换为d-q坐标中的id、iq电流，完成电流检测信号的3-2转换。 根据矢量控制式（3-8）的要求，控制时总是需要保持id为零，所以，在电流控制环节上需要有转矩电流iq的给定输入。在电流控制环节中，根据转矩电流iq给定id、iq的电流反馈值，按照式（3-7）计算出定子

19、控制电压ud、uq。在电流控制过程中需要保持 ，以实现id为零的控制要求。 计算得到定子控制电压ud、uq，需要通过下式反变换到参考坐标系a-b上（见图3-11）： cos-sinadquuuqq= sincosbdquuuqq=+由ud、uq可以得到三相定子电压的合成矢量为：这一三相定子电压矢量，可以按照式（3-1）、式（3-2），分解为如下三相定子电压：以上变换过程是将两相控制电压ud、uq转换为三相定子电压的过程，故称为2-3转换。定子电压可以直接通过PWM电路转换为SPWM波，实现对电动机的控制，以上是交流永磁同步电动机伺服驱动器的控制原理。因此，通用性交流伺服实质上是一种具有位置、速度、电流三环控制的闭环调节系统。 22sjejababuuuuux=+=+ 22u2cos3abuuux=+ 22v2cos(2 /3)3abuuuxp=+ 22w2cos(4/3)3abuuuxp=+