伺服电机(教学版).ppt

第三十三讲 伺服电动机 1 概述 第三十三讲 伺服电动机 1 概述 无论是伺服还是调速领域 目前交流系统正在逐渐代替直流系统 与直梳伺服电机相比 交流伺服电机具有高可靠性 散热好 转动惯量小 能工作于高压状态下等优点 因为无电刷和换向器 故交流伺服系统也称为无刷伺服系统 用于其中的电机是无刷结构的笼型异步电机和永磁同步型电机 第三十三讲 伺服电动机 1 概述 第三十三讲 伺服电动机 1 概述 伺服电动机 2 直流伺服电动机 传统型直流伺服电动机 结构形式与普通直流电动机相同 只是它的容量和体积要小的多 低惯量直流伺服电动机1 空心杯形转子外磁场式 外定子由永久磁钢制成或通常的电磁式结构 内定子由软磁材料制成 空心杯电枢可以采用印制绕组 也可采用环氧树脂固化先行绕制的成型绕组 内磁场式 内定子采用永久磁钢 外定子采用软磁材料的结构 低惯量直流伺服电动机2 盘式电枢转子 定子由永久磁钢和前后软磁铁组成 磁钢放置在圆盘的一侧 并产生轴向磁场 一般制成6 8 10极电机 电枢绕组可以是绕线式绕组或印制绕组 伺服电动机 2 直流伺服电动机 伺服电动机 2 直流伺服电动机 电枢控制 通过改变电枢电压来控制电机转速 1 机械特性 Ua 常数时 n f Te 2 调节特性 TL 常数时 n f Ua 当电机的控制电压大于相应的始动电压 伺服电动机便能起动并在一定的转速下运行 磁极控制 用调节磁通来控制电机转速 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 交流异步伺服电动机结构 传统的交流伺服电机是指两相伺服电机 有笼型转子和杯型转子两种 定子铁心中安放着空间互成90o电角度的两相绕组 其中一相作为励磁绕组 运行时接至电压为Uf的交流电源上 另一相作为控制绕组 输入控制电压Uc 电压Uc和Uf的频率相同 转子通常有两种型式 高电阻率导条的笼式转子 非磁性空心杯形转子 1 高电阻率导条的笼型转子 结构与普通鼠笼式异步电动机类似 但为了减少转子的转动惯量 做的细而长 导条及端环可用高电阻率的导电材料 黄铜 青铜等 也可用铸铝转子 国产的SL系列就采用这种结构形式 2 非磁性空心杯形转子 定子分外定子铁心和内定子铁心两部分 由硅钢片冲制后叠成 外定子铁心槽中放置空间相距90电角度的两相分布绕组 内定子铁心中不放绕组 仅作为磁路的一部分 以减小主磁通磁路的磁阻 空心杯转子用非磁性铝或铝合金制成 放在内 外定子铁心之间 并固定在转轴上 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 特点 异步伺服电动机与普通异步电动机的重要区别之一是 转子电阻大 其目的是 1 为了增大异步伺服电动机的调速范围并满足机械特性更接近于线性的要求 2 防止出现 自转 现象 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 2 防止出现 自转 现象 两相异步伺服电动机在取消控制电压 Uc 0 后 便成为单相异步电动机运行 气隙中只有励磁绕组产生的脉动磁场 当转子电阻较小 在电动机运行的转差率范围内 0 s 1 T1 T2 合成的Te T1 T2 0 只要TL Tem 电机转子将一直运转 并不会因为控制电压的消失而停转 这就是 自转 在自控系统中是绝不允许出现的 当转子电阻足够大 正序磁场产生的最大转矩所对应的转差率Sm1 1 电机的Tem在电动机运行范围内均为负值 即Te 0 如图 c 在某一控制电压下 电机带有一定负载稳定运行 当控制电压消失 励磁绕组所产生的Tem为一制动转矩而使电机迅速停转 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 1 幅值控制 保持励磁电压的幅值和相位不变 通过调节控制电压的大小来调节电机的转速 而Uc与Uf之间始终保持90度电角度相位差 当Uc 0时 电机停转 当控制电压反相时 电机反转 交流异步伺服电动机运行时 励磁绕组接至电压值恒定的励磁电源 而控制绕组所加的控制电压Uc是变化的 一般来说得到的是椭圆形旋转磁场 由此产生电磁转矩驱动电机旋转 若改变控制电压的大小或改变它相对于励磁电压之间的相位差 就能改变气隙中旋转磁场的椭圆度 从而改变电磁转矩 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 2 相位控制 保持控制电压的幅值不变 通过调节控制电压的相位 即改变控制电压相对励磁电压的相位角 实现对电机的控制 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 3 幅值 相位控制 或称电容控制 将励磁绕组串联电容C后 接到励磁电源上 调节控制电压的幅值来改变电动机的转速时 由于转子绕组的耦合作用 励磁回路中的电流If也发生变化 使Uf及Uca也随之改变 也就是说 控制电压Uc和Uf的大小及它们之间的相位角也都跟着改变 是一种较常用的控制方式 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 4 双相控制 励磁绕组与控制绕组间的相位差固定为90度电角度 而励磁绕组电压的幅值随控制电压的改变而同样改变 也就是说 不论控制电压的大小如何 伺服电机始终在圆形旋转磁场下工作 获得的输出功率和效率最大 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 信号系数 Uc Uf Uc U1 从图中看出 幅值控制时异步伺服电动机的机械特性是一组曲线 只有当有效信号系数 e 1 即圆形旋转磁场时 异步伺服电动机的理想空载转速才是同步转速 当有效信号系数 e 1 即椭圆形旋转磁场时 电机的理想空载转速将低于同步转速 伺服电动机 3 交流异步伺服电动机 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 伺服控制技术中常遇到的概念1 闭环控制和半闭环控制 位置指令表示要求伺服电动机驱动的机构所期望的目标值 未知的实际值由位置传感器来检测 如果位置检测器能直接检测出运动机构的位置 并把位置信息反馈到控制部分 控制电机带动负载向目标位置移动 这样的闭环控制在工程上常称为全闭环控制 如果位置检测器安装在伺服电动机的轴上 通过检测电动机轴的角位移 间接地反映出运动机械的实际位置 这种方式构成的闭环控制 通常称为半闭环控制 2 控制精度 输出量跟踪控制指令的过渡过程结束后进入稳态 在输出量与控制指令间所具有的恒定偏差 就是控制精度的量度 3 响应特性 系统跟踪指令的速度 一般称之为系统的响应 当系统的响应很快时 系统的稳定性将变差 甚至可能产生震荡 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 现代的交流伺服电机多为三相 有交流永磁伺服电机和交流异步伺服电机两种 后者在结构和原理上与一般的异步电动机相似 只是考虑到伺服技术的特点 要进行特殊的设计 由于相对效率较低 发热较高 加上体积较大 故使用场合越来越少 前者由于效率和体积方面的优势 已成为伺服技术的主流 在中小功率的场合 一般采用永磁同步型电机 在伺服系统中一般称之为永磁交流伺服电机 在系统中 按照不同的驱动方式 即根据电机绕组中的电流波形 把交流永磁伺服电机分为永磁方波伺服电机和永磁正弦波伺服电机 方波电流驱动的交流伺服电机实际上就是无刷直流电机 国外一般称为BLDCM 永磁正弦波伺服电机一般称作PMSM 这里主要介绍正弦波电流驱动的交流伺服电机 交流永磁同步伺服系统主要由伺服控制单元 功率驱动单元 通讯接口单元 伺服电动机及相应的反馈检测器件组成 其结构组成如下图所示 其中伺服控制单元包括位置控制器 速度控制器 转矩和电流控制器等等 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 控制方式 从被控制量来说 伺服控制形式主要有 转矩控制 电流控制 速度伺服和位置伺服 1 转矩控制 电流控制 有些负载 例如螺栓紧固机构 只需要伺服电机提供必要的紧固力 并根据所需紧固力的大小来决定电机的转矩控制和转矩限制 而对电机的速度和位置没有要求 这种情况一般采用转矩控制形式 由于在伺服系统中 电动机的永磁转子磁极位置通过位置传感器测量出来 并以此作为电流控制的依据 实现矢量控制 2 速度伺服 在速度伺服控制中 要求对电机在各种运行状态下的速度加以控制 以满足负载的工作要求 这是应用范围很广的倚重控制形式 通常采用比例积分控制 3 位置伺服 从位置伺服控制的定位要求来看 最好是将位置传感器直接安装在要定位的机械上 实现全闭环控制 但在实际应用中多采用半闭环控制方式 通过测量电机轴的转角 来间接测量负载的实际位移 从而实现位置伺服控制 目前应用较为普遍的位置传感器有各类编码器和旋转变压器 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 模拟控制与数字控制 确定了控制形式之后 就提出了如何实现控制要求 从控制信号的形式来分有模拟控制和数字控制两种 1 模拟控制 控制系统的信号是连续变化的 控制作用也是连续发生并连续作用到被控对象 优点 对控制信号响应很快 系统内部和输出状态及变化容易用仪器仪表观察 缺点 系统调整困难一致性较差 容易产生漂移 系统缺乏柔性 缺乏复杂的计算能力 2 数字控制 控制信号是离散化的 其控制作用是离散进行的 有时在一个伺服系统中 兼用连续和离散两种信号形式 组成混合式伺服控制 优点 由于用数字信号传送信息 所以不易受温度影响 容易实现与上位机通讯 具有复杂的计算能力 系统具有较高的柔性 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 与系统中的电机相对应 永磁交流伺服系统可分为永磁方波交流伺服系统和永磁正弦波交流伺服系统 作为伺服电动机 系统要求电机的电磁转矩与输入转矩指令信号必须是线性关系 通过矢量控制可以得到交流永磁电机的这种线性关系数学模型 1 向量 矢量 控制实际上是对电动机定子电流向量相位和幅值的控制 可采用的控制方法有多种 其中Id 0的控制最为简单 且调速性能好 2 当永磁体的励磁磁链和直 交轴电感确定后 电机的转矩就取决于定子电流的空间向量Is 而Is的大小和相位又取决于Id和iq 也就是说控制Id和iq便可以控制电动机的转矩 一定的转速和转矩对应于一定的I d和I q 通过这两个电流的控制 使实际的Id和iq跟踪指令值I d和I q 便实现了电动机的转矩和转速控制 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 3 对于永磁同步电机来说 它和直流电动机一样具有两个相互独立的磁通势 它们之间的夹角随负载的变化而变化 如果能保证定 转子两个磁通势总是正交 那么就能够具有优良的控制品质 可以通过向量控制法 通过外加的位置检测器 将定子电枢电流控制在d q旋转坐标系的交轴上 即电枢电流仅有q轴电流分量而没有d轴交流分量 使得电枢电流始终保持超前于磁通势90度电角度 这就是交流永磁伺服电动机转子磁极定向式向量控制方法 4 向量控制的永磁同步电机的反电势和相电流频率由转子转速决定 正弦相电流是由电路强制产生并使得相电流与该相反电势同相 它是通过检测转子相对与定子的绝对位置 并由控制系统的电流换来实现 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 一般的速度伺服控制系统是由速度外环和电流内环组成 类似直流调速系统 速度指令和速度反馈信号经比较之后通过速度控制输出转矩指令Tm 而Tm 与电流幅值指令Iq 成比例 Iq 与电流反馈Iq在电流环里进行电流调节 Iq是实际电流IU IV IW IV由IU IV IW 0得到 反馈后经3 2变换得到的交轴分量 再将电流调节器的输出和磁极位置检测得到的 r送入SPWM调制部分 得到6路输出控制脉冲 经隔离驱动后送到逆变器 逆变器的输出电流送到电机的定子绕组 实现对电机绕组的电流控制 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 系统中的交流永磁伺服电机实际上是一台机组 一般有下列各部分组成 交流永磁伺服电机本体 转子位置传感器和速度传感器 如系统有位置要求时还应有提供位置环反馈信息的位置传感器 为了保护电机 很多伺服电机的绕组中都埋入温度传感器 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 1 交流永磁伺服电机本体 主要由转子和定子两部分组成 在转子上装有特殊性能的永磁体 采用稀土永磁材料 用以产生恒定磁场 在电机定子铁心上的三相电枢绕组 接在驱动控制器的逆变器的输出部分 2 传感器 为了对转子磁极定向 首先必须有转子位置检测器 以此为依据实现矢量控制 为了检测电机的实际运行速度 通常需加装速度传感器 它和位置传感器一起安装在电机的非负载端 实际上 检测电机的转子旋转速度 磁极位置和系统的闭环的位置这三种信号可由一个编码器或一个旋转变压器来完成 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块 如右图所示功率板 驱动板 是强电部分 其中包括两个单元 一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动 二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 控制板是弱电部分 是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体 控制板通过相应的算法输出PWM信号 作为驱动电路的驱动信号 来改逆变器的输出功率 以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 1 功率驱动单元 功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或者市电进行整流 得到相应的直流电 经过整流好的三相电或市电 再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机 功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC DC AC的过程 整流单元 AC DC 主要的拓扑电路是三相全桥不控整流电路 逆变部分 DC AC 采用的功率器件集驱动电路 保护电路和功率开关于一体的智能功率模块 IPM 主要拓扑结构是采用了三相桥式电路原理图见后图 利用了脉宽调制技术即PWM PulseWidthModulation 通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率 改变每半周期内晶体管的通断时间比 也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小以达到调节功率的目的 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 SPWM的调试原理是使逆变器的输出脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等 改变调制波的频率和幅值即可调节逆变器输出电压的频率和幅值 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 2 控制单元 控制单元是整个交流伺服系统的核心 实现系统位置控制 速度控制 转矩和电流控制 所采用的数字信号处理器 DSP 除具有快速的数据处理能力外 还集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路 如A D转换器 PWM发生器 定时计数器电路 异步通讯电路 CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等 伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理 FOC 和坐标变换 实现矢量控制 VC 同时结合正弦波脉宽调制 SPWM 控制模式对电机进行控制 永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压 这样 电机的转矩便只和磁通 电流有关 与直流电机的控制方法相似 可以得到很高的控制性能 对于永磁同步电机 转子磁通位置与转子机械位置相同 这样通过检测转子的实际位置就可以得知电机转子的磁通位置 从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 伺服驱动器控制交流永磁伺服电机 PMSM 伺服驱动器在控制交流永磁伺服电机时 可分别工作在电流 转矩 速度 位置控制方式下 系统的控制结构框图如下图所示 伺服电动机 4 交流永磁伺服系统 由于交流永磁伺服电机 PMSM 采用的是永久磁铁励磁 其磁场可以视为是恒定 同时交流永磁伺服电机的电机转速就是同步转速即其转差为零 这些条件使得交流伺服驱动器在驱动交流永磁伺服电机时的数学模型的复杂程度得以大大的降低 从图中可以看出 系统是基于测量电机的两相电流反馈 la lb 和电机位置 将测得的相电流 la lb 结合位置信息 经坐标变化 从a b c坐标系转换到转子d q坐标系 得到ld lq分