數(shù)控技術(shù)第4章44節(jié)

1、第4章 進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4.1 概述4.2 位置檢測(cè)裝置4.3 進(jìn)給電機(jī)及驅(qū)動(dòng)4.4 交流交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法4.5 伺服系統(tǒng)性能分析4.4 交流交流進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法4.4.2 交流進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制原理與方法交流進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成：控制器、功率驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)裝置和伺服電機(jī)；系統(tǒng)根據(jù)數(shù)控裝置的指令信號(hào)和檢測(cè)裝置檢測(cè)的實(shí)際信號(hào)之差來調(diào)節(jié)控制量。4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法1. 交流伺服電機(jī)的矢量控制原理為什么矢量控制？直流電機(jī)調(diào)速方法：直流電機(jī)組成：磁極（定子）、電樞（轉(zhuǎn)子）、電刷與換向片I fI aUfMUaU a Ra2 mRa n0 T2 m4.4 進(jìn)

2、給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法直流電機(jī)的兩個(gè)重要參數(shù)：n TCE CE CT CE CT Tm CT mI a直流調(diào)速度中：與電磁轉(zhuǎn)矩Tm 相關(guān)的勵(lì)磁磁通m 和電樞電流Ia是兩個(gè)互相獨(dú)立的變量。勵(lì)磁磁通m僅正比于勵(lì)磁電流If，而與Ia無關(guān)。因此，分別控制勵(lì)磁電流If和電樞電流Ia，即可方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩Tm與轉(zhuǎn)速n的線性控制。4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法交流電機(jī)交流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩公式Tm C M m I a cos 2電磁轉(zhuǎn)矩Tm與氣隙磁通m、轉(zhuǎn)子電流Ia成正比，但m與Ia不正交，不是獨(dú)立的變量，不能單獨(dú)控制，因此，不能分別調(diào)節(jié)。同時(shí)，交流電機(jī)定子產(chǎn)生的是隨時(shí)間和空間都在變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，氣隙磁通

3、m是一個(gè)空間交變矢量，這樣，在定子側(cè)的各物理量（電壓、電流、磁動(dòng)勢(shì)）也都在空間上同步旋轉(zhuǎn)且交變，調(diào)節(jié)、控制和計(jì)算很不方便。4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法1)矢量控制的基本思想：矢量控制的基本思想： 將三相交流電機(jī)輸入的電流等效變換為類似直流電機(jī)彼此獨(dú)立的勵(lì)磁電流和力矩電流，建立起與之等效的直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型，通過對(duì)這兩個(gè)電流量的反饋控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和速度的控制。然后，再通過相反的變換，將被控制的等效直流電機(jī)電流還原為三相交流電機(jī)電流，那么就可以采用類似直流電機(jī)的調(diào)速方法對(duì)三相交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速了。等效變換的準(zhǔn)則：變換前后必須產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)等效變換的準(zhǔn)則：變換前后必須產(chǎn)生同樣的旋轉(zhuǎn)磁

4、場(chǎng)4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法2)矢量變換的實(shí)現(xiàn)：矢量變換的實(shí)現(xiàn)：（1）三相）三相/二相變換二相變換將三相靜止繞組A、B、C的交流變換為兩相靜止繞組、的交流。從而實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)變換為等效的二相交流電機(jī)以及與其相反的變換。u 多相繞組中通入多相對(duì)稱平衡的交流電流時(shí)，在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 在互成120的三個(gè)繞組A、B、C中通入三相平衡對(duì)稱交流電流（iA，iB，iC）時(shí)所產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)Fm，也可以由相互垂直的兩個(gè)繞組中通入時(shí)間上相差90的兩相交流電流（i，i ）產(chǎn)生。4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法方法：根據(jù)三相交流 iA、iB、iC所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)Fm與兩相交流 i

5、、i所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)Fm 等效。 建立三相交流 iA、iB、iC轉(zhuǎn)換為兩相交流轉(zhuǎn)換為兩相交流 i、i的電的電流變換矩陣：CBACBAbaiiiiiiii23230212113234cos32sin0sin34cos32cos0cos32 4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法建立兩相交流i、i 轉(zhuǎn)換為三相交流 iA、iB、iC的電的電流變換矩陣：baCBAiiiii2321232101324.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法（2）矢量旋轉(zhuǎn)變換將靜止坐標(biāo)系-上的兩相交流 i、i變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上的兩相直流 id、iq。方法：將繞組d、q中分別通入直流id、iq，并且使得包

6、含這兩個(gè)繞組在內(nèi)的整個(gè)鐵心，以與旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)Fm同步的轉(zhuǎn)速1旋轉(zhuǎn)。在該鐵心上和繞組一起旋轉(zhuǎn)觀察時(shí)，d和q便成了兩個(gè)通入直流而相互垂直的靜止繞組。4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法建立靜止坐標(biāo)系-上兩相交流 i、i轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上兩相直流 id、iq的電流變換矩陣：的電流變換矩陣：建立旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q上兩相直流 id、iq與靜止坐標(biāo)系與靜止坐標(biāo)系-上兩相交流 i、i的電流變換矩陣：的電流變換矩陣：iiiiqdcossinsincosqbiiiicossinsincos4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法2. 交流伺服電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)在矢量變換旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q中勵(lì)磁電流分量id

7、通常有以下作用：（1）增磁或減磁 id0,d軸磁鏈分量減少，id0，d軸磁鏈分量增加。（2）增加銅耗 當(dāng)有id時(shí)，電樞電流增加，銅耗增加。（3）影響定子端電壓和視在功率 與id= =0相比，當(dāng)id0時(shí)，驅(qū)動(dòng)逆變器的輸入電壓要高； 當(dāng)id0時(shí)，驅(qū)動(dòng)逆變器的輸入電壓可以減低。 從增減磁通和增減銅耗方面來看，id的存在對(duì)永磁同步電機(jī)不利。對(duì)逆變器而言， id0且在某一絕對(duì)值以下的范圍內(nèi)是非常有利的。34.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法2. 交流伺服電機(jī)的矢量控制系統(tǒng) 因此，在矢量控制中，當(dāng)以獲得最大轉(zhuǎn)矩為控制目標(biāo)時(shí)，變換旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q中勵(lì)磁電流分量id通常控制為零。交流電機(jī)在矢量轉(zhuǎn)換中輸出電磁轉(zhuǎn)

8、矩Mm的關(guān)系式為：M m p f iq2可知，電磁轉(zhuǎn)矩Mm僅與轉(zhuǎn)矩電流分量iq成線性關(guān)系。即狀態(tài)變量id、iq可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩線性化控制。4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法交流同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖：交流同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖：采用id= =0控制策略的三相永磁同步伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法（1）位置控制環(huán)。位置控制環(huán)使實(shí)際位置保持和給定令位置一致，它由位置調(diào)節(jié)器、位置反饋和位置前饋控制器構(gòu)成。位置前饋控制器的輸入：給定位置*反饋量：檢測(cè)單元檢測(cè)到的電機(jī)當(dāng)前位置位置調(diào)節(jié)器輸入：當(dāng)前的位置誤差位置調(diào)節(jié)器輸出：速度給定的一部分位置前饋控制器的

9、輸出量+位置調(diào)節(jié)器的輸出量 =速度環(huán)的速度給定量*4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法（2）速度控制環(huán)。速度控制環(huán)使電機(jī)實(shí)際速度保持和給定速度一致，它由速度調(diào)節(jié)器、速度反饋構(gòu)成。 位置控制環(huán)給定的速度指令 與電機(jī)速度反饋 相比較，誤差經(jīng)速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生電流矢量控制中交軸電流分量 ，作為電流控制的給定量。 伺服系統(tǒng)要求速度脈動(dòng)小，速度環(huán)頻率響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬。一般采用高頻率，快響應(yīng)且紋波小的速度檢測(cè)器，以及開關(guān)頻率較高的大功率電力電子器件。*m*qi4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法交流同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖：交流同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)原理框圖：采用id= =0控制策略的三相永磁同步伺服控制

10、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法（3）電流控制環(huán)。電流控制是提高伺服系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度、改善控制性能的關(guān)鍵。電流控制環(huán)由電流調(diào)節(jié)器、矢量控制器以及電流反饋裝置三個(gè)部分構(gòu)成。 速度控制環(huán)輸出交軸電流分量作為電流調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)一方面：給定交軸電流 與定子反饋電流經(jīng)坐標(biāo)變換后得到的交軸電流 相比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后輸出交軸控制電壓Uq*；另一方面：控制直軸給定電流id*=0,與定子反饋電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到的直軸電流id比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器后輸出直軸控制電壓Ud*然后經(jīng)過矢量變換，得到 ,最后通過SPWM模塊輸出六路控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)逆變器功率管工作。從而，輸出幅值和頻率可變的三相正

11、弦電供給電機(jī)定子。*qi*qiqi*CBAUUU、164.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法3. 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的全數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)的分類：模擬控制系統(tǒng)系統(tǒng)中的給定指令信號(hào)和反饋信號(hào)都是模擬量。特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)性能好、成本低；模擬伺服系統(tǒng)的電路復(fù)雜、一致性較差、有零點(diǎn)漂移等不足。數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)位置環(huán)給定信號(hào)和反饋信號(hào)都是數(shù)字量；速度環(huán)和電流環(huán)的信號(hào)仍為模擬量。數(shù)字式控制系統(tǒng)全數(shù)字式控制系控制信號(hào)全部采用數(shù)字量來處理，利用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)三環(huán)控制功能4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法1)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)全數(shù)字式伺服系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)構(gòu)成4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法特點(diǎn)（

12、1）無溫漂，無參數(shù)變化，穩(wěn)定性好；（2）系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整方便，線性度及可重復(fù)性高；（3）軟件模塊化設(shè)計(jì)，以滿足不同的用途；可以方便的增加、更改、刪減，靈活性強(qiáng)；（4）伺服系統(tǒng)與上位機(jī)的信息傳遞靈活、方便；（5）許多控制思想和手段得以實(shí)現(xiàn)。如魯棒控制、自適應(yīng)控制、變參數(shù)控制等；（6）增加監(jiān)控、診斷、調(diào)整以及分級(jí)控制等功能，系統(tǒng)趨于多功能化，智能化。4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法2)全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)例全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)例HSV162/160/16系列全數(shù)字伺服控制器系列全數(shù)字伺服控制器4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法（1）HSV-160全數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器硬件控制平臺(tái)4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法（2）HSV-160全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn) 控制簡(jiǎn)單、靈活； 狀態(tài)顯示齊全； 寬調(diào)速比。最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000轉(zhuǎn)/分，最低轉(zhuǎn)速可低至0.5轉(zhuǎn)/分；調(diào)速比為1：6000； 結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、易于安裝和拆卸； 支持上位機(jī)DC5V與DC24V兩種電平的脈沖指令與反饋接口。4.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制原理和方法（3）HSV-160全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器的控制方式全數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器的控制方式 位置控制方式（脈沖量接口）：接收三種形式的脈沖指令（正交脈沖；脈沖+方向；正、負(fù)脈沖）。 速度控制方式（模擬量接口）：接收幅值不超過10V的模擬量。 轉(zhuǎn)矩控制方式