永磁交流伺服技術(shù)及其進(jìn)展（續(xù)3）
譚建成（西安徽電機研究所
【摘 要】本文為“永磁交流伺服技術(shù)及其進(jìn)展”（見1990年《微電機》第4期）的續(xù)篇，介紹伺服驅(qū)動器的組成和工作原理，交流伺服驅(qū)動器與直流伺服驅(qū)動器的主要差別，及直流伺服電動機、同步型交流伺服電動機和異步交流伺服電動機三類電機性能特點的比較。
【主題詞】伺服放大器，工作原理，交流電動機，伺服電動機，同步電機，異步電機，直流電機，性能
5伺服驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
典型的交流伺服驅(qū)動器和經(jīng)典的直流伺服驅(qū)動器相似，也是包含電流環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此，它的伺服驅(qū)動器也稱為速度控制單元，或稱為伺服放大器等。圖5.1、5.3、5.5分別是直流伺服，正弦波驅(qū)動和矩形波驅(qū)動的交流伺服驅(qū)動器的原理方框圖。從圖中可見，兩種交流伺服驅(qū)動器和直流伺服驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)是相似的。即，從傳感器中獲得速度信息，經(jīng)一定的電路變換形成速度反饋電壓，并與給定指令速度電壓信號比較．其誤差信號在速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行放大和校正（通常是Pl調(diào)節(jié)），給出電流（即力矩）的指令信號作為電流環(huán)的輸入指令。在電流環(huán)中，從電流傳感器得到的電流反饋信號與指令信號進(jìn)行比較，誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器放大校正后送給脈寬調(diào)制單元，最常見的PPVM是由三角波發(fā)生器和電壓比較器構(gòu)成。被調(diào)制的脈寬信號控制基極驅(qū)動電路，后者驅(qū)動逆變橋，實現(xiàn)對電機繞組的電流控制。這里，常見的是電流型PWM。
由圖5.2伺服驅(qū)動器還有其它幾個部分組成。首先，驅(qū)動器的高電壓大容量直流母線來自大功率直流電源，通常它由三相交流電壓輸入，經(jīng)橋式整流濾波后獲得。系統(tǒng)有時也采用單相輸入。當(dāng)系統(tǒng)制動時，電機動能的回饋，在濾波電容器上充電使直流母線電壓迅速上升，危及逆變橋的大功率開關(guān)管和濾波電容器本身。再生電壓保護(hù)的作用是適時接通一大電流開關(guān)，電容器電荷經(jīng)電組R短時釋放一部分，使直流母線電壓恢復(fù)到正常值范圍。為提高系統(tǒng)運行可靠性，針對可解出現(xiàn)的各種異常情況和故障，設(shè)立了保護(hù)和報警電路，例如對過電壓、欠電壓、過電流、過載、過速、過熱等的保護(hù)。另外還有短時過流限制等附加電路。
交流伺服驅(qū)動器與直流伺服驅(qū)動器在結(jié)構(gòu)上的主要差別是它們的電流環(huán)。
5。1 正弦波伺服驅(qū)動器的電流環(huán)
正波驅(qū)動方式的交流伺服驅(qū)動器原理圖示于圖5.3中。這里，電流環(huán)的作用主要是控制電動機三相繞組電流滿足下列要求
a．嚴(yán)格的三相對稱正弦函數(shù)變化關(guān)系；
b．它們的相位分別與該相的反電勢相位同相（或反相）；
c．相電流幅值與速度調(diào)節(jié)器輸出的電流指令信號成正比例。
利用高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子****位置信息．在單位正弦友生器中產(chǎn)生出兩相正弦波信號，它們的幅值為一單位，其相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角0相關(guān)即  單位正弦波信號的發(fā)生可有許多不同方法。下述方案是一個例子：轉(zhuǎn)子****位置信號是一數(shù)字量案號（二進(jìn)制碼）．在兩個正弦函的只讀存儲器(ROM)中分別讀出兩相單位正弦波的數(shù)字量，經(jīng)兩個Dl4轉(zhuǎn)換器后可得模擬量輸出。兩相單位正弦波信號在兩個乘法器中與電流指令信號進(jìn)行乘法運算，得到兩相電流指令信號。實際上，采用帶乘法功能的Dl4轉(zhuǎn)換器，由ROM的輸出可直拉獲得如’和如’信號。這兩個信號分別在兩個相同的電流調(diào)節(jié)器中與反饋、如電流信號進(jìn)行比較，經(jīng)各向的PPVM環(huán)節(jié)控制逆變橋。在這里，利用電機三相繞組電流之和為零的原理，可以得到第三相PWM信號。
5.2矩形波伺服驅(qū)動器的電流環(huán)
矩形波驅(qū)動的交流伺服驅(qū)動器原理圖示于圖5.4。如圖所示，由轉(zhuǎn)子位置傳感器信號處理得到轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)3604電角度的周期內(nèi)區(qū)分出六個狀態(tài)的位置信號，用這信號和對相繞組電流采樣信號綜合形成一個與電機電磁轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)值成工比的合成電流信號。實際上不三相電流都檢測。只檢測其中任兩相．即可得到第三相電流信號。和直流伺服驅(qū)動器相似，只需要一個電流調(diào)節(jié)器，進(jìn)行指令電流信號和合成電流信號的比較、放大和校正，然后，信號進(jìn)入信號分配電路．由轉(zhuǎn)子位置傳感器信號控制·將PHrM信號分配到六個基極驅(qū)動電路去，使三相繞組在適當(dāng)時間進(jìn)入導(dǎo)通工作，并且它們的相電流被控制，其幅值與指令電流信號成正比。
5.3的正弦波驅(qū)動方案相仿，不同的是在“單位正弦波發(fā)生器”產(chǎn)生的是單位幅值的矩形波電流信號，在類似于：“乘法器”的部分接受電流指令的幅值調(diào)制，形成相電流的指令電流信號。后面還是需要兩個電流調(diào)節(jié)器和三個PWM環(huán)節(jié)。
顯然前一種方案電路結(jié)構(gòu)比較簡單，成本較低，故用得較多。
順便指出，有些廠商的伺服驅(qū)動器產(chǎn)品還包括位置環(huán)部分，特別是對于采用微處理器的數(shù)字型伺服控制器，包含位置環(huán)在內(nèi)是比較容易實現(xiàn)的。這可以使用戶在應(yīng)用時更加方便，因為大多數(shù)用戶是用作位置伺服控制用的。況且，還可由工作方式控制．用以實現(xiàn)位置控制、力矩控制的選擇。
6三類交直流伺服電動機的比較
永磁同步交流伺服電動機與直流伺服電動機相叱，其突出優(yōu)點是
·高可靠性。用電子逆變器取代了直流電機換向器和電刷的機械換向。工作壽命主要由軸承決定；
·低維護(hù)保養(yǎng)要求。直流電機必須定期清理電刷．更換電刷和打印換向器；
·電機主要損耗是在定子繞組和鐵心上，散熱容易，且便于在定子槽內(nèi)安放熱保護(hù)傳感元件。而直流伺服電機損耗主要在轉(zhuǎn)子電樞上，散熱困難，部分熱量經(jīng)軸傳給負(fù)載（如機床的絲杠），對負(fù)載產(chǎn)生不良影響；
·轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，提高系統(tǒng)快速性；
·轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)允許高速工作；
·在同功率下交流伺服電機有較小重量和體積；
·伺服系統(tǒng)可工作于無電源變壓器方式，采用耐高電壓功率器件即可。而直流伺服電機受其換向器片間電壓限制，不宜工作于較高電壓。
在表6.1中給出兩種電機典型產(chǎn)品（同一公司生產(chǎn)）性能對比，可見永磁交流伺服電動機有明顯的優(yōu)勢。
因此，盡管永磁交流伺服電機必須有位置傳感器，伺服驅(qū)動器較為復(fù)雜，使其成本稍高，但由于上述突出優(yōu)點．已獲得越來越多的應(yīng)用，成為更新?lián)Q代產(chǎn)品是必然的。
在表6.2給出了直流伺限電機、同步型永磁交流伺服電動機和異型交流伺服電動機的特點和比較。
異步型交流伺服電機用輸鼠籠式轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、堅固、耐受高速離心力強、過載能力強，而同步型變流伺服電機采用稀土永磁時，成本較高。耐受離心力和過載能力稍遜。但從伺服驅(qū)動器方面來說，同步型交流伺服比異步型控制方法簡單．其驅(qū)動逆變器不必為電機提供無功功率，在同樣輸出機械功率情況下，需較小的體積和較低的成本。
這是因為異步型交流伺服電動機輸入電流和輸出力矩本質(zhì)上是非線性的，目前采用的磁場定向控制技術(shù)，即矢量控制，將電流分解為磁場電流分量和力矩電流分量，采用所謂解耦控制方式分別控制電機磁場和力矩。無論是直接測定磁通或間接計算都比較復(fù)雜，需要足夠快速的微處理器。此外電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱，溫度變化引起系統(tǒng)參數(shù)的改變，增加了控制的難度。因此其控制器成本較高。但另一方面，異步型交流伺服電動機弱磁控制，使電機能恒功率運行擴大轉(zhuǎn)速變化范圍。
目前，同步型交流伺服電機常用于位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)、機器人關(guān)節(jié)伺服控制及其它機械裝備運動控制，包括點位控制和連續(xù)軌跡控制。常見的功率范圍
電機自保護(hù)控制囂
加拿大Klockner - Mocller有限公司研制成功的PK22--sp組合電機控制器／起動器最近投放市場。它具有自保護(hù)能力．含有先進(jìn)的保安裝置，在故障條件下能減少系統(tǒng)的停機時間。
數(shù)字速度控制器
預(yù)計這種新裝置有良好的應(yīng)用前景，如應(yīng)用在投料泵，螺旋傳送機以及自動化生產(chǎn)線傳送裝置．包裝機以及需要精確控制的增量運動控制的場合。
該控制器是通過反饋速度信號而實現(xiàn)的，反饋信號由裝在電機土的數(shù)字測速儀提供，并將該信號輸給可編程控制器。
與控制器配套使用的電機是一種高電阻鼠籠轉(zhuǎn)子電容起動和運行電動機，通過單相轉(zhuǎn)換開關(guān)，該電動機能夠在全速運行情況下反轉(zhuǎn)，它可以直接帶大慣量負(fù)載，但這時不能全速下反轉(zhuǎn)，它亦可與齒輪變速箱聯(lián)接，起動轉(zhuǎn)矩超過滿負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，峰值轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩是數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，個別到數(shù)十千瓦。而異步型交流伺服電機主要用于需以恒功率擴展調(diào)速范圍的大功率調(diào)逮系統(tǒng)中。在數(shù)控機床中主要作主軸系統(tǒng)驅(qū)動。常見功率范圍是數(shù)千瓦以上。具有良好的加速性能，另外電機繞組中嵌有恒溫元件，當(dāng)主電源和控制器之間的接觸器線圈接通時，可提供過載保護(hù)。
固體電動機保護(hù)器
CEFI全電子電動機保護(hù)器是由美國公司開發(fā)的，它采用固體電子電路，可為屯動機提供****過載保護(hù)為400A。它具有慣量可調(diào)功能以及故障指示。
運行時，CEFI利用固體技術(shù)電子地模擬電機的熱形成，代替了以往利用雙金屬熱過載實際值模擬熱形成。當(dāng)電機電流一達(dá)到額定值，則建起了理想的點斷時間。CEFI控制器通過一個集成變流器控制電機電流，并利用時間和電流元件的結(jié)合，提供椅確的電機熱形成模擬量。當(dāng)達(dá)到了允許的時間和電流，固體電子電路便關(guān)斷電機。
該單元有帶熱控管過縶保護(hù)的，并且控制溫度范圍在0. 5～100A。
（待續(xù)）
|
