Ac伺服電動(dòng)機(jī)由于克服了Dc伺服電動(dòng)機(jī)存在電刷和機(jī)械換向器而帶來(lái)的各種限制，因此在工廠自動(dòng)化(FA)中獲得廣泛的應(yīng)用。在異步籠型Ac伺服電動(dòng)機(jī)和同步型Ac伺服電動(dòng)機(jī)這兩種類型中，目前，在數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等小功率應(yīng)用場(chǎng)合，轉(zhuǎn)子采用永磁材料的同步伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)獲得了比前者更為廣泛的應(yīng)用。這主要是因?yàn)楝F(xiàn)代永磁材料的性能不斷提高，價(jià)格不斷下降，控制相對(duì)異步電
動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)也比較簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)高性能的優(yōu)良控制之故。因此，本書(shū)將主要討論這種類型的Ac伺服系統(tǒng)。
永磁同步電動(dòng)機(jī)Ac伺服系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：
1．永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)
永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成，如圖l一5所示。在轉(zhuǎn)子上裝有特殊形狀的永磁體，用以產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子上的永磁材料可以采用鐵氧體或稀土永磁材料。高性能而價(jià)格適宜的永磁材料，為提高電動(dòng)機(jī)的伺服性能和實(shí)用化提供了條件。由于轉(zhuǎn)子上沒(méi)有勵(lì)磁繞組，由永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而不需要引入勵(lì)磁電流，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱只取決于電樞電流。在電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上繞有三相電樞繞組，接在可控制的變頻電源上。在結(jié)構(gòu)上，定子鐵心直接裸露于外界空間，因此散熱情況良好，也使電動(dòng)機(jī)易于實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。
2．速度和位置傳感器
為檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，通常在電動(dòng)機(jī)軸的非負(fù)載端安裝速度傳感器，如測(cè)速發(fā)電機(jī)。為了進(jìn)行位置控制同時(shí)也裝有位置傳感器，如光電編碼器。對(duì)于永磁同步伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，還必須裝有轉(zhuǎn)子永磁體的磁極位置檢測(cè)器，檢測(cè)出磁極位置，并以此為依據(jù)使電樞電流實(shí)現(xiàn)正交控制。實(shí)際上，檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度、磁極位置和系統(tǒng)的定位控制這三種功能可用一個(gè)光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)完成，至少一個(gè)檢測(cè)器需要完成兩種功能。多種功能用一個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可以減小、
電動(dòng)機(jī)的軸向尺寸，并能簡(jiǎn)化控制和安裝。
3功率逆變器和PwM生成電路
功率逆變器主要由整流器和逆變器兩部分組成。整流器將輸入的三相交流電整流成直流電，經(jīng)過(guò)電容器濾波平滑后提供給逆變器作為它的直流輸入電壓，逆變器的作用是在PwM(脈沖寬度調(diào)制)控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，將輸入的直流電變成電壓與頻率可調(diào)的交流電，輸入到伺服電動(dòng)機(jī)的電樞繞組中。PwM回路以一定的頻率產(chǎn)生出觸發(fā)功率器件的控制信號(hào)，使功率逆變器的輸出頻率和電壓保持協(xié)調(diào)關(guān)系，并使流人電樞繞組中的交流電流保持良好的正弦性。
4．速度控制器和電流控制器
一般情況下，速度控制器為PI(比例一積分)控制規(guī)律，它的輸出為電流指令(直流量)。速度控制器的作用主要是為了能進(jìn)行穩(wěn)定的速度控制，以使其在定位時(shí)不產(chǎn)生振蕩。當(dāng)然，在伺服系統(tǒng)中，為了進(jìn)行位置控制，要求速度環(huán)能有快速響應(yīng)速度指令的能力，并且在穩(wěn)態(tài)時(shí)具有良好的特性硬度，對(duì)各種擾動(dòng)具有良好的抑制作用。
電流控制器作為速度環(huán)的內(nèi)環(huán)，它在入口綜合電流指令信號(hào)和反饋信號(hào)，使電樞繞組中的電流在幅值和相位上都得到有效控制，完成與磁通矢量的正交或弱磁高速控制，電流控制器通常也采用PI控制規(guī)律，要求它具有更高的快速性，以適應(yīng)對(duì)電流瞬時(shí)值跟蹤控制的要求。
圖1—6所示的Ac伺服系統(tǒng)工作原理大致簡(jiǎn)述如下
速度指令和速度反饋信號(hào)在速度控制器的輸入端進(jìn)行比較，速度控制器的輸出言號(hào)為電流指令信號(hào)，這是一個(gè)表征電流幅值的直流量。但電動(dòng)機(jī)是交流電動(dòng)機(jī)，要求在其定子繞組中通入交流電流。因此，必須將速度控制器輸出的直流電流指令交流化，使該交流電流指令的相位由轉(zhuǎn)子磁極位置決定，電流指令的頻率由轉(zhuǎn)子磁極的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)決定，并且把電流指令矢量控制在與磁極所產(chǎn)生的磁通相正交的空間位置上，這樣就可以達(dá)到與Dc伺服電動(dòng)機(jī)相似的轉(zhuǎn)矩控制。為此，將位置檢測(cè)
器輸出的磁極位置信號(hào)，在乘法器中與直流電流指令值相乘，從而在乘法器的輸出端就獲得了交流電流指令：交流電流指令值與電流反饋信號(hào)相比較后，差值送人電流控制器。依靠電流控制回路的高速跟蹤能力，使在電動(dòng)機(jī)定子電樞繞組中產(chǎn)生出波形與交流電流指令相似但幅值要高得多的正弦電流，該電流與永磁體相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)Ac伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)。
Ac伺服電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的原理與Dc伺服電動(dòng)機(jī)相同：放在磁場(chǎng)中的載流導(dǎo)體將受到作用力，作用力的方向與導(dǎo)體垂直。Ac伺服電動(dòng)機(jī)中的導(dǎo)體就是固定在定子鐵心上的電樞線圈，作用在電樞線圈上的力以反作用力的方式驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子永磁體，從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來(lái)。這時(shí)，在永磁體轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，若能在定子線圈中流過(guò)與轉(zhuǎn)子磁極位置保持一定相對(duì)關(guān)系的三相正弦電流，轉(zhuǎn)子就會(huì)連續(xù)受到旋轉(zhuǎn)力的作用而繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。
|
