介紹了永磁交流伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，對相關(guān)的伺服技術(shù)特別是逆變器及調(diào)制、速度檢測、PID參數(shù)自整定、無位置傳感器控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結(jié)，并對永磁交流伺服系統(tǒng)的美好前景進行了展望。
自20世紀(jì)80年代以來，隨著現(xiàn)代電機技術(shù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)及計算機技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，交流伺服控制技術(shù)的發(fā)展得以極大的邁進，使得先前困擾著交流伺服系統(tǒng)的電機控制復(fù)雜、調(diào)速性能差等問題取得了突破性的進展，交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價格趨于合理，使得交流伺服系統(tǒng)取代直流伺服系統(tǒng)尤其是在高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域成了現(xiàn)代電伺服驅(qū)動系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。
伺服控制技術(shù)是決定交流伺服系統(tǒng)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)之一，是國外交流伺服技術(shù)封鎖的主要部分。隨著國內(nèi)交流伺服用電機等硬件技術(shù)逐步成熟，以軟形式存在于控制芯片中的伺服控制技術(shù)成為制約我國高性能交流伺服技術(shù)及產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸。研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能交流伺服控制技術(shù)，尤其是最具應(yīng)用前景的永磁同步電動機伺服控制技術(shù)，是非常必要的。
1 交流永磁伺服系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
給出了交流永磁伺服控制系統(tǒng)簡化的基本結(jié)構(gòu)框圖。除電機外，系統(tǒng)主要包括功率驅(qū)動單元、位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元、電流反饋單元、通訊接口單元等。
·稀土永磁同步電動機
稀土永磁同步電動機是使用最多的伺服電機品種。這種電機的特點是結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、易維護或免維護;體積小，質(zhì)量輕;損耗少，效率高，現(xiàn)今的永磁同步電動機定子多采用三相正弦交流電驅(qū)動，轉(zhuǎn)子一般由永磁體磁化為3-4對磁極，產(chǎn)生正弦磁動勢。高性能的永磁同步電動機由電壓源型逆變器驅(qū)動，采用高分辨率的絕對式位置反饋裝置。高性能的交流伺服系統(tǒng)要求永磁同步電動機盡量具有線性的數(shù)學(xué)模型。這就需要通過對電機轉(zhuǎn)子磁場的優(yōu)化設(shè)計，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生正弦磁動勢，并改進定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，消除齒槽力矩，減小電磁轉(zhuǎn)矩波動。這樣通過對電機本體的設(shè)計來提高其控制特性。
國外各大伺服驅(qū)動廠商和電機制造商均有性能優(yōu)良的永磁同步伺服電動機產(chǎn)品，功率一般在50W-20kW之間。國內(nèi)由于資金和技術(shù)的限制，研究和產(chǎn)品多集中在低價位、性能較差的直流無刷電動機上。一些院校和研究所的永磁同步電動機多為特殊設(shè)計，應(yīng)用于航天、國防等特殊場合的特種電動機。北京四通、上海開通、西安微電機研究所和華中數(shù)控等少數(shù)單位研制出部分產(chǎn)品，但都未形成規(guī)模，不具有與國外產(chǎn)品競爭的能力。
·功率驅(qū)動單元
功率驅(qū)動單元采用三相全橋不控整流，三相正弦PWM電壓型逆變器變頻的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。為避免上電時出現(xiàn)過大的瞬時電流以及電機制動時產(chǎn)生很高的泵升電壓，設(shè)有軟啟動電路和能耗泄放電路。逆變部分采用集驅(qū)動電路，保護電路和功率開關(guān)于一體的智能功率模塊(IPM)，開關(guān)頻率可達(dá)20kHz。
·控制單元
控制單元是整個交流伺服系統(tǒng)的核心,實現(xiàn)系統(tǒng)位置控制、速度控制、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。
數(shù)字信號處理器(DSP)被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng),各大公司推出的面向電機控制的專用DSP芯片,除具有快速的數(shù)據(jù)處理能力外，還集成了豐富的用于電機控制的專用集成電路，如A/D轉(zhuǎn)換器、PWM發(fā)生器、定時計數(shù)器電路、異步通訊電路、CAN總線收發(fā)器以及高速的可編程靜態(tài)RAM和大容量的程序存儲器等。
·位置反饋單元
位置傳感器一般采用高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁編碼器等元件。旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩相正交波形，能輸出轉(zhuǎn)子的絕對位置，但其解碼電路復(fù)雜，價格昂貴。磁編碼器依靠磁極變化檢測位置，目前正處于研究階段，其分辨率較低。
光電編碼器分為增量式和絕對式，較其它檢測元件有直接輸出數(shù)字量信號，慣量低，低噪聲，高精度，高分辨率，制作簡便，成本低等優(yōu)點。增量式編碼器結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，一般在碼盤上刻A、B、Z三道均勻分布的刻線。由于其給出的位置信息是增量式的，當(dāng)應(yīng)用于伺服領(lǐng)域時需要初始定位。格雷碼絕對式編碼器一般都做成循環(huán)二進制代碼，碼道道數(shù)與二進制位數(shù)相同。格雷碼絕對式編碼器可直接輸出轉(zhuǎn)子的絕對位置，不需要測定初始位置。但其工藝復(fù)雜、成本高，實現(xiàn)高分辨率、高精度較為困難。通用的交流伺服系統(tǒng)上采用的絕對式編碼器精度一般在12位至20位之間。當(dāng)前世界上生產(chǎn)光電軸角編碼器的主要廠家有：德國Heidenhain公司，OPTION公司，美國的Itek公司，B&L公司，三豐公司，日本的尼康公司和佳能公司。此外，英國、瑞士和俄羅斯的一些廠家也在光電軸角編碼器的研制方面做出了很多貢獻。其中Heidenhain公司生產(chǎn)的編碼器系列以其優(yōu)質(zhì)的性能、多樣的品種譽滿全球，居國際領(lǐng)先水平。日本編碼器工業(yè)在工業(yè)機器人及辦公自動化迅速普及的影響下，偏重于小型化、智能化的發(fā)展方向。
我國對計量光柵的研究始于1960年前后，由中科院長春光機所率先進行光電軸角編碼器的研制，現(xiàn)已有增量式和絕對式數(shù)十種型號的產(chǎn)品。在提高光電編碼器的分辨率和精度方面，國內(nèi)已采用電子學(xué)細(xì)分，多頭讀數(shù)及提高碼盤刻劃精度，提高軸系精度等多種措施。成都光電所研制的25位絕對式光電軸角編碼器，分辨率已達(dá)0.04"，精度0.71"。長春光機所在80年代末生產(chǎn)的23位絕對式光電軸角編碼器，分辨率為0.5"，測角精度達(dá)0.51"。國內(nèi)其它數(shù)十家生產(chǎn)光電軸角編碼器廠家，大多只生產(chǎn)低位數(shù)的編碼器。
目前最新發(fā)展是將網(wǎng)絡(luò)功能集成到傳感器中，使傳感器能夠作為一個相對獨立并具有一定智能的單元通過網(wǎng)絡(luò)傳送檢測信息并接收上位機的控制信息，成為網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。由于測試對象的復(fù)雜性和應(yīng)用場合的實時性要求，伺服系統(tǒng)要求具有信息處理與傳輸能力的轉(zhuǎn)換電路。
·接口通訊單元
接口包括鍵盤/顯示、控制I/O接口、串行通信等。伺服單元內(nèi)部及對外的I/O接口電路中，有許多數(shù)字信號需要隔離。這些數(shù)字信號代表的信息不同，更新速度也不同。RS-232主要用于和上位機通訊或與手持控制器相連，CAN主要用于連接工業(yè)控制總線，構(gòu)成控制網(wǎng)。RS-232和CAN也提供了與Internet相連進行遠(yuǎn)程實時有線/無線操控的可能性。 |
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