現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)，經(jīng)歷了從模擬到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，數(shù)字控制環(huán)已經(jīng)無處不在，比如換相、電流、速度和位置控制;采用新型功率半導(dǎo)體器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服專用模塊(比如IR推出的伺服控制專用引擎)也不足為奇。本文主要介紹了現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)原理及控制方法，具體的跟隨小編一起來了解一下。

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)原理

交流永磁同步伺服驅(qū)動器主要有伺服控制單元、功率驅(qū)動單元、通訊接口單元、伺服電動機及相應(yīng)的反饋檢測器件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。其中伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器等等。我們的交流永磁同步驅(qū)動器其集先進的控制技術(shù)和控制策略為一體，使其非常適用于高精度、高性能要求的伺服驅(qū)動領(lǐng)域，還體現(xiàn)了強大的智能化、柔性化是傳統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)所不可比擬的。

目前主流的伺服驅(qū)動器均采用數(shù)字信號處理器(dsp)作為控制核心，其優(yōu)點是可以實現(xiàn)比較復(fù)雜的控制算法，事項數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模塊(ipm)為核心設(shè)計的驅(qū)動電路，ipm內(nèi)部集成了驅(qū)動電路，同時具有過電壓、過電流、過熱、欠壓等故障檢測保護電路，在主回路中還加入軟啟動電路，以減小啟動過程對驅(qū)動器的沖擊。

伺服驅(qū)動器大體可以劃分為功能比較獨立的功率板和控制板兩個模塊。如圖2所示功率板(驅(qū)動板)是強電部，分其中包括兩個單元，一是功率驅(qū)動單元ipm用于電機的驅(qū)動，二是開關(guān)電源單元為整個系統(tǒng)提供數(shù)字和模擬電源。

控制板是弱電部分，是電機的控制核心也是伺服驅(qū)動器技術(shù)核心控制算法的運行載體。控制板通過相應(yīng)的算法輸出pwm信號，作為驅(qū)動電路的驅(qū)動信號，來改逆變器的輸出功率，以達到控制三相永磁式同步交流伺服電機的目的。

功率驅(qū)動單元

功率驅(qū)動單元首先通過三相全橋整流電路對輸入的三相電或者市電進行整流，得到相應(yīng)的直流電。經(jīng)過整流好的三相電或市電，再通過三相正弦pwm電壓型變頻器來驅(qū)動三相永磁式同步交流伺服電機。功率驅(qū)動單元的整個過程可以簡單的說就是ac-dc-ac的過程。整流單元(ac-dc)主要的拓撲電路是三相全橋不控整流電路。

逆變部分(dc-ac)采用采用的功率器件集驅(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)，主要拓撲結(jié)構(gòu)是采用了三相逆變電路原理圖見圖3，利用了脈寬調(diào)制技術(shù)即pwm(pulse width modulaTIon)通過改變功率晶體管交替導(dǎo)通的時間來改變逆變器輸出波形的頻率，改變每半周期內(nèi)晶體管的通斷時間比，也就是說通過改變脈沖寬度來改變逆變器輸出電壓副值的大小以達到調(diào)節(jié)功率的目的。

圖3中vt1～vt6是六個功率開關(guān)管，s1、s2、s3分別代表3個橋臂。對各橋臂的開關(guān)狀態(tài)做以下規(guī)定：當(dāng)上橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài))，開關(guān)狀態(tài)為1;當(dāng)下橋臂開關(guān)管“開”狀態(tài)時(此時下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài))，開關(guān)狀態(tài)為0。三個橋臂只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，因此s1、s2、s3形成000、001、010、011、100、101、111共八種開關(guān)管模式，其中000和111開關(guān)模式使逆變輸出電壓為零，所以稱這種開關(guān)模式為零狀態(tài)。輸出的線電壓為uab、ubc、uca，相電壓為ua、ub、uc，其中udc為直流電源電壓，根據(jù)以上可得到附表分析。

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。所采用的數(shù)字信號處理器(dsp)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。伺服驅(qū)動器通過采用磁場定向的控制原理(foc) 和坐標變換，實現(xiàn)矢量控制(vc)，同時結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(spwm)控制模式對電機進行控制。永磁同步電動機的矢量控制一般通過檢測或估計電機轉(zhuǎn)子磁通的位置及幅值來控制定子電流或電壓，這樣，電機的轉(zhuǎn)矩便只和磁通、電流有關(guān)，與直流電機的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。對于永磁同步電機，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實際位置就可以得知電機轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制有所簡化。

伺服驅(qū)動器控制交流永磁伺服電機(pmsm)伺服驅(qū)動器在控制交流永磁伺服電機時，可分別工作在電流(轉(zhuǎn)矩)、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示由于交流永磁伺服電機(pmsm)采用的是永久磁鐵勵磁，其磁場可以視為是恒定;同時交流永磁伺服電機的電機轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速，即其轉(zhuǎn)差為零。這些條件使得交流伺服驅(qū)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機時的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。從圖4可以看出，系統(tǒng)是基于測量電機的兩相電流反饋(ia、ib)和電機位置。將測得的相電流(ia、ib)結(jié)合位置信息，經(jīng)坐標變化(從a，b，c坐標系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d，q坐標系)，得到id、iq分量，分別進入各自得電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)過反向坐標變化(從d，q坐標系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標系)，得到三相電壓指令?？刂菩酒ㄟ^這三相電壓指令，經(jīng)過反向、延時后，得到6路pwm波輸出到功率器件，控制電機運行。系統(tǒng)在不同指令輸入方式下，指令和反饋通過相應(yīng)的控制調(diào)節(jié)器，得到下一級的參考指令。在電流環(huán)中，d，q軸的轉(zhuǎn)矩電流分量(iq)是速度控制調(diào)節(jié)器的輸出或外部給定。而一般情況下，磁通分量為零(id=0)，但是當(dāng)速度大于限定值時，可以通過弱磁(id《0)，得到更高的速度值。

從a，b，c坐標系轉(zhuǎn)換到d，q坐標系有克拉克(clarke)和帕克(park)變換來是實現(xiàn);從d，q坐標系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標系是有克拉克和帕克的逆變換來是實現(xiàn)的。

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)的控制方法

1、轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制方式是通過外部模擬量的輸入或直接的地址的賦值來設(shè)定電機軸對外的輸出轉(zhuǎn)矩的大小。

2、位置控制

位置控制模式一般是通過外部輸入的脈沖的頻率來確定轉(zhuǎn)動速度的大小，通過脈沖的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)動的角度，也有些伺服可以通過通訊方式直接對速度和位移進行賦值。由于位置模式可以對速度和位置都有很嚴格的控制，所以一般應(yīng)用于定位裝置。

3、速度模式

通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都可以進行轉(zhuǎn)動速度的控制，在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進行定位，但必須把電機的位置信號或直接負載的位置信號給上位反饋以做運算用。

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用

現(xiàn)代交流伺服系統(tǒng)最早被應(yīng)用到宇航和軍事領(lǐng)域，比如火炮、雷達控制。逐漸進入到工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。工業(yè)應(yīng)用主要包括高精度數(shù)控機床、機器人和其他廣義的數(shù)控機械，比如紡織機械、印刷機械、包裝機械、醫(yī)療設(shè)備、半導(dǎo)體設(shè)備、郵政機械、冶金機械、自動化流水線、各種專用設(shè)備等。其中伺服用量最大的行業(yè)依次是：機床、食品包裝、紡織、電子半導(dǎo)體、塑料、印刷和橡膠機械，合計超過75%。