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中達電通公司伺服數(shù)控產(chǎn)品處                    周瑞華   Zhou Reihua

 

摘  要： 永磁交流伺服系統(tǒng)以其卓越的性能越來越廣泛地應(yīng)用到機器人、數(shù)控等領(lǐng)域，本文對其驅(qū)動器的功能實現(xiàn)做了簡單的描述，其中包括整流部分的整流過程、逆變部分的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)的實現(xiàn)、控制單元相應(yīng)的算法等三個部分。

關(guān)鍵詞： DSP 整流 逆變 PWM 矢量控制

    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)、永磁材料技術(shù)、交流可調(diào)速技術(shù)及控制技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，使得永磁交流伺服技術(shù)有著長足的發(fā)展。永磁交流伺服系統(tǒng)的性能日漸提高，價格趨于合理，使得永磁交流伺服系統(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。永磁交流伺服系統(tǒng)具有以下等優(yōu)點：（1）電動機無電刷和換向器，工作可靠，維護和保養(yǎng)簡單；（2）定子繞組散熱快；(3)慣量小，易提高系統(tǒng)的快速性；（4）適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài)；（5）相同功率下，體積和重量較小，廣泛的應(yīng)用于機床、機械設(shè)備、搬運機構(gòu)、印刷設(shè)備、裝配機器人、加工機械、高速卷繞機、紡織機械等場合，滿足了傳動領(lǐng)域的發(fā)展需求。

    永磁交流伺服系統(tǒng)的驅(qū)動器經(jīng)歷了模擬式、模式混合式的發(fā)展后，目前已經(jīng)進入了全數(shù)字的時代。全數(shù)字伺服驅(qū)動器不僅克服了模擬式伺服的分散性大、零漂、低可靠性等確定，還充分發(fā)揮了數(shù)字控制在控制精度上的優(yōu)勢和控制方法的靈活，使伺服驅(qū)動器不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且性能更加的可靠。現(xiàn)在，高性能的伺服系統(tǒng)，大多數(shù)采用永磁交流伺服系統(tǒng)其中包括永磁同步交流伺服電動機和全數(shù)字交流永磁同步伺服驅(qū)動器兩部分。伺服驅(qū)動器有兩部分組成：驅(qū)動器硬件和控制算法。控制算法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，也是在技術(shù)壟斷的核心。

    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。

                      圖1 交流永磁同步伺服驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

    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電壓型逆變器變頻來驅(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)是采用了三相橋式電路原理圖見圖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 ～ 是六個功率開關(guān)管， 、 、 、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 、 、 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 、 、 ，相電壓為 、 、 ，其中 為直流電源電壓（總線電壓），根據(jù)以上分析可得到表1的總結(jié)。

表1三相逆變電路分析

0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	2 /3	- /3	- /3		0	-
1	1	0	/3	/3	-2 /3	0		-
0	1	0	- /3	2 /3	- /3	-		0
0	1	1	-2 /3	/3	/3	-	0
0	0	1	- /3	- /3	2 /3	0	-
1	0	1	/3	-2 /3	/3		-	0
1	1	1	0	0	0	0	0	0

 

　　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(biāo)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( 、 ) 和電機位置。將測得的相電流( 、 ) 結(jié)合位置信息,經(jīng)坐標(biāo)變化(從a ,b ,c 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子d ,q 坐標(biāo)系) ,得到 , 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(biāo)變化(從d ,q 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a ,b ,c 坐標(biāo)系) ,得到三相電壓指令。控制芯片通過這三相電壓指令,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( )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( = 0) ，但是當(dāng)速度大于限定值時,可以通過弱磁( < 0) ,得到更高的速度值。

                     圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

    從a，b，c坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d，q坐標(biāo)系有克拉克（CLARKE）和帕克（PARK）變換來是實現(xiàn)；從d，q坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到a，b，c坐標(biāo)系是有克拉克和帕克的逆變換來是實現(xiàn)的。以下是兩個變換公式，克拉克變換（CLARKE）：

 

     本文簡單的介紹了伺服驅(qū)動器的幾個主要的功能模塊的實現(xiàn)及原理，謹(jǐn)幫助大家對伺服驅(qū)動器有進一步了解之用，大家如果想更深入的了解伺服驅(qū)動器的設(shè)計原理，請參考其它的文獻。由于作者水平有限，不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。