數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)
湯友慶 (江蘇海安電大226600)
1引言
伺服電機(jī)是將輸入信號電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，軸的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的大小隨信號電壓的方向和大小的變化而變化，并能帶動(dòng)一定大小的負(fù)載，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為一種驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件。
過去，一直沿用的伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性以直流伺服電機(jī)較為理想。在轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，直流伺服電機(jī)的控制電壓u7與轉(zhuǎn)速，z成線性正比關(guān)系。但由于整流子與電刷的存在，電機(jī)的可靠性不夠高。至于交流伺服電機(jī)，特別是常用的兩相交流伺服電機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維修方便、價(jià)格低，但其三種控制方式（幅值控制、相位控制、幅值一相位控制）下的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性皆不理想。直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)（以兩相伺服電機(jī)采用最多的幅值一相位控制為例）的調(diào)節(jié)特性分別見圖la、b。而且，無論是直流伺服電機(jī)還是交流伺服電機(jī)，都不易與計(jì)算機(jī)相連接使用，雖然計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行有功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖電動(dòng)機(jī)等可供選擇，但成本較高。
本文針對交流伺服電機(jī)（兩相交流伺服電機(jī)）機(jī)械性能和調(diào)節(jié)性能的不理想，提出一種采用小型異步電機(jī)或同步電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)，提高其調(diào)節(jié)性能。采有單片杌技術(shù)，使交流伺服系統(tǒng)數(shù)字化。
(a) 直流伺服電機(jī)調(diào)節(jié)特性有效信號系數(shù)盛
(b)交流伺服電機(jī)調(diào)節(jié)特性
2 數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由主電路、igbt門極驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制(pwm)電路、速度控制電路、位置檢出電路和電流檢出電路組成。
2.1主電路
主電路采用調(diào)頻調(diào)壓方式。交流電機(jī)采用變頻調(diào)速，可達(dá)到極為良好的調(diào)速性能，有無級調(diào)速、恒轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性高、效率高等特點(diǎn)。
主電路由整流和逆變電路構(gòu)成。三相交流電經(jīng)三相全波整流為直流，經(jīng)濾波、穩(wěn)壓送逆變電路，將直流逆變成可變頻率和電壓的交流，為交流電機(jī)提供變速用電源（見圖2）。
主電路中的大功率開關(guān)元件選擇具有高電壓、大電流、低導(dǎo)通電阻、高速、高可靠、低開關(guān)損耗、對溫度不敏感的igbt模塊。它只需要較低的門極激勵(lì)電壓vge，在較低的集一射極電壓vge下，即可獲得較大的集電極電流。
2.2 igbt門極驅(qū)動(dòng)電路
igbt門極驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。為提高igbt的開關(guān)性能，采用正負(fù)門極驅(qū)動(dòng)。正負(fù)門極驅(qū)動(dòng)，即開通igbt時(shí)，加+15v門極驅(qū)動(dòng)信號；關(guān)斷igbt時(shí)，加-15v門極驅(qū)動(dòng)信號。
2.3脈寬調(diào)制電路
脈寬調(diào)制(pwm)是采用能產(chǎn)生正弦脈沖調(diào)制信號的集成電路hef4752，它所產(chǎn)生的載波為等時(shí)間間隔的脈沖波，載波脈沖的兩邊沿用可變時(shí)間間隔量δ調(diào)制，δsinθ，θ為載波邊沿所處的角相位。當(dāng)sinθ為正時(shí)、該處的調(diào)制脈沖波變寬，否則變窄。三相調(diào)制脈沖波的相位互差120度。只要將任兩相調(diào)制脈沖波相減，即得到線電壓的調(diào)制脈沖波形。而此線電壓調(diào)制脈沖波形的平均值接近正弦一波形的平均值，良好的正弦波電源正是交流電機(jī)所需要的。這樣，只要改變其載波頻率，也即改變了該正弦波的頻率。
將hef4752的控制輸出端與其時(shí)鐘輸入端接成閉環(huán)控制形式，使得正弦輸出頻率與正弦輸出電壓保持良好的線性調(diào)節(jié)關(guān)系。
pwm集成電路的控制輸入、時(shí)鐘輸入、控制輸出由速度控制電路（單片機(jī)）控制，其驅(qū)動(dòng)輸出送igbt門極驅(qū)動(dòng)電路的輸入端。
2.4速度控制電路
首先，根據(jù)控制系統(tǒng)對伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的要求（如角位移、角速度及其精度、方向等）建立數(shù)學(xué)模型、計(jì)算、編程、輸入單片機(jī)存貯。其次，將位置檢出電路的位置檢測信號送至單片機(jī)，經(jīng)過與其所存貯程序的比較、處理后，送pwm電路進(jìn)行脈寬調(diào)制（其中的定序信號送至pwm集成電路的cw端），再由對應(yīng)的門極驅(qū)動(dòng)電路去驅(qū)動(dòng)igbt，從而向交流電機(jī)提供相應(yīng)頻率和電壓的電源，使電機(jī)的角速度（或角位移）控制在所要求的數(shù)值.
為方便調(diào)試，在速度控制電路的輸入端，還設(shè)有速度指令和定序（電機(jī)轉(zhuǎn)向）信號指令 |
