永磁交流伺服技術(shù)及其進(jìn)展（續(xù)3）
譚建成（西安徽電機(jī)研究所
【摘 要】本文為“永磁交流伺服技術(shù)及其進(jìn)展”（見(jiàn)1990年《微電機(jī)》第4期）的續(xù)篇，介紹伺服驅(qū)動(dòng)器的組成和工作原理，交流伺服驅(qū)動(dòng)器與直流伺服驅(qū)動(dòng)器的主要差別，及直流伺服電動(dòng)機(jī)、同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)和異步交流伺服電動(dòng)機(jī)三類(lèi)電機(jī)性能特點(diǎn)的比較。
【主題詞】伺服放大器，工作原理，交流電動(dòng)機(jī)，伺服電動(dòng)機(jī)，同步電機(jī)，異步電機(jī)，直流電機(jī)，性能
5伺服驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理
典型的交流伺服驅(qū)動(dòng)器和經(jīng)典的直流伺服驅(qū)動(dòng)器相似，也是包含電流環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此，它的伺服驅(qū)動(dòng)器也稱(chēng)為速度控制單元，或稱(chēng)為伺服放大器等。圖5.1、5.3、5.5分別是直流伺服，正弦波驅(qū)動(dòng)和矩形波驅(qū)動(dòng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器的原理方框圖。從圖中可見(jiàn)，兩種交流伺服驅(qū)動(dòng)器和直流伺服驅(qū)動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)是相似的。即，從傳感器中獲得速度信息，經(jīng)一定的電路變換形成速度反饋電壓，并與給定指令速度電壓信號(hào)比較．其誤差信號(hào)在速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行放大和校正（通常是Pl調(diào)節(jié)），給出電流（即力矩）的指令信號(hào)作為電流環(huán)的輸入指令。在電流環(huán)中，從電流傳感器得到的電流反饋信號(hào)與指令信號(hào)進(jìn)行比較，誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器放大校正后送給脈寬調(diào)制單元，最常見(jiàn)的PPVM是由三角波發(fā)生器和電壓比較器構(gòu)成。被調(diào)制的脈寬信號(hào)控制基極驅(qū)動(dòng)電路，后者驅(qū)動(dòng)逆變橋，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)繞組的電流控制。這里，常見(jiàn)的是電流型PWM。
 由圖5.2伺服驅(qū)動(dòng)器還有其它幾個(gè)部分組成。首先，驅(qū)動(dòng)器的高電壓大容量直流母線來(lái)自大功率直流電源，通常它由三相交流電壓輸入，經(jīng)橋式整流濾波后獲得。系統(tǒng)有時(shí)也采用單相輸入。當(dāng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)動(dòng)能的回饋，在濾波電容器上充電使直流母線電壓迅速上升，危及逆變橋的大功率開(kāi)關(guān)管和濾波電容器本身。再生電壓保護(hù)的作用是適時(shí)接通一大電流開(kāi)關(guān)，電容器電荷經(jīng)電組R短時(shí)釋放一部分，使直流母線電壓恢復(fù)到正常值范圍。為提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，針對(duì)可解出現(xiàn)的各種異常情況和故障，設(shè)立了保護(hù)和報(bào)警電路，例如對(duì)過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)電流、過(guò)載、過(guò)速、過(guò)熱等的保護(hù)。另外還有短時(shí)過(guò)流限制等附加電路。
交流伺服驅(qū)動(dòng)器與直流伺服驅(qū)動(dòng)器在結(jié)構(gòu)上的主要差別是它們的電流環(huán)。
5。1 正弦波伺服驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)
正波驅(qū)動(dòng)方式的交流伺服驅(qū)動(dòng)器原理圖示于圖5.3中。這里，電流環(huán)的作用主要是控制電動(dòng)機(jī)三相繞組電流滿足下列要求
a．嚴(yán)格的三相對(duì)稱(chēng)正弦函數(shù)變化關(guān)系；
b．它們的相位分別與該相的反電勢(shì)相位同相（或反相）；
c．相電流幅值與速度調(diào)節(jié)器輸出的電流指令信號(hào)成正比例。
利用高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子****位置信息．在單位正弦友生器中產(chǎn)生出兩相正弦波信號(hào)，它們的幅值為一單位，其相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角0相關(guān)即  單位正弦波信號(hào)的發(fā)生可有許多不同方法。下述方案是一個(gè)例子：轉(zhuǎn)子****位置信號(hào)是一數(shù)字量案號(hào)（二進(jìn)制碼）．在兩個(gè)正弦函的只讀存儲(chǔ)器(ROM)中分別讀出兩相單位正弦波的數(shù)字量，經(jīng)兩個(gè)Dl4轉(zhuǎn)換器后可得模擬量輸出。兩相單位正弦波信號(hào)在兩個(gè)乘法器中與電流指令信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，得到兩相電流指令信號(hào)。實(shí)際上，采用帶乘法功能的Dl4轉(zhuǎn)換器，由ROM的輸出可直拉獲得如’和如’信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)分別在兩個(gè)相同的電流調(diào)節(jié)器中與反饋、如電流信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)各向的PPVM環(huán)節(jié)控制逆變橋。在這里，利用電機(jī)三相繞組電流之和為零的原理，可以得到第三相PWM信號(hào)。
5.2矩形波伺服驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)
矩形波驅(qū)動(dòng)的交流伺服驅(qū)動(dòng)器原理圖示于圖5.4。如圖所示，由轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)處理得到轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)3604電角度的周期內(nèi)區(qū)分出六個(gè)狀態(tài)的位置信號(hào)，用這信號(hào)和對(duì)相繞組電流采樣信號(hào)綜合形成一個(gè)與電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)值成工比的合成電流信號(hào)。實(shí)際上不三相電流都檢測(cè)。只檢測(cè)其中任兩相．即可得到第三相電流信號(hào)。和直流伺服驅(qū)動(dòng)器相似，只需要一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，進(jìn)行指令電流信號(hào)和合成電流信號(hào)的比較、放大和校正，然后，信號(hào)進(jìn)入信號(hào)分配電路．由轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)控制·將PHrM信號(hào)分配到六個(gè)基極驅(qū)動(dòng)電路去，使三相繞組在適當(dāng)時(shí)間進(jìn)入導(dǎo)通工作，并且它們的相電流被控制，其幅值與指令電流信號(hào)成正比。
5.3的正弦波驅(qū)動(dòng)方案相仿，不同的是在“單位正弦波發(fā)生器”產(chǎn)生的是單位幅值的矩形波電流信號(hào)，在類(lèi)似于：“乘法器”的部分接受電流指令的幅值調(diào)制，形成相電流的指令電流信號(hào)。后面還是需要兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器和三個(gè)PWM環(huán)節(jié)。
顯然前一種方案電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低，故用得較多。
順便指出，有些廠商的伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品還包括位置環(huán)部分，特別是對(duì)于采用微處理器的數(shù)字型伺服控制器，包含位置環(huán)在內(nèi)是比較容易實(shí)現(xiàn)的。這可以使用戶在應(yīng)用時(shí)更加方便，因?yàn)榇蠖鄶?shù)用戶是用作位置伺服控制用的。況且，還可由工作方式控制．用以實(shí)現(xiàn)位置控制、力矩控制的選擇。
6三類(lèi)交直流伺服電動(dòng)機(jī)的比較
永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)相叱，其突出優(yōu)點(diǎn)是
·高可靠性。用電子逆變器取代了直流電機(jī)換向器和電刷的機(jī)械換向。工作壽命主要由軸承決定；
·低維護(hù)保養(yǎng)要求。直流電機(jī)必須定期清理電刷．更換電刷和打印換向器；
·電機(jī)主要損耗是在定子繞組和鐵心上，散熱容易，且便于在定子槽內(nèi)安放熱保護(hù)傳感元件。而直流伺服電機(jī)損耗主要在轉(zhuǎn)子電樞上，散熱困難，部分熱量經(jīng)軸傳給負(fù)載（如機(jī)床的絲杠），對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不良影響；
·轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，提高系統(tǒng)快速性；
·轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)允許高速工作；
·在同功率下交流伺服電機(jī)有較小重量和體積；
·伺服系統(tǒng)可工作于無(wú)電源變壓器方式，采用耐高電壓功率器件即可。而直流伺服電機(jī)受其換向器片間電壓限制，不宜工作于較高電壓。
在表6.1中給出兩種電機(jī)典型產(chǎn)品（同一公司生產(chǎn)）性能對(duì)比，可見(jiàn)永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)有明顯的優(yōu)勢(shì)。
因此，盡管永磁交流伺服電機(jī)必須有位置傳感器，伺服驅(qū)動(dòng)器較為復(fù)雜，使其成本稍高，但由于上述突出優(yōu)點(diǎn)．已獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，成為更新?lián)Q代產(chǎn)品是必然的。
在表6.2給出了直流伺限電機(jī)、同步型永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)和異型交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和比較。
異步型交流伺服電機(jī)用輸鼠籠式轉(zhuǎn)子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、堅(jiān)固、耐受高速離心力強(qiáng)、過(guò)載能力強(qiáng)，而同步型變流伺服電機(jī)采用稀土永磁時(shí)，成本較高。耐受離心力和過(guò)載能力稍遜。但從伺服驅(qū)動(dòng)器方面來(lái)說(shuō)，同步型交流伺服比異步型控制方法簡(jiǎn)單．其驅(qū)動(dòng)逆變器不必為電機(jī)提供無(wú)功功率，在同樣輸出機(jī)械功率情況下，需較小的體積和較低的成本。
這是因?yàn)楫惒叫徒涣魉欧妱?dòng)機(jī)輸入電流和輸出力矩本質(zhì)上是非線性的，目前采用的磁場(chǎng)定向控制技術(shù)，即矢量控制，將電流分解為磁場(chǎng)電流分量和力矩電流分量，采用所謂解耦控制方式分別控制電機(jī)磁場(chǎng)和力矩。無(wú)論是直接測(cè)定磁通或間接計(jì)算都比較復(fù)雜，需要足夠快速的微處理器。此外電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱，溫度變化引起系統(tǒng)參數(shù)的改變，增加了控制的難度。因此其控制器成本較高。但另一方面，異步型交流伺服電動(dòng)機(jī)弱磁控制，使電機(jī)能恒功率運(yùn)行擴(kuò)大轉(zhuǎn)速變化范圍。
目前，同步型交流伺服電機(jī)常用于位置伺服系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服控制及其它機(jī)械裝備運(yùn)動(dòng)控制，包括點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。常見(jiàn)的功率范圍
電機(jī)自保護(hù)控制囂
加拿大Klockner - Mocller有限公司研制成功的PK22--sp組合電機(jī)控制器／起動(dòng)器最近投放市場(chǎng)。它具有自保護(hù)能力．含有先進(jìn)的保安裝置，在故障條件下能減少系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間。
數(shù)字速度控制器
預(yù)計(jì)這種新裝置有良好的應(yīng)用前景，如應(yīng)用在投料泵，螺旋傳送機(jī)以及自動(dòng)化生產(chǎn)線傳送裝置．包裝機(jī)以及需要精確控制的增量運(yùn)動(dòng)控制的場(chǎng)合。
該控制器是通過(guò)反饋速度信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的，反饋信號(hào)由裝在電機(jī)土的數(shù)字測(cè)速儀提供，并將該信號(hào)輸給可編程控制器。
與控制器配套使用的電機(jī)是一種高電阻鼠籠轉(zhuǎn)子電容起動(dòng)和運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，通過(guò)單相轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，該電動(dòng)機(jī)能夠在全速運(yùn)行情況下反轉(zhuǎn)，它可以直接帶大慣量負(fù)載，但這時(shí)不能全速下反轉(zhuǎn)，它亦可與齒輪變速箱聯(lián)接，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過(guò)滿負(fù)荷轉(zhuǎn)矩，峰值轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩是數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，個(gè)別到數(shù)十千瓦。而異步型交流伺服電機(jī)主要用于需以恒功率擴(kuò)展調(diào)速范圍的大功率調(diào)逮系統(tǒng)中。在數(shù)控機(jī)床中主要作主軸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。常見(jiàn)功率范圍是數(shù)千瓦以上。具有良好的加速性能，另外電機(jī)繞組中嵌有恒溫元件，當(dāng)主電源和控制器之間的接觸器線圈接通時(shí)，可提供過(guò)載保護(hù)。
固體電動(dòng)機(jī)保護(hù)器
CEFI全電子電動(dòng)機(jī)保護(hù)器是由美國(guó)公司開(kāi)發(fā)的，它采用固體電子電路，可為屯動(dòng)機(jī)提供****過(guò)載保護(hù)為400A。它具有慣量可調(diào)功能以及故障指示。
運(yùn)行時(shí)，CEFI利用固體技術(shù)電子地模擬電機(jī)的熱形成，代替了以往利用雙金屬熱過(guò)載實(shí)際值模擬熱形成。當(dāng)電機(jī)電流一達(dá)到額定值，則建起了理想的點(diǎn)斷時(shí)間。CEFI控制器通過(guò)一個(gè)集成變流器控制電機(jī)電流，并利用時(shí)間和電流元件的結(jié)合，提供椅確的電機(jī)熱形成模擬量。當(dāng)達(dá)到了允許的時(shí)間和電流，固體電子電路便關(guān)斷電機(jī)。
該單元有帶熱控管過(guò)縶保護(hù)的，并且控制溫度范圍在0. 5～100A。
（待續(xù)）
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