交流伺服电机及其控制1

1、24828B 第1章伺服系统概述 1.1伺服系统的基本概念 1.2伺服系统的发展过程 1.3交流伺服系统的构成 1.4交流伺服系统的分类 1.5交流伺服系统的常用性能指标 1.6伺服系统的发展趋势 24828B 1.1伺服系统的基本概念 1.1.1伺服系统的定义 1.1.2伺服系统的组成 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1.1.4伺服系统的种类 24828B 1.1.1伺服系统的定义 “伺服系统”是指执行机构按照控制信号的要求而动 作，即控制信号到来之前，被控对象是静止不动的； 接收到控制信号后，被控对象则按要求动作；控制 信号消失之后，被控对象应自行停止。 24828B 1.1.2伺服系统

2、的组成 伺服系统是具有反馈的闭环自动控制系统。 它由检测部分、误差放大部分、执行部分及 被控对象组成。 24828B 1.1.3伺服系统性能的基本要求 1)精度高。 2)稳定性好。 3)快速响应。 4)调速范围宽。 5)低速大转矩。 6)能够频繁地起动、制动以及正反转切换。 24828B 1.1.4伺服系统的种类 伺服系统按照伺服驱动机的不同可分为电气式、液 压式和气动式三种；按照功能的不同可分为计量伺 服和功率伺服系统，模拟伺服和功率伺服系统，位 置伺服、速度伺服和加速度伺服系统等。 电气伺服系统根据电气信号可分为直流伺服系统和 交流伺服系统两大类。交流伺服系统又有感应电机 伺服系统和永磁同

3、步电机伺服系统两种。 24828B 1.2伺服系统的发展过程 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程， 电气伺服系统的发展则与伺服电机的不同发 展阶段具有紧密的联系，伺服电机至今已有 50多年的发展历史，经历了三个主要发展阶 段。 24828B 1.3交流伺服系统的构成 1.3.1交流伺服电机 1.3.2功率变换器 1.3.3传感器 1.3.4控制器 24828B 1.3交流伺服系统的构成 图1-1交流伺服系统 24828B 1.3.1交流伺服电机 1.同步型交流伺服电机(无刷直流伺服电机) 2.感应型交流伺服电机 3.两种交流伺服电机的比较 24828B 1.同步型交流伺服电机(无刷直流伺服

4、电机) 交流伺服电机中最为普及的是同步型交流伺服电机， 其励磁磁场由转子上的永磁体产生，通过控制三相 电枢电流，使其合成电流矢量与励磁磁场正交而产 生转矩。由于只需控制电枢电流就可以控制转矩， 因此比感应型交流伺服电机控制简单。而且利用永 磁体产生励磁磁场，特别是数千瓦的小容量同步型 交流伺服电机比感应型效率更高。 24828B 2.感应型交流伺服电机 近年来，随着电力电子技术、微处理器技术 与磁场定向控制技术的快速发展，使感应电 机可以达到与他励式直流电机相同的转矩控 制特性，再加上感应电机本身价格低廉、结 构坚固及维护简单，因此感应电机逐渐在高 精密速度及位置控制系统中得到越来越广泛 的应

5、用。 24828B 3.两种交流伺服电机的比较 (1) 同步型交流伺服电机 (2) 感应型交流伺服电机 24828B (1) 同步型交流伺服电机 1)正弦波电流控制稍复杂，转矩波动小。 2)方波电流控制较为简单，转矩波动较大。 3)采用稀土永磁体励磁，功率密度高。 4)电子换相，不需维护，散热好，惯量小，峰值转矩大。 5)弱磁控制难，不适合恒功率运行。 6)要注意高温及大电流可能引起的永磁体去磁。 24828B (2) 感应型交流伺服电机 1)采用磁场定向控制，转矩控制原理类似直流伺服。 2)需要无功的励磁电流，损耗稍大。 3)设计上要减小漏感及磁路饱和的影响。 4)利用弱磁控制，适合高速及恒

6、功率运行。 5)结构简单、坚固，适合大功率应用。 6)控制复杂，参数易受转子温升影响。 24828B 1.3.2功率变换器 交流伺服系统功率变换器的主要功能是根据 控制电路的指令，将电源单元提供的直流电 能转变为伺服电机电枢绕组中的三相交流电 流，以产生所需要的电磁转矩。功率变换器 主要包括控制电路、驱动电路、功率变换主 电路等。 24828B 1.3.3传感器 在伺服系统中，需要对伺服电机的绕组电流 及转子速度、位置进行检测，以构成电流环、 速度环和位置环，因此需要相应的传感器及 其信号变换电路。 24828B 1.3.4控制器 1.电流控制器 2.速度控制器 3.位置控制器 24828B

7、1.4交流伺服系统的分类 1.4.1按伺服系统控制信号的处理方法分类 1.4.2按伺服系统的控制方式分类 24828B 1.4.1按伺服系统控制信号的处理方法分类 1.模拟控制方式 2.数字控制方式 3.数字-模拟混合控制方式 4.软件伺服控制方式 24828B 1.模拟控制方式 1)控制系统的响应速度快，调速范围宽。 2)易于与常见的输出模拟速度指令的CNC(Computerized Numerical Co ntrol)接口。 3)系统状态及信号变化易于观测。 4)系统功能由硬件实现，易于掌握，有利于使用者进行维护、调整。 5)模拟器件的温漂和分散性对系统的性能影响较大，系统的抗干扰能 力

8、较差。 6)难以实现较复杂的控制算法，系统缺少柔性。 24828B 2.数字控制方式 1)系统的集成度较高，具有较好的柔性，可实现软件伺服。 2)温度变化对系统的性能影响小，系统的重复性好。 3)易于应用现代控制理论，实现较复杂的控制策略。 4)易于实现智能化的故障诊断和保护，系统具有较高的可靠性。 5)易于与采用计算机控制的系统相接。 24828B 3.数字-模拟混合控制方式 由于数字控制方式的响应速度由微处理器的运算速 度决定，在现有技术条件下，要实现包括电流调节 器在内的全数字控制，就必须采用DSP等高性能微 处理器芯片，这导致全数字控制系统结构复杂、成 本较高。为满足电流调节快速性的要

9、求，全数字控 制永磁交流伺服系统产品中，电流调节器虽已数字 化，但其控制策略一般仍采用PID调节方式。同时， 考虑到系统中模拟传感器(如电流传感器)的温漂和 信号噪声的干扰及其数字化时引入的误差的影响， 全数字化控制在性价比上并没有明显的优势。 24828B 4.软件伺服控制方式 1)控制器硬件体积小、成本低。 2)控制系统的可靠性高。 3)系统的稳定性好、控制精度高。 4)硬件电路标准化容易。 5)系统控制的灵活性好，智能化程度高。 6)控制策略的更新、升级能力强。 24828B 1.4.2按伺服系统的控制方式分类 1.开环伺服系统 2.闭环伺服系统 3.半闭环伺服系统 24828B 1.5

10、交流伺服系统的常用性能指标 (1) 调速范围D (2) 转矩脉动系数KTr (3)稳速精度 (4)超调量 (5)转矩变化的时间响应 (6)转速响应时间 (7)静态刚度K (8)定位精度和稳态跟踪误差 24828B 1.6伺服系统的发展趋势 (1)交流化 (2)全数字化 (3)高性能化 (4)多功能化 (5)低成本化 (6)小型化和集成化 (7)模块化和网络化 24828B 第2章感应电机伺服控制系统 2.1感应电机伺服控制系统的构成 2.2感应电机的数学模型与坐标变换 2.3感应电机的矢量控制 2.3.3解耦控制 2.3.6弱磁控制 2.4伺服控制感应电机的等效直流电机常数 2.4.2伺服控制

11、感应电机的等效直流电机常数 2.5关于感应电机的直接转矩控制 24828B 2.1感应电机伺服控制系统的构成 (1)感应电机的电动运行 (2)感应电机的发电制动 24828B 2.1感应电机伺服控制系统的构成 图2-1感应电机伺服控制系统的构成 24828B 2.1感应电机伺服控制系统的构成 图2-2感应电机的转子与笼型绕组 a)转子b)笼型绕组 24828B 2.2感应电机的数学模型与坐标变换 2.2.1矢量控制的基本思路 2.2.2在三相静止坐标系下感应电机的数学模型 2.2.3坐标变换 24828B 2.2.1矢量控制的基本思路 由电机学中感应电机的运行原理可知，只要 能实现对感应电机定

12、子各相电流(iA、iB、iC) 的瞬时控制，就能够实现对感应电机转矩的 瞬时控制 24828B 2.2.2在三相静止坐标系下感应电机的数学模型 1)忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间互差120电角度，所产 生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布。 2)忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的。 3)忽略铁心损耗。 4)不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响。 1.磁链方程 2.电压方程 3.电磁转矩方程 4.运动方程 24828B 图2-3三相静止坐标系下的三相笼型 感应电机的物理模型 24828B 1.磁链方程 (1)互感为常数 (2)互感是角度re的函数 24828B 2.电压方程 将三

13、相定、转子绕组的电压平衡方程写成矩阵方程 形式，并以微分算子P代替微分运算符号d/dt旋转电 动势矩阵，由转子旋转产生，与转子转速成正比。 24828B 3.电磁转矩方程 24828B 4.运动方程 作用在电动机轴上的转矩与电动机速度变 化之间的关系可以用运动方程来表达，转子 与负载的转动惯量之和。 24828B 2.2.3坐标变换 1.静止三相/两相坐标变换 2.静止/旋转两相坐标变换 24828B 1.静止三相/两相坐标变换 图2-4静止三相两相坐标系 与绕组磁动势的空间矢量 24828B 1.静止三相/两相坐标变换 图2-5两相静止和旋转坐标系与 磁动势空间矢量图 24828B 2.静止

14、/旋转两相坐标变换 图2-6M-T坐标系下感应电机的框图 24828B 2.3感应电机的矢量控制 2.3.1转子磁场定向M-T坐标系中的基本方程 2.3.2转差频率控制 24828B 2.3.1转子磁场定向M-T坐标系中的基本方程 式(2-27)为感应电机两相同步旋转坐标系数 学模型的电压方程式，式右边的4行4列系 数矩阵每一项都是占满了的，也就是说，系 统仍是强耦合的。 24828B 2.3.2转差频率控制 图2-7电源频率的计算框图 24828B 2.3.2转差频率控制 图2-8电源频率的简化计算方法 24828B 2.3.2转差频率控制 图2-9励磁电流恒定时的电源频率计算方法 2482

15、8B 2.3.3解耦控制 2.3.4磁通与电流控制 2.3.5坐标变换的实现 24828B 2.3.3解耦控制 图2-10转子磁场定向控制感应电动机的系统框图 24828B 2.3.3解耦控制 图2-11解耦控制的感应电动机的系统框图 24828B 2.3.4磁通与电流控制 图2-12含有磁通、电流控制器的感应电机伺服系统的控制框图 24828B 2.3.5坐标变换的实现 图2-13从、到、的实现框图 24828B 2.3.5坐标变换的实现 图2-14从、到、的实现框图 24828B 2.3.6弱磁控制 图2-15转子磁链的控制框图 24828B 2.3.7M-T坐标系下感应电机矢量控制伺服系

16、统的构 成 1)位置环、速度环、电流环控制单元、磁链控制单元、解耦控制单元。 2)电机转子位置、转速检测及信号处理计算单元。 3)坐标变换单元。 4)三相逆变单元。 24828B 图2-16M-T坐标系下感应电机矢量控制伺服系统 24828B 2.4.1伺服控制感应电机的等效电路 图2-17感应电机的等效电路 24828B 2.4.1伺服控制感应电机的等效电路 图2-18转矩分量等效电路 24828B 2.4.1伺服控制感应电机的等效电路 图2-19励磁分量等效电路 24828B 2.4.3伺服控制感应电机的特性框图与时间常数 图2-20伺服控制感应电机的特性框图 24828B 2.5关于感应电机的直接转矩控制 1)直接转矩控制以定子磁链作为被控制的磁链，控制 过程中只涉及电机定子侧的参数，即定子电压、电流、 磁链、阻抗等，所以控制效果不受转子回路参数变化 的影响。 2)直接转矩控制的控制运算均在定子静止坐标系中进 行，不需要在旋转坐标系中对定子电流进行分解和设 定，所以不需要进行静止坐标系与旋转坐标系之间的 变换运算，从而明显简化了信号的处理过程，提高了 控制运算的速度。 24828B 2.5关于感应电机的直接转矩控制 3)直接转矩控制采用转矩闭环直接控制电动机的电磁 转矩，不像