数控技术第4章44节

数控技术第4章44节第一页，共26页。4.4交流进给伺服系统的控制原理和方法4.4.2交流进给伺服驱动系统的控制原理与方法交流进给伺服驱动系统的组成：

控制器、功率驱动器、检测装置和伺服电机；

系统根据数控装置的指令信号和检测装置检测的实际 信号之差来调节控制量。

第二页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法

1.交流伺服电机的矢量控制原理

为什么矢量控制？

直流电机调速方法：

直流电机组成：磁极（定子）、电枢（转子）、电刷与换向片IfIaUfMUa第三页，共26页。UaRa2mRan0T2m4.4进给伺服系统的控制原理和方法

直流电机的两个重要参数：nTCECECT

CECTTmCTmIa

直流调速度中：与电磁转矩Tm相关的励磁磁通Фm和电枢电流Ia是两个互相独立的变量。励磁磁通Фm仅正比于励磁电流If，而与Ia无关。因此，分别控制励磁电流If和电枢电流Ia，即可方便地实现转矩Tm与转速n的线性控制。

第四页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法交流电机交流电机电磁转矩公式TmCMmIacos2电磁转矩Tm与气隙磁通Фm、转子电流Ia成正比，但Фm与Ia不正交，不是独立的变量，不能单独控制，因此，不能分别调节。同时，交流电机定子产生的是随时间和空间都在变化的旋转磁场，气隙磁通Фm是一个空间交变矢量，这样，在定子侧的各物理量（电压、电流、磁动势）也都在空间上同步旋转且交变，调节、控制和计算很不方便。第五页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法1)矢量控制的基本思想：

将三相交流电机输入的电流等效变换为类似直流电机彼此独立的励磁电流和力矩电流，建立起与之等效的直流电机数学模型，通过对这两个电流量的反馈控制实现对电机电磁转矩和速度的控制。然后，再通过相反的变换，将被控制的等效直流电机电流还原为三相交流电机电流，那么就可以采用类似直流电机的调速方法对三相交流电机进行调速了。等效变换的准则：变换前后必须产生同样的旋转磁场第六页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法2)矢量变换的实现：（1）三相/二相变换将三相静止绕组A、B、C的交流变换为两相静止绕组α、β的交流。从而实现三相交流电机变换为等效的二相交流电机以及与其相反的变换。

多相绕组中通入多相对称平衡的交流电流时，在空间产生旋转磁场。在互成120°的三个绕组A、B、C中通入三相平衡对称交流电流（iA，iB，iC）时所产生旋转磁场Fm，也可以由相互垂直的两个绕组中通入时间上相差90°的两相交流电流（iα，i

β

）产生。第七页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法

方法：

根据三相交流{iA、iB、iC}所产生的旋转磁动势Fm与两 相交流{iα、iβ}所产生的旋转磁动势Fm等效。

建立三相交流{iA、iB、iC}转换为两相交流{iα、iβ}的电

流变换矩阵：第八页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法

建立两相交流{iα、iβ}转换为三相交流{iA、iB、iC}的电

流变换矩阵：第九页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法（2）矢量旋转变换将静止坐标系α-β上的两相交流{iα、iβ}变换为旋转坐标系d-q上的两相直流{id、iq}。方法：将绕组d、q中分别通入直流{id、iq}，并且使得包含这两个绕组在内的整个铁心，以与旋转磁动势Fm同步的转速ω1旋转。在该铁心上和绕组一起旋转观察时，d和q便成了两个通入直流而相互垂直的静止绕组。第十页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法

建立静止坐标系α-β上两相交流{iα、iβ}转换为旋转

坐标系d-q上两相直流{id、iq}的电流变换矩阵：

建立旋转坐标系d-q上两相直流{id、iq}与静止坐标系α-β上两相交流{iα、iβ}的电流变换矩阵：第十一页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法2.交流伺服电机的矢量控制系统在矢量变换旋转坐标系d-q中励磁电流分量id通常有以下作用：（1）增磁或减磁

id＜0,d轴磁链分量减少，id＞0，d轴磁链分量增加。（2）增加铜耗

当有id时，电枢电流增加，铜耗增加。（3）影响定子端电压和视在功率

与id=0相比，当id＞0时，驱动逆变器的输入电压要高；

当id＜0时，驱动逆变器的输入电压可以减低。从增减磁通和增减铜耗方面来看，id的存在对永磁同步电机不利。对逆变器而言，

id＜0且在某一绝对值以下的范围内是非常有利的。第十二页，共26页。34.4进给伺服系统的控制原理和方法2.交流伺服电机的矢量控制系统因此，在矢量控制中，当以获得最大转矩为控制目标时，变换旋转坐标系d-q中励磁电流分量id通常控制为零。交流电机在矢量转换中输出电磁转矩Mm的关系式为：Mmpfiq2可知，电磁转矩Mm仅与转矩电流分量iq成线性关系。即状态变量id、iq可以独立调节，从而实现转矩线性化控制。第十三页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法交流同步电机矢量控制系统原理框图：采用id=0控制策略的三相永磁同步伺服控制系统的结构框图第十四页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法（1）位置控制环。位置控制环使实际位置保持和给定令位置一致，它由位置调节器、位置反馈和位置前馈控制器构成。位置前馈控制器的输入：给定位置θ*反馈量：检测单元检测到的电机当前位置θ位置调节器输入：当前的位置误差位置调节器输出：速度给定的一部分位置前馈控制器的输出量+位置调节器的输出量=速度环的速度给定量第十五页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法（2）速度控制环。速度控制环使电机实际速度保持和给定速度一致，它由速度调节器、速度反馈构成。位置控制环给定的速度指令与电机速度反馈相比较，误差经速度调节器产生电流矢量控制中交轴电流分量，作为电流控制的给定量。

伺服系统要求速度脉动小，速度环频率响应快，调速范围宽。一般采用高频率，快响应且纹波小的速度检测器，以及开关频率较高的大功率电力电子器件。第十六页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法交流同步电机矢量控制系统原理框图：采用id=0控制策略的三相永磁同步伺服控制系统的结构框图第十七页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法（3）电流控制环。电流控制是提高伺服系统控制精度和响应速度、改善控制性能的关键。电流控制环由电流调节器、矢量控制器以及电流反馈装置三个部分构成。

速度控制环输出交轴电流分量作为电流调节器的给定信号一方面：给定交轴电流与定子反馈电流经坐标变换后得到的交轴电流相比较，经过电流调节器后输出交轴控制电压Uq*；另一方面：控制直轴给定电流id*=0,与定子反馈电流经坐标变换得到的直轴电流id比较，经过电流调节器后输出直轴控制电压Ud*然后经过矢量变换，得到,最后通过SPWM模块输出六路控制信号，驱动逆变器功率管工作。从而，输出幅值和频率可变的三相正弦电供给电机定子。第十八页，共26页。164.4进给伺服系统的控制原理和方法

3.进给伺服系统的全数字控制系统

进给伺服控制系统的分类：

模拟控制系统——系统中的给定指令信号和反馈信号都是

模拟量。

特点：动态性能好、成本低；模拟伺服系统的电路复

杂、一致性较差、有零点漂移等不足。

数字模拟混合控制系统——位置环

给定信号和反馈信号都是数字量； 速度环和电流环的信号仍为模拟量。数字式控制系统全数字式控制系——控制信号全部采用数字量来处理，利用计算机软件实现三环控制功能第十九页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法1)全数字式伺服系统的构成与特点构成第二十页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法特点（1）无温漂，无参数变化，稳定性好；（2）系统参数调整方便，线性度及可重复性高；（3）软件模块化设计，以满足不同的用途；可以方便的增加、更改、删减，灵活性强；（4）伺服系统与上位机的信息传递灵活、方便；（5）许多控制思想和手段得以实现。如鲁棒控制、自适应控制、变参数控制等；（6）增加监控、诊断、调整以及分级控制等功能，系统趋于多功能化，智能化。第二十一页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法2)全数字交流伺服驱动器实例HSV—162/160/16系列全数字伺服控制器第二十二页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法（1）HSV-160全数字式交流伺服驱动器硬件控制平台第二十三页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法（2）HSV-160全数字交流伺服驱动器特点控制简单、灵活；状态显示齐全；

宽调速比。最高转速可达3000转/分，最低转速可低至0.5转/分；调速比为1：6000；结构紧凑、体积小巧、易于安装和拆卸；支持上位机DC5V与DC24V两种电平的脉冲指令与反馈接口。第二十四页，共26页。4.4进给伺服系统的控制原理和方法

（3）HSV-160全数字伺服驱