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关于解决交流伺服系统的高速度高精度有效技术分析

作者:吴康,艾伦电气自动化技术有限公司2009.05.24阅读 11903

  伺服技术是跟踪与定位控制技术,作为机电一体化技术的重要组成部分,它广泛地应用于数控机床、工业机器人等自动化装备中。随着现代工业生产规模的不断扩大,各个行业对数字伺服系统的需求日益增大,并对其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驱动系统是工业先进国家竞相努力的目标,有着十分重要的现实意义。
  而数字伺服系统一般是由三个闭环来完成。
  可以看出,数字伺服系统包括:第一层绝对位置检测环、第二层速度检测环、第三层电流检测环等组成。其中位置环、速度环都是外环,而电流检测环则是系统内的内环,它是由核心硬件以及关键解算软件构成。全数字伺服系统是数控数控机床的核心传动部分,也是技术难度最大的部分,其最主要的特点就是高速度、高精度及丰富的多功能。而其电流检测环是该数字伺服驱动器的核心控制环,该电流检测环是保证数字伺服系统高速度高精度以及力矩平稳性最关键的设计,它与一个系统性能是否优秀息息相关。为此本文将对模块型电流传感器在数字伺服驱动器电流检测环设计中的应用作为重点分析,并以对交流数字伺服系统驱动器的主要构建作说明。
  为便于下述分析应先对永磁同步电机的矢量控制系统控制过程

作一下说明:速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较,经速度控制器的调节,输出指令信号。电流采样得到的三相定子电流通过变换化为坐标系两相电流,通过变换后控制工程网版权所有,化为旋转坐标系的电流值,分别是电流调节器的反馈输入。电流的给定和反馈之间的偏差分别输入到电流控制器,经过控制器的调节后输出电压,再经过逆变换分别化为坐标系轴电压,调制SVPWM模块输出六路PWM,驱动IGBT产生频率和幅值可变的三相正弦电流输入电机。

  数字伺服电流检测环的架构与设计 
  数字伺服电流检测环的架构

  当今的交流数字伺服系统基本组成是由永磁同步电动机,电源模块CONTROL ENGINEERING China版权所有,驱动与逆变电路模块,速度与位置检测电路模块以及控制电路模块等组成。其中:控制电路模块包括核心控制芯片,人机界面和通讯模块三大部分;而驱动与逆变电路模块包括逆变器主电路CONTROL ENGINEERING China版权所有,电压/电流采样电路,过压/欠压保护、上电限流保护与制动电路等。

永磁同步电机伺服系统原理
  图1  永磁同步电机伺服系统原理 

  那么该类数字伺服系统驱动器的核心控制环—数字伺服电流检测环基本架构是什么呢?
  由图1所示的第三层电流检测环(简称电流环)所知,电流环由电流调节器和逆变器组成(图2虚线框为电流调节器和逆变器与永磁同步电机组成示意图),其作用是使电机绕组电流能实时与准确地跟踪电流参考信号。

数字伺服系统驱动器的电流检测环
  图2  数字伺服系统驱动器的电流检测环

  而电流调节器可以应用线性电流控制器、滞环电流控制器和预测电流控制器三种。
  其一、在线性电流调节器中,电机绕组实际电流的采样值与参考电流相比较,其差值通过(比例积分)控制器与三角波信号相比较,从而产生PWM信号控制逆变器。其优点是逆变器的开关频率固定,缺点是易产生相移和系统延迟。在线性电流控制系统中,PWM开关频率的变化对转矩波动的影响不是很大,因此PWM开关频率的选择应主要以适应电机的转速范围为依据,而并不是越高越好。
  其二、在滞环电流调节器中,电机绕组实际电流的采样值与参考电流利用滞环比较器进行比较,滞环比较器的输出用于控制逆变器。其优点是瞬态响应能力好,不存在相称和系统延迟,缺点是逆变器的开关频率不固定。采用滞环电流控制时,带宽对电机的转矩波动影响很大控制工程网版权所有,为了减小转矩波动宜采用较小的带宽,但是带宽的减小受到逆变器开关能力的限制,这在设计时需要综合考虑。
  其三、在预测电流调节器中,利用绕组实际电流的采样值与参考电流的采样值及电机的电压方程,计算出强迫实际电流跟随参考电流所需的电压,通过PWM控制逆变器,采用积分补偿环节,可以有效地弥补电机参数变化对电压计算结果的影响,这种电流控制方法具有良好的稳态和动态性能,其缺点是结构复杂并需要高速微处理器。

  数字伺服电流检测环的设计
  由于数字伺服系统的高速度高精度的关键是数字伺服电流检测环的设计,而该设计的核心部件是应用何种电流传感器作为数字伺服系统电流环的电流检测电路,它是解决交流伺服系统的高速度高精度有效途径。
  由图2所知,电流检测电路是把永磁同步电机的三相定子电流经电流传感器后进入DSP的一种数字变换,由于本伺服系统系统是三相平衡系统CONTROL ENGINEERING China版权所有,故Ia+Ib+Ic=0,因此只需要检测其中两相电流,就可以得到三相电流。由永磁同步电机的数学模型可知,定子电流检测的精度和实时性是整个矢量控制系统精度的关键,因此本系统采用采用新型的LEM模块型LA25-Np安装式多量程霍尔电流传感器来检测电流是一种良好选择。
  因为采样的精度和速度直接导致整个电流环的运算精度,从而直接对系统的性能产生非常重大的影响。而在电量参数测量领域内,霍尔电流传感器

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