论文部分内容阅读
【摘 要】在过去的时间中，伺服系统经历了从直流到交流，从模拟到數字化的转变。根据工业的需求和研究的热点，伺服系统有如下几点发展趋势：（1）高性能化（2）集成化（3）智能化。
【关键词】交流伺服系统;反馈装置;控制器
1.伺服电机
常用的交流伺服电机主要包括感应式异步电机和永磁同步电机两种。感应异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便等特点。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，大大增加了线路和电网的损耗。其在控制上采用转子磁场定向控制，将转子电流分为与转子磁通方向一致的励磁电流和相位超前其900转矩电流，因为转差率的存在，其转子磁通位置要在位置传感器的基础上进一步处理，系统比较复杂。另外，转子电阻随温度而变化，会影响磁场定向的准确性。同时，低速运行时电机发热比较严重，而低速运行又往往是伺服电机经常所处的运行状态。因此，在交流伺服系统发展初期，感应式异步电动机交流伺服系统虽曾一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，异步电机伺服系统逐渐转向永磁同步电机伺服系统。
交流永磁同步电机可分为两大类：一类称为梯形波永磁电机，即通常所说的直流无刷电机 （BLDC），其反向电动势为梯形波信号；另一类称为正弦波永磁电机，通常称为永磁同步电机 （PMSM），其反向电动势为正弦波信号。直流无刷电机具有控制简单、成本低廉、检测装置简单等优点。但是由于直流无刷电机原理上存在固有缺陷，电机运转过程中，电枢电流和电枢磁势的不连续性而导致转矩脉动较大，这种转矩脉动使得电机速度控制性能很难得到提升，并且其铁心附加损耗大，从而限制了由其构成的伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用。而永磁同步电机其性能好于直流无刷电机，虽然控制较为复杂，但随着控制器与控制策略的迅速发展，控制系统的实时性与精确性有了较大程度的改善。永磁同步电机的磁场由转子上的永磁体提供，不需要励磁电流，可以显著提高功率因数，而且减少了定子电流和定子电阻损耗，在稳定运行时没有转子电阻损耗。永磁同步电机在永磁体的安装方式上分有两种：一种是将永磁体装在转子表面，即所谓表面式；另一种是将永磁体埋入转子内部，即所谓内嵌式。永磁体的形状可分为扇形和矩形两种：扇形磁体转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的特点，适合低速大扭矩工作；矩形磁体结构转子呈现凸极效应，电枢电感大，转子结构牢固，适合高速运转。高性能永磁材料发展迅速，大幅提升了永磁同步电机的性能。永磁材料有铝镍钻、铁氧体和稀土永磁体三大类。铝镍钻是上世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但其矫顽力低，抗退磁能力差，成本高，限制了它在电机中的应用；铁氧体磁体是上世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，但剩磁感应强度和磁能积都较低；稀土永磁体包括第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。钐钴稀土永磁材料在上世纪六十年代中期问世它具有铝镍钻一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但价格较高。80年代初，钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。经过这几年的不断改进提高，其缺点，如温度系数大，居里点低，容易氧化生锈等大多已经克服，现钕铁硼永磁材料已足以满足绝大多数电机的使用要求。
2.反馈装置
在电机伺服控制系统中，电流、电压、速度、位置反馈信号对系统性能起到至关重要的影响。常用的反馈装置有霍尔电流/电压传感器、旋转变压器、自整角机和光电编码器等。
霍尔电流/电压传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，在信号采集过程中实现了电气隔离，具有安装方便，功耗小，精度高、线性度好等特点，在电机伺服控制系统中得要广泛应用。交流伺服中电流检测精度直接影响到解祸控制效果，使用高精度的电流传感器，有助于提高系统的性能。
旋转变压器、自整角机和光电编码器用于电机伺服控制系统中的速度和位置检测。旋转变压器、自整角机在环境适应性，如耐高低温和振动冲击上要好于光电旋转编码器。
（1）旋转变压器是一种输出电压与角位移呈连续函数关系的感应式微电机，它的结构与绕线式异步电动机相似，由定子和转子两大部分组成，每一大部分又有自己的电磁和机械部分。但是从物理本质上讲，旋转变压器可以看做原边绕组放置在定子上，副边绕组放置在转子上的变压器。在随动系统中，旋转变压器通常用于精密测位。
（2）自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压（信号式）或由转角变为转角（力矩式）的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。它可以使机械上互不相连的两根或多根轴自动保持相同的转角变化，呈同步旋转，在系统中，通常是多台组合使用。在实际应用中，由于力矩式自整角机将机械角度转换为力矩输出且其自身没有力矩放大能力，要带动负载，必须由发送机驱动装置供给转矩，接受误差大负载能力差。而信号式自整角机则是将角度信号转换为电压进行传输，由电压控制伺服驱动器，精度高，常用于精密的闭环伺服控制系统中。
3.控制器
集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用，它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。随着对交流驱动系统研究的深入和对性能要求的不断提高，涌现出了许多复杂而先进的算法，单片机MC51、96及多片MCS96系统的运算速度已不能满足要求，数字信号处理器（DSP）已经成为电机控制系统中的首选器件，在伺服系统中得到了广泛应用。DSP器件具有较高的集成度，运算速度快，存储器容量大，它采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分离，同时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取指、译码、操作采取多级流水线。通过程序来实现控制算法，可大大地简化硬件，降低成本，提高系统的控制精度和可靠性，实现软件伺服。在电机控制中，应用最广泛的DSP主要为TI的C2000系列。近年来DSP发展速度很快，性能不断改善，TI公司在DSP28x定点系列以后又推出了28x Piccolo系列与 28x Delfino浮点系列。这三个系列的核心区别在于其CPU对于浮点数的处理方式上。28X定点系列与Piccolo系列均需要软件的帮助来进行浮点运算，但是在硬件处理方式上Piccolo更加优化，通过使用独立控制律加速器（CLA）处理浮点控制环路，使CPU得到释放，以便完成其它任务。相对于前两者，Delfino系列CPU内核具有的32位硬件浮点部件大大加快了浮点数的运算速度。■
【参考文献】
［１］胡俊达. IGBT的驱动与保护电路研究[J]．电机电器技术,2003,(06).
［２］曾建安,曾岳南,暨绵浩.永磁同步电机转子初始位置检测[J]．电机技术,2005,(04).
【关键词】交流伺服系统;反馈装置;控制器
1.伺服电机
常用的交流伺服电机主要包括感应式异步电机和永磁同步电机两种。感应异步电动机具有结构简单，工作可靠、寿命长、成本低，保养维护简便等特点。但是，与直流电动机相比，它调速性能差，起动转矩小，过载能力和效率低。其旋转磁场的产生需从电网吸取无功功率，故功率因素低，大大增加了线路和电网的损耗。其在控制上采用转子磁场定向控制，将转子电流分为与转子磁通方向一致的励磁电流和相位超前其900转矩电流，因为转差率的存在，其转子磁通位置要在位置传感器的基础上进一步处理，系统比较复杂。另外，转子电阻随温度而变化，会影响磁场定向的准确性。同时，低速运行时电机发热比较严重，而低速运行又往往是伺服电机经常所处的运行状态。因此，在交流伺服系统发展初期，感应式异步电动机交流伺服系统虽曾一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，异步电机伺服系统逐渐转向永磁同步电机伺服系统。
交流永磁同步电机可分为两大类：一类称为梯形波永磁电机，即通常所说的直流无刷电机 （BLDC），其反向电动势为梯形波信号；另一类称为正弦波永磁电机，通常称为永磁同步电机 （PMSM），其反向电动势为正弦波信号。直流无刷电机具有控制简单、成本低廉、检测装置简单等优点。但是由于直流无刷电机原理上存在固有缺陷，电机运转过程中，电枢电流和电枢磁势的不连续性而导致转矩脉动较大，这种转矩脉动使得电机速度控制性能很难得到提升，并且其铁心附加损耗大，从而限制了由其构成的伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用。而永磁同步电机其性能好于直流无刷电机，虽然控制较为复杂，但随着控制器与控制策略的迅速发展，控制系统的实时性与精确性有了较大程度的改善。永磁同步电机的磁场由转子上的永磁体提供，不需要励磁电流，可以显著提高功率因数，而且减少了定子电流和定子电阻损耗，在稳定运行时没有转子电阻损耗。永磁同步电机在永磁体的安装方式上分有两种：一种是将永磁体装在转子表面，即所谓表面式；另一种是将永磁体埋入转子内部，即所谓内嵌式。永磁体的形状可分为扇形和矩形两种：扇形磁体转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的特点，适合低速大扭矩工作；矩形磁体结构转子呈现凸极效应，电枢电感大，转子结构牢固，适合高速运转。高性能永磁材料发展迅速，大幅提升了永磁同步电机的性能。永磁材料有铝镍钻、铁氧体和稀土永磁体三大类。铝镍钻是上世纪三十年代研制成功的永磁材料，虽其具有剩磁感应强度高，热稳定性好等优点，但其矫顽力低，抗退磁能力差，成本高，限制了它在电机中的应用；铁氧体磁体是上世纪五十年代初开发的永磁材料，其最大的特点是价格低廉，有较高的矫顽力，但剩磁感应强度和磁能积都较低；稀土永磁体包括第一代钐钴1：5，第二代钐钴2：17和第三钕铁硼。钐钴稀土永磁材料在上世纪六十年代中期问世它具有铝镍钻一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高，但价格较高。80年代初，钕铁硼稀土永磁材料的出现，它具有高的剩磁感应强度，高的矫顽力，高的磁能积，这些特点特别适合在电机中使用。经过这几年的不断改进提高，其缺点，如温度系数大，居里点低，容易氧化生锈等大多已经克服，现钕铁硼永磁材料已足以满足绝大多数电机的使用要求。
2.反馈装置
在电机伺服控制系统中，电流、电压、速度、位置反馈信号对系统性能起到至关重要的影响。常用的反馈装置有霍尔电流/电压传感器、旋转变压器、自整角机和光电编码器等。
霍尔电流/电压传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，在信号采集过程中实现了电气隔离，具有安装方便，功耗小，精度高、线性度好等特点，在电机伺服控制系统中得要广泛应用。交流伺服中电流检测精度直接影响到解祸控制效果，使用高精度的电流传感器，有助于提高系统的性能。
旋转变压器、自整角机和光电编码器用于电机伺服控制系统中的速度和位置检测。旋转变压器、自整角机在环境适应性，如耐高低温和振动冲击上要好于光电旋转编码器。
（1）旋转变压器是一种输出电压与角位移呈连续函数关系的感应式微电机，它的结构与绕线式异步电动机相似，由定子和转子两大部分组成，每一大部分又有自己的电磁和机械部分。但是从物理本质上讲，旋转变压器可以看做原边绕组放置在定子上，副边绕组放置在转子上的变压器。在随动系统中，旋转变压器通常用于精密测位。
（2）自整角机是利用自整步特性将转角变为交流电压（信号式）或由转角变为转角（力矩式）的感应式微型电机，在伺服系统中被用作测量角度的位移传感器。它可以使机械上互不相连的两根或多根轴自动保持相同的转角变化，呈同步旋转，在系统中，通常是多台组合使用。在实际应用中，由于力矩式自整角机将机械角度转换为力矩输出且其自身没有力矩放大能力，要带动负载，必须由发送机驱动装置供给转矩，接受误差大负载能力差。而信号式自整角机则是将角度信号转换为电压进行传输，由电压控制伺服驱动器，精度高，常用于精密的闭环伺服控制系统中。
3.控制器
集成电路和计算技术的发展对永磁同步电动机控制技术起到了重要的推动作用，它们的飞速发展促进了电机控制技术的发展与创新。随着对交流驱动系统研究的深入和对性能要求的不断提高，涌现出了许多复杂而先进的算法，单片机MC51、96及多片MCS96系统的运算速度已不能满足要求，数字信号处理器（DSP）已经成为电机控制系统中的首选器件，在伺服系统中得到了广泛应用。DSP器件具有较高的集成度，运算速度快，存储器容量大，它采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分离，同时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取指、译码、操作采取多级流水线。通过程序来实现控制算法，可大大地简化硬件，降低成本，提高系统的控制精度和可靠性，实现软件伺服。在电机控制中，应用最广泛的DSP主要为TI的C2000系列。近年来DSP发展速度很快，性能不断改善，TI公司在DSP28x定点系列以后又推出了28x Piccolo系列与 28x Delfino浮点系列。这三个系列的核心区别在于其CPU对于浮点数的处理方式上。28X定点系列与Piccolo系列均需要软件的帮助来进行浮点运算，但是在硬件处理方式上Piccolo更加优化，通过使用独立控制律加速器（CLA）处理浮点控制环路，使CPU得到释放，以便完成其它任务。相对于前两者，Delfino系列CPU内核具有的32位硬件浮点部件大大加快了浮点数的运算速度。■
【参考文献】
［１］胡俊达. IGBT的驱动与保护电路研究[J]．电机电器技术,2003,(06).
［２］曾建安,曾岳南,暨绵浩.永磁同步电机转子初始位置检测[J]．电机技术,2005,(04).