交流伺服系统的控制回路和伺服控制器.pptx

交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 交流伺服放大器可认为是由控制回路和主回路两大部分组成。主回路部分交流伺服放大器可认为是由控制回路和主回路两大部分组成。主回路部分主要由功率变换器的功率开关器件及其驱动部分组成；控制回路主要由电流控主要由功率变换器的功率开关器件及其驱动部分组成；控制回路主要由电流控制器、速度控制器和位置控制器以及与其相应的基准信号产生、反馈信号的检制器、速度控制器和位置控制器以及与其相应的基准信号产生、反馈信号的检测、处理电路等组成。本章将重点介绍相关电路和各被控变量的控制器。测、处理电路等组成。本章将重点介绍相关电路和各被控变量的控制器。6.1 交流伺服系统控制回路的组成交流伺服系统控制回路的组成 6.2 交流伺服控制器交流伺服控制器 6.4 数字化交流伺服系统数字化交流伺服系统第第6 6章章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 6.1.1 转子磁极位置检测电路 6.1.2 正弦波产生回路 6.1.3 直流正弦(DCSIN)变换回路 6.1.4 正弦波PWM电路 6.1.5 位置和速度检测回路 6.1.6 电流检测 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 众众所所周周知知，在在DC伺伺服服电电动动机机中中，励励磁磁磁磁场场和和电电枢枢电电流流在在空空间间上上正正交交，并并且且可可以以分分别别独独立立控控制制。在在保保持持磁磁场场不不变变的的情情况况下下，电电动动机机所所产产生生的的电电磁磁转转矩矩和和电电枢枢电电流流成成正正比比，改改变变施施加加于于电电枢枢两两端端的的电电压压就就可可以以调调节节电电动动机机的的速速度度。现现将将DC伺伺服服电电动动机机控控制制系系统统的的框框图图示示于于图图6-1，以以便便与与下下面面将将要要说说明明的的AC伺伺服电动机控制系统相比较。服电动机控制系统相比较。图图6-1 DC伺服电动机控制系统框图伺服电动机控制系统框图u上述各框的功能你上述各框的功能你能具体实现吗？能具体实现吗？u为什么要滤波？为什么要滤波？u滤波要注意什么？滤波要注意什么？交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成永磁交流伺服电动机控制系统框图如图永磁交流伺服电动机控制系统框图如图6-2所示。所示。图图6-2 永磁永磁AC伺服电动机控制系统框图伺服电动机控制系统框图 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 比较比较DC与与AC伺服控制系统可大致看出伺服控制系统可大致看出，DC伺服电动机只控制单相电枢回伺服电动机只控制单相电枢回路，而路，而AC伺服电动机则控制三相电枢绕组。由于永磁式伺服电动机则控制三相电枢绕组。由于永磁式AC伺服电动机的结构伺服电动机的结构特点，特点，AC伺服系统还必须具有检测转子磁极位置的电路、正弦波产生电路、伺服系统还必须具有检测转子磁极位置的电路、正弦波产生电路、DC-SIN变换电路、速度检测电路等，而这些电路除速度检测电路外，在变换电路、速度检测电路等，而这些电路除速度检测电路外，在DC伺伺服电动机控制中是没有的。下面就这些特有的电路逐个加以介绍。服电动机控制中是没有的。下面就这些特有的电路逐个加以介绍。6.1.1 转子磁极位置检测电路转子磁极位置检测电路 为了使电枢电流所产生磁场的方向与转子上永磁体产生的磁通方向在空间上为了使电枢电流所产生磁场的方向与转子上永磁体产生的磁通方向在空间上正交，正交，必须正确地检测出磁极的位置，并以此作为基准，通过控制电枢电流相必须正确地检测出磁极的位置，并以此作为基准，通过控制电枢电流相位以实现定、转子磁场空间正交位以实现定、转子磁场空间正交。为了满足正弦波的相位条件，转子磁极位置检测电路接受来自编码器的转子为了满足正弦波的相位条件，转子磁极位置检测电路接受来自编码器的转子位置信息，然后变换成容易为后面的正弦波发生电路所读取的形式。这里，采位置信息，然后变换成容易为后面的正弦波发生电路所读取的形式。这里，采用绝对式光电编码器来检测磁极位置。如果编码器是用绝对式光电编码器来检测磁极位置。如果编码器是8位绝对式编码器，它转一位绝对式编码器，它转一周则送出周则送出256个编码信号，把该码变换成表个编码信号，把该码变换成表6-1所示的纯二进制数。而后，把各所示的纯二进制数。而后，把各位信息所表征的信号取出来，送到正弦波发生电路。只要把某一绝对位置作为位信息所表征的信号取出来，送到正弦波发生电路。只要把某一绝对位置作为磁极的初始位置，以此为基准来控制电枢电流正交就可以了。磁极的初始位置，以此为基准来控制电枢电流正交就可以了。（理解？）（理解？）交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成表表6-1 对应转子旋转角的各位状态对应转子旋转角的各位状态 转子旋转转子旋转位信号位信号1/2562/2564/256254/256255/2561270011026000110250001102400011023000110220001102101111020101010 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成6.1.2 正弦波产生电路正弦波产生电路 该电路的任务是产生以转子位置为相位的正弦波，主要是由该电路的任务是产生以转子位置为相位的正弦波，主要是由ROM(只读存只读存储器储器)构成。构成。在在ROM中，像表中，像表6-2所示那样，对应各所示那样，对应各不同地址写入相应的数据。在连接的地址不同地址写入相应的数据。在连接的地址母线上，当确定地址的二进制数输入的时母线上，当确定地址的二进制数输入的时候，把对应的数据运送到数据母线附近。候，把对应的数据运送到数据母线附近。这时，如输入读出命令的话，就把数据运这时，如输入读出命令的话，就把数据运载到数据母线上。利用这种特性，如果是载到数据母线上。利用这种特性，如果是2极电动机，把对应转子的一转记为正弦波极电动机，把对应转子的一转记为正弦波一个周期。如果是一个周期。如果是4极电动机，对应于半转极电动机，对应于半转就记为正弦波一个周期。在产生正弦波的就记为正弦波一个周期。在产生正弦波的波形时还应该注意到，电动机是三相的，波形时还应该注意到，电动机是三相的，每相之间有每相之间有120的相位差。的相位差。实际上，由于实际上，由于UV-(UUUW)，这样就，这样就可以很方便地通过模拟运算求出可以很方便地通过模拟运算求出UV。表表6-2 ROM的内容的内容地址号地址号内容内容0数据数据 01数据数据 12数据数据 23数据数据 3254数据数据 254255数据数据 255 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 表表6-3表表示示的的是是U相相正正弦弦波波数数据据转转移移表表，表表6-4表表示示的的是是W相相正正弦弦波波数数据据转转移移表表。把把一一个个正正弦弦波波周周期期的的地地址址用用00HFFH(16进进制制)表表示示。振振幅幅的的最最大大值值为为FFH，最最小小值值为为00H，根根据据计计算算机机计计算算出出各各自自对对应应的的数数据据，就就是是写写入入ROM中中的的值。值。ROM的连线如图的连线如图6-3所示。所示。图图6-3 ROM的连接的连接 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 图图6-4和图和图6-5中，由于是用图形来分别表示各自的数据，该波形相当于电路中，由于是用图形来分别表示各自的数据，该波形相当于电路上的模拟输出。上的模拟输出。图图6-4 U相模拟变换后的波形相模拟变换后的波形图图6-5 W相模拟变换后的波形相模拟变换后的波形 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成6.1.3 直流正弦(DCSIN)变换电路 由正弦波产生电路，可以产生出与转子位置同步的二相正弦波。若假设该正由正弦波产生电路，可以产生出与转子位置同步的二相正弦波。若假设该正弦波的振幅系数经过弦波的振幅系数经过0由由-1变化到变化到1，用，用00HFFH表示其值的话，那么在实际表示其值的话，那么在实际应用中，还必须变换成必要的电流。应用中，还必须变换成必要的电流。在直流伺服电动机控制中，速度控制器的输出就直接作为电流的参考值，因在直流伺服电动机控制中，速度控制器的输出就直接作为电流的参考值，因为通入直流电动机电枢中的电流是直流电流。然而，在交流伺服电动机中需要为通入直流电动机电枢中的电流是直流电流。然而，在交流伺服电动机中需要向电枢绕组中通入三相交流正弦电流。因此，其速度控制器输出直流电流参考向电枢绕组中通入三相交流正弦电流。因此，其速度控制器输出直流电流参考信号必须进行交流正弦化，而后作为交流正弦电流指令，如图信号必须进行交流正弦化，而后作为交流正弦电流指令，如图6-6所示。所示。图图6-6 DCSIN变换的目的变换的目的 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 DCSIN变换电路结构如图变换电路结构如图6-7所示。在该电路中，正弦波发生电路输出的所示。在该电路中，正弦波发生电路输出的数字化正弦波信号与速度控制器输出的直流信号在乘法器中相乘。乘法器的输数字化正弦波信号与速度控制器输出的直流信号在乘法器中相乘。乘法器的输出信号就作为交流正弦电流指令。出信号就作为交流正弦电流指令。图图6-7 DCSIN变换的结构变换的结构 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成6.1.4 正弦波PWM电路 在交流伺服电动机中，为了使电动机中通入正弦电流，把正弦波电流控制器在交流伺服电动机中，为了使电动机中通入正弦电流，把正弦波电流控制器的输出按着原样进行功率放大后送入电动机，如果能实现的话，这是最理想的。的输出按着原样进行功率放大后送入电动机，如果能实现的话，这是最理想的。但是，要把正弦波不失真地放大，就得使功率器件工作在线性区。这样，由于但是，要把正弦波不失真地放大，就得使功率器件工作在线性区。这样，由于功率耗散在功率管中会造成严重的发热，因而在实际上是不可行的。功率耗散在功率管中会造成严重的发热，因而在实际上是不可行的。但是，如果把功率器件作为开关来使用，管子内的功率损耗就很小了，这样就但是，如果把功率器件作为开关来使用，管子内的功率损耗就很小了，这样就产生了所谓产生了所谓PWM工作方式，也就是说，把电动机电流变换成与正弦波幅值成正工作方式，也就是说，把电动机电流变换成与正弦波幅值成正比的脉冲宽度，在平均的意义上来说就得到了正弦波控制。比的脉冲宽度，在平均的意义上来说就得到了正弦波控制。在此，选择三角波的振荡频率是很重要的。由于三角波的频率实际上也是功在此，选择三角波的振荡频率是很重要的。由于三角波的频率实际上也是功率器件的开关频率，如果选择高了，功率器件的开关损耗也就相应增加。如果率器件的开关频率，如果选择高了，功率器件的开关损耗也就相应增加。如果选择较低，伺服系统的响应能力便降低。同时，正弦波电流的纹波成分加大，选择较低，伺服系统的响应能力便降低。同时，正弦波电流的纹波成分加大，谐波力矩也随之增大。一般情况，如果逆变器是由双极型功率晶体管构成的话，谐波力矩也随之增大。一般情况，如果逆变器是由双极型功率晶体管构成的话，三角波频率可在三角波频率可在1-3kHz。如果使用如果使用P-MOSFET时，则选择时，则选择5-20kHz作为载波频作为载波频率。在这个频率下的电流纹波成分将使电动机的铁心产生振动，如果进入听觉率。在这个频率下的电流纹波成分将使电动机的铁心产生振动，如果进入听觉范围内，会使人感受到不愉快的噪声。为解决这种噪声可使范围内，会使人感受到不愉快的噪声。为解决这种噪声可使P-MOSFET的工作的工作频率选在频率选在20kHz以上。而对以上。而对IGBT逆变器而言，开关工作频率可选在逆变器而言，开关工作频率可选在1020kHz。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成6.1.5 位置和速度检测 位置和速度是本系统需要检测的两个重要量，他们是为了实现位置与速度控位置和速度是本系统需要检测的两个重要量，他们是为了实现位置与速度控制以及坐标变换的需要。能否准确的测量位置和速度，直接影响着系统的控制制以及坐标变换的需要。能否准确的测量位置和速度，直接影响着系统的控制性能。本节以广泛用于性能。本节以广泛用于AC伺服电动机伺服电动机(此处指方波电流型驱动，即所说的无刷此处指方波电流型驱动，即所说的无刷直流电动机直流电动机)的速度和位置检测的光电编码器为例来进行说明。的速度和位置检测的光电编码器为例来进行说明。1.位置检测位置检测 位置检测包括转子旋转角度的检测和转子磁极位置的检测。旋转角位置检测包括转子旋转角度的检测和转子磁极位置的检测。旋转角度检测只须对脉冲计数。磁极位置检测则相对复杂一些，编码器输出的磁极位度检测只须对脉冲计数。磁极位置检测则相对复杂一些，编码器输出的磁极位置信号只是简单的提供相位差置信号只是简单的提供相位差120的的u,、v、w信号，它只能反映转子的大致位信号，它只能反映转子的大致位置。位置检测的原理是，在光电码盘的转动圆盘内侧制成空间位置互成置。位置检测的原理是，在光电码盘的转动圆盘内侧制成空间位置互成120的的三个缝隙，受光元件接受发光元件通过缝隙的光线而产生互差三个缝隙，受光元件接受发光元件通过缝隙的光线而产生互差120的三相信号，的三相信号，经过放大整形后输出矩形波信号经过放大整形后输出矩形波信号u、v、w。利用这些信号状态的组合来分别代。利用这些信号状态的组合来分别代表磁极在空间的不同位置。在每转内中可以组合成六种状态，每种状态代表的表磁极在空间的不同位置。在每转内中可以组合成六种状态，每种状态代表的空间角度范围为空间角度范围为60，即在整个磁极位置，即在整个磁极位置360空间内，每空间内，每60空间位置用一个三空间位置用一个三相输出信号状态表示。而且，在正常情况下不会出现信号为全零或全相输出信号状态表示。而且，在正常情况下不会出现信号为全零或全1的状态，的状态，此时可判断为码盘信号故障。此时可判断为码盘信号故障。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 实际检测时，通过磁极位置信号的变化判断出转子的跨区动作实际检测时，通过磁极位置信号的变化判断出转子的跨区动作(如图如图6-8所示所示)，同时通过码盘的零码信号不断对转子位置作修正，最终获得准确的转子磁极，同时通过码盘的零码信号不断对转子位置作修正，最终获得准确的转子磁极位置信号。位置信号。2.关于初始定向问题关于初始定向问题 为保证在为保证在电动机静止时定、转子磁通就电动机静止时定、转子磁通就能正交，必须使光电编码器中能正交，必须使光电编码器中的磁极位置检测器的磁极位置检测器(或霍尔元件或霍尔元件检测器检测器)的初始相位与转子磁极的初始相位与转子磁极位置有正确的对应关系，这就位置有正确的对应关系，这就是所谓初始定向问题。是所谓初始定向问题。图图6-8 磁极位置信号波形磁极位置信号波形 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 初始定向可用磁极位置信号初始定向可用磁极位置信号UU和电机定子和电机定子Ax相与相与By相间的相间的线电动势线电动势eAB来实现。在实际定来实现。在实际定向调准时，使电机转动，此时调向调准时，使电机转动，此时调节光电编码器的位置，用示波器节光电编码器的位置，用示波器测量信号测量信号UU和定子线电动势和定子线电动势eAB，使之具有图，使之具有图6-9c所示的相位关所示的相位关系，那么，转子磁通与定子电流系，那么，转子磁通与定子电流(定子磁通定子磁通)间就具有正交关系，间就具有正交关系，即实现了初始定向。即实现了初始定向。对于对于UV、UW信号与线电动势信号与线电动势eBC、eCA也有类似的关系。因此，也有类似的关系。因此，据此可以进行初始相位调定。据此可以进行初始相位调定。6.1 交流伺服系统控制回路的组成图图6-9 初始转子磁场定向与定子电流成空间初始转子磁场定向与定子电流成空间90角角 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成图图6-10 编码器输出二相正交脉冲编码器输出二相正交脉冲3.速度检测电路速度检测电路 在交流伺服系统中，速度检测器件多半和磁极检测器件功能在交流伺服系统中，速度检测器件多半和磁极检测器件功能合一。即用一个检测器件同时完成转子磁极位置检测和转子转速度检测，甚合一。即用一个检测器件同时完成转子磁极位置检测和转子转速度检测，甚至还同时实现系统的位置检测。至还同时实现系统的位置检测。在使用光电编码器的情况下，编码器输出与电机转子同步旋转的二相正交在使用光电编码器的情况下，编码器输出与电机转子同步旋转的二相正交的脉冲信号，如图的脉冲信号，如图6-10所示。为了得到直流的速度信号，一般是使用所示。为了得到直流的速度信号，一般是使用F/U(频率频率/电压电压)转换器。但在作为伺服使用时，还要求具有以下条件：转换器。但在作为伺服使用时，还要求具有以下条件：为了使系统具有快速跟踪响应能力，滤波电路的时间数要尽可能小些。为为了使系统具有快速跟踪响应能力，滤波电路的时间数要尽可能小些。为此，编码器的输出脉冲要进行倍频。此，编码器的输出脉冲要进行倍频。要有正、反转方向的判别电路，并且在一个脉冲单位期间就能实现判别。要有正、反转方向的判别电路，并且在一个脉冲单位期间就能实现判别。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 满足上述条件的一种速度检测电路如图满足上述条件的一种速度检测电路如图6-11所示。所示。图图6-11 6-11 使用编码器的速度检测电路使用编码器的速度检测电路 来自编码器来自编码器A相与相与B相的脉冲列，经过同步化电路后，其上升沿和下降沿便与相的脉冲列，经过同步化电路后，其上升沿和下降沿便与时钟脉冲同步。经同步化整形后的时钟脉冲同步。经同步化整形后的A相与相与B相脉冲列，送到后面的延迟电路，延相脉冲列，送到后面的延迟电路，延迟一个时钟脉冲。同步化的二相脉冲和延迟一个时钟的二相脉冲输入译码器。迟一个时钟脉冲。同步化的二相脉冲和延迟一个时钟的二相脉冲输入译码器。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 通常时钟脉冲的频率要比编码器输出信号的最高频率高得多，所以在译码通常时钟脉冲的频率要比编码器输出信号的最高频率高得多，所以在译码器电路中，根据各脉冲的逻辑条件，输出一个器电路中，根据各脉冲的逻辑条件，输出一个4倍频率的脉冲，根据旋转方向倍频率的脉冲，根据旋转方向判别分别从不同通道输出。电动机不断旋转变化，但该脉冲具有的面积一定。判别分别从不同通道输出。电动机不断旋转变化，但该脉冲具有的面积一定。电动机速度不同时，只是输出频率变化。这样就得到了图电动机速度不同时，只是输出频率变化。这样就得到了图6-12所示的与速度成所示的与速度成比例的直流信号。比例的直流信号。平滑电路平滑电路(滤波器滤波器)的输入信号是方波，因此，在理论上，要把纹波完全除去的输入信号是方波，因此，在理论上，要把纹波完全除去是不可能的。然而，设定滤波器的时间常数是电机上升时间是不可能的。然而，设定滤波器的时间常数是电机上升时间(阶跃响应阶跃响应)的的1/10左左右时，输出纹波大小就是允许的，在确定编码器的脉冲数时应考虑到这一点。右时，输出纹波大小就是允许的，在确定编码器的脉冲数时应考虑到这一点。如果在超低速旋转的使用场合，还采用上述如果在超低速旋转的使用场合，还采用上述F/U变换方式提取速度信号，编变换方式提取速度信号，编码器的脉冲数就应该很高才行，这在实际上是不合理的。此时应该考虑采用脉码器的脉冲数就应该很高才行，这在实际上是不合理的。此时应该考虑采用脉冲数较少的编码器。作为低速旋转的方式，把编码器的输出假定为近似正弦波，冲数较少的编码器。作为低速旋转的方式，把编码器的输出假定为近似正弦波，由其微分输出提取速度信号。由其微分输出提取速度信号。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成a)高速时高速时 b)低速时低速时图图6-12 F/U变换原理变换原理 应该指出，交流永磁伺服电动机的转子位置检测和速度信号检测的方法有应该指出，交流永磁伺服电动机的转子位置检测和速度信号检测的方法有许多种，这里所介绍的只是一个例子而已。许多种，这里所介绍的只是一个例子而已。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成6.1.6 电流检测电流检测 在永磁交流同步电机制系统中，控制器需要及时准确的知道绕组中实际电在永磁交流同步电机制系统中，控制器需要及时准确的知道绕组中实际电流，以实现电流反馈闭环控制和电流保护。因此需要检测电机绕组中的电流。流，以实现电流反馈闭环控制和电流保护。因此需要检测电机绕组中的电流。电流检测的方法有多种，在这里，介绍用霍尔元件进行电流检测的方法，检测电流检测的方法有多种，在这里，介绍用霍尔元件进行电流检测的方法，检测电路如图电路如图6-13所示。所示。图图6-13 电流检测电路电流检测电路 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.1 交流伺服系统控制回路的组成 霍霍尔尔元元件件具具有有磁磁敏敏特特性性，即即载载流流的的半半导导体体在在磁磁场场中中产产生生霍霍尔尔电电势势。霍霍尔尔电电流流传传感感器器是是目目前前普普遍遍采采用用的的电电流流检检测测及及过过流流保保护护器器件件，其其特特点点是是测测量量精精度度高高，线线性性度度好好，响响应应速速度度快快，电电隔隔离离性性能能好好，它它的的工工作作原原理理是是当当外外电电路路供供给给其其电电流流时时，将将产产生生磁磁感感应应强强度度为为B的的磁磁场场，同同时时在在信信号号电电压压输输出出端端有有霍霍尔尔效效应应电电压压UH输输出出，其其大大小小与与通通电电导导体体的的电电流流成成正正比比。目目前前利利用用霍霍尔尔效效应应检检测测电电流流有有直直接接检检测测式式霍霍尔尔电电流流传传感感器器和和磁磁场场平平衡衡式式霍霍尔尔电电流流传传感感器器(LEM模模块块)。前前者者当当被被检检测测电电流流过过大大时时，为为不不使使磁磁路路饱饱和和，保保证证测测量量的的线线性性度度，必必须须相相应应增增大大铁铁芯芯的的截截面面积积，这这就就造造成成检检测测装装置置的的体体积积过过大大。而而后后者者把把互互感感器器，磁磁放放大大器器，霍霍尔尔元元件件和和电电子子线线路路集集成成在在一一起起，具具有有测测量量，反反馈馈，保保护护三三重重功功能能。LEM模模块块通通过过磁磁场场的的补补偿偿，铁铁芯芯内内的的磁磁通通保保持持为为零零，致致使使其其尺尺寸寸和和重重量量显显著著减减少少。LEM模模块块使使用用方方便便，电电流流过过载载能能力力强强，且且整整个个传传感感器器已已模模块块化化，套套在在被被测测母母线上即可工作。其响应速度快，可以达到线上即可工作。其响应速度快，可以达到3 s以内，是理想的电流检测方法。以内，是理想的电流检测方法。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器6.2 交流伺服控制器 交流伺服控制器用于控制交流伺服电动机。由于交流永磁伺服电动机与直交流伺服控制器用于控制交流伺服电动机。由于交流永磁伺服电动机与直流电动机不同，所以交流伺服控制器与直流控制器的特点也不同。这里简要介流电动机不同，所以交流伺服控制器与直流控制器的特点也不同。这里简要介绍其绍其结构与特点结构与特点，主要是针对永磁同步伺服电动机的控制器而言。，主要是针对永磁同步伺服电动机的控制器而言。通常情况下，作位置控制用的永磁同步电机伺服系统由内而外都采用电流通常情况下，作位置控制用的永磁同步电机伺服系统由内而外都采用电流环、速度环和位置环组成的三环系统。永磁同步伺服电动机伺服系统三环控制环、速度环和位置环组成的三环系统。永磁同步伺服电动机伺服系统三环控制框图如图框图如图6-14所示。所示。图图6-14 永磁同步伺服电动机伺服系统三环控制框图永磁同步伺服电动机伺服系统三环控制框图 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器6.2.1 电流控制器电流控制器 与直流电机伺服系统相同，交流同步电机伺服控制系统也设置电流控制环，与直流电机伺服系统相同，交流同步电机伺服控制系统也设置电流控制环，其主体是其主体是PI型电流控制器。设置电流环的方法既可以每相单独设置，也可以转型电流控制器。设置电流环的方法既可以每相单独设置，也可以转化为幅值、相位按极坐标设置。由于极坐标变换的电路复杂而少用，一般都采化为幅值、相位按极坐标设置。由于极坐标变换的电路复杂而少用，一般都采用各相分别设置电流环。由于永磁同步电动机运行时，必须知道磁极位置，所用各相分别设置电流环。由于永磁同步电动机运行时，必须知道磁极位置，所以电机要装有检测磁极位置的磁极位置传感器，通常是光电编码器或旋转变压以电机要装有检测磁极位置的磁极位置传感器，通常是光电编码器或旋转变压器上附加上检测磁极位置的功能。通过电路处理，把磁极位置的空间角度转换器上附加上检测磁极位置的功能。通过电路处理，把磁极位置的空间角度转换成电压或电流的时间相位角，再与速度控制器的输出相乘，就得到了交流电流成电压或电流的时间相位角，再与速度控制器的输出相乘，就得到了交流电流指令信号，根据电流检测信号构成负反馈闭环。由于电流的跟踪作用，在电机指令信号，根据电流检测信号构成负反馈闭环。由于电流的跟踪作用，在电机绕组中就得到了与电流指令相一致的绕组电流，改变电流的幅值就可以改变电绕组中就得到了与电流指令相一致的绕组电流，改变电流的幅值就可以改变电机输出的转矩大小，改变交流电流的频率，可以改变电机的转速，改变三相电机输出的转矩大小，改变交流电流的频率，可以改变电机的转速，改变三相电流的相序就可改变电机的转速方向。流的相序就可改变电机的转速方向。电流控制器的电路结构如图电流控制器的电路结构如图6-15所示。电流控制器也是按所示。电流控制器也是按PI控制规律调节电控制规律调节电流的。流的。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器 乘法器输出的电流指令是幅值正负变化、频率可变的矩形波或正弦波信号。乘法器输出的电流指令是幅值正负变化、频率可变的矩形波或正弦波信号。电流控制器与速度控制器一样，也是由反馈电阻电流控制器与速度控制器一样，也是由反馈电阻R6，电容，电容C6等组成的近似的比等组成的近似的比例积分型放大器，它的传递函数与速度控制器的传递函数相同，不过传递函数例积分型放大器，它的传递函数与速度控制器的传递函数相同，不过传递函数中的时间常数应选得小一些。调整中的时间常数应选得小一些。调整RP3可以调节电流控制放大器的反馈量，也可以调节电流控制放大器的反馈量，也就调节了增益。根据就调节了增益。根据C6、R6来决定电流局部控制的截止频率。而来决定电流局部控制的截止频率。而R6、C6所决定所决定的时间常数应大致与电动机的电磁时间常数相等。的时间常数应大致与电动机的电磁时间常数相等。图图6-15 电流控制器电路电流控制器电路 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器6.2.2 速度控制器速度控制器 在速度控制器的输入端将速度指令信号与速度反馈信号进行比较，再通过在速度控制器的输入端将速度指令信号与速度反馈信号进行比较，再通过放大器将该偏差信号放大输出作为多路乘法器的输入信号。模拟速度控制器如放大器将该偏差信号放大输出作为多路乘法器的输入信号。模拟速度控制器如图图6-16所示。所示。图图6-16 速度控制器电路速度控制器电路 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器 运算放大器由反馈阻抗运算放大器由反馈阻抗R1、C1和输入电阻和输入电阻R0等元件组成近似比例积分型放等元件组成近似比例积分型放大器，其传递函数为大器，其传递函数为 (6-1)式中：式中：为为PI控制器比例部分的放大系数；控制器比例部分的放大系数；为为PI控制器的积分时间控制器的积分时间常数。常数。若令若令 ，则，则 (6-2)其中，其中，为为PI控制器的超前时间常数。控制器的超前时间常数。有时，为避免放大器长期工作时的零点漂移，特地将其放大系数降低一些，有时，为避免放大器长期工作时的零点漂移，特地将其放大系数降低一些，在在R1-C1两端或两端或C1两端再并接一个阻值较大的电阻两端再并接一个阻值较大的电阻R2，这样就形成了近似的，这样就形成了近似的PI控控制器，或称准制器，或称准PI控制器。在这种情况下，控制器的稳态放大系数为控制器。在这种情况下，控制器的稳态放大系数为或或 (6-3)交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器 这样，系统就成为一个近似的无差调速系统。当然，在动态过程中，基本上还是按这样，系统就成为一个近似的无差调速系统。当然，在动态过程中，基本上还是按PI控制规律工作的。控制规律工作的。输入端的可调电位器输入端的可调电位器RP1用来调整速度指令和速度反馈之间的相对大小，适用来调整速度指令和速度反馈之间的相对大小，适当调整该电位器，可以抑制速度超调量。当电机加上负载时，如果改变电位器当调整该电位器，可以抑制速度超调量。当电机加上负载时，如果改变电位器RP2使反馈量增加，放大器的增益变小，要获得同样的输出，在放大器的输入使反馈量增加，放大器的增益变小，要获得同样的输出，在放大器的输入端就必然存在较大的偏差，这就意味着速度下降较大。如果调整端就必然存在较大的偏差，这就意味着速度下降较大。如果调整RP2使放大器反使放大器反馈量变小，其增益必然增加，则速度下降较小。如果负载去掉后，最好调整馈量变小，其增益必然增加，则速度下降较小。如果负载去掉后，最好调整RP2使放大器反馈量为零，反馈量为零即意味着放大器的增益将变得很大，速度降使放大器反馈量为零，反馈量为零即意味着放大器的增益将变得很大，速度降落当然很小，因为此时没有负载施于电机轴上。落当然很小，因为此时没有负载施于电机轴上。实际上，调整电位器实际上，调整电位器RP1、RP2都是用来改变放大器的增益，根据都是用来改变放大器的增益，根据R1、C1就就可以决定速度控制电路的截止频率。可以决定速度控制电路的截止频率。放大器的输出为下一个控制环节的电流基准，限制这个基准信号就可以把电放大器的输出为下一个控制环节的电流基准，限制这个基准信号就可以把电动机的绕组电流限制在一个特定的电流值，因此在放大器的输出端设置一个限动机的绕组电流限制在一个特定的电流值，因此在放大器的输出端设置一个限幅电路，限幅电路也可以设置在放大器的输入与输出之间。幅电路，限幅电路也可以设置在放大器的输入与输出之间。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器6.2.3 位置控制器1 1位置控制的基本概念位置控制的基本概念 位置控制的根本任务就是使执行机构对位置指令的精确跟踪。被控量一般位置控制的根本任务就是使执行机构对位置指令的精确跟踪。被控量一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控量准确无误地跟踪是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控量准确无误地跟踪并复现给定量，给定量可能是角位移或直线位移。所以，位置控制必然是一并复现给定量，给定量可能是角位移或直线位移。所以，位置控制必然是一个反馈控制系统，组成位置控制回路，即位置环。它处于系统最外环，其组个反馈控制系统，组成位置控制回路，即位置环。它处于系统最外环，其组成各部分包括：位置检测器、位置控制器、功率变换器、伺服电动机以及速成各部分包括：位置检测器、位置控制器、功率变换器、伺服电动机以及速度和电流控制的二个内环等。度和电流控制的二个内环等。速度控制的给定量通常为恒值，不管外界扰动的情况如何，希望输出量能速度控制的给定量通常为恒值，不管外界扰动的情况如何，希望输出量能够稳定，因此系统的抗扰性能就显得十分重要。而位置控制系统中的位置指够稳定，因此系统的抗扰性能就显得十分重要。而位置控制系统中的位置指令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化。输令是经常变化的，是一个随机变量，要求输出量准确跟踪给定量的变化。输出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置控制系统的主要特征，也就是说，出响应的快速性、灵活性、准确性成了位置控制系统的主要特征，也就是说，系统的跟随性成为主要指标。系统的跟随性成为主要指标。在位置控制系统的输入端加入位置给定信号，而位置控制器的输出端即给在位置控制系统的输入端加入位置给定信号，而位置控制器的输出端即给出速度指令信号，伺服电动机即按速度指令运转。所以，出速度指令信号，伺服电动机即按速度指令运转。所以，只要在速度控制系只要在速度控制系统的基础上再加一个位置外环就构成了位置控制系统了统的基础上再加一个位置外环就构成了位置控制系统了。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器 位置控制大体有二类：一类是模拟位置控制，如图位置控制大体有二类：一类是模拟位置控制，如图6-17a所示，它的位置所示，它的位置控制精度不是很高；另一类是数字式位置控制，如图控制精度不是很高；另一类是数字式位置控制，如图6-17b所示。所示。图图6-17 位置控制系统原理图位置控制系统原理图b)数字式数字式a)模拟式模拟式 交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器 在在这这类类位位置置控控制制系系统统中中，检检测测元元件件一一般般为为光光电电编编码码器器或或其其它它数数字字反反馈馈发发生生器器，经经转转换换电电路路得得到到二二进进制制数数字字信信号号，与与给给定定的的二二进进制制数数字字信信号号同同时时送送入入计计算算机机或或可可逆逆计计数数器器进进行行比比较较并并确确定定出出误误差差，按按一一定定控控制制规规律律运运算算后后（通通常常为为比比例例放放大大），构构成成数数字字形形式式的的校校正正信信号号，在在经经数数/模模转转换换变变成成电电压压信信号号，作作为为速速度度控控制制器器的的给给定定。采采用用微微机机进进行行控控制制时时，系系统统的的控控制制规规律律可可以以很很方方便便地地通过软件来改变，这大大增加了控制的灵活性。通过软件来改变，这大大增加了控制的灵活性。交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器2 2位置控制系统方框图位置控制系统方框图 图图6-18表示为以转角为输入量的位置控制系统方框图。图中的位置控制器主表示为以转角为输入量的位置控制系统方框图。图中的位置控制器主要为比例（要为比例（P）控制，而把系统中扰动的影响都用速度内环的速度控制器来补偿，）控制，而把系统中扰动的影响都用速度内环的速度控制器来补偿，在位置环中可不考虑对扰动的补偿。在位置环中可不考虑对扰动的补偿。图图6-18 位置控制系统方框图位置控制系统方框图在图在图6-18所示的位置控制系统方框图中，速度控制系统（所示的位置控制系统方框图中，速度控制系统（PI控制）的传递函控制）的传递函数为数为(6-4)交流伺服系统 第六章 交流伺服系统的控制回路和伺服控制器 6.2 交流伺服控制器 该系