永磁交流伺服技術(shù)及其進(jìn)展(續(xù)3)

譚建成(西安微電機(jī)研究所)

    【摘  要】本文為“永磁交流伺服技術(shù)及其進(jìn)展(2) (見1990年《微電機(jī)》第4期)的續(xù)篇，介紹伺服驅(qū)動器的組成和工作原理，交流伺服驅(qū)動器與直流伺服驅(qū)動器的主要差別，及直流伺服電動機(jī)、同步型交流伺服電動機(jī)和異步交流伺服電動機(jī)三類電機(jī)性能特點的比較。

    【主題詞】伺服放大器，工作原理，交流電動機(jī)，伺服電動機(jī)，同步電機(jī)，異步電機(jī)，直流電機(jī)，性能

5伺服驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

  典型的交流伺服驅(qū)動器和經(jīng)典的直流伺服驅(qū)動器相似，也是包含電流環(huán)和速度環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。因此，它的伺服驅(qū)動器(ervodrive)也稱為速度控制單元(speed control u—nit)，或稱為伺服放大器(servo amplifier)等。圖5．1、5．3、5．5分別是直流伺服，正弦波驅(qū)動和矩形波驅(qū)動的交流伺限驅(qū)動器的原理方框圖。從圖中可見，兩種交流伺服驅(qū)動器和直流伺服驅(qū)動器的基本結(jié)構(gòu)是相似的。即，從傳感器中獲得速度信息，經(jīng)一定的電路變換形成速度反饋電壓，并與給定指令速度電壓信號比較．其誤差信號在速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行放大和校正(通常是pi調(diào)節(jié))，給出電流(即力矩)的指令信號作為電流環(huán)的輸入指令。在電流環(huán)中，從電流傳感器得到的電流反饋信號與指令信號進(jìn)行比較，誤差經(jīng)電流調(diào)節(jié)器放大校正后送給脈寬調(diào)制ewm)  元，最常見的pwm是由三角波發(fā)生器和電壓比較器構(gòu)成。被調(diào)制的脈寬信號控制基極驅(qū)動電路，后者驅(qū)動逆變橋，實現(xiàn)對電機(jī)繞組的電流控制。這里，常見的是電流型pwm。

    由圖5．2，伺服驅(qū)動器還有其它幾個部分組成。首先，驅(qū)動器的高電壓大容量直流母線來自大功率直流電源，通常它由三相交流電壓輸入．經(jīng)橋式整流濾波后獲得。小于lkw的系統(tǒng)有時也采用單相輸入。當(dāng)系統(tǒng)制動時．電機(jī)動能的回饋．在濾波電容器上充電使直流母線電壓迅速上升．危及逆變橋的大功率開關(guān)管和濾波電容器本身。再生電壓保護(hù)的作用是適時接通一大電流開關(guān)，電容器電荷經(jīng)電組r短時釋放一部分，使直流母線電壓恢復(fù)到正常值范圍。為提高系統(tǒng)運行可靠性，針對可解出現(xiàn)的各種異常情況和故障，設(shè)立了保護(hù)和報警電路，例如對過電壓、欠電壓、過電流、過載、過速、過熱等的保護(hù)。另外還有短時過流限制等附加電路。

交流伺服驅(qū)動器與直流伺服驅(qū)動器在結(jié)構(gòu)上的主要差別是它們的電流環(huán)。

5.1  正弦波伺服驅(qū)動器的電流環(huán)

    正波驅(qū)動方式的交流伺服驅(qū)動器原理圖示于圖5．3中。這里，電流環(huán)的作用主要是控

制電動機(jī)三相繞組電流i_a、i_b、i_c，滿足下列要求

 a．嚴(yán)格的三相對稱正弦函數(shù)變化關(guān)系；

    b．它們的相位分別與該相的反電勢相位同相(或反相)；

    c．相電流幅值與速度調(diào)節(jié)器輸出的電流指令信號成正比例。

    利用高分辨率的轉(zhuǎn)子位置傳感器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子****位置信息．在單位正弦發(fā)生器中產(chǎn)生出兩相正弦波信號，它們的幅值為一單位，其相位與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角0相關(guān)．即

    單位正弦波信號的發(fā)生可有許多不同方法。下述方案是一個例子：轉(zhuǎn)子****位置信號是一數(shù)字量案號(二進(jìn)制碼)．在兩個正弦函數(shù)的只讀存儲器(rom)中分別讀出兩相單位正弦波的數(shù)字量，經(jīng)兩個d／a轉(zhuǎn)換器后可得模擬量輸出。兩相單位正弦波信號在兩個乘法器中與電流指令信號進(jìn)行乘法運算．得到兩相電流指令信號i_s和如i_b。實際上．采用帶乘法功能的d／a轉(zhuǎn)換器，由rom的輸出可直拉獲得i_a和如i_b信號。這兩個信號分別在兩個相同的電流調(diào)節(jié)器中與反饋的i_a、i_b電流信號進(jìn)行比較．經(jīng)各向的pwm環(huán)節(jié)控制逆變橋。在這里，利用電機(jī)三相繞組電流之和為零的原理，可以得到第三相pwm信號。

5．2矩形波伺服驅(qū)動器的電流環(huán)

    矩形波驅(qū)動的交流伺服驅(qū)動器原理圖示于圖5．4。如圖所示，由轉(zhuǎn)子位置傳感器信號

處理得到