交流伺服電機(jī)及其控制

前言

第1章 伺服系統(tǒng)概述

1.1 伺服系統(tǒng)的基本概念

1.1.1 伺服系統(tǒng)的定義

1.1.2 伺服系統(tǒng)的組成

1.1.3 伺服系統(tǒng)性能的基本要求

1.1.4 伺服系統(tǒng)的種類

1.2 伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

l.3 交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

1.3.1 交流伺服電機(jī)

1.3.2 功率變換器

1.3.3 傳感器

1.3.4 控制器

1.4 交流伺服系統(tǒng)的分類

1.4.1 按伺服系統(tǒng)控制信號(hào)的處理方法分類

1.4.2 按伺服系統(tǒng)的控制方式分類

1.5 交流伺服系統(tǒng)的常用性能指標(biāo)

1.6 伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

第2章 感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)

2.1 感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2 感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與坐標(biāo)變換

2.2.1 矢量控制的基本思路

2.2.2 在三相靜止坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

2.2.3 坐標(biāo)變換

2.3 感應(yīng)電機(jī)的矢量控制

2.3.1 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向M-T坐標(biāo)系中的基本方程

2.3.2 轉(zhuǎn)差頻率控制

2.3.3 解耦控制

2.3.4 磁通與電流控制

2.3.5 坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)

2.3.6 弱磁控制

2.3.7 M-T坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)矢量控制伺服系統(tǒng)的構(gòu)成

2.4 伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效直流電機(jī)常數(shù)

2.4.1 伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效電路

2.4.2 伺服控制感應(yīng)電機(jī)的等效直流電機(jī)常數(shù)

2.4.3 伺服控制感應(yīng)電機(jī)的特性框圖與時(shí)間常數(shù)

2.5 關(guān)于感應(yīng)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制

第3章 永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)

3.1 詠磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成

3.2 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

3.3 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

3.3.1 永磁同步電機(jī)的基本方程

3.3.2 永磁同步電機(jī)的d、q軸數(shù)學(xué)模型

3.4 tqE弦波永磁同步電機(jī)的矢量控制方法

3.4.1 i=0控制

3.4.2 最大轉(zhuǎn)矩控制

3.4 ，3弱磁控制

3.4.4 cos=1控制

3.4.5 最大效率控制

3.4.6 永磁同步電機(jī)的參數(shù)與輸出范圍

3.5 交流伺服電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)

3.5.1 狀態(tài)方程與控制框圖

3.5.2 解耦控制與坐標(biāo)變換的實(shí)現(xiàn)

3.5.3 電流控制器的分析與設(shè)計(jì)

3.5.4 速度控制器的設(shè)計(jì)

3.5.5 位置控制器的設(shè)計(jì)

3.5.6 d-q坐標(biāo)系下永磁同步伺服電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的構(gòu)成

3.6 永磁同步伺服電機(jī)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.6.1 電機(jī)主要尺寸的確定

3.6.2 電動(dòng)勢(shì)的正弦化設(shè)計(jì)

3.6.3 定位轉(zhuǎn)矩的抑制技術(shù)

第4章 交流伺服系統(tǒng)的功率變換電路

4.1 交流伺服系統(tǒng)功率變換主電路的構(gòu)成

4.2 功率開關(guān)器件

4.2.1 功率晶體管(GTR)

4.2.2 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)

4.2.3 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)

4.3 功率變換主電路的設(shè)計(jì)

4.3.1 逆變電路的設(shè)計(jì)

4.3.2 緩沖電路的設(shè)計(jì)

4.3.3 整流電路的設(shè)計(jì)

4.3.4 濾波電路的設(shè)計(jì)

4.3.5 制動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

4.4 PWM控制技術(shù)

4.4.1 正弦波脈寬調(diào)制(s;PWM)控制技術(shù)

4.4.2 t電流跟蹤型PWM控制技術(shù)

4.4.3 電壓空間矢量PWM控制技術(shù)

第5章 交流伺服系統(tǒng)常用的傳感器

5.1 位置傳感器

5.1.1 旋轉(zhuǎn)變壓器

5.1.2 感應(yīng)同步器

5.1.3 旋轉(zhuǎn)變壓器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器

5.1.4 光電編碼器

5.1.5 磁性編碼器

5.1.6 幾種傳感器的對(duì)比

5.2 速度傳感器

5.2.1 測(cè)速發(fā)電機(jī)

5.2.2 數(shù)字轉(zhuǎn)速傳感器

5.3 電流傳感器

5.3.1 霍爾電流傳感器

5.3.2 電流檢測(cè)IC

5.3.3 電阻+絕緣放大器

5.4 電壓傳感器

5.5 溫度傳感器

第6章 交流伺服系統(tǒng)常用的控制策略

6.1 基于滯回單元的有限時(shí)間整定控制

6.1.1 基于滯回單元的有限時(shí)間整定控制的原理

6.1.2 滯回(HYS)單元

6.2 非線性規(guī)范模型跟蹤控制

6.2.1 非線性規(guī)范模型跟蹤控制的原理

6.2.2 魯棒補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)

6.3 2自由度控制

6.3.1 2自由度控制系統(tǒng)的定義

6.3.2 2自由度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式

6.3.3 2自由度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

6.3.4 2自由度PID控制

6.4 H控制

6.4.1 交流伺服系統(tǒng)的靈敏度函數(shù)和補(bǔ)靈敏度函數(shù)

6.4.2 H混合靈敏度問題

6.4.3 加權(quán)函數(shù)的選擇及H魯棒控制器的設(shè)計(jì)

6.5 自適應(yīng)控制

6.5.1 自校正控制系統(tǒng)(STCS)

6.5.2 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)(MRACS)

6.6 滑模變結(jié)構(gòu)控制

6.6.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制原理

6.6.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本設(shè)計(jì)方法

6.7 智能控制

6.7.1 專家系統(tǒng)及專家控制

6.7.2 模糊控制

6.7.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

6.7.4 學(xué)習(xí)控制

6.7.5 預(yù)測(cè)控制

6.8 交流伺服電機(jī)的高性能控制--機(jī)械諧振系統(tǒng)的振動(dòng)控制

6.8.1 控制對(duì)象及問題的提出

6.8.2 諧振的各種控制方法

第7章 直接驅(qū)動(dòng)交流伺服系統(tǒng)

7.1 概述

7.2 直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)

7.2.1 直接驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)

7.2.2 直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)應(yīng)具備的特性

7.2.3 直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)及安裝形式

7.2.4 直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的分類

7.3 直接驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)的研究與發(fā)展

7.3.1 電磁型直接驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)

7.3.2 動(dòng)電型直接驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)

7.4 關(guān)于直接驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)的控制策略

7.5 直接驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的發(fā)展方向分析

第8章 直線交流伺服系統(tǒng)

8.1 概述

8.2 直線電動(dòng)機(jī)的工作原理

8.3 直線電動(dòng)機(jī)的分類

8.3.1 按結(jié)構(gòu)型式分類

8.3.2 按功能用途分類

8.3.3 按工作原理分類

8.4 直線感應(yīng)電機(jī)技術(shù)

8.4.1 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

8.4.2 直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本工作原理

8.4.3 直線感應(yīng)電機(jī)的基本特性

8.4.4 直線感應(yīng)電機(jī)的矢量控制

8.5 直線永磁同步電機(jī)

8.5.1 直線永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

8.5.2 直線永磁同步電機(jī)的基本工作原理

8.5.3 直線永磁同步電機(jī)的分類

8.5.4 直線永磁同步電機(jī)的軸數(shù)學(xué)模型

8.6 高頻響、短行程直線伺服電機(jī)

8.6.1 直流型高頻響、短行程直線伺服電機(jī)

8.6.2 磁阻型高頻響、短行程直線伺服電機(jī)

8.7 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)

8.7.1 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理

8.7.2 直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分析

8.8 關(guān)于直線交流伺服電機(jī)的控制策略

8.8.1 傳統(tǒng)的控制策略

8.8.2 現(xiàn)代控制策略

8.8.3 智能控制策略

8.9 高速機(jī)床直線電機(jī)進(jìn)給伺服系統(tǒng)

8.9.1 直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)

8.9.2 直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)存在的關(guān)鍵技術(shù)問題

8.9.3 直線交流伺服電機(jī)系統(tǒng)的主要指標(biāo)及參數(shù)

8.9.4 直線電機(jī)伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

附錄

附錄A 直流伺服電機(jī)的主要用語與定義

附錄B 永磁同步伺服電機(jī)參數(shù)的等效直流電機(jī)換算

參考文獻(xiàn)

自20世紀(jì)80年代以來，隨著現(xiàn)代電機(jī)技術(shù)、材料技術(shù)、傳感器技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等支撐技術(shù)的快速發(fā)展，伺服控制技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步。尤其是矢量控制技術(shù)的發(fā)展，使得交流電機(jī)高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的轉(zhuǎn)矩控制得以實(shí)現(xiàn)，極大地提高了交流伺服系統(tǒng)的性能，從而使得交流伺服系統(tǒng)的電機(jī)控制復(fù)雜、控制特性差等問題的解決取得了突破性的進(jìn)展。交流伺服系統(tǒng)在各種應(yīng)用領(lǐng)域充分展現(xiàn)了高精度、高動(dòng)態(tài)性能、高可靠性、高效率、體積小、重量輕等突出的優(yōu)勢(shì)。

《交流伺服電機(jī)及其控制》全面、系統(tǒng)、深入地闡述了交流伺服系統(tǒng)的工作原理、組成及設(shè)計(jì)方法?！督涣魉欧姍C(jī)及其控制》第1章介紹了伺服系統(tǒng)的概念、發(fā)展過程以及交流伺服系統(tǒng)的構(gòu)成、分類、性能指標(biāo)、發(fā)展趨勢(shì);第2章介紹了感應(yīng)電機(jī)伺服控制系統(tǒng);第3章介紹了永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng);第4章介紹了交流伺服控制系統(tǒng)功率變換電路;第5章介紹了伺服系統(tǒng)常用傳感器的工作原理;第6章介紹了交流伺服系統(tǒng)常用的控制策略;第7章介紹了直接驅(qū)動(dòng)交流伺服系統(tǒng);第8章介紹了直線交流伺服系統(tǒng)。

可供高等院校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)本科生、研究生作為教材或參考書使用，也可供科研院所、廠礦企業(yè)從事自動(dòng)化技術(shù)的科技工作者參考使用。

步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似(脈沖串和方向信號(hào))，但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

精度不同

兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、 1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小。如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09°;德國百格拉公司(BERGER LAHR)生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角(如果采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，還可以將其細(xì)分至更小，比如1.8度/512細(xì)分=0.003515625度)。 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/10000=0.036°。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收217=131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=9.89秒。是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。

低頻不同

步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能(FFT)，可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。

矩頻不同

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300~600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速(一般為2000RPM或3000RPM)以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

過載不同

步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

運(yùn)行不同

步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

響應(yīng)不同

步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速(一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn))需要200~400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。

總結(jié)

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。