伺服驅(qū)動控制-機床行業(yè)百科-機床商務(wù)網(wǎng)

1簡介

2交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)

3主要控制技術(shù)

.單片機控制

1簡介

伺服驅(qū)動控制，主要針對交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺服驅(qū)動是一門包含著豐富內(nèi)容的綜合性技術(shù)。它的發(fā)展離不開電力電子技術(shù)、大功率驅(qū)動技術(shù)、電機制造技術(shù)、計算機控制技術(shù)和控制理論學科的發(fā)展。伴隨各項技術(shù)的發(fā)展和完善，伺服驅(qū)動控制的研究也在不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。

隨著交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)在工業(yè)、軍事、宇航等各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的研究工作也再不斷深入。分析*交流伺服驅(qū)動產(chǎn)品的功能設(shè)置和結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究其控制策略，對于在工程實際中，充分應(yīng)用其功能，或者自主研制交流伺服驅(qū)動產(chǎn)品，都是非常有意義的。

2交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)

自二十世界七十年代以來，隨著電力電子技術(shù)、大功率驅(qū)動技術(shù)、電機制造技術(shù)、計算機控制技術(shù)和控制理論學科的發(fā)展，高速、高集成度、低成本的微處理器問世及商品化，全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)進入全面發(fā)展的階段。目前，在交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，普遍應(yīng)用的交流伺服電動機有兩大類。一類稱為無刷直流電動機（The Brushless DC Motor，簡稱 BLDCM），另一類稱為永磁同步電動機（Permanent Magnet Synchronous Motor，簡稱 PMSM）。在高性能伺服領(lǐng)域，由于永磁交流伺服系統(tǒng)在轉(zhuǎn)矩/慣量比、單位電流轉(zhuǎn)矩、功率密度、轉(zhuǎn)矩波動、調(diào)速范圍、損耗、熱容量和效率等方面都具有明顯的優(yōu)勢，因此，在實際系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

3主要控制技術(shù)

在高精度伺服系統(tǒng)中,研究各種控制方法的終目的是為了提高定位精度、減小位置跟隨誤差。針對進給機構(gòu)中各個環(huán)節(jié)中影響加工精度的各種因素,如電氣傳動環(huán)節(jié)中的諧波問題,磁鏈、電阻等參數(shù)時變問題,機械傳動環(huán)節(jié)中的摩擦問題,負載擾動等問題,國內(nèi)外學者進行了大量的研究。

單片機控制

對于采用單片機來實現(xiàn)對電機的控制,需要配置大量的外圍數(shù)字集成電路來進行各種邏輯控制和擴展口或存儲器來存儲大量的數(shù)據(jù)同時也需要花大量時間選擇相應(yīng)的大量元器件,故基于單片機的數(shù)字交流伺服控制存在可靠性程度不高的缺點此外,基于單片機程序軟件的伺服控制,學習難度大、速度慢、開發(fā)周期長,己越來越很難適應(yīng)現(xiàn)代復雜高性能伺服控制的要求以及不斷快速更新的需要同時,在實時性和精度要求高、處理的數(shù)據(jù)量大的應(yīng)用中,如采用矢量控制的交流伺服控制,用單片機來作為電機控制器實現(xiàn)的難度比較大。因此越來越多的交流伺服控制研究開發(fā)人員逐漸選用DSP芯片作為控制器實現(xiàn)。

DSP控制

與單片機相比,DSP芯片采用改進的哈佛結(jié)構(gòu),具有獨立的程序與數(shù)據(jù)空間,允許同時存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置的高速硬件乘法器,增強的多級流水線,使芯片具有高速的數(shù)據(jù)運算能力,單指令執(zhí)行時間比單片機執(zhí)行所需時間快一倍,可以實現(xiàn)基于復雜算法的伺服控制芯片取代單片機實現(xiàn)交流伺服控制減少外接元器件的數(shù)量,提高伺服控制系統(tǒng)的可靠性。

可編程單芯片電機控制器

隨著微電子芯片技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了可編程單芯片電機控制器的一設(shè)計方法。采用這種方法將伺服控制系統(tǒng)的控制功能和通信監(jiān)控等功能集成到一塊芯片上,簡化系統(tǒng)復雜的構(gòu)成結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)的可靠性和運行處理的快速實時性,是交流伺服控制未來的發(fā)展趨勢之一。

4控制策略

矢量控制

矢量控制理論的提出從根本上解決了交流電動機轉(zhuǎn)矩的高性能控制問題。基本思想就是利用電動機外部的控制系統(tǒng)，對定子磁動勢相對勵磁磁動勢的空間角度（也就是定子電流空間矢量的相位）和定子電流幅值進行控制，從而在三相永磁同步動機上模擬直流電機轉(zhuǎn)矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標上，將定子電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量di 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量qi ,并使兩分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調(diào)節(jié)。這樣實現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就和直流電動機相似了。因此，矢量控制的關(guān)鍵仍是對電流矢量的幅值和空間位置的控制。由于定子側(cè)的各物理量（電壓，電流，電動勢，磁動勢）都是交流量，其空間矢量在空間以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因此，需要借助于坐標變換，使各物理量從靜止坐標系變換到同步旋轉(zhuǎn)坐標系，在同步旋轉(zhuǎn)坐標系上，各物理量都變成直流量，根據(jù)轉(zhuǎn)矩與定子電流矢量各分量的關(guān)系，計算轉(zhuǎn)矩控制所需的被控矢量的各分量值。由于各直流量是假想的，實際上不存在，還必須經(jīng)過坐標逆變換，從旋轉(zhuǎn)坐標系回到靜止坐標系，把所需的直流給定量變換成交流給定量。

SVPWM的實現(xiàn)

交流伺服系統(tǒng)通常采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制SVPWM控制方式。普通的運動系統(tǒng)中,逆變器是根據(jù)控制信號將直流電轉(zhuǎn)換成電壓、頻率可調(diào)的正弦功率變換裝置。在高性能的運動系統(tǒng)中,需要考慮逆變機制的影響,包括由于脈沖調(diào)制產(chǎn)生的諧波和波形畸變。SVPWM把逆變器和電動機視為一體,按照跟蹤圓形磁場來控制電壓,從而能取得更好的控制效果。在基于SVPWM的數(shù)字化矢量控制系統(tǒng)中,載波頻率可以通過設(shè)置中斷周期控制,而脈寬指令的產(chǎn)生卻和電動機運行速度、系統(tǒng)載波頻率、母線電壓等因素有關(guān)。

5發(fā)展趨勢

伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的系統(tǒng)，同時伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求，基于常規(guī)控制理論設(shè)計的電機控制系統(tǒng)存在缺陷和不足。傳統(tǒng)控制器的設(shè)計通常需要被控對象有非常的數(shù)學模型，而永磁電機是一個非線性多變量系統(tǒng)，難以的確定其數(shù)學模型，按照近似模型得到的優(yōu)控制在實際上往往不能保證優(yōu)，受建模動態(tài)，非線性及其他一些不可預(yù)見參數(shù)變化的影響，有時甚至會引起控制品質(zhì)嚴重下降，魯棒性得不到保證。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進一些*的復合型控制策略以改進控制器性能是當前發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的一個主要突破口。由于高性能的微處理器應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)，在控制上由通常所采用的 PID 控制規(guī)律，開始轉(zhuǎn)向現(xiàn)代控制理論，自適應(yīng)控制、人工智能、模糊控制、變結(jié)構(gòu)控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等新成果開始應(yīng)用于交流伺服驅(qū)動控制方面。