交流伺服系统工作原理是什么

  交流伺服系统中有关各种新型控制算法不断涌现，如自适应控制、磁场定向控制、直接转矩控制及智能控制灯，这些算法的出现使得交流伺服系统原理更加复杂。本节将深入浅出讲解交流伺服系统的基本控制原理以及伺服单元基本控制方式，并阐述功率放大单元的逆变环节、感应电动机原理。最后介绍及侦查原理。

  如图4-26所示，速度控制器比较速度指令和速度反馈信号，并输出电流指令信号，该信号表征电流幅值。但由于电动机是交流电动机，要求在其定子绕组中通入交流电流，因此必须将速度控制器输出的直流信号指令交流化。位置检测器输出的磁极位置信号在乘法器中与直流电流指令值相乘，输出端就获得了交流电流指令值。交流电流指令值与电流反馈信号相比较后，差值送入电流控制器。电流控制器输出一定频率和幅值的电流信号，并用来对电流脉冲宽度进行调制，最后将调制后的脉宽信号作为逆变器的输入，逆变器输出一个波形与交流电流指令相似但幅值要高得多的正弦电流，该正弦电流与永磁体相互作用产生电磁转矩，推动交流伺服电动机转动。

图4-26 交流伺服控制框图

  一、伺服控制单元基本原理

  交流伺服控制器主要由速度控制器、电流控制器和PWM生成电路组成。控制方式上交流伺服控制用脉冲串和方向信号实现。交流伺服控制系统有三种控制方式速度控制、转矩控制和位置控制。

  1. 速度控制

  速度控制方式主要以模拟量来控制。如果对位置和速度有一定的精度要求，用速度或位置模式较好如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，则可选用速度控制。根据电动机的类型，调速控制系统也分不同类型，如异步电动机的变频调速和同步电动机的变频调速，异步电动机的变频调速分为笼型异步电动机的变频调速和PWM型变频调速。下面以PWM型变频调速为例来详细说明交流伺服控制原理。

  图4-27给出了PWM调速系统示意图，主电路由不可控整流器UR、平波电容器C 和逆变器UI构成。逆变器输入为固定不变的直流电压Ua，通过调节逆变器输出电压的脉冲宽度和频率来实现调压和调频，同时减小三相电流波形畸变的输出。这种形式主电路特点如下：

  ① 由于主要电路只有一个功率控制级UI，因而结构简单。

  ② 由于使用了不可控整流桥，因而电网功率因数跟逆变器的输出大小无关。

  ③ 逆变器在调频时实现调压，与中间直流环节的元件参数无关，从而加快了系统的动态响应。实际的变频调速系统一般都需要加上完善的保护以确保系统安全运行。

图4-27 PWM调速系统示意图

  2. 位置控制

  在有上位控制装置的外环PID控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电动机的位置信号或直接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号，电动机轴端的编码器只检测电动机转速。由于位置模式对速度和位置都有很严格的控制，因而其主要应用于定位装置，如数控机床、印刷机械等。

  3. 转矩控制

  转矩控制方式实际上就是通过外部模拟量的输入或直接的地址赋值来设定电动机轴输出转矩。例如10V对应5N·m的话，当外部模拟量设定为5V时，电动机轴输出为2.5N·m。如果电动机轴负载低于2.5N·m时电动机正转，外部负载等于2.5N·m时电动机不转，大于 2.5N·m 时电动机反转(通常在有重力负载情况下产生)。可以通过即时改变模拟量的设定来改变设定力矩大小，也可通过通信方式改变对应的地址的数值来实现。转矩控制主要应用在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如绕线装置或拉光纤设备。

  二、功率放大单元原理

  在交流伺服系统中，功率放大电路主要包括整流环节和逆变环节。接下来将主要介绍功率放大电路的逆变环节。

  如图4-28所示，该逆变桥式电路每个周期共有6个工作状态，采用180°导电型。每个工作状态都有3个晶闸管同时导通。这6个工作状态分别是(VT1，VT2，VT3)(VT2，VT3,VT4)(VT3,VT4,VT5)(VT4,VT5,VT6)(VT5,VT6,VT1)(VT6,VT1, VT2)。VD1～VD6是续流二极管。逆变电路的作用是将直流电逆变成频率可调的三相交流电。在分析逆变器工作时，通常要分析稳定工作状态和换相过程两种状态，稳定工作状态持续时间长在换相过程中，希望逆变管VT1～VT6能够顺利快速地换向并且无差错。

图4-28 三相桥式逆变电路图

  三、感应电动机原理

  感应电动机是指将转子置于转动磁场中，由于涡电流的作用使转子转动的装置。转动磁场并不是用机械方法生成的，而是以交流电通于数对电磁铁中，并使其磁极性质循环改变。感应电流有反抗磁场与转子发生相对运动的效应，故转子随磁场转动。但此转子转动速度没有磁场变换速度高，否则磁力线将不能为导体所切割。感应电动机和同步电动机定子是一样的，只是转子结构不同而已。

  图4-29给出了一个笼型感应电动机的工作原理图。转子槽内有导体，导体两端用断路环连接起来，从而形成一个闭合绕组。当定子绕组加上对称的三相交流电压后，定子三相绕组中便有对称的三相电流通过，转子及定子绕组联合产生一个定子旋转磁场(N、S极)。设定子旋转磁场以转速n1沿逆时针方向旋转，则它的磁力线将切割转子导体而感应电势，电势的方向可用右手定则确定。在该电势的作用下转子导体内便产生电流。由电磁力定律可知，转子导体电流与旋转磁场相互作用使转子导体受到电磁力f的作用，它的方向可由左手定则确定。在电磁力f的作用下，电动机转子便开始转动，如果在转子轴上加上机械负载，则电动机拖动机械负载旋转。感应电动机的转速总是低于同步转速，即两种转速之间总是存在差异，因而感应电动机又称为异步电动机。

图4-29 笼型感应电动机的工作原理

  四、反馈元件原理

  反馈元件就是对模拟量信号进行处理的测量装置。调节系统中测量装置的作用是产生一个与被调节量等效的电信号，而不是原来的被调节量(如转速、位移、转角、电流、电压等)。

  1. 转速测量装置原理

  交流伺服系统转速测量一般采用测速发电机，测速发电机主要有多相中频测速发电机、两相异步测速发电机和电势测速桥电路，如图4-30所示。

  图 4-30(a)中多相中频测速发电机是根据磁阻原理构成的，其定子输出三相或多相交流电压，该交流电压经整流和滤波后作为直流测量信号。多相中频测速发电机的优点是输出电压有很宽的线性工作范围。图 4-30(b)中两相异步测速发电机也是一种应用广泛的速度测量装置，特别是转子异步测速发电机，其惯性极小，适合在小功率系统中应用。图4-30(c)中测速桥测量方法具有较小的传递系数、较低的测量精度以及测量电路与功率电路没有电位隔离的缺点，因而适用于小容量及不宜安装测速发电机的场合。

  图4-30 测速装置电路图

  2. 位置、角度的测量

  位置、转角的测量一般采用自整角机和旋转电位器。将单个自整角机的两相定子绕组通以单相交流电，则在转子绕组上产生感应电压，从而可以检测出被测装置实际转过的角度。在位置调节系统中常用两个旋转变压器构成角度传输装置，此时两个旋转电位器用4根导线连接。