永磁同步伺服电机控制系统研究及在组合机床中的应用
永磁同步伺服电机控制系统研究适用于-Svero 电机
概括
伺服系统是在自动控制理论的指导下，以机械运动驱动设备和伺服电机为控制对象，以控制器为核心，电力电子功率变换装置为执行机构组成的电气传动自动控制系统。组合机床通常由标准通用部件和专用加工部件组合而成。动力元件由电动机或液压系统驱动，电气系统控制自动工作循环。是一种典型的机电或机电液一体化自动化加工设备。此类系统控制电机的扭矩、速度和角度，将电能转化为机械能，实现移动机械的运动要求。
一、前言
电气伺服技术应用最为广泛。主要原因是控制方便灵活、驱动能源容易获取、无污染、易于维护。特别是随着电子技术和计算机软件技术的发展，为电气伺服技术的发展提供了广阔的前景。早在 20 世纪 70 年代，小惯量伺服直流电机就已实用化。 20世纪70年代末，交流伺服系统开始发展并逐渐实用化。交流伺服电机的应用越来越广泛，并有取代直流伺服系统成为电气伺服系统主流的趋势。永磁转子同步伺服电机由于永磁材料的不断改进、价格下降、控制比异步电机更简单，更广泛地应用于具有自主知识产权的交流伺服系统中。高性能交流伺服控制技术，特别是最具前景的永磁同步电机伺服控制技术，具有重要的理论意义和实用价值。
随着高效变频器、数字信号控制器、高性能伺服电机和控制理论的发展，交流伺服系统取代直流伺服系统已成为必然趋势。 PMSM转子无励磁绕组，电机运行效率高。采用高效稀土永磁材料励磁，可以有效减小电机的体积和重量，实现高扭矩输出，并显着降低转子惯量。因此，PMSM广泛应用于高性能交流伺服驱动系统中。脉宽调制是一种模拟控制方法，根据相应负载的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，以实现开关稳压电源的输出晶体管或晶体管导通时间的变化。这种方法可以使电源的输出电压在工作条件发生变化时保持恒定。它是利用微处理器的数字输出来控制模拟电路的非常有效的技术。 WM控制技术以其控制简单、灵活、动态响应良好等优点，成为电力电子技术中应用最广泛的控制方法，也是研究的热点课题。由于科学技术发展到今天已经没有学科界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将成为PWM控制技术发展的主要方向之一。 20世纪80年代，博士提出了一种新的脉宽调制方法——空间矢量PWM调制，将空间矢量引入到脉宽调制中。它具有线性范围宽、高次谐波少、易于数字化实现等优点，在新型驱动器中得到了广泛的应用。分析了三相交流电机空间矢量脉宽调制的原理，讨论了采用空间矢量脉宽调制的三相桥式电压逆变器的电压输出能力。对SVPWM与基于载波的SPWM进行了比较分析，指出了SVPWM与叠加三次谐波的SPWM之间的联系。零序矢量的不同放置位置可以导致不同的 SVPWM 调制方法。在每个PWM周期中仅插入一个零序矢量，可以减少1/3的开关次数，实现开关损耗最小的SVPWM调制。
近年来，伺服电机控制技术正向通信化、数字化、智能化三个方向发展。伺服系统作为数控机床的执行机构，集电力电子器件、控制、驱动和保护于一体。随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术和现代控制技术的进步，经历了从步进到直流再到交流的发展历史。
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2、交流伺服电机的组成与结构
交流伺服电机的结构主要分为两部分，即定子部分和转子部分。定子的结构与旋转变压器基本相同。在定子铁芯中，两相绕组也彼此成 90° 电角放置。其中L1-L2称为励磁绕组，k1-k2称为控制绕组，因此交流伺服电机为两相交流电机。
常用的转子结构有鼠笼式转子和无磁杯式转子。鼠笼转子交流伺服电机的结构，其转子由转轴、转子铁心和转子绕组组成。转子铁芯由硅钢片叠层而成。每片都被冲成齿形和槽形，然后叠在一起将轴压入轴孔中。铁芯各槽内装有导条，所有导条的两端均连接有两个短路环，构成转子绕线笼型转子。
无磁杯形转子交流伺服电机的结构与鼠笼式转子伺服电机的定子具有相同的外定子。内定子由环形钢板制成。通常内定子不带绕组，只是代替鼠笼式转子的铁芯作为电机。磁路的一部分。在内定子和外定子之间的转轴上安装有一个细长的空心转子。空心转子制成杯状，故又称空心杯转子。空心杯由非磁性材料铝或铜制成。其杯壁极薄，通常在0.3毫米左右。杯形转子置于内定子铁芯外部，通过转轴可在内、外定子之间的气隙中自由旋转，而内、外定子则静止。与鼠笼式转子相比，无磁杯形转子惯性小，轴承摩擦力矩小。由于其转子没有齿和槽，定子和转子之间没有槽粘附，扭矩不会随着转子的不同位置而变化。匀速旋转时，转子一般不抖动，运行平稳。但由于内外定子之间的气隙（杯壁厚度加上杯壁两侧的气隙）较大，导致励磁电流较大，降低了电机的利用率。因此，在相同体积和重量的情况下，在一定功率范围内，杯形转子伺服电机产生的启动扭矩和输出功率比鼠笼式转子伺服电机小；此外，杯形转子伺服电机的结构和制造工艺较为复杂。因此，鼠笼式转子伺服电机目前得到广泛应用。只有在某些要求运行非常平稳的特殊场合（如积分电路等），才采用无磁杯形转子伺服电机。
三、交流伺服电机工作原理
交流伺服电机的工作原理与单相感应电机没有本质区别。但是，交流伺服电机必须有一个性能，就是要能够克服交流伺服电机所谓的“旋转”现象，即在没有控制信号的情况下，尤其是在有控制信号的情况下，它不应该旋转。已经旋转了。如果控制信号消失，应能立即停止转动。普通感应电机开始旋转后，如果控制信号消失，往往会继续旋转。
当电机原来处于静止状态时，如果控制绕组不加控制电压，则只有励磁绕组通电，产生脉动磁场。脉动磁场可以看作两个圆形旋转磁场。这两个圆形旋转磁场以相同的大小和速度以相反的方向旋转。建立的正向和反向旋转磁场分别切割笼式绕组（或杯形壁）并感应出大小相同、相位相反的电动势和电动势。电流（或涡流）、这些电流产生的扭矩及其各自的磁场也大小相等、方向相反。合成扭矩为零，伺服电机转子无法旋转。一旦控制系统出现偏差信号，控制绕组就必须接收相应的控制电压。一般来说，电机内部产生的磁场是椭圆形旋转磁场。椭圆形旋转磁场可以看作是两个圆形旋转磁场的合成。这两个圆形旋转磁场的幅值并不相等（与原椭圆形旋转磁场方向相同的正向磁场较大，与原方向相反的反向磁场较小），但它们以相同的速度向相反的方向旋转。它们在切割转子绕组时感应出的电势和电流以及产生的电磁转矩也方向相反且大小不一（正转较大，反转较小）。合成扭矩不为零，因此伺服电机沿正向磁场方向旋转。随着信号的增加，磁场接近圆形。此时，正向磁场及其扭矩增大，反向磁场及其扭矩减小，合成扭矩变大。如果负载扭矩保持不变，转子的速度会增加。如果改变控制电压的相位，即相位偏移180°，则旋转磁场将转向相反的方向，因此产生的合力扭矩的方向也将相反，伺服电机将反转。如果控制信号消失，只有励磁绕组通过电流，则伺服电机产生的磁场将是脉动磁场，转子将很快停止。鼠笼转子（或无磁杯转子）由于空间存在旋转磁场而旋转。旋转磁场切割转子导条，在转子导条中产生感应电势和电流。转子导条中的电流与旋转磁场相互作用产生力和扭矩。扭矩的方向与旋转磁场的方向相同，因此转子 与旋转磁场的方向相同地旋转。
随着液压技术的不断发展和进步以及应用领域和范围的不断扩大，对系统的灵活性和各种性能要求更高。采用传统的系统设计来完成执行器的预定动作周期并受限于系统的静态性能是远远不可行的。满足要求。因此，现代液压系统设计研究人员非常有必要研究系统的动态特性，了解和掌握液压系统的动态工作特性和参数变化，提高系统的响应特性、控制精度和工作可靠性。 。
液压系统的动态特性是失去原来的平衡状态并达到新的平衡状态的过程中表现出来的特性。其原因主要是传动和控制系统的工艺变化以及外界干扰造成的。在此过程中，各系统参数随时间变化的表现决定了系统动态特性的好坏。系统的动态特性主要包括稳定性（系统的瞬时压力峰值和波动）和过渡过程质量（执行和控制机制的响应质量和响应速度）。
液压系统动态特性的研究方法主要有传递函数分析法、仿真方法、实验研究方法和数字仿真方法。数字仿真方法是利用计算机技术研究液压系统动态特性的方法。首先建立液压系统动态过程的数字模型——状态方程，然后在计算机上得到系统中主要变量动态过程的时域解。该方法适用于线性和非线性系统，可以模拟系统参数在输入函数作用下的变化，从而获得对系统动态过程的直接、全面的了解，使研究人员能够预测液压系统在运行过程中的动态性能。设计阶段。 ，以便及时验证和改进设计结果，保证系统的工作性能和可靠性。具有准确、适应性强、周期短、成本低等优点。
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4. PWM调制技术和死区补偿技术
IGBT（绝缘栅双极晶体管），是由BJT（双极三极管）和MOS（绝缘栅场效应晶体管）组成的复合全控电压驱动功率半导体器件。它兼具高输入阻抗和GTR的低导通压降两大优点。 GTR饱和电压降低，载流密度大，但驱动电流大；驱动功率小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT综合了上述两种器件的优点，驱动功率低，饱和电压降低。非常适合用于直流电压600V及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
在感应电机SVPWM调制控制中，对定子电流进行预测，计算死区的影响，提出预测补偿算法。通过仿真分析逆变器死区的特性，建立了死区的数学模型和整个系统的非线性模型，并采用自适应变结构控制策略来消除逆变器死区的影响。无需测量死区参数，鲁棒性强，可以使系统全局稳定，实现精确的位置跟踪。
5、无传感器控制技术
在永磁同步电机驱动系统中去除位置传感器更具挑战性，因为电机三相始终通电，没有反电动势信号可供使用，并且所需的位置信息不限于六次换向无刷直流电机。观点。这需要设计更复杂的观测器，使用测量的相电压和相电流来估计准确的位置信息。通过建立磁链方程设计磁链观测器。利用谐波无功功率中包含的位置信息。凸极永磁同步电机在采用无传感器技术方面比隐极永磁同步电机更具优势。这是因为凸极电机的电感随着转子的旋转而呈正弦变化。该特性可用于检测低速。较低的转子位置。同样为了降低成本，减少永磁同步电机驱动系统中的电流传感器也受到关注。本文给出了一种方法，只需要一个电流传感器采用适当的方法来检测母线电流，而不是使用三个电流传感器分别检测三相电流。
6. PMSM鲁棒控制
应用于永磁同步电机的各种鲁棒控制方法也引起了研究人员的极大兴趣。这是因为当电机负载或电机参数发生变化时，传统的PID控制很可能使控制系统的动态特性恶化。电机负载或电机参数的这种变化是不可避免的。因此，有必要设计鲁棒控制器来抑制参数变化对控制性能的影响。为了满足这一需求，提出了滑模变结构控制方案，并提出了自适应控制策略来设计永磁同步电机的位置和速度控制器。作为PID控制的乐观替代方案，模糊控制策略也被引入到永磁同步电机控制器中，以提高永磁同步电机面对负载转矩变化时的鲁棒性。
此外，利用空间矢量调制技术，针对永磁同步电机的电流控制提出了更为复杂的电流控制策略。这些先进的电流控制器引入了预测控制方法，并提供全数字控制解决方案，以改善电流环路的特性。
七、结论
现代交流伺服驱动器具有参数记忆、故障自诊断和分析功能。大多数进口驱动器都具有负载惯量测量和自动增益调节功能。有的可以自动识别电机参数并自动确定编码器零位，有的可以自动抑制振动。同时，其伺服对象也具有较强的不确定性和非线性，系统在运行过程中会受到不同程度的干扰。因此，按照常规的控制策略很难满足高性能永磁同步电机伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论的新发展，引入一些先进的“复合控制策略”来提高作为永磁同步电机伺服系统核心部件的“控制器”的性能，弥补“硬”的缺陷。系统中存在的“硬约束”应该是当前高性能PMSM伺服系统发展的一大“突破”。
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