交流伺服系統(tǒng)中有關(guān)各種新型控制算法不斷涌現(xiàn)，如自適應(yīng)控制、磁場定向控制、直接轉(zhuǎn)矩控制及智能控制燈，這些算法的出現(xiàn)使得交流伺服系統(tǒng)原理更加復(fù)雜。本節(jié)將深入淺出講解交流伺服系統(tǒng)的基本控制原理以及伺服單元基本控制方式，并闡述功率放大單元的逆變環(huán)節(jié)、感應(yīng)電動機(jī)原理。最后介紹及偵查原理。

  如圖4-26所示，速度控制器比較速度指令和速度反饋信號，并輸出電流指令信號，該信號表征電流幅值。但由于電動機(jī)是交流電動機(jī)，要求在其定子繞組中通入交流電流，因此必須將速度控制器輸出的直流信號指令交流化。位置檢測器輸出的磁極位置信號在乘法器中與直流電流指令值相乘，輸出端就獲得了交流電流指令值。交流電流指令值與電流反饋信號相比較后，差值送入電流控制器。電流控制器輸出一定頻率和幅值的電流信號，并用來對電流脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，最后將調(diào)制后的脈寬信號作為逆變器的輸入，逆變器輸出一個波形與交流電流指令相似但幅值要高得多的正弦電流，該正弦電流與永磁體相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，推動交流伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動。

圖4-26 交流伺服控制框圖

  一、伺服控制單元基本原理

  交流伺服控制器主要由速度控制器、電流控制器和PWM生成電路組成?？刂品绞缴辖涣魉欧刂朴妹}沖串和方向信號實現(xiàn)。交流伺服控制系統(tǒng)有三種控制方式速度控制、轉(zhuǎn)矩控制和位置控制。

  1. 速度控制

  速度控制方式主要以模擬量來控制。如果對位置和速度有一定的精度要求，用速度或位置模式較好如果上位控制器有比較好的閉環(huán)控制功能，則可選用速度控制。根據(jù)電動機(jī)的類型，調(diào)速控制系統(tǒng)也分不同類型，如異步電動機(jī)的變頻調(diào)速和同步電動機(jī)的變頻調(diào)速，異步電動機(jī)的變頻調(diào)速分為籠型異步電動機(jī)的變頻調(diào)速和PWM型變頻調(diào)速。下面以PWM型變頻調(diào)速為例來詳細(xì)說明交流伺服控制原理。

  圖4-27給出了PWM調(diào)速系統(tǒng)示意圖，主電路由不可控整流器UR、平波電容器C 和逆變器UI構(gòu)成。逆變器輸入為固定不變的直流電壓Ua，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的脈沖寬度和頻率來實現(xiàn)調(diào)壓和調(diào)頻，同時減小三相電流波形畸變的輸出。這種形式主電路特點(diǎn)如下：

  ① 由于主要電路只有一個功率控制級UI，因而結(jié)構(gòu)簡單。

  ② 由于使用了不可控整流橋，因而電網(wǎng)功率因數(shù)跟逆變器的輸出大小無關(guān)。

  ③ 逆變器在調(diào)頻時實現(xiàn)調(diào)壓，與中間直流環(huán)節(jié)的元件參數(shù)無關(guān)，從而加快了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。實際的變頻調(diào)速系統(tǒng)一般都需要加上完善的保護(hù)以確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

圖4-27 PWM調(diào)速系統(tǒng)示意圖

  2. 位置控制

  在有上位控制裝置的外環(huán)PID控制時速度模式也可以進(jìn)行定位，但必須把電動機(jī)的位置信號或直接負(fù)載的位置信號給上位反饋以做運(yùn)算用。位置模式也支持直接負(fù)載外環(huán)檢測位置信號，電動機(jī)軸端的編碼器只檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)速。由于位置模式對速度和位置都有很嚴(yán)格的控制，因而其主要應(yīng)用于定位裝置，如數(shù)控機(jī)床、印刷機(jī)械等。

  3. 轉(zhuǎn)矩控制

  轉(zhuǎn)矩控制方式實際上就是通過外部模擬量的輸入或直接的地址賦值來設(shè)定電動機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩。例如10V對應(yīng)5N·m的話，當(dāng)外部模擬量設(shè)定為5V時，電動機(jī)軸輸出為2.5N·m。如果電動機(jī)軸負(fù)載低于2.5N·m時電動機(jī)正轉(zhuǎn)，外部負(fù)載等于2.5N·m時電動機(jī)不轉(zhuǎn)，大于 2.5N·m 時電動機(jī)反轉(zhuǎn)(通常在有重力負(fù)載情況下產(chǎn)生)。可以通過即時改變模擬量的設(shè)定來改變設(shè)定力矩大小，也可通過通信方式改變對應(yīng)的地址的數(shù)值來實現(xiàn)。轉(zhuǎn)矩控制主要應(yīng)用在對材質(zhì)的受力有嚴(yán)格要求的纏繞和放卷的裝置中，例如繞線裝置或拉光纖設(shè)備。

  二、功率放大單元原理

  在交流伺服系統(tǒng)中，功率放大電路主要包括整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)。接下來將主要介紹功率放大電路的逆變環(huán)節(jié)。

  如圖4-28所示，該逆變橋式電路每個周期共有6個工作狀態(tài)，采用180°導(dǎo)電型。每個工作狀態(tài)都有3個晶閘管同時導(dǎo)通。這6個工作狀態(tài)分別是(VT1，VT2，VT3)(VT2，VT3,VT4)(VT3,VT4,VT5)(VT4,VT5,VT6)(VT5,VT6,VT1)(VT6,VT1, VT2)。VD1～VD6是續(xù)流二極管。逆變電路的作用是將直流電逆變成頻率可調(diào)的三相交流電。在分析逆變器工作時，通常要分析穩(wěn)定工作狀態(tài)和換相過程兩種狀態(tài)，穩(wěn)定工作狀態(tài)持續(xù)時間長在換相過程中，希望逆變管VT1～VT6能夠順利快速地?fù)Q向并且無差錯。

圖4-28 三相橋式逆變電路圖

  三、感應(yīng)電動機(jī)原理

  感應(yīng)電動機(jī)是指將轉(zhuǎn)子置于轉(zhuǎn)動磁場中，由于渦電流的作用使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的裝置。轉(zhuǎn)動磁場并不是用機(jī)械方法生成的，而是以交流電通于數(shù)對電磁鐵中，并使其磁極性質(zhì)循環(huán)改變。感應(yīng)電流有反抗磁場與轉(zhuǎn)子發(fā)生相對運(yùn)動的效應(yīng)，故轉(zhuǎn)子隨磁場轉(zhuǎn)動。但此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度沒有磁場變換速度高，否則磁力線將不能為導(dǎo)體所切割。感應(yīng)電動機(jī)和同步電動機(jī)定子是一樣的，只是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同而已。

  圖4-29給出了一個籠型感應(yīng)電動機(jī)的工作原理圖。轉(zhuǎn)子槽內(nèi)有導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端用斷路環(huán)連接起來，從而形成一個閉合繞組。當(dāng)定子繞組加上對稱的三相交流電壓后，定子三相繞組中便有對稱的三相電流通過，轉(zhuǎn)子及定子繞組聯(lián)合產(chǎn)生一個定子旋轉(zhuǎn)磁場(N、S極)。設(shè)定子旋轉(zhuǎn)磁場以轉(zhuǎn)速n1沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則它的磁力線將切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體而感應(yīng)電勢，電勢的方向可用右手定則確定。在該電勢的作用下轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電流。由電磁力定律可知，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到電磁力f的作用，它的方向可由左手定則確定。在電磁力f的作用下，電動機(jī)轉(zhuǎn)子便開始轉(zhuǎn)動，如果在轉(zhuǎn)子軸上加上機(jī)械負(fù)載，則電動機(jī)拖動機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)。感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速，即兩種轉(zhuǎn)速之間總是存在差異，因而感應(yīng)電動機(jī)又稱為異步電動機(jī)。

圖4-29 籠型感應(yīng)電動機(jī)的工作原理

  四、反饋元件原理

  反饋元件就是對模擬量信號進(jìn)行處理的測量裝置。調(diào)節(jié)系統(tǒng)中測量裝置的作用是產(chǎn)生一個與被調(diào)節(jié)量等效的電信號，而不是原來的被調(diào)節(jié)量(如轉(zhuǎn)速、位移、轉(zhuǎn)角、電流、電壓等)。

  1. 轉(zhuǎn)速測量裝置原理

  交流伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)速測量一般采用測速發(fā)電機(jī)，測速發(fā)電機(jī)主要有多相中頻測速發(fā)電機(jī)、兩相異步測速發(fā)電機(jī)和電勢測速橋電路，如圖4-30所示。

  圖 4-30(a)中多相中頻測速發(fā)電機(jī)是根據(jù)磁阻原理構(gòu)成的，其定子輸出三相或多相交流電壓，該交流電壓經(jīng)整流和濾波后作為直流測量信號。多相中頻測速發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓有很寬的線性工作范圍。圖 4-30(b)中兩相異步測速發(fā)電機(jī)也是一種應(yīng)用廣泛的速度測量裝置，特別是轉(zhuǎn)子異步測速發(fā)電機(jī)，其慣性極小，適合在小功率系統(tǒng)中應(yīng)用。圖4-30(c)中測速橋測量方法具有較小的傳遞系數(shù)、較低的測量精度以及測量電路與功率電路沒有電位隔離的缺點(diǎn)，因而適用于小容量及不宜安裝測速發(fā)電機(jī)的場合。

  圖4-30 測速裝置電路圖

  2. 位置、角度的測量

  位置、轉(zhuǎn)角的測量一般采用自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)電位器。將單個自整角機(jī)的兩相定子繞組通以單相交流電，則在轉(zhuǎn)子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，從而可以檢測出被測裝置實際轉(zhuǎn)過的角度。在位置調(diào)節(jié)系統(tǒng)中常用兩個旋轉(zhuǎn)變壓器構(gòu)成角度傳輸裝置，此時兩個旋轉(zhuǎn)電位器用4根導(dǎo)線連接。