直流伺服電機(jī)在數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)中曾得到廣泛的應(yīng)用,它具有良好的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩特性,但是它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高、體積大,而且電機(jī)的電刷容易磨損,換向器會(huì)產(chǎn)生火花,使直流伺服電機(jī)的容量和使用場合受到限制。交流伺服電機(jī)沒有電刷和換向器等結(jié)構(gòu)上的缺點(diǎn);并且隨著新型功率開關(guān)器件、專用集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制算法等的發(fā)展,促進(jìn)了交流驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)展,使得交流伺服驅(qū)動(dòng)的調(diào)速特性更能適應(yīng)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求?,F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向采用交流伺服驅(qū)動(dòng),交流伺服驅(qū)動(dòng)大有取代直流伺服驅(qū)動(dòng)之勢。 1.交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu) 交流電機(jī)有交流感應(yīng)電機(jī)和交流同步電機(jī)之分。交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、容量大、價(jià)格低,一般用作主運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 永磁同步交流伺服電機(jī)用作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和檢測元件組成。定子由沖片疊成,其外形呈多邊形,沒有機(jī)座,這樣有利于散熱。在定子齒槽內(nèi)嵌入某一極對(duì)數(shù)的三相繞組。轉(zhuǎn)子也由沖片疊成,并在其中裝有永久磁鐵,組成的極對(duì)數(shù)與定子的極對(duì)數(shù)相同。永久磁鐵有:鋁鎳鈷合金、鐵淦氧合金和釹鐵硼合金即稀土永磁合金等,以稀土永磁合金的性能最好。檢測元件一般都用脈沖編碼器,也可用旋轉(zhuǎn)變壓器加測速發(fā)電機(jī),用以檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置、位移和旋轉(zhuǎn)速度,以便提供永磁交流同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置信息、位置反饋量和速度反饋量。 圖1 永磁同步交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 2.交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速 交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n,與交流電源頻率f,電機(jī)極對(duì)數(shù)p以及轉(zhuǎn)速滑差率s之間的關(guān)系為 (1) 對(duì)于異步電機(jī)s≠0,對(duì)于同步電機(jī)則s=0。由式(1)可知,改變電源的頻率f,電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與f成正比例變化。電機(jī)定子繞組的反電勢為 E=4.44fWkwΦ 如果略去定子的阻抗壓降,則定子相電壓 U≈E=4.44fWkwΦ 上式說明,kw為常數(shù),若相電壓U不變,則隨著頻率f的升高,氣隙磁通Φ將減小。又從轉(zhuǎn)矩公式 可以看出,Φ值減小,電機(jī)轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流I2也相應(yīng)減小,勢必導(dǎo)致電機(jī)的允許輸出轉(zhuǎn)矩M下降。另外,若相電壓U不變,隨著f的減小,氣隙磁通Φ將增加,這會(huì)使磁路飽和,激磁電流上升導(dǎo)致鐵耗劇增,功率因數(shù)下降。因此改變頻率f進(jìn)行調(diào)速時(shí),需要同時(shí)改變定子的相電壓U,以維持Φ值接近不變,從而使M也接近不變??梢娊涣魉欧姍C(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵問題是要獲得調(diào)頻調(diào)壓的交流電源。 調(diào)頻調(diào)壓電源有很多種。通常采用交流-直流-交流的變換電路來實(shí)現(xiàn),這種電路的主要組成部分是三相電流逆變器。圖2所示是目前應(yīng)用最廣泛的電壓型功率晶體管(GTR)三相逆變器主回路原理圖。由交流-直流變換的二極管整流電路獲得恒定的直流電壓Ud,功率晶體管開關(guān)元件T1、T4,T3、T6,T5、T2組成三相脈寬調(diào)制逆變器,電容C力圖維持逆變器的輸入直流電壓Ud為恒值, 因此,這一線路稱為電壓型逆變器。 圖2 (a) 電壓型功率晶體管(GTR)三相逆變器主回路原理圖 圖2 (b) 電壓型功率晶體管三相逆變器主回路波形圖 逆變器開關(guān)元件T1、T2,T3的控制是由三角波1和按調(diào)速控制要求生成的具有一定頻率和電壓幅值的正弦波2,通過波形1和2的比較生成等幅、等距而不等寬的矩形脈沖3,作為控制其通斷的控制信號(hào)的。從而在逆變器的輸出端獲得三組與控制波形3相似的矩形脈沖,這種波形在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí),其作用等效于三相正弦電壓4。 由上面的討論可知,變頻器實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)壓的關(guān)鍵是逆變器控制端獲得要求的控制波形3??刂撇ㄐ蔚膶?shí)現(xiàn)方式(即電機(jī)調(diào)速的控制方式),現(xiàn)在廣泛采用的方式是矢量變換控制。 圖3是交流伺服調(diào)速系統(tǒng)原理圖的實(shí)例,該系統(tǒng)由功率變換器和控制平臺(tái)兩部分組成。功率變換器又由整流器和逆變器兩部分構(gòu)成,整流器的作用是將輸入的三相交流電變換成直流電,如圖3左上部所示;逆變器是將直流電按控制信號(hào)的要求變換成所需要的三相交流電,現(xiàn)在高性能逆變器常常采用新型的開關(guān)頻率較高的IPM功率模塊,如圖3右上部所示。 圖3 交流伺服調(diào)速系統(tǒng)實(shí)例 控制器平臺(tái)的硬件上采用DSP+FPGA的方案,如圖3的下半部分所示。其中FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)器件和DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的主要功能是與軟件一起,實(shí)現(xiàn)對(duì)所有控制任務(wù)的調(diào)度,輸入輸出信號(hào)的處理、逆變器控制信號(hào)的生成以及其他控制功能等。單片機(jī)AT89C52實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示數(shù)碼管、鍵盤(用于調(diào)試和參數(shù)設(shè)置)以及串口的管理。限于篇幅,各模塊的詳細(xì)作用,這里不再詳細(xì)討論了。 |