实验七 交流伺服系统的构成、调整及使用
实验七、交流伺服系统的构成、调整及使用
一、实验目的与要求:
1、熟悉交流伺服系统的构成以及伺服电机、驱动器、 数控系统的互联。 2、掌握交流伺服电机及驱动器的性能,特性。 3、了解交流伺服系统的动态特性及其参数调整。
二.实验仪器设备:
1、交流伺服电机(MSMA022A1A)一台; 2、伺服驱动器 (MSDA023A1A) 一台; 3、世纪星数控系统(HNC-21TF)一台; 4、X、Y工作台一套； 5、负载试验台一套； 6、双通道贮存示波器一台； 7、音频信号发生器。
三.基础知识
1、交流伺服电动机的分类
交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为永磁同步电机、永磁无刷直流电机、感应（或称异步）电机和磁阻同步电机。这些电机具有相同的三相绕组的定子结构。
感应式交流伺服电机，其转子电流由滑差电势产生，并与磁场相互作用产生转矩，其主要优点是无刷，结构坚固、造价低、免维护，对环境要求低，其主磁通用激磁电流产生，很容易实现弱磁控制，高转速可以达到4~5倍的额定转速；缺点是需要激磁电流，内功率因数低，效率较低，转子散热困难，要求较大的伺服驱动器容量，电机的电磁关系复杂，要实现电机的磁通与转矩的控制比较困难，电机非线性参数的变化影响控制精度，必须进行参数在线辨识才能达到较好的控制效果。
永磁同步交流伺服电机，气隙磁场由稀土永磁体产生，转矩控制由调节电枢的电流实现，转矩的控制较感应电机简单，并且能达到较高的控制精度；转子无铜、铁损耗，效率高、内功率因数高，也具有无刷免维护的特点，体积和惯量小，快速
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性好；在控制上需要轴位置传感器，以便识别气隙磁场的位置；价格较感应电机贵。
无刷直流伺服电机，其结构与永磁同步伺服电机相同，借助较简单的位置传感器（如霍耳磁敏开关）的信号，控制电枢绕组的换向，控制最为简单；由于每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组的数目通常只采用三相，相当于只有三个换向片的直流电机，因此运行时电机的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭环才能运行于较低转速，该电机的气隙磁通为方波分布，可降低电机制造成本。有时，将无刷直流伺服系统与同步交流伺服混为一谈，外表上很难区分，实际上两者的控制性能是有较大差别的。
磁阻同步交流伺服电机，转子磁路具有不对称的磁阻特性，无永磁体或绕组，也不产生损耗；其气隙磁场由定子电流的激磁分量产生，定子电流的转矩分量则产生电磁转矩；内功率因数较低，要求较大的伺服驱动器容量，也具有无刷、免维护的特点；并克服了永磁同步电机弱磁控制效果差的缺点，可实现弱磁控制，速度控制范围可达到0.1rpm~10000rpm，也兼有永磁同步电机控制简单的优点，但需要轴位置传感器，价格较永磁同步电机便宜，但体积较大些。
目前市场上的交流伺服电机产品主要是永磁同步伺服电机及无刷直流伺服电机。
2、永磁同步伺服电机工作原理
交流伺服驱动因其无刷、响应快、过载能力强等优点，已全面替代了直流驱动。交流伺服电机则以永磁同步电机更具响应快、控制简单而被广泛地应用。永磁同步电机的定子有三相绕组，由三相电流产生定子合成旋转磁场Fs(参考“变频调速系统构成、调整及使用实验”理论回顾一节内容)，转子由稀土永磁材料产生转子磁场
FR,FS和FR相互作用产生电磁转矩T?FSFRsin?SR如图1所示,若保持
?SR?90?，T?FSFR.
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NS 图1 永磁同步电机结构原理
在电磁转矩作用下,转子以反时针方向转动,由驱动控制器读取转子位置传感器PS给出的转子移动量??R,控制定子绕组三相电流的相位,使其合成磁场的Fs沿转子旋转方向也移动相同的角度,??R???S,仍保持?SR不变。电磁转矩的大小,则由控制三相电流iA,iB,iC的幅值Im来实现,即T?Im, 当Im=0, T=0。当需要反方向旋转时,只要将三相电流改变符号(即180),使其合成磁场Fs也改变180,(即Fs’),从而产生顺时针的转矩。上述这种控制方式称为矢量控制,这时同步电机运行于自同步状态。 3、交流伺服系统的组成
交流伺服系统主要由下列几个部分构成，如图2所示。
（1）交流伺服电动机。可分为永磁交流同步伺服电机，永磁无刷直流伺服电机、感应伺服电机及磁阻式伺服电机；
（2）PWM功率逆变器。可分为功率晶体管逆变器、功率场效应管逆变器、IGBT逆变器（包括智能型IGBT逆变器模块）等。
（3）微处理器控制器及逻辑门阵列。可分为单片机、DSP数字信号处理器、
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??实验七 交流伺服系统的构成、调整及使用 DSP+CPU、多功能DSP（如TMS320F240）等；
（4）位置传感器（含速度）。可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等； （5）电源及能耗制动电路； （6）键盘及显示电路；
（7）接口电路。包括模拟电压、数字I/O及串口通讯电路 （8）故障检测，保护电路。 键盘、显示 RS232 交流 伺服 电机 电源、制动 I/o模拟输入 DSP 逻辑门阵列 IGBT 逆变器 故障检测、保护 位置传感器 图2 交流伺服系统组成 4、伺服驱动的控制技术
（1）矢量控制技术。交流伺服电机定子绕组，一般由三相绕组构成，当绕组通以三相对称电流时，会在气隙中产生旋转磁场，该旋转磁场可由等效的正交二相绕组，流过二相对应电流产生，也可由旋转的d、q二相绕组，流过对应的直流电流来产生。这种等效处理简称为电机坐标变换，即从静止的A、B、C坐标系变换到d、q的旋转坐标系。在旋转坐标系的情况下，永磁同步电机的电磁转矩可表达为：
Te?3Np?fiq?(Ld?Lq)idiq 2??4 无锡机电高等职业技术学校
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式中：?f为永磁磁链；NP电机极数；id、iq为d、q 绕组的电流； Ld、 Lq为d 、q 绕组电感。
对于表面安装式永磁转子Ld=Lq，则Te=?fiq，只要控制iq电流，就直接控制电机的电磁转矩，它比起分别控制A、B、C三相电流实现转矩控制要容易得多，如图3所示。
***（2）电流反馈跟踪技术。图3中的ia、ib、ic指令（或称给定）电流与反馈
的实际电流ia、ib、ic之差，经过调节器Gi（S）运算，得到给定电压Va*Vb*Vc*，
******使实际交流电流ia、ib、ic跟踪给定电流ia、ib、ic。由于ia、ib、ic为交流量，
因此称这种方法为AC法。另一种方法称为DC法，如图4 所示。静止坐标系中的ia、
* i* iqa Gi (s) + *2/3 - ib 座标Gi (s) + 变换 - i*i* d?0 c Gi (s) + ia ib - ic - - V*a V*b V*c 逆 变 器 PMSM θ ps
图3. 永磁同步伺服电机矢量控制
**、iqib、ic实际电流，经过坐标变换为旋转坐标系的id、iq直流电流，再与给定的id比较，经调节器Gi(s)运算，得到旋转坐标系的给定电压Vd、Vq，再经过坐标系变
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