永磁交流伺服系统简介

现代高性能的伺服系统大多数采用永磁交流伺服系统，其中包括永磁同步交流伺服电动机和全数字交流永磁同步伺服驱动器两部分。

1.永磁同步交流伺服电动机

交流伺服电动机的工作原理：伺服电动机内部的转子是永久磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电动机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。伺服电动机的精度决定于编码器的精度（线数）。

伺服驱动器控制交流永磁伺服电动机（PMSM）时，可分别工作在电流（转矩）、速度、位置控制方式下。系统的控制结构框图如图2-50所示。系统基于测量电动机的两相电流反馈（Ia、Ib）和电动机位置，将测得的相电流（Ia、Ib）结合位置信息，经坐标变化（从a、b、c坐标系转换到转子d、q坐标系），得到Id、Iq分量，分别进入各自的电流调节器。电流调节器的输出经过反向坐标变化（从d、q坐标系转换到a、b、c坐标系），得到三相电压指令。控制芯片通过这三相电压指令，经过反向、延时后，得到6路PWM波输出到功率器件，控制电动机运行。

图2-50　系统控制结构

伺服驱动器均采用数字信号处理器（DSP）作为控制核心，其优点是可以实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以智能功率模块（IPM）为核心设计的驱动电路，IPM内部集成了驱动电路，同时具有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路，在主回路中还加入软启动电路，以减小启动过程对驱动器的冲击。

智能功率模块（IPM）的主要拓扑结构是采用了三相桥式电路，原理如图2-51所示。其利用了脉宽调制技术，即PWM（Pulse Width Modulation），通过改变功率晶体管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率及每半周期内晶体管的通断时间比，也就是说通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小以达到调节功率的目的。

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图2-51　三相逆变电路

关于图2-50中的矢量控制原理，此处不予讨论。这里着重指出的是，伺服系统用作定位控制时，位置指令输入到位置控制器，速度控制器输入端前面的电子开关切换到位置控制器输出端，同样，电流控制器输入端前面的电子开关切换到速度控制器输出端。因此，位置控制模式下的伺服系统是一个三闭环控制系统，两个内环分别是电流环和速度环。

由自动控制理论可知，这样的系统结构提高了系统的快速性、稳定性和抗干扰能力，在足够高的开环增益下，系统的稳态误差接近为零。这就是说，在稳态时，伺服电动机以指令脉冲和反馈脉冲近似相等时的速度运行；反之，在达到稳态前，系统将在偏差信号作用下驱动电动机加速或减速。若指令脉冲突然消失（例如紧急停车时，PLC立即停止向伺服驱动器发出驱动脉冲），则伺服电动机仍会运行到反馈脉冲数等于指令脉冲消失前的脉冲数才停止。

2.位置控制模式下电子齿轮的概念

在位置控制模式下，等效的单闭环系统方框图如图2-52所示。

图2-52　等效的单闭环位置控制系统方框图

在图2-52中，指令脉冲信号和电动机编码器反馈脉冲信号进入驱动器后，均通过电子齿轮变换才进行偏差计算。电子齿轮实际上是一个分—倍频器，合理搭配它们的分—倍频值，可以灵活地设置指令脉冲的行程。

例如YL-335B所使用的松下MINAS A4系列AC伺服电动机驱动器，电动机编码器反馈脉冲为2 500 p/r，在默认状态下，驱动器反馈脉冲电子齿轮分—倍频值为4倍频。如果希望指令脉冲为6 000 p/r，那么就应把指令脉冲电子齿轮的分—倍频值设置为10 000/6 000，从而实现PLC每输出6 000个脉冲，伺服电动机旋转一周，驱动机械手恰好移动60 mm的整数倍关系。具体设置方法将在下一节说明。