[信息与通信]现代交流伺服系统分析与设计.doc
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1、现代交流伺服系统分析与设计第一章交流伺服系统概述提出问题1:如何认识交流伺服系统?应用特点:运动变量控制,“承上(接收控制器命令)启下(驱动机构)应用要求:高速高响应,高精度第一节 伺服系统基本概念和主要应用基本概念:变频控制系统:压频变换建立电机的合适工作方式和工作点 调速系统:宽调速范围和稳速精度 伺服系统:定位精度、跟随精度和跟随速度,关注机构的最终控制性能主要应用:数控机床、轻工自动化系统、半导体加工设备、机器人、武器装备第二节 伺服系统的基本应用结构形式提出问题2:交流伺服系统的应用结构是什么样的?各有什么样的特点?伺服系统是如何接受信息?如何处理信息?如何对信息进行反应的?作出正确
2、的反应关键问题有那些?1、 开环伺服系统应用结构形式2、 半闭环伺服系统应用结构形式3、 全闭环伺服系统应用结构形式4、 混合闭环伺服系统应用结构形式控制器伺服驱动系统机械传动机构应用要求:控制信号的处理(接口类型选择),机械负载特性的建模计算(设计选型、系统调整)控制形式:转矩/电流、速度、位置第三节 伺服系统的基本组成结构和性能指标提出问题3:伺服系统的信息传递通道是怎么样构建的?为什么要如此设计?结合伺服系统诸多特点和要求,如何分析和构建伺服系统的内部结构?它的物理结构和控制结构是什么样的?在指标上如何定义才能反映应用的要求和性能的要求外部接口:1) 与控制器的接口,(1)/-10V模拟
3、接口实现速度或转矩控制 (2)脉冲接口实现位置控制 (3)网络通讯接口,全面的诊断、控制、协调功能 (4)逻辑功能接口实现辅助逻辑控制或组合工艺控制2) 与伺服电机的接口:(1)提供电机动力电源,PWM电压(2)位置反馈接口,检测位置或速度反馈信息基本组成:1) 硬件角度:功率回路,电源回路,控制回路2) 控制结构角度:轨迹/位置控制速度控制转矩控制 实现运动控制或伺服控制基本组成结构:1) 全硬件伺服系统(集成电路或ASIC/FPGA)2) 全数字半软件伺服系统(CPUASIC/FPGA)3) 全数字软件伺服系统(DSP/MCU)性能指标:精度、快速性、稳定性1) 技术要求:基础可适用性、可
4、靠性、环境、体积、经济性2) 系统性能指标要求:稳态跟踪精度、定位精度、最高频率、瞬时最大电流和额定电流、速度变动率、转速不均匀度;3) 系统控制特性指标要求:稳定性、时频域特性、鲁棒性第四节伺服系统的知识背景和发展趋势提出问题4:伺服系统的专业知识背景和发展的趋势?知识基础:1) 电学:电子、电路、电气2) 磁学:电机3) 力学:机构建模4) 自动控制:控制器算法设计5) 计算机软件:编程发展趋势:高速化(带宽增加)高精度化(处理信息更精确)网络化(诊断、互换性、开放性)绿色化(功率因数、电磁干扰)大容量化(高效节能)小型微细化(应用领域高扩散性)主流厂商:美国:AB,Pacific Sci
5、ence,Danaher日本:三菱、安川、松下、FANUC欧洲:西门子、Indramat、CT国内:广州数控、华中数控、迈信、埃斯顿、南京高士达第二章 现代交流伺服系统的基本特征提出问题5:现代交流伺服系统的体系结构和基本控制原理是什么样的?如何结合实际应用的要求认识和解决其基本控制实现问题?第一节 高性能的交流伺服电动机提出问题6:控制对象的特征认识:伺服电动机的基本特点?伺服电机有那些种类?各有什么特点?基础控制问题是什么?控制关键是什么?如何高速精确地实现电机的控制?伺服电机的基本特点:(1) 体积小、重量轻、大转矩输出能力(2) 较低的惯量(3) 良好的控制性能以及发电制动能力(4)
6、转矩脉动小主要分类:(1)直流伺服电机:依据电枢结构不同可分为多种,有杯型空心结构、无槽铁心结构、印刷绕组、有槽电枢结构优点:过载能力强、峰值电流承受能力强;大转矩惯量比,加速能力强,响应快;低速大转矩;调速范围宽;转子热容量大;控制简单。缺点:电刷问题可靠性较差;整流子限制高速、高压应用;转子热变形;惯量相对较大;控制原理:转速电枢电压,电磁转矩电枢电流,电枢和磁场通过机械结构(电刷和整流子)保持自然的空间关系。(2)三相永磁同步伺服电机A,结构:定子:带有齿槽,内嵌绕组;转子:永磁材料构成(钐钴材料、铷铁硼材料)依据转子结构可分为:1)外装式(表面式)PMSM、BLDCM; 中小容量,中低
7、速;2)内装式,凸极特性, IPM,大容量、高速型B,磁势分布:正弦波和方波C控制原理和关键技术控制速度反电动势和电流的相位关系同步矢量控制依据反馈元件描述的转子磁场的相位控制电流即机电配合磁场定向控制(3)三相异步伺服电机与普通异步电动机结构一样,但有特殊性如低惯量、低发热、通风容易、高速化,大功率、高转速应用控制原理:更为复杂,核心是电流矢量分解为垂直的转矩分量和磁场分量,其实现关键是磁场相位和幅值信息的获得,估算观测或直接获得,基本原理依然是磁场定向矢量控制。注意:矢量是描述形式。磁场定向是实现关键。(4) 直线伺服电动机旋转运动直线运动(高速高精度直接驱动的要求)替代传统的“旋转电动机
8、滚珠丝杠”的传动方式;进给速度由45m/min到200m/min以上,加速度由小于0.5g到10g左右;优点:高速、高精度、直接驱动,零传动缺点及问题:应用问题:扰动、散热、全闭环控制问题:动态刚性、机械共振、高速跟踪轨迹精度、冷却能力、端部效应补偿控制原理:FK;推力和极距(5) 伺服电机的选择与评价1) 价格;2)功率密度/体积;3)转矩惯量比;4)速度控制范围;5)效率(损耗和热容量);6)转矩、单位电流能力;7)制动能力;8)参数灵敏度;9)位置传感器。第二节 高精度的位置传感器提出问题7:从控制要求认识实现高精度控制的关键:位置反馈元件的特性,传感器的基本分类有哪些?基本特点有哪些?
9、基本性能参数是什么?如何描述其物理特性?如何进行合理的选择?要求:数字化、高分辨率、高抗干扰性、非易失性(1) 旋转变压器结构:包含铁心和线圈,结构坚固,无刷结构,在后端安装环形变压器,通过变压器将初级的参考电压耦合到次级转子上,在由分解器将包含位置信息的信号感应出去。技术指标:鉴相型和鉴幅型,激励电压:2V40V RMS,频率400Hz20KHz,角度分辨率0.55角分(1度60角分3600角秒)信号处理:由RDC系统完成,如AD2S99+AD2S90/AD2S80 或AD2S1200 工作原理:输入激励信号(载波),输出幅值包含相位信息的调制信号,在做鉴相处理,特点:测量信号是两个定转子绕
10、组的幅值相对关系,对线上损耗和信号畸变有很好的适应性;但原理比较复杂、存在动态响应、不易实现高速高精度、信号处理要求高。(2) 磁性编码器结构:磁鼓感应器,检测磁通变化,转换为电信号ABZ特点:功耗低、结构简单、适合高速运转、适应恶劣环境;惯性偏大,易受外界磁场干扰影响,一般分辨率通过细分技术可达到数万脉冲/每转(3) 光电编码器原理:光电转换,位移或角度-光强的变化-电信号的变化-整形为标准的数字脉冲信号。分类:A)增量式光电编码器,输出ABZ,差动电压输出或集电极开路 B)绝对式光电编码器,二进制或循环二进制编码方式 C)复合式光电编码器,带有简单的磁极定位功能,ABZ UVW(和极对数对
11、应) D)省线式光电编码器,多路开关切换ABZ和UVW E)多圈式绝对光电编码器,解决位置记忆功能,针对机器人等应用,包含差动的增量式位置信息和以通讯方式传送的多圈位置信息;体积小、分辨率高、响应快、多圈记忆存储,适于长线串行传输,但价格贵,构造复杂。 F)串行光电编码器,在编码器内部集成CPU和ASIC,实现信号内插功能,采用RS485接口传送高分辨率的位置信息,通讯速度有2.5M和4M等,分辨率可达到17位或23位,如海德汉、Danaher、多摩川。 G)正余弦编码器,类似于增量编码器绝对式编码器,绝对值信息通过串行传送,增量信息采用模拟信号传送AB被SIN和COS信号代替,分辨率有内插的
12、数值个数决定,可以达到27位,海德汉、Danaher、STEGMAN(4)位置传感器的基本技术指标A)电源要求B)分辨率C)信号输出类型D)响应频率和最高转速E)传输介质第三节 高效率的功率变换器提出问题8:什么是高效率的功率放大环节?目前常用的体系结构是什么?其基本工作原理是什么样的?基本组成是什么样的?如何选择构造高效率的功率变换器?如何通过控制手段实现高效率的能量转换?基本结构:整流器逆变器控制方法:PWM载波调制技术实现变压变频(原理:面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节的对象上,其低频段效果基本相同)(1) SPWM控制技术采用正弦波调制产生脉宽呈正弦波规律变化的序列脉冲波形。
13、主要优点:1、主回路只有一组可控的功率开关,减化了控制结构2、最低次谐波频率高,可以得到光滑的正弦波3、基波分量幅值与调制系数呈正比,可以减化逆变器的数学模型(放大环节)4、逆变器本身损耗比较小,主回路(45)逆变器(2以上) 脉宽调制的约束条件:1、 功率开关器件的开关频率:母线电压、功率器件的最大冲击电流、电机绕组的等效时间常数限制2、 最小开关时间和调制度的限制常用指标:载波比、调制系数(2) 常用半导体功率器件1、 MOSFET压控器件,优点:驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、具有比较好的热稳定性。缺点:电流容量小、耐压低,一般小于10KW基本特性:转移特性:影响开关速度和开关条件
14、,跨导和开启电压输出特性:评价其状态转移能力,Uds和Ids动态特性:Ton、Toff、 Cin,开关速度和驱动电源条件安全工作特性:漏极击穿电压和最大漏极电流主要参数:Gfs(跨导), Ut, Ton, Toff, Cin Udsmax Idmax Ugs, Ron2、 IGBT将GTR和MOSFET相结合的器件,组合GTR的通态压降小和驱动电路简单的特点。基本结构:基本特性:转移特性、输出特性、动态特性和安全工作区基本参数:Uces Icmax Pcm Ton Toff Vce使用要点:擎住效应和二次击穿现象,限制回路电感和集电极电流IGBT 的特性、参数特点和安全工作区的确定3、 PIC
15、和IPMPIC:功率集成模块,将整流电路、再生抑制电路、逆变器电路、温度检测组合封装在一起;容量会受到一定的限制。(1200V 50A)IPM:智能功率模块,将功率器件驱动电路、再生抑制电路、逆变器电路、保护电路组合封装在一起;容量受到较低的限制。(1200V600A)4、 逆变器部分的控制结构(3) 逆变器的SPWM控制技术1、 模拟方法:三角载波比较方法2、 数字方法:A、 规则采样法:比较简单,但所得脉宽偏小,产生误差,前提要求载波比足够大,分单边调制和双边调制B、 SPWM数字化硬件实现方法:专用集成电路和CPLD/FPGA设计C、 空间矢量SVPWM3、 规则采样SPWM方法和SVP
16、WM方法的比较A、电压矢量输出次序一致,B、零矢量的控制策略不同C、电压利用率不同4、 过调制处理策略A、 过调制边界的检测:检测参考电压矢量的幅值是否越过电压最大限制边界。B、 极限圆处理方法:在参考电压的方向上选择最大的电压矢量,以保证连续的调制和平均的正弦电压,是SVPWM的常用处理方法。C、 最小幅值误差方法:选择最靠近参考电压矢量的六边形的电压矢量,SPWM规则采样方法中,等效于将三相参考电压矢量限制为Vdc/2D、 空间矢量限制方法:在参考电压矢量的方向上选择六边形的电压矢量。第三节 多功能数字化微处理器控制提出问题9:实现数字化、软件化控制的基本考虑是什么?如何看待微处理器控制的
17、优缺点?基本要求:(1)软件数字化、功能模块化、信息传递智能化、控制策略复杂化 (2)硬件平台的必然结果 (3)接口开放化的设计基本优势:(1)实现复杂的逻辑和控制策略,使控制智能化 (2)通讯容易,可以实现网络化监控 (3)适应性,通用硬件,改变软件可以适应不同的控制要求 (4)实现复杂的控制算法如预测控制、自适应控制、学习控制、模糊控制 (5)扩张性、扩展性 (6)体积小、重量轻、调整容易基本不足:(1)实时性受限制 (2)控制精度和性能受量化因素影响 (3)断续控制方式微处理器的选择:(1)体系结构(内核、存储器、外设扩展、内部资源) (2)速度MIPS、精度字长 (3)指令系统、编译调
18、试环境 (4)32位MCU、16/32位DSP、FPGA嵌入内核第五节 可靠性设计方法提出问题10:什么是可靠性?伺服系统的可靠性是如何保障的?可靠性设计的基本原则是什么?如何进行伺服系统的可靠性设计?基本要求:数字技术的发展系统高响应、高精度、高效率的要求系统规模复杂性信息采集处理的复杂性可靠性设计要求越来越高一、 可靠性的概念基本含义:(1)连续无故障运行 (2)故障产生的影响最小 (3) 处理、修复故障的时间必须短基本指标:MTBF平均无故障时间 MTTR平均修复时间 MTBF/MTTR:设备可用率系统的可靠性由多种因素综合确定:设计、工艺、元器件质量、操作、使用条件以及控制条件。一般伺
19、服系统的MTBF应该在5000小时以上二、 可靠性设计考虑(1) 故障回避及故障保护需要考虑的问题:a、元器件的规格型号、工艺、结构应满足使用环境和标准的要求 b、针对功能电路的故障处理与保护设计 c、外部接口功能的保护设计和指示电路 d、软件系统的可靠性设计、稳定性、非错性 e、故障的处理方式:停机或警告可靠性设计原则:a、不影响、不损坏其它设备和自身部件 b、自动指示故障类型 c、提示故障点,方便快速维修(2) 针对功率回路的保护电路设计过流保护:防止功率回路长期过电流运行短路或功率模块故障:防止功率器件在非安全工作区运行过压保护:防止功率回路电压过高过热保护:防止功率回路运行温度过高再生
20、制动异常保护:防止电机制动时的失控(3) 针对系统的保护设计欠压警告:保证数字电路工作电压过载保护:防止伺服电机过负荷运行超速保护:防止伺服电机过速运行编码器反馈故障、位置跟踪超差、控制参数异常、CPU故障等(4) 软件可靠性设计看门狗、代码冗余(5) 故障联锁和清除需要考虑抗干扰性、即时性、有效性、可恢复性三、 电磁兼容性设计考察伺服系统应对浪涌、高压脉冲群、电磁辐射等条件的能力。(1) 内部EMC设计器件布局、布线、地线设计,减少差模干扰(2) 接口设计瞬态电压抑制器、IO端口的隔离(电磁继电器、光电耦合器)、差动电路终端匹配铁氧体磁珠(3) 外部EMC设计电源进线端:EMI滤波器,动力出
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