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3、基于PLC的交流永磁同步伺服系统

3.1 系统总体结构

3.1.1 永磁交流伺服系统的基本结构

3.1.2 永磁交流伺服系统的基本原理

伺服系统是自动控制系统的一类，它的输出变量通常是机械或位置的运动，它的根本任务是实现执行机构对给定指令的准确跟踪，即实现输出变量的某种状态能够自动、连续、精确地复现输入指令信号的变化规律。由图（2-1）可以看出，输入给控制器PLC后，PLC发命令（如脉冲个数，固定频率的脉冲等）给伺服驱动器，伺服驱动器驱动伺服电机按命令执行，通过旋转编码器反馈电机的执行情况与接收到的命令进行对比并在内部进行调整，使其与接收到的命令一致，从而实现精确的定位。而负载的运动情况（位置、速度等）通过相应传感器反馈到控制器输入端与输入命令进行比较，实现闭环控制。当然，伺服系统也可以是半闭环控制。

下面就逐一介绍各个部分的原理。

3.2系统各部分原理

3.2.1交流永磁同步伺服电机

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时通过旋转编码器又反馈了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor 简称PMSM）得以迅速的推广应用。

3.2.2永磁同步电机的结构

永磁同步电机是由绕线式同步电机发展而来，它用永磁体代替了电励磁，从而省去了励

磁线圈、滑环与电刷，其定子电流与绕线式同步电机基本相同，输入为对称正弦交流电，故称为交流永磁同步电机。

永磁同步伺服电机主要由定子、转子及测量转子位置的传感器构成。定子主要包括电枢铁心和三相对称电枢绕组，它们的轴线在空间彼此相差120度。绕组嵌放在铁心的槽中；转子主要由永磁体、导磁轭和转轴构成。永磁体贴在导磁轭上，导磁轭为圆筒形，套在转轴上；当转子直径比较小时，可以直接把永磁体贴在导磁轴上。转子同轴连接有位置、速度传感器，用于检测转子磁极相对于定子绕组的相对位置以及转子转速。

永磁同步伺服电机实际如图2-2所示：

图2-2 伺服电机

3.2.3 永磁同步电机的原理

永磁同步电机产生旋转磁场的机理同三相感应电机一样，电机当其对称三相绕组接通对称三相电源后，流过绕组的电流在定转子气隙中建立起旋转磁场，其转速为:

p f

n s

60

(rpm)

式中f —电源频率 p—定子极对数

即磁场的转速正比于电源频率，反比于定子的极对数；磁场的旋转方向取决于绕组电流的相序。

与普通同步电机不同的是，永磁同步电机的转子用永磁体代替。当永磁同步电动机的定子通入对称三相交流电时，定子将产生一个以同步转速推移的旋转磁场。在稳态情况下，转子的转速恒为磁场的同步转速。于是，定子旋转磁场与转子的永磁体产生的永磁体产生的主极磁场保持静止，它们之间相互作用，产生电磁转矩拖动转子旋转，进行电机能量转换。当负载发生变化时，转子的瞬时转速就会发生变化，这时，如果通过传感器检测转子的位置和速度，根据转子永磁体磁场的位置，利用逆变器控制定子绕组中电流的大小，相位和频率，便会产生连续的转矩作用到转子上，这就是闭环控制的永磁同步电机的工作原理。

3.2.4伺服驱动器

可以说，伺服驱动器是整个伺服系统的核心，其集先进的控制技术和控制策略为一体，使其非常适用于高精度、高性能要求的伺服驱动领域。交流永磁同步伺服驱动器主要由伺服控制单元、功率驱动单元、通讯接口单元、伺服电动机及相应的反馈检测器件组成，其中伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器和电流控制器等等。

目前主流的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。功率器件通常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。其结构组成如图所示：

图伺服驱动器内部结构图

伺服驱动器大体可以划分为功能比较独立的功率板和控制板两个模块。功率板（驱动板）是强电部分，其中包括两个单元，一是功率驱动单元IPM用于电机的驱动，二是开关电源单元为整个系统提供数字和模拟电源。

控制板是弱电部分，是电机的控制核心也是伺服驱动器技术核心控制算法的运行载体。控制板通过相应的算法输出PWM信号，作为驱动电路的驱动信号，来改逆变器的输出功率，以达到控制三相永磁式同步交流伺服电机的目的。

1. 功率驱动单元

功率变换电路的主要作用是进行能量的转换-将电网的电能转换成能够驱动伺服电机工作的交流电能，有时还需要将电机转子动能转换为储能回路的直流电能。功率驱动单元首先通过单相整流电路对输入的交流电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的交流电或市电，再通过三相正弦PWM电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程。整流单元（AC-DC）主要的拓扑电路是单相全桥不控整流电路。逆变部分（DC-AC）采用的功率器件集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块（IPM），主要拓扑结构是采用了三相桥式电路，其触发电路采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，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，改变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。其主电路如图2-7所示：

图2-7 伺服系统主电路图

2. SVPWM（Space Vector PWM）技术

交流电机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电机内部形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。针对这一目标，把逆变电路和交流电机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变电路的工作，这种控制方法称作“礠链跟踪控制”，礠链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的，所以又称为“电压空间矢量PWM（SVPWM，Space Vector PWM）控制”。

SVPWM（Space Vector PWM）技术的基本思路就是通过控制逆变器功率器件的开关模式及导通时间，产生有效电压矢量来逼近圆形磁场轨迹的一种方法。这种方法利用电压空间矢量直接生成三相PWM波，特别适用于DSP直接计算，且方法简便。

3. 控制单元

控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制。所采用的数字信号处理器(DSP)，除了具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的，用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。伺服驱动器通过采用磁场定向的控制原理(FOC) 和坐标变换，实现矢量控制(VC)。同时结合正弦波脉宽调制（SVPWM）控制模式对电机进行控制。永磁同步电动机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置和幅值来控制定子电流或电压，这样，电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控制方法相似，可以得到很高的控制性能。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子的实际位置就可以知道电机转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制有所简化。

由于交流永磁伺服电机（PMSM）采用的是永久磁铁励磁,其磁场可以视为是恒定，同时交流永磁伺服电机的电机转速就是同步转速，即其转差为零。这些条件使得交流伺服驱动器在驱动交流永磁伺服电机时的数学模型的复杂程度得以大大降低。

4. 交流永磁伺服电机磁场的定向控制

20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术。通过坐标变换，把交流电机中交流电流的控制，变换成类似于直流电机中直流电流的控制，实现了力矩的控制，可以获得和直流电机相似的高动态性能，从而使交流电机的控制技术取得了突破性的进展。

设想建立一个以电源角频率旋转的旋转坐标系（d 、q ）。从静止坐标系（a,b,c ）上看，合成定子电流矢量在空间以电源角频率旋转从而形成旋转磁场，是时变的。从动坐标系（d 、q ）上看，则合成定子电流矢量是静止的，即从时变量变成了时不变量，从交流量变成了直流量。

具体步骤如下：

（1）通过坐标变换把合成定子电流矢量从静止坐标系变换到旋转坐标系； （2）在旋转坐标系中计算出实现力矩控制所需要的定子合成电流的数值； （3）然后将这个电流值再反变换到静止坐标系中；

（4）将虚拟的合成电流转换成实际的绕组电流，从而实现电机力矩的控制。 坐标变换是通过两次变换实现的，从a ，b ，c 坐标系转换到d ，q 坐标系是由克拉克（CLARKE ）和帕克（PARK ）变换来实现的；从d ，q 坐标系转换到a ，b ，c 坐标系是由克拉克和帕克的逆变换来实现的。 克拉克变换用矩阵可表示为：

????

?

????

???? ?

?

---=???? ??c

b

a

i i

i

i i 23230

2121

1

βα 帕克变换用矩阵可表示为：

???

?

??????

??-=???? ??β

α

θθθθi i i i q d cos sin sin cos id,iq 并不是真实的物理量，电机力矩的控制最终还是定子绕组电流ia,ib,ic 或定子绕组电压Ua,Ub,Uc 实现，因此，必须将虚拟量变换为这些真实的物理量，这可通过clarke 、Park 变换的逆变换实现。

总体变换如图2-8所示：

图2-8 矢量控制总体变换图

图中电流传感器测量出定子绕组电流ia,ib作为clarke变换的输入ic 可由三相电流对称关系ia+ib+ic=0求出。clarke变换的输出iα，iβ与由编码器测出的转角作为park 变换的输入，其输出id与iq

作为电流反馈量与指令电流idref及iqref 比较，产生的误差在力矩回路中经PI运算后输出电压值Ud,Uq。再经逆park变换将这Ud,Uq变换成坐标系中的电压Uα,Uβ。SVPWM算法将Uα,Uβ转换成逆变器中六个功放管的开关控制信号以产生三相定子绕组电流。

其中断流程图如图2-9所示：

b)中断服务程序

a)主程序

图2-9 中断流程图

5. 驱动器内部的三种工作模式

伺服驱动器控制交流永磁伺服电机（PMSM）伺服驱动器在控制交流永磁伺服电机时,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2-10所示：

图2-10 伺服驱动器控制单元三种工作模式结构图

由图2-10可知，控制系统由内到外，依次是转矩环（电流环）、速度环、位置环。一般情况下，位置环采用P控制器控制，转速和电流环采用PI控制器控制，可以通过改变控制器参数值来改变系统刚性以适应不同负载的需要。

三种工作模式：位置方式，速度方式，力矩方式。交流伺服电机驱动器中一般都包含有位置回路，速度回路和力矩回路，但使用时可将驱动器、电机和运动控制器结合起来组合成不同的工作模式，以满足不同的应用要求。

（1）位置方式

这种模式下，位置回路、速度回路和力矩回路都在驱动器中执行。驱动器接受运动控制器送来的位置指令信号。

以脉冲及方向指令信号形式为例：脉冲个数决定了电机的运动位置；脉冲的频率决定了电机的运动速度；而方向信号电平的高低决定了电机的运动方向。这与步进电机的控制有相似之处，但脉冲的频率要高一些，以适应伺服电机的高转速。

（2）速度方式

驱动器内仅执行速度回路和力矩回路，由外部的运动控制器执行位置回路的所有功能。这时运动控制器输出±10v范围内的直流电压作为速度回路的指令信号。正电压使电机正向旋转，负电压使电机反向旋转，零伏对应零转速。这个信号在驱动器中由A/D转换器接入DSP，由DSP中的软件实现回路的控制。

（3）力矩方式

驱动器仅实现力矩回路，由外部的运动控制器实现位置回路的功能。这时系统中往往没有速度回路。力矩回路的指令信号是由运动控制器输出±10v范围内的直流电压信号。正电压对应正转矩，负电压对应负转矩，零伏对应零力矩输出。这个信号经力矩标定后送入DSP，由DSP中的软件实现回路的控制。力矩回路一般也采用PI控制规律，但大多数制造商已在出厂时调整好控制参数，用户无法修改这些参数。

3.2.5 系统各部分选型

1. 控制器的选则

由于伺服电机是由脉冲驱动的，所以相应控制器必须具备发脉冲的功能。又因为伺服系统一般用于高精度，高转速的应用场合，所以控制器又必须具备发高频脉冲的功能。因此选用PLC作为控制器的话，一般的继电器输出接口频率已不能满足要求，况且继电器输出寿命短，并不适合用于快速通断的场合。那么，我们必须选择带高速晶体管输出接口PLC。例如信捷XC3-32RT-E,XCC-32T等，带晶体管输出的型号。

2. 伺服驱动器的选择

选择一个伺服驱动器，关键看负载及控制要求，主要是以下几点：

（1）电机轴上负载力矩的折算和加减速力矩的计算；

（2）计算负载惯量，惯量的匹配，负载惯量小于3倍电机转子惯量。但实际越小越好，这样对精度和响应速度好；

（3）再生电阻的计算和选择，对于伺服，一般2kw以上，要外配置；

（4）扭矩计算：连续工作扭矩<伺服电机额定扭矩，瞬时最大扭矩<伺服电机最大扭矩；（5）转速限制选择和负载需要转速选择，连续工作速度小于电机额定转速。

3. 伺服电机的选择

伺服电机的选择方法与驱动器相同，都是根据负载选择的，选择好伺服驱动器后一般伺服电机也就选择好了，电机是与其驱动机构相配套的。例如驱动器选择了DS2-20P2，则伺服电机就选具有相同功率的MS-60ST-M00630-20P2。

4. 反馈元件的选择

反馈元件在伺服系统中担任重要的作用，它不仅能测量电机位置，还能测量其转速，通过反馈构成闭环系统，是伺服系统高精度的保证。一般选择结构简单，机械平均寿命长，抗干扰能力强，可靠性高，适合长距离传输的光电编码器。而光电编码的精度决定了系统的精度，编码器的线数越高其精度越高。

3.2.6 伺服参数的设定与调节

设定一个伺服驱动器的参数时，首先得选择需要对运行模式进行设定，主要有转矩（指令）、转矩（模拟）、速度（接点指令）、速度（模拟）、位置（内部）、位置（脉冲）和速度（脉冲）模式供选择。

伺服最重要的参数莫过于刚性的调节，所谓刚性，即电机转子抵抗负载惯性的能力，也就是电机转子的自锁能力，刚性越低，电机转子越软弱无力，越容易引起低频振动，发生负

载在到达制定位置后左右晃动的情况。刚性需和惯量比配合使用，如果刚性远远高于惯量比匹配的范围，那么电机将发生高频自激振荡，表现为电机发出高频刺耳的声响。而刚性的调节即位置环、速度环比例增益和积分时间常数等这些参数的调节。

调整参数的含义和使用：

1. 位置环增益：决定偏差计数器中的滞留脉冲数量。数值越大，滞留脉冲数量越小，停止时的调整时间越短，响应越快，可以进行快速定位，但是当设定过大时，偏差计数器中产生滞留脉冲，停止时会有振动的感觉；惯量比较大时，只能在速度环增益调整好以后才能调整该增益，否则会产生振动；

2. 位置环增益和滞留脉冲的关系：e＝f / Kp 其中 e 是滞留脉冲数量；f 是指令脉冲频率；Kp 是位置环增益；由此可以看出 Kp 越小，滞留脉冲数量越多，高速运行时误差增大；Kp 过高时，e 很小，在定位中容易使偏差计数器产生负脉冲数，有振动；

3. 速度环增益：当惯量比变大时，控制系统的速度响应会下降，变得不稳定。一般会将速度环增益加大，但是当速度环增益过大时，在运行或停止时产生振动（电机发出异响），此时，必须将速度环增益设定在振动值的50～80％；

4. 速度积分时间常数：提高速度响应使用；提高速度积分时间常数可以减少加减速时的超调；减少速度积分时间常数可以改善旋转不稳定。

另外，脉冲形态，电子齿轮比等功能参数也是需要配合设定的，所谓“电子齿轮”功能，是指可以将与输入指令脉冲相当的电机移动量，设定为任意值的功能。发出指令脉冲的“上级装置”，在进行控制时，可以不用顾及机械的减速比和编码器的脉冲数。如果有显示需要，则还要对相应信号参数进行设定。