浅析交流伺服电机的矢量控制
数控机床交流伺服系统矢量控制的研究论文 精品
1绪论1.1课题研究的背景及意义数控技术是先进制造技术的关键技术之一，随着制造自动化水平和加工精度的提高，数控技术必将在未来的现代制造中起着非常重要的作用。
伺服系统（Servo System）是自动控制系统的一个分支，通常应用闭环控制结构来控制被控制对象的某种状态，使其能自动、连续、精确的复现输入信号的变化规律。
伺服控制技术伴随着电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展而发展。
在主流的电机伺服系统中，电机控制技术是伺服控制的核心。
交流电机的控制方法一直是研究的热点。
20世纪70年代产生的矢量控制技术，对交流电机的控制产生了划时代的影响。
矢量控制在理论上解决了交流电机的转矩控制问题，实现了交流电机模型的解耦，使其控制性能发生了质的飞越。
随着多年的发展，交流伺服系统正逐步取代直流系统成为运动控制系统的主流。
目前，矢量控制是交流电机应用最广泛、最有效的控制方法。
数控机床的伺服系统是数控机床关键功能部件，是机床运动的最终执行件。
伺服系统的特性一直是影响系统加工性能的重要指标，其性能对加工精度与加工效率都起着重要的作用，在整个数控机床的成本构成中伺服系统也占有相当大的比例。
所以，一个高精度，高性能的数控机床必须配置与之相适应的高性能的伺服驱动系统，才能充分发挥整个数控机床的性能与优势。
随着交流伺服技术的发展，交流伺服已逐步占据数控机床伺服系统的主导地位。
由于通过采用矢量控制等先进的控制方法，交流伺服性能迅速提高，目前无论是数控系统的进给伺服驱动，还是主轴驱动，交流伺服系统都处于主流地位，正逐步淘汰直流伺服系统。
现在国内外的数控产品的伺服系统绝大多数采用交流系统。
因此，从数控加工特点出发，以矢量控制为着眼点，研究交流伺服系统的控制技术，紧跟其它学科先进技术的发展，消化吸收前沿技术，进一步推进数控技术，制造技术的完善和发展，有着十分重要的意义。
同时，作为现代伺服系统主流的交流伺服技术，是研制开发各种先进的机电一体化设备，如数控机床、加工中心、工业机器人等的关键性技术。
矢量控制和伺服控制
矢量控制方式——矢量控制，最简单的说，就是将交流电机调速通过一系列等效变换，等效成直流电机的调速特性，就这么简单，至于深入了解，那就得深入了解变频器的数学模型，电机学等学科。
矢量控制原理是模仿直流电动机的控制原理，根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，对电机的转矩电流分量和励磁分量分别进行控制。
在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能。
具体做法是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。
电机伺服控制方式一般伺服包含三种控制方式：速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。
速度控制和转矩控制都是用模拟量来控制的，位置控制是通过发脉冲来控制的。
（1）如果对电机的速度、位置都没有要求，只要输出一个恒转矩，当然是用转矩模式。
（2）如果对位置和速度有一定的精度要求，而对实时转矩不是很关心，用转矩模式不太方便，用速度或位置模式比较好。
如果上位控制器有比较好的闭环控制功能，用速度控制效果会好一点。
如果本身要求不是很高，或者基本没有实时性的要求，用位置控制方式对上位控制器没有很高的要求。
就伺服驱动器的响应速度来看，转矩模式运算量最小，驱动器对控制信号的响应最快；位置模式运算量最大，驱动器对控制信号的响应最慢。
对运动中的动态性能有比较高的要求时，需要实时对电机进行调整。
那么如果控制器本身的运算速度很慢（比如PLC，或低端运动控制器），就用位置方式控制。
如果控制器运算速度比较快，可以用速度方式，把位置环从驱动器移到控制器上，减少驱动器的工作量，提高效率（比如大部分中高端运动控制器）；如果有更好的上位控制器，还可以用转矩方式控制，把速度环也从驱动器上移开，这一般只是高端专用控制器才能这么干，而且，这时完全不需要使用伺服电机。
交流伺服电机的控制研究
交流伺服电机的控制研究摘要：随着科学技术的不断发展和计算机技术的不断进步，以及现代控制理论的不断创新，交流伺服系统作为现代主力驱动设备，在机器人、数控机床和航空航天等领域发挥着越来越重要的作用，是现代化工业生产不可或缺的一部分。
因此对于电机控制的要求也越来越严格和多样。
本文以交流伺服电机的控制为题，简单介绍几种电机控制的方法。
关键词：交流伺服电机；矢量控制；永磁同步电机；直接转矩控制0 前言交流伺服电机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组，一个是励磁绕组Rf，它始终接在交流电压Uf 上;另一个是控制绕组L，联接控制信号电压Uc。
所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机[1]。
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。
交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。
90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。
交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。
1 交流伺服系统的现状与发展方向1.1 交流伺服控制系统的现状伺服控制系统虽然应用已久，大量应用于结构简单的直流电机，在结构复杂的交流电机应用中还无法达到人们理想的效果，使得应用受到限制。
由于直流电机控制简单，长期应用于各种领域。
直到年，德国西门子工程师提出了矢量控制方法，将交流电机解耦后再控制，使交流电机能够和直流电机的控制性能有极高的相似之处，解决了长期阻碍交流电机发展的控制问题。
交流电机冰开始广泛在伺服控制领域应用起来，未来必将取代直流电机，在伺服控制领域中占主导地位。
由于各项相关技术理论的进一步完善，应用不断深入，验证了交流伺服系统的稳定性。
发达国家的电器公司在伺服控制领域，直流电机已经由交流电机完全代替。
矢量控制的基本原理
矢量控制的基本原理
矢量控制是一种电机控制技术，它主要是通过控制电机的电流和电压来实现对电机的精确控制。
相比于传统的直接转速控制方法，矢量控制可以实现更加精确的转矩和速度控制，因此在工业领域得到了广泛的应用。
矢量控制的基本原理是通过将三相交流电机的电流和电压分解为两个独立的分量，即磁场定向分量和电动势分量，然后对这两个分量进行独立控制，从而实现对电机转矩和速度的控制。
在矢量控制中，首先需要进行磁场定向，即确定磁场的方向。
通过改变电机的相位差或者改变电流的相位差，可以实现对电机磁场的定向控制。
这一步的目的是使得电机的磁场始终与旋转磁场同步，从而可以实现高效的电机控制。
接下来是电动势分量的控制，即根据需要控制电机的转速和转矩。
通过改变电动势的大小和相位角度，可以实现对电机转速和转矩的精确控制。
在矢量控制中，通常采用闭环控制系统来实现对电动势分量的精确控制，这需要在电机上安装位置传感器或者使用无位置传感器的技术来实时监测电机的转子位置，从而可以实现对电机的精确控制。
总的来说，矢量控制的基本原理是将电机的电流和电压分解为两个独立的分量，并对这两个分量进行独立控制，从而实现对电机转矩和速度的精确控制。
这种控制方法可以大大提高电机控制的精度和效率，因此在许多高性能的应用中得到广
泛的应用，比如电梯、风力发电、轨道交通等领域。
在实际的矢量控制系统中，通常会采用磁场定向控制和电动势控制两个独立的闭环控制系统来实现对电机的精确控制。
这样的设计可以使得系统更加稳定和可靠，同时也可以实现更高的。
矢量控制基本原理
矢量控制基本原理矢量控制（FOC，Field-Oriented Control）是一种电机控制技术，旨在通过控制电机的磁场方向和大小，实现高效、高性能的运动控制。
它广泛应用于交流电机（AC）驱动系统中，如感应电机（IM）和永磁同步电机（PMSM）。
矢量控制的基本原理是将三相交流电机的控制转换为两个独立的控制回路：磁场定向控制回路和磁场强度控制回路。
磁场定向控制回路用于控制电机的磁场方向，使其与转子磁场同步，从而实现高效的转矩产生。
磁场强度控制回路用于控制电机的磁场大小，以实现所需的转矩和速度。
矢量控制的第一步是通过电流传感器或估算方法测量电机的三相电流。
然后，使用Clarke和Park变换将三相电流转换为直角坐标系中的磁场分量。
Clarke变换将三相电流转换为αβ坐标系，其中α轴与电流矢量之和对齐，β轴与电流之差对齐。
Park变换将αβ坐标系转换为dq坐标系，其中d轴对齐于转子磁场方向，q轴垂直于d轴。
在磁场定向控制回路中，通过控制q轴电流为零，使电机的磁场与转子磁场同步。
这样，电机的转子磁场就可以有效地与定子磁场相互作用，从而产生所需的转矩。
磁场定向控制通常使用PID控制器来控制q轴电流，并根据速度和转矩需求调整PID控制器的参数。
在磁场强度控制回路中，通过控制d轴电流来控制电机的磁场大小。
磁场强度控制可以通过PID控制器来实现，其中PID控制器的输出是d轴电流的参考值。
根据转矩需求和电压限制，可以调整PID控制器的参数。
为了实现矢量控制，需要使用电机控制器来计算和控制磁场定向和磁场强度。
电机控制器通常使用高性能数字信号处理器（DSP）或微控制器来执行复杂的计算和控制算法。
电机控制器还需要与电机驱动器和其他外部设备进行通信，以接收传感器反馈和发送控制信号。
矢量控制的优点是能够实现高效的电机控制，提供高转矩和高响应性能。
它还可以通过控制电机的磁场方向和大小来实现高精度的位置和速度控制。
矢量控制还可以在低速和零速时提供高转矩，提高电机的起动和停止性能。
交流电机矢量控制理论
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C (a ) 三相交流绕组
(b ) 两相交流绕组
(c ) 旋转的直流绕组
图5-1 等效的交流电机绕组和直流电机绕组物理模型
二、坐标变换的基本思路
• 等效的概念
由此可见，以产生同样的旋转磁动势为准则，图5-2a的三相交流 绕组、图b的两相交流绕组和图c中整体旋转的直流绕组彼此等效。或 者说，在三相坐标系下的 iA、iB 、iC，在两相坐标系下的 i、i 和 在旋转两相坐标系下的直流 id、iq 是等效的，它们能产生相同的旋 转磁动势。 现在的问题是，如何求出iA、iB 、iC 与 i、i 和 id、iq 之间 准确的等效关系，这就是坐标变换的任务。
交流电机矢量控制基本原理
内容提要 交流电机矢量控制基本思想
坐标变换的基本思想 交流电机矢量控制系统基本思路
一、交流电机矢量控制基本思想
直流电机的物理模型
电枢绕组
q A ic ia F if
励磁绕组
d
补偿绕组
C
图5-1 二极直流电机物理模型
直流电机的数学模型比较简单，图中F 为励磁绕组，A 为电枢绕组，C 为补 偿绕组。F 和 C 都在定子上，只有 A 是在转子上。 F 的轴线称作直轴或 d 轴（direct axis），主磁通的方向就是沿着 d 轴的； A和C 的轴线则称为交轴或q 轴（quadrature axis）。 电枢磁动势的作用可以用补偿绕组磁动势抵消，或者由于其作用方向与 d 轴 垂直而对主磁通影响甚微，主磁通由励磁绕组的励磁电流唯一决定，磁场与 转矩电流正交，解耦，这是直流电机的数学模型及其控制系统比较简单的根 本原因。
基于矢量控制的永磁交流伺服电机控制
基于矢量控制的永磁同步交流伺服电机控制系统摘要：本文详细介绍了永磁同步交流电机的矢量控制理论，并根据矢量控制理论运用DSP 实现了对永磁同步交流伺服电机的电流、速度和位置的三闭环控制，最后给出实验结果及其分析。
关键词：永磁同步交流伺服电机；矢量控制；SVPWM ；TMS320F28121引言近年来,采用全数字控制方法,以永磁交流电机为控制对象的全数字交流伺服系统正在逐渐取代以直流电机为控制对象的直流伺服系统和采用模拟控制技术的模拟式交流伺服系统。
全数字交流伺服系统采用矢量控制方法,可实现优良的控制品质。
利用高速的数字信号处理器TMS320F2812可实现对交流电机运行的位置、速度和电机电枢电流的高精度控制。
2矢量控制2.1 矢量控制理论的提出1971年，由德国Blaschke 等人首先提出了交流电动机的矢量控制（Transvector Contrl ）理论，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。
其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量M i 和产生转矩的转矩电流分量T i ，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。
这样，交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。
因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的控制。
矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实在对定子电流（交流量）的控制上。
由于在定子侧的各物理量（电压、电流、电动势、磁动势）都是交流量，其空间矢量在空间上以同步旋转，调节、控制和计算均不方便。
因此，需借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在同步旋转的坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了停止矢量，在同步坐标系上的各空间矢量就都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值――直流给定量。
交流感应电机矢量控制技术概述
交流感应电机矢量控制技术概述交流感应电机矢量控制技术（简称：ACIMVC，全称：Alternating Current Induction Motor Vector Control）是一种对交流感应电机进行精确控制的技术。
该技术通过对电机的电流、速度和位置进行测量和控制，实现了对电机的高效、精确、稳定和可靠的控制，使其在不同负载和工况下都能保持优秀的性能。
ACIMVC技术的核心原理是将交流感应电机分解为磁场定向控制和电流控制两个子系统，并分别对其进行控制。
磁场定向控制通过对电机磁场的定向控制来实现电机转矩的控制，而电流控制则通过对电机定子绕组电流的调节来控制电机的速度和位置。
在具体实现过程中，ACIMVC技术的主要步骤包括：电流采样、电流控制、速度和位置采样、速度和位置控制。
首先，通过采样器对电机定子绕组电流进行采样并进行处理，得到电机的电流信息。
然后，通过控制器对电流进行调节，以达到所需的电机转矩、速度和位置。
同时，还需采用编码器等设备对电机的速度和位置进行实时采样，并通过控制器对其进行控制。
ACIMVC技术相比传统的电流控制技术具有许多优点。
首先，它能够实现电机的高效率运行，减少能源的消耗。
其次，它能够提高电机的动态性能和响应速度，使其在启动、加速和减速等过程中更加灵活和稳定。
此外，ACIMVC技术还能够降低电机的噪音和振动，提高电机的可靠性和寿命。
然而，ACIMVC技术也存在一些挑战和限制。
首先，实施该技术需要较高的控制硬件和软件要求，增加了系统的成本和复杂度。
其次，ACIMVC技术对电机参数的准确性要求较高，一旦参数有偏差，可能影响到控制效果。
此外，由于ACIMVC技术需要实时采样和计算，还需要较高的计算能力和实时性。
综上所述，交流感应电机矢量控制技术是一种高效、精确、稳定和可靠的电机控制技术。
它通过对电机的电流、速度和位置进行测量和控制，实现了对电机的精确控制。
尽管ACIMVC技术还存在一些挑战和限制，但随着控制技术和计算硬件的不断发展，它在工业和家用电机控制领域的应用前景依然广阔。
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浅析交流伺服电机的矢量控制
伺服电机内部的转子是永磁铁，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。
伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）关于交流电机的矢量控制技术，有很多论文与各种文章介绍。
但多用难解的公式与坐标来记述，如果没有扎实的数学和控制等理论基础的话，相信大家有同感比较难理解。
日笃君尽量用简单易懂的图解与计算来聊聊电机的构造，静止坐标与旋转坐标的变化，矢量控制，伺服控制等电机驱动技术。
在聊控制之前，为了更好理解控制，我们先来看看电机的构造。
实时应用的电机构造很复杂，但可以简单的理解成：电机由装在里面的转子与装在外面的定子构成（也有相反的电机），转子里面一般放入永久磁石，定子里面一般缠绕铜线。
然后在中间插入中轴来带动驱动物体。
电机技术经过百年的发展，形成了如上的各种分类。
电机上使用的磁石属于稀有金属，产量主要分布在中国，近年由于稀土材料的价格高腾，工业界正在积极研究如何减少稀土的使用量，保持性能的同时降低产品成本，是企业也更是工程师永远的课题。
如今实际应用中，同步电机得到广泛的采用。
同步电机又以磁石所装入的部位，主要分类为SPM（表面磁石）和IPM（内部磁石）：
SPM电机由于控制简单，早起被工业界所采用，但是这种电机由于磁石装在转子的表面，所以可以利用的动力主要来源于自身的表面磁石。
IPM电机由于可以利用磁石与磁石周围励磁的动力，产生高密度的能量，而且可以通过构造的工夫减少稀土的使用量，所以今年得到更广泛的应用。
下面进入正题，聊聊交流电机的控制问题。