力矩電機(jī)的高精度伺服控制

北京衛(wèi)星制造廠有限公司 劉锏澤 張仰成 盛 君 齊鑫哲

首先是測試伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)；其次介紹功率電路的設(shè)計(jì)以及控制單元的構(gòu)成，它們要以大扭矩的力矩電機(jī)中的全數(shù)字伺服驅(qū)動器作為基礎(chǔ)，分析才能符合合理性的要求。

1.測試伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)

1.1 概述力矩電機(jī)

高性能力矩電機(jī)運(yùn)用在低速高精度的大扭矩運(yùn)動的數(shù)控機(jī)床之中，傳統(tǒng)的歩進(jìn)、直流、利用模擬控制的交流伺服技術(shù)已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)在通訊電子技術(shù)以及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，取而代之的是全數(shù)字控制的永磁同步的電機(jī)伺服系統(tǒng)，這是當(dāng)代伺服控制的主流方法。力矩電機(jī)中的伺服控制當(dāng)中，命令信號不斷變化會自動準(zhǔn)確地影響速度、位置以及輸出轉(zhuǎn)矩。伺服的控制系統(tǒng)作為自動控制系統(tǒng)會對輸入的指令的信號進(jìn)行跟蹤，能夠獲取速度以及動力輸出的精確數(shù)值。具體應(yīng)用表現(xiàn)在工件的加工過程中伺服控制的精度，刀具給進(jìn)位置的信息會被位置傳感器傳送給工控機(jī)，和設(shè)定的位置目標(biāo)比較之后，工控機(jī)有停止切割以及繼續(xù)給進(jìn)的命令進(jìn)行選擇輸出。

1.2 伺服系統(tǒng)性能指標(biāo)的測試

圖1 伺服系統(tǒng)

對伺服電機(jī)的測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1，具體參數(shù)可從圖中獲知；但是本文主要對測試伺服系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行闡述，分別有幾點(diǎn)如下：

首先，伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性；伺服系統(tǒng)消除干擾之后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原先的穩(wěn)定狀態(tài)的性能。具體指標(biāo)表現(xiàn)在穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)中時間足夠短則，系統(tǒng)中的穩(wěn)定性就可以判斷為良好；反之，越來越強(qiáng)烈的等幅振蕩狀態(tài)在系統(tǒng)中出現(xiàn)就是不穩(wěn)定狀態(tài)。

其次，相應(yīng)的特性；輸入的指令變化決定著輸出量的變化速度，同時也決定了伺服系統(tǒng)中的工作效率。有許多原因造成變化速度的不同，比如計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度以及質(zhì)量、阻尼運(yùn)動等。

然后，工作的頻率，輸入信號符合伺服系統(tǒng)的頻率范圍之內(nèi)；系統(tǒng)就會設(shè)定固定的工作頻率信號，如果非此信號，系統(tǒng)就不能夠在技術(shù)要求范圍內(nèi)正常的工作。

最后，系統(tǒng)的精度；高精度的伺服系統(tǒng)輸入信號的重復(fù)出現(xiàn)量需要對精確程度有要求，否則會出現(xiàn)誤差的情況，誤差表現(xiàn)有靜態(tài)、穩(wěn)態(tài)、動態(tài)等。振蕩衰減的形式是伺服系統(tǒng)的輸入變化表達(dá)；動態(tài)誤差是振蕩過程以及幅度產(chǎn)生動態(tài)的系統(tǒng)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差，衰減到一定的程度以后會出現(xiàn)；靜態(tài)誤差由裝配中的精度以及設(shè)備中零件的精度決定的。

2.高精度力矩電機(jī)的控制特性

高速的加工設(shè)備以及航空制造業(yè)中對直接驅(qū)動技術(shù)的采用越來越廣泛，由于直接驅(qū)動技術(shù)擁有較高可靠性、剛性良好的傳動系統(tǒng)、傳動過程中沒有間隙等較多優(yōu)點(diǎn)，力矩電機(jī)、電主機(jī)以及直線電機(jī)皆采用此種技術(shù)。高精度伺服控制中，力矩電機(jī)可以匹配具備更高要求的剛性、抗干擾能力、魯棒性的系統(tǒng)，想要具備高精度對力矩電機(jī)進(jìn)行控制，就需要對力矩電機(jī)特點(diǎn)進(jìn)行了解，利用復(fù)雜且先進(jìn)的控制算法對力矩電機(jī)進(jìn)行有效控制。

2.1 力矩電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的組成

圖2

圖2就是力矩的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，從圖中可以看到系統(tǒng)主要有幾大單元來組成：功率變換的電路單元、伺服控制單元、力矩電機(jī)、通訊的單元接口、反饋器件。

其中，伺服控制單元由速度、位置、電流、轉(zhuǎn)矩控制器等組成。硬件上的主控芯片利用型號為TMS320F2812 DSP；其有不少的優(yōu)勢，比如硬件的簡單性、較高的精度、較高的可靠性；設(shè)計(jì)力矩電機(jī)的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的時候，利用到主控芯片中幾大優(yōu)點(diǎn)更能夠優(yōu)化系統(tǒng)。RS232通訊接口作為通訊的接口單元，上位機(jī)指令著特定的通訊協(xié)議，然后根據(jù)不同的要求進(jìn)行參數(shù)的傳送，就能夠讓上位機(jī)監(jiān)控或者調(diào)試伺服驅(qū)動器。

力矩電機(jī)的伺服系統(tǒng)中最重要的構(gòu)成部分是傳感器，交流電機(jī)的伺服系統(tǒng)優(yōu)越性能想要實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵就是傳感器是否能夠準(zhǔn)確地對系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行反映。電流的信號監(jiān)測至少需要采樣兩相的電流，兩相電流采樣考慮到負(fù)載的對稱性，每一相電流是根據(jù)兩相電流的求和反獲得的，采樣電流根據(jù)霍爾傳感器的原則，利用模擬電路將采樣電流處理成3V電壓范圍之內(nèi)。伺服控制系統(tǒng)工作過程需要設(shè)置對電路保護(hù)的措施；欠壓、過壓、電機(jī)過熱、編碼器故障、超速、位置超差等不同參數(shù)的保護(hù)措施要考慮到位；直接對開關(guān)脈沖進(jìn)行封鎖需要故障的信號經(jīng)過邏輯電路才可以，同時從DSP中的I/0口輸入，利用軟件進(jìn)行監(jiān)測以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的保護(hù)。

2.2 力矩電機(jī)的優(yōu)勢以及控制特性

本文分析的力矩電機(jī)是無框架的水冷永磁同步電動機(jī)，由二十二對磁極以及空心軸轉(zhuǎn)子構(gòu)成；而轉(zhuǎn)子、定子、軸承、位置編碼器、冷卻的外殼組成了完整的電機(jī)。該電機(jī)具備不少的優(yōu)點(diǎn)：

第一，精度具備零間隙、高定位；利用力矩電機(jī)的設(shè)備想要提高其精度，就可以通過該點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)；直接驅(qū)動沒有中間的機(jī)械傳動環(huán)節(jié)阻礙，這樣就能夠快速實(shí)現(xiàn)傳動，效率高。

第二，電機(jī)伺服的性能非常好。靜態(tài)負(fù)載剛性以及高動態(tài)是直接驅(qū)動所具備的特性，位置環(huán)和速度環(huán)能夠獲得較高的閉環(huán)寬度。伺服系統(tǒng)中對負(fù)載的抵抗擾動能力和較快的響應(yīng)速度獲得皆受益于高寬帶。

第三，機(jī)械設(shè)計(jì)的簡化，免除了驅(qū)動維護(hù)；利用力矩電機(jī)之后，電機(jī)上沒有維護(hù)件或者損耗件，這是工程設(shè)備中良好的狀態(tài)體現(xiàn)。

第四，直接驅(qū)動；利用直接驅(qū)動的方式能夠?qū)鹘y(tǒng)電機(jī)的減速機(jī)構(gòu)除去，如此就可以具備較高的可靠性能以及較高動態(tài)性能，能夠?yàn)殡姍C(jī)中的負(fù)載提供比較大的轉(zhuǎn)矩。

控制的特性，力矩電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，負(fù)載受到電動機(jī)直接驅(qū)動緣故，電機(jī)會受到來自外界的不同的擾動，參數(shù)變化以及轉(zhuǎn)矩的擾動會影響控制的性能；同時，較大轉(zhuǎn)矩有波動時通常會受到大功率力矩電機(jī)影響，會導(dǎo)致伺服控制系統(tǒng)中控制性能嚴(yán)重的下降。不過不可排除的是電機(jī)直接被驅(qū)動時的意外情況，轉(zhuǎn)矩波動是電機(jī)設(shè)計(jì)中不可消除的情況。所以，伺服電機(jī)控制方法之中，需要對轉(zhuǎn)矩波動的抑制、電機(jī)非線性的抵消、系統(tǒng)魯棒性的提高等進(jìn)行優(yōu)化才可。

3.結(jié)語

從高精度的伺服控制電機(jī)為主題去分析，不僅能夠分析力矩電機(jī)的概念、測試伺服系統(tǒng)的指標(biāo)；而且還能夠?qū)Ω呔攘仉姍C(jī)的控制特性進(jìn)行闡述。這個過程必須要明確主控芯片，利用空間矢量控制獲取高精度、高性能特性。伺服控制系統(tǒng)在商業(yè)價值上面會隨著其性能指標(biāo)的提高而有所突出，生產(chǎn)中的工件質(zhì)量會被伺服系統(tǒng)的性能所決定，這就是本文分析的意義。

[1]龍滿林,付永領(lǐng),李光華,陳雙橋.自抗擾算法在直流力矩電機(jī)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國機(jī)械工程,2012,23(09):1047-1050.

[2]高月波,王勉華,張國平,吳衛(wèi)安.高性能高精度力矩電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微電機(jī),2012,45(02):52-55.

[3]袁文,劉廷章,張國平,趙天錫.力矩電機(jī)伺服系統(tǒng)性能測試技術(shù)研究[J].微電機(jī),2010,43(12):87-89+104.