交流伺服运动系统的开发与实现

1. 交流伺服运动系统的开发与实现

2. 摘要 • 回顾我国伺服电机的发展，本文提出并介绍了交流伺服运动系统的概念。区分并对比了交流伺服运动系统的控制结构。为了加快正弦激励PMSM伺服系统的发展，重点介绍了探索和研究适合我国的技术路线。最后，给出了一个PMSM伺服运动系统的设计例子。

3. 绪论 • 交流伺服系统发展为交流伺服运动系统。交流伺服系统是交流伺服运动控制系统的核心。除了交流伺服电机和它的驱动以外，交流伺服运动系统由控制器和传感器组成。它的研究对象为系统特性，但是交流伺服系统的研究重点在于速度，位置，加速/减速和电机的扭矩。和普通变频系统不同，交流伺服运动系统不仅仅涉及到速度的控制，也包括位置的控制。此外，交流伺服运动系统比普通的变频系统具有较高的动态特性。 • PMSM伺服系统的发展远比其它伺服系统要难。一些行业采用PMSM，驱动，控制器和传感器一体化的策略已经取得显著成就。交流伺服运动系统的观念引起这种策略。可是设计者常常觉得困惑：如何决定技术要求，系统结构，软件功能和硬件分配。本文中，首先讨论了交流伺服运动系统的控制结构，并且将控制器的功能与两种控制结构的作比较。然后，探讨适合于我国的技术路线和介绍了研究重点。最后，给出了一个PMSM伺服运动系统设计的例子。

4. 控制结构 • 在图1和2中，交流伺服电机的传感器探测电流，位置，速度和温度。它们的输出作为电机控制运算法则的输入。运动装置的传感器通过工艺过程决定。包括：位置，温度，压力，张力，流速和光测头传感器。电磁阀，阀门或者其它电机类型可以作为驱动器。工业电脑，PLC和单芯片微控制器：例如DSP和ARM都可以做为控制器。键盘，按扭，磁盘和通讯接口用于接受操作命令。过程或者运行参数可以显示。灯光和声音设备作为监视器和报警的用途。

5. 集成控制结构中，控制器对于接受的命令，传感器信号的计算和分析是可靠的，因此控制驱动器和动力设备。来自控制器的所有信号，技术软件存储在控制器中。动力设备和驱动器作为控制器的子系统被分别独立控制。在分布式结构中，控制器仅作为输入和显示功能。驱动器中的微控制器完成主要控制任务。它不仅仅控制交流伺服电机，而且也控制动力设备和其它驱动器。技术软件的一些程序存储在微控制器中。控制器和微控制器通常由通讯接口连接在一起。集成控制结构中，控制器对于接受的命令，传感器信号的计算和分析是可靠的，因此控制驱动器和动力设备。来自控制器的所有信号，技术软件存储在控制器中。动力设备和驱动器作为控制器的子系统被分别独立控制。在分布式结构中，控制器仅作为输入和显示功能。驱动器中的微控制器完成主要控制任务。它不仅仅控制交流伺服电机，而且也控制动力设备和其它驱动器。技术软件的一些程序存储在微控制器中。控制器和微控制器通常由通讯接口连接在一起。 • 对于成熟的交流伺服系统，它具有完整和普遍的性能，因此集成控制器结构是理想的选择。只要选择适当的交流伺系统，将会缩短应用该系统的开发周期。系统设计者的重点仅仅在于控制器。该控制结构需要控制器具有较强的数据运算能力，充足的输入/输出端口，足够的中断信号和记时器。分布式控制结构更适应于特殊的或者新型系统。控制任务能够灵活的在控制器和微控制器之间分布。需要减少控制器的数量，但是微控制器的性能要比集成控制器系统的强。控制结构紧凑，成本低。一旦开发成功，将拥有自主知识产权。分布式控制结构适合于PMSM伺服运动系统的开发初期。

6. 关键技术 • 在我国，开发交流伺服运动系统的难度在于控制器，电机，传感器和驱动器。一些关键技术如下： • 控制器：硬件比较成熟而且特别容易实现。硬件难点是：如何用比较便宜而又可靠的单芯片微处理器取代当前较贵的PLC。软件任务是设定标准和打开开发平台。它像PLC开发平台一样的容易。 • 电机：步进电机，SRM和方波BLDCM已经很成熟。PMSM在开发阶段。我国的设计能力没有落后。主要难度在于制造技术水平和原料。在初期，为了满足市场需求，那些特殊应用的PMSMs：例如：低速大扭矩，大惯量和位能力负载将被开发。 • 传感器：传感器的类型很多。他们当中一些是进口的而且很贵。这些传感器将国产化。对于新型传感器，它们将尽可能的尽快被研究和开发。 • 驱动器：它是使PMSM伺服系统工业化的主要障碍。有三方面的原因：装置，数学模型和研究小组的管理。高速DSP和应用特殊的智能动力模块的普及减轻了装置难度。非传感器的控制观点，低速/步进操作和快速响应，精确的数学模型将被研究。现在，研究人员分散，如何组织和优化研究课题是个非常值得思考的问题。

7. 系统的执行 • 近些来来，中国生产了大量工业裁缝机。仅2004年，制造了4.7亿台裁缝机，但是不足百分之十的用到PMSMs。裁缝机中伺服系统的特点： • (1)操作范围广：200rpm到6000rpm • (2)高速响应：满负载时从开始到4500rpm仅仅需要100ms • (3)较低的位置精度：小于+/-3 • (4)零电磁扭矩

8. 对于双线连锁缝纫机，PMSM驱动针装置往复运动。根据针的位置，触发相应的螺线管完成预期运动。如图3所示：集成控制结构中控制器和微控制器的功能。在3（a）图中，4*4排列的键盘占用8个输入端口。通过4位二进制输入信号获得踏板的16个控制状态。针的位置信号（3位）来自电机轴末端的光编码，其中的2位信号为正交脉冲。片选信号和锁存器信号需要3个输出端口。其它3位输出信号译码为8位信号锁存用于LED显示数据。5个螺线管由5个输出端口控制。控制器输出脉冲信号控制PMSM的速度和位置。图3（b）中，DSP实现三相PMS矛盾磁场定向控制。2个电流传感器信号和3个编码器信号为输入信号和6个脉冲宽度调制信号（PWM）用于控制三相逆变器。控制器中的速度和位置控制命令。

10. 如图4所示：分布式控制结构的设计方案。驱动器中DSP实现控制器中DSP的一些功能。减少了图4（a）中DSP的负担，它仅仅作为读键盘，显示和通讯。如图4所示：分布式控制结构的设计方案。驱动器中DSP实现控制器中DSP的一些功能。减少了图4（a）中DSP的负担，它仅仅作为读键盘，显示和通讯。

11. 如图5所示图4（a）中的控制器的PCB板。为了比较这两种控制结构的优点，仍然选择DSP。在PCB板上有4*4排列键盘，8个LED和标准的232连续通讯接口。注意，如果键盘名称改变，可用于其它应用。如图6所示：图4（b）中的微控制器的PCB板。除了两路电流传感器信号，3路编码器接口和6个PWM输出外，另外还有4个数字信号输入，5个数字信号输出和一个通讯接口。如图7所示375W和550W的PMSMs。

12. 结论 • 提出并介绍了交流伺服运动系统的观念。对比了集成和分布式控制结构。提出了一些关键技术。这些目标的提出可以加快我国PMSM伺服运动系统的研究和应用。目的是制造通用PMSM伺服系统。它的显著特点：在PMSM伺服系统发展的初级阶段分布式控制结构是理想的选择。可以看的出，不久PMSM伺服产品将走向市场。提出的设计方案也可以用于相似的应用中。