基于PLC控制的交流伺服系统Word下载.docx
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1绪论
1.1伺服的概念
伺服(Servo)一语源出于拉丁语的Servus(英语为Slave:
奴隶)。
奴隶的功用是忠实地遵从主人的命令从事劳力工作。
也就是“依指令确实执行动作驱动装置;
具有高精度的灵敏动作的表现,自我动作状态常时确认”。
而具有这种功能的装置就称为“伺服”。
从电气方面说伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标(或给定值)的任意变化而变化的自动控制系统。
1.2课题背景
伺服系统(servosystem)属于自动控制系统,在伺服系统中,输出量能够自动、快速、准确的跟随输入量的变化,即控制信号到来之前,被控对象是静止不动的;
接收到控制信号以后,被控对象则按照要求动作;
控制信号消失后,被控对象应立即停止。
因此又称为随动系统或自动跟踪系统,适于快速、精密的位置控制和速度控制的场合。
它最早出现于二十世纪初[1],1934年首次提出了伺服机构(servomechanism)这个概念。
过去,由于直流电机调速控制简单,具有良好的起、制动性能和调速性能,能方便经济的大范围内平滑调速,因而直流电机广泛的应用于各种伺服控制系统,高性能电机伺服大多采用直流伺服技术[2]。
但由于直流电机存在电刷和机械换向器等机械部件所带来的各种缺点,且成本高,维护困难,可靠性差,环境适应性差,因而限制了直流电机的发展。
而交流电机相对而言结构简单,坚固耐用,运行可靠,便于维修,价格便宜,于是人们开始大量的进行交流调速技术的研究。
70年代末期开始进入交流伺服控制技术时期,相继开发出了多种交流伺服系统,广泛应用于工业生产的各个领域,出现了交流伺服系统逐渐取代直流伺服系统的发展趋势[3][4]。
1971年,德国学者Blaschke提出对交流伺服电机进行矢量控制的思想,它的出现对交流电机控制技术的研究具有划时代的意义,在理论上解决了交流电机的转矩控制问题[5][6]。
通过按转子磁场定向构成的矢量变换控制系统,实现了定子电流的励磁分量与转矩分量间的解耦,从而达到对交流电机的礠链和电流分别控制的目的,这样就可以将控制一台交流电机等效为控制一台直流电机,使交流伺服驱动系统的性能可以与直流伺服系统相媲美[7]。
由于在同步电动机中,用永磁体取代传统的电励磁磁体,能简化结构,消除转子的滑环、电刷,实现无刷结构,缩小转子体积。
同时,省去了直流励磁电源,也就消除了励磁损耗及发热。
这些特点使得永磁同步电机能满够足伺服系统一些高精度的要求。
如低转速时为恒转矩控制,能高速运行,短时间内能实现加减速运行等。
所以,目前在交流伺服领域中,绝大多数中小功率(千瓦级及千瓦以下级)的伺服系统已采用永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor简称PMSM)[3][5],于此同时,科学技术的发展也大大推动了PMSM伺服控制系统的发展和应用。
1.高性能永磁材料的发展
永磁材料现有铝镍钴,铁氧体以及稀土永磁三大类。
其中稀土永磁材料自20世纪问世以来,经历了三个阶段,即第一代(1:
5型SmCo5)、第二代(2:
17型Sm2Co17)和第三代(NdFeB)。
1967年,美国学者K.J.Strant等人研制出积能为5MGOe的SmCo5粉末粘结永磁材料,称为第一代稀土永磁材料诞生的里程碑。
1997年,日本的T.Ojima等人利用粉末冶金法研制出积能为30MGOe的Sm2Co17永磁材料,标志着第二代稀土永磁材料的诞生。
80年代,美国通用汽车公司宣布NdFeB实用磁体的开发成功,标志着第三代稀土永磁材料的诞生。
它的优点是具有较高的剩磁感应强度、矫顽力和磁能积,这使得稀土用材料特别适合在电机中使用。
钕铁硼永磁采用稀土元素钕代替了钐钴永磁中的钐,且不含战备物资钴,这正是人们研究新型永磁材料所追求的目标。
当时的不足是温度系数大,容易氧化生锈而需涂盖处理。
但经过近年来的不断改进,这些不足已基本克服。
现在NdFeB永磁体的最高温度已达180℃,一般也达到150℃,已足以满足大多数电机的使用要求[8][9]。
20世纪90年代以来,我国的永磁材料产业得到了巨大发展,永磁材料的生产能力逐年提高,已成为公认的永磁材料生产大国[10]。
永磁材料的产量和性价比不断升高也使得永磁材料在电机中的使用越来越广泛。
2.电力电子技术的发展
电力电子技术是弱电与被控强电之间的桥梁和功率变换的接口。
自1958年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来,电力电子技术取得了长足的发展。
大功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、功率场效应管(P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等一系列即能控制导通又能控制截止的全控型快速电力电子器件的相继问世并且正向着大功率化、高频化、智能化、模块化方向发展。
这极大推动了各类电机的控制。
利用其可将工频电源变为频率连续可调的变频电源,这就为包括PMSM在内的交流电机的变频调速创造了条件。
3.计算机技术及控制理论的发展
交流伺服系统采用以微处理器为基础的系统级芯片和智能化功率器件,很好的克服了伺服系统中模型参数变化和非线性等不确定因素,提高了系统的鲁棒性和容错性,成功实现了高精度伺服控制。
特别是控制理论的新发展及智能控制的兴起和不断成熟,加之计算机技术、微电子技术的迅速发展,使基于智能控制理论的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略完美结合,为交流伺服系统的实际应用奠定了坚定的基础[11]。
总之,随着现代电机技术、电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术、交流可调速技术以及先进的控制理论等技术的快速发展,永磁交流伺服系统取代直流伺服系统,尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域,成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势,也成为研究与应用的重要领域。
1.3永磁交流伺服系统的特点、研究现状
1.3.1永磁交流同步电机的特点
1.电动机无电刷和换向器,工作可靠,维护和保养简单;
2.定子绕组散热快;
3.惯量小,易提高系统的快速性;
4.适应于高速大力矩工作状态;
5.相同功率下,体积和重量较小,广泛的应用于机床、机械设备、搬运机构、印刷设备、装配机器人、加工机械、高速卷绕机、纺织机械等场合,满足了传动领域的发展需求。
1.3.2永磁交流伺服的国内外研究状况及发展
交流伺服系统从数字化程度来说,经历了模拟式,数字模拟混合式到全数字式的发展过程。
随着微电子、计算机、电力半导体和电机制造技术的巨大进步,交流伺服运动控制系统日益成熟、应用日益广泛。
通过微机控制,可使电机的调速性能有很大提高,使复杂的矢量控制得以实现,大大简化硬件,降低成本,提高控制精度,还具有保护、显示、故障监视、自诊断、自调试及自恢复等功能。
另外,改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行,这样就大大提高了系统的灵活性和可靠性。
近几年,在先进的数控交流伺服系统中,伺服驱动器已采用高速数字信号处理芯片(Digitalsignalprocessor,以下简称DSP)为核心控制器件。
它的指令执行速度达到每秒数十兆以上,且具有矩阵运算的指令,可以完成系统速度环,电流环以及位置环的快速而精确的调节和复杂的矢量控制算法,并产生高分辨率的PWM输出;
该芯片集成电机控制所需的外设,如A/D、I/O、定时器、PWM发生器、串口通讯等,使得伺服系统所需器件少,可靠性增强,可以满足越来越小型化的要求。
即使在极端环境温度条件下,仍可提供可预见的输出特性,且具有良好的稳定性和线性性。
这些特性保证了电机控制的算法,如PID控制、矢量控制等可以高速高精度的完成。
目前国际上现代伺服驱动装置集多种控制运行模式、故障诊断、参数设定及自整定等功能于一体,采用高速微处理器和模糊控制技术等智能控制理论,使驱动装置的运行模式切换、故障诊断及参数设定等智能化,可以达到免于维修的目的。
特别是智能型功率模块(IPM)和DSP的采用,将驱动装置的硬件和软件高度集成与一体,减少了装置体积,增强了可靠性。
自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统,这标志着这种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。
到20世纪80年代中后期,各公司都已有完整的系列产品。
国外研究永磁同步电机全数字交流伺服系统比较有名的主要有美国的Emerson、AMC等公司,德国的西门子、Indramat、Metronix等公司,日本的安川、松下、富士、三菱等公司。
他们推出的高性能交流伺服系统几乎全部实现了全数字化,都采用了16位或者32位的高速信号处理器。
PMSM伺服驱动技术是一门包含着丰富内容的综合性技术,自世界上第一台伺服控制系统问世以来,伺服驱动技术就一直不断发展,尤其是各种现代控制理论的产生和广泛的具体应用,一方面为高性能伺服驱动系统的研究提供了理论依据,另一方面也使高性能伺服系统实现全数字化、智能化、微型化成为可能[12]。
高性能PMSM伺服系统的发展趋势主要表现在:
1.由硬件模拟电子器件为主已转向采用数字电路、微处理器、数字信号处理器,实现了全数字化,由硬件伺服技术向更高性能的全数字化、智能化软件伺服的方向发展。
极大增强了PMSM伺服系统设计和使用的柔性,可满足高精度数控机床、机器人、特种加工设备精细进给的需要,代表了PMSM伺服系统的发展水平和主导方向。
2.高性能的微处理器应用于永磁同步电机伺服系统,在控制上从通常所采用的PID控制规律,开始转向现代控制理论,自适应控制、智能控制、模糊控制、变结构控制、神经网络控制等新成果开始应用于PMSM伺服系统。
3.PMSM转子磁钢由采用铁氧体、稀土钴转向钕铁硼,使电机具有更好的性价比[13]。
4.PMSM伺服系统中所用的位置与速度传感器由单一功能向多功能一体化的方向发展。
光电编码器的分辨率将大幅提高,传感器的电子信号处理部分将以微处理器为核心构成独立的微机系统,成为高性能伺服系统的一个重要组成部分。
5.PMSM伺服系统控制器的制造上,结构日趋小型化,采用多单元组合构成多坐标轴控制器,可靠性进一步提高,便于维护及扩充。
6.PMSM伺服系统中所用的电力电子器件不断向高频化方向发展,智能功率模块(IPM)将进一步得到普遍应用,逆变器将逐渐转变为高频化、小型化的无噪声逆变器[14][20]。
电机控制是现代工业生产的基础,PMSM伺服系统由于其功率密度高、结构紧凑、控制简单而被广泛应用于各种工矿企业的中小型数控机械上。
随着工业生产水平的提高,将会有越来越多的场合使用PMSM伺服控制,以保证加工精度和生产效率。
高速、高精度PMSM伺服控制系统仍是电气传动领域的迫切要求,对提高电气传动领域的整体技术水平、促进国民经济的迅速发展具有重要的现实意义。
由于客观条件的限制,我国数字交流伺服系统的研究起步较晚,现在尚无具有足够竞争力的商品。
通过何种途径,在较短的时间内掌握关键技术,形成具有较高水平的使用商品,仍是现阶段一个十分重要的课题。
1.4本文主要研究内容
本课题主要研究基于PLC控制的永磁同步电机伺服系统,包括原理分析,参数介绍,硬件接线及实际应用。
伺服系统主要分为5部分:
控制器、放大(驱动)机构、执行机构、负载、反馈元件。
其中,控制器是PLC;
放大机构选的是信捷伺服驱动器;
执行电机是永磁同步伺服电机;
反馈元件是光电编码器。
本课题完成的主要内容如下:
1.系统总原理;
2.系统各部分硬件构成及原理;
3.一个系统各个组成部分的选型;
4.PLC控制的永磁同步电机交流伺服系统在枕式包装机上的应用。
2基于PLC的交流永磁同步伺服系统
2.1系统总体结构
2.1.1永磁交流伺服系统的基本结构
它与一般的反馈控制系统一样,也是由控制器、被控对象、反馈测量装置等部分组成[15]。
其结构如图2-1所示:
图2-1伺服系统总结构框图
本设计中:
控制器采用信捷PLC;
放大器为伺服驱动器;
电动机为永磁同步电机;
负载可以是丝杆、皮带轮等。
2.1.2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。
2.2系统各部分原理
2.2.1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(PermanentMagnetSynchronousMotor简称PMSM)得以迅速的推广应用。
2.2.2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
2.2.3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:
(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[16]。
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[17]。
2.2.4信捷XC系列PLC
可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统,专为工业环境应用而设计。
它采用一类可编程序的存储器,用于内部存储程序,执行定时、计数、逻辑运算、顺序控制与算数操作等面向用户的指令,并通过模拟或数字式输入/输出,控制各类型机械生产过程。
可编程控制器及其外部设备都按其易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。
由于伺服电机需要脉冲驱动,所以必须选择带脉冲输出口(即带晶体管输出)的PLC。
PLC的结构框图如图2-3所示:
图2-3PLC结构框图
其中输入接口电路接线如图2-4所示:
图2-4PLC输入接口图
输出接口电路接线如图2-5所示:
图2-5PLC输出接口图
PLC的基本工作原理如下:
PLC投入运行时,PLC采用循环扫描的工作方式,依次读入所有输入端子的状态和数据,并把这些状态和数据存入映像区的相应单元内。
输入采样结束后,转入用户程序执阶段,此时CPU顺序地逐条地扫描用户程序的操作,根据程序运行的结果,一个输出的逻辑线圈应该接通或是断开,但该线圈的触点并不立即动作,而必须等用户程序全部扫描结束后,才将输出动作信息全部送出执行[19]。
2.2.5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2-6所示:
图2-6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(SpaceVectorPWM)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,SpaceVectorPWM)控制”。
SVPWM(SpaceVectorPWM)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)
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