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三洋伺服电机控制系统

三洋伺服电机控制系统

直流无刷三洋伺服电机的控制原理

  要让转动起来,首先控制部就必须根据hall-sensor感应到的转动起来目前所在位置,然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序,

  如 下(图二) inverter中之ah、bh、ch(这些称为上臂功率晶体管)及al、bl、cl(这些称为下臂功率晶体管),使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场,并与转子的磁铁相互作用,如此就能使电机顺时/逆时转动。当三洋伺服电机转子转动到hall-sensor感应出另一组信号的位置时,

  控制部又再开启下一组功率晶体管,如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。

  基本上功率晶体管的开法可举例如下:

  ah、bl一组→ah、cl一组→bh、cl一组→bh、al一组→ch、al一组→ch、bl一组

  但绝不能开成ah、al或bh、bl或ch、cl。此外因为电子零件总有开关的响应时间,所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去,否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭,下臂(或上臂)就已开启,结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。

  当电机转动起来,三洋伺服电机控制部会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令(command)与hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(ah、bl或ah、cl或bh、cl或……)开关导通,以及导通时间长短。速度不够则开长,

  速度过头则减短,此部份工作就由pwm来完成。pwm是决定电机转速快或慢的方式,如何产生这样的pwm才是要达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的clock 分辨率是否足以掌握处理软件指令的时间,另外对于hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的hall-sensor信号变化变得更慢,怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以encoder变化为参考,使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。

  电机能够运转顺畅而且响应良好,p.i.d.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电机是闭回路控制,因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速度还差多少,这就是误差(error)。知道了误差自然就要补偿,方式有传统的工程控制如p.i.d.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的,若要控制的坚固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能完全掌握,所以模糊控制、专家系统及神经网络也将被纳入成为智能型p.i.d.控制的重要理论。
 (一) 三洋伺服电机开环控制系统

  采用步进电机作为驱动器件,无须位置和速度检测器件,也没有反馈电路,控制电路简单,价格低廉。步进电机和普通电机的区别主要就在于它的脉冲控制,正是这个特点,步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。在精度不是需要特别高的场合就可以使用步进电机,步进电机可以发挥其结构简单、可靠性高和成本低的特点。

  (二) 三洋伺服电机半闭环和闭环位置控制系统

  采用直流伺服电机或交流三洋伺服电机作为驱动部件,可以采用内装于电机内的脉冲编码器,无刷旋转变压器或测速发电机作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统,也可以采用直接安装在工作台的光栅或感应同步器作为位置检测器件,来构成高精度的全闭环位置控制系统。

  如果把直流 三洋伺服电机结构进行“里翻外”的处理,即把电枢绕组装在定子,转子为永磁部分,并以转子轴上的编码器测出磁极位置控制电子开关进行电子换相,这就构成了永磁无刷直流电机。这种交流伺服电机具有良好的伺服性能。从80年代开始,逐渐应用在数控系统的进给驱动装置上。交流伺服系统采用交流伺服电机作为驱动器件,可以和直流伺服电机一样构成高精度、高性能的半闭环或全闭环控制系统,由于交流伺服电机内是无刷结构,几乎不需维修,体积相对较小,有利于转速和功率的提高。目前交流伺服系统已在很大范围内取代了直流伺服系统。在当代数控系统中,伺服技术取得的突破可以归结为:交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制、或者把它称为软件控制取代硬件控制。

  采用状态观察器和卡尔曼滤波器可以进行三洋伺服电机参数的在线辨识;采用滑模变结构控制可增强电动机控制系统的鲁棒性。如能将各种智能控制理论有机地结合起来,必将开创交流伺服控制的新天地。如模糊控制和神经元网络控制都不需要精确的对象模型和参数,使系统具有很强的鲁棒性。

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