开放式数控系统的驱动技术——伺服电动机及其驱动器

宿命

在开放式数控系统中，驱动元件的运动处在核心控制器的控制之下，开放式核心控制器(如PMAC)可以控制各种类型的驱动元件及其驱动装置，从而实现驱动元件的灵活配置。
在数控系统中，驱动元件是数控系统中重要的组成部分，其性能直接影响整个系统的性能。常用的伺服驱动部件有以下几种类型:步进电动机及其驱动装置、直流伺服电动机及其驱动装置、交流伺服电动机及其驱动装置、直线电动机及其驱动装置、陶瓷电动机及其驱动装置、力矩电动机等。在数控系统中最常用的驱动部件是前三种，本讲着重介绍三种伺服驱动技术。
1 @- }, \. l- P: \1 步进电动机及其驱动装置
步进电动机及其驱动装置常用在一些简易的开环数控系统上，价格便宜，容易实现调速，组成和接线比较简单，定位比较准确。
* m8 N8 x  X! O0 A, w+ ^步进电动机是将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的机电执行器。按照工作原理不同，步进电动机分为三类:反应式、永磁式和混合式。反应式步进电动机结构简单，定子上有磁极，每对磁极上绕有一相绕组，在转子铁心及定子极靴上均有小齿，定转子之间有很小的气隙。永磁式步进电动机的转子或定子的某一方具有永久磁钢，另一方由软磁材料制作，定转子上均无小齿。混合式步进电动机是步进电动机将来的发展趋势，它兼具反应式和永磁式步进电动机的特点。从它的磁路内含永久磁钢来看象永磁式，但从定子或转子的导磁体看又象反应式，在其定转子上有与之相似的小齿。混合式步进电动机具有反应式步距角小的优点，同时又具有永磁式的控制功率小，断电后有一定定位转矩的特点。其典型产品为日本伺服公司和德国柏格拉公司的混合式步进电动机。特性优良，性能稳定，是混合式步进电动机的理想选择。步进电动机特性的技术指标有精度、转矩、响应频率、矩频特性和惯频特性等。

图1
步进电动机不能单独工作，它必须和其专用设备——步进电动机驱动器一起使用。步进电动机驱动器的基本功能是:按照一定的顺序和频率接通和断开步进电动机的励磁绕组，按照要求使电动机启动、停止：提供足够的电功率：提高步进电动机运行的快速性和平稳性。步进电动机驱动器的组成如图1。
如图1，脉冲分配器接收到指令脉冲信号和方向信号以后，将指令信号按照电动机的导电相序分配脉冲信号，这些分配后的指令脉冲信号经过功率放大器驱动步进电动机工作。在实际应用中，还涉及如电路保护、细分驱动等问题。细分驱动的原理是在每次输入脉冲切换时，不是将绕组电流全部通入或切除，而是只改变相应绕组中额定的一部分。这样绕组里的电流不是一个方波，而是一个阶梯波，电流分成多个台阶，则转子就以同样的个数转过一个步距角。细分驱动的主要目的是使步进电动机运行更加平稳，提高匀速性，减弱或消除振荡，但同时也使驱动器的结构变得复杂。目前市场上步进电动机驱动器很多，如日本MYCOM公司生产的UPS200，它可以用来驱动两相混合式步进电动机。每相电流最大为2A且可调，可以接收脉冲加方向信号或双路脉冲信号(CW和CCW)，能够实现整-半步驱动，有过电流保护功能以及自动半电流(在没有指令脉冲1s后将相电流减半)功能。
2 直流伺服电动机及其驱动装置
直流伺服电动机及其驱动装置历史长，用途广。其特点是过载能力大，动态性能好，调速范围宽，调速比可到1:1000以上，有良好的低速刚度，可进行高精度定位，低速时也能输出较大转矩。但有刷直流伺服电动机由于带有电刷和换向器，电动机在运行过程中会产生换向火花，所以在宇宙飞船、人造卫星以及易燃易爆等一些特殊场合不适合选用直流伺服系统。
直流伺服系统通过编码器的位置及速度反馈实现闭环控制。直流伺服电动机按照电枢结构不同分为:永磁直流伺服电动机、无槽电枢直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机。其中永磁直流伺服电动机具有体积小、转矩大、力矩和电流成比例、功率体积比大以及稳定性好等优点，是电气伺服系统中非常重要的一种电动机。永磁式直流伺服电动机结构与普通直流电动机结构相似，但是电枢铁心长径比大，气隙小。无槽电枢直流伺服电动机的电枢铁心是光滑的圆柱体，电枢绕组是靠树脂固定在铁心表面。主要特点是转动惯量小，一般用于需要快速动作、功率较大的场合。空心杯直流伺服电动机的电枢绕组用环氧树脂浇注成杯型，电枢内外侧有铁心构成磁路，其特点是转动惯量小、低速运转平滑、寿命长、效率高。印制绕组直流伺服电动机的电枢是在圆形的绝缘板上印制裸露的绕组构成电枢，具有快速响应特性，能承受频繁的可逆运转。
目前直流伺服电动机大都采用PWM(脉宽调制)驱动器驱动。PWM 通过改变周期性脉冲信号的占空比来改变加在电动机上的平均电压实现调速。这种调速方法具有恒转矩的调速特性，机械特性好，调速范围宽。
美国Copley公司生产全系列的直流伺服电动机及其驱动装置，包括有刷直流伺服电动机及驱动、无刷直流电动机及驱动、无刷交流电动机(永磁同步交流电动机)及驱动和基于DSP芯片全数字式伺服驱动器。在其有刷直流伺服驱动中，你可以选择用转矩控制的伺服驱动器或用速度、转矩控制都有的伺服驱动器。
& r; ?) z2 z  d* w3 交流伺服电动机及其驱动装置
% E, v& F- o+ ^3 l# E- n2 g1 i随着高速CPU和其它运算芯片的降价，交流伺服电动机及驱动装置进入越来越广泛的应用领域。交流伺服电动机用于闭环控制系统中，通常有笼型异步伺服电动机和永磁同步伺服电动机两种。现在用途最为广泛的是永磁同步伺服电动机，它主要由转子和定子两部分组成，转子上装有特殊形状的永磁体，没有励磁绕组，定子铁心上装有三相励磁绕组。而异步交流伺服电动机控制起来非常复杂，需要采用矢量变换控制，低速特性不好，所以用途并不广泛。下面主要讲述交流同步伺服电动机及其驱动原理。
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  p; @; I7 j$ z$ l8 g图2
永磁交流伺服驱动装置按照驱动电流波形和控制方式分为矩形波电流驱动和正弦波电流驱动(SPWM)两种类型。矩形波驱动的永磁交流伺服电动机为无刷直流伺服电动机，正弦波驱动的永磁交流伺服电动机为无刷交流伺服电动机。同步交流伺服驱动器的原理如图2。
2 c4 K$ S. A6 X% p! v1 ~本控制框图只画出了速度环和电流环部分。光电编码器产生的脉冲信号经速度解码器处理成数字信号直接送到CPU，在数字调节器中与速度给定信号进行比较运算(PID)后产生三相交流的电流幅值信号Im。为了提高速度调节品质，现在的驱动器大都采用了以下两项关键技术:一是在速度解码器中采用M23 测速方法，即在电动机高速运转时，通过记录单位时间内的脉冲个数来实现速度测量，而在电动机低速运转时，通过记录两脉冲之间的时间长来实现速度测量。这样无论是在高速或低速时都能很准确地测定电动机的转速。二是数字调节器算法中采用先进的滑模算法，这种算法根据电动机在高速和低速运行状态上的不同特性，分别给定不同的PID调节参数，使各阶段的参数都能得到优化。
" s; l' j1 @2 H7 K$ N$ U0 D; L6 n通过乘法器将电流幅值信号Im与电动机转子位置信号q通过矢量乘法运算来合成三相交流电。位置信号q由光电编码器产生的脉冲信号经位置解码器处理而成。
- z" @( R& B2 N' ^iu=Im sinq
iv=Im sin(q+120°)
+ ]  A+ b) A8 z$ c) uiw=Im sin(q+240°)
当三相电流获得后被送入电流调节器与反馈回来的电流信号进行比较运算，再经PWM调制后驱动伺服电动机工作。
除了这些基本结构外，电路中还加入了故障处理和保护环节，如过压、欠压、过流、断相及电动机过热等硬件检测和保护电路。一旦出现故障将通知CPU并锁住数据输出。
1 G# y5 W' |1 w# t& W( ^0 L7 i8 T目前日本松下同步交流伺服电动机及其驱动器由于性能稳定、功能齐全、操作简单在行业中赢得了很好的声誉。该伺服系统可以轻松实现转矩、速度、位置或复合控制，通过其驱动器上特有的操作面板使你可以不用其它任何附加工具即可对各种参数进行修改。内部控制采用了滑模算法，并提供了各种保护和监测功能。
4 驱动部件选型
上文简单介绍了基本伺服系统的原理以及相关产品。用户在选用伺服驱动系统的时候主要要考虑的因素有以下几点:①根据位置精度要求及场合选用哪种类型电动机：②考虑伺服系统的参数匹配：负载转矩和电动机转矩、负载惯量及电动机惯量(一般情况下电动机惯量应选在负载惯量的1～3倍之间)，根据这些选择大小合适的电动机：③根据控制方式、驱动能力及其它要求选择合适的伺服驱动装置：④其它特殊要求。当然要选好合适的伺服驱动系统，用户得根据自己实际应用要求去选择。 【MechNet】
文章关键词： 数控系统