如上所述,电子换向原理是按检测到的转子位置查表产生三相定子电流。由于电流环的响应需要一定的时间,以及在最近一段时间转子又转过一定的角度,就使得定子电流的合成磁场不再垂直转子磁场。电流越大,速度越快,查表时滞后的角度越大。因此在查表时要提前一个角度。提前的角度与电流的大小和速度的高低有关,分别称为电流提前角和速度提前角,它们的值通过实验获得。电子换向和提前角控制称为转矩角控制技术,是Kollmorgen公司的专利。
速度调节器的输出为电流指令ICMD,与实际电流I作比较,其差值作为电流调节器的输入进行调节,使实际电流I等于电流指令ICMD,产生转矩Tm。如果电动机转矩Tm电动机轴上的负载转矩TL,则电动机将加速,直到电动机的实际速度V等于速度指令VCMD,电动机转矩Tm等于负载转矩TL,电动机将以被指令的速度VCMD旋转。
当θ=0时,从定子绕组的C相向B相流过一个电流,转子将转到一个位置停下来(称为转矩制动位置),该位置称为转子的零位。用ZERO指令能够找到转子的零位。此时由转子位置检测装置确定的查表指针必须是90°才可能正真的保证正确的电子换向。确定正确的查表指针位置(初始换向角)的过程称为直流无刷电机电子换向的初始化过程。
(即ωt-θ=常数)观察,合成磁场F为一在空间转动的成正弦分布的磁场,即旋转磁场。如下图所示。
对两极电机而言,三相正弦交流电变化一个周期,即360电角度,合成磁场旋转一周,即360机械角度。如果在三相定子绕组中加入对应某瞬间的三相交流瞬时值的直流,则在空间产生一个固定位置按正弦分布的磁场。换句话说,给定一个合成磁场的空间位置,就能够获得合成这个磁场的定子绕组的电流值。
由上式看出:如果在空间某一固定位置(θ=常数)观察,合成磁场F为一正弦脉振磁场;如果固定在某一瞬间(ωt=常数)观察,合成磁场F在空间成正弦分布;如果同步移动
直流无刷电机在结构上与三相永磁同步电动机相同,但控制原理却与直流有刷电动机相同。直流有刷电机通过有刷换向使每个磁极下电枢导体的电流方向保持不变,由此产生能使电机连续旋转的转矩;直流无刷电机是通过电子换向使转子每个磁极下定子绕组导体电流的方向保持不变而产生能使电机连续旋转的转矩。由于采用电子无刷换向代替直流有刷电机的有刷换向,所以交流永磁同步伺服电机又称直流无刷伺服电机。
直流有刷电动机必须正确调整换向电刷的机械位置才能使电机工作正常。同样,直流无刷电机加电时必须建立正确的初始换向角,才能使直流无刷电机正常工作。确定初始换向角的过程称为无刷换向的初始化过程。为了了解换向初始化过程,必须先了解直流无刷电机的控制原理。
直流有刷伺服电机的控制原理是:通过电流环控制电动机的电流来控制电动机的转矩,通过速度环来控制电动机的速度,即所谓双闭环速度伺服系统,如下图所示:
如上所述,产生最大转矩的条件是绕组流过电流产生的合成磁场与主磁场互相垂直。直流无刷电机的转子是永磁(按正弦分布)的,是主磁场。给定转子的位置(主磁场的位置)就能够找到与其垂直的合成磁场位置,也就找到三相绕组的电流值。转子从0度转到360度,能够获得一组能产生最大转矩的三相电流值,也就是一个周期中的三相交流瞬时值。
直流有刷电机由定子(产生主磁场)、转子(电枢)和换向装置(换向片和电刷)组成。直流有刷电机通过有刷换向使主磁极下的电枢导体的电流方向保持不变,从而使产生转矩的方向不变,使电动机的转子能连续旋转。为了使直流有刷电动机在电枢绕组流过电流时能产生最大转矩,必须正确调整有刷换向装置中电刷的位置。下面进行较为详细的讨论。
ServoStar驱动器可以再一次进行选择用旋转变压器(简称旋变),增Βιβλιοθήκη Baidu编码器或正弦波编码器来检测转子的位置θ。
PWM(脉宽调制)是一个斩波器,将直流母线电压斩成频率固定的方波电压,加在绕组上。方波电压的频率固定,分布电压的宽度取决于控制电压(电流调节器的输出)。加在绕组上的电压是被调制的方波电压的平均值。当PWM的控制电压是正弦电压时,加在绕组上的电压也是正弦的,产生的电流也是正弦的。可见PWM是一个将直流转换为正弦交流的变流器,又成为SPWM。系统制动时,PWM将三相交流反电势转换为直流反电势,是一个逆变器。
θs-三相定子绕组产生的合成磁势的电角度,磁通落后磁势90度电角度,当定子绕组
电源模块的输入电压为三相230V交流电压(CD驱动器),经三相桥式整流,作为PWM
1旋转磁场的产生:直流无刷电机的定子绕组为三相对称绕组,转子磁场为由永久
磁铁产生的按正弦分布的主磁场。如在定子绕组中通入对称三相正弦交流电,在空间能产生可以旋转的磁场。
用ServoStar驱动器控制直流无刷电机的原理框图如下图所示。旋变(或编码器)为检测转子位置的反馈装置。旋变的输出为模拟量信号,经R/D转换为能表示转子绝对位置θ的数字信号,查表得到能产生最大转矩的三相电流瞬时值sinθ、sin(θ-120)和sin(θ-240),
乘以速度调节器输出的电流(有效值)指令Icmd,得到三相瞬时值电流指令Iacmd、Ibcmd和Icmd分别加到A、B、C三个电流调节器的输入端,经过电流环的快速调节产生三相电流(Ia;Ib;Ic)流入电动机的三相绕组,产生最大转矩输出,驱动电动机旋转。在速度环的作用下,使电动机的转速跟踪速度指令(位置调节器的输出)的变化;在位置环的作用下,使电动机转动的角度跟踪位置指令的变化。位置指令是由运动轮廓发生器产生的,驱动器对每个运动指令都将建立一个软件运动轮廓发生器。在编码器(或脉冲)跟踪方式下,位置指令是外部位置的累计。
有刷换向装置由电刷和换向片组成。直流有刷电机的电枢绕组为环形绕组,主磁极下的每个电枢导体连接到换向片上。换向片为彼此绝缘,均匀分布在换向器圆周上的金属片组成。电刷与换向片滑动接触。电枢电流通过电刷和连接电枢导体的换向片引入电枢绕组。电枢旋转时,电刷和换向片就象一个活动接头一样始终与主磁极下的导体连接,使主磁极下电枢导体的电流方向不变,产生使电枢连续旋转的转矩。
2电势平衡方程式:电枢转动时,电枢导体做切割磁场的运动,产生感应电动势(感应电动势方向用右手法则判断)。由于该电动势与电流(电枢电压)方向相反(吸收电能转换为动能),故称反电势。电枢转动时产生的反电势E与电动机磁通Φ和电动机转速N成正比:
其中:JM为电动机转子的转动惯量;KJ为与转速单位和惯量有关的常数;N为以rpm
运动平衡方程式用来计算由电机轴上的合成转矩产生的角加速度,反之亦然。另外
直流无刷电机的转子是永磁的,定子绕组是三相对称绕组。通过与转子连接的反馈装置(旋变或编码器)不断的检测转子的位置,查表得到能产生与转子磁场垂直的定子合成磁场(可保证转子磁极下定子绕组导体的电流方向和分布不变,称为电子换向)的三相定子电流的瞬时值指令,通过三个电流环来调节三相定子电流。为了使直流无刷电机在定子绕组流过电流时能产生最大转矩,必须确定无刷换向环换向指针(换向角)的正确位置。驱动器加电时,必须了解到对应转子位置的换向角(称为初始换向角),确定初始换向角的过程称为无刷换向的初始化过程。
旋变的输出为模拟量信号经rd转换为能表示转子绝对位臵的数字信号查表得到能产生最大转矩的三相电流瞬时值sinsin120和sin240乘以速度调节器输出的电流有效值指令icmd得到三相瞬时值电流指令iacmdibcmd和icmd分别加到abc三个电流调节器的输入端经过电流环的快速调节产生三相电流ia
产生最大转矩的条件是:一个磁极下的所有电枢导体的电流方向一致。或者说,电枢导
1转矩平衡方程式:电流IM流过电枢绕组,载流导体在磁场中受力(受力方向用左手法则判断),产生能使电枢连续旋转的转矩TM。转矩TM与电动机磁通Φ和电枢电流IM成正比:
将上述对应转子位置能产生最大转矩的三相交流瞬时值作成电子表格储存到存储器中。电机工作时,不断的检测转子的位置,然后查表得到能产生最大转矩的三相电流瞬时值比例,乘以速度调节器输出,即电流(有效值)指令,得到三相电流瞬时值指令,加到三相电流调节器的输入,通过电流环的快速调节,产生三相定子电流。三相定子电流的合成磁场将垂直于转子磁场,产生最大转矩。