行业动态
伺服系统控制技术发展
发布人: 中科德润 发布来源: 中科德润 发布日期: 2013-8-2 点击数:1863

1.    引言

伺服系统经过几十年的发展,它们的技术已趋于成熟,应用范围广泛而且还在不断地向各个行业渗透,伺服系统已成为运动控制领域的一个主要发展方向。国外的伺服品牌众多,产品主要集中在日本、德国、美国、韩国等国家和中国的台湾地区。国外伺服系统的技术成熟先进,品牌多,产量大,但由于没有哪一家公司和单位具有行业内的压倒性技术和销售优势,各家公司之间也是相互竞争,所以到目前为止,国际上还没有一个统一的伺服系统性能测试标准或大家都认可的行业测试规则。20世纪90年代后,交流伺服系统在中国国内逐渐形成研究热潮,2004年,国内自主知识产权的交流伺服系统供应商如雨后春笋般兴起,2012年,国产伺服品牌如汇川、华中数控、森创、星辰、御能、蓝海华腾,埃斯顿,珠海运控等。随着国产品牌的逐渐成熟,国产伺服所占的市场份额也在渐渐升高。技术越来越成熟、品牌越来越多、市场需求量也不断扩大,国产伺服系统具有广泛而美好的应用前景。

伺服系统可按照区域划分,欧系,欧美品牌,功能多,性能优越,价格贵;日系,适合中国人使用,质量稳定,价格适中;国产,含台湾和韩国等,便宜。

详细品牌如表1-1所示。

表1-1 国内外伺服品牌

区域

国家

厂家或品牌

欧系

德国

西门子、施耐德、包米勒、KEB、LENZE、Bosch Rexroth等。

美国

Fanuc、PARKER、罗兰、贝赛德等。

法国

施耐德等。

瑞士

ABB等。

丹麦

丹佛斯等。

日系

日本

安川、三菱、松下、欧姆龙、富士、Fanuc、多摩川等。

国产

中国台湾

台达、东元等。

中国

汇川、华中数控、华中数控、森创、星辰、御能、蓝海华腾,埃斯顿,珠海运控等。


2.    伺服系统介绍

2.1    伺服系统定义及控制分类

伺服系统主要有两部分组成,按照日系说法伺服电机+伺服单元组成整个伺服系统,伺服电机按照交流和直流电机可分为两大类:直流电机;交流电机具体见图1-1电机分类。 

图1-1电机类型的分类

伺服单元根据应用场合可实现全闭环位置控制、半闭环位置控制、速度控制、转矩控制。目前主流电机控制主要针对交流感应电机(ACIM)、永磁同步电机(PMSM)、无刷直流电机(BLDC)、开关磁阻电机(SR)。以下主要针对各种电机的应用场合,对控制方法作简单介绍。

1)无刷直流电机(BLDC)控制

BLDC电机具有三相定子绕组,以及一个带表贴永磁铁的转子。BLDC电机没有换向器,并且比DC电机更可靠。结构如右图所示。在BLDC的控制中必须要知道转子的具体位置,转子位置可通过6 Hall检测和无传感器技术,因为BLDC大量应用在低成本方案中,因此基本都需无传感器方案。大多数无传感器技术都是电机旋转时从定子绕组的反电势(EMF)中提取信息,这些技术在5%的额定转速以上才能使用。2013年TI推出的FAST Estimator 性能可以达到速度精确的稳态转速低于1Hz的角度估计(典型值)和最大扭矩,目前在TI C2000中的部分芯片ROM中固化。

 2)永磁同步电机PMSM控制

与BLDC类似,PMSM具有三相定子绕组,以及一个带表贴永磁铁的转子。PMSM是高精度定速驱动器的理想选择,这种电机具有非常高的功率因素、非常高的效率和快速响应能力,适用工业领域最复杂的应用,此外还有高的过载能力。

PMSM的控制采用矢量控制技术通常称为磁场定向控制(FOC)技术。矢量控制技术需要准确的知道电机转子位置,位置检测也分为有传感器和无传感器,当应用在高精度定位控制中,对转子位置精度要求较高,系统需要传感器。位置传感器可以分为两大类,模拟量反馈型,如磁电角位移传感器、旋转变压器、正余弦编码器;数字量反馈型,如增量型和绝对型编码器,一般通用伺服在2500线,目前日本安川sigma5和松下A5系列配备20bit编码器,每圈反馈1048576脉冲。一般国内较好通用伺服系统,速度环频率响应约在200~600Hz左右,日本松下达到业界最快的速度频率响应2.0KHz。

相比国内伺服,国外伺服不仅在伺服性能强,而在自动调谐方面、GUI调试界面、通讯、保护方面做得非常完善。自动调谐方面惯量辨识,PID参数自整定,如多功实时增益调整、自动/手动陷波滤波器、振动抑制等。安川SigmaWin+调试界面,通过USB与驱动器通讯,实时监测系统状态,控制系统参数,实时监测参数波形等,功能非常强大,让用户操作非常方波。国外欧系伺服大多以总线通讯,如CANopen、Profibus、Rs485、工业以太网通讯技术。

3)交流感应电机控制

ACIM有两类控制方法,第一类是一种简单的方法,被称为电压/频率控制(或标量控制)电压与施加的频率成正比,该方法简单,并不依赖于电机参数。没有电流环,并且不能较好的控制电机的瞬时状态,该技术应用到风扇、泵和压缩机场合。另一类是高级的控制方法,包括磁场定向控制FOC核直接转矩控制DTC,FOC可实现电机扭矩和磁通控制。该方法将电流/电压从静止坐标转到旋转坐标,与DC电机控制类似,采用了扭矩/励磁电流控制环,和较慢速的速度/位置控制环,但是FOC需要转子位置和电机参数,目前转子位置检测采取无传感器检测技术,而电机参数则采取参数辨识获取。高级控制技术提供了卓越的性能,它可以应用于工业控制和伺服控制。 

 

4)开关磁阻电机控制

    开关磁阻SR电机是一个旋转的电机,其中定子和转子都是凸极,定子绕组有几组线圈组成,每个线圈绕在一个磁极上,转子有软磁极材料堆叠压制而成,以减小涡流损耗。

SR电机控制由一系列与转子位置相关的脉冲来驱动,有许多控制技术,它们在可以控制算法结构和位置评估方面存在区别,主要介绍三种基本技术为:

① 角度控制:在SR电机中应用恒定的全电压,电机转速通过改变开/关角度控制,这种控制应用在额定转速之上。

② 电压控制:电机转速有施加在电机绕组上的电压决定,施加在相绕组上的电压直接由速度控制控制

③ 电流控制:SR电机采用电流内环,速度控制器输出定义电机绕组需要的电流,根据电流计算出新的开/关位置。现在已经开发出多种无传感器算法。SR电机是一种结构简单,经济高效的电机,适合高速应用,例如吸尘器、风扇、白色家电等。

 2.2    伺服系统性能

衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。频带宽度简称带宽,由系统频率响应特性来规定,反映伺服系统的跟踪的快速性。带宽越大,快速性越好。以下主要分析永磁同步电机控制下的性能:

电流环控制中,一般通过阶跃电流指令观测电流反馈,电流环反馈电流上升时间tr一般0.5~2ms左右,电流环带宽约在1.5~6KHz左右,电流环带宽一般是速度环5~10倍。

速度环控制中,速度控制精度,转矩脉动,速度环带宽都是衡量速度环性能指标,速度环性能与编码器精度息息相关,国内通用伺服速度环带宽一般在200-600Hz左右,而国外伺服采用高精度编码器,速度环带宽可达2KHz。

位置换控制,位置控制性能指标是定位时间和定位精度,安川sigma5整定时间0-4ms。

以上都是针对电机空载时的性能,电机带上负载机械时,综合性能都会递减,空载时高性能若还不能满足要求,还需要先进的调谐功能,如转动惯量自辨识,振动抑制,自动陷波滤波器,摩擦补偿等高级调谐功能。国内外高端伺服都具有高级调谐功能,如1-2所示。

 3.    伺服系统相关技术的发展

3.1     角位移传感技术

角位移传感器分为两大类,第一类为模拟量反馈型角位移传感器,奥地利微电子6Hall磁电角位移传感精度可达12-14bit,正余弦及旋转编码器不仅可以通过专用的解码芯片解码,TI的软件解码算法模块已推出。第二类为数字反馈型,光电编码器正向着高精度发展,日本已将20bit的编码器应用于中低端伺服系统,而一般2500线的编码器也朝着省线式发展。编码器分类如图1-2.                                         图1-2 编码器分类

3.2    PID参数自整定发展现状

目前国内伺服很多厂家产品中出现了电流环参数自整定,把电机参数辨识应用于产品中,如蓝海华腾、御能等,现在TI最新推出的芯片中不仅固化了电机参数离线,在线辨识,还固化了速度环自抗扰观测器,大大的增强了速度环的抗扰型,加快了用户开发速度。参数辨成功应用到了无刷直流电机、表贴/内嵌永磁同步电机和交流感应电机上。

3.3 无位置传感器控制技术

无传感器技术发展相当迅速,不仅在BLDC上成功运用,现在永磁同步电机、交流感应电机和磁阻电机中也得到了应用,许多伺服厂家将这技术应用到产品中。

    伺服系统的控制技术不断在向前发展,国内外伺服厂家也不断的推出高性能产品,高性能,高可靠性,不断发展的先进调谐功能,低成本,也许这是我们以后乃至很长一段时间奋斗的目标。

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