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1．微電子技術(shù)發(fā)展促進了控制智能化
隨著微電子技術(shù),、大規(guī)模集成電路制造工藝和計算機技術(shù)的發(fā)展，高性能的微處理器（MPU）,、大規(guī)模集成電路（LSIC）芯片,、表面安裝器件（SMD）等為實現(xiàn)數(shù)字化控制提供了硬件基礎(chǔ)，不僅使控制電路體積大大縮小,，而且通過控制軟件可以實現(xiàn)更加靈活,、復(fù)雜的控制方法,，在不增加或很少增加硬件設(shè)備的前提下，可滿足不同場合的需要,，充分體現(xiàn)數(shù)字控制高度智能化和柔性的優(yōu)點,。 2．電力電子技術(shù)開創(chuàng)了機床驅(qū)動新局面 電力電子技術(shù)的日新月異的發(fā)展，也為交流電動機調(diào)速性能的不斷提高奠定了基礎(chǔ),。電力電子技術(shù)是以電力為對象的電子技術(shù),，它的主要任務(wù)是對電能進行控制和變換。它是用半導(dǎo)體電力電子器件進行功率變換,、控制及開關(guān)電路的應(yīng)用技術(shù),。
現(xiàn)代電力電子技術(shù)有如下特點：①大容量化（即高電壓、大電流）,；②高頻化（即開關(guān)速度高）,；③易驅(qū)動（電壓驅(qū)動）；④低壓降（即損耗低）,；⑤模塊化,；⑥功率集成化（即將驅(qū)動、保護,、檢測甚至控制等功能集成于一體）,；⑦全控化（即器件的自關(guān)斷性）；⑧控制技術(shù)數(shù)字化,，從而使以PWM控制為代表的采用數(shù)字控制的電力電子裝置性能日趨完善,。各種PWM技術(shù)的應(yīng)用，以及諧振軟開關(guān)技術(shù)的深入研究,，使逆變器的性能從單目標優(yōu)化逐步向系統(tǒng)整體性能優(yōu)化方向發(fā)展,。第三代智能功率模塊（IPM）的出現(xiàn)，大幅度改善了逆變器的性能,，大大縮小了體積,。下一代的功率模塊將具備直接與控制信號接口的能力，內(nèi)部集成了多個高速光耦,、多路驅(qū)動電源,、電壓、電流的檢測和保護等功能,，被稱之為“System-In module”,，從而使逆變器構(gòu)成將更簡單、更可靠,，體積也將更小,。 3．現(xiàn)代控制理論使交流調(diào)速成為現(xiàn)實 由于交流電動機的數(shù)學模型較直流電動機復(fù)雜得多，具有非線性,、強耦合,、多變量的特點,，應(yīng)用經(jīng)典控制理論很難控制交流電動機，而現(xiàn)代控制理論的發(fā)展對交流電動機控制技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用,。 采用狀態(tài)觀察器和卡爾曼濾波器可以進行電動機參數(shù)的在線辨識；采用滑模變結(jié)構(gòu)控制可增強電動機控制系統(tǒng)的魯棒性,。如能將各種智能控制理論有機地結(jié)合起來,，必將開創(chuàng)交流調(diào)速的新天地。如模糊控制和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制都不需要精確的對象模型和參數(shù),，使系統(tǒng)具有很強的魯棒性,。其中，模糊控制能強迫電流以類似于BANG－BANG響應(yīng)方式趨于期望點,，做到快速響應(yīng),，但當誤差較小時，難以控制精確定位,，且易振蕩,；而神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制卻具有能精確地實現(xiàn)伺服信號跟蹤且無超調(diào)，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有固有的梯度計算,，使響應(yīng)時間變長,，電流響應(yīng)較早退出飽和。因此,，如能將上述兩者有機地結(jié)合起來,，使其在不同的誤差域內(nèi)發(fā)揮各自優(yōu)點，取長補短,，則可望實現(xiàn)期望控制,。 4．利用串行伺服總線的數(shù)字化通信使機床驅(qū)動系統(tǒng)更上一層樓 CNC與數(shù)字伺服之間串行通信使兩者之間實現(xiàn)了高速傳輸串行數(shù)據(jù)。甚至用一根光纜（它具有直徑小,、重量輕,、抗干擾能力強的特點）可直接連接多臺伺服驅(qū)動器。如果建立一個國際上公認的CNC與數(shù)字伺服驅(qū)動器之間統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換接口（類似于德國的SERCOS接口協(xié)議）,，則有提供產(chǎn)品互換的可能性,。 5．多種控制方法應(yīng)用于一體 在許多國外廠商生產(chǎn)的伺服系統(tǒng)中，將串行通信以及多種控制方法集中應(yīng)用在一個產(chǎn)品中,。如日本FANUC公司在伺服控制中采用高速DSP（Digital Signal Processor）進行數(shù)值計算來實現(xiàn)“直線性”,、“穩(wěn)定性”和“重復(fù)性”。利用前饋控制（Feed Forward）（框圖見圖19－18）,、插補前鐘形加／減速以及自動拐角減速方案之后,，克服了模擬伺服和一般數(shù)字伺服的響應(yīng)滯后現(xiàn)象，響應(yīng)和精度都得到明顯的改善,，輪廓誤差減到1／100,，而且定位時間也大為縮短,，在典型鉆削循環(huán)中循環(huán)時間可減少30％。
因機床工作臺具有摩擦,、電動機旋轉(zhuǎn)反向造成響應(yīng)延遲以及圓弧切削在過象限時的凸起,，都造成加工誤差，使精度變壞,。而在最新的數(shù)字伺服軟件中,，考慮到這些因素，利用預(yù)補償來減少這個圓度誤差,，并實現(xiàn)了高速度環(huán)增益而無振動,。 6．傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展大幅度地提高了伺服系統(tǒng)的性能 傳感器檢測技術(shù)的發(fā)展也極大地提高了交流電動機調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和定位精度。普遍采用的電壓型和電流型霍爾傳感器具有小于1μs的響應(yīng)時間,。交流電動機調(diào)速系統(tǒng)一般選用無刷旋轉(zhuǎn)變壓器,、混合型的光電編碼器和絕對值編碼器作為位置、速度傳感器,。隨著它們的轉(zhuǎn)速,、分辨率的不斷提高，系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),、調(diào)速范圍以及低速性能也相應(yīng)提高,。傳統(tǒng)的具有A、B相信號的編碼器,，由于它不能兼顧分辨率和高速度,，且信號線太多，從而影響了高精度,、高速度的伺服系統(tǒng)的實現(xiàn),。而新型的編碼器則克服了上述缺點，如日本FANUC公司生產(chǎn)的脈沖編碼器（絕對型）,，由于它將來自SIN和COS信號的角度轉(zhuǎn)化成數(shù)字量,，使它具有4000r/min的高速以及高達1000000脈沖／r或65536脈沖／r的分辨率。另外,，伺服電動機本身也在向高速方向發(fā)展,，與上述高速編碼器配合實現(xiàn)了60m/min甚至100m/min的快速進給和1g的加速度。而在電動機磁路設(shè)計上又做了改進,，使電動機旋轉(zhuǎn)更加平滑,，再配合高速數(shù)字伺服軟件，可使電動機即使在小于1μm轉(zhuǎn)動時也顯得平滑而無爬行,。
交流主軸電動機為滿足機床加工工藝以及主軸需要,，現(xiàn)在都在向高速化方向發(fā)展，12000r/min的轉(zhuǎn)速已是正常的指標。主軸系統(tǒng)所用的位置編碼器分辨率也已達到360000脈沖／r,。 7．直線電動機的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 直線電動機驅(qū)動機構(gòu),，無論是在國外還是國內(nèi)都在積極的研究、探索之中,，將會是下一代數(shù)控機床的一個顯著特色,。這是因為迄今為止的驅(qū)動系統(tǒng)都是由旋轉(zhuǎn)電動機、齒輪箱或聯(lián)軸器,、絲杠和驅(qū)動螺母,、絲杠支座軸承等構(gòu)成，而它們都影響甚至限制了機床的性能,。例如：電動機本身有最大轉(zhuǎn)速的限制，隨著速度增加,，電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降,；在高的加速度下電動機軸會產(chǎn)生扭曲甚至變形和位置誤差。齒輪箱則會增加系統(tǒng)慣性,，產(chǎn)生間隙,；如電動機與絲杠直接連接，則會產(chǎn)生扭曲變形,、間隙及滯后,；絲杠本身受臨界轉(zhuǎn)速、間隙,、扭曲,、螺距誤差、摩擦等影響,，且其振動衰減時間很長,。而直線電動機驅(qū)動機構(gòu)則沒有上述缺點，能達到快速移動（可以達到120m/min甚至200m/min的速度）和較短的位置穩(wěn)定時間,，且能進一步減少機床不進行實際切削加工的非生產(chǎn)時間,。由于直線電動機驅(qū)動機構(gòu)僅由兩個互不接觸部件組成，沒有低效率的中間傳動部件,，也無機械滯后以及螺距誤差,，從而可達到高的效率，且其精度完全取決于反饋系統(tǒng)和軸承,。當用全數(shù)字伺服系統(tǒng)驅(qū)動直線電動機時,，可達到高剛度和高固有頻率，從而達到極好的伺服性能,。要使直線電動機走向?qū)嵱?，尚須解決：①磁鐵吸引金屬顆粒問題，亦即要解決密封磁軌等電動機結(jié)構(gòu)問題；②新的反饋元件的研究,；③當應(yīng)用于機床垂直軸時要解決制動或平衡問題,；④如何減少數(shù)字放大器的發(fā)熱及提高效率等一系列問題。 8．統(tǒng)一型驅(qū)動器的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的概念 變頻調(diào)速由于具有高集成度和多功能特點,，以及它的可靠性,、免維護、高效,、高功率因數(shù),、操作簡單、抗干擾能力強等優(yōu)點,，而越來越得到廣泛的應(yīng)用,。變頻調(diào)速尤其適用于風機和水泵，它能節(jié)約可觀的電能,，如對70％的水泵和風機用的電動機進行改造,，可實現(xiàn)年節(jié)電1000億kW·h的能力。而以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）和IPM等新器件為基礎(chǔ)的新一代高載波,、低噪聲變頻器的開發(fā),，以及新的控制軟件的引入，把變頻調(diào)速引入了一個全新的領(lǐng)域,，使原來僅用于開環(huán)控制的變頻器演變成了既能用于開環(huán)控制,，也能用于閉環(huán)控制的稱之為“統(tǒng)一型驅(qū)動器”。以英國的CT公司的Unidrive產(chǎn)品和德國AMK公司的AMKASYN產(chǎn)品為代表,，使變頻器登上了新的舞臺,。下面以CT公司的Unidrive產(chǎn)品為例，給予簡單的介紹,。 CT公司在1996年推出了統(tǒng)一型驅(qū)動器系列產(chǎn)品,。它的控制板主要由Intel80166CPU、快閃存儲器以及3片CT公司設(shè)計的專用芯片組成,，硬件高度集成化,，控制板芯片數(shù)量僅為當前市場上通用變頻器的1／4。它按功率可分成5個等級,，其中等級1（輸出功率為0.75～4kW）為基本單元,，等級5額定功率為120kW（它由基本單元加上擴展功率單元組成），最多可8臺并聯(lián),，組成1000kW功率輸出,。 統(tǒng)一型驅(qū)動器配置有大量的參數(shù)和20個菜單功能，便于用戶在不改變硬件配置的條件下,，可由用戶方便地設(shè)置成V／F控制,、無速度傳感器開環(huán)矢量控制,、閉環(huán)磁通矢量控制、永磁無刷交流伺服電動機控制及再生單元等五種工作方式,，適用于各種場合,。它的部分動態(tài)和靜態(tài)指標如表19－2所示。 表19－2 統(tǒng)一型驅(qū)動器部分指標 控 制 方 式 電流環(huán)帶寬／Hz 輸出額定轉(zhuǎn)矩 時的最低頻率／Hz 速度調(diào)整率 （靜差） V／F 50 2～3 2％～3％ 無速度傳感器開環(huán)矢量控制 300 1 1％
閉環(huán)磁通矢量控制 500 0 0.01%
永磁無刷交流伺服電動機控制 1000 0 0.01% 統(tǒng)一型驅(qū)動器的無速度傳感器開環(huán)矢量控制方式,、閉環(huán)磁通矢量控制方式以及永磁無刷交流伺服電動機控制方式框圖如圖19－19～圖19－21所示,。
常規(guī)開環(huán)驅(qū)動不用閉環(huán)電流控制，基速以下按線性V－F特性使電壓與頻率成正比,，基速以上保持電壓恒定,，參考坐標一般按電動機磁通定向。在統(tǒng)一驅(qū)動器開環(huán)矢量方式中,，參考坐標依據(jù)定子電阻電壓降來定向,。因此，在穩(wěn)態(tài)條件下,，X軸是以與定子相連的磁通來定向的,，Isx為勵磁電流分量，ISY為有功電流分量,。基速以下,，ISY與轉(zhuǎn)矩成正比,，但在5Hz以下，精度就很差,。在暫態(tài)過程中,，為保證V－F特性輸出定向正確，在確定電動機端電壓之前,，對X－Y軸方向的定子電阻電壓降進行補償,，為了在10Hz以下時還能穩(wěn)定工作，采取在X軸上加固定補償,，而在Y軸上加可變補償?shù)姆椒?。為了避免在暫態(tài)條件下（暫態(tài)加載或快加速）出現(xiàn)過電流跳閘，所以在圖19－19中加入了峰值電流限幅和電流限幅,。電流限幅是通過修正斜坡函數(shù)輸出的頻率給定來實現(xiàn)的,，這種方法是減小電動機有功電流，也即減小產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流,。為防止加速過快引起過電流的峰值電流限幅控制,，當總電流超過限幅值時，修正輸出電壓到適當值,，使電流在峰值限幅以內(nèi),，當電流沒有超過時，限幅器不起作用，它的輸入和輸出相等,。作為電流反饋,，首先將兩相電流值轉(zhuǎn)換成等效的一組正交電流ISD和ISQ，然后再轉(zhuǎn)換成參考坐標中的X軸和Y軸分量,。X軸分量僅用于峰值電流限幅,，Y軸分量（有功電流）用于峰值電流限幅、電流限幅以及轉(zhuǎn)差補償,。
在閉環(huán)磁通矢量控制方式中,，需要一臺增量式編碼器作為位置反饋，當然也可用絕對式編碼器,?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)USX和USY的給定值，產(chǎn)生IGBT的控制信號,，并且像開環(huán)驅(qū)動一樣計算出X軸和Y軸的電流反饋,。但是，所用的參考坐標中的X軸是以電動機轉(zhuǎn)子磁通來定向的,，因而Isx,、ISY分別為定子電流的勵磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量。速度給定與速度反饋的偏差作為速度控制器輸入,，其輸出為轉(zhuǎn)矩給定,，經(jīng)轉(zhuǎn)矩／電流變換后得到轉(zhuǎn)矩電流給定ISY*。磁通控制器輸出勵磁電流給定,，基速以下磁通控制器輸出ISX*就等于電動機額定勵磁電流,，基速以上，ISX*隨轉(zhuǎn)速的增加而減小,。ISX*與ISX的偏差以及ISY*與ISY的偏差,，分別經(jīng)過勵磁電流控制器和轉(zhuǎn)矩電流控制器的運算后，輸出X－Y坐標系中的電壓分量USX和USY,。閉環(huán)磁通矢量方式在任一速度上給出良好的轉(zhuǎn)矩控制特性和快速的瞬態(tài)響應(yīng),，也不需要對直流母線電壓進行補償，閉環(huán)電流控制將自動完成這些補償,。這種前饋補償有助于直流母線電壓大幅度波動時維持調(diào)制增益恒定,。 永磁無刷交流伺服電動機控制方式用于帶有絕對位置反饋的永磁同步電動機，其控制系統(tǒng)與閉環(huán)矢量驅(qū)動相似,，只有兩點不同,。一是X－Y坐標中的X軸以轉(zhuǎn)子磁通定向，由于電動機轉(zhuǎn)子是永磁的,，勵磁電流給定ISX*為零,；二是轉(zhuǎn)子軸上的絕對編碼器可直接檢測轉(zhuǎn)子對固定坐標系的相位角θr,，亦即轉(zhuǎn)子磁通角直接來自轉(zhuǎn)子位置。永磁無刷交流伺服電動機控制方式用于要求頻繁起制動,、零速有保持轉(zhuǎn)矩,、大起動轉(zhuǎn)矩、按預(yù)定速度或轉(zhuǎn)矩運行等系統(tǒng)中,，如剪切,、機床、自動定位系統(tǒng),、自動焊接系統(tǒng)等一類驅(qū)動系統(tǒng)中,。 統(tǒng)一型驅(qū)動器的出現(xiàn)，將大大降低機床用進給系統(tǒng)和主軸系統(tǒng)的硬件成本,。 |
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