無刷直流電動機伺服系統(tǒng)理論與試驗研究.pdf

1、由于永磁無刷直流電動機既具有交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，又具有直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調(diào)速性能好等特點，故在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域，如航空航天，電動汽車、數(shù)控機床、精密電子產(chǎn)品等中得到廣泛的應(yīng)用。交流伺服技術(shù)是研制開發(fā)各種先進的機電一體化設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。同時我國是制造業(yè)大國，對交流伺服系統(tǒng)需求非常巨大。所有這些要求我們必須加快研究步伐，研制出高精度，低成本的交流伺服平臺。 本論文中所建立的交流伺服系統(tǒng)，

2、使用的是梯形波永磁無刷直流電動機，試驗證明，采用西門子6SC610型晶體管脈寬調(diào)制變頻器與1FT5系列的無刷三相伺服電機相配合，在主控制器西門子S7-222 PLC中采用偽微分反饋控制算法的永磁直流無刷電機伺服控制系統(tǒng)能夠較好地達到這一目的?？刂葡到y(tǒng)由電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)三環(huán)串級組成，其中，電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器均為PI調(diào)節(jié)器，其在變頻器中已集成，我們可以調(diào)節(jié)。位置環(huán)設(shè)計采用我們所提到的PDF控制器。偽微分反饋控制算法是由美國康奈爾大

3、學的Richard M. Phelan 首先提出的。其抗干擾能力強,負載能力大,對被控系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感,結(jié)構(gòu)簡單且無需復(fù)雜計算，適合隨動控制的實時性和精確性。偽微分反饋控制系統(tǒng)具有一套獨特的參數(shù)設(shè)計方法，它保證了控制器的輸出不超過末級控制單元的能量提供能力，使系統(tǒng)始終工作于線性范圍內(nèi)，從而提高了系統(tǒng)的跟蹤性能，并且按照理論設(shè)計出的參數(shù)無需太大的調(diào)整即可用于實際系統(tǒng)。伺服控制系統(tǒng)硬件設(shè)計包括死循環(huán)控制部分和操控顯示部分。死循環(huán)控制部分是

4、系統(tǒng)的關(guān)鍵，其功能為負責接收指令信號、采集光電編碼器反饋數(shù)據(jù)、進行偽微分反饋控制運算、輸出控制命令、進行D/A轉(zhuǎn)換、最終控制電機和執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的動作。死循環(huán)控制部分由主控制器西門子S7-222可編程控制器(PLC)、西門子6SC610型晶體管脈寬調(diào)制變頻器、光電編碼器等構(gòu)成。操控顯示部分由PC計算機實現(xiàn)。西門子公司的S7-222型PLC的內(nèi)部高速計數(shù)器能夠?qū)斎氲拿}沖信號進行四分頻，配合3600p/r的高精度編碼器作為反饋測量組件，

5、位置伺服精度能夠達到0.025°，速度伺服精度達到2.5°/s。根據(jù)采樣定理(Shannon定理)，綜合考慮各方面因素，選擇采樣周期T=10ms。程序啟動時，初始化通信寄存器和PDF控制參數(shù)，積分累加器清零，程序中設(shè)置通信中斷和定時器中斷，通信中斷負責上位機和PLC之間的數(shù)據(jù)通信，定時器中斷負責進行PDF控制運算并輸出控制量，通信中斷的優(yōu)先級高于定時器中斷的優(yōu)先級。PLC和上位機采用串口通信。由于S7-222PLC串口是RS485標準，

6、而上位機串口采用RS232標準，所以須用RS485/RS232轉(zhuǎn)接線將兩者串行口連接。在上位機中可以進行被控參數(shù)和PDF 算法參數(shù)的給定，PLC接受到參數(shù)后進行PDF運算，輸出電壓控制量傳給變頻器的56號端子。電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反饋脈沖輸入PLC，再經(jīng)串口由上位機讀出，達到了控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。通信程序采用面向?qū)ο筇匦缘腣isual C++語言編寫。由試驗數(shù)據(jù)和響應(yīng)及誤差曲線表明，交流伺服試驗系統(tǒng)在進行位置控制時，穩(wěn)態(tài)最大誤差為0.025°