Με την ταχεία ανάπτυξη της σύγχρονης τεχνολογίας κινητήρων, της σύγχρονης τεχνολογίας ηλεκτρονικών ισχύος, της τεχνολογίας μικροηλεκτρονικής, της τεχνολογίας υλικών μόνιμου μαγνήτη, της τεχνολογίας ρύθμισης ταχύτητας και της τεχνολογίας ελέγχου ρυθμιζόμενης ταχύτητας εναλλασσόμενου ρεύματος, η τεχνολογία σερβομηχανισμού μόνιμου μαγνήτη AC έχει μεγάλη ανάπτυξη. Η απόδοση του σερβο συστήματος μόνιμου μαγνήτη AC βελτιώνεται μέρα με τη μέρα και η τιμή τείνει να είναι λογική, γεγονός που κάνει το σερβομηχανικό σύστημα μόνιμου μαγνήτη AC να αντικαθιστά το σερβο σύστημα DC, ειδικά στον τομέα της υψηλής ακρίβειας, οι απαιτήσεις υψηλών επιδόσεων του σερβομηχανισμού έχουν γίνει μια τάση ανάπτυξης του σύγχρονου ηλεκτρικού συστήματος σερβοκίνησης.
Το σερβομηχανικό σύστημα AC μόνιμου μαγνήτη έχει τα ακόλουθα πλεονεκτήματα:
Κινητήρας χωρίς βούρτσα και μεταγωγέα, αξιόπιστη εργασία, απλή συντήρηση και συντήρηση.
Γρήγορη απαγωγή θερμότητας περιελίξεως στάτη.
Μικρή αδράνεια, εύκολη βελτίωση της ταχύτητας του συστήματος.
Κατάλληλο για κατάσταση λειτουργίας υψηλής ταχύτητας και μεγάλης ροπής.
Κάτω από την ίδια ισχύ, μικρότερο όγκο και βάρος, που χρησιμοποιείται ευρέως σε εργαλειομηχανές, μηχανικό εξοπλισμό, μηχανισμό χειρισμού, εξοπλισμό εκτύπωσης, ρομπότ συναρμολόγησης, μηχανήματα επεξεργασίας, μηχανή περιέλιξης υψηλής ταχύτητας, μηχανήματα κλωστοϋφαντουργίας και άλλες περιπτώσεις, για την κάλυψη των αναπτυξιακών αναγκών του πεδίο μετάδοσης.
Μετά την ανάπτυξη της αναλογικής και της υβριδικής λειτουργίας, ο οδηγός του σερβο συστήματος μόνιμου μαγνήτη AC έχει εισέλθει στην ψηφιακή εποχή. Η πλήρης ψηφιακή μονάδα σερβομηχανισμού όχι μόνο ξεπερνά τη μεγάλη διασπορά, τη μηδενική μετατόπιση, τη χαμηλή αξιοπιστία και άλλους προσδιορισμούς του αναλογικού σερβομηχανισμού, αλλά δίνει επίσης πλήρη σημασία στα πλεονεκτήματα του ψηφιακού ελέγχου στην ακρίβεια ελέγχου και στην ευέλικτη μέθοδο ελέγχου, καθιστώντας τη σερβομηχανή όχι μόνο απλή δομή, αλλά και πιο αξιόπιστη απόδοση. Τώρα, το σύστημα σερβομηχανισμού υψηλής απόδοσης, το μεγαλύτερο μέρος του σερβομηχανισμού εναλλασσόμενου ρεύματος μόνιμου μαγνήτη, συμπεριλαμβανομένου του σύγχρονου σερβοκινητήρα εναλλασσόμενου ρεύματος μόνιμου μαγνήτη και του πλήρους ψηφιακού σερβοκινητήρα σύγχρονου μαγνήτη εναλλασσόμενου ρεύματος δύο μέρη.
Η μονάδα σερβομηχανισμού αποτελείται από δύο μέρη: το υλικό της μονάδας και τον αλγόριθμο ελέγχου. Ο αλγόριθμος ελέγχου είναι μία από τις βασικές τεχνολογίες για τον προσδιορισμό της απόδοσης του σερβο συστήματος AC, το οποίο είναι το κύριο μέρος του αποκλεισμού ξένων σερβοτεχνολογιών AC και ο πυρήνας του μονοπωλίου τεχνολογίας.
Η βασική δομή του σερβο συστήματος μόνιμου μαγνήτη AC
Ο σύγχρονος σερβοκινητήρας εναλλασσόμενου ρεύματος μόνιμου μαγνήτη αποτελείται κυρίως από μονάδα ελέγχου σερβομηχανισμού, μονάδα κίνησης ισχύος, μονάδα διεπαφής επικοινωνίας, σερβοκινητήρα και αντίστοιχη συσκευή ανίχνευσης ανάδρασης. Η δομή του φαίνεται στο Σχήμα 1. Η μονάδα ελέγχου σερβομηχανισμού περιλαμβάνει ελεγκτή θέσης, ελεγκτή ταχύτητας, ελεγκτή ροπής και ρεύματος και ούτω καθεξής. Το σύγχρονο πρόγραμμα οδήγησης μόνιμου μαγνήτη εναλλασσόμενου ρεύματος ενσωματώνει προηγμένη τεχνολογία ελέγχου και στρατηγική ελέγχου, έτσι ώστε να είναι πολύ κατάλληλο για απαιτήσεις υψηλής ακρίβειας και υψηλών επιδόσεων του πεδίου σερβομηχανισμού, αλλά αντικατοπτρίζει επίσης την ισχυρή ευφυΐα, η ευελιξία είναι ασύγκριτη με το παραδοσιακό σύστημα κίνησης.
Προς το παρόν, ο κύριος οδηγός σερβομηχανισμού υιοθετεί τον ψηφιακό επεξεργαστή σήματος (dsp) ως τον πυρήνα ελέγχου. Το πλεονέκτημά του είναι ότι μπορεί να πραγματοποιήσει πιο σύνθετο αλγόριθμο ελέγχου και τα θέματα είναι ψηφιοποιημένα, δικτυωμένα και έξυπνα. Οι συσκευές ισχύος χρησιμοποιούν γενικά την έξυπνη μονάδα ισχύος (ipm) ως τον πυρήνα του κυκλώματος κίνησης, το εσωτερικό ολοκληρωμένο κύκλωμα μετάδοσης κίνησης ipm και έχει υπέρταση, υπερένταση, υπερθέρμανση, υπόταση και άλλο κύκλωμα προστασίας ανίχνευσης βλαβών, στο κύριο κύκλωμα προστέθηκε επίσης κύκλωμα μαλακής εκκίνησης , προκειμένου να μειωθεί ο αντίκτυπος της διαδικασίας εκκίνησης στον οδηγό.
Το πρόγραμμα οδήγησης Servo μπορεί να χωριστεί σε δύο μονάδες, την πλακέτα ισχύος και την πλακέτα ελέγχου. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 2, το power plate (drive plate) είναι ένα ισχυρό ηλεκτρικό τμήμα, το οποίο περιλαμβάνει δύο μονάδες. Το ένα είναι η μονάδα κίνησης ισχύος ipm που χρησιμοποιείται για την κίνηση του κινητήρα και η άλλη είναι η μονάδα τροφοδοσίας μεταγωγής για την παροχή ψηφιακής και αναλογικής ισχύος για ολόκληρο το σύστημα.
Ο πίνακας ελέγχου είναι το τμήμα ασθενούς ρεύματος, ο πυρήνας ελέγχου του κινητήρα και ο φορέας λειτουργίας του αλγόριθμου ελέγχου πυρήνα της τεχνολογίας σερβομηχανισμού. Ο πίνακας ελέγχου εξάγει σήμα pwm μέσω του αντίστοιχου αλγορίθμου, ο οποίος χρησιμοποιείται ως σήμα οδήγησης του κυκλώματος οδήγησης για την αλλαγή της ισχύος εξόδου του μετατροπέα, έτσι ώστε να επιτευχθεί ο σκοπός του ελέγχου του τριφασικού σερβοκινητήρα σύγχρονου μόνιμου μαγνήτη.
Μονάδα κίνησης ισχύος
Η μονάδα τροφοδοσίας ισχύος διορθώνει πρώτα την τριφασική ισχύ εισόδου ή το ηλεκτρικό ρεύμα μέσω του τριφασικού κυκλώματος ανορθωτή πλήρους γέφυρας για να αποκτήσει το αντίστοιχο συνεχές ρεύμα. Ο τριφασικός σύγχρονος σερβοκινητήρας AC μόνιμου μαγνήτη κινείται από τον τριφασικό ημιτονοειδές μετατροπέα συχνότητας τάσης pwm μετά από καλή ανόρθωση. Η όλη διαδικασία της μονάδας κίνησης ισχύος μπορεί απλά να περιγραφεί ως διαδικασία ac-dc-ac. Το κύριο τοπολογικό κύκλωμα του ac-dc είναι το τριφασικό κύκλωμα ανεξέλεγκτου ανορθωτή πλήρους γέφυρας.
Το εξάρτημα μετατροπέα (dc-ac) υιοθετεί την έξυπνη μονάδα ισχύος (ipm) που ενσωματώνει το κύκλωμα κίνησης, το κύκλωμα προστασίας και τον διακόπτη ισχύος. Η κύρια τοπολογία είναι το σχηματικό διάγραμμα τριφασικού κυκλώματος μετατροπέα που φαίνεται στο Σχήμα 3. Χρησιμοποιώντας την τεχνική της διαμόρφωσης πλάτους παλμού (pwm), η διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) αλλάζει τη συχνότητα της κυματομορφής εξόδου του μετατροπέα αλλάζοντας την εναλλαγή στο -Χρόνος απενεργοποίησης του τρανζίστορ ισχύος και αλλάζει την αναλογία χρόνου ενεργοποίησης-απενεργοποίησης του τρανζίστορ σε κάθε μισό κύκλο. Δηλαδή, αλλάζοντας το πλάτος παλμού για να αλλάξετε τη βοηθητική τιμή τάσης εξόδου του μετατροπέα για να επιτευχθεί ο σκοπός της ρύθμισης ισχύος.
vt1 ~ vt6 στο Σχήμα 3 είναι έξι σωλήνες διακόπτη ισχύος, οι s1, s2 και s3 αντιπροσωπεύουν αντίστοιχα τρεις βραχίονες γεφυρών. Η κατάσταση διακόπτη κάθε βραχίονα γέφυρας καθορίζεται ως εξής: όταν ο σωλήνας διακόπτη του άνω βραχίονα γέφυρας βρίσκεται στην κατάσταση "on" (ο σωλήνας διακόπτη του κάτω βραχίονα γέφυρας πρέπει να είναι σε κατάσταση "off" αυτή τη στιγμή), η κατάσταση του διακόπτη είναι 1. Όταν ο σωλήνας διακόπτη βραχίονα της κάτω γέφυρας βρίσκεται στην κατάσταση "on" (τότε ο σωλήνας διακόπτη κάτω βραχίονα γέφυρας πρέπει να είναι σε κατάσταση "off"), η κατάσταση διακόπτη είναι 0. Οι τρεις βραχίονες γέφυρας έχουν μόνο δύο καταστάσεις "0" και "1", επομένως τα s1, s2 και s3 σχηματίζουν οκτώ τρόπους λειτουργίας σωλήνα μεταγωγής των 000, 001, 010, 011, 100, 101 και 111 , μεταξύ των οποίων οι λειτουργίες μεταγωγής 000 και 111 καθιστούν την τάση εξόδου του μετατροπέα μηδέν, επομένως αυτή η λειτουργία μεταγωγής ονομάζεται κατάσταση μηδέν. Η τάση της γραμμής εξόδου είναι uab, ubc και uca και η τάση φάσης είναι ua, ub και uc, όπου udc είναι η τάση τροφοδοσίας συνεχούς ρεύματος. Η ανάλυση του συνημμένου πίνακα μπορεί να ληφθεί σύμφωνα με τα παραπάνω.
Μονάδα ελέγχου
Η μονάδα ελέγχου είναι ο πυρήνας ολόκληρου του σερβο συστήματος AC, πραγματοποιώντας τον έλεγχο θέσης συστήματος, τον έλεγχο ταχύτητας, τη ροπή και τον ελεγκτή ρεύματος. Ο ψηφιακός επεξεργαστής σήματος (dsp) όχι μόνο έχει δυνατότητα γρήγορης επεξεργασίας δεδομένων, αλλά ενσωματώνει επίσης πλούσιο ASIC για έλεγχο κινητήρα, όπως μετατροπέα a/d, γεννήτρια pwm, κύκλωμα μετρητή χρονισμού, ασύγχρονο κύκλωμα επικοινωνίας, πομποδέκτη bus και προγραμματιζόμενο στατικό υψηλής ταχύτητας μνήμη ram και μεγάλης χωρητικότητας προγράμματος. Το πρόγραμμα οδήγησης σερβομηχανισμού πραγματοποιεί διανυσματικό έλεγχο (vc) υιοθετώντας την αρχή ελέγχου του προσανατολισμού μαγνητικού πεδίου (εστίαση) και του μετασχηματισμού συντεταγμένων και ελέγχει τον κινητήρα συνδυάζοντας τη λειτουργία ελέγχου διαμόρφωσης πλάτους ημιτονοειδούς παλμού (spwm). Ο διανυσματικός έλεγχος του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη γενικά ελέγχει το ρεύμα ή την τάση του στάτη ανιχνεύοντας ή εκτιμώντας τη θέση και το πλάτος της ροής του ρότορα του κινητήρα. Με αυτόν τον τρόπο, η ροπή του κινητήρα σχετίζεται μόνο με τη ροή και το ρεύμα, το οποίο είναι παρόμοιο με τη μέθοδο ελέγχου του κινητήρα συνεχούς ρεύματος και μπορεί να αποκτήσει υψηλή απόδοση ελέγχου. Για σύγχρονο κινητήρα μόνιμου μαγνήτη, η θέση ροής του ρότορα είναι ίδια με τη μηχανική θέση του ρότορα. Με αυτόν τον τρόπο, η θέση ροής του ρότορα του κινητήρα μπορεί να γίνει γνωστή ανιχνεύοντας την πραγματική θέση του ρότορα, έτσι ώστε ο διανυσματικός έλεγχος του σύγχρονου κινητήρα μόνιμου μαγνήτη να απλοποιείται σε σύγκριση με αυτόν του ασύγχρονου κινητήρα.
Σερβοκινητήρας με μόνιμο μαγνήτη AC με ελεγχόμενο πρόγραμμα οδήγησης σερβοκινητήρα (pmsm)
Όταν το πρόγραμμα οδήγησης σερβομηχανισμού ελέγχει τον σερβοκινητήρα μόνιμου μαγνήτη AC, μπορεί να λειτουργήσει υπό τη λειτουργία ελέγχου ρεύματος (ροπή), ταχύτητας και θέσης αντίστοιχα. Το μπλοκ διάγραμμα της δομής ελέγχου του συστήματος φαίνεται στο Σχήμα 4. Εφόσον ο σερβοκινητήρας μόνιμου μαγνήτη AC (pmsm) χρησιμοποιεί διέγερση μόνιμου μαγνήτη, το μαγνητικό του πεδίο μπορεί να θεωρηθεί σταθερό. Ταυτόχρονα, η ταχύτητα κινητήρα του σερβοκινητήρα μόνιμου μαγνήτη AC είναι σύγχρονη ταχύτητα, δηλαδή η περιστροφή του είναι μηδέν. Αυτές οι συνθήκες μειώνουν σημαντικά την πολυπλοκότητα του μαθηματικού μοντέλου του σερβοκινητήρα AC που οδηγεί τον σερβοκινητήρα μόνιμου μαγνήτη AC. Όπως φαίνεται από το Σχήμα 4, το σύστημα βασίζεται στη μέτρηση της ανατροφοδότησης ρεύματος δύο φάσεων (ia, ib) του κινητήρα και της θέσης του κινητήρα. Συνδυάζοντας το μετρούμενο ρεύμα φάσης (ia, ib) με τις πληροφορίες θέσης, τα στοιχεία id και iq λήφθηκαν μέσω της αλλαγής των συντεταγμένων (από το σύστημα συντεταγμένων a, b, c στο σύστημα συντεταγμένων του δρομέα d, q) και στη συνέχεια έχουν εισαχθεί στις αντίστοιχες τρέχουσες ρυθμιστικές αρχές τους. Η έξοδος του ρυθμιστή ρεύματος περνά από την αντίστροφη αλλαγή συντεταγμένων (από σύστημα συντεταγμένων d, q σε σύστημα συντεταγμένων a, b, c) για να ληφθεί η εντολή τριφασικής τάσης. Το τσιπ ελέγχου, μέσω της εντολής τριφασικής τάσης, μετά από αναστροφή και καθυστέρηση, λαμβάνει έξοδο κυμάτων 6 pwm στη συσκευή ισχύος για τον έλεγχο της λειτουργίας του κινητήρα. Στο σύστημα υπό διαφορετική λειτουργία εισαγωγής εντολών, οδηγίες και ανατροφοδότηση μέσω του αντίστοιχου ρυθμιστή ελέγχου, λάβετε το επόμενο επίπεδο εντολών αναφοράς. Στον βρόχο ρεύματος, η συνιστώσα του ρεύματος ροπής (iq) των αξόνων d, q είναι η έξοδος ή η εξωτερική που δίνεται από τον ρυθμιστή ελέγχου ταχύτητας. Γενικά, η συνιστώσα ροής είναι μηδέν (id=0), αλλά όταν η ταχύτητα είναι μεγαλύτερη από την οριακή τιμή, μπορεί να ληφθεί υψηλότερη τιμή ταχύτητας μέσω μαγνητικής εξασθένησης (id "0").
Ο μετασχηματισμός από σύστημα συντεταγμένων a, b, c σε σύστημα συντεταγμένων d, q πραγματοποιείται με μετασχηματισμό Clarke και Park. Ο μετασχηματισμός από dq σε συντεταγμένες a, b, c πραγματοποιείται με τον αντίθετο μετασχηματισμό των Clark και Parker.