数字化交流伺服系统
汤友庆 (江苏海安电大226600)
1引言
伺服电机是将输入信号电压转变为转轴的角位移或角速度输出，轴的转向和转速的大小随信号电压的方向和大小的变化而变化，并能带动一定大小的负载，在自动控制系统中作为一种驱动执行元件。
过去，一直沿用的伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机，机械特性和调节特性以直流伺服电机较为理想。在转矩一定时，直流伺服电机的控制电压u7与转速，z成线性正比关系。但由于整流子与电刷的存在，电机的可靠性不够高。至于交流伺服电机，特别是常用的两相交流伺服电机，虽然结构简单、工作可靠、维修方便、价格低，但其三种控制方式（幅值控制、相位控制、幅值一相位控制）下的机械特性和调节特性皆不理想。直流伺服电机和交流伺服电机（以两相伺服电机采用最多的幅值一相位控制为例）的调节特性分别见图la、b。而且，无论是直流伺服电机还是交流伺服电机，都不易与计算机相连接使用，虽然计算机的驱动执行有功率步进电机、电液脉冲电动机等可供选择，但成本较高。
本文针对交流伺服电机（两相交流伺服电机）机械性能和调节性能的不理想，提出一种采用小型异步电机或同步电机变频调速技术，提高其调节性能。采有单片杌技术，使交流伺服系统数字化。
(a) 直流伺服电机调节特性有效信号系数盛
(b)交流伺服电机调节特性
2 数字化交流伺服系统的总体设计
数字化交流伺服系统总体设计由主电路、igbt门极驱动电路、脉宽调制(pwm)电路、速度控制电路、位置检出电路和电流检出电路组成。
2.1主电路
主电路采用调频调压方式。交流电机采用变频调速，可达到极为良好的调速性能，有无级调速、恒转矩、转速稳定性高、效率高等特点。
主电路由整流和逆变电路构成。三相交流电经三相全波整流为直流，经滤波、稳压送逆变电路，将直流逆变成可变频率和电压的交流，为交流电机提供变速用电源（见图2）。
主电路中的大功率开关元件选择具有高电压、大电流、低导通电阻、高速、高可靠、低开关损耗、对温度不敏感的igbt模块。它只需要较低的门极激励电压vge，在较低的集一射极电压vge下，即可获得较大的集电极电流。
2.2 igbt门极驱动电路
igbt门极驱动电路如图3所示。为提高igbt的开关性能，采用正负门极驱动。正负门极驱动，即开通igbt时，加+15v门极驱动信号；关断igbt时，加-15v门极驱动信号。
2.3脉宽调制电路
脉宽调制(pwm)是采用能产生正弦脉冲调制信号的集成电路hef4752，它所产生的载波为等时间间隔的脉冲波，载波脉冲的两边沿用可变时间间隔量δ调制，δsinθ，θ为载波边沿所处的角相位。当sinθ为正时、该处的调制脉冲波变宽，否则变窄。三相调制脉冲波的相位互差120度。只要将任两相调制脉冲波相减，即得到线电压的调制脉冲波形。而此线电压调制脉冲波形的平均值接近正弦一波形的平均值，良好的正弦波电源正是交流电机所需要的。这样，只要改变其载波频率，也即改变了该正弦波的频率。
将hef4752的控制输出端与其时钟输入端接成闭环控制形式，使得正弦输出频率与正弦输出电压保持良好的线性调节关系。
pwm集成电路的控制输入、时钟输入、控制输出由速度控制电路（单片机）控制，其驱动输出送igbt门极驱动电路的输入端。
2.4速度控制电路
首先，根据控制系统对伺服电机运动参数的要求（如角位移、角速度及其精度、方向等）建立数学模型、计算、编程、输入单片机存贮。其次，将位置检出电路的位置检测信号送至单片机，经过与其所存贮程序的比较、处理后，送pwm电路进行脉宽调制（其中的定序信号送至pwm集成电路的cw端），再由对应的门极驱动电路去驱动igbt，从而向交流电机提供相应频率和电压的电源，使电机的角速度（或角位移）控制在所要求的数值.
为方便调试，在速度控制电路的输入端，还设有速度指令和定序（电机转向）信号指令 |
