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每日一词:servo amplifier【伺服放大器】

 

前面讲了伺服(戳蓝字),伺服放大器(servo amplifier)为伺服电机提供频率可变的三相交流电源,它将控制器指令转换成负载的实际运动。

 

交流伺服驱动器(AC servo drive)就是伺服放大器,其本质是电子换向的直流电动机驱动装置,由主回路和控制回路组成。但是,目前很多厂家都把控制回路做到了控制器里,因此交流伺服驱动器也就成了纯粹的功率放大器。

 

主回路(mains circuit)

 

 

下面这个视频较为生动地展示了伺服放大器内部整流器(converter)、滤波器(DC Link)、逆变器(inverter)的工作原理。

伺服放大器内部工作原理

 

从视频中可以看到:整流器(rectifier)由六个二极管(diode)组成,滤波器由电感(coil)和电容(capacitor)组成,逆变器由六个大功率晶体管(power transistor)组成。

 

首先通过三相全桥整流电路对输入的三相电或市电进行整流滤波,得到相应的直流电。整流好的三相电或市电,再通过三相正弦PWM(Pulse Width Modulation)电压型逆变器变频输出三相交流电来驱动三相永磁式同步交流伺服电机。

 

伺服驱动装置的整个过程简单地说就是AC→DC→AC的过程,也称交直交变频器,如图1所示。

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图1 伺服放大器主回路

图1中,电感L1、电容C1平滑直流输出,直流电压(母线)值约为输入线电压的1.35倍。例如,FANUC公司的βi系列SVSP伺服放大器的输入电压为三相(L1、L2、L3)交流200V,直流母线(DC Link)电压约为300V,如图2所示。

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图2 整流滤波器电路

 

逆变器是交流伺服装置的心脏,采用了三相桥式电路,根据伺服电机转子的位置,由控制电路(control logic)控制逆变桥各功率管(如IGBT)的通断,产生连续转矩,如图3所示。

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图3 逆变器电路

 

利用脉宽调制技术(PWM),通过改变功率管交替导通的时间来改变逆变器输出波形的频率;改变每半周期内功率管的通断时间比,也就是通过改变脉冲宽度来改变逆变器输出电压幅值的大小,以达到调节功率的目的,如图4所示。功率管好比是开关频率很高的电子开关(A+、A-、B+、B-、C+、C-)。

 

每日一词:servo amplifier【伺服放大器】
图4 逆变器输出的类似于正余弦的脉动电

 

因此,

(1)输出至定子绕组的电压为等幅不等宽的波形。

(2)电机电压决定于直流母线电压值和PWM控制波形占空比,该电压值决定着额定转速的高低。

(3)输出波形的频率决定于功率管的开关速度

 

控制回路(control logic)

 

控制回路是弱电部分,它提供控制逆变器的触发信号(也称PWM信号)。可用微机通过相应的算法输出信号切换功率晶体管的ON(导通)和OFF(截止),给伺服电机提供可变的电压和频率。

 

在数控机床上,控制回路的指令就是与刀具位置、走刀速度F有关的信息。

 

要连续运转,必须根据转子的位置产生交变的旋转磁场,为此必须检测转子位置,在换相点准确换相,转子位置检测器相当于直流电动机(BLDC)的三个电刷,转子每转过60°,结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号:101、100、110、010、011、001。

 

通过换向控制电路,顺序地使功率晶体管VT6和VT1导通、VT1和VT2导通、VT2和VT3导通、VT3和VT4导通、VT4和VT5导通、VT5和VT6导通、VT6和VT1导通。

 

当VT6和VT1导通时,电流从电源正极→VT1→U相绕组→V相绕组→VT6→电源负极流通,其他依次类推,也就是说将直流母线电压依次加在各相绕组上,这样转子每转过一对N-S极,VT1~VT6功率管即组合成六种状态,依次导通。

 

每种状态下,仅有两相绕组通电,依次改变一种状态,定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度,转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置,转子在新位置上,使转子位置检测器RLG按约定产生一组新编码,新的编码又改变了功率管的导通组合,使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度,如此循环,无刷直流电动机(BLDC)将产生连续转矩,拖动负载作连续旋转。如图5所示。

 

每日一词:servo amplifier【伺服放大器】

(a)原理框图

每日一词:servo amplifier【伺服放大器】
(b)三相电流输出波形

图5 交流伺服驱动器的工作原理

 

在数控机床上,CNC控制关系如下:

与刀具位置、走刀速度F有关的信息由CNC处理运算后送入控制回路,获得相应的一定频率的脉冲,根据转子磁极位置,轮流送入大功率晶体管的基极(即脉冲分配),产生不同频率的U、V、W信号,使伺服电动机以与刀具位置、走刀速度F要求的速度旋转。

 
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