陳立坡

(92785部隊(duì) 秦皇島 066200)

通過消去中間變量，可以得到以電壓uq(t)為輸入變量，電動機(jī)轉(zhuǎn)速ω(t)為輸出變量的傳遞函數(shù):

1 引言

傳統(tǒng)交流伺服控制系統(tǒng)[1]的框圖如圖1所示。從圖中可以看出，交流伺服控制系統(tǒng)一般由電流控制環(huán)、速度控制環(huán)、位置控制環(huán)構(gòu)成。其中，位置控制環(huán)在最外面，是主閉環(huán)，電流控制環(huán)和速度控制環(huán)為內(nèi)環(huán)。

圖1 交流伺服控制系統(tǒng)的框圖

交流伺服控制系統(tǒng)一般由電機(jī)、功率變換器、傳感器、各種控制器等組成。其中，交流電機(jī)是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的部件，也是整個(gè)控制系統(tǒng)的被控對象，功率變換器是把提供電能轉(zhuǎn)換成所需要電能的裝置，是把通常使用的直流電或者交流電轉(zhuǎn)變成交流電控制所需要形式的裝置;傳感器是對伺服電機(jī)的繞組電流、轉(zhuǎn)子速度以及轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測的裝置;控制器從傳感器獲得信號，并根據(jù)信號指令的控制要求，產(chǎn)生功率變換器所需要信號的裝置。

交流伺服電機(jī)在運(yùn)動過程中，難免會受到外界干擾力的影響，尤其是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，這些干擾力的存在會大大影響電機(jī)的控制精度。鑒于此，本文著重分析了一種基于動力學(xué)前饋的控制系統(tǒng)，目的是消除外界影響，從而大幅度提高高速運(yùn)動的電機(jī)的控制精度。

2 交流伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型

參照文獻(xiàn)[2]，交流電機(jī)電壓平衡和轉(zhuǎn)矩平衡方程:

其中L為電機(jī)電樞電感;R為電機(jī)電樞電阻;Ke為電機(jī)反電動勢系數(shù);Kt為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù);J為電機(jī)轉(zhuǎn)子和絲杠的轉(zhuǎn)動慣量;Tem為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩;Td為作用于電動機(jī)軸上的阻轉(zhuǎn)矩;ω為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

對式(1)進(jìn)行拉氏變換后，可得下列代數(shù)方程組

通過消去中間變量，可以得到以電壓uq(t)為輸入變量，電動機(jī)轉(zhuǎn)速ω(t)為輸出變量的傳遞函數(shù):

通過以上分析，可得交流伺服電動機(jī)數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 交流伺服電動機(jī)數(shù)學(xué)模型

3 交流伺服控制系統(tǒng)

在交流伺服控制系統(tǒng)中，交流伺服電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的優(yōu)劣取決于位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三環(huán)控制器[3]設(shè)計(jì)的好壞。交流伺服控制系統(tǒng)有兩種，一種是位置伺服控制系統(tǒng)，包括電流控制器、速度控制器和位置控制器;另一種是速度伺服控制系統(tǒng)，只包括電流控制器和速度控制器。因此選取合適的參數(shù)，能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性[4]。

在電流控制器、速度控制器和位置控制器中，電流控制器是最關(guān)鍵、重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)椴还苁撬俣冗€是位置控制，最后都要轉(zhuǎn)化成對交流電機(jī)電流的控制。

速度環(huán)的作用是保證速度指令與交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速相同，從而消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動等因素對交流電機(jī)的影響，通過交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和輸入的速度指令相比較，速度控制器利用其差值直接產(chǎn)生指令控制電流，并與電流指令共同作用，控制交流電機(jī)勻速、加速、減速旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到交流電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速與控制指令保持一致。

位置環(huán)的作用是生成交流電機(jī)的速度指令，并能夠使交流電機(jī)準(zhǔn)確的跟蹤、定位。交流電機(jī)的實(shí)際位置與設(shè)定的目標(biāo)位置相比較，位置控制器利用其偏差生成交流電機(jī)的速度指令。當(dāng)交流電機(jī)啟動后，在距離目標(biāo)位置較大的區(qū)域，位置控制器產(chǎn)生最大速度指令，從而使交流電機(jī)加速運(yùn)動后以最大速度恒速運(yùn)行，在距離較小的區(qū)域，位置控制器生成逐次減小的速度控制指令，從而使交流電機(jī)減速運(yùn)動，直至到目標(biāo)位置后靜止。

在沒有外界干擾的情況下，當(dāng)輸入正弦信號時(shí)，交流伺服控制系統(tǒng)的輸出如圖3所示。

圖3 交流伺服控制系統(tǒng)正弦信號輸出

4 動力學(xué)前饋交流伺服控制系統(tǒng)

圖6 外界干擾交流伺服控制系統(tǒng)正弦信號輸出

從圖6中明顯看出，存在外界干擾力的影響，交流伺服控制系統(tǒng)很難保證其精度，動力學(xué)前饋控制系統(tǒng)能夠很好消除外界影響，提高精度。

交流伺服控制系統(tǒng)在使用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動部件時(shí)，工作中難免受到外界干擾力的影響，比如加工零件時(shí)的切削力等等，并且干擾力呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，因此給系統(tǒng)引入白噪聲來代替外界干擾力，其控制流程圖如圖5所示。

存在外界干擾的情況下，當(dāng)輸入正弦信號時(shí)，交流伺服控制系統(tǒng)的輸出如圖6所示。

存在外界干擾的情況下，動力學(xué)前饋控制系統(tǒng)正弦信號輸出如圖7所示。

圖7 外界干擾動力學(xué)前饋交流伺服控制系統(tǒng)正弦信號輸出

動力學(xué)前饋交流伺服控制系統(tǒng)控制框圖如圖8所示。

圖8 動力學(xué)前饋交流伺服控制系統(tǒng)控制框圖

5 結(jié)論

通過比較圖6、7，可以明顯看出，基于動力學(xué)前饋的控制系統(tǒng)可以很好地消除外界干擾力的影響，提高控制系統(tǒng)的精度，其仿真結(jié)果圖3和圖7保持一致。

[1]李珍國.交流電機(jī)控制基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2]徐金墀.高速高精度PCB數(shù)控鉆床進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)的控制探究[D].北京交通大學(xué)控制工程碩士學(xué)位論文.2009:20－56.

[3]寇寶全，程樹康.交流伺服電機(jī)及其控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008:15－80.

[4]施麗婷.數(shù)控交流伺服系統(tǒng)三環(huán)整定及應(yīng)用[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2006，28(4):36－40.