马达驱动器与PLC控制Word格式文档下载.docx

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4伺服马达原理

4.1伺服电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

4.2伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。

伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。

4.3伺服马`达分类

5马达驱动器介绍

5.1步进马达驱动器：

步进马达动作的是脉冲信号，发出具体动作状态指示的是『控制器』，而使信号增幅的则是『驱动器』。

由控制器发出脉冲信号，然后由驱动器将信号传送给马达。

也就是说，假如把马达比作扩音器，那么驱动器便是放大器（即增幅器），而控制器则好比CD放送机，而用户自备的可程控器则相当于启动开关。

5.2伺服马达驱动器

5.2.1步进马达和伺服马达最基本的差别是：

依照输入信号回转、停止的是步进马达，而伺服马达本身附有速度及位置检知功能，对于控制器的指令能完全的遵从。

5.2.2伺服马达驱动器包含：

速度控制，电流控制，位置控制等。

5.2.3马达的运动情况：

运转与停止，加减与减速，正向与反向

5.2.4伺服驱动器控制方式：

正弦波PWM控制，電流控制方式

5.2.5反馈部分：

为了纠正电机转速的偏差，采用600线/转的光电编码器作反馈元件，与电机同轴安装，就可以准确测出电机的转速。

因为光电编码器是由激光照射光珊发出脉冲的，而光珊安装在光电编码器的转轴上，转轴每转一周（3600）编码器就产生600个脉冲，该脉冲只与转轴速度有关，而与温度无关。

因此，只要准确测出光电编码器的脉冲个数，就可确切知道电机的转速。

6马达驱动器举例

6.1松下驱动器简介

6.2三菱驱动器简介

7PLC与马达驱动器间联系（示意图）

写

读

。

一般作为一个典型的完整的伺服系统，其组成必须包含命令控制器，驱动器，执行元件（马达），反馈元件。

作为PLC系统，其命令控制器是PLC,中文解释为可编程逻辑控制器;

驱动器分为步进驱动器和伺服驱动器。

从图中,我们可以看到其中一个部件没有介绍,那就是脉冲发生器。

对于PLC产品的不同,有些PLC内置脉冲发生器,而作为模块化的产品,脉冲发生器与CPU,I/O等是分开的,所以必须选配。

PLC的作用:

接受外界输入量的变化,按照程序步骤,执行输出

脉冲发生器的作用:

可以将其看成一中间变量,PLC将脉冲指令存放于此,就执行了写的动作;

要用的时候,PLC对其进行读操作,这时就产生脉冲给伺服驱动器了。

1.将PLC的指令变成实际的脉冲输出到伺服驱动器

2.输出量有速度,位置,运动量（以脉冲的数量和频率来表示）

3.控制零点返回

a）程序控制,PLC执行到该程序,原点返回

b）其外部接有sensor作为感应,当sensor动作后,马上停止发送脉冲,并清零

反馈元件:

反馈元件即光电编码器,其检测电机实际所产生的脉冲数，并将反馈脉冲传输到伺服驱动器

伺服驱动器构成:

1.将脉冲放大处理

2.对交流进行整流处理,将其变成平滑的直流电

3.在电路控制上,以PWM的形式提供给马达

4.偏差比较:

对接受的脉冲和反馈的脉冲作比较,如果偏差不为零,则马达动作,直到偏差为零.

在位置控制方式下，伺服驱动器接收控制器发出的位置指令信号脉冲，经电子齿轮分倍频后，在偏差可逆计数器中与反馈脉冲信号比较后形成偏差信号。

位置偏差信号经位置环的复合前馈控制器调节后，形成速度指令信号。

速度指令信号与速度反馈信号与位置检测装置相同比较后的偏差信号经速度环比例积分控制器调节后产生电流指令信号，在电流环中经矢量变换后，由ＳＰＷＭ输出转矩电流，控制交流伺服电机的运行。

位置控制精度由光电编码器每转产生的脉冲数控制。

永磁式交流伺服马达的工作原理

马达的工作原理可以「弗莱明左手定则」来说明，弗莱明左手定则可用来判断一根载有电流的导线置于磁场中时其受力的方向。

若以左手之食指表示磁场方向，中指表示电流方向，则大姆指表示此导线受力的方向，如图2所示之电流方向，则环状线圈受磁场之作用，将顺正时钟方向旋转，产生之扭矩T可以下式表示

（1）

其中K为比例常数，I为流经线圈之电流，B为永久磁铁所造成之磁场强度。

图2　马达之工作原理

图3　永磁式交流伺服马达控制方块图

永磁式交流伺服马达的工作原理可以图3说明，由晶体管三相换流器（inverter）经由脉宽调变（pulsewidthmodulation）在马达之定子造成一旋转磁场，它与转子永久磁铁所造成之磁场相互作用而产生旋转扭矩。

电子换相器（electroniccommutator）之目的即在于使定子所造成之磁场方向与转子永久磁铁之磁场方向保持垂直，而产生最大之扭矩，为了达到这个目的可经由解角器之回授由电子换相器来达成。

在解角器之初级线圈施以90相位差的交流电压与（如图3所示），则在次级线圈随转子旋转之角度θ，由变压器效应产生之交流电压，此交流电压经由回授，由相位同步器将三相参考电压、、、转换为、、，其中Vm为激磁电压之最大值，为交流电压之角频率。

、、即为三相换流器之调变信号（modulationsignals），换流器将相位差120之三相交流电压施于马达之定子，如图3所示A、B、C三相之电流分别以IA、IB、IC表示，其最大值为Im，各相电流（phasecurrent）可表示为

（2）

　　　　　（3）

　　　　　（4）

设Bm为转子永久磁铁所造磁场强度之最大值，其与马达定子各相之电枢线圈正交磁场强度为BA、BB、BC，根据转子角度可表示为

　　　　　（5）

　　　　　（6）

　　　　　（7）

各相电枢线圈电流IA、IB、IC与其所承受之磁场强度BA、BB、BC分别产生之旋转扭矩TA、TB、TC可表示为

　　　　　（8）

　　　　（9）

　　　（10）

其中K为比例常数。

TA、TB与TC分别为三相之电流与转子之永久磁铁所产生之扭矩，其合成扭矩T可表示为

　　　　　（11）

各相电流（phasecurrent）、电枢线圈所受之磁场大小、产生之扭矩、与马达之相对位置可参考图4。

由（11）式可得知，如果经由相位同步器（phasesynchronizer）使得相电流（如）与相对应之磁场（如）保持同步，则合成扭矩T与转子之角度θ无关。

由（11）式可知K为定值，Bm为转子永久磁铁之磁场强度亦为定值，因此T正比于各相电流之振幅Im，由此可知，控制Im的大小，即可控制马达所产生之扭矩。

图4　永磁式交流伺服马达扭矩产生之原理。

3.永磁式交流伺服驱动器的控制原理

图5所示为一典型之永磁式交流伺服驱动器的系统方块图，本节将说明其控制原理。

速度控制回路由速度参考电压Vi与速度回授信号Vo比较，经由速度回路补偿器（velocity-loopcompensator）D（s）产生所需求之扭矩信号vc，假设D（s）为一比例积分补偿器（PI-compensator），则Vc可表式为

　　　　　（12）

vc与由混合器（mixer）产生定子电流参考讯号、、，此信号再经由相位同步器与回授相位信号比较产生各相之参考电流讯号，由内环路电流控制回路产生晶体管换流器之脉宽调变信号，使得各相之电流能够追随参考电流，电流回路补偿器可由比例积分器或迟滞控制器（hysteresiscontroller）来设计，图6所示为一电流控制式脉宽调变换流器之系统方块图。

图5　永磁式交流伺服马达驱动器之系统方块图。

图6电流控制式脉宽调变换流器系统方块图

图7直流马达的等效电路

要掌握伺服马达之动态响应，则必须先建立其动态数学模型，在此可先以直流伺服马达之数学模型来说明。

图7所示为一直流伺服马达之等效电路，在此忽略因旋转产生之摩擦力，其动态方程式可表示为

　　　　　（13）

　　　　　（14）

将（13）、（14）式经由拉普拉斯转换（LaplaceTransform）可得

　　　　　（15）

　　　　　（16）

由（15）、（16）式，直流伺服马达之方块图如图8所示。

图8　直流伺服马达之系统方块图

永磁式交流伺服马达之电流控制回路与直流伺服类似，其系统等效电路方块图如图9所示。

其中Ra、La分别为各相电枢线圈之等效电阻与电感。

Ki为电流回接增益，Kp为误差放大增益。

参考电流经由相移位器（phaseshifter）产生三相参考电流、、。

再经由电流回路调节电枢之电流，其结构与直流伺服马达类似，系统方块图因而可简化为如图10所示之结构。

图中虚线所示部份为永磁交流伺服马达之等效方块图。

图9永磁式交流伺服马达控制系统方块图

图10简化的永磁式交流伺服马达方块图

图11所示为一典型之永磁交流伺服驱动系统方块图，其回路补偿器之设计，动态响应之分析与仿真均与直流伺服马达驱动系统相同，唯一需要特别注意的即为相位同步器之设计。

图11永磁式交流伺服驱动器系统方块图。

4.交流感应伺服马达的工作原理

对感应马达而言，由三相交流电源在定子造成之旋转磁场与转子之感应磁场交互作用，产生扭矩使转子旋转。

交流马达的转速与造成旋转磁场电源之振幅、频率有关，频率愈高，则转速愈快，但转速增加时，由转子造成的反抗电动势（backemf）亦随之增加，因而降低了产生的扭矩，所以必须提高电压，保持定值的气隙磁通量（air-gapflux），在忽略因定子线圈电阻所造成之降压的情况，可维持一固定的电压/频率比，以达成此一目的。

由于工业应用上对于交流感应马达速度控制精度要求的提高，因而发展出了各种型式的闭路控制（closed-loopcontrol）系统。

其中最重要的即为一种称之为磁场向量控制（field-orientedvectorcontrol）的方式，在下一节将对此一控制方式加以说明，现在先对鼠笼式感应马达扭矩产生之过程作一说明。

图13　三相二极鼠笼式交流感应马达之结构

图13所示为一理想之三相二极鼠笼式感应马达，定子各相之线圈均以同心方式环绕，各相之电阻电感亦平均分怖。

定子由三相交流电源造成一旋转磁场，经由变压器作用，在转子形成感应电流，此感应电流与定子旋转磁场切割产生扭矩，使得转子旋转。

假设由马达之非正弦波分布绕线与非正弦波之电流所造成的谐波效应（harmoniceffect）可忽略不计，则交流电流在定子与转子间的气隙（air-gap）造成一正弦波分布的旋转磁场，其同步转速（synchronousspeed）可表式为

　　　　　（17）

其中Ne为每分钟转速（rpm），fe为定子电源频率（hertz），P为马达之极数。

就交流马达而言，经由气隙磁通量（air-gapflux）与转子磁动力（rotormagnetomotiveforce）之交互作用而产生扭矩，其过程如图14所示。

图14　交流感应马达的扭矩产生原理

当马达以同步转速旋转时，转子无法经由感应作用而产生扭矩，在其它转速时，同步转速与转子转速之差定义为滑差（slip），滑差比