交流异步电机伺服控制技术的应用

交流异步电机伺服控制技术的应用摘要对交流异步电机实现伺服控制是电机控制技术的一大突破，交流异步伺服控制技术在几种控制技术中具有明显的优势，控制功能和精度已经达到了同步伺服的水平，在各行业自动控制领域，特别是中、大功率运动控制系统有很好的应用前景。采用滑差频率矢量控制原理、系统级芯片SOC和“软伺服”技术的时光全数字化交流伺服控制器，可应用于需要对位置、速度、加速度和转矩进行控制的各种领域。关键词交流异步电机伺服控制应用1交流异步电动机伺服控制系统1.1交流异步电动机交流异步电动机是应用最广的驱动设备，占总动力负载的85%左右。三相交流异步电机具有效率较高、结构简单、牢固耐用、经济可靠以及成本较低等优点，在工业、农业和国民经济的各个部门中，具有极其重要的地位。三相交流异步电动机是由流过定子线圈的电流产生旋转磁场而令转子转动，旋转磁场和转子转动之间的速度差称为转差。转子的感应电流与转差成比例关系。为保证旋转磁场与感应电流保持正交关系，需要进行AC矢量控制。但与直流电机和交流同步电机的励磁（或永久）磁场相比，对交流异步电机的控制难度要大得多。在调速性能和改善功率因数，尤其是高精度伺服控制方面，技术上一直未取得突破。随着微电子、电力电子与计算机技术的发展，变频技术出现，变频器不需改变电机结构，通过改变电机输入电压及频率，扩大了电机的调速范围。但变频技术满足不了“高、精、尖”产品对于工业控制技术的要求。自动控制技术要求对电机的输出参数如位置、速度、加速度、转矩进行控制，即伺服控制。时光科技有限公司自主研发了具有完全知识产权的全数字化交流伺服控制技术，实现了对三相交流异步电机的高精度伺服控制。对交流异步电机实现伺服控制是电机控制技术的一大突破，使得交流异步电机在发挥固有的优势的基础上，大大扩展了应用领域。伺服系统又称为随动系统，它的基本功能就是按照指令要求实现对执行机构运动的控制，使系统的输出精确地跟随指令值变化。其特点是：宽的调速范围，转速、转向可控；线性的机械特性和调节特性；快速响应；无自转现象（零速锁定）。1.2交流伺服控制系统伺服控制器伺服电动机组指令电流反馈位置、速度反馈伺服系统控制的方式有：位置控制、速度控制、转矩控制以及混合控制，即前三者之间的切换。近几年来，伺服控制的优势已经被广泛认识，交流伺服技术在各个领域得到广泛应用。2几种电机控制方式的比较伺服控驱动制单元单元交流异检测步电机单元2.1控制方式比较直流调速交流变频交流同步伺服交流异步伺服速度控制范围受限、精度较低范围小、精度低范围大、精度高范围大、精度高位置控制无无高精度高精度转矩控制无无转矩可控制转矩可控制零速力矩锁定无无有有恒转矩区较大小大0—50Hz大0—50Hz恒功率区受电机转速限制较大50—400Hz大50—500Hz大50—500Hz过载能力较大较小大大电机结构复杂简单较复杂简单电机功率范围大大中、小大电机转动惯量大大中、小大电机价格高低较高低电机维修需定期维修无需特别维修无法维修无需特别维修电机寿命短长较短长控制器及电机电流匹配即可电流匹配即可对应配套电流匹配即可检测反馈单元无（高精度需测速机）无必需必需2.2变频和伺服控制输出曲线频率（转速）050100150200250Hz300%150%100%转矩200%恒转矩输出恒功率输出变频驱动HL伺服控制GL伺服控制电机额定转矩频率（转速）050100150200250Hz300%150%100%转矩200%恒转矩输出恒功率输出变频驱动HL伺服控制GL伺服控制电机额定转矩从技术指标和控制功能看，直流调速因电机自身的原因属于淘汰技术。而变频调速和伺服控制不在一个技术层面上，变频调速是小范围、低精度的速度控制，且转矩输出特性较差，只能用于速度控制要求较低的场合。由于受到永磁材料和工艺的限制，同步伺服电机的功率范围在几十瓦到几十千瓦，且价格较高。而交流异步伺服可控制的电机功率基本没有限制，范围很大，且控制功能和精度已经达到了同步伺服的水平，在各行业自动控制领域，特别是中、大功率运动控制系统有很好的应用前景。3时光交流异步电机伺服控制器3.1技术创新点3.1.1采用滑差频率矢量控制原理对三相交流异步电机进行伺服控制。3.1.2系统级芯片SOC(SystemOnaChip)技术。时光科技自主研发的SOC芯片，在32位RISC体系微处理器上嵌入LSILogic以及可编程数字I/O、RS-232、422/485通讯、D/A、A/D转换、QMCL语言编译器，电机矢量控制高速运算器、对用户开放的ROM和RAM、实时操作系统(OS)等，提高了系统的性能指标和可靠性，降低功耗和电磁干扰，减少所占PCB空间。3.1.3“软伺服”技术支持该系统的软件技术平台是SOC的操作系统与系统专用的快速运动控制QMCL语言（QuickMotionControlLanguage）。QMCL语言是一个对用户开放的电机控制软件平台，用户只要了解被控电机的参数以及控制要求，就可以不改变系统硬件，开发所希望的目标产品。3.2主要性能和特点3.2.1硬件构成先进可靠采用专用32位CPU对电机进行全数字化控制。功能齐全、可靠性高的一体化主控板。优化设计的模块化功能电路。功率模块采用IGBT、IPM或智能化功率器件ASIPM。电流、速度、位置三闭环系统。内置制动单元。3.2.2软件功能完善灵活具有内部PLC功能，控制器可自成系统工作。CPU的E2PROM中可存储多个程序，语句可达400条。专用的「QMCL」语言，电机控制程序的编程简单易学。可用PC机、编程器编程，程序可固化。具有速度、位置、转矩三种控制方式的标准程序，且三种方式可相互切换。3.2.3控制功能全面精确速度控制精度±0.04%，调速范围达1：25000。位置控制精度±1p。具有优良的转矩控制功能，控制范围0~300%电机额定转矩，精度±5%。在电机额定转速以下恒转矩输出，额定转速以上恒功率输出。过载能力强，最大转矩可达电机额定转矩的三倍。具有低速大转矩输出、零转速力矩保持功能。可对转矩、电流、输入输出及反馈频率、I/O口状态等参数实时监测。具有同步控制功能，对多台控制系统进行同步或跟随控制。具有加、减速度编程和控制功能。迅速可靠的保护功能和故障指示、检查信号。3.2.4I/O、通信接口丰富完备具有RS232C，RS422/RS485通信接口，Modbus通讯模块，可由计算机、PLC等上位机进行控制和状态监视。最多通讯连接15台伺服控制器。可编程数字输入/输出：16入/13出。可编程模拟量输入/输出2入/2出。脉冲列指令输入接口。双PG方式控制器特有外部PG输入接口。3.2.5配套电机交流异步电机安装编码器或旋转变压器，控制器即可对其位置、速度、加速度、转矩进行高精度控制。可控制的异步电机功率为100W～200kW。功率范围大于交流同步伺服电机。交流异步电机结构简单、可靠耐用、价格便宜、维护方便，其使用寿命长于交流同步伺服电机。4交流异步电机伺服控制器的应用时光交流异步电机伺服控制器可应用于需要对位置、速度、加速度和转矩进行控制的各种领域。4.1速度控制：时光伺服控制器的速度控制范围为0～500Hz，控制精度为0.01～0.02Hz，能够对电机进行大范围稳定、准确的高精度速度控制。在负载力矩变化时保持速度不变。时光伺服控制器控制机床主轴电机，有足够的输出转矩，有定位功能，可以完成刚性攻丝功能。控制高速电主轴，最高转速已达到12000r.p.m。时光伺服控制器控制要求低速变速的各种工作机械，在低速下大转矩稳定运行。4.2位置控制：时光伺服控制器的位置控制精度为编码器的±1个脉冲，位置控制范围为4Byte脉冲数，时光伺服控制器可控制电机，对机床的进给轴、主轴进行精确的位置和定位控制。4.3加速度控制：时光伺服控制器的加、减速度可通过系统参数设定，还可以通过编程设定加、减速曲线。在要求平稳启、停和频繁加、减速的设备和装置，如电梯、飞剪等，时光伺服控制器得到广泛的应用。4.4转矩控制：时光伺服控制器在电机基频以下的转矩输出可达到3倍额定转矩，并能够进行控制。转矩控制精度为±5%，且保持速度稳定和位置准确。时光伺服控制器在零转速具有力矩保持功能，在特定的条件下可以取代制动器。时光伺服控制器在力矩变化和需要张力控制的场合，发挥了其优良的特性。时光伺服控制器对于低效设备，可大大提高功率因数，节约了电能和维护费用。4.5同步控制：使用时光双PG伺服控制器，能够实现主、从同步控制和外部PG同步控制。主、从同步控制是指以一套时光伺服控制器及电机为主机，以其PG信号作为其他控制器及电机（从机）的指令信号，实现从机跟随主机同步运转，可以通过电子齿轮参数设定跟随的比例。外部PG同步控制是指以外部PG信号作为多套时光伺服控制器及电机的指令信号，实现多机同步运转。时光伺服控制器用于有准确的同步控制需求的机械设备上，可以取代复杂的机械结构。时光交流异步电机伺服控制器已经在各种机床（如：立车、龙门刨、落地镗铣床、数数控钻铣床等等）、高速电主轴、钢筋切割、钢管加工、油田抽油机、推钢机、包烟机、漆包线收绕机、塑料机械、自动焊机、电梯和旋转门机、建筑机械、卫星天线和阳光自动跟踪系统、集装箱检测系统、军用和民用电动车辆等设备的生产和改造中得到成功的应用。