所谓伺服控制指对物体运动的位置、速度及加速度等变化量的有效控制。这种控制已在各领域得到普及。

伺服电动机有两项技术值得注意,一是高密度电机,采用一种叫“大极电机”的设计思想。例如六极九槽电机,定子由九个独立的极构成,在每个极上绕制集中线圈,然后再将九个极拼装起来,形成九个槽的电机铁芯。由于每个极是独立绕制和整形,所以即使采用自动机绕,也能保持槽满率高达90%。这类电机制造工艺好,空间利用和体积都达到了最小化,故称为高密度电机。从运行原理上讲,这类电机不属于旋转磁场电机,它在三相脉振磁场下工作,因此,它的适用性、设计方法和运行方式都有一定特殊性,所以这类电机不适合方波电流驱动。

另一类是嵌入式磁钢速率伺服电动机,它可利用凸极效应引起的交、直轴电感随位置变化的特点,构成真正意义上的无位置传感器速率伺服电动驱动系统。

除了各类光电编码器以外,磁编码器值得关注。磁编码器的体积和重量都比光电编码器小几十倍,温度范围更宽,几乎不怕冲击和振动。其工作原理非常简单,它的定子是一颗内嵌霍尔磁敏元件和DSP的芯片,体积可以小到MSOP-24封装,它的转子是一颗两极磁钢。它的分辨率10—12位,精度8—10位。这种磁编码器已有供应。

作为空间应用,为了满足-35℃—80℃环境要求,几乎难以采用传统的光电编码器,为此我们自行研制了磁编码器,分辨率16位,精度12位。磁编码器信号处理电路共存于驱动控制电路(FPGA)中,形成传感器与驱动控制电路一体化。

电流传感器是伺服控制必不可少的,小功率系统可以采用电阻采样,一般可采用[1]霍尔电流传感器。两种方法都要将模拟信号转换成数字信号,然后参于数字伺服控制。上述A/D转换的输出形式通常是串行数字脉冲或脉宽调制信号。

2003年美国IR公司推出单芯片速率伺服控制系统,它内部包括:电机矢量FOC控制器、电流PI调节器、速度PI调节器、SVPWM调制器、传感器接口、SPI和并行通信接口等。IR公司推出的单芯片速率伺服控制系统的最重要特点是,允许用户对上百种参数进行实时的和初始化给定。该技术在一片FPGA中实现了FOC控制器、电流PI调节器、速度PI调节器、位置PID调节器、速度前馈控制器、IIR滤波器、SVPWM调制器、梯形速度轨迹生成器、位置指令处理器、监控与保护环节、通讯模块、寄存器堆等所有伺服控制模块,并且在内部集成了CPU,可以完成键盘、显示及外部通讯控制,为真正的数字可编程片上系统(SOPC)。

由于所有控制算法均用硬件实现,所以伺服控制器可以达到相当高的性能,其电流环与速度环采样频率均可达到20kHz,位置环采样频率可达10kHz以上,频率指标主要由芯片本身性能限制。通过上位机可以访问所有内部寄存器,能实现各种控制目的。所有参数可以进行在线修改,包括开关频率、死区时间、调节器参数、滤波器参数等。适应于PMSM、IM、BLDCM等不同电机的驱动控制,并兼容霍尔传感器、增量式/绝对式码盘、磁编码器、旋转变压器等各类传感器接口信号。可以接收脉冲指令、模拟指令以及数字指令等各种输入信号,并可通过上位机或控制面板完成所有操作功能。具有控制器识别码接口,易于实现多轴控制。这种单片控制器大大减少了系统体积,提高了抗干扰性,加上完善的保护措施,保证了系统运行的可靠性。

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