交流伺服驱动器主要由主电路和控制电路两部分组成。主电路为伺服电机的运转提供一定幅值和频率的电流。控制电路通过闭环控制生成PWM控制信号,对主回路的输出电流进行调节,从而实现伺服电机位置、速度及扭矩的精确控制。
主回路的基本组成
交流伺服驱动器的主电路主要由整流器,直流环节和逆变器三部分组成,如下图所示:
整流器
整流器将输入的三相交流电,整流成直流电。从下图可以看出,整流器输出的直流电中含有一定的纹波。
直流环节
直流环节的主要作用是滤波。把整流输出的带一定纹波的直流电,过滤成平滑输出的直流母线电压,然后把平滑的直流电压提供给逆变器。
三相交流供电,又是整流又是滤波的,直接用直流供电难道不行吗,费那事干嘛?
还真可以!
现在有的高端伺服驱动器,也支持直流供电。即直接把直流电输入给逆变器,如ABB的Microflexe190和Motiflexe180系列。下图的UDC+和UDC-即Microflex e190伺服驱动器的直流供电端子。
逆变器
逆变器通过开关逻辑(PWM控制信号)控制开关元件的通断,将直流电转变成交流输出。逆变器部分电路如下图所示:
开关元件,即上图中的T1~T6。在新型伺服驱动器中,开关元件普遍采用IGBT。通过开关逻辑控制T1~T6的通断,即可精确控制导入伺服电机定子中三相的电流的幅值和方向,从而实现伺服电机的精确控制。
驱动器给电机的信号
逆变器直接把电流注入伺服电机定子的U V W三相线圈。U V W线圈中通的电流波形和频率是什么样的呢?
逆变器的输入是直流电,经过T1~T6通断的逻辑控制,输出的理应是直流电啊。这里涉及到PWM的概念。其实逆变器输出的是一系列占空比和方向可变的方波开关电流。由于方波通断切换非常快,负载不受开关状态的影响,而仅能看到电压的平均值。通过PWM算法的开关逻辑,使方波开关电流等效于频率和幅值可变的三相交流电,从而实现控制伺服的目的。
伺服电机的旋转方向与转速由电流的方向和大小决定。
主电路与控制电路之间的关系
控制电路的输出,通过控制逆变器的开关逻辑,实现对逆变器输出电流的控制。现在常用的是脉冲宽度调制(PWM)控制。伺服驱动器控制回路,电路环、速度环、位置环算法的终极目的,都是为了生成理想的PWM控制信号。
一般取伺服电机两相的检测电流直接反馈给控制电路的电流环,从伺服电机的编码器检测实时位置反馈给位置环,实时位置微分后反馈给速度环。控制回路根据反馈和输入指令,生成PWM控制信号,控制主回路逆变器的通断。