Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ động cơ hiện đại, công nghệ điện tử công suất hiện đại, công nghệ vi điện tử, công nghệ vật liệu nam châm vĩnh cửu, công nghệ điều khiển và điều chỉnh tốc độ AC, công nghệ servo AC nam châm vĩnh cửu đã có sự phát triển vượt bậc. Hiệu suất của hệ thống servo AC nam châm vĩnh cửu đang được cải thiện từng ngày và giá cả có xu hướng hợp lý, điều này làm cho hệ thống servo AC nam châm vĩnh cửu thay thế hệ thống servo DC, đặc biệt là trong lĩnh vực ổ đĩa servo có độ chính xác cao, yêu cầu hiệu suất cao đã trở thành một xu hướng phát triển của hệ thống truyền động servo điện hiện đại.
Hệ thống servo AC nam châm vĩnh cửu có những ưu điểm sau:
Động cơ không có chổi than và cổ góp, làm việc tin cậy, bảo trì, bảo dưỡng đơn giản;
Tản nhiệt cuộn dây stator nhanh;
Quán tính nhỏ, dễ dàng cải thiện tốc độ của hệ thống;
Thích hợp cho trạng thái làm việc tốc độ cao và mô-men xoắn lớn;
Dưới cùng một công suất, khối lượng và trọng lượng nhỏ hơn, được sử dụng rộng rãi trong máy công cụ, thiết bị cơ khí, cơ chế xử lý, thiết bị in, rô bốt lắp ráp, máy chế biến, máy cuộn tốc độ cao, máy dệt và các dịp khác, để đáp ứng nhu cầu phát triển của trường truyền dẫn.
Sau sự phát triển của chế độ analog và hybrid, trình điều khiển của hệ thống servo AC nam châm vĩnh cửu đã bước vào kỷ nguyên kỹ thuật số. Ổ đĩa servo kỹ thuật số đầy đủ không chỉ khắc phục được sự phân tán lớn, độ lệch bằng không, độ tin cậy thấp và các xác định khác của servo tương tự, mà còn phát huy đầy đủ các ưu điểm của điều khiển kỹ thuật số trong phương pháp điều khiển chính xác và linh hoạt, khiến cho ổ đĩa servo không chỉ đơn giản cấu trúc, mà còn hiệu suất đáng tin cậy hơn. Giờ đây, hệ thống servo hiệu suất cao, hầu hết hệ thống servo AC nam châm vĩnh cửu bao gồm động cơ servo AC đồng bộ nam châm vĩnh cửu và trình điều khiển servo đồng bộ nam châm vĩnh cửu AC kỹ thuật số đầy đủ hai phần.
Ổ đĩa servo bao gồm hai phần: phần cứng ổ đĩa và thuật toán điều khiển. Thuật toán điều khiển là một trong những công nghệ chính để xác định hiệu suất của hệ thống servo AC, là phần chính của phong tỏa công nghệ servo AC nước ngoài và là cốt lõi của độc quyền công nghệ.
Cấu trúc cơ bản của hệ thống servo nam châm vĩnh cửu AC
Trình điều khiển servo đồng bộ nam châm vĩnh cửu chủ yếu bao gồm bộ điều khiển servo, bộ truyền động nguồn, bộ giao diện truyền thông, động cơ servo và thiết bị phát hiện phản hồi tương ứng. Cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình 1. Bộ điều khiển servo bao gồm bộ điều khiển vị trí, bộ điều khiển tốc độ, bộ điều khiển mô-men xoắn và dòng điện, v.v. Trình điều khiển đồng bộ nam châm vĩnh cửu AC của chúng tôi tích hợp công nghệ điều khiển tiên tiến và chiến lược điều khiển, do đó nó rất phù hợp với yêu cầu hiệu suất cao, độ chính xác cao của lĩnh vực truyền động servo, nhưng cũng phản ánh trí thông minh mạnh mẽ, tính linh hoạt không thể so sánh với hệ thống truyền động truyền thống.
Hiện tại, trình điều khiển servo chính sử dụng bộ xử lý tín hiệu số (dsp) làm lõi điều khiển. Ưu điểm của nó là nó có thể nhận ra thuật toán điều khiển phức tạp hơn và các vấn đề được số hóa, kết nối mạng và thông minh. Các thiết bị nguồn thường sử dụng mô-đun nguồn thông minh (ipm) làm thiết kế cốt lõi của mạch điều khiển, mạch điều khiển tích hợp bên trong ipm và có mạch bảo vệ quá áp, quá dòng, quá nhiệt, thiếu điện áp và các mạch bảo vệ phát hiện lỗi khác, trong mạch chính cũng có thêm mạch khởi động mềm , nhằm giảm tác động của quá trình khởi động lên người lái.
Trình điều khiển servo có thể được chia thành hai mô-đun, bảng điện và bảng điều khiển. Như thể hiện trong Hình 2, tấm nguồn (tấm truyền động) là một bộ phận điện mạnh, bao gồm hai bộ phận. Một là bộ truyền động nguồn ipm được sử dụng để điều khiển động cơ, và bộ kia là bộ cấp nguồn chuyển mạch để cung cấp nguồn kỹ thuật số và analog cho toàn hệ thống.
Bảng điều khiển là phần dòng điện yếu, lõi điều khiển của động cơ và là bộ phận vận hành của thuật toán điều khiển lõi của công nghệ trình điều khiển servo. Bảng điều khiển xuất tín hiệu pwm thông qua thuật toán tương ứng, được sử dụng làm tín hiệu điều khiển của mạch điều khiển để thay đổi công suất đầu ra của biến tần, nhằm đạt được mục đích điều khiển động cơ servo AC đồng bộ nam châm vĩnh cửu ba pha.
Đơn vị truyền động điện
Đầu tiên, bộ truyền động nguồn chỉnh lưu nguồn điện ba pha hoặc nguồn điện đầu vào thông qua mạch chỉnh lưu cầu toàn phần ba pha để thu được dòng điện một chiều tương ứng. Động cơ AC servo đồng bộ nam châm vĩnh cửu ba pha được điều khiển bởi bộ chuyển đổi tần số điện áp pwm hình sin ba pha sau khi chỉnh lưu tốt. Toàn bộ quá trình của bộ truyền động điện có thể được mô tả đơn giản là quá trình ac-dc-ac. Mạch tô pô chính của ac-dc là mạch chỉnh lưu không điều khiển toàn cầu ba pha.
Phần biến tần (dc-ac) sử dụng mô-đun nguồn thông minh (ipm) tích hợp mạch truyền động, mạch bảo vệ và công tắc nguồn. Cấu trúc liên kết chính là sơ đồ mạch biến tần ba pha được hiển thị trong Hình 3. Sử dụng kỹ thuật điều chế độ rộng xung (pwm), điều chế độ rộng xung (PWM) thay đổi tần số của dạng sóng đầu ra của biến tần bằng cách thay đổi bật xen kẽ -thời gian tắt của bóng bán dẫn điện và thay đổi tỷ lệ thời gian bật tắt của bóng bán dẫn trong mỗi nửa chu kỳ. Điều đó có nghĩa là, bằng cách thay đổi độ rộng xung để thay đổi giá trị phụ điện áp đầu ra của biến tần để đạt được mục đích điều chỉnh công suất.
vt1 ~ vt6 trong Hình 3 là sáu ống công tắc nguồn, s1, s2 và s3 tương ứng là ba nhánh cầu. Trạng thái công tắc của từng nhánh cầu được chỉ định như sau: khi ống công tắc của nhánh cầu trên ở trạng thái "bật" (ống công tắc của nhánh cầu dưới lúc này phải ở trạng thái "tắt"), trạng thái chuyển đổi là 1; Khi ống công tắc nhánh cầu dưới ở trạng thái "bật" (khi đó ống công tắc nhánh cầu dưới phải ở trạng thái "tắt"), trạng thái công tắc là 0. Ba nhánh cầu chỉ có hai trạng thái "0" và "1", vì vậy s1, s2 và s3 tạo thành tám chế độ ống chuyển đổi của 000, 001, 010, 011, 100, 101 và 111 , trong đó chế độ chuyển đổi 000 và 111 làm cho điện áp đầu ra của biến tần bằng không, vì vậy chế độ chuyển đổi này được gọi là trạng thái không. Điện áp đường dây đầu ra là uab, ubc và uca, và điện áp pha là ua, ub và uc, trong đó udc là điện áp nguồn DC. Phân tích bảng đính kèm có thể được lấy theo ở trên.
Bộ điều khiển
Bộ điều khiển là cốt lõi của toàn bộ hệ thống AC servo, thực hiện điều khiển vị trí hệ thống, điều khiển tốc độ, mô-men xoắn và bộ điều khiển dòng điện. Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (dsp) không chỉ có khả năng xử lý dữ liệu nhanh mà còn tích hợp ASIC phong phú để điều khiển động cơ, chẳng hạn như bộ chuyển đổi a/d, bộ tạo pwm, mạch đếm thời gian, mạch giao tiếp không đồng bộ, bộ thu phát bus có thể và tĩnh có thể lập trình tốc độ cao ram và bộ nhớ chương trình dung lượng lớn. Trình điều khiển servo thực hiện điều khiển véc tơ (vc) bằng cách áp dụng nguyên tắc điều khiển định hướng từ trường (foc) và biến đổi tọa độ, đồng thời điều khiển động cơ bằng cách kết hợp chế độ điều khiển điều chế độ rộng xung hình sin (spwm). Điều khiển véc tơ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu thường điều khiển dòng điện hoặc điện áp stato bằng cách phát hiện hoặc ước tính vị trí và biên độ của từ thông rôto của động cơ. Theo cách này, mô-men xoắn của động cơ chỉ liên quan đến từ thông và dòng điện, tương tự như phương pháp điều khiển của động cơ DC và có thể đạt được hiệu suất điều khiển cao. Đối với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu, vị trí từ thông của rôto giống như vị trí cơ học của rôto. Theo cách này, vị trí từ thông của rôto của động cơ có thể được biết bằng cách phát hiện vị trí thực tế của rôto, do đó điều khiển véc tơ của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được đơn giản hóa so với điều khiển của động cơ không đồng bộ.
Trình điều khiển servo được điều khiển Động cơ Servo nam châm vĩnh cửu AC (pmsm)
Khi trình điều khiển servo điều khiển động cơ servo nam châm vĩnh cửu AC, nó có thể hoạt động ở chế độ điều khiển dòng điện (mô-men xoắn), tốc độ và vị trí tương ứng. Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển của hệ thống được thể hiện trong Hình 4. Do động cơ servo nam châm vĩnh cửu AC (pmsm) sử dụng kích thích nam châm vĩnh cửu nên từ trường của nó có thể được coi là không đổi. Đồng thời, tốc độ động cơ của động cơ servo nam châm vĩnh cửu AC là tốc độ đồng bộ, nghĩa là số vòng quay của nó bằng không. Những điều kiện này làm giảm đáng kể độ phức tạp của mô hình toán học của trình điều khiển servo AC điều khiển động cơ servo nam châm vĩnh cửu AC. Như có thể thấy từ Hình 4, hệ thống dựa trên việc đo phản hồi dòng điện hai pha (ia, ib) của động cơ và vị trí của động cơ. Bằng cách kết hợp dòng pha đo được (ia, ib) với thông tin vị trí, các thành phần id và iq thu được thông qua thay đổi tọa độ (từ hệ tọa độ a, b, c sang hệ tọa độ rôto d, q), và sau đó nhập vào cơ quan quản lý hiện hành tương ứng của họ. Đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện đi qua quá trình thay đổi tọa độ ngược (từ hệ tọa độ d, q sang hệ tọa độ a, b, c) để có được lệnh điện áp ba pha. Chip điều khiển, thông qua hướng dẫn điện áp ba pha, sau khi đảo ngược và trễ, sẽ nhận được sóng 6 pwm đến thiết bị nguồn để điều khiển hoạt động của động cơ. Trong hệ thống ở chế độ nhập lệnh khác nhau, lệnh và phản hồi thông qua bộ điều chỉnh điều khiển tương ứng, nhận mức lệnh tham chiếu tiếp theo. Trong vòng dòng điện, thành phần dòng điện mô-men xoắn (iq) của các trục d, q là đầu ra hoặc bên ngoài được cung cấp bởi bộ điều chỉnh tốc độ. Nói chung, thành phần từ thông bằng 0 (id=0), nhưng khi vận tốc lớn hơn giá trị giới hạn, giá trị vận tốc cao hơn có thể thu được thông qua suy yếu từ tính (id "0").
Phép biến đổi từ hệ tọa độ a, b, c sang hệ tọa độ d, q được thực hiện bằng phép biến đổi clarke và park; Phép biến đổi từ tọa độ dq sang a, b, c được thực hiện bằng phép biến đổi ngược chiều của Clark và Parker.