马达驱动器与PLC控制.docx
《马达驱动器与PLC控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《马达驱动器与PLC控制.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
马达驱动器与PLC控制
PLC控制器与马达驱动器
卞凤彪2004年11月
1前言
要说清楚控制器与马达驱动器的关系，先要对各类马达原理做一个简介。
2常用马达分类
2.1步进马达
2.2伺服马达
3步进马达原理
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
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
厂育刷式一永磁式直流伺服馬達
伺服馬達一
「永磁式交流伺服馬達
_聊刷式-'>1式直流伺服馬逹*永磁式同步馬達
■感應式交流何服馬逹
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
7
PLC与马达驱动器间联系（示意图）
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
T=KIB[N灿]
LJ⑴
图2马达之工作原理
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（electronic
commutator）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"八"心耳©OS砂（如图3所示），则在次级线圈随转子旋转之角度9，由变压
器效应产生'，ulIHL八之交流电压，此交流电压经由回授，由相位同
步器将三相参考电压W、、
sin（叫/+滋/3）、转换为耳sm®、耳血0+2兀/3）、
V8111（0+4^/3）企血厶
朋''，其中Vm为激磁电压之最大值，&为交流电压之角
频率。
〔、：
、：
即为
AIB、Ic表
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ABC三相之电流分别以Ia、I示，其最大值为Im，各相电流（phasecurrent）可表示为
7,=7sin0
A摑
2
4
厶二厶sin（6»+=7r）
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,=
aa?
2
BB=B^sm（0+-7u）
'⑹
4
Bc=Bmsm（3+-7r）
5⑺
各相电枢线圈电流Ia、Ib、Ic与其所承受之磁场强度Ba、EB、BC分别产生之旋转
扭矩Ta、Tb、Tc可表示为
2
T厂KI站厂KRB弄+w町
3（9）
°4
Tc=KIcBc=^Bm&m2（0+-^
'（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
3
T=Ta+Tb+Tc=-KI^
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（phase
I—jsin#
synchronizer）使得相电流（如J：
'''）与相对应之磁场（如
D—DjQ
眉—加）保持同步，则合成扭矩T与转子之角度9无关。
由（11）
式可知K为定值，B为转子永久磁铁之磁场强度亦为定值，因此T正比于各相
电流之振幅心，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w与速度回授信号V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
K*
二（瓦+乞）0；-©）
（12）
s
vc与由混合器（mixer）产生定子电流参考讯号'八山化‘、
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。
Resolver口弓匚Oder
图5永磁式交流伺服马达驱动器之系统方块图
AC7DCConverter
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
Es~心％
（15）
（16）
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。
K为电流回接
*
增益，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
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⑻r-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
statoraxis
rotoraxis
（a）（b）
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
120Z
（17）
其中2为每分钟转速gm），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⑻r-gapflux）与转子磁动力（rotor
magnetomotiveforce）之交互作用而产生扭矩，其过程如图14所示。
则定义为
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（slipratio）
Nr为转子之每分钟转速（rpm），e、r与st分别为定子、转子与滑差的旋转角频
率（angularfrequency）。
气隙磁通量（air-gapflux）相对于转子以滑差st之转速旋转，因而在转子感应出滑差频率电压（slipfrequencyvoltage），进而在转子形成滑差频率电流（slip
frequencycurrent）。
图14中正弦气隙磁通波以e的角频率旋转，在转子产生感应电压如图中垂直线所示。
转子感应电流落后于转子感应电压之角度定义为
转子功率因子角「（rotorpowerfactorangle）。
图14（c）中由转子感应电流所
造成之梯状转子磁动势（rotormmf），可用虚线正弦波近似，由于转子的圆形结构，因此转子感应电流与其所造成之转子磁动势有一90的相位差。
因为转子以
r之角频率旋转，而转子电流相对于转子以st之速度旋转，因此转子磁动势与
气隙磁通量均以同步转速旋转。
转子每极之表面积（polesurfacearea）Ap可表示为
（19）
由气隙磁通与转子磁动势之交互作用，所产生之扭矩可表示为
（20）
其中P为马达之极数，L为转子之长度，R为半径，B为气隙磁通密度之峰值，Fm为转子磁动势之峰值，^^，r为转子功率因子角。
（20）亦可表示
为
3|[
4=冇购邛皿
（21）
5.磁场向量控制原理
磁场向量控制法可应用于同步马达或感应马达之电压源或电流源换流器之伺服驱动系统。
其基本观念在于将定子之三相电流向量经由坐标转换成为两等效且互相垂直之分量，其一相当于磁场电流（magnetizingcurrent），另一则相当于扭矩电流（torquecurrent），磁场向量控制法即在于控制定子三相电流之大小、频率与相位使其磁场电流分量维持在最大容许值，而调节扭矩电流分量以控制输
出扭矩之大小。
—■-t
定子电压向量与电流向量■可定义为
与电流向量■■。
其中八_八！
\相同之定义可适用于转子之电压向量
一T
如图15（a）所示，'「与'可在d-q二轴坐标系上分为两互相垂直的分量。
（24）
i屮
图15（b）中定子电流向量■与转子磁通向量-,如果在静止参考坐标系
定一同步转速之旋转参考坐标系则「与监分别可得到两个固定之分量J、
'与「、-0磁场向量解耦控制法就是将此旋转参考坐标系固定于转
子磁通向量，如图15（b）所示，使d轴固定于「’且均以同步转速旋转。
如此
77i
定子电流■之磁场分量“与「平行，而扭矩分量厂则与「垂直
（a）（b）
图15磁场向量控制法之向量图
7w7
如果经由磁场向量控制法使一「与|重合，则"正比于产生之扭矩，因此其
控制方式就有如直流伺服马达，产生之扭矩可表示为
np
T严冷K"
（25）
其中P为马达之极数，K为比例常数。
高性能交流感应伺服系统设计的一个主要困难，即在于如何经由感测组件将获得之回授信号，经由数学计算与坐标转换得到定子电流之磁场分量与扭矩分量，再分别对二者经由坐标转换与换流器进
行独立之回路控制，以达到磁场与扭矩分别控制之目的，如此其特性就有如直流马达。
升级会员 