Физика управления: углубление в архитектуру сервоприводов переменного тока

Сервопривод переменного тока представляет собой сложный образец силовой электроники, который представляет собой триумф теории управления, примененной к электротехнике. Чтобы понять его высокопроизводительные возможности, важно выйти за рамки его функциональной роли и изучить его внутренняя архитектура — компоненты и процессы, обеспечивающие точное движение.

Внутренняя архитектура: три основные подсистемы

Ан Сервопривод переменного тока обычно состоит из трех основных функциональных ступеней, которые преобразуют входную мощность переменного тока в точно контролируемую мощность переменного тока для двигателя на основе сигналов обратной связи:

1. Этап преобразования мощности (выпрямитель):

   • incoming single-phase or three-phase AC power is first converted into a high-voltage DC (Direct Current) voltage, which is typically smoothed using a Конденсаторная батарея звена постоянного тока .

   • energy stored in this DC bus is then available for the next stage.

   • Примечание: drive may also incorporate a braking resistor or regenerative circuitry to dissipate or reuse excess energy generated during motor deceleration.

2. Стадия инверсии мощности (инвертор):

   • Это секция переключения питания ядра, обычно состоящая из массива Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) .

   • control board uses Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) методы быстрого переключения IGBT, преобразующие напряжение постоянного тока обратно в трехфазный сигнал переменного тока.

   • Важно отметить, что привод контролирует частота, величина и фаза этого выходного сигнала переменного тока с чрезвычайно высоким разрешением для точного управления скоростью и крутящим моментом двигателя.

3. Этап контроля и обработки (мозг):

   • Сюда входит микропроцессор или Цифровой сигнальный процессор (DSP) который выполняет циклы управления.

   • Он обрабатывает входящие команды положения/скорости и использует обратную связь в реальном времени от энкодера или резольвера двигателя.

   • Затем он запускает Контуры ПИД-регулирования и Полеориентированное управление (FOC) алгоритмы для расчета точных сигналов срабатывания ШИМ, необходимых для каскада инвертора, чтобы исключить любую ошибку между командой и фактическим положением двигателя.

Critical Role of Field-Oriented Control (FOC)

superior performance of the Сервопривод переменного тока по сравнению со стандартным VFD, сводится к использованию Полеориентированное управление (FOC) , иногда называемый векторным управлением.

• Problem: Управление двигателем переменного тока является сложной задачей, поскольку крутящий момент и поток связаны (взаимозависимы).

• FOC Solution: DSP in the drive mathematically transforms the motor's three-phase AC currents ( ${я}_{а},{я}_{б},{я}_{с}$ ) из физической системы отсчёта статора во вращающуюся двухосную систему отсчёта постоянного тока ( ${я}_{д},{я}_{д}$ ).

  • ток по оси д ( ${я}_{д}$ ) контролирует магнитный поток (или поле).

  • ток по оси д ( ${я}_{д}$ ) контролирует крутящий момент .

• Advantage: Благодаря развязке магнитного потока и крутящего момента привод может точно и быстро управлять крутящим моментом, придавая двигателю высокий динамический отклик, аналогичный высокопроизводительному двигателю постоянного тока. Это важно для быстрого ускорения и точного позиционирования, которые определяют сервосистему.

Соображения по номинальной мощности

При выборе Сервопривод переменного тока , это номинальная мощность имеет решающее значение и должно соответствовать требованиям двигателя и применения. Этот рейтинг определяет способность привода обрабатывать необходимые:

• Непрерывный ток: current the drive can safely supply during continuous operation (steady state).

• Пиковый ток: maximum current the drive can supply for a short duration (e.g., during rapid acceleration), which determines the system's dynamic response.

sophisticated architecture of the Сервопривод переменного тока Это то, что позволяет ему надежно подавать высокие пиковые токи для динамичного движения, сохраняя при этом чрезвычайно точный контроль над положением, скоростью и крутящим моментом, что делает его незаменимым в современной автоматизации.