基于STM32的交流永磁同步电机伺服控制技术的研究

摘 要近年来，随着高性能永磁材料技术、电力电子技术、微电子技术的飞速发展以及矢量控制理论、自动控制理论研究的不断深入，永磁同步电机伺服控制系统得到了迅速的发展。尤其是全数字化微处理器技术的发展，使永磁同步电机在工农业生产、家电设备、交通运输、以及航空航天等领域得到了广泛的应用。本文以 为核心处理器，采用 结合的控制技术，针对价格敏感的工业控制领域，研究并设计一款高性能双闭环交流伺服控制系统。 首先阅读了大量的相关资料，在充分理解永磁同步电机的结构的基础上，建立了永磁同步电机数学模型，详细分析了矢量控制技术和脉宽调制技术的原理和应用，认真推算了坐标变换过程中的相关数学公式 。 在矢量控制技术的基础上应用 的控制策略，使交流电机具有直流电机一样简单的控制特性。 其次 ， 在伺服控制技术理论分析的基础上 ， 分别从软件和硬件出发进行系统设计 。整个系统的硬件采用交 直 交变压变频的设计思路，功率逆变单元采用先进的智能功率模块 外，还设计了 制单元的外围接口电路、电流检测和速度检测电路以及辅助开关电源等 。 软件上从系统程序和功能模块出发进行了相关的设计 ，最后设计了电流环和速度环的 节。最后 ， 采用 建了系统的各功能子模块 ， 并对双闭环控制系统进行了整体仿真，然后针对仿真结果图进行了分析和总结。最后展示了本课题的实际成果，充分的证明了基于 键字： 永磁同步电机， 量控制，空间矢量脉宽调制，交流伺服系统m m m im K 1绪 论 .引言 .课题的研究背景和实际意义 .交流伺服控制技术在国内外的发展现状及动态 .本文的主要工作 .系统硬件总体架构 .功率驱动单元电路设计 .控制单元外围电路设计 .信号检测单元设计 .开关电源设计 .系统软件总体架构 .功能模块设计 .引言 .坐标变换仿真模块 .电流滞环控制模块 .系统仿真 .实验结果 .结论 .展望 .0年代以后 ， 伺服控制技术在材料技术 、 电机制造技术 、 传感器技术 、计算机技术、电力电子技术以及控制技术等相关技术的迅速发展基础之上取得了突飞 猛 进的进步 1。 尤其是矢量控制技术的出现，实现了交流伺服电动机高动态响应的转矩控制，极大地提高了交流伺服系统的调速性能，从而使交流伺服系统控制难度大、 控制特性差等问题的解决取得了较为明显的进展。先进控制技术的应用，使交流伺服 电机具有与直流电机相同的优良调速性能，实现了转矩电流和励磁电流的自然解耦，提高了转矩响应速度和控制精度，并且交流电机摒弃了直流电机的结构缺陷，如电刷 和换向器的摩擦产生火花以及体积大等缺点 。 此外 ， 交流伺服控制系统在工农业生产 、家电设备、交通运输、以及航空航天等应用领域还具有效率高、体积小、重量轻、精 确度高 、 动态特性快 、 稳定性好等特点 2。 随着交流伺服控制系统性价比的不断提升 ，交流伺服取代直流伺服、数字控制取代模拟控制以及软件控制取代硬件控制已成了现代化伺服控制技术的一个发展趋势，伺服控制技术步入了一个全新的发展阶段。 着高性能永磁材料技术、微电子技术的迅猛发展以及矢量控制理论、自动控制理论的不断深入研究，永磁同步电机 (称为 服控制系统得到了飞速的发展 。 与直流电机相比较 ， 交流电机具有较宽的调速范围 ， 较强的抗负载扰动能力 ， 并且体积小 、 结构简单 、 重量轻 、 运行可靠 、效率高、转动惯量小、功率因数高、过载能力强等优点；与交流异步电机相比较，转 子角速度和旋转磁场之间不存在转差率 ， 控制简单 ， 容易实现 。 因而在一些航空航天 、机器人、柔性制造等高性能、高精度的伺服控制领域具有较为广阔的发展前景。我国永磁材料资源丰富，这为永磁同步电机的制造打下了良好的基础，国内交流伺服系统 起步较晚，与国外的发展相比较略有些落后。近几年，国内在交流永磁同步电机的研 究上有较大的进步 3。早期的伺服控制系统多采用单片机作为核心控制芯片 ， 如 031/8051、和 然而受单片机自身结构的限制 ， 处理速度比较慢 ， 无法实现系统的高动态实时响应，严重影响着系统的性能，此外其外围电路复杂，降低了 系统的可靠性和可维护性，增加了系统的额外成本。因此，以通用单片机为核心控制 的电动机系统主要应用于那些控制性能要求较低的场合。 近 年 来 ， 制 芯 片 上 的 迅 速 发 展 ， 为 全 数 字 化 交 流 伺 服 控 制 系 统 注 入 了1绪论2新的活力 。 意法半导体公司推出的 2位微处理器 。 该产品是专门针对价格敏感 、 要求苛刻的工业控制领域而设计的 ， 它的推出可以和长期以来以 结构上 采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取址 与 数 据 访 问 并 不 相 悖 。 较 高 的 运 算 速 度 ， 主 频 可 工 作 于 72具 有丰 富 的 资 源 ， 内 置 容 量 可 分 别 高 达 5124k。 高 级 定 时 器 可 产 生带 有 死 区 互 补 的 六 路 实 现 了 电 机 的 精 确 控 制 ， 内 置 速 度 编 码 器 接 口 简 化 了 硬件 电 路 ， 降 低 了 设 计 的 复 杂 性 。 此 外 ， 多 的 第 三 方 为 32位 制 器 专 门 定 制 、 提 供 了 从 低 成 本 到 高 性 能 的 整 套 开 发 工 具 和 完 善 高效的固件库函数，使用户可以很轻松的完成产品开发，缩短系统的研发周期。其中，固件库函数提供的驱动覆盖了从 再到 标 准 外 设 ， 常 用 的 开 发 工 具 有 它 包 括 入 门 套 件 、 开发 工 具 方 案 、 编 程 环 境 以 及 嵌 入 式 操 作 系 统 。 这 些 特 点 都 使 刷 马 达 控 制应用领域取得了较为广泛的应用 4。随着现代工业自动化的不断发展，交流伺服电机的应用领域也越来越广泛，而且对交流伺服控制技术的要求也越来越严格，本文在此基础上，面向价格敏感的工业控 制 领 域 ， 研 究 设 计 一 款 基 于 性 能 永 磁 同 步 电 机 交 流 伺 服 控 制 技 术 具 有 较为重要的意义和价值。 电 力 电 子 器 件 的 发 展 ， 式 技 术 的 出 现 以 及 新 型 控 制 理 论 的 应 用 ，国内外研究学者对交流伺服控制系统的研究也是如火如荼，于此期间，伺服控制技术 的发展主要经历了以下几个方面 15。1、变压变频（ 制6际上 是 一种开环控制方法，主要 是 对电机 的 输入 电压和 频率 信号 进行控制。 这种控制方式是用电源频率来控制电动机的转速，由于转子速度和励磁电流产生的旋转磁场速度大小相等，不存在转差的，无需转速补偿，简单易行。 但 是 ， 变压变频控制也存在其致命的缺点，如开环控制没有速度、电流和位置等反馈信号，容易使系统产生较大的误差，在负载突变的情况下，系统稳定性较差，因此采用变压变 频控制的交流伺服系统极大地受到了应用的限制，一般情况下只适用于风机、泵类等 实时性和精确性要求较低的场合。 2、矢量控制（ 78矢量控制的实质是坐标变换，在产生相等旋转磁动势的基础上，首先将定子三相静止坐标系上的交流电流 再通过同步旋转 其中电流 量控制的出现实现了交流伺服电机的完全解耦控制，使交流电机 具有和直流电机一样优良的调速特性，这在理论上实现了控制技术的重大突破并且被 视 为交流 伺服 调速控制理论第 一 次质的飞跃 。 矢量控制技术出现以 后 ，很快被成功 的应用 到了 永磁 同步 感应 电 动 机上 ，但是 矢量控制也存在一定的劣势，其控制特性对电机参数依赖性较强、坐标转换过程中计算量大。 3、直接转矩控制（ 91011直接转矩控制 技术 是 1985年德国鲁尔大学 的 对瞬时 空间 转差理论的研究 过程中提出来的，之后日本学者也对其进行了深入的研究，使该技术得到了广泛的推广，直接转矩控制的提出可谓是交流伺服系统调速控制理论的第二次质 的飞跃 。 与 矢量控制不同 之处的是 ， 直接转矩控制 对转速和磁链采用分开控制的方式 ，转速环的输出信号用来作为内环电磁转矩环的给定信号，这样设计的优点是可以减小 并抑制磁链变化对转速产生的影响，这也近似的实现了转速和磁链的解耦控制，从而 很方便的实现了圆形旋转磁场的控制，而且也避免了将定子电流分解成为产生转矩和产生磁链分量，摒弃了矢量控制中的坐标旋转变换和电流控制，大大地简化了控制器 的系统结构。为了避免转子参数对电机磁链模型的影响，提高系统控制的稳定性和精 确性，直接转矩控制采用定子磁链作为直接转矩控制的被控量。虽然直接转矩具有如 上所示的这些特点，但是直接转矩控制的交流电机也存在着其无法避免的缺点，比如 电机低速运行时电机参数变化对转矩和磁链的影响较大，使调速系统的调速范围明显变窄，稳态运行时电流、磁链和转矩的脉动比较大，系统的稳定性较差。因此，直接 转矩控制技术还需不断地改进。 4、无传感控制技术 1213近年来无传感器控制技术的出现，解决了电机机械传感给系统带来的测量误差，使系统具有较好的控制精度。由于高精度传感器的安装，增加了系统的维护要求，对环境的适应能力变差，因此，无传感器控制技术的研究是一种必然的发展趋势。 无传感器控制技术 是指在没有转子转速或者位置传感器的情况下，得到系统当前运行时的准确转速和位置信号，该技术主要是通过检测电机定子三相电流来估算电机的实际转 速和位置信号，这也是无传感器控制技术的关键和难点之处。 目前常用的一些转速估算 方法有 ： 卡尔曼滤波器法 、 全阶状态观测器法 、 模型参考自适应 (计法和滑模观测器法。其中 ， 全阶状态观测器法与模型参考自适应虽然在理论上不存在太大的问题，但是计算量较大，方法比较复杂，并且参数整定比较困难，实现起来 有一定的难度 。 卡尔曼滤波 还可以称为卡尔曼算法，它具有一整套完善的递推算法，通过对系统1绪论4变量的实时估算来及时处理系统出现的问题，这种方法只需存储系统当前的观测到的 数据，而不去保存之前的数据，因此节约了控制系统的资源和空间。采用卡尔曼滤波 的缺点是受电机其他参数的影响使得系统噪声级别和卡尔曼滤波增益很难达到精确地 估算，以至于系统的控制精度得不到保证，而且该方法的计算量较大。 2005年 便得到了人们的广泛重视和深入研究18。 滑模 变结构 观测器 顾名思义就是 系统的 “结构 ”可以变化，稳定状态下系统运行在一条预定的 “滑动模态 ”状态 轨迹 上，在受到外界的干扰或突加负载的情况下，系统会按照预期的轨迹进行迅速的调整，以达到完全自适应的目的。 分分析了交流永磁同步电机伺服 控制系统，设计了基于 磁同步电机电流和转速双闭环控制系统，采用 在 im 并对其进行了分析和总结，最后完成了课题系统的调试和验证。论文的章节内容安排 如下：第一章介绍了课题选题的研究背景和实际意义，对国内外交流伺服控制技术的发展现状和动态做出了简要介绍。 第二章针对矢量控制和空间矢量脉宽调制技术做了详细的介绍和分析，重点讲解了坐标变换和两种控制技术的实现过程。 第三章针对永磁同步电机的系统硬件电路进行了模块化设计，主要介绍了功率驱动板、控制板外围电路、检测单元电路以及开关电源的设计。 第 四 章 为 系 统 软 件 的 整 体 设 计 ， 首 先 介 绍 了 系 统 主 控 芯 片 能 ， 再 从主程序和中断服务子程序出发，给出了矢量控制和脉宽调制技术的软件实现过程，最 后对电流环和速度环进行 五章系统仿真和实验验证，在 im 并对仿真结果图进行了分析和总结 。 展开了坐标变化和空间矢量脉宽调制的模块组成 ，重点分析了电流环两种控制方法的优缺点。最后对系统实验平台进行调试，验证了控 制系统设计的合理性。 最后，对全文的内容进行了简要的归纳，并对下一步要实现的内容做出了规划。2电设备、交通运输、以及航空航天等领域，交流伺服控制技术得到了极大地发展和应用。本章在对交流伺服电机结构和数学模型有了充分的了解和 认识以后，采用矢量控制技术和空间矢量脉宽调制技术，来解决交流电机非线性、强耦合的难点，使得交流电机具有和直流电机的相媲美的动态特性。 者不同的是绕线式转子采用电励磁形式，而永磁同步电机的转子采用永磁体，相对于绕线式电机省去了一些容易产生系统误差的部件，如电刷和滑环，这使得永磁同步电机的结构简单，控制方便。同时 由于永磁同步电机的定子电流与绕线式同步电机的结构基本相同 ， 输 入为对称交流电 ，故称为交流永磁同步电机 1920。永磁同步电机由定子和转子两部分组成 ， 定子主要包括电枢铁心和三相 （ 或多相 ）对称电枢绕阻，绕阻嵌套在铁心的槽内；转子主要由永磁体、导磁轭和转轴构成，如图 2磁体贴在导磁轭上，导磁轭为圆筒形，套在转轴上；当转子的直径较小时，可以直接把永磁体贴在导磁轴上。转子同轴连接有位置、速度传感器，用于检 测转子磁极相对于定子绕阻的相对位置以及转子转速。图 2同 步电 机的 结构 图永磁同步电机根据电机具体结构、驱动电流波形和控制方式的不同，可分为方波电流驱动的永磁同步电机 (称 正弦波电流驱动的永磁同步电机 （ 称 。 与 具有结构简单和功率密度较高的特点 ， 但是由于 反电势的波形可以看作为为梯形，从而就会造成电磁 转矩的脉动较大的情况出现 ， 运行的情况没有 因此在对伺服控制系统要求比较严格的场合大多数都是采用的 文的研究对象均为 同的结 构 会 导 致 运 行 特 性 和 控 制 方 式 的 不 相 同 。 依 据 永 磁 体 在 转 子 上 的 不 同 安 装 位 置 ，入式和内埋式三种类型。它们的结构图如图 2a)表 装式 (b)嵌 入式 (c)内 埋式图 2结 的 电 励 磁 同 步 电 机 的 定 子 有 A、 B、 绕 组 ， 永 磁 同 步 电 机 定 子 的 结 构也是和普通电励磁同步电机的定子一样。定子的结构是一样的，如果产生的感应电动 势与普通的励磁电机产生的感应电动势一样都是正弦波，那么其数学模型就和普通励 磁电机基本相同。 永磁同步电动机的电磁关系非常的复杂，这是由于其是一个强耦合、多输入、非线性的系统造成的。 为简化分析，现作出如下假设：1)忽略铁心饱和效应；2)气隙磁场的分布是呈现正弦装；3)忽略电机的涡流和磁滞损耗；4)转子采用永磁体无阻尼绕组的作用。而实现解耦控制。坐标变换的原则是：尽管在坐标不同的情况下所产生的磁动 势也要完全相同。 两相变换（ ， 是三相静止坐标系到两相静止坐标系的变换 ， 如图 2，定子静止直角坐标系即 、 坐 标系。其中 轴 是与三相坐标系中的 一致重 合 的 ， 轴 与 轴 之 间 相 差 90 ， 轴 超 前 轴 。 假 如 三 相 绕 阻 的 每 相 有 效 匝 数 都 是二相相绕阻的每相有效匝数都是 其中 ， 各相磁动势都是有效匝数乘以电流 ，空间矢量都是在相关相的坐标轴上。2变 换空 间矢 量图假设绕组产生的磁动势波形是按照正弦规律分布的，并且当三相绕组与两相绕组产生的总磁动势大小相等时，两套绕阻产生的瞬时磁动势在 、 轴上的分量也相等 ，所以有：)(23602121(60332 33332 = =转换为矩阵形式，得32 111223 302 2 ii = （ 2变换前后总磁动势不变的前提下可以得到，电流转换匝数比为：32 23N= （ 2入式（ 2，得 11122233 302 2ii = （ 2相静止坐标系变换到两相静止坐标系的变换矩阵用 3/2表示为：3/2 11122233 302 2C = （ 2化矩阵 的逆矩阵 为：2/3 1 02 31223 312 2C = （ 2 本 文 三 相 绕 阻 是 采 用 接 不 带 零 线 ， 因 此 有 0=+或 者=。代入式（ 2式（ 2整理得： 302112 = (2031162AB ii = (2据以上的变换公式可以证明，电流的变换矩阵等同于电压和磁链的转换矩阵。 两相旋转变换（ 了实现交流电机等效直流电机的控制特性 ， 还需进行 即从两相静止坐 标系 、 转 换为两相旋转坐标系 d、 换， 简 称 2s/2，其中 s和 表示静止和旋转坐标系。如图 2将静止坐标系和旋转坐标系画在一个坐标系中 ， 其 中 相 交 流 电 流 ， 效 的 两 相 直 流 电 流 ， 这 两 个 坐 标 系 中 的电流产生相等的 合成磁动势 1旋转。由于磁动势是绕组匝数和电流的乘积，而各绕阻的匝数均相等，因此可用电流 S。q 1(FS)id 空 间矢 量图图 2 示 ， 矢 量 在 的 分 量 旋 转 坐 标 的 转 动 保 持不 变，而和静止坐标系 轴 具有随时间变化的 夹 度，因此转速以 1旋 转时，合成电流在 轴上的分量也在不停的变化 ， 每一时刻的采样到的分量值都为交流电流的瞬时值。由图可见， 轴和 qd =转换为矩阵形式，得2/2qi i = = （ 2 = （ 2旋转坐标系 d、 、 的变换矩阵。对式（ 2逆矩阵，可得两相静止坐标系到 、 两相旋转坐标系 d、 为： 2/2 = （ 2上的推导过程同样可应用于电压和磁链的矩阵变换。 同 步 电 机 的 三 相 坐 标 系 数 学 模 型 经 过 坐 标 变 换 到 两 相 坐 标 系 上 ，因为两相的坐标轴是垂直的关系，两相绕阻互相之间没有磁的耦合，因此使得交流电 机的数学模型大大简化。两相坐标系可以是静止的也可以是旋转的，其中以任意转速 旋转的坐标系为最一般的情况，所以分析讨论两相旋转坐标系 以 通 过 先 将 方 程 中 定 子 与 转 子 的 电 流 、 电 压 、 转 矩 和 磁 链 利 用 都 转换到 轴上，再经过 压和转矩以及磁链方程转化到两相旋转坐标系中。以下为永磁同步电 机数学模型的分析过程，图 2 2图由图 2000 000a a a ab b b bc cc i i = + （ 2 式 中 ， 为 三 相 定 子 绕 阻 上 的 电 压 ； 别 三 相 定 子绕 阻 上 的 电 流 ； a、 b、 为 三 相 定 子 绕 阻 上 的 磁 链 ； Ra=b= 别 为三相定子绕阻上的电阻； 相定子电流产生的旋转磁场可用两相旋转坐标系来等效，从定子三相到两相旋转坐标系的矩阵如式（ 2。2 2)2 3 32 233 3ad bq ii + =+ （ 2是可以得到 =+ （ 2中定子磁链为：dd = （ 2 （ 2中 ， 为 等 效 的 定 子 直 轴 电 感 和 交 轴 电 感 ； r、 为转子永磁体产生的电角速度和磁链（其中 ； 电流和磁链 ； 电流和磁链 ； 理式（ 2和式（ 2 ( )d q rd =+ （ 23 3( ) ( )2 2e i = = （ 2 （ 2 （ 2中 ， 粘滞系数； 972年西门子公司提出的 。 矢量控制算法的提出对电机的控制理论实现了一次质的飞跃。它解决了交流伺服电机的一系列难题，以前 交流伺服电机的复杂的调速问题也得以解决，使得交流伺服电机控制迎来了春天，可 以像控制直流电机一样简单可行，并且该控制算法的优异表现可以使得交流和直流电 机具有相媲美的动态特性，该算法的提出极大地促进了交流伺服电机的广泛应223。矢量控制