毕业论文外文翻译-一个基于微处理器的全数字交流伺服驱动器（含英文翻译）.docx

中北大学2015届毕业设计外文翻译毕业论文英文文献及中文翻译学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015年6月外文文献为PDF格式，下载后双击即可打开另存一个基于微处理器的全数字交流伺服驱动器摘要本文将介绍一种全数字交流传动伺服应用程序。这种程序是基于32位嵌入式处理器(Intel 80960kb)。由于其高性能, 在硬件传输到软件上的功能，硬件已经被部分软件取代了，这样导致其变成一个紧凑和灵活的系统。此外,它将使得现代控制算法更加容易实现。在这个实现中,一个变量伺服控制器与快速反应电流矢量控制器结构已经被设计成软件。实验结果表明,这种电机驱动具有良好的动态性能。关键词:微处理器;交流伺服驱动器;永磁同步电动机1.介绍数字控制器的实现是今年来马达驱动行业的趋势。这将允许软件传输拥有尽可能多的功能,从而减少单位材料成本。它将使得装置变得高精确度,卑职简单,系统可靠性提高。自我诊断可以一并详细地检查错误。此外,如电动机参数监测值数学模型也将成为可能。数字系统的灵活性也使得它适合使用在各种各样的驱动器类型,从而大幅减少硬件的开发和工业转化过程。高性能驱动器,比如如图1所示已广泛采用的级联回路配置。图1 级联回路配置一般来说,电机是由内部电流环的参考转矩外速度环来提供的。反过来,速度回路可能获得外层位置环的反馈。控制器通常使用比例积分(PI算法来实现控制。在级联驱动循环的实现中,转矩控制循环是最重要和最基本的构建块。由于外层循环约束比内循环反应更慢,驱动器的动态性能高依赖于电流控制环的速度与精度。早些时候人们尝试将数字控制电机驱动器都集中在外层循环(位置和速度),而内部电流环是用模拟电路实现。更复杂的控制很难实现，与此同时完整的软件实现充分地覆盖所需的处理器速度的动态范围。近年来微处理器和数字信号处理器技术已经取得了巨大进步。在本文中,我们将演示由高性能微处理器控制的数字交流伺服驱动器。这样的设计利用处理器的功能和实现的所有控制循环(电流、速度和位置)的软件。这就能够实现一个简单的硬件设置和非常灵活的驱动2.交流伺服电机永磁同步电动机是一种经典的同步电动机,在转子使用的是永久磁铁而不是磁场绕组。它有相似与于正弦分布的定子绕组以及与多相交流感应电动机类似。在经典直流电机中,电刷和换向器作为一组机械开关来改变电流的方向。然而在永磁同步电动机,这些功能已经被半导体开关取代了。这种开关-晶体管开关必须在正确的时刻扭转电枢线圈的电流使得磁场两极旋转。因此,光编码器或一种解析器需要呈现转子的位置,与此同时以便激发转子同步频率和瞬时位置，这就是所谓的电子换向。永磁同步电动机具有高转矩惯量比、高转矩能力和紧凑结构。此外在电机维护方面，它没有普通传统直流电机的电刷和换向器的要求。3.控制原理在使用级联配置时，系统分为快速子系统和慢速子系统 ，如图2所示。图2 系统图快速子系统执行当前的控制功能以及电子换向，慢速子系统执行伺服算法。3.1 快速子系统为了实现高性能,使用所谓的电流矢量控制方法。相电流(ia,ib,ic,)首先利用广义逆矩阵转换成一个正交矩阵电流。那么正交电流,直流电流和正交电流id可以求得，如下:其中是转子位置电气单元。计算结果通过简化广义逆矩阵而得在这个设计中使用的永磁同步电动机,发达扭矩仅依赖于正交电流iq， i.e。Te = KtiqKt是转矩常数。当直流电流id不依赖与转矩时,其引用是设置为0以实现最大转矩/安培赖斯,。Iq的设定引用外部伺服回路的慢子系统基于当前所需引用和实际电机正交轴电流,两个PI控制器的误差信号放大。的输出控制器转换成正交矩阵时之前被用于控制逆变器。3.2 慢速子系统慢子系统的研究方法是所谓的伺服系统可变结构控制方法。这种方法的核心思想是利用高速开关控制律驱动装置的状态轨迹到被选择的表面,和维护状态轨迹任何时刻都在这个表面上。那么系统在滑模,据说这是一个特殊的VSS的属性。该方法具有快速、精确位置跟踪响应灵敏度较低的参数偏差和负载转矩变化。位置控制系统,开关表面通常设计为位置误差和速度误差的线性函数。在本文中,动力学电流环应该列入考虑范围，S=ClZl+C2Z2+Z3 当：*m, m日分别为引用和实际电机机械位置，m是电机速度。Cl和C2为常量值的设计参数。变结构控制器的输出信号给快速的电流参考电流控制器子系统。下面的控制律已经使用在此系统中,当 在这里,f1,f2反馈收益和采取不同的值取决于开关表面的极性和状态变量(z,!z2)。输出函数的上学期包括消除负载转矩的变化。d的值,!3,y和p被选中,这样他们满足滑模存在条件。阿,在本实验装置,d / Y,Y和p选为1.5,70年,50,分别为1和2。当电机在运动,我们有 D是粘滞摩擦系数,J的总转动惯量电动机负载系统称为电机轴和T,负载转矩。在S = 0的条件下,即在滑动模式下,我们可以得到以下基于方程式。(3)和(5)TL = 0, (6)给出了闭环伺服系统的动力学。它是一个二阶系统具有以下特征根,cl和c2的选择将影响的稳定性、响应时间和阻尼系数。此外,遵循条件必须满足系统,不允许过度。在这个设计中,批判性阻尼系统被认为是c,和c2分别选为89.31和0.88。4.硬件设计实验的设置驱动图2所示。它由一个商用2.2千瓦的永磁同步电动机位置传感器安装在转子轴，一个32位微处理器(Intel 80960)被用来实现控制功能的控制回路。基于位置和电流测量,微处理器决定所需的控制信号。然后将这些控制信号输出到数字PWM电路生成MOSFET逆变器的开关信号。交叉保护电路被用来提供一个5s的互锁，与此同时用来为了防止互补场效。41 微处理器系统系统使用一个QT960F20评价和原始类型。它由英特尔80960 kb的32位嵌入式处理器,运行速度为20 MHz。处理器有一个内置的数字协处理器除了核心架构。它包含一个32优先级、248矢量处理中断的中断控制器片上。50纳米的处理器有一个指令周期时间,第二个20 MHz。核心指令通常执行在一个周期时间。QT960F20板包括一个Intel 82380集成系统外围集成电路。这个电路板包含四个16位(8254)兼容的)计数器/定时器,20来源(15五个内部、外部)计划马布尔中断控制器(PIC),可编程的等待状态生成器和八通道DMA控制器。在这个实现中,这个设计充分利用可用硬件。系统使用四个可用定时器和两个图片的两个中断源从82380年时间的目的。定时器3是用于当前的控制回路。它被配置为每200s生成一个IRQO的单片机。定时器2是用于时间伺服回路使用终端请求#2毫秒间隔打断。4.2QT960 I / O接口电路板提供了一个绕接成型区域，实现一个灵活的系统,三个82 C55A用于与外围接口连接而不是专用I / O锁存和缓冲区，图3显示了连接图。部分通过减少74F138用于硬件解码。每个输出译码器指定了一个4 k的地址范围。USOSEL信号解码提供了这个范围的别针QT960董事会的股份。车手#和CPUW / R #微处理器用于信号分别与质子泵抑制剂的读写操作。图3 QT960F20单板微控制器系统4.3 MOSFET逆变器该逆变器由一个三相逆变器驱动的。逆变器由六场效电晶体(摩托罗拉MTM 15N50)为15A 500v。晶体管门是由PWM电路通过光耦合器数字脉冲产生的。4.4 数字PWM电路 PWM电路使用传统斜坡三角比较调制器。在这种方法中,一个高频载波坡道采样信号比较直接与所需的调制波来确定切换瞬间,因而合成脉冲宽度。这个方法很简单,在许多应用程序中使用。与传统方法采用模拟电路,实现使用一个数字方案来产生9.8 kHz的PWM信号的频率。如图4所示,PWM电路包括三个方法(Intel 5AC312),10位数字计数器(74 HC4040)和一个时钟发生器电路(ICM7209)。每个可编程逻辑控件集成10bit门闩和10比较器。方法比较的数据输入微处理器和计数器。通过不同锁存数据,输出脉冲的宽度可以调制驱动逆变器。除了减少组件数量,提高可靠性和系统灵活性,这种方法是完全数字与数字的传输。4.5 位置检测转子的位置需要控制电动机。在这个系统中,一个10bit绝对光学编码器(Heidenhain ROC 410)已被使用。相比纯二进制代码,格雷码的优点是“单一”,即只有一个二进制位置变化连续数字。编码器数据处理器兼容(即三州的TTL信号)。它提供了两个控制信号,使数据从1到8日和9日至10日。确保有效数据锁定,启用了编码器每次阅读前的位置。4.6 电流测量电动机阶段检测到并联电阻电流,然后由放大器隔离放大(Analogue Devices AD289K)。因为电动机定子绕组连接,只有两相流测量是必要的。第三阶段电流可以计算为消极的其他两个阶段电流之和。同时,确保电流取样,使用两个示例并保持电路。检测到的信号是由反锯齿过滤器过滤之前读的微处理器通过10bits 模数转换器。检测到当前的分辨率19.5 MA。 4.7信号的实时监测两个12位数模转换器(AD7545)电路已建成以显示计算信号实时示波器上的微处理器。这是用于捕获各种实时波形如电动机正交轴电流,电机转矩,估计瞬时速度等操作期间,数字代码所需的模拟电压输出数据由D0到Dl通过8255I / O接口。这些数据由通脉通过每个数模转换器芯片选择和选通。这将导致数据锁定到数模转换器。5.软件设计本节描述的软件驻留在EPROM QT960董事会执行各种任务。这个项目由一个系统级的任务和两个控制任务。系统初始化后,系统级任务进入循环等待中断和用户服务调用。控制任务两个中断服务程序:一个是执行当前控制器功能和电子换向,而另一执行伺服算法。此外,用户界面程序也被发达国丽斯之间的通信通过串行连接个人电脑和QT960董事会。程序允许用户设置参考信号和改变控制器实时帕米。C语言中的所有程序编码除了I / O的例程是用80960汇编语言编写内联函数,即这些例程被插入的代码在编译过程中打电话。因为这些I / O例程是短暂的函数,这种方法会导致重要的储蓄函数调用的开销。此外,优化器是免费的优化函数,在上下文与周围的内联代码一次。5.1 系统任务启动后,程序进入系统级。它首先设置处理器优先管理方式。然后生成的查找表所需的电子换向,dq转换,格雷码二进制转换等在线查找表的属,消除了程序代码,也不需要包含巨大的表存储一组固定的EPROM中的表。这给了总灵活性和易用性改变查找表当新的控制算法rithms被认为是。80960年和82380年的图片然后中断初始化。中断被分配给当前循环(快速任务)的优先级高于外部伺服回路(缓慢的任务)。82380年的图片必须被编程,然后当样本间隔,适当的中断向量号发送到80960。快与慢的程序使用了两个计时器任务。数字I / O端口的可编程外围接口(PPI)然后预置初始状态。这是紧随其后的是初始化计时器提供200 ps中断脉冲电流环和2毫秒中断脉冲伺服回路。此后,启用中断,程序进入一个空闲循环等待中断。5.2 快速任务快速调用的任务是定时器中断间隔200 ps。对于每个服务程序,它首先阅读等基本I / O更新在电动机阶段水流和编码器的输出。然后执行dq横过形成使用情商得到正交电流。(1)。基于当前提供的参考慢任务通过全球内存,当前计算错误和放大了PI控制器。离散PI算法可以描述在z域中,当K = Kp + KI和a= KP/K。Kp一对增益KI积分,增益相应的差分方程:ed(n)和eq(n)商数轴当前错误。 vd(n)和vq(n)入轴输出电压分别为n个取样间隔。这些输出信号反向转换来生成三个电压PWM电路。5.3 缓慢任务缓慢的任务运行在2女士中断间隔执行伺服算法。每一次缓慢的任务调用,它读取在目前转子位置,然后估计速度。当机器的轴在运动,通过生成脉冲编码器的位置更新位置信息作为转子的旅行。速度可以通过评估获得的时间导数及功率的。因此,位置编码器通常双打作为一个速度传感器。除了节约成本,低噪音和测速发电机或模拟位置传感器的区别。对于实验,以下已经找到足够的离散算法,速度n个取样间隔和T,采样周期的伺服控制器。估计的速度是由离散的低通滤波器,滤过Wf为过滤速度。现在和以前的位置,速度和q-axis电流,开关表面可以确定基于Eq。(3)。适当的状态反馈收益可以决定根据开关表面的极性和位置和速度误差信号的Eq。(4)。快速的合成信号成为当前命令的任务。6.样品的实验结果所选定的几个结果,进行实时实验,由所示来演示其性能。两组的阶跃响应测试的位置参考弧度在空载和1额定转矩负载条件下进行。结果以错误的形式显示并在图5，图6中展示出来。参考信号大约100ms。这是预期的伺服控制器设计有一个临界阻尼响应。此外,在这两种情况下的响应是类似于结构控制器。这表明伺服控制器与负载变化具有很好的鲁棒性。相应的速度响