（机械电子工程专业论文）基于dsp的直流伺服位置控制系统的研究.pdf

摘要无刷直流电机具有质量轻、寿命长、转矩大及磁链耦合小等优点，在工业生产及日常生活中得到了越来越广泛的应用。为满足现在对永磁无刷直流伺服系统高精度位置控制的要求，本文主要研究并开发了基于d s p 的永磁无刷直流电机伺服控制系统。本文首先阐述了无刷直流电机的原理，推导了无刷直流电机的数学模型，基于此设计了位置控制算法，然后建立了m 觚。a b 仿真模型，通过对不同控制算法进行仿真说明了本文提出了单神经元p d 加干扰观测器的控制算法的优点构造了基于数字信号处理器( d s p ) 的无刷直流电机硬件平台首先设计了硬件平台的总体方案，然后对控制器的控制电路、光电隔离电路、功放电路、电流检测电路及位置检测电路进行了比较详细的说明在c c s 环境下利用c 语言对系统编写了软件根据采样周期的选择原则选用了合适的采样频率，然后设计了基于经典p d 算法的电流环和速率环以及单神经元p d 和干扰观测器的控制软件由于选用的d s p 为定点c p u( 1 m s 3 2 0 u 2 4 0 7 a ) ，针对2 4 0 7 选用了q 格式对数值进行表示，保证了运算的快速性和数据的精度最后利用该控制平台在一台3 对极、l o o w 的永磁无刷直流电机上进行了实验，实验结果证实了该算法相对于经典p d 算法的优越性，也说明了该控制系统的可靠性。关键词：永磁无刷直流电机、伺服控制系统、d s p 、干扰观测器、定点四ua b s t r a c tb a u 地b f u s h l e s sd cm o t o r i d c d h 舔锄c ha d v a m a g e s 勰l 髓sm 勰s ，l o n g1 i 缸s p a n ，h i 曲t o r q 缸dl c s sm a 印e t i cl i n l ( a g ec o 叩m 嚼i th 够b e a p p l i e dm o ma n dm 帆舶q u 吼t l y i n m 锄y i n d u 确a l 丘e l d s 趾d p e o p l e sd a i l y l i f e t os a t i s 母m ed e m 趾do fh i g h m r y p o s m c o n n o li np e 册柚h n a 髓c tb 删e s s 【) cs e os y s t c 】呜t h i st h e s i sm a i l l l ys t i l d i c d 粕dd c v e l o p c dad s pb 觞e dp e 肌跹咖a g n db r u s h i 髂sd cm 砷吖口m - b l d c h ds e r v oc o n n d ls y s t e m f 咄t l ”删n c i p l eo f b u ) c mw 嬲p r e 鲫哝：d t h em a i h 锄a t i cm o d e l “砌c hw 嬲w h 髓例! t e r 肌i d eo u t 1 1 1 吼m e 锄u l a l i m o d e lw 勰髂t a b h s h e db y 戚n gm 蜘。a bs i i l m i i i 】l 【t o o l s a m o n gt h e 锄u l a ：c i o n d i 饪b 僦tc o m la l g o r i l h m 8 ，t h ea l 酬t h mo fc o m p o m l dc 伪加 0 1 嘣血l gs i n 百en a l 啪b 鲴e dp ) a n dd i s t i l 而锄c e0 _ b s c n ，盯p i d p o s e db yt h i st h e s i sw 勰m o 叫p e r i o r d s pt m s 3 2 0 i j 2 4 0 7 ao f1 极鹤h s 饥吼e n th a db 湖锄p l o y e dt o 粥衄i c tm eh a r d w a p l a t 细mo fb u ) c m ag 锨ls c h 锄eo ft h e 蛐a r ep l a t f o mw 雒d i 刚t h e nt h ec o n t lc i r i m i t ，t h e0 p t o e l 仪灯砌ci s o l 栅c i r c l l i t ，t h ep a w 盯锄p l i 丘盯c i r c u i t ，t l l ed 酏e c 虹o nc i r c l l i to f c l i r m 趾dp o s m o nw e r cs h o w e di nd “1 cw 弱璐c dt ow r i t et h es y s t e mp r o g 眦sb y 璐i i 培t l l ec c ss i m u l i n kt o o l s t h e邳l p 】哪a t cs 锄p l i l l gf e q u c yw 勰l e c t c da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f l o c t i i l gs 姐l p l i n gp c r i o d 弛t h e 脚a r c 矗) rc o n 仃o lw 勰d e s i 印c db 勰c d c l 勰s i cp da l g o r i t l l m 向rc i l r 啪t1 0 0 pm dv e l o c i t yl o o pa n do nc o m p o u n dc o n t m la l g o r i 也m 戚n gs i n g l en e u r 吼b 嬲e dp d 缸dd i s n 曲a 眦eo b s e n ，既b e c a u s e 圮d s p l e c t c dw 硒丘】【c d p o i n tc p i 职m s 3 2 0 【彪4 0 7 a ) ，qf o m i a tw 勰s e l e c t e d 矗) rd a t an o t a t i w h i c he n s u r ct h eh i g h - s p e o do p 啪6 0 n 觚d 瓤期l r a c yo f d a t a f i l l a l 堍t l l ee x p e i i m 蛆t sw e m a d e a1 0 0 wp m - b l d c mw i 也3 啪u p l ep o l e sb y 璐i i l gt h ek 耐w a mp l a t f 0 1 md e s i g n e da b o v e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea 1 鲥t l l mw 勰s u p e r i o rt oc l 勰s i cp da l g o 删m ，趾da l p r o v e dm e l i a b i n t yo f t h i sc o n 昀ls ) ，s 1 - 锄k e ) m r d s ：p m - b l d c m ，s e r 、r oc o m r o ls y s t 锄，d s p ，d i s t u 而锄c eo b s e r v 散e d p o i n tc p u原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名；毕日关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。( 保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：学师签名：1 1 选题的背景及意义第一章绪论一百多年来电机作为一种进行机电能量转换的装置，已在人们的日常生活及国民经济的各个领域得到了广泛的应用。直流电动机是通过控制电流对电磁转矩进行直接而灵活控制的，因此其调速性能好，而且直流电动机具有运行效率高、启动转矩大、过载能力强、动态性能好等优点。但传统的有刷直流电动机由于其本身结构上具有机械电刷及换向器，因此相对的机械摩擦而产生的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等弱点大大限制了其应用范围。1 9 6 2 年凭借霍尔元件实现电子换向的无刷直流电动机的出现，使得直流电动机以新的结构形式迈入了无刷直流电动机的发展阶段无刷直流电动机既具备了直流电动机运行效率高、无励磁损耗及调速性能好等优点，又具备了交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，因此被广泛应用于数控机床，伺服结构，机器人领域等。传统的无刷直流电机多采用专用芯片或者单片机进行控制，受c p u 速度限制，难以实现更为复杂的算法，从而很难提高整个系统的运行性能。进入上世纪9 0 年代以来，随着高性能d s p 芯片的出现，c p u 运算速度大大提高，较为复杂的算法运用成为可能。1 r i 公司推出的i m s 3 2 0 u 7 ：弭o 系列的芯片，更是具有实时的运算能力，并且片内集成了许多电机控制的外围器件，从而有效降低了控制系统的成本【”，非常适用于无刷直流电机的控制。现代工业生产已向柔性制造和可重构造模式发展，对控制系统的性能要求越来越高，要求系统的控制精度高、跟踪速度快，而且要有频繁启动、停止、实时加减速等特性。而不同的控制策略将会直接影响控制效果的好坏。因此，先进控制策略的研究也成为无刷直流电机控制系统设计的一个重要方面。基于此，研究应用d s p 开发的基于先进控制策略的无刷直流电机控制系统进行位置控制，不仅能够满足数控系统或伺服系统低成本的要求，更能实现较好的控制精度和实时性能，具有重要的研究意义和应用价值。当至盔兰鎏圭兰垡笙苎1 2 国内外研究现状1 2 1 无刷直流电机的发展情况1 9 1 7 年，b o l i g c r 提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想【2 1 。二十世纪3 0 年代，人们开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，但还只是处于实验室研究阶段，没有推广使用。1 9 5 5 年，美国d h a r r i s 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。近4 0 多年来，由于电机本体及其相关学科的迅猛发展，“无刷直流电机”的概念已由具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。无刷直流电机真正进入实用阶段是从1 9 7 8 年开始的，当时原西德m a 吧s m a n n 公司的h 血啦i a t 分部在汉诺威贸易博览会上，正式推出m a c 经典无刷直流电机及其驱动器【3 1 。二十世纪8 0 年代在国际上开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机，在l o 多年的时间里，无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展。我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪7 0 年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，有待进一步的研究和开发1 4 】【习。自上世纪末起，逐渐形成b u c m 的研究热潮，针对其存在转矩波动的问题嘲，各国纷纷推出了自己最新科研成果。其中美国的专家研制出一种新型的b l d c m ，其转子跟普通的b u ) c m 一样，而其定子却和普通的有刷直流电机的转子极为相似，并能通过转子位置传感器及逻辑开关电路，使定子绕组依次换向。其优点为大大减少了转矩波动，可在较大范围内自然换向，充分提高了电机体积的利用率。此外还有人利用定子电流谐波最优权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动。英国研究人员研制成功了无齿槽的b u ) c m ，其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率7 1 嘲。21 2 2 控制驱动技术的发展情况无刷直流电机与电力电子技术、数字信号处理技术、自动控制技术等密切相关，其中的一个关键问题是要解决电子换向控制器的设计和实现。电子换向控制器的发展经历了模拟控制电路、模拟数字混合控制电路、专用集成控制电路、微处理器控制电路、数字信号处理器控制电路等阶段。模拟控制系统价格便宜，使用方便，但其器件的老化和温漂问题限制了它的应用最初的数字控制系统以单片机为主要芯片，这种控制器所能实现的控制功能简单，难以满足现在高性能控制场合的要求。以数字信号处理器( d s p ：d i 西t a ls i 盟a 1p r o c 嚣s 凹) 为核心的控制电路代表了无刷直流电机电子换向控制器的发展方向近年来，各种集成化单片d s p 的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好，价格却大幅度降低，从而使得d s p 器件及技术更容易使用，价格也能为广大用户接受针对电机控制所设计的d s p 芯片速度远高于单片机，而且片内集成了p w m 发生器、捕获单元、正交编码单元、数字的及a 仍转换器，简化了电机控制器的设计难度，提高了控制器的性能。电力电子技术和功率半导体器件的发展对无刷直流电机控制技术的发展影响很大。2 0 世纪7 0 年代开始后出现了自关断能力的全控型功率器件，如可关断晶体管( g 1 d ) 、功率晶体管( g t r ) ，这些取代了先前的晶闸管，提高了开关频率、简化了电路结构、提高了系统的效率。其后出现的功率场效应管( m o s n 玎) 、绝缘栅双晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( i g i 阻) ，形成了第三代功率器件。这些新型功率器件可以把工作频率提得更高，效率也更高。现在，以智能功率模块( 口m ) 为主的第四代功率器件将半导体功率器件与驱动电路、逻辑控制电路、检测和诊断电路、保护电路集成在一个芯片上，提高了电路的集成度与可靠性唧所有这些功率器件的发展都促使了无刷直流电机控制技术的发展。1 2 3 伺服控制策略的发展情况伺服系统控制策略一直以来都是数控领域研究的重点，控制策略的应用直接关系到数控机床控制性能的提高，控制算法又是伺服驱动系统的灵魂。对于电机的控制系统，需要进行控制的参数主要有位置、速度、加速度、输山东大学硕士学位论文出力矩等等，而且控制算法种类繁多，传统的控制策略以经典p d 控制为代表，由于其具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，在伺服控制系统中得到了广泛的应用【1o 】。然而经典p d 控制只适合于可以用数学模型精确描述的控制系统，当系统中存在未知或随机变化的动态量时，这种控制方式就不能取得比较好的控制效果，甚至会引起系统的不稳定。而且无刷直流电机是一个非线性强、变量多、强耦合的系统，应用经典p d 难以达到比较高的控制要求。随着控制理论的不断发展，一些先进的控制策略已经应用到直流电机伺服控制系统中，如最优控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制以及滑模变结构控制等等。下面简单介绍几种主要的控制策略。1 、模糊控制模糊控制以模糊集合论为基础，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言来实现。其实现得基本原理图如图1 - 1 所示i 一一一一磊而一一一一一i图1 1 模糊控制基本原理它不依赖于被控对象的精确数学模型，对系统动态响应有较好的鲁棒性，但难以消除调节末了时系统的稳态误差。因而经常是将模糊控制与p m 相结合来对系统进行控制。2 、自适应控制自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，通过自适应算法调节其中变量，使模型更趋完善。其原理图如图1 - 2 所示。4图1 2 自适应控制系统原理图现在应用于电机控制的自适应方法有模型参考自适应、自校正控制及新发展的各种非线性自适应控制【1 然而自适应控制也存在一定的弊端，如：数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂；辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，会因为来不及校正而难以产生很好的效果3 、滑模变结构控制滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，其基本思想是组织几个调节器结构，在控制过程中进行切换，以最大限度地利用每一个结构良好性能1 2 】。其特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目的的使系统沿设计好的“滑模”轨迹运动在过去的1 0 多年中，将滑模变结构控制应用于交流伺服一直是国内外学者的研究热点，并取得了一些有效的成果1 3 】【1 4 】【1 5 阍。滑模变结构控制的缺点是：在本质上的不连续开关特性使系统存在“抖振”问题。主要原因是：系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测的误差；另外对于计算机的采样系统，当采样时间较长时，形成“准滑模”等。所以，在实际系统中抖振必定存在而且无法消除，这就限制了它的应用。4 、神经网络控制神经网络控制具有以下特点：( 1 ) 能充分逼近任意复杂的非线性关系，以形成非线性动力学系统，来表示被控对象的模型或控制器的模型；( 2 ) 具有自学习能力和自适应能力；( 3 ) 具有容错性和鲁棒性；因此神经网络经常用于电机参数的在线辨识、跟踪、并对磁通及转速进行自适应调整，而且结合p d 可用于设计神经网络p d 控制器。当丕丕誊至圭兰垡丝銮1 3 论文主要研究内容本文的研究内容是设计并实现一个基于d s p 的无刷直流电机的位置控制系统，及位置控制算法。研究主要包括以下几个方面：1 、首先分析了无刷直流电机的基本原理，导出其等效电路图和数学模型，研究了永磁三相无刷直流电机的工作原理、驱动方式及控制方法。2 、利用m a = n a b 对基于经典p d 和基于单神经元的p d 控制算法分别进行了软件仿真，并对加入干扰观测器前后的仿真结果进行了比较。3 、设计了针对三相无刷直流电机的控制器，对硬件系统的各个模块进行了详细的分析与说明，并对软件控制算法进行编程，设计了系统的控制软件。4 、利用v c h 设计了上位机监控系统，对电机的参数进行在线调试，对控制结果进行观察。5 、对设计的软硬件系统进行调试，通过实验结果调节系统参数，最终达到了比较好的控制效果。6笙：量歪型量鎏皇垫塑箜笙塑：星翌墨茎主篓至第二章无刷直流电动机的结构、原理及数学模型2 1 引言无刷直流电动机广泛应用于工业、民用等各个领域“刀，对无刷直流电机进行精确的控制具有重要意义。本章主要介绍了无刷直流电机的基本结构，分析了永磁无刷直流电机的运行原理，并建立了无刷直流电动机的数学模型。2 2 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机又名自动控式同步电动机，也可看作是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机，它由电机本体、转子位置传感器和功率电子开关电路3 部分组成。2 2 1 电机本体图2 1 永磁无刷直流电动机构成基本框图电机本体的主要部件有安装电枢绕组的定子和带有永磁极的转子。构成无刷直流电机转子的永久磁钢装在转子上，目前多使用稀土永磁材料，如钕铁硼( n 拉毋) 和衫钻( s 。i c o ) 等。根据转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种。当转子旋转时便产生正弦波和梯形波两种反电动势。一般习惯上将正弦波直流电机称为永磁同步电动机( p m s m ) ，将梯形波直流电机称为无刷直流电动机( b u ) c m ) 本文的研究对象为3 对极的三相无刷直流电动机72 2 2 转子位置传感器转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置，根据工作原理的不同，常见的有磁敏式、电磁式、光电式等1 1 8 】。( 1 ) 电磁式位置传感器电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置的，包括开口变压器、铁磁谐振电路，接近开关电路等多种类型。这种传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单的特点，但体积大，且输出波形为交流，一般需要经过整流、滤波后才可使用。( 2 ) 光电式位置传感器光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部分组成。这类传感器性能稳定，但存在对恶劣环境的适应能力差、输出信号信噪比较低等缺点。( 3 ) 磁敏式位置传感器磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。常见的有霍尔元件、磁敏电阻及磁敏二极管等。一般来说，这类传感器对环境适应能力较强、输出信号沿好、成本较低，但精度比较低。2 2 3 功率电子开关电路功率电子开关电路的作用是将位置传感器检测到的转子位置信号进行处理，按照一定的逻辑输出，触发功率开关。由于电子换向线路的导通次序与转子转角同步，因而起到了机械电刷和换向器的换向作用。功率开关电路可分为桥式和非桥式两种，现在广泛应用的是三相星形全控桥和三相星形半控桥。三相半控电路的特点简单，一个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电1 ，3 的时间，另外2 3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用。在运行过程中转矩的波动较大，所以本文采用的是三相星形全控桥电路，其主电路结构如图2 2 所示。8釜：兰歪型皇鎏皇蛰垫兰笙塑：墨翌墨鍪主茎至+苎逗逗妲7i1逗逗延图2 - 2 三相全控桥电路2 3 无刷直流电动机的工作原理理以下将以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例具体说明其工作原迥9 蓟( a )( b )图2 3 稀土永磁无刷直流电机工作原理示意图当转子位于图2 - 3 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路及功放模块，使绕组a 、b 通电( a 进b 出) ，电枢绕组在空间合成磁势f a ( 如图a 所示) ，此时定转子磁场相互作用，转子顺时针方向转动。而当转子转过6 0 0 电角度，到达图2 - 3 ( b ) 位置时，位置传感器信号发生变化，经控制电路和功放模块，使绕组a 、c 通电( a 进c 出) ，电枢绕组在空间的合成磁势f a 变到图b 所示位置，在定转子磁场相互作用下，转子继续顺时针方向转动。而当转子位置继续变化时，控制电路总能根据位置传感器的信号控制绕组中电流的流向( 即换向) ，在定子电枢中产生磁场，使转子按顺时针方向转动，这就是无刷直流电机的工作原理。9山东大学硕士学位论文当转子转过6 0 0 电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见，电机有6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于旋转1 2 0 0 电角度，每个开关管的导通角为1 2 0 0 。两相导通星形三相六状态无刷直流电动机的三相绕组与开关管导通顺序的关系见表2 1 。表2 1 两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表电角度o o6 0 01 2 0 01 8 0 02 4 0 03 0 0 03 6 0 0aibic导通顺序bcabv llv 2lv 3liv -lv 5llv 6ii由上述无刷直流电机的工作原理可知，转子位置的准确检测对稀土永磁无刷直流电机的控制起着关键作用。电机转子位置信号经逻辑变换后去控制功放模块，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。2 4 无刷直流电动机的数学模型医 = i 三! 臣 + 墨芝冬 s 匿 + 医g 其中“。， 。一电机三相电压( v ) 5l o巳，气，巳一电机定子绕组电动势( v ) ；，每相绕组电流( a ) ；l ，厶，厶三相绕组的自感( h ) ；上曲，k - a 相和b 相绕组的互感( h ) ，其它类推；，咯，一为各相绕组( q ) ，根据假设设= = = r ；感为常数，且有厶= 厶= 丘= 三，k = k = k = k = 瓦= k = m再根据上述假设，定子三相绕组为y 连接，且无中线，则有f + + = o ( 2 2 )且拖+ 帆= 抱( 2 3 )医 = 匿三墨 睦 + r j 膨工 材工互 s 睦 + 兰 g 。正= 【乞屯+ 毛+ 乞】国( 2 5 )e 0斤卧一“躺甘二图2 - 4 梯形图反电动势与方波电流山东大学硕士学位论文两者在相位上应严格对应，见图2 4 所示。由于在任何时刻，定子只有两相导通，则电磁功率可表示为：只= 屯+ 毛+ 巳= 2 岛如( 2 - 6 )所以电磁转矩方程又可表示为：正= 只缈= 2 岛如国( 2 - 7 )运动方程为：b 一电枢相绕组电势( v ) ；互一电磁转矩 m ) ；曰一阻尼系数；j 一电机转动惯量( k g m ? ) ；瓦一乃一日口= ，警= 肋( 2 8 )如一各相电流的稳态值( a ) ；五一负载转矩烈m ) ；国一电机机械角速度( r ，s ) ；现假设各相绕组对称，参数为常数，在a 相和b 相导通时站卸，由于站啊十厶= o ，所以如= 一如，设删= 屯，由公式( 2 - 4 ) 可得：( f ) = e ，( f ) + 旺一肼) 笔笋+ 巳( 2 9 )( f ) = 置，一一肘) 警+ ( 2 1 0 )以上两式相减得：= 2 e w ) + 2 但一肘) 警+ e( 2 - 1 1 )由于研砂= 一姗为逆变器输出电压，e = 钉为平均反电动势，由于反电动势与转速成正比，所以e = 毛一，而电磁转矩与电流的大小成正比，所以死= b 嘲由以上分析可得无刷直流电机的动态特性为：疗o ) ：掣一堡掣o )( 2 1 2 )k e托f 托t将( 2 8 ) 式中的转换成转速抖并进行拉氏变换可以得到等吣m 妒删( 2 1 3 )由e 式变换后可得：苎：要歪型皇鎏皇垫塑盟笙塑：量罂墨鍪主堡型= 惫鲁沼其中g d 2 为转子的飞轮转矩( 历2 ) ，乃缈为电机的负载转矩由( 2 1 1 ) ( 2 1 4 ) 两式经拉氏变换后得到：生盟：j l三q 一层和“丛生：旦l ( j ) 一l o )l j其中瓦= 若为电磁时间常数l = 署壶为机电时间常数刷直流电机的动态结构图为：( 2 1 5 )( 2 1 6 )由于弘c 加无图2 5 无刷直流电机动态结构图根据以上分析，当假设条件成立的情况下，无刷直流电机的数学模型和有刷直流电机的相同2 5 无刷直流电机的调速方式无刷直流电动机反电动势的计算公式为：e2c i 加若考虑线路损耗及电机内部压降，逆变器输出电压有效值为u ，则电机反电动势e 与外加电压相平衡，即c ，：e + 三玑，且三玑：e 加+ 三l 咒，从而得出刀：圭竺1 2 。2 。7 ，其中心为电枢回路等效电阻。由式( 2 1 7 ) 可以知道无刷直流电机的转速关系与直流电机的很相似，而且当气隙分布为方波，电机绕组为整距集中时，无刷直流山东大学硕士学位论文电机的转速关系和直流电机的转速关系相同。通过式( 2 1 7 ) 可知，可以通过调节逆变器输出电压u 来调节电机的转速。目前的调节方式主要有脉冲幅值调制( p a m ) 和脉冲宽度调制( p w m ) 两种。利用p a m 方式可以调节直流母线电压，逆变器开关管只负责电机的换相控制。p w m 方式不调节直流母线电压，逆变器开关管不但负责换相而且调节输送到绕组上的电压有效值。一般来说，当直流母线电压在十几到几十伏时，一般采用p a m调节方式，当直流母线电压为上百伏时，一般采用p w m 调节方式。2 6 本章小结本章简单介绍了稀土永磁无刷直流电机的优越性，说明了其结构和工作原理，并对无刷直流电动机的工作原理及数学模型进行了详细探讨，为后面讨论的控制器设计和系统性能的分析提供了理论依据。1 4笙：茎基鎏旦里至錾垡星堡型星鎏墼2 耋3 1 引言第三章直流伺服系统位置控制算法的研究本章主要研究了直流伺服系统的位置控制算法。首先介绍了经典p d 算法，阐述了经典p d 算法的缺陷。考虑到既要克服经典p d 算法的参数的不易调整，又要另算法简单、容易实现，选择了单神经元p d 算法。由于要保证整个伺服系统的位置精度，在电机三环控制的基础上研究了干扰观测器，通过对位置的采样推测出等效干扰，在速率环上引入等效的补偿，实现对干扰的补偿。3 2 经典p i d 算法概述p d 控制器是一种线性控制器，模拟p d 控制率为：伽( f ) + 砉卜( f ) 舢掣p d 算法的输入e ，彻渺是给定值砌f j ! j 与实际输出值删俐的差。算法各个环节的作用分别为刚：( 1 ) 比例环节成比例的反应控制系统的偏差信号们1 d ，阳，一旦出现偏差，控制器立即产生控制作用来消除偏差。( 2 ) 积分环节积分作用的主要目的是消除静差，提高系统的无差度。( 3 ) 微分环节微分作用主要反映偏差信号的变化趋势，在偏差信号变的太大之前，给系统引入一个有效的早期修正信号，从而可以加快系统的响应速度，减少调节时间。p d控制系统的原理框图如图3 1 所示图3 1p d 控制系统原理框图数字p d 算法又包括位置式p d 控制算法和增量式p d 控制算法。将模拟p d以一阶后向差分近似代替微分可得离散p d 的表达式，即离散位置式p d 表达式：下t甲“ ) 2 ( e 舢r 传) + 专善8 ，m u ) + 等( e ，7 _ d ，。( 七) 一e ，聊 一1 ) ) )1 ij - i其中：r 为采样周期，七为采样序列号，们钾内和们口r 限砂分别为第限砂和第j 时刻所得的偏差信号。对上式由递推原理得：下卜l甲“ 一1 ) = 七p ( p 肿r 一1 ) + 争e ，阳，u ) + 等。珊r 一1 ) 一e ，d r 一2 ) ) )可得增量式p d 算法为：“( 七) = 七。( 臼7 1 d ，( 七一1 ) + 屯a r ，d r ( 七) + 七一0 m ( j ) 一2 翻御( 七一1 ) + 翻御( 七一2 ) ”其中南为吾，幻为争由于p d 算法简便、易于实现，现在仍然广泛用于伺服控制系统中。然而现在工业生产过程的对象都具有非线性、时变和分布系统的特征，被控对象的数学模型不管是假设推导的还是由系统辨识所得的，适用范围都有限，而且对象越复杂，越是难得到它的精确数学模型。p d 算法是依靠数学模型来调整参数的，这样越来越难适应现在的伺服控制系统。3 3 基于神经网络的p i d 算法设计3 3 1 人工神经网络的特点神经网络作为一种新的方法，具有以下几个主要特点【2 l 】【2 。( 1 ) 并行结构和并行处理1 6第3 章直流伺服系统位置控制算法的研究它采用并行分布处理结构，使其既能进行快速的大量运算，又具有很强的容错能力。( 2 ) 自学习和自适应特性根据输入的数据，通过学习和训练找出输入和输出之间的内在联系，从而求得问题的解决办法，而且神经元之间的连接具有多样性，使得神经网络可以通过学习与训练进行自组织，以适应不同信息处理的要求。( 3 ) 泛化能力能够处理那些带有噪声或不完全的数据，从而显示了很好的容错能力。( 4 ) 适用于多变量系统神经网络可多输入多输出的自然结构为其处理多变量问题提供了方便3 3 2 神经元模型图3 - 2 单神经元模型如图3 2 为单神经元模型示意图，对于神经网络中的第j 个神经元，柳、勋、而是神经元接收到的信息，、h 垤、w h 为联接强度。利用某种运算把输入信号的作用结合起来，得出总的效果。只为第f 神经元的域值神经元l 的输出弘是其当前状态的函数g ( ) ，称之为活化函数上述模型的数学表达式为：栉= 乃一岛，乃= g ( 栉甜f )一般来说应用于控制中的神经元所采用的活化函数有三种：简单线性函数、硬限幅函数、s i 舯o i d 函数。1 7山东大学硕士学位论文3 3 3 神经网络的学习规则学习规则是修正神经元之间连接强度或加权系数的算法，使获得的知识结构适应周围环境的变化。常用的三种学习规则有：( 1 ) 无监督的h e b b 学习规则如果有两个神经元同时兴奋，它们之间的连接强度的增强与它们的激励的乘积成正比。其表达式为：a 峋= 鸺( i ) 乃仉为单元f 的激活值，9 为单元_ ，的激活值，坳为单元j 到单元f 的连接系数，7 为学习速率。( 2 ) 有监督的仃学习规则在h e b b 学习规则中引入教师信号，其表达式为：w 0 ( 七) = ，7 【西 ) 一q ( 】q ( _ j )( 3 ) 有监督的h e b b 学习规则将无监督的h c b b 学习规则和有监督的口学习规则结合起来，可以组成有监督的h e b b 学习规则，其表达式为：a 峋( 后) = 巩哦 ) 一q ( 后) 】d ( 乃 )3 3 4 单神经元自适应控制算法图3 3 为单神经元自适应p d 算法结构图。图3 3 单神经元白适应p d 算法结构图单神经元作为神经网络基本单元，也具有自学习和自适应能力，它的结构简单、第3 章直流伺服系统位置控制算法的研究易于计算，再结合p d 结构简单、调整方便的特点，可以形成单神经元自适应控制器，也可以克服经典p d 控制器不能在线调整参数、对时变系统无法有效控制的不足，同时单神经元也克服了神经网络运算复杂、不适合实时控制的缺点本文采用的单神经元自适应算法为：3“( 七) = “伪一1 ) + 置m ( 七k ( 七)mw ，( 七) = 一( 七) h ( 七) lj - lm ( 七) = m ( 七一1 ) + ，7 i z ( _ j ) 甜( 幼( “七) + “| ) )( _ i ) = w 2 传一1 ) + 仉z ( 七) ( 坝e ( 七) + 缸( _ j ) )嵋( 七) = 嵋o 1 ) + 钆z ( 七m ( | ) ( p ( 七) + 缸( 七) )其中：姒七) = d 七) 一p ( 七一1 ) ，z ( 七) = 口 ) ，巩、仇、巩为比例、积分和微分的学习速率，足为神经元的比例系数。3 4 干扰观测器的设计3 4 1 千扰观测器的原理干扰观测器的目的是将外部力矩干扰机模型变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端。在控制中引入等效的补偿，实现对于扰的完全抑制。图3 4 干扰观测器结构图由上图的干扰观测器的结构图，g 为被控对象的传递函数，j 为等效干扰，山东大学硕士学位论文0 为观测的干扰，“为输入量。所以等效干扰d 的估计值0 为：d = ( e + d ) g p ( s ) g ，叫( j ) 一p = d在实际系统中，g 阿的相对阶不为零，其逆在物理上不可实现，因而对象q 倒的精确数学模型无法得到，而且实际系统中存在测量噪声的影响，该方法的控制性能也会受到影响。因此我们在0 后面串入低通滤波器q 向，用名义模型g 似的逆g 。俐代替g p 御，以下为改进的干扰观测器的原理图。图3 5 改进的干扰观钡0 器原理框图控制器的输出为：“= c 一0 ，+ d ，其中，口为p d 控制器的输出，五，为干扰d 的估计值。按照上图可得：妒器= 丽啪，= 器= 焉案黼咖器= 丽老当低通滤波器q 例频带正厂时，q “1 ，g c y * q o ) ，g 。，* o ，g y * 1 。当， 正时，q * o ，0 ) 一g p 0 ) ，g d r 0 ) * g ，o ) ，o ) * oa 通过低通滤波器q 缈的设计可较好的抵抗外加干扰。q 是干扰观测器设计中的一个很重要的部分，现在比较流行的设计方法由h s k e 提出的方法f 2 3 1 。驯的表达式为：吼( 嚣) ( j ) 2 专矿肛水7 其中= 西害苦丽为系数，为分母的阶数，m 为分子的阶数，m 膨为相对阶本文选择的低通滤波器的形式为：) = 万i 3 i 2 干扰观测器的设计由前面一节连续干扰观测器的分析可以得到离散干扰观测器的结构如图3 - 6 所示。图3 6 离散干扰观测器结构框图首先要确定名义模型g 倒由于实际的被控对象中包含功率放大器、电机、位置传感器、负载及测量装置等，我们不可能对每一部分进行精确的建模，只能忽略次要因素，将各个模型近似简化，建立包含各个环节的统一模型，最后得出广义开环对象的形式为：d 一口g ，2 南其中，为等效转动惯量参数，口为等效阻尼参数。去掉延迟环节，取1g _ o ) 2 南。低通滤波器选择q ，j 倒格式，即山东大学硕士学位论文= 习薯3 5 基于m t l 柚的仿真及结果对比对于图3 6 中的结构，我们选择的二阶理想伺服系统的模型为：1g o ) 2 而面爵专而而令输入信号为正弦信号，硼砂= d 5 锄p 叼节f ? 矽，当不加干扰观测器，位置环用增量式经典p d 控制时的波形如图3 7 所示。可以看到波形扭曲的比较严重，当调整比例增益的时候可以对此波形有所改善，但当比例增益增大的时候，系统的稳定性受到影响，对外部干扰的抑制能力较差。图3 7 无干扰观测器时经典p d 控制下的正弦命令输出当加入干扰观测器，命令输入信号仍然为，加何= d 5 拥p 叼 f ? 矽时，输入命令与对应输出响应的波形如图3 8 所示。可以看到，加入干扰观测器后，系统能够比较好的跟踪正弦信号，输出波形失真很小。善：至塞鎏卫暨至笙丝星鳖型兰鎏墼塑銮图3 8 有干扰观测器时经典p d 控制下的正弦命令输出图3 9 为无干扰观测器的经典p d 下的阶跃信号响应可见正弦扰动信号对系统的影响比较大，通过调整位置环p d 参数无法消除扰动造成的影响。当位置环比例增益后，系统的上升时间可以缩短，但会引起一定的超调，系统达到稳定状态时由扰动造成的输出响应的波动无法去除图3 9 无干扰观测器的经典p d 下的阶跃信号响应图3 1 0 为有干扰观测器的经典p d 下的阶跃信号响应，从图中可以看到加入干扰观测器后可以有效地消除系统达到稳定状态时由于扰动所产生的系统的输出波动，而且上升时间很快，但是容易产生比较大的超调。图3 1 0 有干扰观测器的经典p 下的阶跃信号响应图3 1 1 为有干扰观测器在单神经元p d 下的阶跃响应，从图中可以明显看到，系统位置环由经典p d 改到单神经元p d 后，可以去除掉超调量。图3 1 1 有干扰观测器在单神经元p d 下的阶跃响应图3 1 2 为系统在有干扰观测器时单神经元p d 控制下的正弦命令输出，在该控制方式下，系统可以很好的跟踪正弦信号。茎：主喜鎏旦罂垂笙垡兰鳘童! 兰鎏盟至茎图3 1 2 有干扰观测器时单神经元p d 控制下的正弦命令输出3 8 本章小结本章首先在概念上简单介绍了经典p d 算法和单神经元p d 控制算法，阐述了经典p d 算法的缺陷以及单神经元p d 控制算法相对经典p d 控制算法的优越性。为了提高伺服系统的位置精度，本章在电机三环控制的基础上研究了干扰观测器，通过对位置的采样推测出等效干扰，在速率环上引入等效的补偿，实现对干扰的补偿。最后在m a t l a b 上通过m 文件编程，实现了各个算法最后给出了各个算法下的仿真结果并对仿真结果进行了分析山东大学硕士学位论文4 1 引言第四章基于d s p 的控制器硬件系统设计本文对无刷直流电动机采用电流、速度、位置三环进行控制。控制器采用n公司的1 m s 3 2 0 u 唿4 0 7 ad s p 为主芯片，通过霍尔信号控制三相无刷直流电机的换相，并以电流互感器作为直流母线电流的监测元件，以增量式光电编码器作为速率环和位置环的检测元件。在第二章对无刷直流电动机的控制原理进行了分析的基础上，本章将详细介绍无刷直流电机的模块化硬件设计。4 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 概述1 m s 3 2 0 u 以0 7 ad s p 是公司推出的数字信号处理器，该系列处理器是基于1 m s 3 2 0 c 2 蕊内核的定点数字信号处理器。器件上集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。它具有高速信号处理和数字控制所必需的体系结构特点。f 2 4 0 7 具有强大的片内的端口和其他外围设备，其中事件管理器为电机的控制提供了方便。本文用到了f 2 4 0 7 以下主要的几个功能模块，下面分别对这几个模块进行简单的介绍。【2 5 】( 1 ) p w m 模块每个事件管理器模块可同时产生多达8 路的p w m 波形输出。由3 个带可编程死区控制的比较单元产生独立的3 对，以及由g p 定时器比较产生的2 个独立的p 、) l m 。在事件管理器模块中，每个比较单元和通用定时器l ( e ) 或3 ( e 、，b ) ，死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性的p w m 输出。在每个事件管理器模块中有6 个这种与比较单元相关的p w m输出引脚，可以通过设置t x c o n 、c o m c o n a 、a c 吼kd b t c o n a 等寄存器输出对称的或非对称的p w m 波形，用于控制三相交流感应电机和无刷直流电机。对无刷直流电机的电流环进行控制，我们采用谐波次数较小的对称p w m 。以下是茎：主茎王2 j ：箜丝型量至生圣鎏耋生产生对称p w m 的原理示意图。1 i ，阿：一h i 泔_ _ k l 厂 r 厂图4 _ 1 产生对称p w m 的原理示意图整个p w m 单元的初始化步骤如下： 设置全比较单元动作寄存器a c 陬k 初始化比较寄存器c m p r x ； 配置寄存器d b t c o n a ，设置死区时间； 设置c o m c o n a ，使能p w m 模式，禁止比较模式； 设置全局通用定时器控制寄存器( g p t c 0 咐，开始计数。死区单元保证了在任何情况下，每个比较单元相关的2 路p w m 输出控制一对正向导通和负向导通设备时没有重叠，即在一个器件没有完全关断时，另一个器件不导通，从而避免了电机应用中两个不能同时导通功率器件发生短路被击穿的情况发生。( 2 ) c a p 模块每个事件管理器有3 个捕获单元，对于e v a 模块与之相关的捕获单元有3 个引脚，分别为c a p l 、c i a p 2 、c a p 3 ，可以选择通用定时器1 或2 作为它们的时基，而c a p l 和c a p 2 一定要选择相同的时基。每个捕获单元都有一个专用的2 级f 刀f o栈，当捕获输入引脚c 衄x 上检测到所指定的跳变时，所选的g p 定时器的计数值被捕获并存入到这个2 级深的f 刀p o 栈中。当进行捕获时捕获栈中已有两个捕获到的计数值时可置位相应标志位，如果该中断未被屏蔽则可产生一个外设中断请求信号，从而触发中断。( 3 ) q e p 模块每个e v 模块都有一个正交编码脉冲( q e p ) 电路该电路被使能后，可以在编码和计数引脚c a p l 郇p l 和c a j p 2 ，q e p 2 ( 对于e v a 模块) 或c a p 3 q e p 3 和山东大学硕士学位论文c a p 4 ，q e p 4 ( 对于e v b 模块) 上输入正交编码脉冲，用于连接光电编码器以获得旋转机械的位置和速率等信息。正交编码脉冲是两个频率变化且正交的脉冲。当它由电机轴上的光电编码器产生时，电机的旋转方向可通过检测两个脉冲序列中的哪一列先到达来确定，角位置和转速