（控制理论与控制工程专业论文）采用usb和dsp技术的全数字伺服控制器的研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，高性能交流伺服系统在导航系统、雷达天线、数控机 床、机器人等领域得到了广泛的应用。目前国外很多公司已经推出了成型的全数 字交流伺服系统产品，但数字交流伺服系统的国产化步伐缓慢，我国的交流伺服 技术面临的形势异常严峻。数字信号处理( d s p ) 技术的发展为伺服系统性能的 提高奠定了基础；同时，永磁同步电机更适用于高性能的运动控制场合，因此， 基于d s p 的永磁电机数字交流伺服系统已成为高性能伺服技术的重要发展方向， 是当前的一大研究热点。 本文首先讨论了伺服系统的国内外现状与发展，并指出本课题的研究意义和 主要研究内容。 在深入研究了永磁同步电机的数学模型、等效电路的基础上，本文对磁场定 向控制和空间矢量控制做了系统的研究，并给出了磁场定向控制和空间矢量控制 的d s p 实现方法。 通过研究世界d s p 芯片市场，选用了美国t i 公司专门为数字运动和电机控 制推出的d s p 控制器t m s 3 2 0 f 2 4 3 来实现交流伺服系统。然后给出了系统的硬 件电路设计，包括主回路、驱动电路、存储器扩展、电流和速度检测电路的硬件 设计。采用了价格较低的电阻器来检测永磁同步电机的三相电流，采用了i g b t c p v 3 6 3 m 4 k 模块组成逆变桥来实现功率主回路直流到交流的逆变。提出了永磁 同步电机的磁场定向实现方案以及交流伺服系统的全闭环软件实现方案。闭环程 序由主程序和中断服务程序组成，在中断服务程序中进行电流环和速度环的调 节。实验表明：双闭环的永磁数字交流伺服系统拥有很高的速度和位置控制性能。 随着开放式数控和数字伺服的发展，高速的通讯接口越来越重要。本文在研 究了常用r s 2 3 2 4 8 5 通讯接口和控制网络现场总线c a n 的基础上，探讨了u s b 接口在伺服技术中的应用，为数字伺服系统采用高速串行总线与主控制器实时通 讯打下了基础。提出了运动控制系统新的实现方法，以省去运动控制卡，解决中 高档数控的关键问题，并研究了通讯协议、硬件电路与软件设计。 最后系统研究了数字伺服系统的p i d 控制及其改进算法控制策略。采用最新 山东大学硕士学位论文 人工智能理论，探讨了伺服系统单神经元自适应p i d 控制理论与实时控制方法， 解决了伺服系统参数的在线调整和自适应问题。 本文的重点部分是：基于d s p 的控制器的硬件设计与实现，控制器的u s b 接口丌发以及闭环控制系统软件的实现。采用了软件集成丌发环境c c ( c o d e c o m p o s e r ) 进行了软件编程，并通过中泰康的d s p 硬件仿真器与t e c h n o s o f f 开 发系统进行了硬件调试。 关键! 词：交流伺服系统；数字信号处理器( d s p ) ；永磁同步电机：矢量控制； 1 i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , h i g hp e r f o r m a n c ea cs e r v o s y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c h a sn a v i g a t i o n ，r a d a rs y s t e m ， n u m e r i c a lm a c h i n e ，r o b o t i c se t c t h ef u l l yd i g i t a la cs e r v os y s t e mh a sa p p e a r e d a b r o a d ，b u tt h ea d v a n c e m e n to fd e v e l o p i n ga c s c r v os y s t e mi ss l o wa th o m e i ti s h i g h l yu r g e n tt od e v e l o pd i g i t a ls e r v os y s t e md o m e s t i c t h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) p r o v i d e sg o o d b a s ef o rh i 【g hp e r f o r m a n c ea cs e r v os y s t e m ， a n dt h ed s p b a s e dp m s ma cs e r v os y s t e mh a sb e c o m et h em a j o rt r e n do fs e r v o s y s t e m s i nt 1 1 ef i r s tp a r to ft h ed i s s e r t a t i o nt h es t a t u sa n dp e r s p e c t i v eo fs e r v os y s t e m s a b r 。a da n da th o m ei sd i s c u s s e d ，a n dt h e nt h es i g n i f i c a n c e a n dc o n t e n t so ft h e r e s e a r c hp r o j e c ti si n d i c a t e d b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e l yd e e pr e s e a r c ho nt h ep m s m sm a t h e m a t i cm o d e l a n dt h e e q u i v a l e n tc i r c u i t ，c o m p r e h e n s i v e r e s e a r c ho nt h ef o c ( f i e l do r i e n t e d c o n t r 0 1 ) a n ds v p w m ( s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) i sd e s c r i b e di nt h i s p a p e r a f t e rs t u d y i n gt h ew o r l dd s pm a r k e t ，w ec h o s et h et m s 3 2 0 f 2 4 3m a d eb yt it o i m p l e m e n t t h ea cs e r v os y s t e m ，w h i c hp r o v i d e ss o l i db a s ef o rh i g hp e r f o r m a n c ea c s e r v os y s t e m t h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g no fd s p b a s e da c s e r v os y s t e mi sg i v e n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，w h i c hi n c l u d e st h ep o w e rb o a r d ，d r i v e rc i r c u i t ，e x t e n d e dm e m o r y , c u r r e n tl o o pd e s i g na n ds p e e dl o o pd e s i g n t h ec h e a pr e s i s t o r sa r eu s e dt os e n s et h e t h r e ep h a s e sc u r r e n to ft h ep m s m ，a n dt h ei g b tc p v 3 6 3 m 4 k m o d u l ei su s e dt o i n d l e m e n tt h ei n v e r t e r t h ef i e l do r i e n t e d c o n t r o ls c h e m eo fp m s ma n dt h e c l o s e d 1 0 0 ps o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o no f a cs e r v os y s t e m ，i n c l u d e sm a i np r o g r a m a n di n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n ea r eg i v e na tl a s t t h er e g u l a t i o n so fc u r r e n tl o o pa n d s p e e dl o o pa r ed o n ei n t h ei n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e t w o 1 0 0 ps e r v os y s t e m h a sg o o d p e r f o r m a n c e si ns p e e d c o n t r o la n dp o s i t i o nc o n t r o l w i t ht h ed e v e l o p m e n to fd i g i t a ls e r v os y s t e ma n dc n c ( c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) ，t h eh i g h s p e e ds e r i a ln e t w o r k sc o m m u n i c a t i o n h a sb e c o m em o r ea n dm o r e i i i 山东大学硕士学位论文 i m p o r t a n t b a s e do nt h eg e n e r a lr s 2 3 2 4 8 5s e r i a li n t e r f a c ea n dt h ec o n t r o l l e ra r e a n e t w o r kf i e l db u s ( c a n ) t h ea p p l i c a t i o ni nd i g i t a ls e r v oa n dc n c o ft h eu n i v e r s a l s e r i a l b u s ( u s b ) i sp r o b e d ，p r o v i d e ss o l i db a s ef o rt h er e a l i z a t i o no fr e a l t i m e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e na cs e r v os y s t e ma n dm a i nc o n t r o l l e r , an o v e ln e t w o r k i m p l e m e n t a t i o na p p r o a c hf o ro p e nm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d s ot h em o t i o n c o n t r o lb o a r do ft h em e d i u ma n dh i g hg r a d en c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e m sc a nb e o m i t t e d t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ，h a r d w a r e a n ds o f t w a r ea l s oh a v eb e e n d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h ed i g i t a lp i da n di t si m p r o v e d a l g o r i t h mc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ei n v e s t i g a t e di na d e e pg o i n gw a y t h e c o n t r o l a l g o r i t h ma n dr e a l t i m ec o n t r o lm e t h o do fn e u r o n a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ra r ep r o p o s e da c c o r d i n gt on e wa r t i f i c i a li n t e l l i g e n tt h e o r y t h u st h es e l f - a d j u s t m e n ta n da d a p t i v e p r o b l e mo fs e r v oc o n t r o l l e rp a r a m e t e r si s s o l v e d t h ec o m p l e t eo ft h eh a r d w a r ea cs e r v oc o n t r o l l e rb a s e do nd s p , i n c l u d e st h e u s bi n t e r f a c e ，a n dt h ec l o s e d l o o ps o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n sa r et h e e m p h a s e so f t h i s p a p e o k e y w o r d s ：a c s e r v os y s t e m ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ；p m s m ；v e c t o r c o n t r o l ； 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己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。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：越垒导师签名：日期：2 q q 垒：垒：2 q 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：赫壁导师签名：数幺也日期： 山东大学硕士学位论文 1 绪论 随着微电子、计算机、电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展， 交流调速理论以及新型控制理论研究的不断深入，数字交流伺服系统特别是永磁 交流伺服系统在机电一体化、机器人、柔性制造系统、汽车、电子办公自动化等 高科技领域中占据了日益重要的地位，也成为研究与应用的重要领域。匐”“。 1 1 伺服技术的现状与发展 “伺服系统”是一种典型的自动控制系统，它以物体的位置、方位、姿态等 作为被控量，所以又称为“位置控制系统”，在国际上较多采用“运动控制”这 一名词。 伺服系统由伺服控制器和伺服电机两部分组成。目前，国内的伺服系统主要 采用步进电机和直流电机。由于步进电机伺服系统属于开环系统，结构简单、成 本低，在国内的中小型数控机床上仍大量使用；而普通直流电机由于通过调节励 磁电流和电枢电流，可以很容易的实现对转矩的控制，特别是在要求伺服驱动四 象限运行和快速响应的场合，直流电机一直占主导地位。 在国外，伺服系统在经历了开环的步进电机伺服系统、直流伺服系统两个阶 段之后，已进入了“交流伺服系统”阶段。这是由于交流电动机具有结构简单、 坚固耐用的特点：而且随着电力电子器件的小型化和高性能化，以及计算机技术 的迅速发展，过去在技术上难以实现的交流电机控制问题都已迎刃而解；特别是 新控制策略矢量控制的应用，使得交流电机的性能取得了长足的发展，具备了宽 调速范围、高稳速精度、快速动态性能及四象限运行等良好的技术性能，其动、 静态性能完全可以与直流电动机相媲美，从而使交流伺服系统取得了主导地位。 交流伺服有模拟式和数字式之分，即硬件伺服和软件伺服。模拟式伺服单元 一般工作速度很快，系统的频率可以做得很宽，这使系统具有快速的动态响应性 能和很宽的调速范围；缺点是难于实现复杂的控制方法，并且器件多，体积大， 不易调试，还存在着“零点漂移”等问题。数字式伺服单元的优点是用软件编程， 易于实现复杂的算法，而且柔性好，有时几种控制方法之间的改变只需改变软件 即可实现，而不需做硬件上的改动，硬件电路一般比较简单，可以设计得相当紧 凑。由于参数的设定和调节可通过软件来实现，所以具有高度可重复性。 山东大学硕士学位论文 早期的伺服单元全是模拟式，但在目前，国外大都采用数字一模拟混合或全 数字式，而国内数字交流伺服尚处于探索阶段，还没有做到真正商品化。 目前，在中小功率范围内，高性能的交流伺服系统主要采用异步电机和永磁 同步电机两种。一般来说，异步电机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用 要求低的场合：而永磁同步电机则在精度要求高、容量较小的场合得到了广泛的 应用。 永磁同步电机又分为两种：矩形波电流驱动的永磁电机，即无刷直流电机 ( b l d c ) 和正弦波电流驱动的永磁电机即永磁同步电机( p m s m ) 。其中，b l d c 的 功率密度高，系统成本较低，但低速转矩脉动大，高速时矩形波电流发生畸变， 并引起转矩下降，所以一般用于低速、性能要求不高的场合：而p m s m 的体积 小，重量轻，效率高，冷却要求低，功率密度高，低速下可以满出力运行，过载 能力强，响应速度快，从而在数控机床进给伺服、机器人驱动等高性能的运动控 制领域获得了广泛的应用。另外，永磁同步电机所采用的永磁材料，目前已从铁 氧体发展到具有高居里点的钐钻( s m c o ) 和高矫顽力、高磁能积、相对价格较低 的钕铁硼( n d f e b ) 等新型高磁能材料，使电机具有更好的性能价格比。 1 2 课题的背景、意义 “交流伺服系统”由于克服了直流电机控制系统难以维护和难以实现高速 驱动等缺点，近年来发展很快。其突出优点是：电机制造成本低，结构简单，维 护容易，可以实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，系统成本将 不断下降，并能获得和直流电机控制系统相媲美或更好的控制性能 欧美及日本在2 0 世纪8 0 年代初已经推出了一系列商品化的高性能全数字化 交流电机控制系统和产品。 我国在8 0 年代末着手研究和引进交流伺服系统，但至今全数字式交流伺服 系统的国产化步伐仍然缓慢，我国的交流伺服技术面临的形势异常严竣，研究开 发国产的数字交流伺服系统已是迫在眉睫之事。 采用永磁同步电机的交流伺服系统是目前高性能伺服的发展方向。永磁同步 电机是多变量、强耦合的非线性系统，转矩控制要困难得多，并且要求控制系统 具有很强的实时性。因而控制系统的计算芯片应该具有较快的计算速度：同时， 山东大学硕士学位论文 控制算法的复杂化也提出了这方面的要求。 目前，国内的永磁交流伺服系统主要采用单片机来实现，由于单片机的速度 和功能有限，使得伺服系统的性能受到一定的限制。主要表现为：电流环和速度 环的采样周期较长，降低了系统的调节频率，系统的动态性能下降；另外，由于 单片机不能产生空间矢量p w m 信号，因此，采用单片机来实现目前流行的 s v p w m 技术要困难得多。 数字信号处理器( d s p ) 技术的发展为先进控制理论以及复杂控制算法的实 现提供了有力的支持，为高性能伺服系统的实现奠定了基础。由于d s p 采用了 多总线的哈佛结构、专用的硬件乘法器( 一个周期内完成乘法和加法两种运算) 、 多级流水线操作和专用的d s p 指令等方法使其获得了高速并行处理能力，能够 实时地完成复杂的控制算法，所以，d s p 已成为高性能处理器的首选器件。 为此，我们选用了d s p 控制器来实现交流伺服控制系统。由于d s p 具有极 高的速度，这可以大大缩短电流环和速度环的采样周期，提高系统的调节频率， 从而提高系统的动态性能；另外，d s p 具有丰富的硬件资源，如专门为逆变和电 机控制设计的事件管理器，可以方便地产生高性能的s v p w m 信号，因此，控 制系统的硬件结构将大大简化，并可大大提高系统的可靠性。 从最新的文献报道看，国外很多公司都己推出了基于d s p 的成型的全数字交 流伺服产品，国内引进较多的是日本松下、安川的交流伺服系统。目前，国内的 控制界也已掀起了利用d s p 来实现交流伺服系统的热潮，但还处于起步阶段。 现场总线技术的迅猛发展促进交流伺服技术向着数字化、网络化发展。由于 在数字加工、机器人控制等方面需要多轴控制，因此在控制机( p c ) 和伺服驱动器 之间的通讯越来越重要。现在通讯协议大多用r s 2 3 2 4 8 5 和现场总线如 c a n b u s 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 等，由于受其本身速度和硬件限制，并不能 完全满足要求。u s b 则具有高速性，而且p c 机本身就带有u s b 接口，应用方 便。 基于d s p 的永磁数字交流伺服系统，由于高性能的d s p 控制器为提高系统 的性能奠定了坚实的基础，已成为当前的一大研究热点。我们根据山东省中青年 科学家基金项目“采用u s b 总线的新型智能数字交流伺服系统关键技术研究与 开发”等，选择这一方向作为研究课题。 山东大学硕士学位论文 1 3 本课题完成的主要工作 本文主要在永磁同步电动机伺服控制方面做了如下研究工作： 1 对永磁同步电机( p m s m ) 的数学模型、等效电路及矢量控制理沦进行了研 究。 2 ，对交流伺服控制系统的智能控制策略、伺服系统的通讯接口进行了研究。 3 基于电机控制专用d s p 控制器- - t m s 3 2 0 f 2 4 3 ，本文研制开发了一套带 有u s b 接口的全数字交流永磁伺服系统。 山东大学硕士学位论文 2 永磁同步电动机的数学模型及其矢量控制 本章对永磁同步电动机的结构、种类进行了介绍，给出了其数学模型及等效 电路。进一步，讨论了永磁同步电动机i a = 0 ( 磁场定向控制) 和电压矢量控制原 理和实现方法。 2 1 永磁同步电动机的结构和种类 永磁同步电动机与普通同步机在定子结构上是一致的，由三相绕组及铁心构 成，且电枢绕组通常为星型连接。在转子结构上，是用磁体取代普通同步机的励 磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。与普通电机相比，p m s m 还必须 装有转予位置检测器，用来检测转子磁极位置，从而对电枢电流进行控制达到控 制p m s m 的目的。为保证系统精度及运行质量，多采用旋转变压器或光电码盘 作为p m s m 的转子位置检测器，与p m s m 转予同轴连接【”。 根据永磁体在转子上安装位置的不同，p m s m 转子可分为三类：表面式、嵌 入式和内埋式。前两种结构转子直径较小，从而降低了转动惯量，若将永磁体直 接粘在转轴上还可获得低电感，有利于电机动态性能的改善，一般p m s m 多采 用这两种形式的转子结构。内埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部，它的机械 强度高，磁路气隙小，适于弱磁控制。 对于永磁同步电动机的控制，通常有两种方式。种是针对电流控制的滞环 控制，一种是采用电压控制。前者以前主要在模拟控制中予以采用，响应快速。 后者的理论基础是空间矢量p w m 控制，提高了逆变器的电压输出能力，保持恒 定的开关频率，适合数字控制。随着微处理器运算速度的提高和包括a f d 、d a 等在内的片内集成电路的快速发展，二者都有了新的发展f8 1 。 图2 1 、图2 2 给出了电流控制方式的示意图。 其中： i f 。= i 。c o s ( 9 0 。+ 0 ) = 一 。s i n 0 屯= 一i ，s i n ( 0 1 2 0 。) lf 。= 一f ，s i n ( 0 + 1 2 0 。) 山东大学硕士学位论文 图2 1电流控制方武原理图 竺铲 ( a ) 昔通滞环 电流 ( b ) 锯齿渡比较 图2 2电流控制比较器类型 图2 - 3 给出了电压控制方式的示意图。 匾2 3电压控制方式原理图 2 2 永磁同步电动机的数学模型和等效电路 门二转子磁链矢量和转子磁极位置一致，永磁同步电动机经常采用的是d q 转 子坐标系或a b 静止坐标系。前者按照转子磁场定向，后者与定子磁场一致。图 ! 一4 给出了永磁同步电动机的矢量图 1 2 】。 山东大学硕士学位论文 c d 图2 4 p m s m 矢量圈 我们作出如下假设：定子绕组y 型连接；定予磁场呈正弦分布，不考虑谐波 及饱和；忽略涡流和磁滞损耗；转子无阻尼绕组。则基于转子坐标系( d q 轴系) 的永磁同步电动机的电压、磁链和电磁转矩方程为1 9 】： v d = r 。i d + p 掣d 一疗 ，。 ( 2 1 ) v 口= r 。f 目+ p 甲日+ 洲d ( 2 2 ) 掣d = l d i d + 甲， ( 2 3 ) 掣q = l q i 口 ( 2 4 ) t 2 1 5 ”p ( 掣d 目一7 d ) ( 2 5 ) = 1 5 n p 甲，i g 一( 三日一上d ) i d i 4 】 机械方程如下： 瓦=一+bw，+巾w，(2-6) 其中 、v 口为由轴定子电压；i d 、i g 为由轴定子电流；甲矿￥。为由轴定子磁链； 幻，l q 为由轴定子电感：甲，为转子上的永磁体产生的磁势；j 为转动惯量，b 为摩擦系数：z = 一，刃，为转子电角速度；p = t 为微分算子；坳为极对数。 如图2 - 4 所示，电动机定子电流在d 轴和q 轴上的分量还可表示为式( 2 - 7 ) ， 7 山东大学硕士学位论文 x , 3 应的电磁转矩可以表示为式( 2 8 ) ，这也是我们会经常用到的表示形式。 id = - - i 。s i n8 1o 一，c o s f l 一7 ) t e = 1 s n ，( tc o s f l + ( - l d ) i , 2s i n 2 f 1 )( 2 8 ) 其中厶为定子电流合成矢量；为矗超前q 轴的角度。 另外一种常用的坐标系是静止两相坐标系( q 归系) ，对应的电压和转矩方程 阶心r ，印i + 吼c s i n o s 曰 c z 吲 i v ，jl 弘叩 ，+ 础印，j 。ii “” 。j ( v 。一r ，) a t ( 2 1 0 ) = ( v p 一尺；i 口) d r ( 2 1 1 ) 瓦21 5 n p ( k i 口一甲口i o ) ( 2 1 2 ) 其中：v 。、v p 为够轴定子电压；屯、0 为够轴定子电流；咒、甲。为够轴 定子磁链：0 为转子位置角。 l d 。( l + 上g ) 2 ，l 1 2 ( l d - - l 。) 2 ； l 。= l o + l l c o s 2 8 , 卢= l o l 】c o s 2 0 ，l 甜= l l s i n 2 8 。 对于表面式永磁同步电动机，凸极率( p = l 。l d ) p = 1 ，式( 2 9 ) 可以简 ：； = r 。乞p 5 旯。0 ， 乏 + w q ，。 - s i 。n 毋o ( 2 - - 1 3 ) 其中，厶：上g = 屯。如坐标系、q 8 坐标系及a b ca 。a 。i 系的变换关系如下： 即i = a & - d q l e 牡捌 沪，。， 山东大学硕士学位论文 ，2 ic o s 9e o s ( e 一2 r c 3 ) c o s ( a 十2 n - 3 ) 1 1 “由 3 s i n 0s i n ( 口一2 r e ，3 )s i n ( o + 2 万，3 ) l ，2 1 1 21 2 l l k 一卵2 引0 一压2 朽2 l rc n s f 9s i n 臼1 一由2 i “n 臼c 砌1 。 以上变换以电流为例，电压、磁链等同理。 事实上，由轴线圈的漏感相差不大，近似相等。因此，电感参数可以由下式 表示： l d = l 。+ l 。d ( 2 1 5 ) l q = l 。+ l 。 ( 2 1 6 ) 其中，l 。为由轴线圈的漏感，l m d 和w 分别为嘶轴线圈的自感。 假设驴为等效励磁电流( 扩= 甲f l 。) ，则永磁同步电动机的电压方程如下式 且其等效电路如图2 - - 5 所示： v d = r ，f d + p ( l d i d + 上。d i ，) 一乩g i q ( 2 1 7 ) v q = r ；f 目+ 皿g i g + 础d i d + 越。d i ， ( 2 1 8 ) 毗t ? 4 ( a ) d 轴 咄j o + 砭_ or ( b ) q 轴 图2 5永磁同步电动机d q 轴电压等效电路 图2 - - 6 给出了常用的采用幻= o 的矢量控制时，以电压v 宁为输入，转子速度 为输出的交流永磁同步电动机系统框图。 山东大学硕士学位论文 图2 6永磁同步电动机系统框图 以此为基础构成的速度、电流双闭环系统永磁同步电动机 岗速系统如图2 7 所示： 图2 7永磁同步电动机驱动系统框图 2 3 永磁同步电动机的矢量控制 2 3 1p m s m 的磁场定向控制( f o c ) 由式( 2 5 ) 可以得到： l = i ，5 n p 甲，i q 一( p 一1 ) l d i a i 。 其中： 凸极率p = l 。厶 永磁转距n ，为： l ，2 1 5 ，i q 磁| i | ：l 转距t ，为： = 一1 5 n p ( p i ) l , j ，f q ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 山东大学硕士学位论文 从上式可以看出，永磁同步电动机的电磁转矩的控制最终可归结为对d 轴和 q 轴电流的控制。对于给定的电磁转矩，有多种d 轴和q 轴电流组合的选择，也 就可以产生不同的控制策略。由于凸极率的差别：对于p 1 的永磁同步电动机 而言，i a = o 的控制方式尽管实现简单，但并不能获得最为理想的控制性能。因为 它仅能产生永磁转矩，等效于一台无补偿绕组的直流电动机运行，而失去了 由于凸极效应而产生的磁阻转矩t r ，动态性能和功率因数都会受到影响。 以下我们对i a = o 的矢量控制进行分析。 当i d = 0 ，定子电流的d 轴分量为0 ，磁链和转距可以简化为 1 1 】 1 2 】： j 二_ ( 2 - 2 2 ) l 【甲q = q i 。 疋= e = 1 5 n p 甲，0 ( 2 - 2 3 ) 此时对应的矢量图为： d a 图2 e f d = 0 时的p m s m 矢量图 于是，电磁转距仅仅包括永磁转距砌2 ，定子电流合成矢量与q 轴电流相等， 这就变得与直流电动机的控制原理一样，只要能够检测出转子位置( d 轴) ，使 三相定子电流的合成电流矢量位于q 轴上就可以了。采用了磁场定向的控制方 法，使定子磁场和转子磁场始终保持垂直。 图2 9 给出了白= 0 时的双闭环控制系统框图。 山东大学硕士学位论文 图2 - 9 j d = 0 日十的p m s m 双闭环控制系统 这种控制策略的特点是控制简单，定子电流与电磁转矩输出成正比，无弱磁 电流分量。但当凸极率p 1 时，无磁阻转矩输出乃，而且当负载加大时，定子 电流线性增大，要求的逆变器容量也较大。 2 3 2p m s m 的电压空间矢量控制 经典的s p w m 控制目的是使逆变器的输出电 t v 压尽量接近正弦波，而电流波形会受到负载电路 参数的影响。然而，电机控制的最终目的是产生 圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。如果 基于这一目标把逆变器和电机视为一体按照跟踪 圆形旋转磁场来控制p w m 电压，这样的控制方 法就是磁链跟踪控制，磁链跟踪的轨迹是靠电压 囝2 1 0 电压空同矢量示恿圈 空间矢量相加得到的，所以又称电压空间矢量控制( s v p w m ) 。 2 3 2 1 电压空间矢量的提出 电压空间矢量是按照电压所加绕组的空间位置来定义的。图2 1 0 中v 。、v b 、 v 。为互差1 2 0 0 的三相电压，其矢量相加的合成空间矢量v ，是一个旋转的空间矢 量，并且幅值不变为每相电压的3 2 倍，当频率不变时它以速度铆旋转，哪一相 电压为最大，合成电压矢量就落在该相轴线上。 当磁链矢量在空划旋转周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动 。周，其轨迹与磁链圆重合。这样可将电机旋转磁场的形状问题转化为电压空问 矢量运动轨逊的形状问题。 攀 山东大学硕士学位论文 电压矢量瓦可以表示为： 一s：一va+瓦+瓦：i2vs( v 。+ v 6 p ，n + v 。g 扭)+ v 6 + v c = il v a + v 6 p 。7 3 + v c g 73 ) 定予电压方程为： v 。= r s i s - + 一堡d t 当转速不是很低时，定子电阻压降较小，可以忽略，则有 k = j v ；d t 这表明电压空间矢量的方向与甲。的运动方向一致。 - u d c t 2 匡| 2 一l l 电压源型逆变器示意图 在变频调速系统中，逆变器为电动机提 供的是经过调制的p w m 电压。图2 - 1 1 所 示，三相电压源逆变器由六个功率开关器 件组成。因为逆变器的上桥臂和下桥臂的 匕 开关状态互补，所以只有上桥臂的三个功 率开关器件来描述逆变器的工作状态就足 够了。 ( 2 2 4 ) ( 2 ，2 5 ) ( 2 2 6 ) 0 0 ) 口 如果把上桥臂的功率开关器件的导通 图2 1 2 基本电压空闻矢量 状态用1 表示关断状态用0 表示，那么上桥臂的三个功率开关器件的开 关状态共有八种组合，构成了对应的电压空间矢量，分别表示为：v s l o 01 1 、i o 1 o l 、n l o1i i 、玛1 1oo l 、乃1 1oi i 、心1 1 1 o l 、虼| 0oo l 、乃1 1 1 i i ，如图2 - - 1 2 所 示。 从逆变器的正常工作看，前六个工作状态是有效的，而后两个工作状态是无 山东大学硕士学位论文 效的，这八个矢量就是基本空间电压矢量，其中v 0 【0 0 0 乃【1 1 1 称为零矢量。 尽管逆变器只能产生八个基本电 u 压空问矢量，但可以利用它们的线性 组合来获得更多的与基本矢量相位 不同的电压空间矢量，从而构成一组 等幅不同相的电压空间矢量，形成尽 可能逼近圆形的旋转磁场。这样在一 周内逆变器的丌关状态就要超过6 图2 1 3 s vp w m 磁键控制轨迹 1 ，y 1 个，并且有些开关状态会多次重复出现。这就使得逆变器输出一系列等幅不等宽 的脉冲波，实现s v p w m 控制。图2 1 3 给出了通过电压空间矢量的合成控制磁 链矢量运动方向及大小的示意。 总结起来，电压空间矢量控制的p w m 模式与s p w m 相比，主要有以下几个 特点： 1 ) 适合数字实现，每次开关切换只涉及到一个功率开关器件。 2 ) 采样时间t 的大小决定电机旋转磁场逼近圆形的程度，t 越小，越逼近圆 形，但t 的减小受到所用功率器件允许开关频率的制约。 3 ) 逆变器输出电压基波最大幅值为直流侧电压，比一般的s p w m 逆变器输 出电压高1 5 。 2 3 2 2 电压空间矢量的合成 前面介绍了电压矢量合成的概念，这里我们给出具体实现方案 示，以第三扇区为例，设需合成的参考电压为k 。，则有： f7 1 = l + 瓦+ t o 沁= 等_ 辱 如图2 1 4 所 ( 2 2 7 ) 山东大学硕士学位论文 。在妒轴上的分量为 可= 争眈i c o s 3 0 。 v s 町= 吲+ x x = 圪t 9 6 0 0 解得 图2 1 4 电压空间矢量合成图 2 舞( 2 撕 瓦。毒3 一 设v 一2 去，则有 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) jl = p k r ( 3 圪町- 4 3 v m r ( 2 3 0 ) l瓦= r 2 4 3 v 。一 如果分别用& ，t x 。j 来表示相临两个电压矢量巩和玩+ ，的作用时间，并设f ， = t j 2 ，t 2 = t x + 1 2 ( p w m 时基是对称的) 。考虑到不同的扇区，则有式( 2 3 1 ) x y 、z 三种情形。 1 5 山东大学硕士学位论文 x 2 4 3 v d c t v ，w y ：、3v _ c l vs 、口+ 3 、v | u l vs 、， z = 孚一知，以呵 表2 1 给出了6 个扇区相邻电压空间矢量作用时间的计算值。 表2 一l 相邻电压空间矢量作用时间 ( 2 3 1 ) 123456 t i zy，zxy t - i yxxzyz 前列第三扇区中的参考电压合成即为t 4 = - - 2 z ，t 6 = 2 x 。 2 3 2 3 磁链位置与空间矢量p w m 的d s p 实现 我们对参考电压，的d 猡轴上的分量作如下变换： v 。= v 。 4 圪= 去( 彤州一) k ：i 1 ( 一吨州一) ( 2 3 2 ) 通过陷，功，v c 的极性可以判断当前需合成的参考电压k 可所在的扇区 k = ：笼：，2 ；：z ：，以2 ；：z ；： 则扇区s e c t o r 刊手2 b - - 4 c 。 表2 1 已经得到了各个扇区中为合成参考电压。，所需相临两个电压矢量 l k 和以的作用时间t l ，t 2 ，进一步令t l - - t 2 p w m p r d ： 仁 ：上p w m p r d f i 十f2 ( 2 3 3 ) ：1 2 p w m p r d t 1 + f2 山东大学硕士学位论文 则有： j ，：p w m p r d - t l - t 2 l a 洲“ r m2 f + r 】 1t 2 6 m + f 2 l 其中，p w m p r d - - - - t 2 ，t 为采样周期。 综上所述，可以得到表2 2 中c 似h 的计算值。 表2 2c m p x 计算值 ( 2 3 4 ) 扇区 1 ，356 c l l l曲a n t b o n c l e p 2 f b o nt b o n c l 五p 3曲o nt b o n c m p 3 c m p 2 c m p l 0 p w m l 0 p w m 2 0 p w m 3 0 = ： ：= = = ： 多芝 t 一 t t 一 t 工a 世 1-。o e kj 6 毒a 五! -。 一 矿，矿十，矿 攻 圈2 1 5s v p w m 输出时序 1 7 山东大学硕士学位论文 叶同【- 固2 1 gs vp w m 一相p w 图2 1 5 给出了参考电压位于第三扇区时的输出时序。在每个采样周期 依据式( 2 2 7 ) 。( 2 3 4 ) 计算出p w m 的输出时序，就可以使得p w m 环节按照 外环的给定来控制p m s m 的运行。图2 1 6 给出了滤波后的一相p w m 输出波 形。 2 4 本章小结 在对p m s m 的种类和结构进行介绍后，本章给出了p m s m 在d q 坐标系和静 止坐标系下的数学模型及等效电路，讨论了i d = 0 ( 即磁场定向控制) 和空间矢 量控制的原理及实现。 山东大学硕士学位论文 3 永磁同步电动机全数字伺服系统的设计与实现 本文所研制的交流伺服系统实现了全数字化。控制器为t i 公司的电机控制 专用芯片t m s 3 2 0 f 2 4 3 ，以空间矢量p w m 控制为核心，主回路采用i g b t c p v 3 6 3 m 4 k 。整个系统包括主电路及接口电路，检测电路和控制系统等几个部 分。 3 1 功率主回路的设计 功率主回路是进行能量转换、驱动伺服电机工作的强电电路，主要由整流 电路、中间直流电路和逆变器三个环节组成，如图3 - 1 示。 1 交一直部分 ( 1 ) 整流电路：采用二极管不可控整流桥1 8 0 1 将单相交流电整流为固定 的直流电。整流电路因变频输出功率大小不同而异，小功率的，输入电压多采用 单相2 2 0 v ，整流电路为单相全波整流桥；功率较大的，一般采用3 相3 8 0 v 电 源，整流电路为3 相桥式全波整流电路。 设电源电压乙堙为2 2 0 v ，那么经过整流后的平均直流电压u d 的大小是： u d = o9 u 2 = 19 8 v 。 a 图3 - 1 功率主回路电路图 ( 2 ) 滤波电容c f ：整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加 以滤波，这要通过滤波电容来实现。滤波电容c f 的作用是：除了稳压和滤除整 流后的电压纹波外，还在整流电路和逆变电路之间起去耦作用，以消除相互干扰， 为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因此，中间直流电路电容的容量必须 山东大学硕士学位论文 较大，起储能作用，所以该电容器又称为储能电容器。另外，5