（测试计量技术及仪器专业论文）精密定位伺服控制系统的研究与应用.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着计算机、微处理器、电力电子器件的快速发展与矢量控制理论的成熟， 交流伺服控制技术取得了长足的发展。高性能的交流伺服控制系统也从传统的模 拟、数字模拟混合向全数字控制系统发展，并在越来越多的精确控制领域成为主 流。 论文结合“i c 精确定位伺服控制系统”项目，主要针对运动控制部分，研究 开发出高性能、灵活、可靠的位置伺服控制系统，以满足整个系统对运动控制部 分的要求。 本文深入研究了永磁交流同步电机的空间矢量控制原理，并详细阐述了控制 器位置环、电流环和速度环三闭环控制方法。设计部分主要论述了系统的软硬件 设计，包括伺服控制器的结构设计、硬件接口设计、软件结构设计、流程分析与 程序编制。该伺服系统的总体结构由主控制程序、多轴运动控制卡、驱动单元、 硬件接口i o 、p m s m 伺服电机及精密运动平台组成。主控制程序基于v c + + 编程实 现，通过各子功能模块发出控制指令，同时，接收并处理外部反馈信息。运动控 制卡采用m c x 3 1 4 运动控制芯片来实现多轴伺服控制，控制卡根据从上位计算机上 获取的运动指令完成插补计算并产生相应的控制脉冲，同时，接收外围反馈信息。 驱动单元接收相关控制脉冲及指令，经过三闭环控制及功率放大完成对交流伺服 电机的控制。整个控制系统软件及硬件的设计采用开放式、模块化的设计方法， 方便用户使用及功能扩展。 经过对伺服控制系统软件与硬件的调试，实验结果证明该系统可满足高性能 i c 精确定位伺服控制系统的要求。 关键词：伺服控制，空间矢量控制，永磁同步电机，控制器 湖北s - 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e r , m i c r o p r o c e s s o r , v e c t o rc o n t r o l s t r a t e g y , p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ，a c s e r v oc o n t r o l t e c h n o l o g y h a s g o tg r e a t d e v e l o p m e n t h i g hp e r f o r m a n c ea cs e r v os y s t e mb e c o m et o t a l l yd i g i t a l i z e dc o m p a r e w i t ht r a d i t i o n a la n a l o ga n dm i x e d s i g n a l s oi tw i l lb ea p p l i e di nm o r ea n dm o r e p r e c i s i o nc o n t r o lf i e l d i n t h i st h e s i s ah i g hp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b l es e r v os y s t e mi sd e s i g n e df o ri c p r e c i s i o np o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m t h es e r v os y s t e mi sa b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t s o f t h em o t i o nc o n t r 0 1o f ap o s i t i o n i n gs y s t e m t h et h e s i ss t u d i e st h es p a c ev e c t o rc o n t r o l s t r a t e g y a n de x p l i c a t e s p o s i t i o n f e e d b a c kl o o p 。s p e e df e e d b a c kl o o p ，c u r r e n tf e e d b a c kl o o pf o rt h ec o n t r o lm e t h o do ft h e c o n t r o l l e r t h cd e s i g n i n gp a r tm a i n l ye l a b o r a t e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h e c o n t r o ls y s t e m w h i c hi n c l u d e st h es t r u c t u r eo ft h es e r v oc o n t r o l l e r , t h eh a r d w a r e i n t e r f a c ec i r c u i t t h es o f t w a r es t r u c t u r e t h ef l o wa n a l y s i sa n dp r o g r a m m i n g t h es e r v o s y s t e mi sc o m p o s e do fam a i nc o n t r o lp r o g r a m ，m o t i o nc o n t r o lc a r d ，d r i v e r s ，h a r d w a r e i n t e r f a c e s ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) ，a n dp r e c i s i o nm o t i o n w o r k t a b l e m a i nc o n t r o ls o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i t lv i s u a lc + + i ts e n d so u tc o n t r o l c o m m a n d st ot h es u b f u n c t i o n s ，w h i l e ，r e c e i v e sa n dp r o c e s s e st h ef e e d b a c ko ft h e e x t e r n a li n f o r m a t i o n t h em o t i o nc o n t r o lc a r du s e st h em c x 31 4m o t i o nc o n t r 0 1c h i pt o r e a l i z et h em u l t i p l ea x i ss e r v o c o n t r 0 1 a c c o r d i n gt ot h ec o m m a n dw h i c hi sr e c e i v e d f i o mm a i nc o n t r o lc o m p u t e r - t h ec o n t r 0 1c a r dm a k e su pi n t e r p o l a t i o nc a l c u l a t i o na n d p r o d u c e st h ec o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp u l s e s ，a tt h es a m et i m e ，r e c e i v e st h ep e r i p h e r y f e e d b a c ki n f o r m a t i o n t h ed r i v eu n i tr e c e i v e st h ec o n t r o lp u l s e sa n dt h ec o m m a n d ， t h r o u g ht h r e ec l o s e d - l o o pc o n t r o l sa n dt h ep o w e ra m p l i f i c a t i o nc o m p l e t e sc o n t r 0 1t ot h e a cs e r v om o t o r s t h ew h o l es o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e ma d a p t st h em e t h o do fo p e n a n dm o d u l a r i z a t i o na r c h i t e c t u r e ，i t t sc o n v e n i e n tf o ru s e r sa n df u n c t i o n se x p a n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h i ss e r v os y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do ft h e i ca u t o m a t i cp o s i t i o n i n gs y s t e m k e y w o r d s ：s e r v oc o n t r o l ，s p a c ev e c t o rc o n t r o l ，p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r , c o n t r o l l e r 诹 l 亡工繁火秀 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：嚏嗨 日期： c ) ”挣5 月37 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文设查阅和借阅。本人授 权湖= t i , j k 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：吨写 日期：a 删绰s 月s 1 日 指导教师签名：嵌镪彬 日期：2 印缉j 月呈日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 第1 章引言 本论文研究贴片机自动对准中的伺服运动控制系统，得到以下科研项目的资 助： ( 1 ) 武汉市科技攻关计划项目“高精度贴片机自动对准系统的开发研究”，( 项 目编号：2 0 0 4 1 0 0 1 0 1 2 ) ； ( 2 ) 湖北省教育厅优秀中青年科技创新团队资助计划项目“基于实时机器视 觉信息的微细定位与控制技术研究”。 1 2 课题背景 近年来，我国半导体产业发展迅猛，战略地位日渐突现。作为其支撑的国产 半导体设备业也开始备受关注。近几年我国半导体设备产业取得了很大的提升， 尤其是设备的实用性、可靠性、外观水平等不断进步，产品逐渐获得市场及用户 的认可，并在相对垄断的专用设备行业占有一定的份额。但从另一方面，必须看 到我国在微电子加工、m e m s 等很多高端领域的制造设备与国外的专业大公司还 存在着相当的差距。这就需要我们在诸多基础环节继续加大研究及应用力度。 自动对准运动伺服控制技术作为自动化设备的共性技术，在传统的微电子加 工领域有着广泛的应用，除贴片机外，亦可用于精密机床、机器人、微机电系统 等其它高速高精设备中，在航天、汽车导航、军事、医疗等很多领域也有非常广 阔的应用前景【1 0 】。 目前，键合机能达到的定位精度约为2 5 微米，相应的生产率为1 5 线秒”】。 随着i c 技术的不断发展，芯片的集成度越来越高，芯片接线的间距不断减小，封 装的精密度、速度和可靠性不断提高，例如现在广泛应用于光电器件组装、m o e m s 、 m c m 、m e m s 、三维封装等领域的高精度自动贴片机，它的定位精度已经达到了1 微 米的水平。这就要求伺服运动系统具备高速、高精、强鲁棒性，这些就对运动控 制系统提出了更高的要求【4 7 】。 要实现运动控制系统的高速、高精及可靠的运行就必须深入研究控制电机、 控制策略、实现机制。近年来，随着电力电子技术、数字信号处理器( d s p ) 的不 断进步与发展使得诸多先进控制理论及策略得以在实际应用领域内实现。尤其是 湖北工业大学硕士学位论文 在交流电机伺服控制领域，现代电力电子器件及技术与d s p 微处理器相结合使得 交流电机的精确位置控制成为可能，并且，其各项性能指标不断提高。控制电路 也从模拟电路、数字模拟混合电路发展到全数字电路控制系统，在越来越多的精 确控制领域成为主流【卧”】。 总之，伺服运动控制是自控研究的一个重要组成部分，人们对它的研究最为 广泛而深入，并取得了大量的研究成果。与此同时，工业技术的发展，对伺服控 制也提出了越来越多的新要求，这就需要我们在继承已有优秀成果的基础上对其 做进一步的探索与研究，同时应用到具体的实践中去。 1 3 课题的目的和意义 鉴于上述考虑，本项目将围绕交流永磁同步电机位置伺服控制在光学自动对 准系统中的应用开展研究。课题研究中，在查阅大量电机及其控制策略的同时， 参阅了许多位置伺服控制在具体应用领域的实例，如在自动贴片机、激光雕刻机、 b o n d e r 机及数控机床中的应用。通过分析比较，选用交流永磁同步电机作为控 制对象，采用全数字控制系统。在研究交流永磁同步电机矢量控制原理及电机控 制电流环、速度环及位置环的实现技术基础上，初步搭建一套针对i c 封装光学自 动对准系统的位置伺服运动控制系统，使被控电机通过控制器与p c 相连，并在此 基础上开发出一套人机交互的控制界面，以满足在光学自动对准系统中的具体控 制要求。本控制系统也可以通过一定的改进应用于其他精密位置运动控制领域。 1 4 伺服系统的发展现状及趋势 1 4 1 f 司服系统的发展与现状概述 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 也称随动系统【9 1 0 】，是一种可以按照一定指令控制电机 执行规定运行动作的功能单元，通常由伺服电动机、各种反馈传感器、控制器三 部分构成闭环控制系统，完成位置、速度或转矩等控制量的精密控制。作为一种 动态的随动系统，其达到的稳态平衡也是动态的平衡。使用在伺服系统中的驱动 电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称 为伺服电机。 伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，至今大致经历 了三个主要发展阶段【1 ”1 2 】：第一个发展阶段( 2 0 世纪6 0 年代以前) ，此阶段是以 步进电动机驱动的液压伺服马达或以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺 湖北工业大学硕士学位论文 服系统的位置控制为开环系统。电液伺服驱动系统的特点是具有功率大、响应快、 精度高等特点，被广泛应用于武器、舰船、航空、航天等军事工业部门以及高精 度机床控制。但是，电液伺服驱动系统存在漏油、维护修理不方便以及对油液中 污染物比较敏感等问题而经常发生故障。第二个发展阶段( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) ， 这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，直流电机由于励磁磁场和 电枢磁场完全解耦，无励磁损耗，可以独立控制，伺服系统的位置控制也由开环 系统发展成为闭环系统。因此直流电动机具有优良的调速性能，出力大、调速范 围宽，易于控制。鉴于以上优点，直流电动机被很多高性能的驱动装置所采用。 然而，它又存在着与优点同样明显的缺点，那就是传统直流调速电机结构上必须 有机械换向器( 也称整流子) 和电刷( 也称碳刷) 。电刷的使用使其运行时噪声大，换 向时易产生电火花，磨损快，寿命短等缺陷。这种结构上的缺陷，给传统直流调 速系统的发展带来一系列的限制。第三个发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) ，这一 阶段是交流伺服系统快速发展的时期。对于交流感应电机来讲，它是一种多变量、 强耦台、非线性的机电一体化执行元件，传统的控制方法很难得到理想的控制结 果。早在7 0 年代初，德国学者e b l a s c h k e 就在前人提出的坐标转换基础上提出了 交流电机矢量变换控制原理，这就为交流电机在伺服控制技术上奠定了坚实的理 论基础，然而要在具体应用中实现交流电动机这样的复杂控制系统，要求实时完 成控制过程中多种数据的存储，并能够对其快速、实时的处理，这些要求是当时 的电力电子器件及微处理器性能所无法满足的。2 0 世纪8 0 年代以后，随着微电子 技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的发展，特别是数字控 制处理芯片( d s p ) 的运算能力和可靠性不断提高。与此同时，各种新型易于控制、 性能优良的电机不断出现，如交流永磁同步伺服电动机( 正弦波驱动) ，开关磁阻 电机等。使得交流电动机的诸多控制理论得以实现。 目前的工业位置伺服系统中，一般要有足够的位置控制精度、位置跟踪精度 及快速的跟踪速度。系统运行时要求能以一定的精度随时根据指令的变化而变化， 因为系统中伺服电动机的运行速度常常是不断变化的。故伺服系统在跟踪性能方 面的要求一般要比普通调速系统高且严格得多。交流伺服电动机本身结构简单， 坚固耐用，体积小，重量轻，没有机械换向，无需多少维护。另外，由于电力电 子器件组成的逆变器以及微电子器件对逆变器的控制灵活，使其可以达到优良的 伺服性能。而直流电动机存在电刷和机械换向器的限制，以及直流伺服系统生产、 维护成本高。因此，伴随着新的控制器件和电机控制方法的出现，交流伺服系统 的已经在实际应用中广泛地替代了直流伺服系统。 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 2 交流伺服系统的分类及特点分析 交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可分为模拟伺服系统、数字模拟 混和伺服系统和全数字伺服系统】。在模拟控制伺服系统中，输入的指令信号和 输出信号都是模拟量，中间的调节器是模拟式。系统中的电流及转速的检测信号 也都是模拟量。由于系统中各处的控制信号都是模拟信号，控制信号是连续的， 故整个控制系统对控制信号的响应很快。缺点是系统基本由硬件器件组成，模拟 器件具有分散性，易受温度影响，系统调整困难，缺少柔性及复杂的计算能力。 数字控制系统也称作计算机控制系统，是自动控制理论和计算机技术相结合的产 物，一般是指微处理器参与控制的开环或闭环系统，通常具有精度高、速度快、 存储量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现复杂的控制方法，获得快速精 密的控制效果。当然，数字控制也存在一些不足，如控制的响应速度由数字运算 单元的运算速度所决定，因而影响系统响应速度，不及模拟系统快，且成本相对 较高。在现实应用中，针对不同的具体问题，或者采用模拟控制技术或者采用数 字控制技术，有时也采用模拟一数字混合控制技术。采用何种方式，要根据实际 应用情况做具体分析。 目前，微处理器的发展迅速，其运算能力与可靠性不断提高。单片机、高速 信号处理器d s p 及专用伺服控制芯片在伺服控制系统中的应用，使伺服系统开始 由传统的模拟式、数模混和式向全数字化控制系统发展【1 ”。全数字化的实现，将 原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理 论的先进算法成为可能。全数字化控制使系统获得高精度、高可靠性、并增强了 系统的功能。同时，数字控制系统具有极好的柔性功能，在硬件相同的情况下， 通过改变软件可以实现多种不同的控制功能，甚至不同种类的伺服电动机也能用 相同的硬件通过不同的软件进行控制。总之，全数字伺服系统能明显地降低控制 器的硬件成本，显著改善控制的可靠性，实现软件模块化设计，并容易和上位机 连接，改变控制参数，完成性能优异但算法复杂的控制策略。 交流伺服系统按照使用伺服电动机的种类不同通常可分为两种：一种是用感 应式异步电动机构成的伺服系统，另一种是用永磁同步电动机构成的伺服系统。 感应式异步电动机控制上采用矢量变换控制，该类型电机的主要优点是可高速运 行，大转矩输出，结构坚固，易维护等。但系统比较复杂，参数受转子温升影响， 低速运行时发热比较严重，且容量小时效率低，仍主要集中在性能要求不高的大 功率伺服领域。永磁同步电动机构成的伺服系统，控制上亦采用矢量变换控制， 其电机的主要特点是体积小、重量轻、可大转矩输出、功率密度高，缺点是采用 湖北工业大学硕士学位论文 矢量控制，控制较复杂，弱磁控制难。 在永磁同步电机控制系统中，根据驱动电源波形的不同( 正弦形或矩形) ，分 为无刷直流电动机同步系统和正弦波永磁同步系统；无刷直流电动机驱动的特点 是结构简单且对磁极位置检测器件要求低，驱动控制易于实现，主要用于恒速驱 动、调速驱动和位置要求不高的位置伺服系统。但由于电流换相的影响，转矩脉 动较难抑制。永磁同步电动机转子采用永磁材料，定子绕组为对称多相正弦分布 绕组。通以对称的多相交流电，会产生恒定的旋转磁场和平稳的电磁转矩，虽然 驱动相对复杂，却具有转矩平滑和运行速度高等优点，从伺服角度看，两者重要 的差别是永磁同步驱动比无刷直流驱动可获得更小的转矩脉动，因此永磁同步电 动机更适合于高性能的运动控制场合。这使得永磁同步电动机渐渐成为高性能交 流伺服驱动的最佳选择，交流永磁同步伺服系统也成为目前最具发展前景交流伺 服系统。 1 4 3 交流伺服系统的控制技术及应用 从交流伺服系统的控制理论研究来看，相关学者对交流永磁伺服系统的控制 策略做了深入的研究。目前，针对交流伺服电机控制方法主要有矢量控制和直接 转矩控制两种控制方法。直接转矩控制方法对系统控制的硬件要求高、低速性能 较差、电机调速范围较窄、适用于速度变动范围不宽的调速系统。而使用矢量控 制方法时，系统调速范围较宽，低速性能良好。根据永磁同步电机的自身特点， 只有选择矢量控制方法才能满足交流永磁同步伺服系统的控制要求。从功率控制 器件上讲，可控型功率控制器件的不断发展为电机控制系统的完善提供了硬件保 障，如门极可关断器件( g t o ) 、大功率晶体管( g t r ) 、绝缘栅双极性晶体管( i j b t ) 等，这些使得高频、高压、大功率p 1 v m 控制技术成为可能，而且很多控制电路实 现模块化，使交流伺服系统控制方便、可靠性高、抗冲击能力强、适应性好、负 载能力强。从处理器方面讲，1 ) s p 处理器的性能与运算速度不断提高为交流伺服系 统复杂控制算法及实时要求提供了实现基础。 在实际的工程运动控制系统应用中，系统变得越来越复杂，不仅需要多个变 量来描述一个系统，而且常常需要同时控制多个变量。因此，伺服系统在实际应 用中往往是要同时控制多个伺服单元，实现一定的运动合成，如i c 自动对准系统、 数控机床、测量仪器等。目前，大部分成型控制器的控制一般分为上、下位机两 级控制。从运动的控制和功能来看，上位机对末端执行机构的运动轨迹进行规划， 然后把数据通过接口或总线传给下位机，下位机完成运动的插补运算、伺服控制 和数据采集、信号检测等功能。 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 4 伺服系统的发展趋势 从目前伺服系统的发展来看，数字化交流伺服系统的应用越来越广，用户对 伺服驱动技术的要求越来越高。伺服系统的发展趋势可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 交流化，由于交流伺服系统良好的控制性能，伺服技术将继续迅速地由d c 伺服系统转向a c 伺服系统。( 2 ) 全数字化，采用新型高速微处理器和专用数字 信号处理器( d s p ) 的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单 元，从而实现完全数字化的伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制 变成了软件伺服控制，从而使在伺服系统中应用现代控制理论与先进控制算法成 为可能。( 3 ) 采用新型电力电子半导体器件，伺服控制系统中先进器件及智能控 制功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e s ，简称i p m ) 的应用显著地降低了伺服单元 输出回路的功耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声，显著地简化了伺服 单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。( 4 ) 智能化，智能化是当前 一切工业控制设备的发展趋势，现在很多数字化的伺服控制单元通常都设计为智 能型产品，他们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机交互 的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数可以由上 位计算机加以修改，其次，它们具有故障自诊断与分析功能，有的伺服系统还具 有参数自整定的功能。这些都大大方便了运动系统的控制。( 5 ) 模块化和网络化， 以工业局域网技术为基础的工厂自动化( f a c t o r ya u t o m a t i o n 简称f a ) 工程技术在 最近十年来得到了长足的发展【” 1 6 1 。 总之，从实际工程应用状况来看，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足 一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使 用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统 发展水平的主导产品一伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、 智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。 1 5 本文主要内容 本文的主要内容是深入研究永磁交流同步电机的控制技术及实现机制，并在 此基础上为i c 自动定位系统开发一套高性能的伺服装置。主要研究内容及实现方 法如下： ( 1 ) 研究交流伺服电机的控制原理，根据矢量坐标转换原理导出交流永磁同 步电机的空间矢量变换方法，并确定相应的控制策略； ( 2 ) 针对i c 精密定位项目设计一套伺服系统的总体实现方案； 湖北工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 根据设计方案，选取合适的控制卡、驱动器、电机、电源、运动平台等， 构建出伺服控制系统的硬件部分； ( 4 ) 针对精确定位系统的位置伺服的功能及技术要求，利用了v i s u a lc + + 开 发平台、m f c 类库、运动控制卡控制函数，开发了一套软件原型系统，在友好的 人机界面下完成系统的功能选择、参数配置、信息反馈及实时显示状态。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章交流同步电机控制策略分析 2 1 矢量控制概述 1 9 7 1 年，由德国b l a s c h k e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制 ( t r a n s v e c t o rc o n t r 0 1 ) 理论【1 7 ，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控 制问题。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机的转矩控 制规律，在磁场定向坐标上将电流矢量分解成产生磁通的电流分量f ，和产生转矩 的电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交 流电动机的转矩控制，从原理及特性上就与直流电动机相似了。因此，矢量控制 的关键仍是对电流矢量的幅值和空问位置( 频率和相位) 的控制。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终的实施是对定子电流( 交 流量) 的控制。由于在定子侧的各物理量( 电压、电流、电动势、电磁势) 都是 交流量，其空间矢量在空间上以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。因 此，需要借助于坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站 在同步旋转坐标系上观察，电动机的各空间矢量都变成了停止矢量，在同步坐标 系上的各空间矢量就变成了直流量，根据转矩公式找到转矩与被控矢量的各分量 之间的关系，实时的计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值直流给定量。 按这些给定量实时控制，就可达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量 在物理上是不存在的、虚构的，因此，还必须经过坐标的逆变换过程，从旋转坐 标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定 子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。 2 2 矢量控制中的坐标变换 根据电机空间矢量定义知1 ，如果某一物理量的三相分量分别是厶、厶、厶， 三相绕组轴线互差1 2 0 。，如图2 1 所示，该物理量的空间矢量表达式为 厂= ( 厶+ 晚+ 口2 矗) ( 2 1 ) 2 z 其中：复矢量口：e 7 了 湖北工业大学硕士学位论文 b 相轴线 c 相轴线 a 相轴线 图2 - 1 永磁同步电机空间矢量定义 通常三相绕组，在空间位置上互差1 2 0 。机械角，在三相绕组中通以三相对称 电流，则在相位上互差1 2 0 。电角度，产生的合成磁场具有以下特点： ( 1 ) 合成磁场的轴线随时间的变化而旋转，电流交变一个周期，磁场也将 旋转一个周期； ( 2 ) 旋转过程中，合成磁场场强不变，故称圆形旋转磁场： 单项、两相及多相对称绕组，通以相应的对称电流都可以产生旋转磁场。两 相对称电流通入两相对称绕组，产生的合成磁场具有三相旋转合成磁场同样的特 性。 如果在转子上放置两个匝数相等、互相垂直的直流绕组m 和t ，通入相应的直 流电流时，他们的合成磁场也是恒定磁场。调节两绕组的电流，则合成磁场的磁 场强度得到调整。当该转子旋转时，两相绕组同步旋转，合成磁场也同步旋转， 同样此恒定磁场也在空间形成一个机械旋转磁场，并且，它与前面介绍的三相、 两相绕组产生的磁场可以完全等效。当观察者站到转子上和绕组一起旋转时，定 子磁场在空间相对旋转，其旋转速度等于转子速度，方向与转子旋转方向相反。 图2 2 分别是三相静止交流绕组、两相静止交流绕组及两相旋转直流绕组示意图， 其中 a ) 三相绕组在空间位置上互隔1 2 0 。，绕组内通入三相平衡交流电流( 三相电 流的幅度相同，相位角互差1 2 0 。，频率为0 5 ) ，图2 2 ( a ) 所示。 b ) 两相绕组在空间位置上相隔9 0 。，绕组内通入两相平衡交流电流( 两相电流 的幅度相同、相位角互差9 0 。，频率为脚) ，图22 ( b ) 所示。 c ) 两相绕组在空间位置上相隔9 0 。，以角速度棚旋转，绕组内通入直流电流 i a 、i 。，图2 - 2 ( c ) 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 b f u b 哆 # i f - r “j o o l a u a 如果三相磁场系统、两相磁场系统和旋转直流磁场系统产生的磁场完全相同 ( 磁极对数相同、磁场强度相等、转速一样) 。则它们的磁场系统是等效的，并且 这三种磁场之间可以进行等效变换【1 ”。 矢量控制中，电机的电压、电流及磁通等均由空间矢量来描述，并通过建立 电机的动态数学模型，得到各物理量之间的实时关系。通过坐标变换，在定向坐 标上实现各物理量的控制与调节。 由上面分析可知，一个三相交流的磁场系统和一个两相旋转的直流磁场系统， 通过两相交流系统作为过度，可以互相进行等效变换。所以，如果将用于控制交 流调速的给定信号变换成类似于直流电动机磁场系统的控制信号，也就是说，假 想由两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上，两个绕组中分别独立地通入 由给定信号分解而得到励磁电流信号和转矩电流信号j 。并把、f 。作为基本控 制信号，通过等效变换，可以得到与基本控制信号“f 。等效的三相交流控制信号 i 。、i 。、i ，用它们去控制逆变电路。同样，对于电动机在运行过程中系统的三 相交流数据，又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号，反馈到控制端，用来 修正基本控制信号“f 。 矢量控制中所用的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系。 基于三相定子的三相绕组构成的三相定子a b c 坐标系和由固定在a 轴上的口轴 和与之垂直的卢轴所组成的两相定子口一卢坐标系均为静止坐标系。而d 轴固定在 转予轴线上的q d o 垂直坐标系和m 轴固定在定向磁链上的m t 定向坐标系均为旋 转坐标系。 通常矢量控制中的坐标转换为： 1 ) 三相定子a b c 坐标系与两相定子a - p 坐标系之间的转换，称为l c a r k e 变换其矩阵式为 湖北工业大学硕士学位论文 肿。嘲 沼” 式( 2 2 ) 的逆变换为 = ； 其中：c l a r k e 逆变矩阵为 嗽。= 讣也吲 l0 13 22 1 3 22 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 这里以旋转矢量电流i 为例，其从三相定子a b c 坐标系变化到两相定子 口一口坐标系的矩阵形式为 其逆变换矩阵形式为 胖2 l 5 占- 刳 2 3 lo 1 3 22 13 22 朝 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 2 ) 定子静止两相叩0 坐标系统变换到转子q d o标系统，这种变换称为p a r k 变换，其变换矩阵的形式为 ：笪：!： 1 0 1 2 。hiiijjjjiu。j 湖北工业大学硕士学位论文 陴。冈 l f o jl s oj ( 2 8 ) 其中p a r k 变换矩阵为 妇s i n 0o 强m = | _ s i n o c o s o0( 2 9 ) l 00 1 j 式( 2 8 ) 也称角位解耦变换，式( 2 9 ) 表示的变换矩阵称角位解耦变换矩阵。 从角位解耦变换矩阵可以看出它是一个正交矩阵，即其逆矩阵等于转置矩阵，同 时，由于0 轴分量与转子位置角没有关系，因此不作任何变换。可由( 2 9 ) 得出 p a r k 变换的逆变换形式 肿目 ( 2 1 0 ) 其逆变换矩阵为 c 。s 口 一s i n 口 o = l s i n oc o s o 0 l ( 2 - 1 1 ) l 0o 1 j 这里以旋转矢量电流i 为例，其从转子q d o 坐标系统变换到定子静止两相n 猡0 坐标系统的矩阵形式为 乏 = 。一c 。o i s n o 目。s 。i n 。o 目 。 i 。d c z - z ， 其逆变换矩阵形式为 | ： ：高爿 沼 以上给出了矢量控制中坐标变换的原理及变换方法，对于矢量电压、磁场等相 关矢量在以上不同坐标系间的相互转换同样可以按照以上变换方法来完成。 在对交流永磁同步电机进行控制时，通过相应的坐标变换，可以使其中一个磁 场电流不变，而控制另一个磁场电流f 。，从而获得和直流电动机类似的控制效果。 2 3 永磁同步电机数学模型 永磁同步电动机的转子采用永磁体励磁，取代了普通同步电机转予中的励磁 1 2 湖北工业大学硕士学位论文 绕组，省去了励磁线圈，定子与普通同步电机的定子一样，通常由三相对称电枢 绕组和铁心组成。由于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、方波或梯形波。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波 形也对应为正弦波、方波或梯形波【2 0 1 1 。本系统选用的是正弦波永磁同步电机 ( p m s m ) ，因此下面着重讨论这种电机的数学模型。 建立数学模型时，先做以下基本假设：假定转子永磁磁场在气隙空间分布为 正弦波，定子感应电势也为正弦波；假设磁路线性，电感参数不变，忽略磁滞与 涡流损耗，转子无阻尼绕。 图2 3 示出了一台两极永磁同步电机的结构简图。其电势与磁链满足右手定 则，且相电流产生的磁场轴线与绕组轴线一致，定予三相绕组轴线按照空间逆时 针排序，a 相绕组轴线作为定子静止参考轴，转子永磁极产生的基波磁场方向为d 轴( 直轴) ，而q 轴( 交轴) 顺着旋转方向超前直轴9 0 。电角度。以转子直轴相对于定 子a 相绕组轴线作为转子位置角0 ，即逆时针方向旋转为转子正方向。d q 轴系的 空间坐标以d 轴与参考轴a s 间的电度角0 来确定。其形式如图2 - 4 所示。 图2 3 两极永磁同步电机结构模型图2 - 4d q 旋转坐标 根据电机统一理论的结论，转子坐标系( d q 轴系) 中的永磁同步电机定子磁链 方程为： l ；，l d = l 乒d + v = l q i q 式中，一转子磁钢在定子d 轴上的耦合磁链 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) l 、l q 一永磁同步电机的直、交轴主电感； i 。、i 。一定予电流矢量的直、交轴分量。 由式( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 可以看出，转子d q 坐标系中定子磁链直轴分量包括 直轴电枢电流产生的电枢反应磁场l d i 。和转子永磁磁场两部分；定子磁链交 湖北工业大学硕士学位论文 轴分量只有电枢电流交轴分量f 。产生的电枢反应磁场厶。 当三相永磁同步电机的定子绕组采用星型连接时，三相定予电流在电枢绕组 中满足基尔霍夫电流定律，目l j - - 相电流相加为0 ，因此定子电流的0 轴分量等于0 。 这样由式( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 得到的定予磁链的零轴分量也等于0 ，且定子电压的0 轴分量也为0 ，因此定子电压和磁链在转子d q 坐标系中的方程为： “u d q = 只s i q + 台三 p ： + 彩 三一寺4 ： + 吕 c z 一s ， 将( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 代入式( 2 - 1 6 ) 并用定子磁链的直轴与交轴分量来表示定 子电压方程，得： u 。= r 。i a 十p l l ，d 一缈q = r s i d 十p l t i d 一l n i j u q = r 。i q + p l f ，q + vd = r ；i q + p l q q + c o l a i a + c o g 式中，“。、“。一定子电压矢量在的d ，q 轴的分量； 珊一转子角频率； r 。一每相绕组电阻； p = ( ，d t 一微分算子。 p m s m 的转矩方程为： r = p 。眵。i y ，i 。) = | p 。盼，+ 旺。一l q 。i q j 电机的机械运动方程为： ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) t = t + 口蹄_ + ，d 阡，卅a t ( 2 - 2 0 ) 式中，p 。一电动机极对数； b 一摩擦系数； 一转子角速度； i ，一电机的转动惯量。 从上式可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本取决于定子交轴电流分量和 直轴电流分量，在永磁同步电机中，由于转子磁链恒定不变，通常采用转子磁链 定向的方式来控制永磁同步电机。 2 4 永磁同步电机的矢量控制方法 高性能控制要求交流永磁同步伺服系统常选择矢量控制方法。常用的矢量控 制方法有i a = o 控制、最大转矩电流比控制、功率因数c o s o = 1 控制、恒磁链控制、 弱磁控制、最大输出功率控制等。这些方法各具特点，适用于不同场合。i a = o 控 4 湖北工业大学硕士学位论文 制实现了永磁同步电机的解耦控制，最大优点是电机的输出转矩与定子电流的幅 值成正比，其性能类似于直流电机，实现相对简单，应用广泛；最大转矩电流比 控制可使单位电流输出的转矩最大；功率因数c o s ) = l 控制的特点是电机功率因数 恒为1 ，逆变器的容量得到了充分的利用；恒磁链控制可以增大永磁同步电机的最 大输出转矩；弱磁控制让永磁同步电机恒功率地运行于更高的转速；最大输出功 率控制保证输出功率最大为前提。本系统中应用= o 矢量控制法，它不但控制方 法简单，且能满足系统对响应速度快、大转矩等指标的要求f 2 6 q m 。 2 4 1 直轴电枢电流为零控制策略 直轴电枢电流i 。= 0 的控制策略中【2 9 3 1 】，当永磁同步电机定子电枢电流的直轴 分量t ，在控制过程中始终等于0 时，将= o 代入( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ，永磁同步电机 电压方程可化解为 “d = 一 ( 2 2 1 ) “。= r ；+ p 妒。+ 妒 ( 2 - 2 2 ) 直轴电枢电流i 。，= o ，相当于等效直轴绕组开路不起作用。因此，若不考虑定 子直轴电压分量，仅从交轴电压方程可以看出，永磁同步电机相当于一台他励直 流电动机，定子电流中只有交轴t 分量，励磁磁链等于转子永磁极产生的磁链恒定 不变，等效交轴绕组中的励磁电势与转子角速度成正比。因为定子磁动势空间矢 量与永磁体磁场空间矢量正交，电动机转矩中只有转矩分量，所以电磁转矩与交 轴电枢电流成正比，即转矩为 t = p 峨 ( 2 2 3 ) 0 = o 控制在p m s m 的矢量控制中应用最为成功，也最为普遍。实现0 = 0 控 制通常有两种方法。一种是按照交流电流跟踪策略的电流反馈解耦控制；一种是 按照q d 电流的电压前馈解耦控制。这两种控制策略的主要不同在于形成q d 坐标 电流指令以后处理的方法不同。 2 4 2 交流电流跟踪策略 交流电流跟踪策略是将指令q d 电流j ：与e 通过转子两相到定子三相的坐标变 换获得三相电流指令值f j 、i ：、f ；，再将三相电流指令值与实际三相电流比较， 再用滞环比较器控制逆变器的导通与关断，实际三相电流通过电流传感器检测得 到，控制结果使得实际三相电流跟踪指令三相电流。 湖北工业大学硕士学位论文 在直轴电枢电流i 。= 0 的控制系统中，利用电磁转矩指令值以及电磁转矩表达 式控制交轴电流或电枢电流f ：指令值的输出，并由此得到三相绕组相电流指令值。 具体计算根据空间矢量与三相绕组电流各分量之间的投影关系，即不考虑零轴分 量情况下定子电流空间矢量在各相绕组轴线上的投影就是该相电流的瞬时值： i ：= i ：c o s ( 0 + ) ( 2 2 4 ) f ：= i ：c o s ( 曰+ 一2 ) ( 2 2 5 ) = i ：c o s ( 0 + 一4 ) ( 2 2 6 ) 然后，利用电流比较器将三相绕组指令电流与实际电流比较a i ，= f ；一i 。，确 定逆变器中的开关状态。当指令电流与实际电流的比较结果为正时逆变器相应的 相绕组上桥臂导通；当比较结果为负时，逆变器下桥臂导通；当比较结果为0 时， 维持原来的状态。电流调节控制系统框图如图2 - 5 所示： 图2 5 交流电流跟踪法系统框图 直接电流比较法对逆变器的开关频率比较高，通常需要一定跟踪精度的滞环 比较器，电流跟踪的精度由滞环宽度来控制。即当实际电流小于指定电流滞环宽 度一半时，下桥臂关断上桥臂导通，当实际电流超过指