（机械工程专业论文）全数字小功率交流伺服系统的研制.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 为了摆脱我国伺服驱动技术受制于人的局面，在分析了国内外的伺服控制方案以及 可行性的基础上，大连机床集团决定走自主创新之路，独立开发一款交流伺服系统。 本文研制了应用于数控机床的全数字小功率交流伺服驱动器。该系统采用美国t i 公司的电机驱动专用数字信号处理器( d s p ) 和美国l a t t i c e 公司的大规模可编程逻辑器件 ( c p l d ) 为核心控制策略，实现位置环、速度环以及电流环的全数字化；主回路选用三菱 公司的最新智能功率模块( i p m ) ，具备可靠完善的短路、过流和欠压等保护功能。在软 件上，利用矢量变换控制原理，对电机的电流进行正弦波控制，实现低谐波、低损耗以 及快速动态响应；采用优化的p i d 控制算法，提高位置与速度控制的准确性和快速性。 并对产品的电磁兼容性进行了设计，做了大量的试验，使得该系统的电磁兼容性得到了 很大的提高和改善。现在这种产品已经广泛应用到大连机床集团出产的数控机床上，得 到了市场的认可和客户的好评。 此产品的研制成功，改变了大连机床集团伺服驱动装置全部依赖进口的情况，也使 得大连机床集团跨入了国际同行业的先进技术阵营。 关键词：交流伺服系统；矢量变换；p i d 控制；电磁兼容 全数字小功率交流伺服系统的研制 r e s e a r c ho f f u l l - - d i g i t a ll o w p o w e ra cs e r v os y s t e m a b s t r a c t d a l i a nm a c h i n et o o l sg r o u pd e c i d e dt od e v e l o pa l la cs e r v os y s t e mi n d e p e n d e n tt o b r e a ka w a yf r o mt h ec o n t r o lo fo t h e rc o u n t r i e s t i l i sa r t i c l ed e v e l o p st h ef u l l - d i g i t a ll o w - p o w e ra cs e r v od r i v e st oa p p l yt oc n c m a c h i n et o o l s i tu s e st h ed s po ft ia n dt h ec p l do fl a t t i c ei nu st or e a l i z ed i g i t a l i z e dt h e p o s i t i o nl o o p ，s p e e dl o o pa n dc u r r e n tl o o p t h em a i nc i r c u i t s e l e c t si p mo fm i t s u b i s h i ，嘶t h p e r f e c tp r o t e c t i o nf e a t u r e so fs h o r tc i r c u i t ，o v e rc u r r e n ta n du n d e rv o l t a g e i nt e r m so f s o f t w a r e ，i tu s e st h ev e c t o rc o n t r o lp r i n c i p l et ot r a n s f o r r nt h es i n u s o i d a lm o t o rc u r r e n tc o n t r 0 1 i ta c h i e v e sl o wh a r m o n i c s 1 0 w1 0 s s a sw e l la sf a s td y n a m i cr e s p o n s e i to p t i m i z e st h eu s eo f t h ep i dc o n t r o la l g o r i t h m ，i m p r o v e st h ep o s i t i o na n ds p e e dc o n t r o la c c u r a c ya n df a s t a n di t d o e sal o to fe m ct e s t st oi m p r o v ei t se l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo ft h ep r o d u c t s n o w t h i sp r o d u c th a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt oo u rc o m p a n yo nc n cm a c h i n et o o l sa n di th a sb e e n r e c o g n i z e db yt h em a r k e t ，a n dt h ec u s t o m e r s a c c l a i m t h ed e v e l o p m e n to ft h i sp r o d u c tc h a n g e st h es i t u a t i o nt h a ts e r v od r i v e to fd m t g c o m p l e t e l yr e l y so ni m p o r ta n dm a k e sd m t gs t r i d ei n t ot h ea d v a n c e dt e c h n i q u ed o m a i no f i n t e r n a t i o n a lm a c h i n ei n d u s t r y k e yw o r d s ：a cs e r v os y s t e m ；v e c t o rt r a n s f o r m ；p i dc o n t r o t ；e m c i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 篁垫曼! i 豳聋盘i 丕j 虱盈虽丞垒五亟缉塑i 作者签名：獾兰选硷日期：2 1 l 年三月旦日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：盆塑星d 边孳丞边j 习星益塾纽巫砬复 作者签名： 翟盟硷 日期： 趔年月堡日 导师签名：二型色立! l 日期：竺阜年l 月2 卫日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 交流伺服系统广泛应用于工业生产的各个领域中。数控机床的进给驱动和工业机器 人的伺服驱动是其典型应用。 特别是，集高精度、高效率、高柔性于一身的数控机床是机械工业的加工母机，在 国民经济的发展中，占有极其重要的地位。数控机床的电气电子系统主要是由计算机 数控( c n c ) 系统、进给伺服驱动和主轴驱动系统组成。根据数控系统发出的命令要求， 伺服系统准确快速的完成各坐标轴的进给运动，与主轴驱动相配合，实现对工件的高精 度加工。因此，伺服驱动系统是数控机床的一个重要组成部分，它的性能对零件的加工 精度与加工效率都有重要的影响。在整个数控机床成本的构成中也占有不可忽视的份 额。人们对数控系统给予极大的重视，这是十分必要的。但应该看到，一个多功能的高 性能数控系统必须配置与之相适应的高性能进给伺服系统，才能充分发挥出整个数控机 床的性能。实际上，从数控技术发展的过程来看，随着数控系统进入微机数控时代，驱 动进给机构的伺服系统也相应的由步进电动机与直流伺服电动机驱动而转变为交流伺 服电动机驱动。 由于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的发展，7 0 年代末期进入了伺服技术的交流化时代，相继开发出各种类型的a c 伺服系统，并广泛 用于运动控制，在相当广泛的范围内，取代了步进电动机与直流伺服电动机驱动系统， 时至目前，已成为伺服系统的主流。 1 1伺服系统的国内外发展概况 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力 电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系 统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的 运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、 调整放大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架， 通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂 形状的工件。 按a c 伺服系统所采用驱动电动机的类型来分，主要有二大类：感应式异步电动机 交流伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统。 感应式异步伺服电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护。但控制上采用矢量变 换控制，因而系统比较复杂，转子电阻随温度变化而影响磁场定向的准确性。同时，低 全数字小功率交流伺服系统的研制 速运行时发热比较严重，而低速运行又往往是机床进给机构经常所处的运行状态。这种 类型的a c 伺服系统曾一度得到发展和应用，但由于存在上述一些问题，这种系统在机 床的进给机构驱动中并未得到普遍的应用。不过，由于机床主轴负载的特点，感应式异 步电动机矢量控制系统在主轴驱动中得到非常广泛的应用。 随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，开发出了多种类型的永磁同步电动 机a c 伺服系统，并一跃成为a c 伺服系统的主流，极其广泛的应用在工业生产自动化领 域中。 在永磁a c 电动机伺服系统中，电动机转子所采用的永磁材料主要有铁氧体、钕铁 硼、稀土钴等。初期生产的永磁a c 伺服电动机以铁氧体材料居多，一般来说，目前则 以采用稀土永磁材料较为普遍。当然，也要考虑永磁材料性能、价格以及电动机应用要 求等诸方面。考虑到我国钕铁硼资源非常丰富，制造工艺不断进步，性能逐步提高，价 格逐渐下降等实际情况，钕铁硼永磁材料在伺服电动机中的应用应该首先得到推广。 就永磁a c 伺服电动机的控制形式而言，通常有方波电流控制型和正弦波电流控制 型a c 伺服系统。前者又多称为无刷d c 伺服电动机( b d c m ) a c 伺服系统，后者称为三相永 磁同步电动机( p m s m ) a c 伺服系统。 在b d c m 交流伺服系统中，转子磁极位置的检测通常大致可分为二种方法，一种是 以三个霍尔元件在空间上按1 2 0 。配置，来检测转子永磁体磁极位置，系统所需要的速 度反馈信号单独由交流无刷测速发电机来完成。由于测速机的输出信号平滑，所以这种 系统的低速伺服性能优良，运行平稳。这种检测方法的缺点是磁极位置检测和速度检测 是由二个独立的系统实现的，在作系统定位控制时( 需要位置环) ，还需要加装光电编码 器之类的位置传感器，这样就又增加了电动机非负载侧的轴向长度。另一种常用的方法 是磁极位置，转子速度，系统位置三个信号由同一个具有磁极定位功能的光电编码器来 实现。这种检测方式的优点是多种信号由一个装置完成，电动机的轴向尺寸缩短，系统 成本降低，使用方便，其缺点是在低速运行时难以得到光滑的速度反馈信号。因此电机 在低速区有较明显的速度波动，这对某些高精度应用显然是不合适的。 在p m s m 交流伺服系统中，通常以旋转变压器连续检测转子的磁极位置。有的系统 通过高频数字化处理，解调出磁极位置和速度信号，参与系统控制，因而能获得正弦电 流驱动，这种a c 伺服系统具有十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，故拓宽 了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。 大连理工人学专业学位硕士学位论文 从a c 伺服系统所采用的电力电子器件来说，目前，主要是采用开关频率较高的功 率晶体管( g t r ) 模块以及i g b t 、p - m o s f e t 、智能功率模块( i p m ) 等高频功率器件，这就显 著的提高了系统的快速响应能力，降低了运行噪声，低速更加平稳。 按a c 伺服系统控制电路所使用的基础器件来分，有以采用模拟电子器件为主的a c 伺服系统，或以采用模拟与数字电路的混合控制形式构成的a c 伺服系统。稍后，出现 以微机为基础的数字化a c 伺服系统合以高速的数字信号处理器( d s p ) 为核心的全数字化 a c 伺服系统。微机和d s p 的应用，为在a c 伺服系统中应用现代控制理论，实现复杂的 控制算法和故障诊断，提高工作的可靠性与柔性提供了强有力的技术手段，并使伺服技 术由硬件伺服进入了软件伺服的新时期。 就a c 伺服系统的控制策略来讲，目前仍是以固定的控制结构为主，其结构的基本 形式是从磁极位置和速度检测元件取得钉子电流相位控制信号和速度反馈信号，通过电 流传感器取得定子电流反馈信号，组合双闭环( 速度环和电流环) p i ( d ) 控制方式。不同 的产品主要表现在所用的磁极位置和转子速度检测元件不同，因而提取这些控制信号的 具体电路之间也有很大的差别。 滑模变结构控制作为一种控制策略，虽然经过了多年大量的理论研究工作，证明了 对于驱动系统结构与参数的变化具有很强的鲁棒性，但由于在滑模线上及原点附近的抖 振问题尚未在实践上得到很好解决，因此在使用上发生了困难。所以，时至今日，滑模 变结构控制的a c 伺服系统得应用实例尚不多见。 无传感器的永磁电动机a c 伺服系统，省去了磁极位置和速度传感器，系统的结构 得以简化，提高了可靠性，成本有所降低。但这是以牺牲系统的性能和增加计算复杂性 为代价的。在某些要求不高的应用场合中可以考虑选择这种控制方案。但检测电压和电 流瞬时值与要求高速计算能力等一系列问题是需要认真考虑和进一步解决的。 采用直接驱动的a c 伺服系统对工业机器人各关节的驱动是有价值的。从整个运动 链上考虑，由于省去了谐波减速器，因而消除减速器所带来的一些不良影响。从这方面 看，直接驱动的a c 伺服系统在机器人关节驱动中的应用将会增长。但机械上的简化， 增加了a c 伺服系统本身技术的复杂性，成本也随之提高。 作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一 体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步， 经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。 伺服运动控制系统通过伺服驱动装置将预定指令变成期望的机构运动，一般功率较 小，并有定位要求和频繁启制动的特点，目前在导航系统，雷达天线，精密数控机床， 全数字小功率交流伺服系统的研制 加工中心，机器人，打印机，复印机，磁纪录仪，磁盘驱动器，自动洗衣机，电梯等领 域得到越来越广泛的应用。 近年来，国内外各个厂家都相继推出了伺服运动控制技术及产品，如全闭环交流伺 服驱动技术、直线电机驱动技术、p c c 技术、交流伺服运动控制技术、运动控制卡、 d s p 多轴运动控制器等。随着自动化行业的迅猛发展，对加工设备速度、精度、提出了 更高的要求，交流伺服系统具有的高精度、高响应、高可靠性等特点，正好适应了这一 需求。 中国逐步变成世界工厂，制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空 间，国内一部分厂家纷纷推出自己品牌的交流何服产品。目前国内主要的伺服厂家有华 中数控、广泰数控、时光科技等。其中华中数控、广泰数控成立时间比较早，产品主要 集中在数控领域，产品也比较齐全。另外一些新型公司也在迅猛发展，我们公司目前主 要开发了中小功率永磁同步伺服电机伺服控制器，其技术、成本、价格等均有明显优势。 其中全数字小功率交流伺服驱动器的研制成功，对整个行业的推动也起到了推波助澜的 作用，特别是该产品一经推出，就引起了国外同行的重视，使得他们纷纷降低了其驱动 器的价格。目前伺服市场国外品牌占据了中国交流伺服市场8 5 左右的份额，他们主要 来自日本、德国和美国，日本品牌有安川、发那克( f a n u c ) 、三菱电机、松下等：美国 有罗克维尔( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 、达那赫( d a n a h e r ) 等；德国有西门子( s i e m e n s ) 、 施奈德( s c h n e i d e r ) 等。 1 2 何服系统的发展趋势 综合a c 伺服系统的发展过程与现状，可以看出a c 伺服系统的发展趋势主要表现 为： ( 1 ) 伺服技术继续迅速的由直流伺服系统转向交流化。可以预见，在不远的将来， a c 伺服系统将完全取代d c 伺服系统。 ( 2 ) a c 伺服系统向两大方向发展：一个方向是简易、低成本a c 伺服系统将迅速发 展，应用领域进一步扩大，简易数控机床、办公室自动化设备、家用电器、计算机外围 设备以及对性能要求不高的工业运动控制，这是一个两大面广的不可忽视的应用领域。 与此相反，另一个方向是向更高性能的全数字化、智能化软件伺服的方向发展，这是 a c 伺服系统的发展主流，代表a c 伺服系统发展的水平和主导方向，以满足高精度数 控机床、机器人、特种加工装备精细进给的需要垤吲。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 3 ) a c 伺服系统由以硬件模拟电子器件为主，转向采用数字电路、微处理器、数字 信号处理器，实现半数字化、全数字化，进而由硬件伺服技术转向软件伺服技术。由于 软件伺服技术的发展，极大的增强了a c 伺服系统设计与使用的柔性，同时提供了十分 丰富的自动诊断、保护、显示功能。根据运行要求，可以很方便的设置参数、增强了与 上位控制机的通讯能力。 ( 4 ) 由于微机用于a c 伺服系统，在控制上由通常所采用的p i d 控制规律，开始转 向应用现代控制理论。注意将人工智能、模糊控制、神经元网络等新成果应用于a c 伺 服系统的研究工作。 ( 5 ) a c 伺服系统中所用的电力电子器件不断向高频变化方向发展，智能功率集成电 路将进一步得到普遍应用。逆变器将逐渐变为高频化、小型化的无噪声逆变器。 ( 6 ) a c 伺服系统中所用的位置与速度传感器由单一功能向多功能一体化方向发展。 光电编码器的分辨率将大幅度提高，每一转输出的脉冲数由数千到数万、数十万。传感 器的电子信号处理部分将以微处理器为核心构成独立的微机系统，成为高性能a c 伺服 系统的一个关键组成部分；另一方面与简易低成本a c 伺服系统的发展相适应，小型低 成本低分辨率传感器也将得到更广泛的应用。 ( 7 ) 永磁伺服电动机转子磁钢由采用铁氧体、稀土钴而转向更多的应用钕铁硼，使 电机具有更好的性能价格比。 ( 8 ) 在a c 伺服系统控制器的制造上，结构日趋小型化，采用多单元组合构成多坐 标轴控制器，大板结构，可靠性进一步提高，便于维护及扩充。 1 3 本课题来源、背景、目的及意义 伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术 封锁的主要部分。随着国内交流伺服用电机等硬件技术逐步成熟，以软件形式存在于控 。，制芯片中的伺服控制技术成为制约我国高性能交流伺服技术及产品发展的瓶颈。研究具 有自主知识产权的高性能交流伺服控制技术，尤其是最具有应用前景的永磁同步电动机 伺服控制技术，是非常必要的。 我国在2 0 世纪8 0 年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国家“七五 “八五 “九五”期间对伺服驱动技术进行重大科技攻关，取得了一定成果。8 0 年代， 我国曾花巨资引进德国西门子的伺服驱动技术，但由于引进的技术属于淘汰的落后技 术，自主消化吸收没有突破，导致没有实现产业化。惨痛的历史教训使我们明白了一个 道理：对于伺服驱动这样的战略高技术，靠花钱引进无法办到。盲目效仿国外，只会落 全数字小功率交流伺服系统的研制 后挨打，受制于人。唯一的出路就是走自主创新之路。因此大连机床集团提出了“以我 为主，自主创新 的口号，开始了全数字交流伺服驱动装置的自主开发、研制工作。 此产品的研制成功，改变了大连机床集团伺服驱动装置全部依赖进口的情况，也使 得我们公司跨入了国际同行业的先进技术阵营。本项目的成功开发对我公司有着很重要 的现实意义，为企业在行业竞争中保持优势地位打下基础。 1 4 本课题的主要内容 本课题研制了一款全数字小功率交流伺服系统。在分析了国内外的发展概况及发展 趋势后，根据公司的实际情况，提出了本课题，作为公司的实际运行项目。本课题的主 要内容是： ( 1 ) 根据该系统所要达到的技术指标进行了总体方案设计； ( 2 ) 利用矢量控制理论建立了永磁伺服电动机和伺服系统的数学模型； ( 3 ) 确定了主要功率器件及控铝i j 专用数字信号处理器； ( 4 ) 设计了伺服系统控制回路，功率转换回路； ( 5 ) 实现了伺服系统的硬件、软件设计； ( 6 ) 对该系统进行大量的e m c 试验、评价试验及联机试验，根据试验结果对设计进 行了多次修改，最终完成了研发项目成果与产品的转化。 大连理工人学专业学位硕士学位论文 2 交流伺服系统控制理论分析 2 1 交流永磁同步伺服电动机的数学模型 2 1 1交流伺服电动机的结构特点 永磁同步电动机主要用于进给驱动，其结构如图2 1 所示【2 1 。其中，定子由硅钢片 叠装构成，在其上开有线槽，槽内嵌入三相多极绕组。转子由硅钢片叠装或其他导磁材 料组成。转子轴尾部装有光电编码器、旋转变压器等检测装置。 图2 1 永磁同步电动机的基本结构 f i g 2 1 t h eb a s i cc o n f i g u r a t i o n0 fp m s m 当永磁同步电动机的定子绕组中通入对称三相正弦电流后将在气隙中产生旋转磁 场，在其作用下，永磁转子将以相同的速度随旋转磁场转动，从而输出电磁转矩驱动负 载运动。 根据永磁体的安装方式和磁路方式，永磁同步电动机的转子结构可分为两类，一类 为永磁体表面安装结构，另一类为永磁体内嵌式结构。在表面安装结构中，永磁体沿转 子表面圆周方向等间隔安装。由此形成的反电势波形接近梯形，适用于方波电流控制， 可使控制系统结构大为简化。内嵌式结构转子的永磁体位于转子内部，易于使气隙磁场 成正弦波分布，从而实现正弦波电流控制，以减小转矩脉动，提高低速运行的平稳性。 此外，内嵌式结构具有较强的弱磁控制能力，有利于实现宽范围恒功率调速，比较适合 于构成电主轴h 3 。 全数字小功率交流伺服系统的研制 2 1 2 交流伺服电动机的数学模型 由坐标系下同步电动机的基本模型如图2 2 所示【2 】。下面从驱动控制的角度，给出 由坐标系下同步电动机数学模型的主要方程。 图2 2d q 坐标系下的同步电动机模型 f i g 2 2 s y n c h r o n o u s m a c h i n em o d e li nd qf r a m e ( 1 ) 磁链方程 选择d 轴方向与转子永磁励磁磁链方向一致，得永磁同步电动机磁链方程如下： 咆”_ ( 2 1 ) = l q i q 、。 其中，v f 为永磁励磁磁链；，分别为d 轴和g 轴磁链；l d ，l 。分别为d 轴 i t d2 爹叫v k i d 亿2 ， 2 一国，y 口+ 驴鲁+ q 地 2 言+ q 州o 大连理t 大学专业学位硕十学位论文 ( 3 ) 电磁转矩公式 在由坐标系下，交流永磁同步电动机电磁转矩公式的基本形式如下： t = k ( 一i d ) ( 2 3 ) 其中，k 由电动机结构确定的常数。 将磁链方程( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) 有 t = k 【w f i q + ( 三j l q ) i d i q 】 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 即为交流永磁同步电动机驱动控制中常用的电磁转矩表达式。 ( 4 ) 转矩平衡方程 r ：j 粤+ c 塑+ 乃 ( 2 5 ) d f d t ” 其中，p 为电动机转角；j 为转动惯量；c 为速度阻尼系数；乃为负载转矩。 2 2 交流伺服电动机的矢量控制 矢量控制思想是由德国学者于1 9 7 2 年提出的，首先是应用到感应电动机( i m ) 中。 从那时起，人们对于改善i m 的驱动性能作了大量研究。矢量控制的原理和方法同样可 以应用于永磁电动机( p m ) 。特别是，矢量控制在p m 中更容易实现，因为不存在象i m 中那样的转差频率电流，于是参数的敏感性问题也就不那么突出和严重。另外，应用高 矫顽力和高剩磁感应的永磁材料，可使永磁电机的功率密度高于感应电动机，亦即可以 获得更高的转矩惯量比【引。所以，目前在高性能伺服驱动系统中，例如数控机床、机器 人等，多采用矢量控制永磁电机系统。 2 2 1 矢量控制基本原理 下面主要结合具有正弦波反电动势的p m s m 来讨论矢量控制原理。 众所周知，在他励直流电动机中，励磁磁场和电枢磁通势间的空间角度由电刷和机 械换向器所固定。通常情况下，两者是正交的。因此，电枢电流和电磁转矩间存在线性 关系。通过调节电枢电流就可以直接控制转矩。另外，为使电机在高速区能以恒功率方 式运行，还可进行弱磁控制。正是因为在很宽的运行范围内都能提供可控转矩，直流电 动机才在电气传动系统中得到了广泛应用。 全数字小功率交流伺服系统的研制 与直流电动机不同，在同步电动机中，励磁磁场与电枢磁通势问的空间角度不是固 定的，它随负载而变化，这将引起磁场间复杂的作用关系，因此就不能简单的通过调节 电枢电流来直接控制电磁转矩。 倘若能够通过电动机外的控制系统，即通过外部条件能对电枢磁通势相对励磁磁场 进行空间定向控制，就可以直接控制两者间的空间角度，将此称为磁场的“角度控制 。 若对电枢电流的幅值也能直接控制，就可将永磁同步电动机模拟为一台他励直流电动 机，可以获得与直流电动机同样的调速性能。由于既需要控制定子电流空间相量的相位， 又需要控制其幅值，所以称为“矢量控制”。 在角度控制中，一个特殊选择是使电枢磁通势与励磁磁场间的角度为9 0 。( 正交) ， 这种情况常称之为“磁场定向”。通过磁场定向，可以获得良好的去磁特性，使每安培 电枢电流产生的电磁转矩最大，实现了对直流电动机的严格模型。 2 2 2p m s m 的电磁转矩控制方法 由砌坐标系下同步电动机的数学模型可知，在磁场定向( 永磁励磁磁链方向与d 轴 方向一致) 的前提下，永磁同步电动机的电磁转矩公式为 t = 尺【甲r + ( 厶一厶) 0 】 从上式可以看到，如果通过电流控制使d 轴电流易= 0 ，则有 t = q ( 2 6 ) 由于永磁励磁磁链甲r 为常数，因此，此时电动机输出的电磁转矩将与g 轴电流成 正比。这意味着控制乞就可以像控制直流伺服电动机一样实现对交流永磁同步电动机电 磁转矩的直接控制。 o 图2 3 磁场定向控制示意图 f i g 2 3 f i e l d - o r i e n t a t i o nc o n t r o ld i a g r a m 大连理j f 大学专业学位硕士学位论文 实现这种模拟直流电动机控制的前提是磁场定向，即必须保证永磁励磁磁链甲，的 方向与d 轴方向一致( 见图2 3 ) 。为实现这一要求，可通过安装于电动机轴上的转子位置 传感器( 光电编码器) 实时获取以只角表示的转子磁极位置信息。显然，如果b 检测有误 差，将不能保证甲，的方向与d 轴方向一致，从而使定子电流f ，在v ，方向的投影不等于 零，控制效果达不到理想境界。 2 2 3p m s m 的电磁转矩控制系统 由上可知，在磁场定向的基础上，要准确控制p m s m 的电磁转矩，就必须在由坐 标系中对p m s m 的定子电流岛和进行有效控制，即保证岛恒为。的同时，使等于由 希望电磁转矩确定的指令值。考虑到驱动系统运行过程中，不可避免存在各种干扰，因 此为抑制这些干扰的影响，保证电流控制的准确性，对屯和乞的控制必须通过闭环方式 进行。 由于由坐标系下的毛和屯与三相交流坐标系下的电流、i c 间存在确定的坐标 变换关系，因此，对p m s m 进行电流闭环控制，可采用两种方案来实现：一种为直流 闭环控制方案，另一种为交流闭环控制方案。 直流闭环控制的基本思想是在变换后的面坐标系中，对电流乙和乞分别进行闭环控 制，从而实现对电磁转矩的直接控制。由于在由坐标系中，电流和乞均为直流量，因 此称为直流闭环控制。按该方案构成的电磁转矩控制系统的基本结构如图2 4 所示1 7 。 图2 4 直流闭环电磁转矩控制系统 f i g 2 4 1 3 ( 2c l o s e dl o o pe l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u ec o n t r o ls y s t e m 全数字小功率交流伺服系统的研制 交流闭环控制的基本思想是在a - b c 坐标系中，对电流、 控制，从而实现对电磁转矩的直接控制。由于在a b c 坐标系中 如、t 分别进行闭环 ，电流、t 均 为交流量，因此称为交流闭环控制。按该方案构成的电磁转矩控制系统的基本结构如图 2 5 所示【7 1 。 图2 5 交流闭环电磁转矩控制系统 f i g 2 5 a cc l o s e dl o o pe l e c t r o m a g n e t i s mt o r q u ec o n t r o ls y s t e m 在由逆变器供电的驱动控制系统中，三相交流电动机定子绕组通常采用y 形不带零 线的接法，三相电流间存在以下关系： + + 如= 0 ( 2 7 ) 由电流关系式： 因此，式( 2 8 ) 可简化为 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 、1、iij、七，0 123叫 j 2压丁 b 一 一2 b 一 一；一 卜压丁 压怄压怄 k 复 也 压竺2 弋、厂 b 一卜1 卜叫压一2 + 卜，一23叫 t 鱼2 一2 k 一 卜压了压怄压恬 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 简化后，a b c 坐标系到口一坐标系的变换矩阵如下式所示： = 隰瑚 亿坳 通过上述处理，不仅可简化计算，而且由于只需检测a 、b 两相电流，使硬件结构 也可得到简化。 2 2 4p m s m 的转速和转角控制系统 在对永磁同步电动机进行电流( 电磁转矩) 控制的基础上，可进一步构成转速与转角 控制系统，如图2 6 所示【7 1 。该系统的转速控制环以上述电磁转矩控制系统和电动机为 被控对象，通过检测装置获取电动机的实际旋转速度，它以整个转速内环为被控对象， 通过光码盘等检测装置获取电动机实际转角信息，最终实现对电动机角位移的精确快速 控制。 图2 6 永磁同步电动机转速转角控制系统结构框图 f i g 2 6 p m s mr o t a t i o ns p e e dc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 速度指令和速度反馈信号在速度控制器的输入端进行比较，速度控制器的输出信号 为电流指令信号，这是一个表征电流幅值的直流量。但电动机是交流电动机，要求在其 定子绕组中通入交流电流。因此，必须将速度控制器输出的直流电流指令交流化，使该 交流电流指令的相位由转子磁极位置决定，电流指令的频率由转子磁极的旋转速度来决 定，并且把电流指令矢量控制在与磁极所产生的磁通相正交的空间位置上，这样就可以 达到与d c 伺服电动机相似的转矩控制。为此，将位置检测器输出的磁极位置信号，在 乘法器中与直流电流指令相乘，从而在乘法器的输出端就获得了交流电流指令。交流电 流指令值与电流反馈信号相比较后，差值送入电流控制器。依靠电流控制回路的高速跟 全数字小功率交流伺服系统的研制 踪能力，使在电动机定子电枢绕组中产生出波形与交流电流指令相似但幅值要高得多的 正弦电流，该电流与永磁体相互作用产生电磁转矩，推动a c 伺服电动机运动。 a c 伺服电动机产生电磁转矩的原理与d c 伺服电动机相同。放在磁场中的载流导体将 受到作用力，作用力的方向与导体垂直。a c 伺服电动机中的导体就是固定在定子铁心 上的电枢线圈，作用在电枢线圈上的力以反作用力的方式驱动转子永磁体，从而使转子 旋转起来。这时，在永磁体转子旋转的同时，若能在定子线圈中流过与转子磁极位置保 持一定相对关系的三相正弦电流，转子就会连续受到旋转力的作用而继续运动。 人连理t 大学专业学位硕士学位论文 3 交流伺服系统的设计 交流伺服系统由以下几个部分组成，d s p 外围电路，接口单元( 控制板) ；电源模块， 电力逆变模块，检测模块，故障保护模块( 功率放大板) ：键盘显不- - 世啊伙 9 1 。系统结构 见图3 1 。 图3 1 交流伺服系统结构示意图 f i g 3 1 a cs e r v os y s t e ms c h e m a t i cd i a g r a m 3 1 交流伺服系统的基本结构和工作原理 3 1 1 交流伺服系统的基本结构 永磁同步电机伺服系统除电机外，系统主要包括驱动单元、位置控制系统、速度控 制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。 ( 1 ) 永磁交流同步伺服电机。永磁交流同步伺服电机具有结构简单、体积小、重量 轻、损耗小、效率高的特点。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要 更多维护给应用带来不便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单，定子电流和定子电 全数字小功率交流伺服系统的研制 阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好，但存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震 能力差，高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等缺点。与普通同步电动机相比， 它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高 精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制。 ( 2 ) 驱动单元。驱动单元采用三相全桥自控整流，三相正弦p w m 电压型逆变器变 频的a c i ) c - a c 结构，如图3 2 t 1 0 l 。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于 一体的智能功率模块( i p m ) 。 电 r s t 图3 2 三相电力变换电路的基本结构 f i g 3 2 t h r e ep h a s ep o w e rc o n v e r s i o nb a s i cs t r u c t u r e ( 3 ) 控制单元。控制单元是整个交流伺服系统的核心，实现系统位置控制、速度控 制、转矩和电流控制器。具有快速的数据处理能力的数字信号处理器( d s p ) 被广泛应用 于交流伺服系统，集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如a d 转换器、p w m 发 生器、定时计数器电路、异步通讯电路、c a n 总线收发器以及高速的可编程静态r a m 和 大容量的程序存储器等。 ( 4 ) 位置控制系统。对于不同的信号，位置控制系统所表现出的特性是不同的。典 型的输入信号有三种形式：位置输入( 位置阶跃输入) 、速度输入( 斜坡输入) 以及加速度 输入( 抛物线输入) 。位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码 器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂， 价格昂贵。磁编码器是实现数字反馈控制性价比较高的器件，还可以依靠磁极变化检测 位置，目前正处于研究阶段，其分辨率较低。 大连理工人学专业学位硕士学位论文 ( 5 ) 接口通讯单元。接口包括键盘显示、控制i 0 接口、串行通信等。伺服单元 内部及对外的i 0 接口电路中，有许多数字信号需要隔离。这些数字信号代表的信息不 同，更新速度也不同。 3 1 2 交流伺服系统的工作原理 三相p m s m 交流伺服系统比方波电流型b d c m 交流伺服系统具有更优越的低速伺 服性能，因而广泛用于数控机床、工业机器人等高性能伺服驱动中。在数控机床作进给 驱动的应用中，与计算机数控( c n c ) 系统相连接，位置控制器一般设置在c n c 系统中。 位置控制器的输出信号作为伺服系统的速度指令加到a c 伺服系统得输入端，由电动机 轴上的位置传感器取得位置反馈信号送入c n c 系统中与指令位置相比较，根据比较的 结果控制伺服电动机的运动，直至达到所要求的位置为止。p m s m 交流伺服系统与 b d c m 交流伺服系统构成的基本思想是一致的，但由于要求在电动机定子绕组中通入三 相正弦电流以获得更好的平稳性，所以在具体结构上存在着若干特点。其原理框图，如 图3 3 所示。 图3 3 永磁同步电动机交流伺服系统原理框图 f i g 3 3p m s ma cs e r v os y s t e mf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 全数字小功率交流伺服系统的研制 3 。2 交流伺服系统的设计方案 3 2 1交流伺服系统的控制形式 从被控制量来说，交流伺服系统的控制形式主要有：转矩控制( 电流控制) ；速度控 制；位置控制。 ( 1 ) 转矩控制( 电流控制) 有些负载，例如螺栓拧紧机构，只需要a c 伺服电动机提供必要的紧固力，并根据 需要紧固力的大小来决定伺服电动机的转矩控制和转矩限制，而对伺服电动机的速度和 位置是没有要求的。在这种应用场合，就应该采用转矩控制形式。又由于在a c 伺服系 统中，a c 电动机的永磁转子磁极位置通过位置传感器测量出来，并以此信号作为电流 控制的依据，从而实现磁场和电流两者的正交控制。在这种情况下，a c 伺服电动机所 产生的电磁转矩与电枢电流成正比，故转矩控制实际上也就是电流控制。 ( 2 ) 速度控制 在速度控制形式中，是要求对a c 伺服电动机在各种运动状态下的速度加以控制， 以满足负载的工作要求，这是应用范围很广的一种控制形式。 a c 伺服电动机所产生的电磁转矩只有比负载转矩还大，才能使电动机及其负载实 现加速。在l = 0 时，电动机的电磁转矩与负载转矩之差，即为动态加速转矩。 a c 伺服电动机速度控制系统的速度控制器通常采用比例积分控制规律，对于这样 的速度控制系统静态性能的分析，可以采用工程上常用的波德图。通过绘制系统开环传 递函数的对数幅频特性和相频特性，找出波德图上的截止频率国。以及过鳞点对数幅频 特性斜率和相移角，来评价系统的性能。通常对一个速度控制系统来说，要求在皱处有 一2 0 d b d e c 的幅频特性，相移角滞后量为1 4 0 。 - - - 1 6 5 。r o e 较高时，系统的输出响 应就较快，反之由于较高频率通过比较困难，系统的响应自然也就变慢了。从波德图上 大致可以获得以下有用的信息：响应时间、超调量和对负载扰动的抑制能力( 恢复时间 合最大速降) 等。 ( 3 ) 位置控制 a c 伺服电动机位置控制系统，从定位要求来看，最好将位置传感器直接安装在要 定位的机械上，实现所谓全闭环控制。但在实际上，能够在被拖动的机械上或在与被拖 动机械作相对运动的机械上直接安装传感器的情况太少，这是由于不便于安装，而且也 特别担心被拖动机械的振动和变形而对位置控制系统产生不利影响。基于上述情况，一 般在实际应用中多采用半闭环控制方式，将位置传感器安装在a c 伺服电动机非负载侧 大连理t 大学专业学位硕士学位论文 的一个轴端上。通过测量a c 伺服电动机轴的转角，来间接测量被拖动机械的实际位移， 从而实现位置伺服控制。目前，应用较普遍的位置传感器有各类编码器、旋转变压器等。 假如，在a c 伺服电动机轴上安装的位置传感器每运动一周能产生n 个输出脉冲， 那么，电动机转子的转角秒和位置传感器的输出脉冲数r 之间有如下关系： 刀= ( 势 n ， 刀2i i i j ii l 2 万 、 式中，口单位为弧度( r a d ) 。 因此，a c 伺服电动机的角位移可由位置传感器输出的脉冲数来代表。控制脉冲数， 也就控制了电动机的角位移。通过对脉冲个数做加法运算，从而达到控制电动机转角位 移的目的。所以，这种控制方法又称为增量式位置控制。 若位置传感器所产生的输出信号分别对应于a c 伺服电动机的转子角位移岛，幺， 0 3 ，幺，就可以进行绝对位置控制。 在增量式控制方式中，电动机转子角度的增量值正好对应于一个脉冲，在a c 伺服 电动机的位置控制系统中，位置控制系统的增益设计应保证系统的位置控制精度在1 个脉冲之内。显然，位置( 用弧度或脉冲数来表示) 是速度( r a d s 或p p s ) 的积分，或者说速 度是位置的微分。 通常，位置控制器采用比例控制规律。为保证位置控制精度和良好的跟踪性能，要 求速度环具有足够高的增益和通频带。a c 伺服电动机位置系统的框图见图3 4 所示。 速度控 毋 制系统 图3 4 位置控制系统框图 f i g 3 4 p o s i t i o nc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 位置指令信号为一时间函数，要求a c 伺服电动机系统的实际位置能很好的跟踪位 置指令的变化，二者之差即为位置跟踪误差，通常由下式求出： p 2 i c a r ( 3 2 ) 全数字小功率交流伺服系统的研制 其中，e 为位置跟踪误差，通常以弧度或脉冲数表示；k p 为位置环比例增益：谚为 a c 伺服电动机进给时的指令角速度( r a d s 或p p s ) 。 在位置控制系统中，控制信号的形式通常有两种：一种形式是采用位置、速度等数 据指令；另一种形式是脉冲列。 数据指令控制方式的位置控制系统框图如图3 5 所示。 图3 5 数据指令方式位置控制系统框图 f i g 3 5 d a t ac o m m a n dp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e md i a g r a m 由c p u 或数码开关等生成的位置指令或控制信息送入到控制器作为位置指令并存 入寄存器，寄存器所存的位置指令值输入到减法计数器，与a c