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硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 i i ii i ii ii iii i ir l i rlli 摘要 ! y 2 0 6 13 8 4 本文致力于基于滑模观测器的永磁交流伺服系统无位置传感器控制仿真和实验 研究。 首先介绍了本文所涉及到的永磁交流电机控制和滑模变结构理论。并在此基础上 建立了基于m a t l a b s i m u l i n k 仿真分析模型，对一台1 6 k w 永磁交流电机进行仿真， 仿真结果表明，采用滑模观测器的理论参数，模型获得的转子位置重构信息在轻载时 不收敛，重载时误差较大。接着，利用仿真模型进一步研究了滑模观测器参数和滤波 参数与位置估算误差之间的关系，并给出了一种改进的滑模观测器。 接着给出了系统样机的硬件结构和被控对象参数，介绍了系统样机的软件设计和 架构，着重讨论了系统样机软件中的p i d 数字调节器，数值处理和s v p w m 算法的 实现。 最后进行了实验研究。针对有位置传感器的系统对比分析了常规p i 调节器，变 结构p i 调节器和微分反馈p i 调节器对系统空载动态性能响应时间和超调量的影响。 并在此基础上进一步研究了无速度位置传感器的控制策略，探讨了不同负载不同转速 下，采用滑模观测器得到的位置和速度重构结果，并针对零速启动问题，给出了采用 变速变频启动切换的方法。 关键词：永磁交流电机，无位置传感器，滑模观测器，s v p w m 算法，矢量控制 硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 a b s t r a c t 1 1 1 ea r t i c l ed e v o t e si nt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so fp o s i t i o ns e n s o d e s s c o n t r o lf o rp e r m a n e n tm a g n e ta cs e r v os y s t e m ，w h i c hi sb a s e do ns l i d i n gm o d e o b s e r v e r f i r s to fa l l ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ep o s i t i o ns e n s o r l e s sc o n t r o lf o rp e r m a n e n t m a g n e ta cm o t o ru s i n gs l i d i n gm o d eo b s e r v e ra n dt h et h e o r ya b o u ts l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r e a n dt h e n , t h i sa r t i c l eb u i l d sas i m u l a t e da n a l y t i c a lm o d e lb a s e do n m a t l a b s i m u l i n kt os i m u l a t ea1 6 k wp e r m a n e n tm a g n e ta cm o t o r n l es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tw h e nw eu s et h et h e o r e t i c a lp a r a m e t e r so fs l i d i n gm o d eo b s e r v e r ，t h e r e c o n s t r u c t i o ni n f o r m a t i o na c q u i s i t e do fr o t o rp o s i t i o ni sn o tc o n v e r g ew h e ni ti sl i g h tl o a d ， t h ee r r o rr a t h e rt h i c kw h e nh e a v yl o a d i ns u c c e s s i o n , t h i sa r t i c l eu t i l i z e st h es i m u l a t i o n m o d e lt or e s e a r c ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e ro fs l i d i n gm o d eo b s e r v e ra n d f i l t e ra n dp o s i t i o ne s t i m a t i o na c c u r a c y f i n a l l y , t h ea r t i c l er e g i s t e r sa ni m p r o v e ds l i d i n g m o d eo b s e r v e r s u b s e q u e n t l y , t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h eh a r d w a r es t r u c t u r e a n dt h ep a r a m e t e ro f c o n t r o l l e do b j e c to fs y s t e mp r o t o t y p e t h e n , i n t r o d u c i n gt h es o f t w a r ed e s i g na n d a r c h i t e c t u r e 耵1 ea r t i c l ee m p h a s i z e st h er e a l i z a t i o no fd i s t a lp i dr e g u l a t o ri ns y s t e m p r o t o t y p es o f t w a r e ，d a t ap r o c e s s i n ga n ds v p w ma l g o r i t h m i nt h ee n d ，t h ea r t i c l em a k e sa ne x p e r i m e n tr e s e a r c h a i m i n ga tp o s i t i o ns e n s o r s s y s t e m ，t h ea r t i c l em a k e sar e l a t i v ea n a l y s i so ft h e i n f l u e n c eo ff o r m a lp ia d j u s t e r , v a r i a b l e - s t r u c t u r ep ia d j u s t e ra n dd i f f e r e n t i a lf e e d b a c kp ia d j u s t e rt or e s p o n s et i m ea n d o v e r s h o o to fd y n a m i cp e r f o r m a n c ew h e nn ol o a d i n g t h e n , t h ea r t i c l em a k e sa nf u r t h e r r e s e a r c ho nc o n t r o ls t r a t e g yo fn o - s e n s o rc o n t r o l l e ra n dd i s c u s s e st h ec o n c l u s i o no f p o s i t i o na n ds p e e dr e c o n s t r u c t i o nf r o ms l i d i n gm o d eo b s e r v e ru n d e rd i f f e r e n tl o a da n d r o t a t i o n a ls p e e d a i m i n ga tz e r o s p e e ds t a r t ，t h i sa r t i c l er a i s e sam e t h o dw h i c hs w i t c h e s b e t w e e nv a r i a b l e - s p e e ds t a r t i n ga n df r e q u e n c ym o d u l a t i o ns t a r t i n g k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e ta cm o t o r , p o s i t i o ns e n s o d e s s ，s l i d i n gm o d eo b s e r v e r , s v p w m a l g o r i t h m ，v e c t o rc o n t r o l i i i 硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 1 绪论 1 1 研究背景和意义 永磁交流伺服电机转子磁场由永磁体提供，无需励磁，因此效率高，工作可靠。 稀土永磁材料剩余磁感应强度和矫顽力高，有线性去磁特性，故稀土永磁电机还具有 结构简单，功率密度高和性能好的特点。其广泛用于柔性制造系统、办公自动化、机 器人、电梯调速、数控机床等高性能驱动场合。由于永磁交流伺服电机为非线性多变 量强耦合元件，其控制需要解耦电流和磁链的相互影响，目前一般采用磁场定向控制， 磁场定向控制是实现交流电机高性能控制的一种有效途径，它通过坐标变换实现转速 和磁链的解耦，模仿直流电动机的控制策略，得到直流电动机的控制量，经过相应的 坐标反变换，就能实现对交流电动机的控制，其控制性能可与直流调速系统相媲美。 交流电动机磁场定向控制系统将会取代直流调速系统【l l 【2 】。 为了实现交流伺服电机高性能高精度的速度控制，必须有精确的位置或速度信 息。通常采用机电旋转变压器( 简称i m c ) 或数字式光电编码器测量电机转子位置 或转速。这类测量方式会增加系统成本。在很小的电机或低功率驱动中，传感器的成 本占很大的比例。同时电机与控制系统之间的连接也会增加，结果电磁干扰增加，使 系统的鲁棒性和可靠性降低。由于环境因素例如温度、湿度及振动等影响，传感器的 精度会受到限制甚至降低。机电式传感器轴间存在一定的静态和动态摩擦，增加了系 统的非线性因素，在高性能驱动中这是不需要的。传感器还会增加维护要求，在些 恶劣的环境或高速应用下，位置或速度传感器要么太贵，要么买不到。因此研究和实 现p m s m 的无位置传感器控制是非常有意义的。无位置传感器控制具有如下优势【3 】： 降低硬件的复杂性和成本； 增加系统机械鲁棒性和整个系统的可靠性； 具有在恶劣环境下的运行能力； 降低了维护要求； 提高了抗干扰的能力； 由于无位置传感器磁场定向控制系统具有高性能、高可靠性及较低成本等特点， 将 成为永磁交流伺服系统的主流，特别适合应用于对可靠性要求较高的场合。 1 2 永磁交流伺服无位置传感器研究现状 国外在2 0 世纪7 0 年代开始了无速度传感器技术的研究。无位置传感器和无速度 传感器的控制方法是一样的，位置和速度信息可以通过微积分相互转化。1 9 8 3 年 l 1 绪论 硕士论文 r j o e t t e n 首次完成了无速度传感器技术在磁场定向控制系统中的应用研究，随后国外 学者在这方面做了大量的研究，提出了许多转速辨识方法，其中主要包括：基于模型 参考自适应的估计方法；动态速度估计器；卡尔曼滤波技术；速度自适应观测器；基 于神经网络的速度估计器等。 动态速度估计器是基于动态方程的电动机p a r k 方程，角速度计算表达式由同步角 速度与转差角速度相减得到的，其特点是直观性强，转速估算没有延时，但是计算过 程需要大量电动机的参数，系统抗干扰能力差。 基于模型参考自适应的估计方法以电压模型为参考模型，电流模型为可调模型， 利用p o p o v 超稳定性理论退到转子转速的p i 自适应率。它基于稳定性理论设计参数 辨识方法，保证了渐进收敛性，但其速度观测是以模型参考准确为基础，参考模型本 身的参数的准确性直接影响速度辨识精度。 速度自适应观测器有多种方法。日本学者提出在转子定向控制中，利用l u e n b e r g e r 观测器实现对转子磁链的观测，并根据定子电流的偏差和转子磁链的观测值自适应辨 识转子转速和定子电阻。还有学者在定子磁场定向控制中采用转子磁链的全阶状态观 测器实现了对定转子磁链的观测，同时又利用定子电流矢量的实际值和观测值夹角的 积分实现对电动机转速的辨识。 卡尔曼滤波器是鲁棒性良好的线性系统滤波器。当输入和输出信号被噪声所污染 时，通过选择合理的增益矩阵可以获得最优的滤波效果。将卡尔曼滤波器应用于速度 辨识中现已取得了较满意的效果。其主要问题是卡尔曼滤波器算法复杂，在实际中还 没有得到应用【4 j 。 由于神经网络具有自学习、并行处理以及提高控制性能的特点，目前已成为一种 具有吸引力的辨识和控制方法。在模型参考自适应方法的基础上，如果利用神经网络 替代传统的电流模型，构成基于神经网络的转速自适应辨识系统，可以消除电流模型 中转子时间常数对转速估算的影响。但神经网络的实现目前还没有成熟的专用芯片， 如果采用微控制器或d s p 来实现，对微控制器或d s p 的处理能力要求很耐5 1 。 对应着无速度或无位置传感器技术的发展方向，本文对无位置传感器的永磁同步 电机控制系统进行研究，基于d s p 构成数字控制系统，提出先进和精确的位置辨识 方法并应用在其中，从而进一步可靠、有效地提高永磁同步电机的驱动性能。 1 3 本课题研究的目的和内容 本文主要对基于滑模变结构方法的永磁交流伺服系统的无位置传感器控制进行 仿真和实验研究，实现了一台永磁交流电机在有位置传感器闭环控制以及额定转速 下，空载和满载无位置传感器稳定闭环控制。并借鉴变频器的变速变频的控制方法实 现了电机无位置传感器的零速启动。 2 硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 论文的主要工作包括以下方面： 第一章：首先介绍了课题研究的意义，回顾了永磁交流伺服系统的无位置传感器 研究现状，最后介绍了本文研究的目的，并阐述了研究内容。 第二章：对永磁交流伺服控制系统的滑模变结构无位置传感器控制策略进行仿真 研究。首先讨论了永磁交流电机数学模型、永磁交流电机的矢量控制策略和滑模观测 器等相关控制理论，给出了本文研究对象的系统结构，建立了系统的s v p w m 策略 的伺服系统模型和滑模观测器模型。并进一步利用该模型对一台1 6 k w 永磁交流电 机进行仿真分析，仿真结果表明，采用滑模观测器理论所提供的参数，模型在轻载时 不能收敛，在重载时误差较大。为此，利用仿真模型详细研究了滑动模块参数，滤波 参数与位置估算误差之间的规律，并在此基础上对滑动模块观测器进行了改进。 第三章：介绍了本系统样机的实现。首先给出了系统样机的硬件结构和被控对象 参数，介绍了系统样机的软件设计和架构，着重讨论了系统软件中的p i d 数字调节器， 数值处理和s v p w m 算法的实现。 第四章：对本系统的实验结果进行了研究。首先针对有位置传感器的系统，对比 分析了常规p i 调节器，变结构p i 调节器和微分反馈p i 调节器对系统空载动态性能 响应时间和超调量的影响。并在此基础上进一步研究了无速度位置传感器的控制策 略，探讨了不同负载不同转速下，采用滑模观测器得到的位置和速度重构结果，并针 对零速启动问题，给出了采用变速变频启动和切换的方法。 第五章：系统地总结了全文的研究工作，并对今后的工作进行了展望。 2 永磁交流伺服系统的建模与仿真 硕士论文 2 永磁交流伺服系统的建模与仿真 2 1 滑模观测器理论 滑动模块观测器采用的是一种非线性的控制策略，通过选择合适的开关函数，对 系统结构进行切换，使切换面( s ( x ) = o ) 以外的运动点在有限的时间里达到切换 面上的滑模区。其中切换面又称为超曲面或超平面l l l l l 3 1 。 为满足切换面( s ( x ) = o ) 以外的运动点在有限的时间里达到切换面上的滑模 区，则要求： 对星型连接的三相永磁同步电机，在定子静止两相叩o 坐标系下的电压方程为： l 如 l s l _ e p l s ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，蠡、以、如，绉、印分别为电机在邵。坐标系下口轴和卢轴的相 电流、端电压和反电势，r s = 咒= 飓= t 5 为相绕组电阻，厶= 厶= 厶6 = 厶c 为 相绕组。改写成矩阵形式为： 构建切换面为： 霉= a i s + b ( u s 一毋) d t s ( x ) = i s = i s i s = 0 则由式( 2 3 ) 和式( 2 4 ) 得到滑模观测器为： 粤= 彳冬+ b u s 一后s g n ( i s 一西) 】 d t 其中k 为常数，式中： 4 ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 观 坼 。一厶。一厶 + + 如 印 a旨一厶题一厶 一 一 = i l 砒一衍如一西 硕士论文 永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 s g n c 纛一函，= 1 一。 函一南 o 函一西 o 0 4 s ) ，由于负载电流的增加，估算的p 能够反映真实 转子位置。由图2 8 可以看出，声脚印o s 较小时，估算的转子位置角0 上叠加了低频 的脉动，f s m o p o s 增加，脉动的频率越来越高，其a 0 随弘m 印d s 的增加先减小 后增大。本例中，当一班印d s 2 o 7 时，a 0 达最小。 ( a ) 轻载( o 4 n m ) ( b ) 重载( 8 n m ) 图2 9f s m o p o s 与百之间的关系 f s m o p o s = 0 一，k s l i d = 1 5 0 ，如矿= o 0 8 3 8 ，g s 朋o p o s 从o 1 到0 0 0 0 0 1 o0 0 1 0 0 20 0 0 4 0 0 0 6 0 0 7 t1 5 g s m o p o s = o 1 g s m o p o s = 0 0 1 弩 王2 2 j 墨 - 6 。 。l o 弋2 0 、 l o j 。 1 0 1 2 l i 三 。- 6 嚣 王1 ： 心三 1 0 1 5 00 o l0 0 20 o ，0 o 0 0 5 0 0 0 7 t，l g s m o p o s = 0 1 00 0 l 0 0 20 0 30 0 400，00 600 7 t ，s g s m o p o s = o 0 1 姗il鬻罢。谧宝。盘糯 临 i i i m啪08。暑2器。嚣曼曩 ， 嘧 k 咚 硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 q ，0 2 0 舶 ，1i。|。 2、心 o 3 6 0 l 3 0 0 2 4 0 一t 1 8 0 1 2 0 6 0 0 i 8 0 k6 0 4 0 0 0 0 2 0 枷 0 0 i0 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 7 ts g s m o p o s = 0 0 0 1 。i ，。2，趴i - j ，嗲 i 栅山咐叽州m m m m m f 00 o l0 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 7 ts g s m o p o s = 0 0 0 0 1 l 。，11、。心 ，嗲。 l i 协 v 1 即 吨 m 4 m m m f o0 0 i0 0 2 0 0 5 00 40 0 50 0 60 0 7 t，i g s m o p o s = 0 0 0 0 01 ( a ) 转子位置角 ， l o l !j 2 - j 墨 6 1 1 0 0 0 6 00 4 10 0 2 0 “山位 - 0 0 4 - 0 0 6 、 、 j 持 0 0 2 1o o l 0 0o l - 0 0 2 - 0 0 5 o0 0 10 0 20 0 50 0 40 0 50 0 60 0 7 ts 0 0 0 l 0 0 20 _ 0 2 0 0 4 0 0 50 * 0 0 7 t，s on o ln 位 n to ：， o n 0 7 t， g s m o p o s = o 0 0 0 01 ( b ) 电流 图2 1 0g s 聊o p d s 变化时转子位置角与电流仿真结果 图2 1 0 给出滑模参数伊m 印d s 从0 1 变化到0 0 0 0 0 1 时，转子位置角和电流的 仿真结果。g s m o p o s = 0 1 时，不管是轻载还是额定载，痧都为一系列方波，不能 反映真实的转子位置。随伊脚印减小，转子位置角的估算误差减小，当伊所印 0 0 0 1 后，基本不变。实例中，g s 朋印0 0 0 1 时，轻载和额定载9 都为2 0 。 1 3 m。，0j盘舯此。们 ! 一 q r 姗枷枷啪啪o鲫 - ， 啷 ， 蛳ji撕啪啪的。宝曲柏oo嚣 ，r 口 l 坤0220t 兰永磁交流伺服系统的建模与仿真 硕士论文 1 4 k q b 司 ( a ) 轻载( o 4 n m ) k i 心 司 g , s m o p o a ( b ) 重载( 8 n m ) 图2 1 1g s m o p o s 与万之间的关系 f s m o p o s = o 7 ，g s m o p o s = 0 0 0 0 0 1 ，k s = 0 0 8 3 8 ，k s l i d 从5 到5 0 0 0 0 b l i d = 5 k s l i d = 5 0 0 k s l i d = 5 0 0 0 b l i d = 5 i i ，- j b ，i d = 5 0 m t ， k s l i d = 5 0 0 t a b l i d = 5 q q 0 裟i 2 0 8 08竺。： 嚣搿08。：。： 硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 2 ： j 主 至 三i 囤堕嘲 0 0 0 l 0 0 20 o 脚0 0 j0 0 6 0 0 7 ls k s l i d = 5 0 0 0 0 k s l i d = 5 0 0 0 0 ( a ) 转子位置角( b ) 电流 图2 1 2 砖，耐变化时转子位置角与电流仿真结果 ( a ) 轻载( 0 4 n m ) ( b ) 重载( 8 n m ) 图2 1 3k s l i d 与百的关系 图2 1 2 给出滑模参数k s l i d 从5 增加到5 0 0 0 0 时，转子位置角和电流的仿真结果。 由计算结果可以看出，k s l i d 变化对p 影响较小，当k s l i d 太大( 5 0 0 0 0 ) 时， 轻载计算结果出现振荡。 f s m o p o s = 0 7 ，g s m o p o s = 0 0 0 0 0 1 ，k s l i d = 1 5 0 ，k s t f 从0 0 l 到0 0 9 rr i oo o io 位o t o ，摹o m 0 * 0 0 7 鼢t f = o 0 1 00 0 10 0 20 0 30 0 4000 600 7 i， b t f = 0 0 3 ? !j 2 - _ 6 - 4 盎 6 至： 。j 0 - _ 2 - 6 2 ： l 三 = 皇 0 l： o 。2 ： 如t f = o 0 1 砖t f = o 0 3 嚣篙宝。m。 “ 一 、l 一 2 永磁交流伺服系统的建模与仿真硕士论文 蛳 l3 加 蕾1 8 0 1 2 0 砷 i o - 1 0 0 2 卅w。嗽 on 以 旧t ，i 哪 嗡埘 ，i b 矿= 0 0 5 b 矿= 0 0 7 o0 0 1 0 位n 0 0 40 n 0 6n 0 7 t， 鼢矿= 0 0 9 1 2 ： l 。 j 1 ： !： t 。三 - 4 鼢矿= 0 0 5 砖矿= o 0 7 j c s u = 0 0 9 ( a ) 转子位置角 ( b ) 电流 图2 1 4b 矿变化时转子位置角与电流仿真结果 图2 1 4 给出滤波系数舾广从0 0 1 增加到0 0 9 时，转子位置角和电流的仿真结果。 滤波系数砖矿越小，对应的低通滤波器截止频率越小。由计算结果可以看出，缸矿对 额定载时万影响较大，b 纩越小，额定载时百越小，当砖纩= 0 0 1 时，轻载 a 0 = 1 7 。，额定载9 = 6 5 。 1 6 协y420j4m：04t - i y - 、_ 蛳姗瑚瑚啪曲。m o椭抛 k 幛 | 喀 硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 图2 1 5k s i f 与9 的关系 ： 通过对实例仿真分析，得到各参数变化时，转子位置误差变化量矽的变化规律 为： 1 )滑模参数# m o p o s 增加时，轻载和额定载下a 先减小，后增加，即 j s m o p o s 存在最优值。 2 ) 滑模参数伊m 哗7 伽减小时，轻载和额定载下p 先减小，后保持不变。 3 ) 滑模参数砖，耐变化时对轻载和额定载下1 5 l 影响较小，当过大的砖膨会引 起估算的转子位置信号振荡。 4 ) 滤波系数舾纱越小，低通滤波器截止频率越小，a o 也越小。但后续的仿真 表明，过小的船广会导致估算的p 不能达到。和3 6 0 。 根据上述规律，对参数进行调整，结果表明： 1 ) 同一组参数不能使轻载和额定载时，转子位置误差变化量a 0 都限制在合理 范围内。最好的一组参数，a 0 在轻载时为1 7 0 ，额定载时为6 5 0 ，波形如图2 1 4 中 砖1 7 r = 0 0 1 所示，同时电机启动阶段误差也偏大，最大的误差达2 5 0 。 2 ) 调整参数，a 0 在额定载时可限定在5 0 以内，满足要求，如图2 1 0 中 g s m o p o s = o 0 1 所示；但轻载时，都大于1 5 。，无法满足要求。 由于系统控制或多或少都存在惯性，而滑模观测器的本质是在两种状态之间进行 快速切换，导致系统轨迹为渐近趋于切换面的高频锯齿波，从而产生抖振现象。抖振 现象是滑模观测器固有的现象，是产生误差的主要原因，故只可以削弱，不可以消除。 可通过对滑模观测器进行改进来减小a o 。 2 3 滑动模块观测器改进 抖振现象是限制滑动模块观测器在实际系统中应用的主要制约因素。为此，国内 外学者付出了辛勤劳动，提出了多种改进方法，如：边界层法、趋近律方法、高增益 的连续化方法、基于状态的控制法以及频率近似法等。 其中边界层法是采用饱和函数s o f ( 0 ) 代替开关函数渺g ) ，使系统的状态近似 1 7 2 永磁交流伺服系统的建模与仿真硕士论文 连续变化，从而达到削弱系统抖振的目的。该方法具有简单实用，易于实现的优势， 故本课题采用边界层法对滑动模块观测器进行改进。 采用的饱和函数为如式2 1 7 所示( g 为饱和函数的门限值) ： 3 k 缃 邙i 0 s a t ( i s ) = = b l dl s s g 一 c s l d 00 0 1n o q 30 0 4 懈0 0 60 0 7 哪0 0 9o 1 0 ta s = 0 o l 厂 l 、， ， v 一一v 一、，“一 00 0 1 n 眈n b0 0 40 0 5 0 0 60 0 7o 嵋0 0 90 1 0 t ，i s = 0 1 、 - - - ，“叫 v 0 0 0 i n 0 2n n 0 40 0 5 0 0 60 0 7n 憾0 0 90 1 0 ts g = l b 0 2 1 c m 4 ( 3 4 ) 由式( 3 4 ) 可知，铁芯材料和型号的初步设计符合要求。 b 、绕组计算 ( 1 ) 计算电感电流临界连续时原边电感l l 血 嗑i 。盗磐卵：三堡尘：型! 二) ：o 7 5 ：1 3 2 9 讲 2 m i 互。2 x 0 5 x 4 3 1 x 1 0 x 1 0 由 ( 3 5 ) ( 2 ) 计算铁芯上所开气隙的长度艿 6 = 器2 丽茄黜赫一o 硎 b 6 ， 气息只可增大以保证输出功率，增大到0 5 1 m m ，但气息最好不要大于1 毫米，气隙 越大，漏感越大。 ( 3 ) 计算原边绕组匝数 m = ( 4 ) 计算匝比，确定各副边绕组匝数 = 1 0 5 ( 3 7 ) 3 永磁交流伺服系统的实现 硕士论文 珐，：珐，；盟： 幺墼堡地 一 5 鼓2 而蓑翥嚣面2 n - _ n t s - n t s 2 n = n - s - n - ，= 等 死m “u 曲 兰：! 兰兰! q ：2 5 6 6 2 x ( 5 + o 5 ) ：三：墨兰三! q ：8 8 1 = - - 一= 6 2 x ( 1 5 + 1 ) 加。：盟：= 季遥娶一：3 8 x 2 3 0 _ 1 0 8 4 n 1 0 ( 丁一略) ( + ) 6 2 x 1 3 。 ( 3 8 ) 各副边绕组的匝数为： ：m ：盟：堕：4 1 。n t , 2 5 6 ，取4 匝。 4 = 5 = 6 = 7 = 3 = 9 = 2 丽v 0 4 + v d 4 = 4 堕5 5 堋，取1 2 匝。 m 。：v o , o + v 。, 0 ：4 1 ：3 ：9 4 5 w 2 2 + 2 5 5 ，取1 0 匝。 ( 5 ) 校验变压器原边绕组电感： 。华删= 警删加3 咄娜猢 b 9 、 计算各副边绕组的电感： ：2rain-曲=学10一=百42x047rx049x10-s=193p日 曲：厶血：厶m j n ：血：血：m i n ：n ；_ # o s c 1 0 ：1 7 3 8 j l l h 。：监盟1 0 - s ：1 2 0 7 h ( 6 ) 计算原副边绕组的电流有效值 储能变压器原副边电感电流波形如图3 3 所示。原副边磁化申j 流为： = - 可- - - - 1 i 咏= 意等 - ，一v - v x 3 8 x 1 0 。6 = 0 6 6 a 1 p 2 - ，= 墅竺玉二半= 兰器, i t , i t = 1 8 彳心m 缸 ，j “” 同理计算副边其他绕组磁化电流： 2 s2 s2 l ，2 l s2 ，2 4 - 6 4 彳，厶l o2 6 6 8 a 原副边电流峰值为： 2 4 ( 3 1 0 ) 硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 图3 3 储能变压器原副边电感电流波形 铲+ 扣函p o t + 扣羔鬻淼+ 扣6 圳 p - - - - 铲南+ 圭铲志+ 扣= 1 0 蒯 厶p i j , z ，该副边绕组工作在断续状态 因此，厶，2 厶p2 西：2 p 面0 2 n , 2 2 互甄2 夏x 石5 j x 虿2 5 而6 = 3 9 彳 4 p = 岛= 岛+ 三l = 而0 5 + 三地甜= 3 m 彳 护护铲铲南+ 知= 盖+ 扣舛观8 a 厶p ( 4 乾) _ q 1 】4 1 2 搁q 1 1 4 1 2 + 1 0 l o 衿欧1 0 北 u m a x，则强制输出饱和值 , m a x 。 3 4 数值处理 在程序中间数据格式处理尤为重要，由于程序中处理的数据格式与a d 、外部输 入的数据格式不一定相同，必须在应用输入的数据之前进行一定的处理。程序中的数 据均采用标幺化的值，模块间数据的输入输出格式采用q 1 2 格式。 ( 1 ) 电流反馈参数 由于输入到程序处理的数据为q 1 2 的格式，而电流输入值为a d 采样的的值， 两者之间必须经过转换，电流采样与输入到d s p 中的数据之间关系的示意图如图3 1 5 所示： 图3 1 5 电流采样示意图 3 永磁交流伺服系统的实现 硕士论文 标幺化系数ka d 的具体计算为： 霍尔传感器为1 - 1 0 0 0 ，电机的采样电阻为2 2 0 欧，输出为1 0 v 的电压，经过 偏置电路输入到a d 为0 到5 v ，因此最大电流值为4 5 4 5 a 。 1 2 位a d 输出的范围是0 到4 0 9 5 ，对应正和负的最大值，因此幅值最大为2 0 4 8 ， 加上采用的是q 1 2 格式，具体公式如下： ，4 0 9 6 彤4 d = 了一 二f _ 2 0 4 8 ( 3 2 5 ) 衄 式中为标幺的基准，m 就为最大的电流。 将其中k 定为1 1 2 5 ，则丸d 的值为2 8 0 0 h ，即l f 2 4 0 7 输入的值与参与计 算的值之间的系数为2 8 0 0 h 。 ( 2 ) 速度反馈参数计算 电机位置检测采用1 4 位的旋转编码器，旋转一周输出2 1 4 个点。采样周期为0 5 m s ( 5 个电流周期采样一次) ，计算速度方法如下： 计算前后两次的旋转编码器的输出值的差值a r 实际转速刀( r p m ) 和a r 之间的关系为： a r 6 0 力= j f 一 ( 3 2 6 ) 2 1 4 0 5 m s ”。 数字给定1 代表0 2 r p m a r 6 0 5 1 2j f 一 ( 3 2 7 ) 2 1 4 0 5 0 0 m s 因此系数后= ( 6 0 木5 ) ( 2 1 4 幸5 0 0 m s ) ：2 4 4 ，转换为q 8 格式为2 4 9 e h 。 3 5s v p w 国i 算法的实现 电压空间矢量是按照电压所加绕组的空间位置来定义的，三相定子电压巩、 u s 、魄是互差1 2 0 。的三相电压，其矢量相加的合成空间矢量u 匆是一个旋转的电 压空间矢量。 电压空间矢量u 匆可以表示为： = 玩+ 琬+ 眈= 导( 既+ u w 2 3 加+ 阢4 3 ) 万) ( 3 2 8 ) 同样可以定义电流和磁链的空间矢量0 和y ，则定子电压方程为： 姐警 ( 3 2 9 ) “i 硕士论文永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 当转速不是特别低的时候，定子的电阻压降较小，可以忽略不计，则有： = 华( 3 3 0 ) 口f 因为 y ，= y 历p ，耐 ( 3 3 1 ) 所以= 辈= j o ) v 埘= c o v 州2 “册 ( 3 - 3 2 ) 口r 这表明l f ，s 的运动方向与电压空间矢量的方向是一致的。 当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动一 周，其运动轨迹与磁链圆重合，这样就可以将电机旋转磁场的形状问题转化成电压空 间矢量运动轨迹的形状问题。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 ，下面就详细 介绍s v p w m 的具体实现。 图3 1 6 三相逆变器与永磁同步连接的简化图 图3 1 6 是典型的电压型逆变器示意图，s 1 s 6 是六个功率晶体管，a 、b 、c 分别 代表3 个桥臂的开关状态，同一桥臂的晶体管上管和下管互补导通。 ，1 3o 、 1 8 0 0 导通型逆变器三个开关状态可以组成八种l 二一o ，开关状态，分别为：0 0 0 、 0 0 1 、0 1 0 、0 1 1 、1 0 0 、1 0 1 、1 1 0 、1 1 1 共八种，其中，0 0 0 和1 1 1 两种模式逆变器输 出为零，这两种模式称为零状态。由图3 1 7 可知，八个开关状态对应着八个电压空 间矢量口组成一个六边形，分成六个扇区，其中两个零矢量矾( 0 0 们、u 7 ( i1 1 ) 位 于原点，另外六个非零矢量，u l ( 0 0 1 ) 、u ：( o l o ) 、u 3 ( 0 1n 、w 4 ( 1 0 0 ) 、u s ( 1 0 1 ) 、 矾( 1 1 0 ) 3 9 3 永磁交流伺服系统的实现硕士论文 l l 图3 1 7 基本电压空间矢量 联衅 表3 3 开关状态与相电压和线电压的关系 显然按照表3 3 中的六个非零基本电压空间矢量分别单独依次输出后，只能产生 正六边形的旋转磁场，而不是近似圆形的旋转磁场，如果想获得尽量多的多边形旋转 磁场，就必须有更多的逆变器开关状态。利用六个非零的基本电压空间矢量的线性时 间组合来获得更多的状态就是一个解决方法，下面就详细介绍这种线性时间组合的具 体方法。 硕士论文 永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 如图3 1 8 所示，以第三扇区为例，用最近的两个向量队( 1 0 们、u 6 ( 11 0 ) 和零： 矢量合成的矢量和，则可以得到式 f 卜聃聃兀 1 = 等队弓矾 。3 3 式中：丁为一个控制周期，乃，瓦为第三扇区空间矾( 1 0 ，u 6 ( 11 0 ) 的持续 时间，而为零矢量作用时间，u 匆为目标空间电压矢量，分解后得下式： 卜舡旧= 争l + 争6 l c o s 6 0 0 iu 卢= l u ，, 。i l s i n0 = 等陬l s i n 6 0 。 其中，观、坼分别为目标空间电压矢量u 叫在a 、p 轴上的分量。 由式( 3 3 4 ) 可知i 矾i = i 晚i = i 院一i = 2 u v c 3 ，可解得合成目标空间矢量的 两基本窄间电压矢量的持续时间为： 乃= 瓦t ( 3 u 口一面卢) 死= 万去u 卢 3 5 ， t o = t 一乃一死 同理，可以得到参考电压在其他扇区的时侯，相邻的两电压矢量在整个p w m 中 断周期中的作用时间，经过分析可以得出作用时间是三个变量x 、y 、z 的计算，考 虑到p w m 时基是对称的，设如= & 2 ，如= o l 2 ，可以得式3 3 6 ： 4 1 3 永磁交流伺服系统的实现 硕士论文 x = 婴u l 2 w 】，= 去( 协+ 3 u a ) z = 去( 协硼) ( 3 3 6 ) 表3 4 六个扇区相邻电压空间矢量作用时间的计算 t lzy- z- x x- y ，2yxxz- y z 对参考电压u 而的a 、p 轴上分量做如下变换， 圪= u a 圪= 三( 尻一坼) ( 3 3 7 ) k = 三( 一尻一坼) 通过圪、圪、k 的极性可以判断出当前需要合成的参考电压所在的具体扇区： 圪= a = i o 、 l i a = 0 圪0 圪= ；三三笼三三、圪= 三三三笼三吕 则扇区毙c 幼= 彳+ 2 b + 4 c 。 由式( 3 3 6 ) 对t l ，t 2 赋值后，还要对其线性区调制进行分析判断，如果 t l + t 2 t 时，则： 4 2 硕士论文 永磁交流伺服系统的无位置传感器控制研究 则在不同的扇区内对f 一、f 6 册、f 彻的全比较寄存器值c m p r l 、c m p r 2 和 c m p r 3 进行赋值，具体见表3 5 ，通过与定时器计数寄存器的值进行分析比较，从而 产生p w m 波形。 表3 5 比较寄存器赋值表 c 口r l c 口r 2 c m p r 3 r 蛔 t 狲 r m ，删 f 姗 t 6 r 斓 r 蛔 r 硎 r 删 ，蛔 to m ，硎 f 删 ，6 0 i l r 6 0 - i r 硎 r m 3 6 本章小结 本章主要介绍系统的硬件和软件的实现方法。首先给出了硬件电路组成，交待了 被控对象参数，接着给出了软件结构和程序流程图，介绍了各程序模块功能，分析了 中断电流环和速度环的中断时间。根据连续系统中的p i d 控制律得到增量式p i d 控 制律，并在此基础上得到变结构p i d 控制律。最后详细介绍了软件内部数值处理方法 和s v p w m 的具体实现方法。 4 3 4 永磁交流伺服系统实验研究 硕士论文 4 永磁交流伺服系统实验研究 4 1 有位置传感器实验研究 对第三章所述的永磁交流伺服系统进行实验研究。图4 1 给出系统空载阶跃响应 波形。速度环采用普通p i 调节时，通过细致调节p i 参数，系统速度0 至1 5 0 0 r r a i n 及1 5 0 0 r m i n 至0 的空载阶跃响应如图4 1 所示。速度的上升和下降时间分别为3 5 m s 和3 0 m s ，无明显超调，在性能上可以满足一般要求 3 6 1 。 2 5 m s d i v ( a ) o 1 5 0 0 r m i n 上升( b ) 0 - 1 5 0 0 r m i n 下降 图4 1 普通p i 调