（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的交流伺服两轴运动控制系统的研究与设计.pdf

摘要 运动控制技术是数控机床、机器人等重要组成部分，交流伺服系统由于其 优异的特性而在现代运动控制系统中得到了广泛的应用。随着各种专用运动 控制芯片的出现及数字信号处理器( d s p ) 性能的不断提高，应用先进算法， 开发全数字化的智能控制系统将成为新一代运动控制设计的发展方向。本文 所介绍的正是一种以数字信号处理器( d s p ) 和伺服专用芯片( i r 2 0 1 ) 为核 心的两轴永磁同步伺服运动控制系统的设计方案。 本文是以我校数控实验室两轴试验平台改迸计划项目基于d s p 交流 伺服两轴运动控制系统的研究与设计为背景，详细讨论了永磁同步电机的精 确数学模型、矢量控制原理以及利用伺服专用芯片实现电机控制策略等问题。 给出了软、硬件设计方案。 在两轴及多轴控制系统中，通常用到电动机种类分为步进和同步型a c 伺 服电机两种。由于步进电机低速转动时振动和噪声大以及失步等缺点，因此 用转子作为永磁材料的同步伺服电动机获得了比前者更为广泛的应用。该课 题就是采用交流永磁同步电机，同时将数字信号处理器( d s p ) 和伺服专用芯 片( i r l 4 c k 2 0 1 ) 相结合。d s p 芯片完成运动控制中的直线、圆弧插补算法等， 而芯片i r m c k 2 0 1 是一款新出的伺服专用芯片，它简化了传统复杂的电机矢量 控制算法并提高了精度和稳定性，有助于缩短两轴及多轴控制系统研发周期 及提高设计水平。 本课题所研究的理论和所采用的技术都是当前运动控制领域里的“热 点”，所做的研究工作，为将永磁同步电机广泛地应用与各类多轴运动系统提 供了一定的理论参考依据和工程实际方法。 关键词：数字信号处理器永磁交流伺服系统运动控制插补算法 t h er e s e a r c ha n dd e s i g n a t i o no ft h ed o u b l e a x i sm o t i o n c o n t r o ls y s t e mf o rp m s mb a s e do nd s p a b s t r a c t m o t i o nc o n t r o li st h ec o 俺o fc n ca n dr o b o t 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 ( r m s m ) i sw i d e l yu s e di nm o d e mm o t i o nc o n t r o ls y s t e mf o ri t so u t s t a n d i n gp e r f o r m a n w i t ht h ei m p r o v e m o n ti nt h ep e f f b m m o f d i g i t a ls i g n u lp r o c e s s o rf d s e ) a n ds c h i pf o r m o t i o n ( i r m c k 2 0 1 ) ，a p p l y i n ga d v a n c e da l g o r i t h ma n dd e v e l o p i n gf u l ld i g i t a lc o n t r o ls y s t e m w i l lb e c o m e4g e n e r a lt e n d e n c yi nt h ef i e l d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , ad o n b l e - a x i sa cs a r v o s y s t e mw i t hd i g i t “s i g n a lp r o c e s s o r ( d s r ) a n ds 盯v oc h i pf o rm o t i o n ( i r m c k 2 0 1 ) i s s t u d i e d t h eb a c k g r o u n do ft h ed i s s e r t a t i o ni su p d a t i n gd o u b l e - a x i sd e v i c ei nt h en u m e r i c a l c o n r a i ll a bi no u ru n i v e r s i t y ：r e s e a r c ha n dd e s i g n a t i o no ft h ed o u b l e a x i sm o t i o nc o n t r o l s y s t e mf o rp m s m b a s e do nd s p t h ed e t a i l so f v o c t o rc o n t r o lo f p m s mi sp r e s e n t e di nt h e d i s s e r t a t i o n , a n dt h e 撒 y s i so fs e v e r a lc o n t r o ls t r a t e g i e so fv e c t o rc o n t r o lt h e o r ya p p l i e dt o t h ep m s mc o n t r o l ，a n ds h o wt h eb l u ep r i n ta b o u ts o f t w a r ea n dh a r d w a r e g c o e r a l l y t h em o t o ra p p l i e dc o n s i s t so f s t e pm o t o r a n ds c i y oi n o t o ri nt h ed o u b l e - a x i so r m u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r o ls y s t 咖b e c a u s eo ft h es h o r t c o m i n go fs t e pu l o t o r , s u c ha st e n d i n g v i b r a t i o na n do u to f s t e pc o n d i t i o n sa n ds oo 礼s o t h ep m s mi si n o r ep o p u l a rt h a ne v e ri nt h e m o t i o nc o n l r o ls y s t e m t h ep m s mw a 8a l s oi n t r o d o e e di nt h et o p i ci no r d e rt oi m p r o v et h e p r e c i s i o ni nm o t i o nc o n t r 0 1 a tt h es 枷et i m e t h ei n n o v a t i o no f t h et o p i cl i e0 1 1t h ef a c tt h a t m o t o rc o n t r o ld s pc h i pa n dt h es p e c i a lc h i p ( i r m c k 2 0 1 ) f o r v v om o t o rw c 3 f i i n t r o d u c e d a n da p p l i e d m a n ya l g o r i t h m so fl i n e a ra n dc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o nw e r ee x e c u t e di nt h ed s p w h i l et h ei r m c k 2 0 1m o t i o nc o n t r o lc h i pi sal a t e - m o d e ls p e c i a li cf o rm o t i o nc o n t r 0 1 i t r e d o u n dt os h o r t e nt h ep e r i o do fd e v e l o p i n gt h ed o u b l e a x i so rm u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o l s y s t e ma n dt od e v e l o pn e wt e c h n o l o g ya ss o o n a sp o s s i b l e t h et h e o r yr e s e a r c h e da n dt e c l m o l o g ya p p l i e di sf o c u si nt h en e l dc u r r e n t l y t h e s t u d i e si nt h i sp a p e ro f f e r8 0 m ee l e m e n t sa n dp r a c t i c a lm e t h o d sf o ra d o p t i n gp m s ma n d m u l t i a x i sm o t i o nc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：d s p a cs e r v os y s t e mm o t i o nc o n t r o li n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程科技学院有关知识产权的规定，即：研究 生在校攻读学位期间学位论文工作的知识产权归属西安工程科技学 院。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成果或用学位论文工作 成果发表论文时署名单位仍然为西安工程科技学院。学院有权保留送 交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校可以公布 学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复印手段保 存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者 指导教师签名： 日 期： 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位 论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以注释和致谢的地方外，学位论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人已申请学位或他人已 申请学位或其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：筒：勃哞 醐：叩；，z i 绪论 i 1 引言 1 绪论 本课题研究的是“基于d s p 交流伺服两轴运动控制系统”，从题目看出该 课题涉及到三个方面的内容：数字信号处理器( d s p ) 、永磁同步电机( p m s m ) 和两轴运动控制技术，因此该课题的研究受到这三方面的影响。本章首先介绍 d s p 运动控制技术的发展状况，其次介绍永磁同步电机交流伺服系统的研究现 状及趋势“”，再次介绍了两轴运动控制系统的发展现状b 1 ，最后是本课题的 研究背景和意义，研究的主要内容和本文的主要工作等等。 1 2 永磁同步电机交流伺服系统概述 在7 0 年代末期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体器件、电机永 磁材料的发展和成本的降低，a c 伺服电动机及其控制装置所组成的a c 伺服系 统已经开始广泛使用。 永磁同步电动机a c 伺服系统嘲主要有以下几个部分组成： 1 永磁同步伺服电机 永磁同步伺服电动机凸1 主要由转子和定子两大部分组成。在转子上装有特 殊形状的永磁体，用以产生恒定磁场。转子上的永磁材料可以采用铁氧体或稀 土永磁材料。为提高电动机的伺服性能和实用化提供了条件。在电动机的定子 铁心上绕有三相电枢绕组，接在可控制的变频电源上。 2 速度和位置传感器 为检测电动机的实际运行速度，通常在电动机轴的非负载端安装速度传感 器，如测速发电机等。为了进行位置控制同时也装有位置传感器，如光电编码 器等。对于永磁同步伺服电动机来说，还必须装有转子永磁体的磁极位置检测 l 绪论 器，检测出磁极位置，并以此为依据使电枢电流实现正交控制“1 。在实际上， 检测电动机的转子旋转速度、磁极位置和系统的定位控制这三种功能可用一个 光电编码器或旋转变压器来完成，至少一个检测器需要完成两种功能。多种功 能用一个传感器来实现，可以减小电动机的轴向尺寸，并能简化控制和安装。 3 功率逆变器和p w m 生成电路 功率逆变器主要由整流器和逆变器的两部分组成。整流器将输入的三相交 流电整流成直流电，经过电容器滤波平滑后提供给逆变器作为它的直流输入电 压，逆变器的作用是在p w m ( 脉冲宽度调制) 控制信号的驱动下，将输入的直流 电，变成电压与频率可调的交流电，输入到伺服电动机的电枢绕组驱动电机。 4 速度控制器和电流控制器 一般情况下，速度控制器为p i ( 比例积分) 控制规律，它的输出为电流指 令。速度控制器的作用主要是为了能进行稳定的速度控制，以使其在定位时不 产生振荡。电流控制器作为速度环的内环，它在入口综合电流指令信号和反馈 信号，使电枢绕组中的电流在幅值和相位上都得到有效控制，完成与磁通矢量 的正交或弱磁高速控制，电流控制器通常也采用p i 控制规律 1 3 基于d s p 运动控制技术发展概述 d s p 是英文d i g i t a ls i n g l ep r o c e s s i n g 的缩写，它是将模拟信号变换为 数字信号并进行高速处理的专用处理器 数字信号处理器( d s p ) 专为信号处理而设计，是解决实时处理要求的单片 可编程处理芯片。当前的d s p 为了提高运算速度，一般采用不同于通用处理器 的哈佛式结构，程序指令与数据的储存空间分离，各自有自己的地址和数据总 线，这使得处理指令和数据可以同时进行，大大提高了处理效率。d s p 大多采 用流水技术，各个指令的执行时问重叠，整体上看，每条指令的最终执行时间 是在单个指令周期里完成。d s p 中一般设置有硬件乘法器和m a c ( 乘法并累加) ， 2 l 绪论 使其在进行乘和累加之类的运算时速度更快。目前的d s p 计算速度达每秒数千 万次乃至数十亿次定点或浮点运算。高速数据传输能力是d s p 做高速实时处理 的关键之一，新型d s p 设置有单独的d m a 总线控制器，并行数据传输速率达每 秒数百兆字节d s p 使用灵活，在用于实现数据量大、计算复杂、实时性要求 高的信号处理任务时，与一般微处理器相比，其速度更快、效率更高。目前比 较有代表性的d s p 产品有t i 公司的t m 3 2 0 系列、a t & t 公司的d s p 3 2 ，m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列、a d 公司的a d s p 2 1 0 0 系列 d s p 芯片既集成了极强的数字信号处理能力又集成了电机控制系统所必须 的输入、输出、a d 变换、事件捕捉等外围设备的能力，时钟频率达到2 0 m h z 以上，一个指令周期才5 0 n s ，而且一个周期可以同时执行几条指令。传统的 电机控制采用运算放大器、电阻、电容等模拟器件来实现，设备体积大，稳定 性易受外界因素影响，可重复性差。而以高性能的d s p 为处理器的数字式控制 器能很好地克服模拟式控制器的缺点，而且具有很多模拟式控制器所没有的优 点，如：实时产生平滑的参考信号、对无刷电机和感应电机做矢量控制、产生 高分辨率的p w m 输出、采用神经网络和模糊逻辑控制算法等。 d s p 专用轴控制器“1 从其产生就有着不可替代的优势。插补、补偿处理、 速度控制、位置控制则由运动控制系统中的微处理器来实现。基于d s p 的运动 控制器，可以实现复杂的控制算法和功能，是一种高精度、高速度、多轴联动、 体积小、集成度高的新型轴控制系统。它可以能满足多轴联动的数控机床、机 器人等高性能控制系统的需求。 目前，国外许多大公司研发出面向不同控制对象的基于d s p 技术的运动控 制系统。儿”。在国际市场中，占主导地位。而我国在这方面的研究处于比较落 后的水平，国内还没有较完善的智能运动控制系统，各种运动控制系统还处于 单件或单一产品的生产程度，功能还不够完善 3 l 绪论 1 4 两轴及多轴运动控制系统概述 两轴及多轴运动控制技术n 町m 1 是计算机、高速数字处理器( d s p ) 、运动控 制芯片、自动控制网络技术及高性能的伺服电机相结合的产物。充分利用d s p 以及与动控制芯片的能力，进行复杂的运动规划，高速实时多轴插补、误差补 偿和更复杂的运动学、动力学计算，使得运动控制精度更高、速度更快、运动 更加平稳。充分利用网络技术，使系统的结构更加合理和开放，通过网络连 接方式减少系统的联线，提高系统的实用性和可靠性。 在许多自动化设备中都应用两轴及多轴运动控制系统“”，如x y 台控制， 医疗器械( 如x 光机) 等。目前，运动控制系统从结构上主要分为如下三大类： ( 1 ) 基于计算机标准总线的运动控制器“3 1 它是把具有开放体系结构，独立 于计算机的运动控制系统，与计算机相结合构成。这种运动控制器大都采用 d s p 、微机芯片作为c p u 或专用运动控制芯片来完成高速实时插补伺服控制等 功能。它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在d o s 或w i n d o w s 等平台 下自行开发应用软件，组成各种控制系统。 ( 2 ) s o f t 型开放式运动控制器它提供给用户最大的灵活性，它的运动控 制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之 间的标准化通用接口，就像计算机中可以安装各种品牌的声卡相应的驱动程序 一样，用户可以在w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动 控制内核，开发所需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统。该运 动控制的特点是开发、制造成本相对较低。 ( 3 ) 嵌入式结构的运动控制器这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控 制器中的一种产品它能够独立运行，运动控制器与计算机之问的通信依然是 靠计算机总线，实质上是基于总线结构的运动控制器的一种变种。对于标准总 线的计算机模块，这种产品采用了更加可靠的总线连接方式，采用针式连接器， 更加适合工业应用。在使用中，采用如工业以太网、r s 4 8 5 、p r o f i b u s 等现场 4 】绪论 网络通信接口联接上级计算机或控制面板，嵌入式的运动控制器也可配置软盘 和硬盘驱动器，甚至可以通过i n t e r n e t 进行远程诊断。 我国工程技术人员经过多年学习和研究，消化国外先进技术，逐步开发出 具有独立自主知识产权的产品。但整体水平落后于发达国家大部分产品性能 不高，这类控制器基本满足单轴的点位控制要求，但这类运动控制器不能满足 复杂的多轴协调运动和高速轨迹插补控制的要求，特别是对于大量的小线段连 续运动的场合。 1 5 课题的来源及意义 本课题是以数控实验室两轴试验平台改进计划项目。目前，该两轴试验平 台采用的是步进电机作为驱动装置。一方面是本身存在着振动和噪声大以及失 步等缺点，为了提高设备控制精度，改善实验条件；另一方面在了解国内外伺 服运动控制状况以及其自身的优势。所以改造成为永磁同步电机的两轴伺服装 置。提出基于d s p 永磁交流伺服两轴运动控制系统的研究和设计的方案，将原 有的步进电机两轴控制系统改为永磁交流同步伺服电机两轴控制系统 m 1 “m “，并进行底层运动控制程序的开发。 本课题研究的对象和应用技术是当前控制领域中的焦点。伺服运动控制技 术已经深入到工控领域的各个角落，而两轴伺服系统是运动控制的一个重要组 成部分，理论基础的深入研究和实践经验的积累为多轴伺服系统或更复杂的系 统研发提供可靠保证为促进我国运动控制技术的发展，缩小国产运动控制设 备同进口设备的差距有重大的经济意义1 1 6 课题研究的主要内容 论文的主要研究内容如下： 1 永磁同步电机矢量控制及两轴运动控制原理的研究； 5 1 绪论 2 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的原理及其运动控制应用“ “”； 3 数字运动控制芯片i r m c k 2 0 1 的原理及应用： 4 基于c c s 软件进行d s p 软件编程，包括d s p 初始化，启动设置，系统 控制程序的设计； 5 利用c a n 总线技术，实现运动控制器与上位机的通讯； 6 运动轨迹的算法，即直线、圆弧插补功能程序开发； 7 运动控制器的安装调试及测试分析。 6 i 绪论 2 永磁同步电机的数学模型及其矢量控制略 本章简要介绍永磁同步电机的结构，然后介绍正弦波永磁同步电机的控制 方法，最后从三相永磁同步电机的数学模型“钉及在三相坐标系中的模型出发， 讨论永磁同步电机的矢量控制理论和电压空间矢量p w m ( s v p w m ) 原理啪儿圳这 些内容是应用芯片i r m c k 2 0 1 的必备知识，同时也是永磁交流伺服两轴运动控 制系统的基础理论。 2 1 永磁同步电动机的数学模型 永磁同步电动机本体是由定子和转子两大部分组成。永磁同步电机的定子 指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称分布在它们 槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。其定子和异步电动机的 定子结构基本相同。永磁同步电动机的转子是指电动机在运行时可以转动的部 分，通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁磁钢及磁轭等部分组成。空间上三相对 称绕组通入时问上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场。 永磁同步电动机是利用定子的三相交流电流和永磁转子的磁场互相作用 所产生的电磁转矩来带动电机转子转动的。当定子电流的频率固定时，转子的 同步转速也是固定的，并且与该频率成正比，同步转速为 n o ：6 0 _ _ i _ ( r m i n ) ( 2 一1 ) 以 其中，f 为定子电流频率，以为电动机极对数。改变电机转速需要变化定 子电流频率，也就是要采用变频器对永磁同步电动机供电。同时为了防止失步， 必须保证电机转子的角频率与定子电源频率同步n ” 图2 - 1 是一台二极p m s m 的简图，其中，a s 为a 相绕组轴线；b s 为b 相绕 组轴线；c s 为c 相绕组轴线；i 、耳为空间矢量；a x 为a 相线圈；b y 为b 相 线圈；c z 为c 相线圈。图中，假定了定子电流的正方向。正向电流流进相绕 7 i 绪论 组产生的正弦分布磁通势波的轴线就是该项绕组的轴线。假定相绕组中反电动 势的正方向与电流正方向相反。取转子反时针旋转方向为正。 描 对于由p m s m 组成的伺服变速驱动系统来说，用固定于转子的参考坐标来 图2 - 1 二极p m s m 述和分析它们的稳态和动态性能是十分方便的。此时，取永磁体基波磁场的方 向为d 轴，而q 轴顺着旋转方向超前d 轴9 0 4 电角度转子参考坐标的旋转 速度极为转轴速度转子参考坐标的空间坐标以q 轴与固定轴线( a 相绕组轴 线) 间的电镀角馥来确定 假设电机是线性的，电机参数不随温度等外界条件变化而变化，忽略磁滞、 涡流损耗，并认为转子无阻尼绕组 ( 1 ) 定子电压方程 在图2 - i 所示的a - b c 静止坐标系下的定子电压矢量方程为 一u j m 置i + 厶警+ 丢( 吩) ( 2 - 2 ) 将此电压方程变换到d - q 坐标系中，以转子作为参考坐标，可以得到定子 电 压在d - q 坐标系下的电压方程为 球5 r + p 妒口+ q ( 2 - 3 ) 1 绪论 u s = r + p y d r o , 吵q ( 2 4 ) d - q 轴的定子磁链方程为 = 厶 ( 2 5 ) = 厶+ 竹 ( 2 6 ) 式中u d 、分别为d 、q 轴电压；、分别为d 、q 轴电流；l 、厶分 别为d 、q 轴电感；足为定子相0 9 1 t iq 为转子电角速度；p 为微分算子；y r 为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链另外，竹哆= e ，式中勺是永磁 体正弦磁场在转速弛下于q 轴绕组中产生的感应电动势。 由( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 - 5 ) 得电压方程 = e + 厶p i , 一q f | ( 2 7 ) = 墨+ 厶p + 缉厶+ 哆 ( 2 8 ) 在稳态情况下，d 、q 轴电流恒定，于是 = 置一q 厶 ( 2 9 ) = 墨+ q 厶+ 勺 ( 2 1 0 ) ( 2 ) 转矩方程 电磁转矩矢量方程为 互= 吩f l ( 2 1 1 ) 其中，坼为转矩绕组的极对数。 在d - q 坐标系下，则有 2 誓誓 ( 2 - 1 2 ) 【= 如+ 矗 。 由( 2 - 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 式，电磁转矩方程变为 乙= 只( - v , i , ) ( 2 一1 3 ) 将磁链方程式( 2 - 4 ) 代入上式，有 乙= 只防( 与一) ( 2 1 4 ) l 绪论 q d u p 4 图2 - 2p m s m 的空间矢量图 在永磁同步电机的空间矢量图中，如图2 - 2 ， 与定子磁动势空间矢量正同轴。于是f i 可表示为 i i = i q j 4 f l 与d 轴间角度为b ，于是有 t 为定子电流空间矢量，且 ( 2 一1 5 ) = c o s ( 2 - 1 6 ) = s i n p ( 2 1 7 ) 将( 2 - 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 式代入( 2 一1 3 ) 式中，得到电磁转矩的方程为 l = p - k 弘s i n + 丢一厶) 乎血2 司 ( 2 1 8 ) 上式中，括号内第一项是由这两磁场相互作用所生的电磁转矩，第二项是 磁阻转矩，它是由凸极效应引起的。对于隐极性转子永磁同步电机，幺= 厶， 电磁转矩方程为 乙= 岛k 惦 ( 2 一1 9 ) 转矩中不包含磁阻转矩，电磁转矩仅与定子电流的交轴分量有关。 ( 3 ) 状态方程 电机电动运行时，运动方程如下 乙= 五+ 曰q ，+ 勿q ， ( 2 - 2 0 ) 式中，写为负载转矩，p 为微分算子，口为粘滞摩擦系数，为电机转子和所 带负载的总转动惯量，q ，机械角速度其中，机械角速度q ，与电角速度碑睁 关系为 l o 1 绪论 q ，= 见q ( 2 2 1 ) 上述电压方程、转矩方程和运动方程构成了p m s m 的数学模型，这个模型 是非线性的，因为它含有电角速度哆与电流或的乘积项 将电压方程( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 式和运动方程( 2 2 0 ) 式写成状态方程的形式： p = ( 一e + q ) l ( 2 2 1 ) p f f = ( 一e i f q 厶一q f ，) l ( 2 2 2 ) p q = ( n 乙一见互- b o , ) j ( 2 2 3 ) 2 2 永磁同步电动机矢量控制 由2 1 节永磁同步电机的数学模型的分析可知：定子电流在d 、q 轴上豹分 量决定电磁转矩的大小永磁同步电机矢量控制的实质就是通过对定子电流的 控制来实现交流永磁同步电动的的转矩控制。转速在基速以下时，在定子电流 给定的情况下，控制l 20 可以更有效的产生转矩，这时电磁转矩z = ”， 电磁转矩就随着的变化而变化。在控制系统中只要控制大小就能控制转 速，实现矢量控制。然而转速在基速以上时，因为永久磁铁的励磁磁链为常数， 电动机感应电动势随着电机转速成正比例增加，电动机感应电压也跟着提高， 但是又要受到与电机端相连的逆变器的电压上限的限制，所以必须进行弱磁升 速通过控制l 来控制磁链，通过控制来控制转速，实现矢量控制 图2 - 3 备坐标轴之间的关系 实现矢量控制，均是通过矢量坐标变换来实现的，且变换前后的功率不变 l 绪论 为原则，各坐标轴之间的关系如图2 3 所示。 ( 1 ) q b 坐标与d - q 坐标转换关系 匕 = 。c 。o ；n s 口o c 。酝s n o 口 j f l l 4 一o o $ o 塞删 ( 2 ) a 一1 3 坐标与u - v - w 坐标的转换关系 信i 黔 朝 o 嘲 跳仁捌捌 辨 一s i n 口 嘲 ( 2 - 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 电压的转换与电流的转换相似。 永磁同步电机矢量控制很容易实现，只要使实际的l 、与给定的l 、 相等，也就满足了实际控制的要求。在实际控制中，向电机定子注入的和从定 1 2 。一2压一2 匕 巫2 笪2。一2。一2 1，j 毛0 1 旷i i i i i r 、，j 石 石 2 3 2 3 一 + 秽 口 ，l，fi 璺 洫 s s 一 一 、万、石 口2 3 2 3 “ 一 + i p p 洲 1 绪论 子检测的电流都不是l 、而是三相电流，所以必须进行坐标变化又因为d 、 q 坐标系是定在电机转予上的旋转坐标系，所以要实现坐标变化必须在控制中 实时检测电机转子的位置。下图是永磁同步电机的矢量控制原理图心幻幢” 图2 - 4 永磁同步电机位置交流伺服系统矢量控制原理框图 由图可知，永磁同步电机位置交流伺服系统矢量控制有下面几部分组成： 1 位置速度检测模块； 2 位置环，速度环，电流环控制器； 3 坐标变换模块； 4 s v p w m 模块： 5 整流和逆变模块。 位置信号指令与检测到的转子位置相比较，经过位置控制器的调整，输出 速度指令信号，速度指令信号与检测到转子速度信号相比较，经速度控制器的 调节，输出l 指令信号( 电流控制器得给定信号) 。p j 时经过坐标变换，定子反 馈的三相电流变为厶、，通过电流控制器使c 20 ，与给定的相等，电 流控制器的输出为e 、c 轴的电压经坐标变化变为ab 坐标上的电压，通过 s v p w m 模块输出六路p w m 信号驱动i g b t ，产生可变频率和幅值的三相正弦电流 输入电机定子。 1 绪论 2 3 空间矢量脉宽调制原理及实现 在电气传动中，广泛地应用p w m 控制技术m h 2 “近年来，德国的h w v a n d e rb r o e c k 教授等提出了s v p w m 策略。该新型的p w m 方式一经问世，就迅 速地在工程上特别是在电机控制方面得到了广泛的运用。此方法控制简单，数 字化实现方便，能明显减少逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，降 低脉动转矩，而且有更高的电压利用率。 在永磁同步电机控制中，为了改变注入电机定子电流的频率和幅值，控制 设备需要实时的产生六路p w m 脉冲去控制逆变器的通断可见能否实时准确的 产生六路p w m 波对实现永磁同步电机控制是非常关键的。空间矢量p w m 波是一 个由三相功率逆变器六个功率开关的特定开关模式产生的脉宽调制波空间矢 量p w m 与传统的正弦p w m 波不同，它是从电动机的角度出发，着眼于如何使 电机获得理想圆形磁链圆，使逆变器注入定子的电流形成的磁场必须实时跟踪 转予磁场，并且两磁场实时保持正交以实现永磁电机交流伺服系统的矢量控 制。电压空间矢量技术，不仅使得电机转矩脉动降低，电流波形畸变减少，而 且与常规的s p w m 技术相比直流电压利用率有很大的提高，并且易于实现数字 化。 下图是三相电力逆变器。设直流侧中点的0 作为参考点，刚上管导通时输 出电压为2 ，下管导通时输出电压为一2 。 其输出电压空间矢量吒o ) 的p a r k 矢量变换表达式为 ，i 蔗 o v - 詹 图2 - 5 三相电压型逆变电路 1 4 l 绪论 啪) = 弘+ 鹏“。 ( 2 - 3 0 ) 其中，p = e j 2 咖，“、心分别是a 、b 、c 三相定子负载绕组的相电压 这样就可以用电压空间矢量吒o ) 来表示输出电压的八种状态。 l 删 1 1 田，： 0 1 登 p ； i k 在八个开关模式中，( o o o ) 和( 1 1 1 ) 对应输出的电压空间矢量为零，我们把 这两个电压空间矢量称为零矢量。其它六个矢量称为有效矢量，有效矢量长度 均为2 u d 。 ) 对于状态。l ” u , ( 0 1 1 ) ，；一詈，屹= 心= 三，将，也代入式 ( 2 3 0 ) 触 虬c 。- ，= 吾 ( 一吾 + 三玑们+ 妒 = 犯) 挚i ( 一丢+ 一，水1 玑h i 剀 = 非) + ( 一别 = ； 同理可得蚝( 0 0 1 ) = 詈帅，心( 1 0 1 ) = - ；v , d 2 t 3 ，u , ( 1 0 0 ) = 吾 1 绪论 u i q 、q = 毛u d f n 。u , ( o l o ) = 每ud f 弘1 扣 jj 由六个非零的空间电压矢量和两个零电压矢量，采用电压矢量合成法，它 在系统电流环的一个采样周期中选择三个空间矢量( 两个非零矢量和一个零矢 量) 来等效系统所需的理想电压矢量矿。如图2 5 所示，e 的幅值和相位由 两个非零矢量合成，而零矢量用于补偿整个采样周期的时间( 零矢量为垂直于 复平面。一b 的“零”轴上的矢量) 。 图2 7 电压矢量台或i 去的不嚣圈 图e p 的电压矢量旷由非零矢量和q 合成，其幅值为旺的长度，相位为b 以第三扇区为例，具体分析电压矢量合成法。用最近的两个相邻有效矢量 u , 0 0 0 ) 、”，( 1 l o ) 和零矢量合成参考矢量，等效矢量按伏秒平衡原则合成 于是有： u , ( 1 0 0 ) 互十屹( 1 1 0 ) 乏= u fr ( 2 3 1 ) t = 五+ 瓦+ 五 ( 2 3 2 ) 式中：r 一系统p w m 周期： t , - - u , ( 1 0 0 ) 作用时间： 瓦一q ( 1 1 0 ) 作用时间： 瓦一u , ( 1 1 1 ) 的作用时间。 式( 2 3 0 ) 的意义是，矢量在r 时间内所产生的积分效果与u , 0 0 0 ) 、 u , ( 1 1 0 ) 及零矢量分别在互、瓦和五时间内的积分和效果相同将 1 6 1 绪论 u , ( 1 0 0 ) = 2 u 。、u , ( 1 l o ) = u d ej 2 垆及= 0 l i ( s + j s i i i 卢) 代入式( 2 3 1 ) 得： 互詈+ 瓦吾f 脚2 l o + 歹s i i l 多) r 零矢量只是补足五、瓦以外的时间，它对矢量的合成不产生影响由等式 两边实部和虚部相等得： 互= b 2 拶一鱼3 叫o 乒 瓦= 压血h 归肛 五2 t 一互一瓦 随着参考电压空间矢量的长度增加，输出电压的基电压幅值也线性增 加，五、瓦也线性加大，t o 逐渐减小，但是，要使合成矢量在线性区内就必须 满足下列等式： 五+ 瓦s t 为使波形对称，把每个矢量的作用时间都一分为二，同时把零矢量时间等 分给两个零矢量q ( 1 0 0 ) 和u , ( 1 l o ) 产生的开关序列为： u , ( o o o ) 一虬( 1 0 0 ) 一u , ( 1 l o ) 一u , ( 1 1 1 ) 一u , ( 1 1 1 ) 一u , ( 1 l o ) 一l ( 1 0 0 ) 一u , ( o o o ) 从而实现电压空间矢量脉宽调制。在i r m c k 2 0 1 芯片中，就采用了电压矢量合 成法。这种矢量合成的每个最近的两个相邻有效矢量作用时间容易计算且可以 通过i r m c k 2 0 1 的内部s v p w m 模块进行控制。 1 7 3 基于i r m c k 2 0 1 的伺服控制器设计 3 基于ir m c k 2 0 1 伺服控制器设计 通过前面两章对交流伺服系统的介绍、永磁同步电机结构和数学模型的分析 以及对当前流行的调速算法矢量控制进行了详细的解析，所有这些都是为 i r i c k 2 0 1 的应用打下了基础。已经知道，用矢量算法控制永磁交流同步电机有着 和直流电机一样的动静态性能，而i r m c k 2 0 1 是专门针对伺服驱动系统而设计的， 它可以实现不同类型的永磁或交流感应电机和它们的位置反馈的高性能算法，简 化了伺服控制器的复杂的软件编程。本课题把基于i r m c k 2 0 1 的永磁同步伺服控制 器应用到两轴试验平台上嘲，并由d s p 实现运动轨迹等控制。本章将详细介绍基 于i p 瑚c k 2 0 1 的伺服控制器软硬件设计。同时，该伺服系统选用的电机是三菱公司 生产的h c - m f 4 3 型2 对极交流永磁同步电机。 3 1 高性能数字运动控制芯片ir m o k 2 0 1 的介绍 i r m c k 2 0 1 是美国国际整流公司开发的数字运动控制芯片，是专门为伺服驱动 系统而设计的。该器件可实现完整的速度环和电流环控制，具有快速的高性能伺 服驱动能力i r m c k 2 0 1 不同于传统的微控制器或d s p ，它不要求任何复杂的程序 去实现交流伺服控制算法。将它与国际整流公司的高压门极驱动模块和电流传感 器芯片结合，用户可以用相对较小的工作量而实现交流伺服控制。i 跚c k 2 0 1 不仅 可以实现交流电流和电压的闭环控制，面且灵活的寄存器设置功能可以满足不同 的应用要求，可以实现直接转矩控制。基于i i 瑚c k 2 0 1 的伺服控制器可以根据不同 的控制对象，设置为感应电机或永磁同步电机的控制模式。丰富的外设，如模拟 和数字i 0 、异步通讯接口r s 2 3 2 、通讯接口r s 4 8 5 、s p i 、及8 位并口也可以满 足不同的要求通过寄存器可以对所有的通讯的接口按不同要求进行设置。用户 可以通过通讯接口对寄存器读、写操作，并且监视驱动器的工作状态。 3 基于i r m c k 2 0 1 的伺服控制嚣设计 在i i 珈c k 2 0 1 基本功能模块中，电机三相电流通过p a r k 变换与矢量旋转被分 解为产生磁通的励磁电流分量i d 和产生的转矩电流i q 分量，这两个分量具有独 立的比例积分放大电路。芯片可以启动或禁止速度闭环控制，启动速度闭环控制 时，通过改变给定速度值，给定速度值与测量速度之间相互比较产生速度偏差。 基于这个偏差，速度调节器产生一个对应的转矩电流i s _ q r e f ：当速度闭环控制 禁止，可以直接改变转矩电流i s _ q r e f 。当i s d r e f = 0 时，改变转矩电流i sq r e f ， 经过c l a r k 变换转换成静止的d 、b 坐标系的电流分量 啸rs232, 增盏 一 i 茎! ! f 一 控科 一卜 、卜目l i 匝鼍 卜卜 i ” t 7 2 。莎讣曾 卿墨轻声 速鏖 i 跏晶 i l s m 二、 转据 卅 参考 电压 u ，l il 鐾l - j ： f l _ il 二芒兰d i 图3 - 1i p 啦c k 2 0 1 的功能结构图 现在对i r m c k 2 0 1 的特点总结如下： 完整的电流闭环控制和速度闭环控制； 使用p 嘲载波频率可以配置速度和电流更新率； 可以配置感应电机或者永磁电机的控制系统； 带死区的控制矢量p 删； 最大时钟输入3 3 3 m l t z ，最大p w m 载波频率8 3 3 k h z ，电流环带宽5 5 k h z ， 速度环更新率5 l o k h z ； 具有与高压线性电流传感器i r 2 1 7 5 、高压驱动芯片i r 2 1 3 x 、霍尔a b c 信号、光电编码器、r s 2 3 2 或r s 4 2 2 、快速s p i 的接口； 1 9 3 基于i r m c k 2 0 1 的伺服控制器设计 配置光电码盘的线数范围从2 0 0 p p r 1 0 0 0 0 p p r ； 可以监视直流母线电压； 可以配置模拟参考输入； 2 m h z 的计数器改善低速性能； 具有4 路采样保持的a d 转换接口； 通过主机寄存器接口，a t 2 4 c o i a 可对内部数据参数进行初始化； 智能i g b t 保护封锁控制。 3 2 交流伺服驱动系统的结构 基于i r m c k 2 0 1 的交流伺服驱动系统的硬件设计主要包括高压主电路、功率驱 动电路、电流电压采集电路、过流过压保护电路、编码器位置反馈电路、主机接 口及外部接口电路系统的硬件功能框图见图3 2 。 图3 - 2 伺服控制器硬件功能框图 控制电路以i r 公司的电动机控制专用芯片i r m c k 2 0 1 芯片为核心啪。其主要 作用是产生s v p w m 信号，用来驱动三相逆变器；采用两个电流传感器i r 2 1 7 5 检测 永磁同步电机相电流的瞬时值，采用光电脉冲编码器检及h a l l a b c 测永磁同步 电机的旋转角位移以及转子速度信号经光藕隔离后接入到电机位置检测单元。 i 跚c k 2 0 1 主机通信接口包括r s - 2 3 2 r s 一4 8 5 、快速s p i 接口和8 为并行接口因 此可以方便与控制器进行通信，通过修改和读取其主控寄存器来控制输出。 3 基于l t l m c k 2 0 1 的伺服控制器设计 i r i h c k 2 0 1 可以独立运行而不需要外部主机参与控制，其运行参数通过外部e e p r o m 来保存，上电自动从e e p r o m 中读取参数。其电源部分由d c d c 电源模块2 4 v 转 5 v 组成以及a c d c 电源模块2 2 0 v 转1 5 v 和5 v ，其中d c d c 电源模块除了给板子 上低压侧的5 v 芯片和光电编码器信号隔离光耦的输出侧供电外，还经电源芯片 s p x l l l 7 m 3 降压后给i r m c k 2 0 1 提供3 3 v 电源；而a c d c