（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的网络伺服控制器研究.pdf

摘要 当前，交流传动已成为传动领域的主要方式。随着电机制造技术、电力电子技术、微 处理器技术( d s p ) 和现代控制理论的发展，交流伺服技术应用越来越广泛。永磁同步电 机( p m s m ) 由于其优异的控制性能，被越来越多地应用于交流伺服系统。因此，研究基 于d s p 的永磁同步电机伺服系统，具有重要的现实意义。 本文围绕数字化永磁同步电机伺服控制器展开研究，全文主要分为四个部分，主要内 容如下： 一、描述了永磁同步电机转子磁场定向的矢量控制原理；对电压空间矢量脉宽调制技 术( s v p w m ) 做了详细的理论阐述和推导，并给出了基于d s p 的硬件实现方法。 二、在硬件方面，系统采用了以，n 公司的d s p 控制器为核心的最小控制系统，并与 f a i r c m l d 公司的智能功率模块( s p m ) f s 舢泡0 s h 6 0 a 组成交流伺服系统。本文详细 论述了s p m 智能功率模块的驱动电路、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的最小系统、相电流测量电路、 p w m 驱动电路以及通信接口电路的设计与实现。 三、在软件方面，根据控制对象、技术指标及永磁同步电机的磁场定向矢量控制模型， 本文采用了电流环和速度环双闭环的控制方式；电机的驱动采用了空间矢量脉宽调制技 术，相对于正弦波脉宽调制技术而言，这种控制技术大大提高了电源电压的利用效率；编 程主要采用c 语言，结构上采用模块化的编程结构。主要论述了相电流检测模块、速度 和位置检测模块、电压空间矢量产生模块以及通信模块的实现，并对程序中数据的格式处 理、p i 控制的程序实现等做了详细的讲解和说明。 四、利用d s p 内嵌的c a n 模块构建网络伺服控制系统，并对网络伺服控制系统的组 网结构、c a n 总线的通信协议及c a n 总线实时性等方面进行了详细介绍。 关键词：永磁同步电机，网络伺服控制器，转子磁场定向的矢量控制，电压空间矢量， 智能功率模块，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，c a n ， s t u d y o nt h en e t 、o r ks e r v oc o n t r o u e rb a s e do nd s p a bs t r a c t a tp r e s e n t ，a cd r i v eh a sb e c o m e 让屺如n i 【a m e n t a lm o d ei i lt h ed r i v ef i e l d w i 廿lt h e d e v e l o p m e mo f t h ee l e c 仃i c a lm o t o rt 1 1 e o r i e s ，m o d e mp o w e re l e c 仃0 1 1 i c s t e c q u e s ， m i c r o p r o c e s s o rt e c h m q u e s ( d s p ) a 1 1 da d v a n c e dc o n 仃d lt 1 1 e o i l i e s ，t h e 印p l i c a t i o no fa cs e r v o t e c l l l l 0 1 0 9 yi sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e a sar e s u l to fi t so u t s t a l l d i n gc o n 仃o lp e r f 0 m l 鲫l c e ， p e 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 ( p m s m ) i s 印p l i e dm o r ea n d m o r e 仔e q u e n t l yi i la c s e n ，os y s t e m t h e r e f o r e ，s t u d y i n gi np e m a i l e mm a g n e ts y n c l l r o n o u sm o t o rs e n ，o s y s t e m b a s e do nd s pi so fc m c i a la n dr e a l i s t i cs e n s e 1 1 1 i sp 印e rm a i l l l ys t u d i e si n l ed i g i t i z a t i o np m s ms e r v oc o n 仃o l l e r n l e r ea r ef o u rp a r t s ， m a 瑚ya sf o l l o 、v s ： 1 d e s c r i p t i o no ft l l ep m s m r o t o rm a g n e t i cf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lt h e o 吼t h o r o u g h d i s c u s s i o no fs v p w mm o d u l a t i o na n db r e a l i z a t i o nm e 戗1 0 d sw i mh a r d w a r e 2 o nt h el l a r d w a r es i d e ，t h es y s t e ma d o p t sam i l l i m a ls y s t e mw m c hl l s e sd s pc o n t r o l l e r o ft t l et i 嬲i t s 肌c l e u s i ta l s oc o n s t i t u t e saa cs e os y s t e m 而t hf s a m 2 0 s h 6 0 a ( s p m ) o f t 1 1 e 跏r c h i l dc o m p a 够t l l e “v e rc i r c u i to fs p m ，t h em i n i m a lt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a s y s t e m ， t l ：i em e a s u r ec i r c u i to fp h a s ec u 仃e m ，“v e rc n u i to fp w m a n dn l ed e s i g i la 1 1 di m p l e m e n to f c o m m u m c a t ei m e r f a c e 羽陀d i s c u s s e di nd e t a i l 3 o nt h es o 胁a r es i d e ，i tu s e ss p e e dr i l l ga i l de l e c 仃i cc u r r e n tl o o p t h ed o u b l ec l o s e d l o o pc o n 仃0 1s 够l ea c c o r d i n gt oi t sc o n t 】沁lo b j e c t ，q u a l i f i c a t i o na 1 1 dm ep m s mr o t o rm a g n e t i c f i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n n o lm o d e l t h ed d v e ro ft h em o t o ra d o p t ss v p w mv m i c hg r e a t l y i m p r o v e dm eu s i n ge 伍c i e n c yo fs u p p l yv o l t a g ec o m p a r e dt ot h ep m s m cl a i l g u a g ei sm a i l l l y u s e di nt h ep r o g r a ma n db l o c k i n gi su s e di ni t ss 廿u c t u r ep r o 铲a m m i n g t h ei m p l e m e n to ft h e m e a s u r ec n u i to fp h a s ec r e n tm o d u l e ，廿l em e a s u r eo fs p e e da i l dl o c a t i o nm o d u l e ，t l l e p r o d u c i n go fs v p w m a n d l ec o m m u m c a t em o d u l ea r ed i s c u s s e ds p e c i a l l y i ta l s oh a sag o o d d e s c r i p t i o no ff o 彻a tm a n a g e m e n to ft h ed a t ai nt h ep r o g r a ma i l dm ep r o g r 锄 m l i n gr e a l i z eo fp i c o n t r o l ，e t c 4 c o n s t l m c t i o no fn e t 、o r ks e oc o n 仃o l l e rb a s e do nc 砧、丁b u sm o d u l ei n l i n e 而t 1 1d s p t h e s e m po fn e 铆o r k行a m e 、o r ko fn e t w o r ks e oc o i n r o l l e r s y s t e m ， c a nb u s c o m m u l l i c a t i o np r o t o c o la i 】【d l er e a lt i m eo f 仕i ec a nb u sa r ei n t r o d u c e di 1 1d e t a i l e di l lt l l i s p a p e r k e y w o r d s ：p m s m ，n e 僦o r ks e oc o n t r o l l e r ，r o t o rf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o l ，s v p w m ， s p m ，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，c a n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，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 出重要贡献的个人和集体，均已在丈中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者c 本人签名，： 墨【 沙q 鬈年6 月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 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，可以汇编和综合 为学校的科技成果，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 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保截可。 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ：眵侈 年年留形州协 础幽 ，奠h 眷 致谢 光阴如梭、日月如箭，三年的学习生活又要告一段落。值此论文完稿之日，谨向教育 我、支持我、帮助我、关心我的人致敬。 本硕士学位论文是在导师郁吴副教授悉心指导下完成的。从论文的前期材料准备、选 题、思路、撰写到最后的定稿，郁老师都花费了大量的时间和精力，给予了我最大的指导 和帮助。导师渊博的知识、严谨的治学态度、活跃的思维方式、敏锐的学术洞察力、豁达 开朗的性格和平易近人的为人风格深深地感染着我、激励着我，使我在人生成长的关键道 路上受益菲浅。谨此，向导师致以最诚挚的感谢。 在整个课题的实验和研究过程中，我还要感谢我师姐王芳，师兄郁荣华，师弟王伟， 师妹秦宜荣，他们的帮助和支持是本课题顺利完成的重要保障。 我还要感谢我的父母，他们无私的奉献、无尽的关怀、严格的教育是我不断成长和进 取的动力，是激励我在科学的道路上不断前进的精神源泉，我所取得的每一点进步无不凝 聚着他们的心血和汗水。谨以此文表达我对他们的谢意和深深的爱。 在项目的研究和实施过程中，汗水与欢笑并存，我将珍藏这一段难忘的时光经历，欣 然翻开人生又一崭新的篇章。 刘杰 2 0 0 8 年4 月于南京林业大学 第一章绪论 1 1引言 随着科学技术的发展，人类在微电子、计算机、电力电子技术和电机制造等诸多领域 取得了巨大进步，并直接推动了伺服控制技术的飞速发展和广泛应用。诸如在各种数控设 备、工业机器人、大规模集成电路制造、交通运输、载人宇宙飞船、电动工具以及家用电 器等领域的应用都日益广泛【l 】。 从上个世纪六十年代开始，电伺服系统开始逐渐取代液压伺服系统。七十年代以前的 伺服系统大多采用步进电机，结构上系统属于开环控制系统，虽然控制方式简单，但是控 制精度较差【2 ，3 1 。从七十年代到八十年代中期，直流伺服系统由于控制方式简单，响应速 度快，定位精度和跟随精度高，速度稳定性好，并具有良好的输出特性，因此在伺服系统 中一度占据主导地位。但是，由于直流电机结构复杂、成本高、故障多、维护困难而影响 生产；机械换向器的换向能力限制了电机的容量、电压和转速，接触式的电流传输方式和 电刷产生的火花又限制了直流电机的应用场合；电枢在转子上造成电机效率底下，转子散 热条件差。这些直流电机固有的缺点限制了直流伺服系统的进一步发展【4 ，5 ，6 1 。 八十年代末期开始，由于交流伺服技术的长足进步使交流伺服系统开始逐渐取代直流 伺服系统【2 】。交流电动机没有直流电动机上述的缺点；从电机本体方面，交流电机的转子 惯量比直流电机小，而输出功率比同体积的直流电机要大得多，动态响应也比较好。但是 在控制策略上，采用交流电机的交流伺服系统更复杂，其伺服控制效果的好坏与采用的控 制策略的优劣有较大的关系。对于不同种类的交流电机须采用不同的控制策略。按照交流 传动伺服系统所采用的电机类型来划分，目前交流伺服系统主要有感应异步电机交流伺服 系统和永磁同步电机交流伺服系统l 7 j 。 感应异步电机成本低、工艺简单、维护方便，其控制方式常采用矢量控制和直接转矩 控制等控制策略，易实现高速运行下的弱磁控制。它的缺点是转子散热比较困难，转子的 电阻阻值随着温度的变化而变化，影响了磁场定向的准确性。由于转子磁场的位置常常靠 数学模型计算得到，误差较大，造成伺服控制的精度不高，使得感应电机伺服控制系统常 常运用于对控制精度要求不高的场合，如皮带传送机构、排风系统等【l ，7 j 。 随着永磁材料性能的大幅提高和价格的降低，各种永磁同步伺服电动机及其控制系统 成为交流伺服系统的主流。在永磁交流伺服系统中，应用较为普遍的永磁交流伺服电动机 主要有两种：直流无刷电动机( b m s l l l e s sd cm o t o r ，简称b l d c ) 和三相永磁同步电动 机( p e 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 ，简称p m s m ) 。前者一般采用方波电流驱动， 而后者一般是三相正弦波电流驱动。由于p m s m 伺服系统在工作原理上能够克服b l d c 系统所固有的一些缺点，控制也比较方便，可以应用到高精度、高性能的场合，诸如工业 机器人、高精度数控机床和航天技术等领域，所以目前国内外对永磁交流伺服技术的研究 也主要集中在p m s m 伺服系统上【7 j 。 1 2 伺服控制器概述 典型的现代伺服系统如图1 1 【8 】所示。由图可知，伺服控制器是整个伺服系统的核心， 起到“承上启下”的作用。首先，控制器产生六路p w m 信号，通过驱动器的放大以此产 生三路正弦波电流来驱动永磁交流同步电机；其次，控制器接收电机和负载传来的电流、 位置等信号，实现对系统的闭环控制，以此保证相当高的精度；同时，控制器还留有通讯 接口，可以接收上位机或者运动控制器发送过来的命令信号，按照特定的要求控制电机完 成预期的动作；甚至可以通过控制器组成控制网络，在网络上实现多轴电机的协同控制和 远距离控制。 运动 i 一高警h 黑卜h 伺淼h 负载 l 控制器r - j jk 反馈l 矗h 期翼i ，i _ h 1 1 i 图1 1 现代伺服系统的组成 1 3 课题的国内外研究现状及意义 1 3 1 国内外现状 从2 0 0 5 年1 1 月在德国纽伦堡举办的s p s i p c d r i v e s 展览上可以看到世界范围内电气 驱动、运动控制和相关软件的最新情况，其中交流伺服产品的亮点很多，代表了当前的国 际水平。像贝加莱( b & r ) 工业自动化公司推出的a c o p o s m u l t i 驱动系统采用模块化的可 扩展结构，每个轴模块可提供1 到2 个伺服轴控制，并集成了一个2 4 v d c 的辅助电源模 块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的连接，来获得开路、短路和过 载保护。艾默生控制技术( e m e r s o nc o n 仃o lt e c q u e s ) 公司驱动器的覆盖功率范围从 o 5 5 6 7 5 k w ，并且提供特殊防护等级的商品化产品，而国内伺服驱动器厂商的产品功率 范围多在1 0 l 洲以下，这方面国内外的差距很大。在适合运动控制的工业协议方面，有 b e c k h o 行的e t h e r c a t ，b & r 的p o w e r l i n k ，d a n a h e r 下面的m e i 开发的s y n q n e t ，s i e m e n s 的p r o f i n e t ，还有久负盛名的s e r c o s 已经发展到s e r c o s i i i 。这些通讯协议都为多轴实时同 步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。在国内，甚至c a n 这样的中 低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还 没有出现【9 1 。 1 3 2 技术发展趋势【乳1 1 i 现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如 换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能d s p 加f p g a 、以及 伺服专用模块( 比如i r 推出的伺服控制专用引擎) 也不足为奇。国际厂商伺服产品每五 年就会换代，新的伺服器件或模块每2 2 5 年就会更新一次，新的软件算法则日新月异， 总之产品生命周期越来越短。根据目前国内外的研制及使用主要向以下三个方向发展： 1 、全数字化 根据目前微电子技术的发展趋势，速度更快功能更新的新一代微处理器不断涌现，硬 件成本会变低。体积小重量轻，能耗少是他们共同的优点；数字电路温度漂移小，不存在 参数的影响，稳定性好；采用微处理器的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容 2 易和上位机通讯，并可随时改变控制参数；可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件 电路，其中软件可以模块化设计，以满足不同的用途。而且软件模块化可以方便地进行增 加、更改和删减，能明显地降低控制器硬件成本。 2 、高性能控制 高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。基于常规控制理论设计的电机控制系统存 在缺陷和不足：传统控制器的设计通常需要被控对象有非常精确的数学模型，而永磁电机 是一个非线性多变量系统，难以精确地确定其数学模型，按照近似模型得到的最优控制在 实际上往往不能保证最优，受建模动态、非线性及其他一些不可遇见参数变化的影响，有 时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证。所以有必要采用高性能的控制策略， 在控制策略上。永磁同步电机伺服系统主要采用矢量控制方法。 3 、网络化控制 随着微处理器的发展，是数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。网络技 术将驱动部分、运动控制以及计算机通过网络连接，构成了系统的网络化和智能化。通过 网络使控制器及各种传动设备作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中的或 分散的生产过程实时监控；可以进行高速数据传输与多机互联，可以实现一体化管理，使 机械调整和故障检测更加可靠。 1 3 3 课题研究的目的和意义 目前，我国伺服驱动系统的产品性能、产品可靠性方面，与国外产品还存在一定的差 距。特别是在全数字化的高性能伺服驱动技术方面，与国外名牌企业仍存在较大的差距， 已经成为制约我国发展中高档数控系统产业的“瓶颈”问题。 本课题的主要任务是研究全数字交流伺服控制器，设计出一种基于d s p 控制策略的 三环伺服控制系统，并针对伺服系统的网络化控制做一定的探讨。 1 4 课题研究的主要内容 以永磁同步电动机的磁场定向矢量控制理论为基础，完成了基于d s p 的全数字伺服 控制器的硬件和软件的设计，并对设计的样机进行了调试。 1 、系统硬件电路的设计 硬件电路的设计要遵循以下基本原则：尽可能选择外围模块完整的c p u ，尽量少的 外扩器件，以简化系统硬件，减少设计工作量；尽可能选择典型的电路，并符合所选芯片 的常规用法，为硬件系统标准化、模块化打下良好基础；系统的扩展与外围设备的配置水 平应在充分满足应用系统功能要求的前提下适当留有余地，以便方案更改或进行二次开 发；硬件结构应结合软件方案一并考虑，做到软、硬件功能相匹配；整个系统中相关器件 要尽可能做到性能匹配；可靠性设计及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它 包括芯片、器件选择、去祸电路、印刷电路板布线、通道屏蔽、隔离等措施。对于d s p 应用系统设计，在满足性能指标允许的前提下，有经验的设计者往往采用最简的硬件线路， 加上巧妙的软件处理方法，来实现其系统要求的功能。 系统硬件控制电路的设计中主要工作包括：查询资料了解相关信息，设计硬件控制电 路中d s p 最小系统以及外围接口电路；完成系统电路原理图的设计；制作p c b 电路板， 进行硬件电路的调试。 2 、系统控制软件的设计 设计一个好的应用软件，应考虑如下的一些设计原则：软件在结构上应清晰、简洁、 流程合理；各功能子程序应实现模块化、子程序化，以便于调试、连接、移植和修改；程 序存储区、数据存储区应合理规划，做到既节约内存容量，又方便操作；运行状态应实现 标志化管理，对各功能程序的运行状态、运行结果以及运行要求都要设置状态标志以便查 询；对需要特殊抗干扰的系统应采用软件抗干扰措施，以提高系统的可靠性；按照系统技 术指标要求，对系统进行合理的分析与规划，寻求合适的控制规律和确定软件流程及控制 算法。 系统控制软件的设计中主要工作包括：深入了解系统被控对象的原理、特性，从理论 上确定系统的控制规律；在认真分析系统功能要求的前提下，根据软件工程的思想，确定 系统软件流程；分别编写模块化功能子程序；组成完整程序进行调试和主要性能指标测试。 3 、本文的组织结构 第一章：绪论 第二章：永磁同步电机控制理论 第三章：伺服控制器硬件设计 第四章：伺服控制器软件设计 第五章：伺服控制器c a n 总线控制系统的设计与实现 第六章：结论与展望 4 第二章永磁同步电机控制理论 2 1 矢量控制理论概述 矢量控制理论是由德国的e b l a s e h 妇在i 9 7 1 年提出的。矢量控制方法的成功实施， 使交流异步电动机变频调速后的机械特性以及动态性能达到了与直流电动机调压时的调 速性能相媲美的程度，从而使交流异步电动机变频调速在电动枫的调速领域墨全方位地处 子优势地位豫1 弱。 2 1 1 矢量控制的基本思想 由运动控制理论可知，一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统，通 过两相交流系统作为过渡，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 定信号交换成类似于直流电动机磁场系统的控制信号，也就是说，假想由鼹个互相垂直的 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的励磁电 流信号i m 和转矩电流信号i t ，并把i m 、i t 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k 帮i 零等效的三相电流控制信号i a 、i b 、i c ，用它们去控裁逆变电路。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i m 、i t i 冲 j 。 在进行控制时，可以和直流电动机一样，使其中一个磁场电流( 例如i m ) 不变，而 控制另一个磁场电流( 例如i t ) 信号，从而获得和直流电动机类似的控制效果。 矢量控制的基本原理也可以用图2 。l 醛习所示的框图来加以说暧。给定信号分解成两个 互相垂直而且独立的直流信号i m 、i t ，然后通过“直交变换将i m 、i t 变换成两相交流 信号i 程、i 8 ，又经“2 3 变换”，褥到三相交流的控制信号i a 、i b 、i c ，去控制逆变电路。 图2 1 矢量控制原理框图 电流反馈信号经“3 忽变换”和“交壹变换”，传送到控制端，对壹流控制信号的转 矩分量i t 进行修正，从而模拟出类似于直流电动机的工作情况。 2 1 。2 矢量控制的坐标变换 考虑通常的三相绕组，在空间位置上互差( 2 扔) r a d 机械角度，设在三相绕组中通 以三相对称电流，在相位上互差( 2 耐3 ) r a d 电角度，产生的合成磁场具有如下特点【1 4 以8 1 ： ( 1 ) 随着时间的接移，合成磁场的轴线在旋转，电流交交一个周期，磁场也将旋转 一周。 ( 2 ) 在旋转过程中，合成磁场强度不变，故称圆形旋转磁场。 产生旋转磁场不一定非要三相绕组，两相、三相及多相对称绕组，通以相应的对称电 流，都能产生旋转磁场。考虑两相对称绕组，其在空间位置上互相“垂直”，互差( 兀2 ) r a d 电角度；两相交变电流在相位上互差( 兀2 ) r a d 电角度。将两相对称电流通入两相对 称绕组，产生的合成磁场将具有与三相旋转磁场同样的特性。 如果在旋转体r 上放置2 个匝数相等、互相垂直的直流绕组m 和t ，如图2 2 【l 酬所 示，则当2 个绕组内分别通入直流i m 和i t 电流时，它们的合成磁场仍然是恒定磁场。如 果调节任何一个直流电流( i m 或i t ) ，则合成磁场的磁场强度也得到了调整。当r 旋转时， 两绕组同时以同步转速旋转，合成磁动势产生的合成磁通也会旋转，此恒定磁场将在空间 形成一个机械旋转磁场，它与前面介绍的三相、两相绕组产生的磁场完全可以等效。当观 察者站在转子上和绕组一起旋转时，看的的将是2 个通以直流的、相互垂直的固定绕组。 如果采取补偿措施补偿掉绕组t 产生的磁动势f t ，电动机的主磁通只由m 绕组产生，并 和i m 成正比。而t 绕组中的电流i t 和磁场作用将产生转矩，其大小只与电流i t 成正 比，这与直流电动机转矩产生的原理非常相似。从直流电动机外部看，定转子通的均是直 流电，如站在转子上看，定转子的磁动势均在空间旋转，其旋转速度等于转子转速，方向 与转子旋转方向相反。 m 图2 2 两相直流旋转绕组示意图 如果上述三种旋转磁场完全相同( 磁极对数相同、磁场强度相同、转速相同) ，则认 为这时的三相磁场系统、两相磁场系统和旋转直流磁场系统是等效的。因此，这三种旋转 磁场之间，就可以互相进行等效变换【l m 。 矢量控制中，电动机的变量，如电压、电流、电动势、磁通等，均由空间矢量来描述， 并通过建立电动机的动态数学模型，得到各物理量之间的实时关系。通过坐标变换，在定 向坐标系上实现各物理量的控制和调节。 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【l 引。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a 轴和与之垂直 6 的p 轴所组成的两相定子p 坐标系均为静止坐标系。而d 轴固定在转子轴线上的d - q 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。 一个旋转矢量i 从三相定子a b c 坐标系变换到两相定子a p 坐标系，称为c l a r k 变 ：= = 吾l 蚓i i 协， 其逆变换，即c l 批逆变换或2 3 变换的矩阵形式为： z 一 z 日 z c 2 = 3 lo 1压 22 1历 22 ( 2 - 2 ) 2 、静止坐标与旋转坐标的变换 一个旋转矢量i 从0 【b 静止坐标系变换到m t 旋转坐标系，称为p a r k 变换，也叫交 直变换，其矩阵形式为： i 7 m l ：c 。s 伊s i n 缈 i al 一( 2 3 ) lf ri l s i n 矽 c o s 妒j l f dl 其逆变换，即p a r k 逆变换或直交变换的矩阵形式为： i7 口i ：ic o s 垆一s i n 矿| l7 膨i ( 2 4 ) i 疗i l s i n 矽 c o s 矽j li ri 2 1 3 磁场定向原则 通过矢量变换可将定子电流矢量i 。分解成两个分量i m 和i t ，但最终的目的是要分解 成励磁分量和转矩分量。也就是要在无数个m t 坐标中选择一个定向坐标，使i 。在这个 m t 坐标中的两个分量即为励磁分量和转矩分量，两者也是自然正交的。这个励磁分量 产生的就是转子磁链矢量。因此，只要取岍的坐标e m 作为m t 轴系的空间定向坐标， 就一定能达到上述目的。因此，沿转子磁场方向定向，就是m t 旋转坐标的定向原则， 简称磁场定向旧。 若取m 轴与一致，则i m 与同向，自然i 。的m 轴分量i m 就是纯励磁分量，而t 轴分量i t 也就是纯转矩分量。 如果能够随时检测或计算出电动机内客观存在的转子磁通的空间相位e m ，也就能随 时确定所要选择的m t 轴系的坐标位置。依据2 1 2 节中的变换规律进行m t 轴系与 a b c 轴系间的坐标变换或矢量变换，便可由i m 和i t 确定三相定子电流i a 、i b 和i c ，当 此三相电流通过定子三相绕组后，就达到了控制这两个电流分量的目的。无论转子磁通如 何变化，只要能够时刻确定其空间位置，上述控制也可在动态过程中完成，也就实现了对 瞬态电磁转矩的控制。 如果m 轴已经与取得一致，则转子磁通在t 方向上的分量为零；反之，若转子磁 通在t 轴方向上的分量为零，则实际上已经实现了m 轴与的取向一致。所以也可将转 子磁通在t 轴方向上的分量为零作为沿转子磁场定向的约束【l 7 | 。 2 2 p m s m 的磁场定向矢量控制原理 2 1 节中介绍的矢量控制原理是基于三相感应电动机的。在对三相感应电动机转子磁 通矢量控制中，是通过控制同步旋转m t 轴系中的两个坐标矢量i m 和i t 来控制i 。的幅值 和相位的，为了能独立地控制励磁分量和转矩分量，或者说为了使i m 成为励磁分量，i t 成为转矩分量，就要先观测转子磁场轴线的位置，然后使m 轴与转子磁场取得一致，即 进行磁场定向【1 7 j 。 在p m s m 中，同样可以控制同步旋转d q 轴系中的两个坐标分量i d 和i 。来控制i 。的 幅值和相位。但与三相感应电动机不同的是，这里的d q 坐标已自然在转子上，转子励磁 磁场轴线即为d 轴。由于p m s m 的转子磁极在物理上是可观测的，因此可通过传感器直 接检测到轴线位置。 2 2 1 转子磁场定向矢量控制原理 p m s m 的模型是一个多变量、非线性、强耦合系统1 1 4 d 引。为了实现转矩线性化控制， 就必须要对转矩的控制参数实现解耦。转子磁场定向控制是一种常用的解耦控制方法【l5 1 。 转子磁场定向控制实际上是将d q 同步旋转坐标系放在转子上，随转子同步旋转。其 d 轴( 直轴) 与转子的磁场方向重合( 定向) ，q 轴( 交轴) 逆时针超前d 轴9 0 0 电角度， 如图2 3 所示【1 5 j ： 图2 3p m s m 定子a b c 坐标系与转子d q 坐标系的关系 图2 3 表示了转子磁场定向后，定子三相不动坐标系a b c 与转子同步旋转坐标系 d - q 的位置关系。定子电流矢量i 。在d q 坐标系上的投影为i d 、i q 可以通过2 1 2 节介绍的 坐标变换求得，i d 、i q 是直流量。 p m s m 的转矩方程为【1 9 - 2 0 】： 乙= p ( 一岛) = p 【缈，一( 厶一厶) 屯】 ( 2 5 ) 其中，帅、为定子磁链在d 、q 轴的分量；v f 为转子磁钢在定子上的耦合磁链，它只在 d 轴上存在；p 为转子的磁极对数；l d 、l q 为p m s m 的d 、q 轴的主电感。由上式可知， 转矩由两项组成，括号中的第一项是由三相旋转磁场和永磁磁场相互作用所产生的电磁转 矩；第二项是由凸极效应引起的磁阻转矩。对于嵌入式转子，l d 0 则a = 1 ，否则a = 0 ；如果v 砖垃 0 则b = 1 ，否则b = 0 ； 如果v 他f 3 0 则c = 1 ，否则c = 0 。设n = 4 c + 2 b + a ，则n 与扇区数s e c t o r 的对应关系如表2 4 所示： 表2 4n 与扇区数s e c t o r 的对应关系 n123456 s e c t o r15o3 24 第o 扇区即为基本空间矢量u o 、u 6 0 所包围的扇区，第1 扇区即为基本空间矢量u 6 0 、u 1 2 0 所包围的扇区，第5 扇区即为基本空间矢量u 3 卟u 3 6 0 所包围的扇区。 到此为止，如果已知参考电压矢量u 。m 或其在c c p 坐标系中的0 【、b 轴分量u a l f a 和u b e 诅， 就可以根据上面的推导计算出与u 。m 对应的两个基本空间矢量的作用时间相对s v p w m 调制周期t 的比例t l 、t 2 。如果知道了t 1 、t 2 ，又知道要求的s v p w m 的调制周期t ，则 就可以确定空间矢量分别的作用时间t 1 、t 2 。再加上前面其他的一些推导，就可以很方 便地利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 实现s v p w m 算法了。 2 2 4s v p w m 算法的实现陷2 3 l 1 、产生空间矢量p w m 波形的寄存器设置 每个t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的事件管理器e v 模块都具有操作十分方便的对称空间矢量 p w m 波形产生的内置硬件电路。为了输出空间矢量p w m 波形，只需要设置以下寄存器： 设置a c t r x 寄存器用来定义比较输出引脚的输出方式。 夺设置c o m c o n x 寄存器来使能比较操作和空间矢量p w m 模式，并且把c m p r x 的重装条件设置为下溢。 夺将通用定时器1 或2 ，4 或5 设置成连续增减计数模式，并启动定时器。 而后，需要确定在二维0 【p 坐标系下输入到电机的电压u 。m ，并分解u o m 为u 。l f a 和 u b c 扭，以确定每个p w m 周期的以下参数： 夺两个相邻矢量u x 和u 椭o ( 通过确定u 。m 所在的扇区数就可以达到此要求) 。 夺根据s v p w m 的调制周期t 计算两个基本的空间矢量和0 矢量分别的作用时间 1 4 t l 、t 2 和t o 。 夺将相应于u x 的开启方式写入到a c n 权1 4 1 2 位中，并将1 写入到a c n 坟1 5 中，或者将u ，棚的开启方式写入到a c t i 仅1 4 1 2 位中，并将o 写入到a c t i 坟1 5 中。 夺将t l 2 的值写入到c m p r l 或c m p i h 寄存器，将( t l + t 2 ) 2 的值写入到c m p r 2 或c m p r 5 寄存器。 2 、空间矢量p w m 的硬件工作原理 为完成一个空间矢量p w m 周期，每个事件管理器e v 模块的空间矢量p w m 硬件工 作如下： 夺在每个周期的开始，将p w m 输出置成由a c t i 仅1 4 1 2 设置的新方式u v ，此称 为第l 类输出方式。 夺在增计数期间，当c r 1 或c m p r 4 和通用定时器1 或3 发生第1 次匹配时， 如果a c l r i k 1 5 为0 ，则将p w m 输出开启到方式u 州o ；如果a c l l 奴1 5 为l ， 则将p w m 输出开启到方式u v 枷，此称为第2 类输出方式。 夺在增计数期间，当c m p r 2 或c m p r 5 和通用定时器l 或3 发生第1 次匹配时， 即计数器达到( t 1 + t 2 ) 2 时，将p w m 输出开启至方式o o o 或1 1 1 。它们与第2 类 输出方式之间只有l 位的差别。 在减计数期间，当c m p l 也或c 御r 5 和通用定时器1 或3 发生第2 次匹配时， 将p w m 输出置回到第2 类输出方式。 令在减计数期间，当c m p r l 或c m p r 4 和通用定时器l 或3 发生第2 次匹配时， 将p w m 输出置回到第1 类输出方式。 3 、未用到的比较寄存器 对于e v a 而言，在产生空间矢量p w m 输出中只用到了比较寄存器c m p r l 和 c m p i 毪。然而，c i u 寄存器也一直在和通用定时器1 进行比较。当发生一次匹配时， 如相应的比较中断没有被屏蔽，则相应的比较标志位将置位并发出中断请求信号。因此， 没有用于空间矢量p w m 输出的c m p r 3 寄存器仍可应用于其他定时事件的发生。同理， 对于e v b 而言，没有用于空间矢量p w m 输出的c m p r 6 寄存器仍可应用于其他定时事 件的发生。同样地，用于状态机引入了附加延时，在空间矢量p w m 模式中，比较输出跳 变被延时1 个c p u 时钟周期。 4 、空间矢量p w m 的边界条件 在空间矢量p w m 模式中，当两个比较寄存器c m p r l 和c m p i 也装入的值都是0 时， 3 个比较输出全都变成无效。因此，在使用空间矢量p w m 时应满足如下关系式： c m p r l c m p r 2 t 1 p r 或c m p i c m p r 5 t 3 p r 否则将导致不可预测的情况发生。 5 、空间矢量p w m 波形 生成的空间矢量p w m 波形是关于每个p w m 周期中心对称的，因此被称为对称空间 矢量p w m 生成法，图2 8 给出了空间矢量p w m 波形的示例。 d t p h 2 d t p h 3 d t p h 2 d t p h 3 u ou 6 0 u 6 0u o s v r d i r = 0 ，( d 2d ld o ) 2 ( o o1 ) ( 1 0 0 ) s v r d l r 2 l ，( d 2d 1d o ) 2 ( 1 0 1 ) 图2 8 对称空间矢量p w m 波形 2 3 本章小结 本章是p m s m 的控制理论部分。首先介绍了三相感应电动机的矢量控制原理，明确 了坐标变换、磁场定向矢量控制的基本形式。从控制方式上讲，p m s m 可以看作是三相 感应电动机的一个特例，因此，在由三相感应电动机的矢量控制理论很容易阐述清楚 p m s m 的磁场定向矢量控制理论。最后详细的推导了s v p w m 的实现原理，为下面的设 计奠定了基础。 1 6 第三章伺服控制器硬件设计 3 1 硬件设计总体架构 从功能上划分，伺服控制器硬件部分由驱动板、控制板和操作板三部分组成。其中， 驱动板的作用是将控制板输出的弱电控制信号转变为具有一定驱动能力的强电信号并输 出驱动伺服电机。主要由三相整流桥、s p m ( s m a r tp o w e rm o d u l e ，智能功率模块) 及 驱动电路、模拟量采样电路等组成，s p m 替代了传统的三相逆变桥，简化了电路设计并 提高了系统的可靠性。控制板负责控制运算、变量采集及数据通信等任务。笔者采用了 t i 公司的电机控制专用d s p 控制器：1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制板上的主控单元；其外 围电路还包括检测三相交流电流的a d c 模块、检测电机转子位置的光电编码器、操作面 板的s p i 通信接口、上位机的u s b 通信接口及网络多轴控制用的c a n 通信接口等。操作 板的作用是提供人机接口，包括液晶显示、按键操作及报警的蜂鸣电路。图3 1 为伺服控 制器的原理框图。 图3 1 伺服控制器原理框图 3 2 驱动板设计 3 2 1 驱动板设计概述 驱动板的主要作用有两个：一是将控制板输出的弱电控制信号转变为具有一定驱动能 力的强电信号并输出到伺服电机，二是提供系统所需的电源。驱动板的原理简图如图3 2 所示。三相电经过三相整流桥并滤波后为三相逆变桥提供直流母线电压，控制三相逆变桥 的六支i g b t 管的导通状态，便可在u 、v 、w 端输出三相正弦电流波形来驱动交流伺服 电机旋转。同时，在u 、w 两相中串联了1 0 毫欧的采样电阻，只要测量出电阻两端的电 压便可知道u 、w 两相的电流，根据u 、v 、w 三相电流和为零的原则即可知道v 相的 1 7 电流，利用三相的电流值可进行相应的控制算法。 叫 。f，f 】k k 】【 【叫：】【v 5 + 1 ：】 上l 罐塑皇强 ， u r 蛆 一l 2 v u d c = c ! 二卜 l 3 r s w 一 勺耐 一l 一【一【 叫午一一午一一午 iit 图3 2 驱动板原理简图 本设计中三相逆变桥的部分用一块仙童( f a i r c h i l d ) 公司的s p m 来代替，其型号 为f s a m 2 0 s h 6 0 a ，其典型参数为：v c e s = 6 0 0 v ，i c = 2 0 a ，t d e a d = 3 u s 【2