（电力电子与电力传动专业论文）卫星天线伺服驱动机构的研究.pdf

a b s t r a c t t h es a t e l l i t ea n t e n n as c a nd r i v ei n s t i t u t i o ni s ac o r ec o m p o n e n to ft h ew h o l e s a t e l l i t es y s t e m ，w h i c hh a sa l le f f e c tu p o nt h ea t t i t u d eo f s a t e l l i t ea n dg a t h e r i n gd a t a o nm eb a s eo fp a r t i c u l a ri n t r o d u c t i o no fs e v e r a la c s e r v o c o n t r o lt e c h n o l o g i e s ，t h e s y s t e ma d o p t st h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m a c h i n ea st h ed r i v e rm o t o ra n d t h ep e r m a n e n tm a g n e tb r u s h - l e s sm o t o ra s t h em o m e n t u mb a l a n c em o t o r t h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mh a v eb e e nd e s i g n e da n dd e b u g g e do nt h ec p u o fs p e c i a lm o t o rc o n t r o l l e r - - t m s 3 2 0 f 2 4 0 t h es e r v od r i v e nm o t o ru s e sa b s o l u t e s i t u a t i o np h o t o e l e c t r i ce n c o d e ra ss i t u a t i o nf e e d b a c kd e v i c ei no r d e rt oa s s u r et h e s y s t e mp r e c i s i o n 。t h e c l o s e d l o o p c o n t r o lm o d ei n c l u d i n g p o s i t i o nf e e d b a c k ， v e l o c i t yf e e d b a c ka n dc u r r e n tf e e d b a c ki sa d o p t e df o rt h ed r i v e rm o t o r s ot h a th i g h p r e c i s i o n a n d s t e a d yr u n n i n g c a r lb er e a l i z e d t h ec l o s e dl o o pc o n t r o lm o d ei n c l u d i n g v e l o c i t yf e e d b a c ka n dc u r r e n tf e e d b a c ki sa d o p t e df o r t h em o m e n t u mb a l a n c em o t o r s ot h a tf a s ta n da c c u r a t et r a c ec a r lb er e a l i z e d i nt h ec o n t r o ls o f t w a r e ，t h eo b j e c t - o r i e n t e dm e t h o di su s e df o rd o i n gs y s t e m a n a l y s i s a n ds t u d y f u r t h e r m o r e ，t h em e s s a g e d r i v e nm e c h a n i s mi s u s e di nt h e c o n t r o ls o f f w a r er e s e a r c ha n dd e s i g n t h ei n s t a n t a n e o u sz e r ov e c t o ri n s e r t i n gs p a c e v e c t o rp w mt h e o r yi s a d o p t e dt o c o n t r o lt h ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m a c h i n ea st h ed r i v e rm o t o ri nt h ec o n t r o ls o f t w a r e t h em i x i n gp r o g r a m m i n gi s a d o p t e di no r d e rt o t a k ea d v a n t a g eo ft h ea s s e m b l yl a n g u a g ea n dcl a n g u a g e t h e e x p e r i m e n t a t i o np r o v e st h a tt h es y s t e m i ss t e a d y g o i n ga n dr e l i a b l ea n dt h es c h e m e i sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e k e y w o r d s ：f l u xt r a c k d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r m e s s a g e - d r i v e nm e c h a n i s m v o l t a g es p a c ev e c t o r p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r i i 西北工业人学硕一i 论义 第一章绪论 第一章绪论 1 1 伺服系统概述 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 也称随动系统，属于自动控制系统的种，用于 控制被控对象的转角或位移，便其能自动地、连续地、精确地复现输入指令的 变化规律。伺服系统通常为带有负反馈的闭环控制系统，某些场合下也可使用 开环控制来实现其功能。 1 1 1 伺服系统的发展 伺服系统是伴随着电机的应用而发展起来的，最早出现在2 0 世纪初。1 9 3 4 年第一次提出了伺服机构( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个词，随着自动控制理论的发展， 到2 0 世纪中期，伺服系统的理论和实践日趋完善，并得到了广泛的应用。2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术和微电子技术的飞速发展，微型计算机特别 是单片型计算机得到了迅速的发展，它们体积小、重量轻、可靠性高、价格低 廉，在伺服系统中取代了大量的模拟电路和数字电路，提高了伺服系统的可靠 性，增强了伺服系统的灵活性和通用性，促进了伺服系统向数字化方向的发展， 其应用几乎遍及社会的各个领域。此外，采用d s p ( 数字信号处理器) 作为数字控 制器，使得许多控制理论的技术中的新方法，如最优控制、自适应控制和智能 控制等，应用于伺服系统中，使伺服系统的性能和效率得到极大的提高。 机械制造行业是伺服系统传统的应用领域，各种机床运动部分的速度控制、 运动轨迹控制、位置控制等，都是由各种伺服系统控制的。它们不仅能完成传 动控制、直线运动控制，而且依靠多套伺服系统的配合，可以完成复杂的空间 曲线运动的控制，如数控机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等。 随着现代科学技术的飞速发展，特别是微电子、计算机、电力半导体和电 机制造技术取得的巨大技术进步，使得数字伺服系统在许多高科技领域得到了 非常广泛地应用，如激光加工、机器人、数控机床、大规模集成电路制造、智 西北工业大学坝j 沧文 第一章绪论 能办公设备、雷达和各种军用武器随动系统等等，其控制性能对这些高科技的 发展正起着越来越关键的作用。 1 1 2 伺服系统的组成 误差控制闭环伺服系统由检测装置、转换装置、放大装置、执行机构、补 偿装置和被控对象组成，如下图1 1 所示。 输 图1 1闭环伺服系统框图 图中呱表示系统的输入信号，( p ，表示系统的输出信号，则系统的误差e 为 e = ( p r 中y 误差测量装置又称比较元件，其作用是将系统的输入帆与输出币，之间的差 值e 转换成电压信号r 送入放大装置。放大装置将误差信号e u 经过必要的变 换与功率放大之后，驱动执行机构，使执行机构拖动被控对象按照输入信号聃 的变化规律运动。补偿装置的作用是补偿系统中存在的电磁与机电惯性所引起 的滞后，使系统的输出信号q ，能实时跟随输入信号啦的变化，以满足系统的动 态性要求。 按误差控制的伺服系统具有良好的抗干扰性能。当系统受到外部干扰，使 输出量( p y 偏离输入量( p ，时，通过负反馈作用，使误差测量装嚣输出误差电压信 号，执行元件拖动被控对象回到与输入相对应的位置，将系统输出量伞。自动调 整到允许的误差范围之内，这就是按误差控制( 又称反馈控制) 的优点。 2 了 一 嘶 一 j出 一 哥【 西北工业大学坝i ：论殳 第一章绪论 1 1 3 交流伺服系统 目前，交流伺服系统已经广泛应用于工业生产的各个领域。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交流伺服系统，在相当大 的范围内，取代了步进电动机与直流伺服电动机驱动系统，时至今日，已成为 伺服系统的主流。 交流伺服系统按其采用的驱动电机的类型来分，主要有两大类：感应式异 步电机交流伺服系统和永磁电机交流伺服系统。 感应式异步电动机制造容易、价格低廉，不需要特殊维护。但在控制上采 用矢量变换控制，因而系统比较复杂。另外，转子电阻随着温度而变化将影响 磁场定向的准确性，同时，低速运行时发热比较严重。因此，这种交流伺服系 统的一个显著特点是：容易进行弱磁控制，实现高速运行。在交流伺服系统发 展的初期，感应式异步电机交流伺服系统曾度得到发展和应用。 随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，目前已经开发出多种类型 的交流永磁伺服电动枧。永磁交流伺服电动机已经开发出第三代产品：第一代 产品是采用铁氧体( f e r r i t g ) 永磁材料，此时交流伺服电动机的体积与直流伺服 电动机相当。第二代是采用钐钴永磁材料( s m c o ) ，由于稀土钴永磁材料具有较 高的磁性能，它的体积比第一代交流伺服电动机( 或直流伺服电动机) 减小1 ，3 左 右。而最近开发的第三代交流伺服电动机的体积更小，和第二代交流电动机相 比，尺寸又减小了2 5 3 0 。另外，永磁交流伺服电动机采用专门的绕线方 法，再加上传感器由耦合式改为内装式，使其体积进一步小型化。现在，交流 永磁伺服电动机已经成为交流伺服系统的主流，在工业生产自动化领域中得到 极其广泛的应用。 目前，在交流饲服驱动系统中，普遍应用的交流永磁伺服电动机有两大类。 一类称为无刷直流电动机( t h eb r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b d c m ) ，另一类称 为三相永磁同步电动机( 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 ，简称p m s m ) 。 无刷直流电动机的特点是用电子换向线路来代替有刷直流电动机的机械换 向器，采用“方波”原理，即经过设计加工，使永磁转子产生的磁场沿气隙按 西北工业大学顺l 论文第一章绪论 矩形波或梯形波分布，将方波电流( 实际也是梯形波) 直接输入定子，这样就 可以使电机的转矩波动在理论上为零。由于这种电机没有机械换向的电刷，由 此得名为无刷直流电动机。 永磁同步电机采用“正弦波”原理，也即，经过加工设计，使永磁转子产 生的磁场沿气隙按j 下弦波分布，将正弦波电流直接输入定子，这样就可以使电 机的转矩波动在理论上为零。 实际电机系统由于电机本体、位置传感器、驱动电路三者的综合影响，力 矩波动是不可避免的，其值可以控制在5 左右。由于力矩电动机多用于低速 直接驱动系统中，对力矩波动要求严格，所以这类电机一般采用正弦波电流驱 动。 由于f a ( 3 2 厂自动化) 、q a ( 办公自动化) 技术的发展，用于办公机械、家用 电器、音像设备、机床、机器人等各个领域的交流伺服系统日益扩大，并且正 在朝着高度集成化、小型化的方向发展。具体表现为以下几个方面： ( 1 ) 永磁交流伺服电动机进一步小型化，驱动控制器集成化及采用d s p 技 术是今后的发展趋势。 ( 2 ) 交流伺服驱动系统高度集成化后，伺服电动机的参数无需调节，只需 进行程序( 软件) 设计与各回路的计算位置、速度、电路回路计算等将由数 字驱动器完成。 ( 3 ) 交流伺服系统的通用化。由于d s p 功能强大，可以驱动各种类型的伺 服电动机，如开关磁阻电动机、感应电动机、永磁直流伺服电动机和永磁交流 伺服电动机等，用户仅需按下相应的控制开关。即可实现各种伺服电动机的自 动控制。 ( 4 ) 由于采用高性能的钕铁硼( n d f e b ) 永磁材料，交流伺服电动机的体积可 以做的更小，将来的交流伺服驱动系统是伺服电动机和控制器集成在个壳体 里，形成真正的机电一体化产品。 ( 5 ) 随着高性能的单片机的出现，如i n t e l 公司的m c s - 9 6 系列单片机、 d s p 控制器，使得采用现代控制理论成为现实，如卡尔曼滤波器、f f t 、自适应 控制、人工神经网络、状态观测器等等均应用到了各种交流伺服电动机的矢量 控制或直接转矩控制当中。 4 两北工业人学埘1 论文 第一章绪论 总之，随着现代控制理论的发展，交流电动机的控制技术的发展方兴未艾， 非线性解藕控制、人工神经网络自适应控制、模糊控制的各种新的控制策略正 在不断涌现：同时电力电子器件、控制器芯片的发展，各种各样的计算机仿真 工具的日趋强大，必将进一步推动交流伺服技术的发展。 1 2 卫星天线扫描伺服系统 i 2 1 系统研究背景 随着现代科学技术的不断发展，卫星已经成为现代生活不可缺少的重要组 成部分，广泛应用于通信、广播、电视、航海、航空、石油、铁路、野外科学 考察、地质勘探等各个部门和领域，为其提供不同的服务。 天线扫描伺服系统的主要任务是保证卫星天线的主轴可靠、稳定地旋转，提 供精确的角位置测量数据，在转动部分和固定部分之间传输电源能量和遥感数 据、工程遥测数据和遥控指令。由于卫星在外太空高速运行，根据动量守恒原 则，扫描天线的转动，必将影响卫星体运行姿态。因此，需要一个反向旋转的 补偿电机将因扫描天线旋转而产生的动量矩抵消，保证不影响卫星体的正常运 行姿态。该系统主要包括一个驱动电机、个动量矩平衡电动机和控制这两个 电机的控制盒。驱动电机负责驱动卫星天线，反向旋转的动量矩平衡电机补偿 因扫描天线旋转而产生的动量矩。 1 2 2 系统的性能指标 卫星天线扫描伺服系统的组成包括：伺服驱动电动机、动量矩平衡电动机、 光电编码器、控制器及接插件，其中伺服驱动电动机为永磁同步电动机，动量 矩平衡电动机为永磁无刷直流电动机，控制器完成伺服驱动电动机和动量矩平 衡电动机的同步起动、同步制动和稳态时转速的调节，使其满足系统的要求， 另外控制器还有向上位机传送伺服驱动电动机转动周期和过流保护的功能。 为了保证卫星天线的主轴可靠、稳定地旋转，提供精确的角位置测量数据， 该系统的技术指标要求比较高，对驱动电机扫描周期的精度、系统剩余动量矩、 西北工业大学顺l j 论文 第一奄绪论 角度测量误差、系统达到稳定的时问等指标都有很高的要求。该系统的精度要 求很高，因此系统的设计、实现具有很大的挑战性。 1 3 本文完成的工作 1 3 1 系统硬件电路的调试 参与了系统硬件控制电路的调试工作。 该阶段的工作主要包括：进行了电机驱动电路、电流采样电路、过流保护 电路、角度位置测量电路的调试工作。 1 3 2 系统控制软件的设计与实现 按照系统技术指标的要求，对系统的需求进行了合理的分析与规划，采用 面向对象的方法对系统进行分析与设计，在系统软件的设计上采用了消息驱动 机制，以满足系统实时性的要求，增强系统软件的可靠性和可维护性。 该阶段的工作主要包括： ( 1 ) 系统软件的分析与设计：应用面向对象的方法对系统进行整体的分 析与设计。 ( 2 ) 系统软件的结构设计：应用消息驱动机制对软件的整体结构进行合 理的设计。 ( 3 ) 系统各功能的软件实现：包括同步起动、同步制动、闭环算法、命 令的接收和驱动电机转动周期的上传等。 1 3 3 系统性能指标测试 在系统硬件、软件设计工作完成以后，按照系统设计性能指标的要求，对 系统功能进行测试，以验证系统是否达到设计指标要求。测试的主要内容包括： ( 1 )扫描周期的测试 ( 2 )系统起动时问和制动时削的测试 6 西北工业大学硕一卜论文第一章绪论 ( 3 )剩余动量矩的测试 1 4 其它相关研究工作 1 4 1 高精度瞬时速度测量系统 高精度瞬时速度测量系统是为卫星天线伺服系统研制开发的配套设备，用 于测试该伺服系统的各项性能指标。该系统总体结构由上位机系统和d s p 瞬时 速度测量系统组成。 d s p 瞬时速度测量系统的输入分为两部分，一是光电编码器提供的精确转 子瞬时位置和过零信号，用于计算瞬时速度、速度稳定度和周期等：二是霍尔 位置传感器提供的三相霍尔信号，用于计算无刷直流电机每转的平均速度。d s p 系统将输入信号做相应整形计算处理后，把信息上传给上位机系统。 上位机系统收到由i ) s p 瞬时速度测量系统上传的数据，对数据进行处理后 进行实时图形曲线绘制，进行数据显示、性能参数计算、数据存储读取、剩余 动量矩计算等工作。 本人完成的主要工作： ( 1 )系统硬件电路的调试 ( 2 )通讯协议的制订 ( 3 )系统控制软件总体设计 ( 4 )系统性能测试 本系统可以对数据进行实时显示、绘制实时速度曲线，速度稳定性分析等 处理，具有直观易读的特点。该系统结构紧凑，可靠性高，实时性强，达到了 设计要求，成功地进行了卫星天线伺服系统各项性能指标的测试。目前，该系 统已经通过陕西省测量局的测试，各项指标均达到了测试要求。 西北工业大学硕f 一论义 第二蕈系统总体方案殴计 第二章系统总体方案设计 本章阐述了卫星天线扫描伺服系统的方案、组成原理及设计思想。其中 主要介绍了系统的整体方案设计和伺服系统电机的选型与设计。 2 1 系统的组成 天线扫描伺服系统主要由伺服电动机、动量矩平衡电动机、旋转光栅编码 器和控制器构成。其各自的作用如下： ( 1 ) 伺服电动机 用于驱动天线转动的动力源 ( 2 ) 动量矩平衡电动机 用于平衡天线转动过程中的动量矩 ( 3 ) 旋转光栅编码器 用于天线转动角度的反馈，以保证精确控制天线的转速 ( 4 ) 控制器 用于控制伺服电动机和动量矩平衡电动机的运行 系统的结构框图如下图2 ，1 所示。 图2 1 天线扫描伺服系统结构框图 西北t 业大学倾l 论文 第二章系统总体方案垃计 2 2 系统主要部件及其实现 该伺服系统要求具有良好的低速动态性能和转速、转矩的平稳性，为保证 系统达到所要求的性能指标，需要对系统的主要部件进行合理的选型。 2 2 i 伺服电动机的选型与设计 作为伺服用电机一般可选择有刷直流电机、无刷直流电机或永磁同步电机。 下面作简单介绍： ( 鸹有刷直流电机 有刷直流电机有控制线路简单、一般使用条件下可得到较高的转速和转矩 精度的优点。缺点是电机上带有机械电刷，电机在转动过程中，电刷在不断的 切换，造成换向过程电磁干扰、机械磨损。同时，在本项目的技术要求下，转 速精度也不好保证。故不采用有刷直流电机的方案。 ( b ) 无刷直流电机 无刷直流电机是将机械换向的电刷改成电驱动器件的电子功率开关器件进 行换向，克服了有刷电机换向过程的缺点，使维护性能大大提高，但代价是控 制驱动器变得复杂了。控制器首先是将直流电通过电力电子开关器件变成可控 的三相交流电，而交流电压施加在电机绕组上的过程是由控制器和转子位置控 制的。在运行的控制机理上类似于直流电机，影响转速精度的因素较多，本方 案也不采用。 ( c ) 永磁同步电机 永磁同步电机的电机结构和无刷直流电机结构基本上是一样的，只是取消 了在无刷直流电机上的转子位置传感器。而电机驱动器主电路两者也相同，而 根本的不同是在于运行控制方式的不同。在无刷直流电机的功率主回路中，三 相桥的6 个开关器件的通断由电机的转子位置决定，使得电机中的电磁场类似 于直流电机中的电磁场。而同步电机的运行是交流电机的原理，电机定子端输 入的是三相对称正弦波，转子与定子在运行时保持同步，转速不随外部条件， 如电压、负载转矩的波动而受影响。因此只要控制器给出的电压频率的精度能 西北工业人学坝l 论义 第二二章系统总体方案设计 保证，则电机转速的精度也就能保证。而控制器电压频率是由控制驱动器内的 晶体振荡器的精度保证的，晶体振荡器一般具有很高的精度，因而使得系统在 稳定运行时不至于频繁调节，有利于运行的平稳性。永磁同步运行与无刷直流 方式相比的缺点是在负载突变时容易引起失步。而本项目的负载是恒定的，不 存在失步问题，同时还有位置传感器形成闭环控制，进一步排除了失步的可能。 m 式m 武 4 l 口4 全q b tt i i 。- 9 图2 2 方波电机与正弦波电机波 永磁伺服电机具有转子转动惯量小、响应速度快、效率高、功率密度高、 电机体积小、无电刷、噪音小、免维护等有与其他电机难以比拟的优点，在高 性能位置伺服领域的应用越来越广泛。永磁无刷电机有两种形式：方波式和正 弦波式。这两种电机结构基本一样，即定子为对称三相绕组，转子为永久磁体。 对于方波反电势电机即永磁无刷直流电机，其控制原理由直流电机发展而来， 采用两组接通控制策略，而正弦波反电势电机即永磁同步电机p m s m ( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) ，其工作原理由交流电机矢量控制变频调速发展而 来，它采用三相接通控制策略，由r e 弦电流驱动以获得更好的性能如无转矩波 动等。方波和正弦波电机的电势e 、电流i 、磁场m 和转矩t 随着转子在转动 过程中的转角。的变化如图2 2 所示。 方波驱动时，定子绕组按照一定规律顺序循环通电，因而电枢磁场在3 6 0 。 西北t 业人学倾j 论艾第一二章系统总体方案雌汁 内分成若干个磁场状态，在每种状态中磁场大小方向恒定，所以电机运行一周 期电枢磁场为非连续跳跃式，易造成转矩波动，在低速下则更为显著。正弦波 驱动时，三相绕组通入对称三相交流电，电枢磁场为圆形旋转磁场，方向连续 变化，使电机电磁转矩平稳，具有良好的低速特性，因此，系统选用永磁同步 电动机为伺服驱动电动机。 伺服电动机转矩的计算如下： 负载转动惯量j 。= 2 6 9 k g m 2 估计伺服电动机及其旋转光栅编码器惯量之和，。 0 0 0 l k g m 2 由牛顿定理知最大转矩z o 为 z 一= , c o m n ( ，f + j d ) 国m 科 电机输出转矩还需克服摩擦转矩r ， = 瓦。+ 7 1 r 满足达到恒速最大时间为1 8 0 秒的要求，则计算加速度要求为 m = _ = 竺一= 0 0 2 0 5 3 s 2 1 7 1 8 0 电机转矩应为 t d = l jf + j 0 七t f = ( 2 6 9 + o 0 0 1 ) x 0 0 2 0 5 3 + o 5 4 = 0 5 9 5 2 n m 取电机转矩为0 7 5 n m 电机功率为p m a x = 罢o 7 5 = 2 7 7 2 w p n = 2 7 t 0 5 4 ：2 ow 1 7 电机效率”= o 5 电机电流为 i m a x 。历i 2 二五7 7 i 2 面= 。2 1 3 a i n - 2 0 ( 2 8 - 2 ) x0 = 0 1 5 4 a 5 一uj ，4 a 西北丁业犬学预。卜论义 第二雨系统总体方案设计 2 2 2 动量矩平衡电动机的选型与设计 由于平衡电动机转速很高，本方案中的动量矩平衡电机采用斜槽方波稀土 永磁同步电机，尽量使电机运行平稳。由于该电机是作为动量矩平衡用途的， 希望转动惯量尽量大，但转动惯量大势必造成电机太重。当然也可以采用减小 转动惯量，增加转速的方法，但转速必须在一定范围内才合理，太高的转速会 造成轴承，铁芯损耗发热等问题。因而本方案转速取3 0 0 0 r p m 左右，而转动惯 量则应为o 0 5 k g m 2 左右。 动量矩平衡电动机转矩的计算如下： 设肛= 3 0 0 0 r p m 由平衡动量矩有j = o j j d j 舭w 2 丢国= 等竽x 3 5 3 = 0 0 0 0 8 9 8 纠 即，当天线到达稳速时，动量矩平衡电机转速为3 0 0 0 r p m ，若考虑1 8 0 秒到达稳态，则角加速度为 二：纽：1 7 4 5 3 3 s 2 则，= j d ，( 0 d i = o ，0 3 8 1 7 4 5 3 3 = o 0 6 6 3 2 n m 若考虑摩擦力矩为o 0 3 n m 则起动过程电机转矩为t d l _ o 0 3 + 0 0 6 6 3 2 = 0 0 9 6 3 n m 稳念时t d i - o 0 3 n m ( 摩擦力矩) ，取t d l - 0 0 4 n m 则平衡电机功率为p ：t d i 6 jdr = o 0 9 6 3 3 0 0 0 ，x 2 型：3 0 2 6 w ( 起动时) o u 稳念时p 。：0 0 3 ! ! ! ! ：! ! ：9 4 2 5 w 电机效率n = 0 7 则平衡电机电流为i 。“2 石2 1 6 6 4 a ( 起动时) 稳黍i 时1 2 i 蒜= o 5 2 a 西北t 业人学硕士沦文 第二章系统总体方案设计 平衡1 毛轮惯量的估算： 根据动量矩守恒原理，即u j - = m 。山。，其中g j 为伺服天线转速，j 为天线 惯量，。为平衡电机转速，j d 为平衡飞轮和平衡电机惯量。 设动量矩平衡电动机转动惯量为o , 0 0 4 k g m 2 贝4 飞轮惯量，一t * 2 曼旦! ：； ；! ；去；：旦旦旦一o o o 。= o o z ，e e x s m 2 2 2 3 控制用单片机的选型 为了实现系统低速高精度平稳伺服，要求系统具有很高的实时性，为此， 该系统选用了美国德州公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片作为系统的主控单元。 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片为1 6 位高性能d s p 控制器，时钟频率可达2 0 m h z ，能够满 足系统高速数据采样和处理的要求。 2 2 4 伺服驱动电动机位置传感器的选择 电机转动角度的检测通常采用霍尔元件、光电编码器、旋转变压器。由于 系统精度要求高，角度测量误差为0 0 7 。，所以系统选用分辨率高的光电编码 器作为伺服驱动电动机的位置传感器。本系统采用长春光学精密机械与物理研 究所的j 6 5 1 6 型1 6 位并行输出、绝对位置光电编码器。角度分辨率为 皇墼：o 0 0 5 4 9 。，优于系统精度要求。 2 ，3 系统控制策略 天线扫描伺服系统的任务是保证星上天线的主轴可靠、稳定地旋转，所以 负责天线主轴驱动的永磁同步电动机和负责动量矩平衡的永磁无刷直流电动机 的控制方案就是本系统的重点，本节将集中讨论上述两电机的控制方案。 2 3 1同步电动机调速系统 2 3 1 1 同步电动机调速系统的分类 同步电动机变频调速系统从控制方式上可分为两大类：一类是他控式变频 西北工业大学顺l 论文第二章系统总体方案设计 调速系统；另一类是自控式变频调速系统。 他控式变频调速系统中所用的变频装置是独立的，其输出频率直接由速度 给定信号决定，属于速度开环控制系统。由于这种调速系统没有解决同步电机 的失步、振荡等问题，所以在实际的调速场合很少使用。 同步电动机变频调速系统一般采用自控式运行，主回路由同步电动机、变 频器及电机转子位置检测装置组成，再配上控制装置就构成了自控式同步电动 机变频调速系统，如图2 - 3 所示，图中m s 是同步电动机，p s 是转子磁极位置 检测装置。 电源 图2 。3自控式同步电动机调速系统示 2 3 ，1 2 永磁同步电机的矢量控制 高性能的同步电动机控制系统需要现代控制理论的支撑。对于交流电动机， 目前使用最广泛、并已在实际系统中应用的当属矢量控制理论。此理论自诞生 之日起，就受到人们的广泛重视，在理论、应用方面进行了深入地研究，并为 交流调速取代直流调速奠定了理论基础。 日本学者在八十年代初提出的一种新p w m 控制策略空间电压矢量法 p w m ，又称磁链轨迹法p w m ，它是利用逆变器不同的开关状态对电机的空间电压 矢量进行控制，以多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁链轨迹。由于把逆变器和 电动机作为一个整体处理，实践证明空间电压矢量法p w m 具有数学模型简单、 转矩脉动小、电压利用率高以及便于微机控制等特点，受到国内外学者高度重 视，并在交流变频调速系统中得到广泛应用。 对于三相电压型逆变器而言，电机的相电压依赖于它所对应的逆变器桥臂 上下功率管开关的状态。三相桥式电压型逆变器有8 种工作状态。这8 种空问 4 西- i l _ z 业火学坝上论文第二章系统总体方案设计 状态用矢量的概念来表示，“1 ”表示上桥导通，“0 ”表示下桥导通，如图2 4 所示。从图2 5 中可以看出，状态，到状态k 。为工作状态，6 个空间矢量幅 值相等、相位互差“3 电角度，和k ，状态为自由轮换状态。 e ，( 0 1 1 k 。( o o o ) 图2 4 状态矢量的开关状态结构图和 三相电压源逆变器的空间矢量图 根据三相系统向两相系统变换保持幅值不变的原则，定子电压的空间矢量 可表示为： k = 罢( 匕+ 口k 。十) o 式中口：p 。了。 8 个空间矢量的大小可以用下列方程式表示 耻肛e 道学 - 。s ，t l o 七= o ，7 式中 为逆变器的直流母线电压。 在a 、e 参考坐标系中，任何1 个参考电压空间矢量可以写成： 阢嘭= 玑“+ 尽管逆变器不能直接将矿，。和矿印转换成所需要的电压，但可以通过矿。和 西北工业大学顺。论文第二章系统总体方案墩计 矿。2 个满足逆变器工作状态的矢量来获得。将其用逆变器开关导通状态可表 示为： 矿呵：孕矿矗+ 孕氏k ：l 蕊，6 ( 4 ) 。 rr 。 、 式中 瓦和瓦+ 分别为在逆变器相邻2 个工作状态矿“和矿“+ ，的导通时间， 用公式表示为： 卜州l 确n ( 等) 磊c o s 等) k 篆卜s ( 学) 厩捌n ( 学) _ s ， 在1 个完整的调制周期z 内，除了疋和疋+ 。的导通时间其余为0 状态时 间。0 状态时间由2 个自由轮换状态时间瓦和弓用等式表示： t 0 2 正4 - 兀= 正一瓦一瓦。( 6 ) 由于0 状态存在于每一个区域内，一般发生在每个调制周期的开始和结束 时，总的0 状态时间一般分成2 个相同的0 状态时间，即 弓= 瓦= ： ( 7 ) a h b h c h ；( 0 0 0 )( i 0 0 )( 1 1 0 )( 1 t 1 ) ( 1 l o )( t o o )( o o o ) ：一 l 一 lj -l一ll 一 - l 一 l 1 一一一一一 玉 tt瓦t 。 了了i了 图2 ，5 在0 o “3 区域内双边空间矢量 脉宽调制的逆变器开关信号 1 6 西北t 业大学坝卜论文 第二章系统总体方案设计 以便获得对称的空间矢量脉宽调制信号。依据式( 4 ) 式( 7 ) 可得到对应 电压空间矢量扩在o 占 3 扇区内双边空间矢量脉宽调制的逆变器开关 信号，如图2 5 所示。 类似的方法可以计算出电压参考信号在其它5 区域内双边空间矢量 脉宽调制的三相逆变器丌关时间，如表2 一l 所示： 表2 一l 在6 个区域内双边空间矢量脉宽调制的三相逆变器开关时间 目 l 。i 。 e 。l 鱼+ 互+ 墨 0 目 石3 2 2 1 2 22 t 。聂 鱼+ 墨+ 墨 刀3 臼 2 石3 22222 2 万3 护( 万 鱼+ 墨+ 墨 如疋 22222 万口 4 刀3 鱼+ 墨+ 墨 五t 。 22222 瓦 鱼+ 墨+ 互 4 万3 曰 t ( 1 9 ) 则取 砭= 熹+ 瓦 如= 志 这样合成的电压矢量限定在图2 7 中的空间矢量p w m 圆轨迹中。 2 3 1 3 磁链轨迹控制原理 磁链轨迹法p w m 又称为空间电压矢量法p w m ，是日本学者y o s h i r om u r a i 等人在八十年代初提出的一种p w m 控制策略，它是利用逆变器不同的开关状态 对电动机的空间电压矢量进行控制，以多边形磁链轨迹逼近理想的圆形磁链轨 迹。 由电机学可知，在出三相对称正弦电压供电时，电机的定子磁链的幅值是 陌北t 业大学埘! f ? 论文 第二常系统总体方案设计 恒定的，并以恒速u 旋转。磁链矢量顶端运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场( 简 称磁链圆) ，我们可以用定子磁链的矢量式来表示： 五= 九e ”( 2 1 ) 式中，九为五的幅值，u 。为定子磁链的旋转角速度。当电机工作在额定状 态下时，定子电阻压降较小，可以忽略不计，则定子电压与磁链的关系可以近 似表示为： 五，= lu l 破，( 2 2 ) 上式表明，电压矢量玩的大小等于互的变化率，而其方向则与五的运动方 向一致。由式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 可得： 驴，= 丢( l q ) = ，以一q ，= 曲。以p “q f + 力( 2 3 ) 由式( 2 3 ) 可见，当磁链幅值以在运动过程中一定时，玩的大小与( 或供 电电压频率) 成正比，其方向为磁链圆轨迹的切线方向。当磁链矢量在空间旋 转一周( 电角度3 6 0 4 ) 时，电压空间矢量也连续地按磁链圆的切线方向运动经 过2n 弧度，其轨迹与磁链圆是重合的。这时，我们就把气隙旋转磁场的轨迹 与电压空问矢量联系起来。 图2 8 三相桥式逆变器主回路 当定子上施加三相对称的正弦电压时，由于电压合成矢量为等幅值旋转矢 量，这样电机腔内旋转磁场矢量端轨迹近似为圆形，因此三相逆变器的目标是 西北t 业大学顺l 论文 第二章系统总体方案设计 输出理想的三相难弦电压，而三相桥式逆变器输出电压只有八种状态，所以只 能用这六个电压矢量和零电压矢量去逼近等幅旋转矢量。当电压空间矢量非零 时，定子磁通将沿着空间矢量的方向以正比于v 一。的速度移动：当为零时，定子 磁通就停下来。 三相桥式逆变器( 图2 8 ) 作周期六步运行时，6 只功率器件有六种基本的 开关状态，输出三相对称的方波电压。这些电压作用在电机三相绕组上形成六 个电压空间矢量。电压矢量的空间位置，分别与三相定子绕组中的轴线重合， 在同一轴线上的两个矢量，方向相反，模相等。开关状态按三相a b c 的顺序， 以三位二进制数表示，“l ”表示对应桥臂上方元件导通，0 表示下方元件导 通。开关状态与电压矢量的下标一一对应。对应关系如表2 2 所示。 ia bca bca bca bca bca bc lv ，0 0v l o lv iv o l lv 0 1 0v l i q 表2 2 开关状态与空间电压矢量的对应关系 假如输出电压一个周期中每个电压矢量作用的时间为t s 6 ( t s 为输出电 压周期) 。输出电压波形( 图2 9 ) 、开关状态表( 表2 3 ) 、电压矢量如下所示。 开关状态与电压矢量的下标一一对应。在表2 3 中，开关状态是按a 、b 、c 的 顺序，以三位二进制码表示，“l ”表示对应相桥臂上方元件导通，“0 ”表示对 应相桥臂下方元件导通。 1l 。 i ll 7 图2 9电机作六步运行时的输出线电压波形 西北t 业大学坝l 论文 第- 二章系统总体方案设计 l ai1 11 ，0 00ooolll bo11ll110o000 l co00o0l1l1llo 表2 3电机作六步运行时的开关状态 磁链增量也是一组空间矢量，其方向与所作用的电压矢量相同，其模是电 压矢量模和作用时间的乘积 a aj = v d 。出( 2 4 ) 当t s 6 时，一个输出周期的6 支磁链增量构成了一个正六边形，如图2 1 0 所示逆变器作六步运行时的轨迹。 = v d 。t s l 6 d 1 0 0 ( a ) 六个电压空间矢量( b ) 逆变器作六步运行时的磁链轨迹 图2 。l o 空间电压矢量和多边形磁链轨迹图 由电机学基本原理可知，当电机定子产生的旋转磁场为圆形时，电机的电 流、转矩没有波动，电机也没有谐波损耗，此时的电机具有最佳的运行特性。 而图2 1 0 ( b ) 所示的六边形磁通轨迹与理想的圆形磁通轨迹相差甚远。其磁链矢 量的幅值( 六边形边上各点到六边形中心的距离) 与角速度均呈6 倍输出频率的 脉动，在六边形顶角附近。磁链幅值最大而角速度最小，而在六边形中心附近， 磁链幅值最小而角速度最大。 西北工业火学坝l 论文 第二章系统总体方案设计 为了减小磁链幅值与角速度的脉动，可以用增加边数的方法，即用多段折 线去逼近圆形轨迹。例如，将六边形按各边中点与中，f l , 的连线划分为六个扇区， 每个扇区包含一个有两段磁链增量形成的顶角，如表2 4 所示： 扇区序号ii ii i iv o o l o厶九l o凡| l九o l 0 1 磁链增量 1 0厶1 0凡l 】。a 。l 0 0 表2 4 磁链增量在各扇区的分布 在每个扇区中把对应的时间t 6 等分为n 段。这样顶角两边的磁链增量均 被分为n 2 小段( n 为偶数) 。每小段对应时间，户t ，6 n ，每小段磁链增量 的模为b 兄卜a t 。，其中是直流母线电压。 图2 1 l 为用作图法得到的n = 6 时i 扇区磁链轨迹图。 图2 1 1n = 6 时i 扇区磁链轨迹 开关状态表如表2 - 5 所示。 l an 1 1 1 1n 0 1 0 00 0 f 1 0 0 0o o o o o o0 0 1 0 1 11 1 1 1 1 l f bo o l o l l1 1 1 1 l ll l “1 11 1 0 1 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 ic0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 1 0 “ 1 1 1 1 1 l1 1 1 1 1 11 1 0 1 0 0 表2 - 5n = 6 时，3 6 边形电压矢量序列 延北t 业人学坝l ：论殳 第二章系统总体方案设计 此时，输出线电压v a b 、v b c 、v c a 的波形如图2 1 2 所示。 二 k 一 _ juu l + 1n几厂、 图2 1 2n = 6 时，电机输出线电压波形 比较图2 9 和2 1 2 ，显然随着边数的增加，其线电压更接近正弦波。合理 地选择非零矢量的施加顺序及时间的比例，即用边数尽可能多的多边形磁链轨 迹来接近理想的磁链圆形轨迹。磁链轨迹越接近圆形，它所引起的电流、转矩 的波动就越小，谐波损耗也会下降。使磁链轨迹接近圆形的一个有效的方法是 提高多边形的边数。从理论上讲，若能得到圆形的磁链轨迹，就能得到理想的 电机运行特性，这为提高控制系统的性能指标提供了一条行之有效的方法。 有多种方法可以生成多边形磁链轨迹。传统的方法是用作图的方法，求得 逼近的圆形磁场轨迹，即多边形磁链轨迹作图法。这种方法的多边形磁链序列 一般采用手工作图法获得，对理想磁链圆的逼近精度低，无法知道确切的谐波 范围，且只能分到数百份，无法获得更高的精度。本文采用软件编程的方法来 解决这一问题，采用3 4 5 6 边形的多边形磁链序列，使其磁链轨迹对理想磁链圆 的逼近程度非常高。采用软件编程的方法原则上可输出任意边数的多边形磁链 序列和所对应的多个转矩谐波指标，可获得任意高的精度。 表2 6 所示为3 4 5 6 边形的多边形磁链序列在i 扇区的电压矢量序列。 西北丁业人学i i | ； l j 论立 第二章系统总体方案设计 卜 l l l l l l1 1 1 “l “l l l l1 1 1 1 1 l1 1 l l l ll l l l l l1 1 1 1 l l1 1 1 1 1 1 lb0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 l o 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 l 0 0 0 0 0 0 c 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 la1