（电力电子与电力传动专业论文）二自由度机械手臂的伺服驱动系统设计.pdf

黑龙江科技学院学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得黑龙江科技学 院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 研究生签名：笠驾超日 研究生签名：卫妥么日 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的 保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权黑龙江科技学院研究生学院办理。 研究生签名季避导师签燃 黑龙江科技学院硕士学位论文 捅斐 本文的目的是研究基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的a c 伺服驱动系统。高速、高 精度已经成为伺服驱动系统的发展趋势。论文首先介绍了伺服系统内部组成 元素的发展状况和作为负载的机器手臂发展及其控制方案。其次建立a c 伺 服系统： l 、首先分析交流永磁同步电机的数学模型、转子磁链定向矢量控制。 深入学习空间矢量p w m 波形的产生以及电流回路和速度回路的p i 调节等 控制方法分析研究，并根据其数学模型进行仿真论证分析。 2 、伺服驱动器的硬件设计。即构建功率驱动模块和基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 最小系统的控制模块，制作p c b 板。 3 、针对由t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 构成的控制器编写了实时控制程 序。程序采用模块化编程思想，由c 语言和c + + 语言混合编程的方法实 现，并通过软件c c s 程序编译下载到d s p 中进行电流、速度闭环程序的调 试，实现伺服系统速度模式下的二自由度机械手臂的闭环控制，并对实验结 果进行分析。 由于现实中系统严格讲都是非线性的，而传统的p i 控制器是针对线性 系统设计的，其参数固定不变不能真正的调节好非线性系统。位置采集所用 的绝对式光电编码器及其解码电路的使用不仅增加了成本开销，同时也引进 干扰和延迟等不确定因素。通过现代控制理论的研究，对伺服驱动系统的模 型进行改进： l 、对p i 调节器进行了改进，通过弱磁控制方法重新设计控制器。 2 、设计滑模观测器，解放位置采集电路。最后用m a t l a b 仿真验证 方案的可行性。 关键词：自由度；机械手；s v p w m ；伺服系统 s e r v os y s t e mb a s e do n et h ed e v e l o p m e n tt r e n d o ft h es e r v od r i v es y s t e m p a p e ra n a l y z e ss e r v os y s t e md e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f i n t e r n a lc o m p o n e n t sf i r s t l y , d e s c r i b e sm e c h a n i c a la r md e v e l o p m e n ta n dp l a na s l o a d w es h o u l de s t a b l i s ha cs e r v os y s t e ma sf o l l o w i n g ： 1 、a n a l y z i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa cp e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o ra n dt h er o t o rf l u xv e c t o rc o n t r 0 1 r e s e a r c h i n gc o n t r o lm e t h o d sa b o u t p r o d u c eo f t h es p a c ev e c t o rp w ma n dp ir e g u l m i o no fv e l o c i t ya n dc u r r e n tl o o p a tl a s tt h r o u g hm a t h e m a t i c a lm o d e lt od os i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e s 2 、d e s i g n i n gs e r v od r i v e r - b u i l dp o w e rm o d u l ea n dc o n t r o lm o d u l eb a s eo n t m s 3 2 0 f 2 812m i n i m a ls y s t e m s ，t h e nm a k i n gp c b 3 、a i m i n ga tt h ed i g i t a lc o n t r o l l e ru s i n gt m s 3 2 0 - 2 8 12c o n t r o lc h i p ，a l l p r o g r a mi sf i n i s h e d t h em o d u l a r i z a t i o ni sa p p l i e di ns y s t e ms o f t w a r ea n dc o n t r o l p r o g r a mi sc o m p l e t e dw i t hca n dc + + l a n g u a g e t h o u g hc o m p i l i n gp r o g r a m d o w n l o a dt ot h ec c s ，s of i n i s h e dp r o g r a md e b u g g i n ga b o u ts p e e dc l o s e - l o o p s y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e d d u et ot h er e a l i t ys y s t e ms p e a k i n gs t r i c t l yi sn o n l i n e a r , w h i l et h et r a d i t i o n a l p ic o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rl i n e a rs y s t e m s ，t h ep a r a m e t e r so ft h ef i x e dc a n n o t a d j u s tg o o dn o n l i n e a rs y s t e m t h eu s eo fc o l l e c t i n gt h ep o s i t i o no fa b s o l u t e p h o t o e l e c t r i ce n c o d e ra n dd e c o d e rc i r c u i tn o to n l yi n c r e a s e dc o s t ，i n t r o d u c e i n t e r f e r e n c ea n dd e l a yo fu n c e r t a i nf a c t o r s t h r o u g ht h es t u d yo fm o d e mc o n t r o l t h e o r y , i m p r o v e dt h em o d e lo fs e r v od r i v es y s t e m ： 1 、t h ew e a km a g n e t i cc o n t r o lm e t h o dt od e s i g nt h ec o n t r o l l e r , i m p r o v e dp i a d j u s t e r 2 、d e s i g ns l i d i n g m o d eo b s e r v e r , t h e nl i b e r a t ep o s i t i o ns a m p l i n gc i r c u i t f i n a l l yu s i n gm a t l a b s i m u l a t i o nt op r o v et h a ts y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：d o f ( d e g r e eo ff r e e d o m ) ；m a n i p u l a t o r ；s v p w m ；s e r v os y s t e m i l 黑龙江科技学院硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第1 章绪论1 1 1 课题背景及研究意义。1 1 2 机械手臂的发展和控制方案1 1 3 国内外永磁交流伺服系统的现状3 1 3 1 永磁同步电动机的发展3 1 3 2 电力电子技术发展4 1 3 3 微处理器技术的发展。4 1 3 4 控制理论的发展5 1 4 本文的主要研究内容。5 第2 章机械手臂及其伺服系统数学模型的建立6 2 1 引言。6 2 2 机械手运动学建模6 2 3 永磁同步电机( p m s m ) 数学模型7 2 4 转子磁链定向矢量控制理论9 2 4 1 矢量控制原理9 2 4 2 矢量控制的坐标变换9 2 4 3 转子磁链定向控制1 0 2 5 电压空间矢量p w m 技术1 2 2 5 1电压和磁链的关系1 2 2 5 2s v p w m 算法原理1 3 2 6 本章小结1 7 第3 章伺服驱动系统的m a t l a b 仿真1 8 3 1 引言1 8 3 2 伺服系统双闭环仿真1 8 3 2 1电流和速度双闭环1 8 1 i i 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 2 2s v p w m 仿真模块18 3 2 3c l a r k 和p a r k 变换模块2 1 3 2 4 仿真模型和结果分析2 2 3 3 改进的伺服系统仿真2 4 3 3 1 速度弱磁控制器的设计2 4 3 3 2 构建滑模观测器2 6 3 3 3 仿真结果与分析2 7 3 4 本章小结2 8 第4 章伺服驱动系统的实现3 0 4 1 引言3 0 4 2 电路及系统结构3 0 4 2 1 功率驱动电路板3 0 4 2 2 控制电路板3 3 4 2 3 电流检测电路3 4 4 2 4 绝对式位置编码器脉冲采集3 5 4 2 5 电源分配3 5 4 3 系统控制算法及程序设计3 5 4 3 1 系统主程序3 6 4 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 实现s v p w m 控制算法3 8 4 3 3定时器t o 周期中断服务程序3 9 4 4 本章小结4 3 第5 章实验设备及结果分析4 4 5 1 驱动系统和机械手本体。：4 4 5 2 不同频率下的s v p w m 输出波形4 6 5 3 电流与速度实验波形4 6 5 4 实验结果分析4 7 5 5 本章小结4 8 结论4 9 参考文献5 1 i v 黑龙江科技学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 最近几十年，随着工业生产的要求越来越高，交流电动机应用范围变得 十分广泛，交流驱动器也随之发展和应用到各行各业当中。例如在制造业 中，传送带、机器手臂；在工程建设中，起重机等等。跟随着功率半导体、 逆变拓扑、微处理器的发展、集成电路和计算机技术提高，交流驱动对电机 调速控制系统产生巨大的影响。 在交流驱动中，永磁同步电机( p m s m ) 驱动器越来越广泛应用在各种 工业生产当中。这主要归功于p m s m 的优点：高功率密度、效率和可靠 性。近来，永磁材料成本的大幅度降低，使得基于p m s m 的交流驱动器更 加具有吸引力和说服力，在行业中也颇具竞争力。在高性能应用方面， p m s m 驱动器也成为理想的必需品，其优越性表现在快速的动态响应、高 功率因子和大速度带宽等。 基于上述情况，研究一种基于d s p 的永磁同步交流伺服驱动器来控制 二自由度的机械手臂。并通过m a t l a b 对速度模式下的矢量控制系统进行 建模仿真，为以后的实际应用和研究学习提供了平台和理论思想。 1 2 机械手臂的发展和控制方案 机械手具有较高的动态性能是指机械手臂能在高速、高加速及相应的负 载的前提下保证一定的运动精度和运动平稳性。机械手的动态性能直接影响 到机器人作为工业自动化重要装备的生产效率。尤其是在面向物料搬运、i c 封装等领域机器人的在要求定位精度前提下，对其运行速度、运行加速度及 运行平稳性等方面的要求日益提高。 目前，完成以上操作主要依赖于串联机械手，但串联机械手需在各关节 上安装驱动装置，导致各手臂的惯量较大，难以实现高速运动。与串联机构 相比，本课题所研究的机械手机构通过平行四边形机构将驱动电机移至支架 端，刚度大、定位精度高、承载能力强、自重负荷比小、易实现高速及无积 累误差等优点，采用轻质细杆作为运动臂，在很大程度上降低了机构的质 量，使末端能够获得很高的速度和加速度【l 训。因此，高速机械手在面向物 料搬运，i c 封装等领域具有无可比拟的优势1 5 8 1 。 机械手的伺服控制系统是其控制系统的核心，伺服系统控制算法的好坏 直接影响着手臂驱动系统控制性能的提升 9 1 。控制器的设计按是否考虑机械 黑龙江科技学院硕士学位论文 的动力学特性分为两类：一类是完全不考虑机械的动力学特性，按照机械手 臂实际轨迹与期望轨迹之间的偏差进行负反馈控制，这种方法通常称为“运 动控制( k i n e m a t i cc o n t r 0 1 ) ”，其控制器常采用p d 或p i d 控制；另一类方 法是根据机械手的动力学模型设计出非线性控制器，通常称为“动态控制 ( d y n a m i cc o n t r 0 1 ) ”，又称“基于模型的控制( m o d e l b a s e dc o n t r 0 1 ) 。当 用线性控制器控制机器人运动时，它忽略了机器人运动时的非线性力。当运 动速度增加时，线性控制器的准确度迅速降低。这是因为许多相关的动态 力，例如科里奥利力和向心力，是以速度的平方变化。因此为了让机械手臂 的运动达到所要求的准确度，机械手的运动速度就要降低，从而影响了生产 速度。然而，非线性控制器能够补偿手臂运动时的非线性力，从而实现高速 下的机械手高精度控制，克服了线性控制的缺点。但是后者需要实时进行动 力学计算，而机械手又是一个复杂多变量强耦合的非线性系统，这需要较大 的在线计算量，给实时控制带来困难【1 0 , 1 1 】。 机械手臂控制系统硬件平台的性能对于控制系统算法的实现有着至关重 要的作用。目前针对高性能机械手的控制系统硬件平台的搭建主要有以下几 种： 1 、p c + 高性能运动控制卡 p c 机仅完成简单的离线指令生成，不参与实时计算，因此不需要p c 机的实时系统。所有的运动控制算法都由高性能运动控制卡来完成运算，其 对控制卡处理器的主频和处理能力要求很高。 优点：这种方式相对开发周期较短；其可以脱离p c 单独存在，不存在 p c 和控制器通讯速度瓶颈的问题，体积较小，适合随行和嵌入式要求。 缺点：可选择面较窄，目前只有p m a c 一种控制器；高端的p m a c 价 格相对昂贵，且最高端的p o w e rp m a c 还未上市；整体设置和编程较一般 运动控制卡难度大很多。 2 、高性能d s p + 驱动器 采用专门针对电机控制的高性能d s p 作为控制器，在d s p 上面实现控 制算法和位置环的运算，在驱动器中完成速度环和电流环的运算。 优点：这种方式相对比较灵活，程序算法的移植方便；可以先在d s p 开发板上进行相关算法的实验，实验系统搭建周期较短，方便初期的实验调 试工作。 缺点：要设计各个电路之间的接口电路；系统可靠性较低，整机调试难 度较大。 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 3 、专用型控制器 利用d s p + f p g a 方式针对某个机器人特殊的控制要求，去除p m a c 相 应的冗余功能，构造专用控制器。以高性能浮点型d s p 完成算法运算，以 f p g a 完成所有i o 处理，包括反馈信号处理。 优点：这种方式相对最为灵活，可以深入了解硬件底层，随意修改和添 加功能。 缺点：研制难度较大，涉及高频电路问题，开发周期较长；系统可靠性 较p m a c 要低，整机调试难度较大。 1 3 国内外永磁交流伺服系统的现状 国外生产永磁交流伺服系统产品的厂家很多，如日本的安川、三菱、松 下公司，德国西门予公司、r e x r o t h 公司、b o s c h 公司，美国g e t t y s 公 司、k o l l m o r g e n 公司等。其中美国k o l l m o r g e n 公司i d ( i n d u s t r i a ld r i v e s ) 工业驱动部分的g o l d l i n e 系列代表了当代永磁交流伺服技术的最新水平。现 有国外永磁交流伺服系统性能主要体现在以下几个方面： l 、能通过给定位置、速度和转矩指令实现三环控制，且电机运转的速 度轨迹可分为直线型、梯形和s 形。 2 、高速、高精度和高响应速度，速度响应频率最高可达1 k h z 。 3 、系统低速运行平稳，转速更加平滑，电机无振动。 4 、配备抑振算法，对低刚性机械的振动有抑制作用。 5 、具有自动调整算法，能自动检测机械负载及惯量的变化从而通过改 变伺服增益保持系统性能不变。 6 、采用l e d 显示工作状态和通过键盘进行参数设定。 7 、通过c a n 、r s 4 8 5 以及r s 2 3 2 等实现和上位机的通信，实现网络 控制。 国内由于资金和技术的限制，研究和产品多集中在低价位、性能较差的 直流无刷电动机上。一些院校和研究所的永磁同步电动机多为特殊设计，应 用于航天、国防等特殊场合的特种电动机。 1 3 1 永磁同步电动机的发展 永磁同步电机的发展同永磁材料的发展密切相关，目前永磁同步电机中 广泛使用的永磁材料为钕铁硼( n d f e b ) 永磁，称为第三代稀土永磁。该永 磁体性能高、价格低，使得永磁同步电动机体积减小，性价比提高，引起了 国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。 黑龙江科技学院硕士学位论文 目前正在研究新的更高性能的永磁材料有钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁 在占 寸。 永磁同步电机按磁通分布的不同，分为正弦波永磁同步电机 ( 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 ) 和方波永磁同步电机( b r u s h l e s s d cm o t o r ) 。p m s m 适合于矢量控制，其体积小，输出转矩脉动也小【l 2 1 。 为满足工程应用的需要，永磁同步电动机正向大功率化( 高转速、高转 矩) 、高功能化和微型化方向发展。 1 3 2 电力电子技术发展 第三代电力电子器件的代表器件i g b t 性能更趋优良，容量不断提高， 已取代g t r 、m o s f e t 成为伺服驱动器的首选功率开关器件。伺服驱动器 p w m 开关频率提高到i o k h z 以上，从而实现伺服驱动器的高频化，提高 系统的响应速度，而且对降低电动机噪声、减小转矩脉动极为有利，在性能 上获得较大的改善。目前，电力电子技术正朝着集成化的方向发展，新一代 的智能功率模块( i p m ) 是集功率器件i g b t 、驱动电路、检测电路和保护 电路于一体，实现过流、短路、过热、欠压保护。模块包含三相桥逆变器， 从而使装置体积缩小，可靠性提高，现代的驱动器上已经大量的应用【1 3 】。 1 3 3 微处理器技术的发展 近年来包括t i 、m o t o r o l a 、a d 等大公司在内的许多d s p 厂商都相 继推出了电机控制专用高速数字信号处理器( d s p ) 芯片，如t m s l f 2 4 0 x 系列、t m s l f 2 8 x 系列、d s p 5 6 f 8 0 x 系列等。这类芯片都以d s p 处理器为 核心，使用其高效的指令集，同时在片内集成了包括a d 、p w m 等在内的 电机控制接口电路，不仅简化了系统硬件电路，同时也提高了可靠性和性价 比。 d s p 的应用，使伺服系统模块化和全数字化的实现成为可能，而可编 程逻辑器件p l d ( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e ) 作为专用集成电路a s i c 的重 要组成部分，也可于d s p 协作一起应用于电机控制。常用的有两种：复杂 可编程逻辑器件c p l d 和现场可编程逻辑器件f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t e sa r r a y ) ，借助硬件描述语言( v e r i l o gh d l ) 对系统进行设计。这就为 先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有利的支持，大大提高了系统 的柔性、精度和控制性能。同时由于可编程逻辑器件出色的二次开发能力和 设计灵活性，在很多伺服系统中它们和d s p 结合在一起，d s p 作为主控器 件，可编程逻辑器件作为扩展器件。这样可以根据用户不同要求，设计不同 的标准接口。在对于高精度的伺服控制系统，采集电机旋转角度的编码器为 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 绝对式的，为了提高采集速度和节省d s p 的i o 口，在解码后可用逻辑器 件采集给d s p ，保障系统的高速度和高精度。 1 3 4 控制理论的发展 1 、交流调速理论 交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。矢量控制理论将在第二章 进行详细分析。直接转矩控制技术( d t c ) 是继矢量控制技术之后发展起来 的一种新型的高性能交流调速技术。这种技术运用空间矢量分析方法，采用 定子磁场定向，根据参考转矩与真实转矩、参考定子磁链与真实定子磁链之 间的差异直接选择定子电压矢量，达到直接控制转矩的目的【1 4 】。省掉了复 杂的矢量变换，控制结构简单，转矩响应迅速，对转子参数不敏感。但存在 的主要问题是低速时转矩脉动大。 2 、控制策略 传统的数字p i d 控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其 结构简单，调节方便，且不依赖于具体被控对象的数学模型。具有动、静态 性能良好，稳态精度高的特点。但是传统的p i d 控制对于动特性复杂的控 制对象，其一次整定出的p i d 参数往往不能达到最优。因此，在对传统p i d 控制方法进行改进的同时，还要不断研究新型控制算法，应用到交流伺服系 统中来【1 5 】。 现代控制理论的发展与应用，一定程度上弥补了经典控制理论对时变非 线性随机系统无能为力的缺点，提出了反馈线性化控制、滑模变结构控制和 自适应控制等。但这些控制策略对被控对象具有一定的依赖性，不能从根本 上解决复杂和不确定系统的控制问题。模糊控制、神经网络控制、专家系统 控制、以及鲁棒控制和遗传算法等控制策略不依赖于对象的数学模型，为系 统的智能化提供了依据。 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容如下： 1 、通过对国内外相关文献的学习研究，设计速度模式下的伺服驱动系 统，利用m a t l a b 完成对整个控制系统的闭环仿真工作。 2 、以二自由度机械手为负载，设计伺服电机的驱动器，即搭建功率模 块和控制模块以及信号采集模块，制作相应的p c b 板，最后完成软件设计 和实验调试，实现伺服系统速度模式控制下的机械手圆周运动。 3 、研究滑膜观测器，以弱磁理论建模改进p i 控制器，利用m a t l a b 建立无传感弱磁控制系统模型，为以后的实验提供理论依据。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第2 章机械手臂及其伺服系统数学模型的建立 2 1 引言 实现机械手臂的控制前提是先要研究手臂本体结构和完成伺服电机的驱 动。本章首先对二自由度机械手臂进行运动学建模和求解运动学逆解方程， 而后建立如坐标系下永磁同步电机的数学模型，给出其电压、电流和转矩 的数学方程。其次，推导出矢量控制中的坐标变换、磁场和电压关系以及本 驱动器中采用的电压空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 方法的数学模型【l6 1 ，而 后给出整个系统设计的原理图。 2 2 机械手运动学建模 本课题是在机械手臂本体设计完成的状态下进行的。对机械手臂进行简 要介绍和运动原理分析，为后面的控制驱动奠定基础。 机械手本体动力学建模包括机械手运动学正逆解和机械手刚体动力学建 模，是进行机械手控制和基于动力学模型控制算法设计的基础【1 7 , 1 8 】。本文的 研究为伺服驱动器，故机械手只作负载运动。 使用的两自由度的机械手采用平行四边形结构，机构简图如图2 1 所 示，机械手的三维模型如图2 2 所示。在图2 1 中，杆7 1 ，z 为机械手的主 动杆，杆f 3 ，厶，毛为从动杆件，杆乇，f 7 ，磊，毛，。为辅助杆，杆。为机 架。其中杆，如，厶，厶组成一组平行四边形，杆厶，名，厶，。组成一组 平行四边形，杆7 3 ，厶，厶，厶组成一组平行四边形。以机械手的力矩输入 轴为坐标原点，水平方向为z 轴，垂直方向为y 轴，建立如图2 1 所示的固 定参考系d 一砂。 j ，。 耄代一 图2 i 机械手机构简图 f i g 2 - 1m e c h a n i s md i a g r a mo fm a n i p u l a t o r 6 图2 - 2 机械手三维模型 f i g 2 - 2t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fr o b o t 黑龙江科技学院硕士学位论文 图中岛为主动杆与z 轴正方向的夹角，岛为主动杆件乞与x 轴正方向 的夹角。根据机械原理的知识易知杆件，在工作空间内一直做平动运动。 根据上面的分析，利用几何法可建立机械手末端点的运动学正解方程： x - - ，, e o s e , c o s 导 ( 2 1 ) 抄= ，ls i n e , 一3s i l l 皖 “7 式中 x 机械手末端点在参考系d 一砂中的横坐标值； y 机械手末端点在参考系d 一砂中的纵坐标值。 由式2 3 8 求解o l ，幺可得机械手的运动学逆解方程： 2 3 永磁同步电机( p m s m ) 数学模型 图2 3 为永磁同步电机( p m s m ) 的结构模型。永磁同步电动机的定子 由三相空间上相差1 2 0 0 的对称绕组及铁心构成，且电枢绕组通常为星型连 接。在转子结构上，用永磁体取代普通同步机的励磁绕组，通常包含两对以 上磁极。 图2 _ 4 为p m s m 的空间矢量图，a b c 为三相定子静止坐标系。d 轴为固 定在转子励磁磁通y ，方向上的坐标轴，g 轴逆时针方向超前d 轴9 0 0 电角 度，d 、q 轴一起建立了随转子同步旋转的d g 坐标系。 a 图2 - 3p m s m 结构模型 f i g 2 - 3m o d e lo fp m s m 7 q 图2 _ 4 p m s m 空间矢量图 f i g 2 - 4s p a c ev e c t o ro fp m s m 黑龙江科技学院硕士学位论文 永磁同步电机具有正弦形的反电动势波形，其定子电压、电流也应为正 弦波。假设电机是线性的，参数不随温度等变化，忽略磁滞、涡流损耗，转 子无阻尼绕组，在转子坐标系( d q 轴系) 中的数学模型【1 9 】为： 定子磁链方程为： 咆7 ：n ( 2 3 ) 【- 、i ，。2 _ j 式中 v ，转子磁钢在定子绕组上的耦合磁链； 厶、厶d g 坐标系上的等效电枢电感分量； 屯、屯d g 坐标系上的电枢电流分量。 定子电压方程为： 蚴，+ 刚c ，叫 ( 2 4 ) 【z 勺2 _ - 4 - w g + v 口 式中 蚴、d g 坐标系上的电枢电压分量； l 电枢绕组电阻： c o 转速。 把式2 3 代入式2 4 得 j “f2 气l + l a p i d - c o l 。， ( 2 5 ) 【u 口= 0 + l q p + c o l d 乙+ 、i ， 。 输出电磁转矩 = p 。 j 一、l ，。)(26pl d 26 ) _ f p2 。婶d z 口一、l ，4 ， ( ) 把式2 3 代入上式可得 z 2 p m 卜，+ ( 厶一l q ) i d i q j ( 2 7 ) 式中 电机极对数。 机械运动方程为： 式中 弦引 眨8 ， 鲁吨 “乃 ，转子机械角速度； j 电机与负载的转动惯量之和； 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 z 负载转矩。 旋转d q 坐标系的旋转角频率( 即转子电角速度) 和电机转子机械 角频率的关系为 0 3 = p 。 ( 2 9 ) 对普通的永磁同拐电机，在厶= 厶= 三时，凸极转矩项n ( 乙一厶) 0 名 为零。由式2 7 、2 8 和2 9 写成状态方程形式见式2 1 0 。 褂 p 肌 。 一 一芝一警 一p 淞m 一专一p m - 0队坠0 “号 卧 三 甜g 三 t j ( 2 1 0 ) 从式2 1 0 中可以看出，三相永磁同步电机模型中，变量较多，机械角 频率。和d q 轴电枢电流分量t ，、t ，互相耦合，且方程为非线性的，不能 简单地通过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。为了提高系统控制性能，必 须进行矢量解耦控制。 2 4 转子磁链定向矢量控制理论 2 4 1 矢量控制原理 矢量控制理论的提出从根本上解决了交流电动机转矩的高性能控制问 题。基本思想是在三相交流电机上模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定 向坐标上，将定子电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量f ，和产生转矩 的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节， 实现转矩控制。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的 控制。由于定子侧的各物理量( 电压、电流、电动势和磁动势) 都是交流 量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此，需要借助于坐标变换，使各 物理量从静止坐标系变换到同步旋转坐标系，在同步旋转坐标系上，各物理 量都变成直流量，根据转矩与定子电流矢量各分量的关系，计算转矩控制所 需的被控矢量的各分量值。由于各直流量是假想的，实际上不存在，还必须 经过坐标逆变换，从旋转坐标系回到静止坐标系，把所需的直流给定量变换 成交流给定量【2 0 】。 2 4 2 矢量控制的坐标变换 矢量控制中所用的坐标系有静止坐标系和旋转坐标系。静止坐标系有： 三相定子坐标系( o a b c 轴系) ，两相定子坐标系( 0 0 【p 轴系) ，由固定在定子 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 上和a 轴重合的仅轴和逆时针超前9 0 。的1 3 轴组成。旋转坐标系为转子坐标 系( o a q 轴系) ，各坐标系间的关系如图2 4 所示。 所涉及的坐标变换有：c l a r k e 变换( a b c 仅p ) 、p a r k 变换( 仅b 面) 、 c l a r k 逆变换( 伐p a b c ) 和p a r k 逆变换( 由伐p ) 。c l a r k 变换也称为3 2 变换，其逆变换称为2 3 变换。根据各坐标矢量间的关系，得到a b c l o f f 3 变 换矩阵为： ；： = 信 1 1 1 22 o 鱼一笪 22 ( 2 1 1 ) 对于三相绕组不带零线的星形接法，有电流间的平衡关系： + + = 0 ，即之= 一乇，代入式2 1 1 得到动仅p 、仅p a q 和由邮变 换： 乞压 引2 了 三 o 3 压 5 一 二 ( 2 1 2 ) 芝 = 。i c s o i s n o 。s i n e i ： c 2 - 3 ， ；： = ic o s o - - s i n e l i d 眩 变换中使用的系数2 3 是保证电机电枢绕组在不同坐标下的合成磁势 大小相等、方向相同和电机模型变换前后遵循功率不变这两个基本原则。 2 4 3 转子磁链定向控制 由矢量控制( 磁场定向) 理论可知，为了较好的控制同步电机，在不 同的场合，可以选择不同的磁链矢量作为定向坐标轴，目前存在气隙磁链定 向、转子磁链定向、定子磁链定向和阻尼磁链定向四种磁场定向控制方式。 在永磁同步电机中，由于转子磁链恒定不变，故采用转子磁链定向方式来控 制永磁同步电机【2 1 j 。 所谓转子磁链定向控制，就是把定向坐标系的m 轴定向在转子磁链矢 量v8 上，并与它同步旋转，z 轴逆时针超前m 轴9 0 。电角度，即m 轴与转 子的几何轴线d 轴重合，丁轴和q 轴重合。由于m t 轴系和d q 轴系重 合，m 一丁轴系的同步电动机数学模型实际上也是d q 轴系上的数学模 l o 黑龙江科技学院硕士学位论文 型。把矢量在d 、q 轴上分解，并考虑到转子磁链定向，可以得到转子磁链 方程 v 。也鬻州t 一惫2 矿 r d + l d d sr d + l d d s 转矩方程为： 乃= 岛争。蓐 式中 ( 2 1 6 ) p 。电动机的极对数； 三。”厶电动机的结构参数。 同步电动机转子磁链定向控制时，转矩只与转子磁链、l ，。及定子电流的 转矩分量茹( e ) 成正比，且v 。和# 相互解耦，彼此独立，只要很好地控制转 子励磁电流广和定子电流的励磁分量嵇，保持转子磁链、i ，2 幅值恒定，则电 磁转矩乃只受定子电流的转矩分量# 控制，这样同步电动机的矢量控制变频 调速就和直流他励电动机的调压调速具有完全相同的品质。 由式2 1 5 可知，转子磁链、i ，。和e 、，的关系复杂。为了简化控制系 统，可把定子电流矢量始终控制在丁轴( q 轴) 上，即定子电流无m 轴( d 轴) 励磁分量，e = 广，即艺= 0 ，那么转子磁链为一恒定值，电磁转矩只 与定子电流的幅值成正比。 p m s m 采用i a = 0 的转子磁链定向控制后，电动机的转矩方程变为 z = a l t ， ( 2 1 7 ) 此时，转矩疋和电流屯呈线性关系，只要对进行控制就达到了控制转 矩的目的。并且，在表面式永磁同步电机中，保持= 0 可以保证用最小的 电流幅值得到最大的输出转矩。 通过以上分析，只要能准确检测出转子空间位置( d 轴) ，通过控制逆 变器使三相定子的合成电流( 磁动势) 位于q 轴上，那么，只要控制定子电 流的幅值，就能很好地控制电磁转矩，这和直流电动机的控制原理类似。本 文正是采用的这种控制策略。 p m s m 的转子磁链定向控制( f o c ) 原理如图2 5 所示。首先，通过 电机轴上安装的编码器检测出转子的位置，并将其转换成电角度0 ，和转速 ，给定转速0 3 ，。和反馈转速0 3 ，的偏差经过速度p i 调节器计算得到转子电 流参考输入。定子相电流乞和通过相电流检测电路被提取出来，然后用 c l a r k 变换将它们转换到定子两相坐标系中，使用p a r k 变换再将它们转换到 黑龙江科技学院硕士学位论文 由旋转坐标系中。 输入e 和艺 图2 - 5p m s m 转子磁链定向控制系统原理图 f i g 2 - 5e l e m e n t a r yd i a g r a mo ff o cc o n t r o l 相比较，其中艺= 0 ，通过电流p i 控制器获得理想的控制量。控制信号再通 过p a r k 逆变换，经过s v p w m 产生六路p w m 信号并经逆变器控制电机转 速和转矩，从而构成一个完整的速度f o c 双闭环系统。 2 5 电压空间矢量p w m 技术 用三相平衡的正弦电压向交流电机供电时，电动机的定子磁链空间矢量 幅值恒定，并以恒速旋转，磁链矢量的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场 ( 磁链圆) 。因此如果有一种方法，使逆变电路能向交流电机提供可变频电 源、并能保证电动机形成定子磁链圆，就可以实现交流电动机的变频调速。 2 5 1 电压和磁链的关系 电压空间矢量是按照电压所加在绕组的空间位置来定义的。对o a b c 坐 标系，三个轴a 、b 、c 分别代表三个相。三相定子相电压u 。、u 。、坼分 别施加在三相绕组上，形成三个相电压空间矢量“。、u b 、u c 。它们的方向 始终在各相的轴线上，大小随时间按正弦规律变化。因此三个相电压空间矢 量相加形成的一个合成矢量以是一个以电源角频率速度旋转的空间矢量： 髓= 以一+ 以口+ 比c ( 2 1 8 ) 同样可以定义电流和磁链的空间矢量，和、i ，因此有 口：rj + 磐( 2 1 9 ) d f 当转速不是很低时，定子电阻尺的压降相对较小，式2 1 9 可以简化为 1 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 h 掣 ( 2 2 0 )h ol 2 d f 由、l ，= v 。e j 叭推出： 口：掣：j c o v 。p 埘：v 佃m 2 ) ( 2 2 1 ) 由公式2 2 0 可知，当磁链幅值、i ，。一定时，口的大小与成正比，或者说 供电电压与频率厂成正比，其方向是磁链圆轨迹的切线方向。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2 兀弧度，其 运动轨迹与磁链圆重合。这样，电动机旋转磁场的形状问题就可以转化为电 压空间矢量运动轨迹的形状问题来讨论。 经典的s p w m 控制目的是使逆变器的输出电压尽量接近正弦波，而电 流波形会受到负载电路参数的影响，并且电压利用率较低。为此提出了电压 空间矢量p w m ( s v p w m ) 技术。s v p w m 也称作磁链轨迹法，从原理上 讲，把电动机与p w m 逆变器看作一体，着眼于如何使电机获得幅值恒定的 圆形磁场，当电机通以三相对称正弦电压时，交流电机内产生圆形磁链， s v p w m 以此圆形磁链为基准，通过逆变器功率器件的不同开关模式产生有 效电压矢量来逼近基准圆，即用多边形来逼近圆形【竭。 s v p w m 技术与s p w m 技术相比，主要有以下几个特点： 1 、适合数字实现；每次开关切换只涉及到一个功率开关器件。 2 、采样时间t 的长短决定电机旋转磁场接近圆形的程度，t 越小，越逼 近圆形，但t 的大小和所用功率器件允许开关频率有关。 2 5 2s v p w m 算法原理 s v