（电力电子与电力传动专业论文）基于mcu的永磁电机数字位置伺服控制系统.pdf

d i g i t a lp o s i t i o ns e r v os y s t e m o fp e r m a n e n tm a n e tm o t o rb a s e do nm c u p o w e re l e c t r o n i c s n a m e ：h n y a o s u p e r v i s o r ：s h e ny u l i a n g a bs t r a c t h t h ep a p e rm a i n l yr e s e a r c h e so nt h ed e s i g no ft h ep o s i t i o ns e r v os y s t e mo f i n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n eb a s e do nm c u a c c o r d i n gt ot h ei n d e xo ft h es e r v o s y s t e m , t h ep a p e rg i v e s a s y s t e m sd e s i g n s c h e m ew i t h s i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e ra sc o n t r o lc o r e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni sf i n i s h e d a n dt h es y s t e m sp e r f o r m a n c ei st e s t e d t 1 1 es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep e r m a n e n tm a g n e ta cm o t o ri s i n t r o d u c e di nd e t a i li nt h i sp a p e r ad o u b l el o o pc o n t r o lo fs p e e dl o o pa n d c l i r r e n tl o o pi sa d o p t e dt oa c h i e v et h es y s t e m sr e q u e s t s a n dt h ev e c t o rc o n t r o l m e t h o di su s e dt om a k et h em o t o rw o r k i n gi nt h eo p t i m a ls t a t e t h ed r i v ec i r c u i t o ft h es y s t e mu s e ds p w mc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hi si m p r o v e dt oi n c r e a s et h e v o l t a g eu s i n gr a t i o am e t h o do fd e t e c t i n gr o t o r si n i t i a lp o s i t i o ni sd e s i g n e dt o i m p r o v et h es t a r t u pp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rd i s c u s s e ss e v e r a l c o n t r o lr u l e s a n df i n a l l yt h ef u z z yp i dc o n t r o la n dc u r r e n te s t i m a t em e t h o da r e u s e d t h es e r v os y s t e mu s e so n eo ft h em 1 6 cg r o u pm c uo fm i t s u b i s h i c o m p a n ya st h ec o r eo ft h eh a r d w a r e i p mm a k e st h ed r i v ec i r c u i tm o r es i m p l e r e d u c e st h es y s t e m sv o l u m e ，a n di n c r e a s e st h es t a b i l i t yo ft h es y s t e m t h e i n i t i a l i z a t i o n ，i n i t i a lp o s i t i o nd e t e c t i n g , c u r r e n ta n ds p e e dc o n t r o l ，t h r e e - p h a s e s p w mc o n t r o ia n ds t o pc o n t r o lm o d u l e sa r ed e s i g n e dw i t ht h ea s s e m b l e l a n g u a g eo fs i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rm 1 6 c t h ed e b u gr e s u l t ss h o wt h a tt h e p o s i t i o ns e r v os y s t e mw h i c hi sd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a nr e a l i z et h es t a r t n p ， s t o pa n ds p e e dc o n t r o lo f t h em o t o r , a n dp r o v e st h a tt h es y s t e mh a sh i g hs t a b i l i t y a n dp r e c i s i o n k e y w o r d s ：a cs e l a mm o t o r 、p e r m a n e n tm a g n e t 、v e c t o rc o n t r o 1 、i p m 、 m c u 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 伺服系统的发展概况【l l 伺服系统属于自动控制系统中的一种，它是伴随电的应用发展起来的， 最早出现于二十世纪初。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，到二十世纪中期，伺服系统的理论与实践 均趋于成熟。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术 和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼突飞猛进它的应用几乎 遍及社会的各个领域。 伺服系统在机械制造行业中用得最多最广，各种机械运动部分的速度控 制、运动轨迹控制、位置控制，都是依靠各种伺服系统控制的。它们不仅能 完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成复杂 的空间曲线运动的控制，如模仿机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等 等。它们可以完成的运动控制精度高、速度快、远非一些人工操作所能达到。 此外，在冶金工业、运输行业、军事和计算机外围设备中，伺服系统都 有广泛应用，这些都是无法用人工操作所替代的，从而减缓了操作人员的疲 劳，也大大提高了工作效率。 何服系统的应用越来越广泛，大至控制上吨重的巨型雷达天线，可及时 准确地跟踪热燥卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头， 从国防、工业生产、交通运输到家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域。 2 中山人学硕士学位论文 伺服系统( s e r v os y s t e m ) 用来控制被控对象的转角( 或位移) ，使其能自动 地、连续地、精确地复现输入指令的变化规律。它通常是具有负反馈的闭环 控制系统，有的场合也可以用开环控制来实现其功能。在实际应用中一般以 机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。 伺服系统的种类很多，组成状况和工作状况也是多种多样，包括检测装 置，用来检测输入信号和系统的输出，有放大装置和执行部分，为使各部件 之间有效的组配和使系统具有良好的工作品质，一般还有信号转换线路和补 偿装置。这仅是信息在系统中传递所必经的各个部分。此外，以上各部分都 离不开相应的能源设备、相应的保护装置、控制设备和其他辅助设备。 使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确等特点， 这类专用的电机称为伺服电机。其基本工作原理和普通的交直流电机没有什 么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一 般其内部包括转矩( 电流) 、速度和或位置闭环。其工作原理简单的说就是在 开环控制的交直流电机的基础上将速度和位置信号通过旋转编码器、旋转变 压器等反馈给驱动器做闭环负反馈的p i d 调节控制。再加上驱动器内部的电 流闭环，通过这些闭环调节，使电机的输出对设定值追随的准确性和时间响 应特性都提高很多。 伺服系统的发展紧密地与伺服电机的不同发展阶段相联系，迄今为止经 历了三个主要发展阶段： 第一阶段：二十世纪六十年代以前，主要以步进电机驱动液压伺服马达 或者以功率步进电机直接驱动，具有响应时间短、驱动部件的外型尺寸小等 优点，伺服系统的位置控制多为开环系统。存在发热大、效率低、易污染环 境、不易维修等缺点。 第二阶段：二十世纪六十、七十年代，这是直流伺服电机诞生和全盛发 展的时期。直流电机是自然解耦的，电磁转矩和电枢电流成正比，转矩响应 第1 章绪论 3 速度快，具有良好的调速性能。随着大功率晶体管的应用，电流控糊性能大 大提高，在很多高性能驱动装置中广泛采用直流电机，伺服系统的位置控制 也由开环控制发展成为闭环控制。但是，直流电机有一个致命弱点，即机械 换向时会产生电火花，这就加重了电刷和换向器的维修工作量，而且，不适 于在易燃、易爆、多尘的恶劣环境中应用。 第三阶段：二十世纪八十年代至今，以机电一体化发展为时代背景。由 于伺服电机机构及永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服 电机、交流伺服电机等多种新型电动机，同时电力电子技术、微处理器的迅 速发展引发伺服驱动装置经历了模拟化、数字模拟混合式和全数字化等几个 发展时期 1 1 2 交流伺服电机 伺服电机又称执行电动机，在伺服控制系统中，用作执行元件，把所收 到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出【2 1 。 伺服电机分为直流和交流伺服电动机两大类。直流伺服电机在轴端安装 高性能的速度和位置检测器，并用脉冲宽度调制( p w m ) 大功率晶体管( g t r l 驱动逆变器，可以使直流伺服系统具有优良的控制性能，所以在二十世纪七 十年代曾获得广泛应用，但由于直流伺服电动机存在机械换向器，结构复杂， 需要较多的维护，运行火花使应用环境受到了某些限制，转子容易发热，影 响与其相连接的丝杠精度，高速运行和大容量设计都受到机械换向器的限 制。这些缺点和限制都是由交流机构一机械换向器所造成的所以，革除机 械换向器而保留直流伺服电动机的优良控制性能，是人们长期以来一直在追 求的目标。 交流何服电动机本身结构简单，坚固耐用，体积小，重量轻，没有机械 4 中山大学硕士学位论文 换向，无须多少维护。由于电力电子器件组成的逆变器以及微电子器件对逆 变器的控制灵活性，为取代机械换向器提供了条件，才有可能包括直流伺服 电动机、逆变器及其控制回路等组成的整体装置交流伺服系统，达到直流 伺服电动机及直流伺服系统的控制性能，而克服了直流伺服电动机的缺点， 发挥了交流伺服电动机的长处【3 1 。 作为交流伺服系统的执行机构，交流伺服电机应尽可能体积小、重量轻、 力矩大，并以准确、快速的动作完成指令要求的任务。所以，交流伺服电机 应具备以下基本条件： 1 1 体积小，重量轻，大转矩输出； 2 ) 低惯性，以适应速度指令或位置指令的快速变化； 3 ) 良好的控制性能，以及发电制动功能。 4 ) 宽广的调速范围，即要求伺服电机的转速能够随控制电压的改变在 宽广的范围内连续调节。 交流永磁伺服电动机作为交流伺服电动机中的一种，是伴随着永磁材料 技术、微电子及电力电子技术、电动机技术等迅速发展起来的一种新型电动 机，同时也是一种典型的机电一体化产品( 主要由电动机本体、位置传感器及 电子开关线路组成) ，因与传统电动机相比，其转子采用的是由永磁材料制成 的永久磁钢，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。 电力电子技术自二十世纪五十年代后期诞生以来，发展速度很快，其主功 率器件经历了从最初的晶闸管一g t l 0 一m o s f e t i g bt ，使功率半导体器件 的性能得以逐步提高，同时其相应驱动电路也获得了飞速发展一现可以做到 使用一片驱动电路、一个驱动电源就可驱动三相六个开关管，从而大大简化 了外围电路尤其是驱动电路的设计：近几年，随着微电子技术的快速发展，智 能功率集成电路得以进一步发展和普及为逆变器实现智能化、高频化、小 型化等创造了条件。这些都为永磁电机的驱动线路性能的提高开辟了道路。 第l 章绪论 5 电力电子技术作为一门极具发展潜力的新兴技术，必将获得更快更大的发展， 从而为交流永磁伺服电动机技术的高速发展提供不竭动力1 4 1 。 最初的电机控制系统大都是采用分立元件的模拟电路，体积大、可靠性 低、抗干扰能力差、成本高。随着电子技术的进步，采用微处理器和专用集 成电路，实现了数字控斟，提高了可靠性和抗干扰能力，同时也使得各种复 杂控制方法的实际应用成为可能。 微型计算枫( 含单片机) 自二十世纪六十年代后期诞生以来，发展速度十 分迅猛，其应用领域几乎成几何级数增长。如今已成功进入国民经济及社会发 展的各个领域，而电机控制也不例外由于永磁电动机其性能的改善和提高， 除了与制成电动机本体尤其是转子永磁材料及电子驱动电路有关外。更与其 控制器密切相关，而因永磁材料及功率半导体器件性能的提高受着许多客观 因素的制约和影响，在一定条件下具有一定的局限性。因此。自八十年代以来 随着微型计算机及控制技术( 含控制理论) 等的飞速发展，人们更多的是从提 高控制器的性能这条途径着手来提高交流永磁伺服电动机的性能，并取得了 一些可喜的成果；特别是进入九十年代以后，控制技术尤其是控制理论( 策略) 发展十分迅猛，而借助于先进的计算机技术这一强有力的物质基础，使得人们 得以不断尝试着将一些先进的控制策略方法( 滑模控制、变结构控制、模糊 控制、专家控制等) 弓i 入永磁电机控制器【5 1 l 从而推动着电动机朝着高智能 化、柔性化、全数字化方向发展，为其更好地满足新世纪数字化时代发展韵 需要开辟了道路。 1 1 3 工业缝纫机数字位置伺服控制系统的发展概况 工业缝纫机何服系统按何服电枫的种类一般可分为四种，即摩擦片式、 涡流式、混合式步进电枫、交流伺服电动机1 7 1 。 6 中山大学硕士学位论文 摩擦式电子定位针电动机伺服系统起步快，但速度和针位控制精度差， 且摩擦片的磨损会影响定位可靠性，需经常保修和维修。 涡流式电子定位针电动机伺服系统虽然定位精度较高，但起步慢，噪声 和振动大，不受制衣行业的欢迎。 混合式步进电机定位系统虽具有控制方便的优点，但起动频率、运行频 率受到一定限制，达不到高速缝纫机的要求，定位精度仍不理想。 二十世纪八十年代开始，国外开始研究工业缝纫机用交流伺服电动机系 统。在此基础上完成其他自动功能。1 9 8 6 年以来，德国的杜克普阿德勒 ( d u r k o o p a l d e r ) 、日本的重机( j u k i ) 、日本的三菱( m i t s u b i s h i ) 、日本 的兄弟( b r o t h e r ) 等均已推出了其相应产品，将交流伺服电动机运用到各 类工业缝纫机中，实现了工业缝纫机的电子化，并以每年1 2 的递增速度替 代原有的离合器电机等传统电机。上世纪八十年代中期，我国开始引进并研 究电脑控制系统，进入机电一体化产品的研发阶段我国目前也有多家单位正 在研究机电一体化、数字化工业缝纫机，还处于样机试制和小批量生产阶段， 在2 0 0 3 年的工业缝纫机展览会上，高档工业缝纫机仍是国外或独资、合资 产品唱主角 s l 。近年来服装加工业迅速发展，加工企业对工业缝纫机的需求 量不断增加，并且对其性能也提出了越来越高的要求。交流永磁伺服电机作 为迅速发展起来的一种新型电机，利用电子换向器取代了机械电刷和机械换 向装置，克服了电刷和换向器所带来的一系列缺点，如噪声，电磁干扰，换 向火花，电磁磨损和可靠性差等，它既具有直流电机优良的调速性能，又具 有交流电机结构简单，运行可靠，维护方便等一系列优点。它不仅使缝纫机 的精度寿命大幅度提高，而且更无噪声污染，给人以较为舒适的工作环境。 另外，随着控制理论和计算机技术的飞速发展，工业缝纫机从传统的机械类 产品向机电一体化产品发展，由单片机控制的交流永磁电机位置伺服控制系 统以其高精度，高效率，高可靠性等优点，成为这一领域的研发热点。国内 第1 章绪论 7 工业缝纫机行业对其也产生了极大的兴趣和国产化配套的迫切性【9 1 。 采用交流永磁电机的数字伺服控制系统，用单片机参与控制的闭环系 统，具有精度高、速度快、存储量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实 现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。相对于传统的模拟控制 系统而言，数字伺服系统能显著降低控制器硬件成本，具有体积小、重量轻、 能耗少等优点。其次，数字伺服系统可改善系统的可靠性，不存在模拟控制 系统的温漂问题，可以保证计算精度。此外，采用单片机控制的数字伺服系 统可以完成复杂的功能、指令、反馈、校正、运算、判断、监控、p w m 脉 冲产生等功能，软件设计具有很大的灵活性，可以加快产品的更新换代i i o 】。 1 2 论文的研究内容 由单片机控制的工业缝纫机交流永磁电机位置伺服系统具有精度高、效 率高、参数调整方便、可靠性高等优点，可以较好的完成缝纫机的启动调速 和定位功能。本文根据系统的性能要求，研究了交流永磁伺服电动机的控制 原理，完成了缝纫机位置伺服控制系统的硬件和软件设计。 本文所做的工作主要包括以下几方面： 1 ) 查阅国内外伺服系统的有关书籍和文献，研究了伺服控制系统的设 计方法和控制策略。 2 ) 研究了交流永磁伺服电机的结构和工作原理，采用矢量控制原理实 现电机的调速和制动，并用改进的s p w m 控制技术提高了直流侧电压利用 率。研究交流永磁电枫弱磁控制原理，拓宽了电机的调速范围。设计了电机 转子初始位置的检测方法。 3 ) 以三菱m 1 6 c 系列型号为m 3 0 6 2 4 f g p 单片机为核心控制器，结合智 能功率模块i p m ，完成基于交流永磁电机的位置伺服控制系统的硬件设计， 中山大学硕士学位论文 包括单片机外围电路设计，转速和电流的检测电路设计，i p m 外围电路的设 计等。 4 ) 采用三菱m 1 6 c 单片机汇编语言，完成了位置伺服控制系统的软件 设计，包括电机初始化，转子初始位置检测，电流调节，速度调节，三相 p w m 控制，系统制动等模块，并用主程序将各个模块结合起来。 5 ) 对伺服系统进行调试，测试系统的启动、调速、制动定位等各项性 能，得到了实验数据和波形。 第2 章位置伺服控制系统盼设计 第2 章位置伺服控制系统的设计 9 本章主要介绍了了基于m c u 的永磁伺服电机数字位置控制系统的总体 设计方案，首先给出了伺服控制系统的闭环控制框图，然后详细介绍了交流 永磁伺服电机的结构和工作原理、矢量控制原理及其实现方法，以及转子初 始位置的检测方法，并对控制策略进行了研究。 2 1 系统总体设计方案 交流永磁伺服电机既具备直流电机调速方便的优点，又消除了电刷换向 器带来的噪声、火花等一系列缺点。加上电力电子技术，自动控制理论和微 型计算机技术的迅速发展，交流伺服控制系统的应用得到了突飞猛进的发 展。 缝纫机位置伺服控制系统是一个多变量，非线性，强祸合，大滞后的系 统，要求系统具有很强的快速性与稳定性，启动快，停车迅速。 考虑到缝纫机位置伺服系统的控制性能要求，本文采用交流永磁伺服电 机作为系统的驱动电机，并采用速度、位置和电流闭环控制。 速度开环伺服控制系统当负载发生变化或出现扰动时，系统的跟踪速度 都会愈设定速度发生偏差，如果不能及时补偿，必将影响系统的快速性和稳定 性。速度开环系统难以实现系统的高精度要求因此系统采用速度闭环控制。 在速度控制中，要求对交流伺服电机在各种运动状态下的速度加以控制，以 满足负载的工作要求，这是应用范围很广泛的一种控制形式 交流伺服控制系统为了实现电机的矢量控铹和缝纫机的定位控铹，还必 1 0 中山人学硕士学位论文 须有位置反馈信号。系统根据位置信号确定电机定子电流矢量，实现矢量控 制；定位时，将位置信号与定位信号进行比较，结合速度闭环控制，实现精 确定位。 在速度闭环的基础上，为了满足伺服系统更高精度的要求，如精确定位， 快速停车等，系统还应采用电流闭环，来控制电流的变化，从而更好的控制电 机的转矩还可以防止出现过载电流。 在数字伺服系统中，用单片机实现转速计算和调节、电流环控制等，内 环为电流环，外环则为速度环。两个控制环的采样时间可以采用不同值，一 般速度环的采样时间是电流环的3 1 0 倍1 2 j 。 系统的总体设计框图如图2 1 所示。一般情况下，速度控制器采用p i d 控制规律，它的输出为电流指令( 直流量) 。速度控制器的作用主要是为了能进 行稳定的速度控制，以便其在定位时不产生振荡。当然，在伺服系统中，为 了进行位置控制，要求速度环能有快速响应速度指令的能力，并对各种扰动 具有良好的抑制作用。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 l 控制规 律，要求它具有更高的快速性，以适应对电流瞬时值跟踪控制的要求。 第2 章位置伺服控制系统的设计 图2 - i 速度电流双闭环系统控制框图 2 2 交流永磁伺服电机的结构及工作原理 2 2 1 交流永磁伺服电机的结构与组成 二十世纪八十年代，永磁材料特别是具有高磁能积、高矫顽磁力、低廉 价格的永磁材料的发展，使人们研制出了价格低廉、体积小、性能高的永磁 电机。在交流伺服系统中，普遍采用的是交流永磁伺服电机交流永磁伺服 电机主要由电动机本体，速度和位置传感器以及伺服驱动器三大部分组成 交流永磁伺服电机本体与同步电机结构类似，定子上装有三相或多相绕组， 转子装有由永磁材料激磁的隐极式，凸极式或混合式多极磁极，替代了绕线 式同步电动机转予中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈，滑环和电刷，图 2 - 2 是三相交流永磁电机的示意图。传感器部分的主要功能是检测转子磁场 位置，提供电机速度和位置信号，一般传感器部分与电机本体同轴安装形成 一个整体。伺服驱动器由逆变器、逻辑电路等部分组成，根据传感器提供的 信号进行分析比较和逻辑判别后，采用电子自动换向驱动永磁电动机，一般 采用三相桥式逆变电路将直流电转换为三相正弦电流提供给电机定子。 永磁转子 1 2 中山人学硕十学位论文 图2 - 2 三相交沉水磁电机示意图 交流永磁伺服电机不需要励磁电流，逆变器供电的情况下，不需要阻尼 绕组，效率和功率因数都比较高，而且体积较之同容量的异步电机小，而交 流永磁伺服电机的矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调 速和位置控制。交流永磁伺服电机既克服了一般直流电机由于机械换向带来 的缺点。又保持了直流电机调速方便的优点，不仅动、稳态性能优异，而且 具有可靠性高、免维护和噪声小等特点。因此，在一般工业传动系统和高性 能伺服控制中得到广泛的应用，成为驱动数字伺服控制系统的主流。 从控制机理看，交流永磁伺服电机和永磁同步电动机的定予和转子的结 构是类似的，对于交流永磁伺服电机，定子每相绕组的反电势和电流波形为 正弦波，与一股交流同步电动机的概念相同，但也存在一些区别。一般的同 步电动机，外部供以三相正弦波交流电源，电动机的工作频率是由外部电源 给定的，因而转速是恒定不变的，且起动困难。但是，交流永磁伺服电动机 则不同，首先，它的反电势和相电流频率由转子速度决定，定子三相电流由 电路强制产生，通过矢量控制使电机运行在最佳状态。因此，交流永磁伺服 电机的运行需要较为精细的位置信息，其位置传感器通常较为复杂，可以获 得较理想的旋转磁场，并产生平稳的电磁转矩。采用矢量控制技术使d 轴电 流分量为零，用q 轴电流直接控制转矩，系统控制性能可以达到更高水平。 2 2 2 交流永磁伺服电机的工作原理 交流永磁伺服电机工作原理如图2 3 所示。就其基本结构而言，可以认 为是一台电子开关线路、永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动 机系统”。电动机本体在结构上和同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他 启动装置。其定子绕组一般制成多相，转子由永久磁钢按一定对数组成。图 第2 章位置伺服控制系统的设计 2 3 中的电动机本体为三相两极。三相定子绕组分5 ；i i 与电子开关线路中相应 的功率开关器件相连接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁 钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感 器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕 组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相，因 而起到了机械换向器的换向作用。 交流永磁何服电机在控制过程中使电动机的定子反电势和电流波形为 正弦波，相当于传统的永磁同步电动机，只要控制电机定子电流三相对称， 且定子合成磁势与转子磁极的轴线相差9 0 度，就可以产生电磁转矩拖动转 子旋转i i 。 功率开关 图2 3 交流永磁伺服电机的工作原理示意图 2 2 3 位置传感器1 2 l 现代高精度伺服控制系统的要求越来越高，高性能伺服电动机、控制器 以及高性能传感器等都是伺服系统不可缺少的组成都分，特别是高精度、高 速的传感器是伺服系统的关键技术。缝纫机伺服控制系统对速度和定位的精 度要求较高，因此相应地要求位置传感器具有较高的分辨率。位置传感器不 1 4 中山大学硕士学位论文 仅要完成系统的位置检测，同时还要实现电动机速度测量与转子磁极位置检 测。 目前，交流伺服系统常用的位置传感器有光电式、电磁式等，现将它们 的特点概述如下： 1 1 光电编码器 光电编码器的特点是数据处理电路简单。因为是数字信号，所以噪声容 限较大。容易实现高分辨率，检测精度高。其缺点是不耐冲击及振动，容易 受温度变化影响，适应环境能力较差。为了适应交流伺服电动机控制的需要， 在编码器的圆盘上，刻出用于检测磁极位置的缝隙，增加光电编码器的功能。 如果把增量脉冲进行u f ( 电压频率) 转换，则可以取出电动机的速度信号， 同时作速度传感器用。按脉冲与对应位置( 角度) 的关系，光电编码器通常分 为增量式光电编码器、绝对式光电编码器以及将上述两者结合为一体的混合 式光电编码器三类。 2 ) 磁编码器 随着磁性材料和磁阻元件的发展，在机电一体化产品的实际应用中，开 发出各种类型的磁性编码器，有电磁解调型、霍尔元件型、半导体磁阻效应 型、强磁体磁阻效应型等。磁性编码器与光电编码器相比较具有突出的优点 是：适应环境能力强，耐高温、耐油污、功耗低、传感器结构简单、体积小、 成本低、坚固耐用、响应速度快、非常适用于在高速旋转运动中检测电动机 的速度和位置。目前高分辨率的磁性编码器被广泛应用于精密机械设备的旋 转量( 位置、速度、角度等) 的检测，对提高电机伺服系统的定位精度，提高 系统性能有重要意义。 3 1 旋转变压器 其特点是本身结构坚固耐用，不怕振动冲击，可在高温下工作。具有很 强的适应环境能力。可以通过控制电路较容易改变分辨率。其缺点是信号处 第2 章位置伺服控制系统的设计 1 5 理电路复杂，温度特性不好。可以作为磁极位置、电动机速度和系统位置检 测用。 本文所设计的位置伺服系统，采用磁性编码器作为位置传感器，来完成 电机的位置及速度检测。磁性编码器由磁阻传感器探头、充磁磁鼓、信号处 理电路和机械结构组成。将磁鼓刻录成等间距的小磁极，磁极被磁化后，旋 转时产生周期分布的空间漏磁场。磁传感器探头通过磁电阻效应将变化着的 磁场信号转化为电阻阻值的变化，在外加电势的作用下，变化的电阻值转化 成电压的变化，经过后续信号处理电路的处理，模拟的电压信号转化成计算 机可以识别的数字信号，实现磁旋转编码器的编码功能l ”1 。 磁性编码器通常分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器对转子任何位 置均可给出唯一的数字信号，即使是停止时亦可提供所需的位置信号。增量 式编码器是根据轴所转过的角度，输出一系列脉冲，位置信号通过相对初始 位置进行脉冲计数而获得，在静止时不能提供位置信号，因而绝对式编码器 比增量式编码器要贵许多i l o 。本系统采用的是增量式磁性编码器。 2 3 交流永磁伺服电机的数学模型 耋 = 臣； 1 + 考兰墨 鲁巴 + 医 c z t ， 1 6中山大学硕士学位论文 其中，、u b 、q 是定子绕组三相电压；、是定子绕组三相电 流；吒、e b 、p c 是定子绕组三相电动势；工是每相绕组自感；m 是每两相绕 塞 = i ； i + 工j _ 工 m 上互 丢 i + 圣 c 2 - ， 2 3 矢量控制原理 2 4 1d q 坐标系下的交流永磁电机数学模型 在交流电动机中，定子磁场与转子磁场的空间角度不是固定不变的，它 随负载变化而变化，这会引起磁场问十分复杂的作用关系，因此不能简单地 像直流电动机那样通过调节电枢电流来控制电磁转矩。 1 9 7 1 年，德国西门子公司的f b l a s c h k e 提出矢量控制理论，使交流电机控制 理论获得质的飞跃。矢量控制的核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链 经坐标变换变到以磁链定向的两项参考坐标系( d q 坐标系) ，定子电流被分解 第2 章位置何服控制系统的设计 1 7 为相互正交的两个分量，一个与转子磁势同方向，代表定予电流的励磁分量； 一个与转子磁势方向正交，代表定子电流的转矩分量。维持定子电流的励磁 分量不变，控制转矩分量，这就相当于直流电机中维持励磁电流不变，而通 过控制电枢电流来控制电机的转矩一样，从而简化交流永磁电机的转矩控 制，能使系统具有较好的动态特性f 2 9 l 。 图2 - 4 交沉承磁电机d q 坐标系幽 交流永磁电机等效图如图2 4 所示。d q 坐标系随定子磁场同步旋转，将 矗轴固定在转予磁势y ，的方向上，q 轴为逆时针旋转方向超前d 轴9 0 度电 角度。是定子合成电流矢量，可以分解成直轴分量毛和交轴分量a 基于旋转坐标系( d - q 轴系) 中的交流永磁伺服电机定子磁链方程为 吼2 登4 - 中( 2 - 5 ) 2 式中，竹为转子永磁体产生的磁链；l ，厶为电动机的直轴、交轴主 电感；、为定子电流矢量的直轴、交轴分量。 定子电压方程为 石 p 嗍 嘶 争争 + + 嘞 中山大学硕士学位论文 式中，、“。为定予电压矢量的d 、g 轴分量；为转子角频率。 把式( 2 - 5 ) 代入式( 2 6 ) 有： 蚴2 2 一c 。l q i q ( 2 - 7 ) + l d 屯+ 妒r 交流永磁伺服电机的转矩方程为 t = p ( 少d 岛一g ) ( 2 - 8 ) 把式( 2 5 ) 代入式( 2 - 8 ) 并整理得 t = p g , i q + ( 匕一厶) 岛】 ( 2 9 ) 从上式看出，交流永磁伺服电机的转矩由两部分组成，括号内第一项是 由定子三相旋转磁场和转子永磁磁场相互作用产生的电磁转矩；第二项是由 凸极效应产生的磁阻转矩。交流永磁电机的电磁转矩基本上取决于交轴电流 和直轴电流，对转矩的控制最终可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。对 于隐极式的交流永磁电机，由于乞= 厶，转矩方程可以写为： t = r ( 2 - l o ) 因为转子是永磁体，y ，是一个不变的值，所以上式说明了只要保持定 子三相合成的电流矢量与d 轴夹角等于9 0 度时可以获得最大转矩，也就是 说三相合成的电流矢量和q 轴重合时转矩最大。此时，转矩只与电枢电流的 幅值成正比。只要在逆变器中控制好定子电流的幅值，就会得到满意的转矩 控制特性。 2 4 2 矢量控制的实现方法 交流永磁电机在电动机轴上安装位置编码器，通过反馈控制定子电流的 频率和相位，只要控制定子电流矢量和转子磁势总是相差9 0 度，就能产 奶万以i 0 厶 卜 + 哺 啊 第2 章位置伺服控制系统的设计 生恒定的转矩，实现矢量控制。 与转子同轴的转子位置传感器测得的转子位置角a ，经过正弦表后变换 成三个互差1 2 0 度位置角的正弦信号： 疋= s i n 五 s = s i i ：i ( 五一1 2 0 。)( 2 - l1 ) = s i n ( a 一2 4 0 9 ) 这三个位置正弦信号经过计算环节后到p w m 逆变器控制系统，去控 制定子三相对称绕组的电流，并使其合成电流矢量位于吁轴，则定子三相 电流瞬时值的表达式应为： = 一i t s d = - l s i n _ , = 一t 墨= l s i n ( 2 1 2 0 )( 2 - 1 2 ) t = 一最= 一l s i n ( 五一2 4 0 。) 式中，为定子电流幅值。 由空河矢量定义可知，三相定子合成电流矢量为 i | = + + c = 昙“蚶( 2 - 1 3 ) 电流矢量的幅值为定子单相电流幅值的1 5 倍，方向超前d 轴9 0 0 电角 度，旋转角速度为0 , 。 因此，由转矩方程式( 2 - i o ) 得到交流永磁伺服电动机电磁转矩为 t = 戛哕f l3=kl(2-14) 式中，以= 昙a 吩为与电动机结构有关的比例系数。 由此可见，采用矢量控制方法的交流永磁电机的转矩严格地与电流幅值 成正比，控制转矩的大小实际上就落实到控制定子电流幅值的大小有此转 中山大学硕士学位论文 矩后，电动机就会以角速度旋转，定子角度丑值增加，相应的定子电流值 以角频率c 0 作正弦变化，始终保持定子合成电流矢量与转子相差9 0 。电角度， 系统正常运行。电动机运行时，根据转子位置信号，和电机转向，超前或滞 后转子位置9 0 。进行电流换相，就能实现交流永磁伺服电动机的矢量控制。 定子电流矢量超前转子位置9 0 。换相时电机正转；定子电流矢量滞后转子位 置9 0 。换相时电机反转；电机正转时，滞后9 0 。换相则转矩为负值，此时为制 动转矩，电机减速。 交流永磁电机位置伺服控制系统，在高速运行时，通过定子绕组的实 际电流的相位与理论电流相位并不一致，从而导致交流永磁电机在高速运行 时产生位置误差，影响伺服系统的动态性能和精度。因此，在实际控制过程 中，应根据位置传感器测得的速度适当改变相电流超前角的大小，转速越大， 换相角度口在9 0 。基础上有所增加，从而保证交流永磁伺服电机的运行效率 和精度。 2 5 交流永磁伺服电机的弱磁控制 随着稀土永磁材料的发展，高性能的永磁材料应用到电机中，使得永 磁电机的抗去磁能力增强，微电机的高速弱磁运行提供了可能性。交流永磁 伺服电机弱磁控制的基本思想是利用电机直轴电枢反应，使电机的气隙磁场 减弱，达到等效于直接减弱励磁磁场的控制效果【1 4 l 。 交流永磁伺服电机在基速以下运行时，电机的反电势与转速呈正比， 基速或基速以上运行时，电机电枢端电压已达到最大值，为使电动机能恒功 率运行于更高的转速，应降低电动机的励磁电流，以保证电压的平衡。为了 尽可能的提高永磁电机的恒功率速度范围，并在恒功率区实现速度可调，需 要从电机设计i ”1 和电机控制两个方面着手解决。由于永磁电机的励磁磁动势 第2 章位置何服控制系统的设计 是由永磁体产生而无法调节，只有通过调节定子电流，印增加定子直轴去磁 电流分量来达刘弱磁增速的目的，从而拓宽交流永磁伺服电机的调速范围。 交流永磁伺服电机运行时，通过增加定子电流超前角，可以减少与永 磁磁场交链的定子导体匝数，从而减小了与永磁磁场交链的定子绕组磁链， 实现等效弱磁。 弱磁增速的过程实际上就是保持线电压不变的情况下，减低输出转矩的 过程，也就是调节交轴电流分量和直轴电流分量的分配关系，即调节电流超 前角，如图2 5 所示。图2 - 6 为线电压一定时，电流超前角与转速的关系曲 线，超前角为o 时对应定子三相电流合成矢量与转子位置正交，从图中可以 看出，随着电流超前角的增大，电机转速继续上升，从而可以达到弱磁增速 的目的，使电机得到更宽的调速范围。 图2 - 5 弱磁控制电流矢量图 图2 - 6 弱磁控制时电流超前角与 转速关系曲线 实际应用时，基速以下控制定子电流矢量d 轴分量为o ，可以更有效 的产生转矩，电磁转矩随着定子电流幅值变化而变化。基速以上时，通过调 节定子电流d 轴分量 义：7 图2 - 8 三相正弦电压调制波 设直流测电压为易。三相对称电压分别为u 。，u c ，当调制度最大 时，幅值为2 ，三相电压分别为： 以a b 相的线电压为例： u a = e z 4 s i n 耐 = 鲁s i n ( c o t + 争( 2 - 1 5 ) 玑= 譬咖( 研一扣 第2 章位置伺服控制系统的设计 = s i n o , t 一蛳耐一；硼 = - 譬 s i n 【一j i 万) + 扣一咖脚一j 1 石) 一扣】( 2 - 1 6 ) = 一孚c o 娜扣 可见，任意两相线电压成正弦分布，调制度最大时，输出线电压幅值 为易，即直流电压利用率仅为o 8 6 6 。这个直流电压利用率是比较低的， 其原因是正弦波调制信号的幅值不能超过三角波幅值。实际电路工作时，考 虑到功率器件的开通和关断都需要时间，如不采取其他措旋，调制度不可能 达到最大值，实际能得到的直流电压利用率比0 0 8 6 还要低。 一般的s p w m 控制方法，是对三相输出相电压分别进行控制的。这里 所说的相电压是指逆变电路各输出端相对于直流电源中点的电压实际上的 负载常常没有中点，即使有中点一般也不和直流电源中点相连接，因此对负 载所提供的电压实际上是线电压。只要适当的移动三相相电压调制信号，同 时保证线电压仍为正弦波，一就可以提高线电压幅值从而提高直流电压利用 率。 调整后的三相电压调制波如下： 0 一州3 ： # 3 2 , , 3 ： = 譬【2 c o 耐一州3 ) - 1 l乩= 等 = 等【2 c o 耐一州3 ) 一1 l乩= 詈 一譬 = - 2 c o s ( a , t x 3 ) + l 】 = 譬( 2 c o s 研- 1 )u c = 手【2 c o s ( 耐+ 衫3 ) + l 】 中山大学硕士学位论文 2 l r 3 一万： 1 7 叽= 睾 - 2 c o s ( t + h i 3 ) - 1 u b - 譬( - 2 c o s t o t - 1 ) 一譬 4 n 3 5 茌i 3 ： 乩= 一互2 = 争勘s ( 耐一, r 3 ) 叫 = 争2 c o s ( 叭相- 1 】 万一4 ，r 3 ： u 月= 睾【2 c o s ( 删一万3 ) + 1 】 ：冬 2 椰 = 睾( 2 c o s c o t + 1 ) s 行i 3 2 7 r f 乩= 睾 - 2 c o s ( c o t + z 3 ) + 1 f = 睾( - 2 c o s t a t + 1 ) = 譬 调整后的三相电压调制波波形如图2 - 9 ( a ) 中所示，可见，调整后的相电 压加入了基波以外的多次谐波。图2 - 9 ( b ) 给出了调整之前和调整之后的线电 压波形，调整之后的线电压波形仍为正弦波，这是由于在合成线电压时，各 相电压中除基波以外的其他谐波互相抵消了。线电压幅值最大可达到易， 与一般的s p w m 方法相比提高了1 6 左右。可见，利用电平移动的方法改进 的s p w m 调制方法可以在相同的调制比条件下，提高直流侧电压的利用率。 巧只 一玩 k 了f f 一 x 7 图2 - 9 ( a ) 相电压波形 一e d 确。 燃7 图2 - 9 ( b ) 线电压波形 形 第2 章位置何服控制系统的设计 2 7 转子初始位置的检测 交流永磁伺服电机控制系统采用矢量控制方式驱动三相逆变电路，矢量 控制的前提是必须获得准确的电机转子初始位置啪】。电机的初始位置不仅 影响伺服系统的定位精度，而且会对电机的启动性能造成一定的影响。因此 在电机每次启动之前，必须首先测量转子的初始位置。采用增量式磁编码器 测量电机位置的伺服系统，在电机启动时，普遍存在无法准确测量出电机转 轴初始位置的问题f 1 6 。针对电机初始定位的问题，已有大量文献进行了研究， 如文献【1 7 】提出了一种在任何负载条件下的初始定位方法，但控制方法较为 复杂。本文针对增量式编码器的伺服系统，设计了一种电机初始位置的确定 方法，可以较快速且精确地检测出电机初始位置。 图2 1 0 转子初始位置检测 交流永磁伺服电机的转子为永磁体，磁势方向与转子位置重合。电机定 子通过三相对称的正弦电流，通过控制定子电流的相位，可以得到一个任意 角度的定子合成磁势，如图2 1 0 所示。由矢量控制原理可知，当定子合成 磁势与转子磁势方向不重合时，对转子产生转矩，当电磁转矩大于负载转矩 时，转子就有可能发生转动；当定子合成磁势与转子磁势方向重合时，不产 生转矩，转子不发生转动。这就是测量转子初始位置的主要依据。 转子初始位置检溅过程中，系统电流环处于工作状态，速度环处于开环 中山大学硕士学位论文 状态。整个检测过程分为两个步骤： 1 1 粗测：初步确定转子磁极所在的电角度区间。 2 1 精测：在所判定的电角度区间内进一步确定转子的精确位置。 在粗测过程中，将整个电角度空间分为六个区间，每个区间对应6 0 。电 角度，如图2 1 l 所示。每6 0 。发一个测试向量，使定子电流合成磁势的轴线 分别与六个电角度位置重合，利用增量式