（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的交流永磁同步伺服控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t a cp e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) s e r v os y s t e mi s w i d e l yu s e di na e r o s p a c ev e h i c l e s ，w a ri n d u s t r yw e a p o ns y s t e m s ，n u m e r i c a l c o n t r o lm a c h i n et o o l s ，t e x t i l em a c h i n e s ，e l e v a t o r sa n di n f o r m a t i o ns y s t e m s a sa c t u a t o r s ，b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g e so fs i m p l ec o n t r o l ，l o wi n e r t i a ，r a p i d r e s p o n s e ，h i g hp o w e rd e n s i t y ，h i g he f f i c i e n c y ，l o wc o s t ，e t c t h ed e v e l o p i n gh i s t o r yo fp m s mi ss u m m a r i z e di nt h e p a p e r ，a n d p m s mm a t h e m a t i c a lm o d e li s p r o p o s e d t h e nt h ep r i n c i p l eo fv e c t o r c o n t r o l ，w h i c hi sm o s tw i d e l yu t i l i z e di nm o t o rc o n t r o l ，a n di t sc r u c i a l i m p l e m e n t a lm e t h o da r ei n t r o d u c e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h i s ，t h ec o n t r o l s t r u c t u r eo fa cs e r v os y s t e mi sd i s c u s s e d ，t w od e g r e e so ff r e e d o mp i di s i n t r o d u c e di n t os p e e dc o n t r o ll o o p i m p l e m e n tb o t ho p t i m i z a t i o nc o n t r o lo f p m s ms e r v os y s t e mt r a c k i n ga n da n t i i n t e r f e r e n c e ，i m p r o v ep m s mt o r q u e r i p p l ea tl o ws p e e d t h ev a l i d i t yi sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n s e c o n d l y ，d e s c r i b ee x h a u s t i v e l yt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2 b a s e da cp m s ms e r v os y s t e m ，i n c l u d i n gc o n t r o lm o d u l e ，m a i nc i r c u i ta n d d r i v i n gm o d u l e ，p r e s e n td e s i g ns c h e m ea n dd e s i g nm e t h o d m e a n w h i l e p r e s e n ts o f t w a r ed e s i g ni d e ao fs e r v os y s t e m ，c o m p l e t et h em a i np r o g r a m a n de a c hm o d u l ep r o g r a m d e s i g nap a r t i c u l a rw a yt od e t e r m i n et h ep m s m r o t o ri n i t i a lp o s i t i o nb a s e do nc h a r a c t e r so ft h es e l e c t e dc o d e r f i n a l l y ，a c h i e v ea l lt h es y s t e m ，s i m u l a t ea n dt e s t a n a l y z ea n dr e a s o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h i c ht e s t i f i e dt h a tt h ed e s i g no fs e r v os y s t e m s a t i s f i e dr e q u i r e m e n t sw e l l l a yag o o df o u n d a t i o nf o ra d v a n c er e s e a r c h k e yw o r d s ：p m s m ；t o wd e g r e e s l o c a t i o n ；t m $ 3 2 0 f 2 812 ； o ff r e e d o mp i d ；r o t o ri n i t i a l s p a c ev e c t o rc o n t r o l 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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，允许 论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名麟杳 日期：俨9 7 占，- 指导老师签名： 日期： 驴 夕i ， g f 文 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究 工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，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。对本文的研究做出贡献的 个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 本文将二自由度p i d 控制器应用于交流永磁同步电机的速度环 控制中，讨论了二自由度p i d 控制器的设计与数字化实现，并通过仿真 试验，结果表明：二自由度p i d 控制方法在交流永磁同步电机的速度环 控制中具有良好的“目标值跟踪特性 和“抗扰动性能”。 ( 2 ) 通过实验方法对所控制的永磁同步电机自带编码器的编码进行 解码，通过编写程序实现对该编码器中转子初始位置信号进行读取，解 决永磁同步电机启动时转子初始位置确定问题。 序一 州n 献伊 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第l 章绪论 1 1 伺服系统发展概况 “伺服 一词系英文“s e f v o ”的音译，源于拉丁语s e r v u s ，意为奴隶、 仆人。取其绝对服从命令之意，引申到现代技术领域的运动控制中即为执行 机构能按照控制器发出的控制指令，准确无误地实现运动过程。一般来说， 伺服系统是以被驱动机构的位置、速度、加速度等变量为控制量，使之能随 指令值的变化进行追踪的控制系统【l 】。 纵观伺服控制系统的发展史，我们可以看到伺服控制大致经历以下各个 阶段：在电动机被发明之前，最早期的伺服系统采用压缩空气作为动力，18 8 6 年发明的鱼雷是一种能以贮气筒中的压缩空气为动力实现水深控制和方向控 制伺服系统。电动机的出现使伺服系统进入了_ 个崭新的时代，这一时期出 现了步进电机及步进电机驱动液压伺服马达的电液传动等驱动方式，伺服系 统的位置控制多为开环控制。相对于之前的气动伺服，系统具有响应时间短， 外形小等优点，但其同时存在灵活性差、工艺要求高、维护费用高等不足。 进入2 0 世纪6 0 年代，以直流电机为核心的电气伺服逐步取代电液传动。直 流伺服系统兼具控制灵活，体积小、重量轻等优点，加上相关理论的成熟和 随之出现的大功率电力电子器件的应用，使直流伺服在伺服系统控制领域占 据统治地位。伺服系统的位置控制也由开环系统发展为闭环系统。此时，无 刷电机和直流电机实现产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广 泛的应用。7 0 年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。但是，随着现 代工业的快速发展，人们对伺服系统的要求也日益提高，直流伺服的固有缺 点，如电机碳刷及换向器易磨损、体积庞大、结构复杂、成本高、响应速度 慢、对现场环境适应能力差等，日益不能被人们忍受。各国学者将研究焦点 对准到了曾被认为是“难于控制”的交流电机上来。2 0 世纪8 0 年代以来， 伴随着微电子技术、计算机技术、传感检测技术、永磁材料及电机控制理论 等一系列相关技术的发展，使交流伺服控制技术有了长足的发展，已具备了 调速范围宽、稳定性能高、动态响应快等优良性能，并逐步取代直流伺服系 统f l 】【2 】【3 】。 目前已出现的交流伺服系统主要包括无刷直流电机伺服系统，交流感应 电机伺服系统和交流永磁同步电机伺服系统。其中，感应式异步电动机交流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有 很好的发展前景，代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换 控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行 时还存在着效率低，发热严重等有待克服的技术问题，目前并未得到普遍应 用。而永磁同步电机由于采用高能永磁体，具有低惯量、快响应、高功率密 度、高效率、低损耗等优点，已逐步成为高精度、微进给伺服系统的最佳执 行机构之一。综合伺服系统发展的经历和当前的现状，我们可以预期，高性 能、全数字化、微型化、智能化势必成为今后交流伺服系统发展的趋势。新 型永磁材料的研制，电机结构的改善，高性能传感器的研制，数字信号处理 技术的发展等将为伺服系统的发展提供坚实的物质保证；电机及电磁理论的 进一步研究、现代控制理论的进一步发展应用及软件工程的不断进步将为伺 服系统的发展提供可靠的理论支撑。 就控制理论而言，各国的研究人员针对交流永磁同步电机的控制策略进 行了深入的研究，取得了众多可喜的成果。国立台湾大学刘天华等最早将鲁 棒控制理论引入永磁同步伺服驱动中，为解决参数摄动及模型不确定性对电 机运行的影响发挥重要作用【4 】。自适应控制技术的引入改善了伺服系统运行 条件发生变化时控制系统的性能【5 1 。滑模变结构以其独特的“切换”控制方 式使电机控制系统具有良好的鲁棒性。近年来，随着人工智能技术的发展， 智能控制已成为现代控制领域中一个重要分支，智能控制技术在伺服系统中 的应用也已经初具成效，专家系统、模糊控制、神经网络控制等方法已逐步 被人们应用于电机控制系统中。 虽然，众多先进的控制策略不断地被引入到伺服控制系统中，但大多都 只停留于仿真与实验阶段。在实际应用中，这些先进的控制方法的实现存在 各种障碍。鲁棒控制能解决参数摄动和模型不确定性等问题，但由于其设计 方法复杂而不易掌握限制了其广泛应用；而且，设计出来鲁棒控制器大多阶 数较高，运算量巨大，对实际处理器运算速度要求也非常之高，如果采用的 处理器运算速度达不到要求，则将严重影响系统的响应速度和性能。自适应 算法要求系统要实时检测被控对象的各个参数，势必增加系统的复杂程度， 提高系统成本，降低系统可靠性。而滑模变结构方法中的切换边界问题一直 是该控制方法中所要解决的主要问题。因此，对伺服系统控制策略的研究与 完善一直以来都是这一领域中最为关键、最为重要的任务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 p i d 控制，这种早在上世纪3 0 年代末就已出现的经典控制方法【8 】。p i d 控制原理简单，使用方便，适应性、鲁棒性强，且可根据不同的需要针对自 身的缺陷进行改进，并已形成了一套完整的参数设计和参数整定方法。所有 这些优点使它具有顽强的生命力，仍然是当前伺服控制系统中应用最为广泛 的控制方式。在实际工业生产应用中，根据特定控制对象的特性要求，衍生 出来了多种新型的p i d 控制器，如自适应p i d 、模糊p i d 、预测p i d 等等。 这些新型的p i d 控制方法继承了传统p i d 的多数优点，在实际应用中发挥着 重要的作用。 传统的p i d 控制，由于其只能设定一种控制参数，又称为一自由度p i d 控制。在控制系统中，通常存在两种最佳的控制参数，一种是使“目标跟随 性能”为最佳的控制参数，另一种是使“外扰抑制特性”为最佳的参数。而 在这种一自由度p i d 控制中，p i d 参数的调整是兼顾“外扰抑制特性”和“目 标跟随性能”的折中处理，这样的结果使所得的控制系统得不到理想的控制 特性。为克服这一缺点，本文将二自由度p i d 控制器引入交流伺服电机的控 制中，在交流永磁同步电机控制的速度环上加入二自由度p i d 控制器，使系 统的速度动态响应同时具有良好的“目标值跟随性 和“外扰抑制特性”，实 现交流永磁同步伺服系统的跟踪和抗扰的双优控制【m 1 1 】【8 】。 1 2 国内外的发展现状 我国的伺服技术开始于上世纪七十年代，主要集中在高等院校和科研单 位，如北京机床所、西安微电机研究所，中科院沈阳自动化研究所等，产品 主要以军工及航天卫星为主。改革开放后，随着工业发展，国内对伺服系统 的需求不断增加，在国际品牌大批进入中国市场的同时，也同时出现了一批 自主品牌，如华中数控、广数、森创、南京埃斯顿、兰州电机厂等。但同国 际大品牌的产品相比，国内的伺服系统不管从产品性能还是产品可靠性上都 还存在相当大的差距。国外大公司都已推出多种先进控制技术的高性能数字 交流伺服产品，而国内的众多厂家还大都停留在初级的电机控制阶段，远远 达不到高性能水平。目前，国外品牌占据了中国交流伺服市场8 5 左右的份 额，日本的品牌有安川、发那克( f a n u c ) 、三菱电机、松下、三洋、富士等； 美国有罗克维尔( r o c k w e l la u t o m a t i o n ) 、达那赫( d a n a h e r ) 、帕克( p a r k e r ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 等；德国有西门子( s i e m e n s ) 、博世力士乐( b o s c hr e ) 【r o m ) 、施奈德( s c h n e i d e r ) 等。作为一个经济飞速发展的新兴制造工业大国，研制拥有自主知识产权、 自主品牌、且具有国际先进水平的高性能交流伺服系统，对促进我国工业自 动化发展，打破国外大公司品牌垄断及对国防科技领域的发展具有非常重要 的战略意义。 1 3 本课题研究的目的与完成的工作 课题研究目的 本设计旨在学习研究交流伺服系统的设计，在了解永磁同步电机结构特 点和数学模型的基础上，深入研究基于空间矢量的脉宽调制技术( s v p w m ) 及其全数字化软件实现。并通过系统学习t i 公司推出的d s pt m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的结构原理及其外围电路设计方法，和电力电子整流一逆变控制技术，完成 基于刑s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的全数字永磁交流伺服系统的开发，在此基础上进一步 进行新型控制算法的引入，并对该系统进行试验与测试。 课题完成的主要工作 ( 1 ) 分析永磁同步电机数学模型及其矢量控制方法； ( 2 ) 通过系统学习t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的结构与原理，设计完成伺服系统的 控制器； ( 3 ) 通过对设计要求的分析及被控伺服电机的特性，设计出驱动电路； ( 4 ) 设计出基于t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 的全数字交流永磁同步伺服系统软件方 案及软件编写； ( 5 ) 进一步引入二自由度p i d 策略，利用m a t l a b 仿真软件对永磁同 步电机的二自由度p i d 控制进行研究； ( 6 ) 完成样机制作与调试，并对实验结果进行分析。 本文的主要内容 在文章的第二章分析了永磁同步电机的结构和原理，建立基于d q 坐标 系的永磁同步电机数学模型。在此基础上进一步介绍了永磁同步电机控制中 应用最为广泛的磁场定向矢量控制技术，并完成空间矢量脉宽调制的数字化 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 实现，为进一步在数字信号处理器中实现奠定基础。 ， 第三章详细介绍了永磁同步伺服系统控制器的设计。根据伺服系统常用 的三环控制结构，分别介绍了电流环、速度环以及位置环控制器设计及其调 节方法。重点介绍了速度环控制器设计，在速度环控制引入二自由度p i d 控 制方法，给出了二自由度p i d 控制器的设计方法及其控制器的数字化实现方 法。 第四章介绍了基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的全数字永磁同步伺服控制器的 设计。详细分析了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系统资源的配置。重点讨论了伺服驱动器 主电路设计方法和各功能模块( 包括a d 采样电路、编码器脉冲调理电路、 硬件保护电路和各种接口电路) 的硬件电路设计。 第五章给出了伺服系统软件设计。对软件结构及各部分模块进行详细介 绍。并解决了永磁伺服电机转子初始定位问题。 第六章给出了系统在采用速度环二自由度p i d 控制方式下的仿真结果， 与传统的p i 控制结果做对比，进行简要分析。并给出了伺服系统调试及实验 结果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章永磁同步电机的控制理论 2 1 交流永磁同步电机结构及数学模型 2 1 1 交流永磁同步电机结构 永磁同步电机的发展得益于近十年来永磁材料和电力电子技术的发展， 以及驱动控制技术的进步。稀土永磁材料的出现与生产技术的不断进步对永 磁电机的发展和流行起到强有力的推动作用。 永磁同步电机按磁通分布的不同，可以分为正弦波电流驱动的永磁同步 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 , 简称p m s m ) 和方波电流驱动的 永磁同步电机( b r u s h l e s sd cm o t o r , n j 无刷直流电机，简称b l d c m ) 。这两 种电机由于电机转子磁钢形状设计的不同，使它们的转子磁场在空间的分布 不同，因此，转子旋转产生的反电动势波形也不同。两者的区别在于：正弦 波电流驱动的永磁同步电机具有正弦波的反电动势波形，而方波电流驱动永 磁同步电机具有梯形波的反电动势波形。本文研究的对象为正弦波电流驱动 的永磁同步电机( p m s m ) ，因此，下面将对正弦波永磁同步电机( p m s m ) 的结构进行分析。 正弦波永磁同步电机( p m s m ) 定子由三相绕组以及铁心构成，且电枢 绕组常以y 型连接；在转子结构上，p m s m 采用永磁体取代电励磁，从而省 去了励磁线圈、滑环和电刷。p m s m 是由绕线式同步电动机发展而来的，其 结构与绕线式同步电动机基本相同，而且还具有效率高、结构简单、易于控 制、性能优良等优点。p m s m 的结构【9 】如图2 1 所示。 1 编码器2 永磁体3 电枢铁心牟电枢三相绕组5 输出轴 图2 一l 正弦波永磁同步电机结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 从转子的结构看，p m s m 分可以分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式【9 j ， 如图2 2 所示。前两种形式又统称为表面安装永磁式s p m ( s u r f a c ep e r m a n e n t m a g n e t ) ，这种结构可使转子做得直径小、惯量低，特别是将永磁体直接粘 接在转轴上，还可以获得低电感，有利于改善动态性能。正因为如此，很多 交流永磁同步电动机都采用这种表装式结构。内埋永磁式i p m ( i n t e r i o r p e r m a n e n tm a g n e t ) 转子结构是将永磁体埋装在转子铁心内部，每个永磁体 都被铁心所包容。采用这种结构的电机机械强度高，磁路气隙小，所以与表 装式转子相比，更适用于弱磁运行。 凸篱甍奔鬟笋子 嵌入式永磁转子内埋式永磁转子 图2 2 永磁同步电机转子结构形式 2 1 2 交流永磁同步伺服系统的d - q 坐标系模型 与普通电励磁三相同步电动机相比，正弦波永磁同步电机除了将转子线 圈用永磁体替代外，其定子结构与普通电励磁三相同步电动机是类似的。如 果永磁体产生的感应电动势与励磁线圈产生的感应电动势一样为正弦的，那 么永磁同步电机的数学模型也就与电励磁同步电机基本相同。根据电机统一 理论阳1 ，我们假设： ( 1 ) 忽略永磁同步电机中的铁心饱和； ( 2 ) 不计涡流和磁滞损耗； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组，且永磁体也没有阻尼作用，无齿槽效应； ( 4 ) 气隙磁通密度在空间按正弦分布，即感应电动势( 反电动势) 是正弦 的； ( 5 ) 电机转子永磁体采用表面安装式，交直轴电抗相等，r j l d = l 口。 永磁同步电机三相定子交流电的主要作用是产生一个旋转的磁场，从这 个角度来看，我们可以用一个两相系统来等效，因为两相相位正交对称绕组 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 通以两相相位差为9 0 。的交流电时也能产生旋转磁场。在永磁同步电动机中， 建立固定于转子的参考坐标，取磁极轴线为d 轴，顺着旋转方向超前9 0 。电角 度为q 轴，以a 相绕组轴线为参考轴线，d 轴与参考轴线之间的电角度为d ，坐 标图如图2 3 所示 c t 可冷 一一 埘嬲乙 图2 3 永磁同步电机d q 坐标下等效结构图 图中d s 为a 相绕组轴线，p 为电机定子三相电流合成空间矢量0 和永磁体 励磁磁轴线( 瑚) 之间的夹角，又称转矩角。p 为瑚轴线与u 相绕组轴线 之间的夹角。 可以导出，在转子同步旋转坐标系d - q 下的数学模型可表示为： 定子电压方程： 定子磁链方程： 瞄y q = g 囊一 ( 2 2 ) 厶 g ， 州 州 盟衍盟出 0 0 足 r = = 砌 鳓 二一 亘查窒望盔堂塑主塑窒竺堂竺迨窒 篁2 里 由式( 2 一1 ) 和式( 2 2 ) 可得： 式中 o 一d 、g 轴下定子电流； 蚴、一d 、g 轴下定子电压； r 一绕组等效电阻； 则由方程式( 2 3 ) 可以推出， 所示： 足 厶 岛、乞一等效电感； q 一转子电角速度； y ，一转子永磁磁链； p m s m 在d g 轴坐标系下的等效电路如图2 4 图2 4 永磁同步电机d q 坐标系下等效电路 电机输出的电磁转矩可根据下式求得： 2 一 乙= 号p ，+ ( 乞一厶) 屯毛 ( 2 4 ) 电机的机械运动方程为： ，警= t e mn b o o - 乃 ( 2 - 5 ) 式中 c o = p c o r ；曰一为粘滞摩擦系数； p 一电机磁极对数； 乙一电磁转矩； 乃负载转矩；，一转动惯量； 在转子参考坐标系中，若取d 轴的反方向为虚轴，取g 轴为实轴，则在 这个复平面内，可将定子电流空间向量0 表示为 2 岛了白 ( 2 6 ) 厶与d 轴间角度为卢，于是有： 0 ，o 鹕 以 哪 盟出q出 0 0 足 髟 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 ( 2 7 ) 代入( 2 4 ) 得： t e r a - - p l 嵋s i n 3 + 丢( 厶一乞) 彭s i l l 2 卢l ( 2 8 ) 卢角实质上是定子三相合成旋转磁通势轴线与永磁体励磁磁场轴线间的 角度。在上式中，括弧内第一项为由两个磁场相互作用产生的电磁转矩；括 弧内第二项为由凸极效应引起的磁阻转矩，与两轴电感参数的差值成正比。 对于表装式永磁同步电机，厶= 厶，无凸极效应，则电磁转矩可进一步简化 为： 乙= 厂瓦s i n f l ( 2 9 ) 2 2 交流永磁同步电机空间矢量控制 1 9 7 1 年，德国西门子公司的b l a s c h k e 提出了交流电动机的矢量控制理论， 它是电机控制理论的第一次质的飞跃，解决了交流电机调速问题，使得交流 电机的控制跟直流电机控制一样方便可行，并且可以获得与直流调速系统相 媲美的动态性能。交流电机的矢量控制基本思想是在普通的三相交流电动机 上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分 解成产生磁通的励磁电流分量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。交流电机的矢量控制使转矩和磁通的 控制实现解耦【1 0 】。 不久，矢量控制的原理和方法被引用到永磁电动机上。人们发现，矢量 控制在永磁电机中更容易实现。而且，由于永磁电机中不存在像感应电机中 那样的转差频率，所以电机运行对参数的敏感性问题也就不那么突出和严重。 对于永磁同步电机的控制，通常有两种控制方式。一种是针对电流控制 的滞环控制，另一种是采用电压控制。前者控制方式响应速度快，主要用在 模拟控制中；后者电压控制的理论基础是空间矢量p w m 控制，采用恒定的 开关频率，适用于现代高速数字信号处理器控制。 唧娜 7， i l = 00 ，j、【 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 1 矢量控制原理 矢量控制实际上是对电机定子电流矢量相位和幅值控制，其目的是为了 改善转矩控制性能f 1 3 】。由转矩表达式( 2 8 ) 可以看到，当永磁体的励磁磁链 和交、直轴电感确定后，电机的转矩便取决于定子电流的空间矢量厶，而 可以分解成d g 轴上的矢量屯、，也就是说，我们通过控制o 便可以实 现对电机转矩的控制。 根据永磁同步电机的用途不同，电机的矢量控制方法也各有区别。矢量 控制的方法主要有：= 0 控制、最大转矩电流比控制、c o s t p = 1 控制、恒磁 链控制、弱磁控制等。各种控制方法都有不同的优缺点，在实际应用中可根 据需求进行选择【9 11 1 1 。 图2 5 为采用转子参考坐标表示的p m s m 空间矢量图f 1 3 】【】。其中，豇为 永磁体产生的空间正弦分布的磁通势所等效的励磁电流矢量，厶为定子电流 矢量，卢为永磁体产生的正弦磁场与定子电流矢量蟊产生的旋转磁场场间的 空间角度，也就是电流空间相量厶在d q 轴坐标中的空间相位角。因此，只 要确定了o 的值，厶的幅值及卢角也就确定了。 图2 5 转子参考坐标下永磁同步电机空间矢量图 由上图可看出，跏分量对永磁体有增、去磁作用，通过调节可以改 变电机的控制方式。在恒功率运行时，为了得到更高的转速，而不使电机定 子端电压超过极限电压，可以采用调节易分量进行弱磁控制。 一种特殊的情况，当卢= 9 0 。时，屯= 0 ，电磁转矩与如成正比，电枢反应 磁场与永磁体励磁磁场正交，此时的控制方式称为“磁场定向 控制【1 6 1 。对 于表装式永磁同步电机而言，这种控制方式下，单位定子电流可获得最大的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 转矩，使铜耗降低、效率提高，实现对直流电动机的严格模拟。因此，在高 性能伺服驱动系统中，2 0 k w 以下的电机几乎都采用这种屯= 0 的“磁场定 向 控制方式。本系统也采用屯= 0 的“磁场定向 控制方式。 图2 6 给出了永磁同步电机屯= 0 控制系统原理图： 。玩0 图2 6 永磁同步电机= 0 控制系统原理图 易= 0 转子磁链定向矢量控制方法n 1 1 是一个速度和电流双闭环系统。电机 控制系统中，我们能检测到的实际电流值为电机定子的三相交流电流 0 i 衫、，。在这种控制方式下，我们要将这三个量作为控制器的反馈量来实 现对给定e 、e 的跟踪调节，则必须先进行坐标变换，通过c l a r k 变化和 p a r k 变化将其分解成在d g 轴上的、t ，如下式： 雠 兰揭捌 i ； 沼 疵p 痂p 专) 痂p 专) 剧 一一 通过位置传感器准确检测电机转子空间位置，计算得到转子速度( ，z ) 和电 角度( 9 ) 。速度调节器输出定子电流g 轴分量的参考值l q r e f ；经两个电流调节 器调节后得到的对应的空间电压矢量z 锄和；经i p a r k 变化及空间矢量 脉冲生成模块生成六路s v p w m 信号，驱动逆变器得到电机的驱动电压。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 2 2 空间矢量脉宽调制原理及数字化实现 一空阊矢量脉宽调镧( s v p w m ) 方法是先进的且计算密集型的 ( c o m p u t a t i o n i n t e n s i v e ) ，在变频驱动的所有p 删技术中可能是最好的- 变频专家博斯( b o s e ) 教授 s v p w m 是当前应用最为广泛的一种变频驱动技术。从原理上看， s v p w m 把电动机与p w m 逆变器作为一个整体，通过特定的开关触发顺序和 脉冲宽度来调整直流母线电压，使之在电机定子线圈中产生三相波形失真较 小的正弦电流，重建一个幅值恒定的圆形旋转磁场。这种技术是对开关状态 的控制，可以方便地通过微控制器来实现，因此，s v p w m 技术非常适合用 于数字化控制。理论和实践都证明，与正弦脉宽调制( s p w m ) 技术相比， s v p w m 具有更高的直流电压利用效率及更优质的输出电压n n 2 1 7 1 。 1 、定子参考电压等效转换 我们知道定子电压为电机控制的最终控制量，要实现对其的控制就必须通 过数学变换，将其转化为更易于实现的控制变量来表示。 首先，从逆变器的物理结构出发研究各电压量的关系。图2 7 所示为一种 典型的三相电压型逆变器结构。 。 图2 7 三相电源逆变结构 逆变器中六个功率开关器件( q q ) 可组合产生八种开关状态。逆变器同 一桥臂的上下开关元件在任一时刻不能同时导通。不考虑死区时，上下桥臂 的开关呈互逆状态。 、圪是逆变器的电压输出，由它们合成驱动电机的电压空间矢量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 k = 专( 圪+ e j 2 3 u v b + e j 4 s v c ) ( 2 1 1 ) 逆变桥输出的线电压矢量【吃圪圪r 、相电压矢量【圪k 圪】7 和开关变 量矢量p b c 】7 的之间的关系可以用式子( 2 一1 2 ) 和( 2 一1 3 ) 表示： 蓬 = r 三： 至 ( 2 一2 ) 囊 = 喜屹 三言； 至 c 2 一3 ， 式中：一电压源逆变器的直流母线电压。 。 开关变量矢量【口bc 】7 有八个不同的组合值( a 一6 、c 只取。或1 ) ，对应 o o o o o o o 、u o1 1 0 0 1 、【11 0 】、u i ：“0 1 0 、 u 。 0 11 、。 0 0 1 、坫。【1 0 1 、o l 。，【111 】 其中0 0 0 和1 l l 为两个零电压矢量。 在磁场定向控制算法中，控制变量是在旋转坐标系下表示的。电流参考 量给定值通过i p a 臌换后转化为( a ，卢) 坐标系下的参考电压矢量，空间矢量 脉宽调制的目的就是使逆变器输出三相电压圪、k 能合成这一参考电压 矢量。将三相电压圪、圪投影到似，户) 坐标系中，可写出关系式： - 2 l j 2 亏 1 1 三 22 o 鱼一鱼 22 ( 2 1 4 ) 由于逆变桥中，功率晶体管的开关状态的组合只有八个，则对应于 圪、在 ，p ) 坐标系中的值也只有有限种组合。对应关系如表2 一l 所列： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 表2 一l 开关状态组合与矢量对应表 cba圪形。v e c t o r o0ooo o o 001 2 v 0u o 3 d e o10 1v 1 v u 1 2 0 j d e万7d e oll ； 1 v u 6 0 万7 d e 1oo 1t ，1 t 厂 u 2 4 0 一事出 一百y 如 、，j 10l 三 1 t r u 3 0 0 一百y 如 q j 11o 2 v 0 u 1 8 0 3 d e 1 1 1oo o l l l ， 表2 一l 中、被称为基本空间矢量的 ，卢) 轴分量，每个基本空间矢量 与合适的功率晶体管的开关命令信号组合( c ，b ，口) 相对应。被功率晶体管的开 关组合所决定的8 个基本的空间矢量如图2 8 所示。 u l s o ( 1 1 u 2 4 0 ( 1 0 0 )u 3 0 0 ( 1 0 1 ) u o ( 0 0 1 ) - 图2 8 基本空间矢量与对应( c ，6 ，a ) 示意图 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 。_ 。- _ _ 。l l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ 二- 一_ - 一- _ _ _ 一二。_ _ l _ _ ： 2 、定子参考电压的计算 给定的定子参考电压矢量吒用它的 ，卢) 轴分量表示为和。如 图2 9 中表示为定子参考电压矢量、与之对应的 ，卢) 轴分量、u b c t a 和j 基本空间矢量和的对应关系。 卢 在图2 - 9 中，圪表示和的口轴分量之和，表示和的卢轴 分量之和，结合表2 - 1 可知基本空间矢量的幅值都为要，故有如下的等式 妻凄轰 协 【吃= 孕+ 等= 一 f 丁= 互+ 五+ t o k = 事呼 q 。6 ) 在上式中互和五分别是在周期时间t 中基本空间矢量、各自作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 = 貅咖6 0 0协忉 l = 舯弓吣嘶。 从前面的表述不难看出，所有的基本空间矢量的幅值都为2 3 ，如果 他们取相对于最大的相电压；( 最大线电压为，则最大的相电压为 压) 的标幺值，则空间矢量的幅值变成2 ；，即经过归一化后的空间 矢量的幅值i 乩i = i l = 2 3 ，代入式( 2 1 7 ) 得： 互= 每( 风归一以啪) ( 2 1 8 ) 互：丸 。( 2 1 9 ) 在( 2 一1 8 ) 和( 2 一1 9 ) 两式中u a l f a 和咖表示矢量相对于最大的相电压 ；归一化后的 ，卢) 轴分量，t o = r 一五一乃是零矢量的作用时间。取 互、互与周期t 的相对值有如下等式( 2 2 0 ) 和( 2 2 0 ： 岛= 亭= 丢( 帆一) 乞= 争= ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 同理可推得，如果虬埘位于基本空间矢量、u 加所包围的扇区中， l = i u l = 2 ；，矢量作用时间的相对值可以被表示为： = 等= 三( 一帆+ ) 乞= 争= 三( 帆帆。) ( 2 - 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 在等式( 2 - 2 2 ) 和( 2 - 2 3 ) 中，互是空间矢量u ：。在周期丁中的作用时间。 如果定义如下式的x 、lz 达3 个变量： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 x = u b 嗽 y = 三( 帆+ ) ( 2 - 2 4 ) z = 三( 撕吒+ ) 在上面两例可知，矢量位于砜、所包围的扇区( 即扇区0 ) 时， = - z ，乞= x ；矢量位于、u ：。所包围的扇区( 即扇区1 ) 时，= z ， 乞= y 。同理，当玩位于其它扇区中时，相应的f l 和乞也可以用瓜只z 表 示，其对应关系如表2 2 所示。 表2 2 扇区、虬o 、u 2 0u 2 0 、u 8 0u 8 0 、4 04 0 、o oo o 、弘6 0 一zzxx j ，】， 乞 x】厂一】，zzx 定子参考电压矢量扇区确定 前面我们已经推出，一个确定矢量用其所在扇区基本矢量合成的作 用时间f l 和乞计算方法。如果要利用这种方法计算和乞，则必须知道所 在的扇区。 将已知的分量、经过a 甜妇一变化为、： 卧 o1 压 1 22 压 1 22 由此可以根据如下关系式确定向量所在扇区号： i f 0 ，t h e n a = 1 ，e l s ea = 0 ； i f 0 ，t h e nb = 1 ，e l s e 曰= 0 ： i f 0 ，t h e n c = 1 ，e l s ec = 0 ； s e e t o r = a + 2 b + 4 c 。 ( 2 - 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 至此，任意一个参考电压矢量或其在位，卢) 坐标系中的 ，卢) 轴分量 和呦，都可以通过上述方法计算出在s v p w m 调制周期内与对应 的两个基本空间矢量的作用时间、乞。这就为我们采用数字化方法实现 s v p w m 调制提供了理论依据。在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上实现s v p w m 算法的具 体方法将在第五章软件部分介绍。 2 3 本章小结 本章首先介绍了永磁同步电机的结构和原理，建立基于d q 坐标系的永 磁同步电机数学模型；其次讨论了永磁同步电机控制中应用最为广泛的磁场 定向矢量控制技术；并在最后给出了空间矢量脉宽调制的数字化实现方法， 为进一步在数字信号处理器中实现奠定基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 第3 章永磁同步伺服系统控制器设计 矢量控制的永磁同步伺服系统包括：矢量变换环节、电流控制电压型逆 变器、速度及位置检测器、电流调节器、速度调节器、位置调节器和永磁同 步电机【l4 1 。各个环节的性能直接影响到整个系统的性能。电流环是系统的内 环，它是由核心硬件以及关键解算软件组成的。电流环的作用是：提高系统 的快速性，抑制电流环的内部干扰，限制最大电流保证系统安全运行。速度 环的作用是：增强系统抗负载扰动能力，抑制速度波动。为达到速度控制的 抗负载扰动能力和抑制速度波动性能，在速度环设计中引入了二自由度p i d 控制策略。位置环的作用是：迅速、精确地实现定位。 3 1 电流环设计 由上节矢量控制原理分析可知，永磁同步电机的电流控制即为对电机输 出力矩的控制，电机转矩响应性能取决于系统对电机电流的控制能力【l5 1 。电 枢电流的控制是一切的基础。有了响应速度快、控制精度高的电流控制器， 矢量控制策略才有可能实现。因此，构建一个动态性能好、稳定且控制精度 高的电流环，是构成具有高性能转矩控制永磁同步伺服系统的关键。 电流环的控制方式通常有两种：一种采用静止坐标系下的电流调节器， 即f 。、蠢、t 跟踪f ：、e 的交流控制方式；另一种采用旋转坐标系的电流调节 器，即、t 跟踪艺、e 的直流控制方式【3 1 。结合“屯= 0 控制方式 及采用d s p 数字化实现的特点，本系统的电流环采用直流控制方式。由图2 6 可以看到， 系统的电流环由两个调节器分别实现、到e 、e 跟踪。 由于a d 转换速度的限制，电流采样频率对电流环的性能提高是一个最 为主要的制约因数。为使电流环达到响应速度快、控制精度高的性能，本系 统的电流环的控制频率设计为2 0 k h z ，即每个p w m 周期控制一次。在直流控 制方式下，需要同时控制d 轴和g 轴的电流，所以电流控制需要g 轴电流调 节和d 轴电流调节均使用带积分校正的p i 调节器。两个电流环同时协调工作 以达到g 轴电流与速度环给定的电流相等，d 轴的电流等于零。 带积分校正的p i 控制器结构可描述如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文，第2 1 页 图3 1 带积分校正的p i 控制器结构 积分校正p i 控制算法的基本思想是：控制器前端由普通p i 调节器，在输 出端加入一个限幅模块，由图3 1 可见，当p i 输出u 。大于u m 。，时， u u 一 0 ，反馈回积分输出端，v 增大，p i 输出u 。相应增大。 3 2 速度环设计 速度环，作为三环控制的中间环节，连接着内环电流环和外环位置环。 其输入指令是位置环的输出结果，输出作为电流环的指令输入，速度环起着 中枢纽带作用。因此，速度环是交流伺服控制系统中极为重要的一个环节， 其控制性能是伺服系统整体性能指标的一个重要组成部分。从广义上讲，速 度伺服控制应具有高精度、快响应的特性。具体而言，反映为小的速度脉动 率、快的频率响应、宽的调速范围等性能指标。 现有的伺服系统主要采用常规的p i d ( 一自由度p i d ) 控制策略，这是由 于其结构简单，能使系统获得良好的稳态精度，但永磁同步电机运行中存在参 数摄动、负载扰动等因素影响，一般难以使系统的动态响应同时具有良好的“目 标值跟随性”和“外扰抑制特性”。在设计p i d 控制器时通常采用折中的办法 来兼顾跟随性能和抗扰性能。这种方法能够满足一般的控制系统的要求，但对 于高性能的控制系统则有一定的局限性，难以获得满意的控制效果。为解决这 一问题，文献e 1 9 尝试采用串级滑模变结构控制、文献 2 0 3 则提出采用基于混 合灵敏度的h o o 鲁棒控制、文献 2 1 2 2 尝试用神经网络、模糊控制等智能控 制策略，取得了一定的成果。但这些方法应用于实际系统中，仍然存在结构复 杂、实现困难等问题。本系统采用目标值滤波器型二自由度p i d 策略，在传 西南交通大学硕士研究生学位论文第