（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp卫星天线伺服控制系统设计.pdf

西北t .业大学硕 卜 学位论文 ab s t r a c t t h e a n t e n n a s e r v o s y s t e m i s t h e k e y p a rt o f s a t e l l i t e s y s t e m. i n t h i s p a p e r , a f u l l - d i g i t a l a n t e n n a s e r v o s y s t e m o f b l d c m b a s e d o n d s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) i s p r e s e n t e d a n d t h e p r i n c i p l e , s t r u c t u r e , c o n t r o l s c h e m e a n d t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e d e s i g n o f t h e s y s t e m a r e a n a l y z e d . i t f u l l y u t i l i z e s t h e w e a l t h y p e r i p h e r a l s a n d h i g h - s p e e d c a l c u l a t i o n f u n c t i o n o f d s p , a n d u s e s t h e d u a l - l o o p c o n t r o l t a c t i c c o m p o s e d b y c u r r e n t l o o p , v e l o c i t y l o o p t o a c h i e v e h i g h p r e c i s e s t a b i l i z i n g v e l o c i t y o f t he a n t e n n a t h e p a p e r f i r s t l y c o n c i s e l y i n t r o d u c e s t h e p r i n c i p l e a n d m a t h e m a t i c s m o d e l o f b l c d m a n d a n a l y z e s t h e d i f f e r e n t p wm m o d e s i n fl u e n c e s o n t h e s t a t i c a n d c o m m u t a t i o n t o r q u e r i p p l e i n d e t a i l . t h e s i mu l a t i o n s r e s u l t s s h o w t h a t p w m- o n t y p e i s t h e b e s t s e l e c t i o n t o r e d u c e t h e t o r q u e r i p p l e . i n h a r d w a r e d e s i g n , t h e m a i n h a r d w a r e s t r u c t u r e b a s e d o n d s p i s e x p l a i n e d a n d t h e k e y p a r t s o f t h e s y s t e m c i r c u i t s a r e a n a l y z e d i n l e n g t h . t h e p s p i c e s i m u l a t i o n s i n d i c a t e t h e c i r c u i t s a r e c o r r e c t a n d e f f e c t i v e . i n s o f t w a r e d e s i g n c o m p o s e d b y c a n d a s s e mb l y l a n g u a g e , t h e i n i t i a l e n v i r o n m e n t o f t h e s y s t e m i s d i s c u s s e d , a n d t h e f u l l d i g i t a l d u a l - l o o p c o n t r o l t a c t i c i s a d o p t e d t o a c h i e v e g o o d d y n a m i c a n d s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s . f u r t h e r m o r e , s o me b e n e f i c i a l p r a c t i c a l r e s e a r c h a b o u t t h e m a i n a l g o r i t h m b a s e d o n p i d c o n t r o l l e r w h i c h p a r a m e t e r s a r e r e a l - t i m e s e l f - m o d i f i e d b y f u z z y t h e o r y h a s b e e n d o n e i n t h e v e l o c i t y l o o p d e s i g n . a l a r g e a m o u n t o f d a t a a n d r e s u l t s a c q u i r e d f r o m t h e s i m u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t s r e v e a l t h a t t h e s y s t e m h a s a c o mp a c t s t r u c t u r e a n d e x c e l l e n t d y n a m i c a n d s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s . k e y w o r d s : d s p s a t e l l i t e a n t e n n a br u s hl e s s dc mo t o r j e r v o s y s t e m f u z z y - p i d 西北工业大学硕士学位论文基于d s p 卫星天线伺服控制系统设计 第一章 绪论 1 . 1课题研究背景 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。 卫星天线伺服控制系统是整个卫星系统的核心部件，直接关系到整个卫星 系统任务能否完成。国外研制的以美国、俄罗斯为代表的先进的卫星天线伺服 系 统多 采 用无 刷 直 流电 机 驱 动 或步 进电 机 驱 动 技 术 140 1 ， 但相 关 的 具 体 技 术内 容 对外界严格封锁。该课题为了满足某型号卫星的伺服要求而专门设计一种以永 磁无刷直流电机为基础的速度伺服系统。它的主要任务是保证卫星天线的稳定 旋转，同时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。由于卫星在高空高速运行，没有 支点，根据动量守恒原则， 天线的转动， 必将影响卫星体运行姿态。为此， 还 需要伺服控制器输出一个天线转速信号给反向旋转的平衡电机系统，将驱动电 机旋转产生的动量矩抵消，从而不影响 卫星的正常运行姿态，更好实现全球、 全气候、多光谱和三维定量遥感，提供全球的温、湿、云、辐射等参数，实现 中期的数值预报、监 测大范围的自 然灾害和生态环境，探测地球物理参数，研 究全球气候变化与环境变化的规律，为民用、航空、航海和军事部门提供可靠 信息。 1 . 2无刷直流电 机的发展历史1 3 直流电动机具有运行效率高、调速性能好等诸多优点。 但是， 传统的直流 电机采用电刷和换向器以 机械方法进行换相，因而存在机械摩擦，由 此带来了 噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等等，再加上制造成本高、维修困难，成 为直流电动机的主要缺点。 针对上述传统直流电 动机的 弊端， 早 在上世纪3 0 年代， 就有人开始研制以 电 子换相来代替机械换向 的无刷直流电 动机， 并取得了 一定 成果。1 9 5 5 年美国 d . 哈利森等首次申请了应用晶体管换相代替电 动机机械换相器换相的专利。上 西北工业大学硕士学位论文基于d s p 卫星天线伺服控制系统设计 第一章 绪论 1 . 1课题研究背景 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。 卫星天线伺服控制系统是整个卫星系统的核心部件，直接关系到整个卫星 系统任务能否完成。国外研制的以美国、俄罗斯为代表的先进的卫星天线伺服 系 统多 采 用无 刷 直 流电 机 驱 动 或步 进电 机 驱 动 技 术 140 1 ， 但相 关 的 具 体 技 术内 容 对外界严格封锁。该课题为了满足某型号卫星的伺服要求而专门设计一种以永 磁无刷直流电机为基础的速度伺服系统。它的主要任务是保证卫星天线的稳定 旋转，同时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。由于卫星在高空高速运行，没有 支点，根据动量守恒原则， 天线的转动， 必将影响卫星体运行姿态。为此， 还 需要伺服控制器输出一个天线转速信号给反向旋转的平衡电机系统，将驱动电 机旋转产生的动量矩抵消，从而不影响 卫星的正常运行姿态，更好实现全球、 全气候、多光谱和三维定量遥感，提供全球的温、湿、云、辐射等参数，实现 中期的数值预报、监 测大范围的自 然灾害和生态环境，探测地球物理参数，研 究全球气候变化与环境变化的规律，为民用、航空、航海和军事部门提供可靠 信息。 1 . 2无刷直流电 机的发展历史1 3 直流电动机具有运行效率高、调速性能好等诸多优点。 但是， 传统的直流 电机采用电刷和换向器以 机械方法进行换相，因而存在机械摩擦，由 此带来了 噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等等，再加上制造成本高、维修困难，成 为直流电动机的主要缺点。 针对上述传统直流电 动机的 弊端， 早 在上世纪3 0 年代， 就有人开始研制以 电 子换相来代替机械换向 的无刷直流电 动机， 并取得了 一定 成果。1 9 5 5 年美国 d . 哈利森等首次申请了应用晶体管换相代替电 动机机械换相器换相的专利。上 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 世纪7 0 年代以 来， 随着电 力电 子工 业的飞 速发展， 许多 新型的 高性能半导体功 率器件，如 g t r , m o s f e t , i g b t等相继出现，以 及高性能 永磁材料，如杉 钻、钦铁硼等的问世，均为无刷直流电动机的 广泛应用奠定了 坚实基 础，时至 目前，以成为伺服系统的主流之一。 1 . 3无刷直流电机的国内外发展概况 由 于无刷直流电 机调速性能优越， 且体积小， 重量轻、 效率高、 转动惯量小、 不存在励磁损耗问 题，因此在各个领域具有广阔的 应用前景。 永磁同 步电机按 其工作原理、驱 动电流和控制方式的不同， 可分为具有正弦波反电势的永磁同 步电 机( p m s m ) 和具有梯形波反电 势的 永磁同步电机， 后者又称为无刷直流电机 ( b l d c m ) o b l d c m和p m s m相 比， 具 有 明 显 的 优 越 性， 反 馈 装 置 简 单， 功 率 密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自的潜力得 到充分的发挥。 在近二、三十年来对无刷直流电机控制的研究发展中，根据对国内、外文 献检索及同类产品的 调试， 对无 刷直流电机控制的 研究主 要可归 纳为以 下几点: 1 )转子位置检测及触发状态切换的实现 6 1 无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改变 其不同的 触发组合状态来实现的，因 此准确检测转子的位置并根据转子位置准 时切换功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电机正常运行的关键。 用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法，利用传感 器得到的不同位置信号经过门电路、模拟开关或专用芯片就可以得到不同的触 发 逻辑信号， 实现触发状态的自由 切换 4 1 5 1 。 无 刷直流电机常 用的转子位置传感 器 有光栅编码器、 光电传感器、 霍尔 传感器和旋转变压 器等 1 ) 1 。 但位置传感器 的使用增加了电机的体积，且需要多根信号线，这给无刷直流电机的微型化带 来了困难。 为了省去位置传感器，检测反电动势过零点或利用反电动势直接检测换相 点的方法是一种比 较常用的方法18 1 。 实现方 法多用“ 端电 压法” 和“ 相电压法” ， 即在一定的调制方式下利用无刷直流电机的端电压或相电压检测反电动势的过 零 点 或 换 相点 实 施换 相 控 制。 文 献【 1 0 根 据 各相 反电 动 势 随 转 子 位置 改 变 的 原 理提出了 端电压检测法，采用硬件延时方式实现正常换相，并提供了 实际实现 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 世纪7 0 年代以 来， 随着电 力电 子工 业的飞 速发展， 许多 新型的 高性能半导体功 率器件，如 g t r , m o s f e t , i g b t等相继出现，以 及高性能 永磁材料，如杉 钻、钦铁硼等的问世，均为无刷直流电动机的 广泛应用奠定了 坚实基 础，时至 目前，以成为伺服系统的主流之一。 1 . 3无刷直流电机的国内外发展概况 由 于无刷直流电 机调速性能优越， 且体积小， 重量轻、 效率高、 转动惯量小、 不存在励磁损耗问 题，因此在各个领域具有广阔的 应用前景。 永磁同 步电机按 其工作原理、驱 动电流和控制方式的不同， 可分为具有正弦波反电势的永磁同 步电 机( p m s m ) 和具有梯形波反电 势的 永磁同步电机， 后者又称为无刷直流电机 ( b l d c m ) o b l d c m和p m s m相 比， 具 有 明 显 的 优 越 性， 反 馈 装 置 简 单， 功 率 密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自的潜力得 到充分的发挥。 在近二、三十年来对无刷直流电机控制的研究发展中，根据对国内、外文 献检索及同类产品的 调试， 对无 刷直流电机控制的 研究主 要可归 纳为以 下几点: 1 )转子位置检测及触发状态切换的实现 6 1 无刷直流电机的运行是通过逆变器功率器件随转子的不同位置相应地改变 其不同的 触发组合状态来实现的，因 此准确检测转子的位置并根据转子位置准 时切换功率器件的触发组合状态是控制无刷直流电机正常运行的关键。 用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法，利用传感 器得到的不同位置信号经过门电路、模拟开关或专用芯片就可以得到不同的触 发 逻辑信号， 实现触发状态的自由 切换 4 1 5 1 。 无 刷直流电机常 用的转子位置传感 器 有光栅编码器、 光电传感器、 霍尔 传感器和旋转变压 器等 1 ) 1 。 但位置传感器 的使用增加了电机的体积，且需要多根信号线，这给无刷直流电机的微型化带 来了困难。 为了省去位置传感器，检测反电动势过零点或利用反电动势直接检测换相 点的方法是一种比 较常用的方法18 1 。 实现方 法多用“ 端电 压法” 和“ 相电压法” ， 即在一定的调制方式下利用无刷直流电机的端电压或相电压检测反电动势的过 零 点 或 换 相点 实 施换 相 控 制。 文 献【 1 0 根 据 各相 反电 动 势 随 转 子 位置 改 变 的 原 理提出了 端电压检测法，采用硬件延时方式实现正常换相，并提供了 实际实现 西北工业大学硕 卜 学位论文基于o s p卫星天线伺服控制系统设计 电路。随着微处理器的应用，利用软件的延时方法可以简化端电压检测法的位 置 检 测电 路 。 文献 1 1 】 提 出 用 三 相 端电 压的 比 较电 压间 接 得 到 绕 组 反电 动势 的 过 零点，然后用软件延时 1 1 2 周期的时间再切换触发信号。但由于凸极电机中电 枢反 应和检测电 路滤波器的 影响会导 致电机超前或滞后换流， 因 此文献【 1 2 对此 进行了 修 正。 文献 【 1 3 提出 了 反电 动 势 过 零点 另 一 种 检 测 方 法， 即 利 用 方 波电 机 的“ 第 三 相 导 通” 现 象 来 检 测。 而 文 献【3 2 则 提出 了 一种 用 三 次 谐 波 检 测 转 子 位 置的新方法，采用将反映三次谐波相位信息的方波输入 d s p的 u o口，提高转 子位置检测的效果。 这些方法虽能完成转子位置的检测，但由于绕组的反电动势正比于转子的 转速，因此， 在低速时 很难检测到反电动势而导致电机失步，同时，怎 样更进 一 步解决检测电路的 相移影响是一个值得进一步探讨的问 题 3 3 针对以 上的 情况，提出 了通过实时采样反电 动势的波形， 采用预估计方法 或滤波方法实现位置 检测。 文献【 1 4 1 5 提出了在一个p wm开关周期内检测关 断相反电动势过零点的方法，并利用 k a l ma n法预估计无刷直流电机转子位置， 取 得了 良 好 的 效 果。 文 献 【 3 0 提出 了 由 硬 件电 路 获 得 有 效的 反 电 动 势 信息 ， 再 利 用 b p神经网络的方法进行正确的补偿相位，实现无位置无刷直流电机的控制。 但是这类方法计算量比较大，需选用计算处理速度较快的处理器。 2 ) 无刷直流电 动机换 相转矩 脉动抑制 由于无刷直流电机相电感的存在，换相时存在换相延时，形成换相转矩脉 动 【 1 6 1 。 fj 前，国内、外对这方面的研究比较多，如文献 1 7 分析了绕组换相引 起转矩波动的 原因， 指出 换相转矩 波动不仅与电机绕组电 流有关， 还与换相时 相绕组感生电势瞬时值、换相位置角、绕组参数等因素有关，通过数值计算结 果说明了各因素对换相转矩波动的影响程度，为研究换相转矩波动的较小措施 和 永 磁 无 刷 直 流电 机 的 设 计 及 控 制 提 供了 理 论依 据。 文 献 1 s 根 据 换 相 过 程 中 端 电压方程的推导，在未参与换相那一相的相电压保持不变的条件下，控制换相 过程中 的脉冲占空比， 以 减小 换相转 矩脉动。 文献【 1 9 对电 机各速度段的 相电 流 换相引起的转矩脉动作了详细的理论分析和仿真， 并提出了用滞环控制和 p wm 控制来抑制 电机低速段的转矩脉动的方法，其实验结果显示了该方法的良好效 果， 但没有对电机高速段的 转矩脉 动提出 相应的 办法。 针对上 述情况， 文献【 2 0 西北工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 提出 了在双斩 p wm调制方式 下采用不同的方式对高速和低速进行补偿，并给 出了详细的仿真和实验波形，取得了很好的效果。 同 时 ， 文 献9 2 1 2 2 详 细 分 析了 采 用 不同 的p w m调 制 方 式 对 换 相 转 矩 脉 动的影响， 提出了 用p w m - o n 单斩调制方式可以减小稳态和换相时的 转矩脉动。 另外， 采用电 流闭环的策略， 在电 流调 节环利用现代控制算法 ( 如自 适应控制、 变结构控制、 k a l m a n 滤波等)以 减小 转矩脉动， 包括换相转矩脉动， 为此文献 3 1 对此进行了详细的讨论和分析， 但这些控制理论的应用需选用计算处理速度 较快的 处理器 ( 例如d s p ) 并要求对电 流信号采用较高的采样频率。 3 ) 无刷直流电机的控制策略 无刷直流电 机的 机械特性为2 3 1 . rt ud i r ud n 留 一 . ， 二 r甲 一 弋丁二 丁下 c e o c e o c e o 从t - t o ( 1 - 1 ) 式中 c e 为电动势常数，c t 为转矩常数，n 。 二u d 为 理 想 空 载 转 速 ， c, p= rt c xt o 为机械特性斜率，同时转动方程式为: t 一 t , 一 j 竺 d t ( 1 - 2 ) 由式 ( 1 -1 )和式 ( 1 -2 )可知，可以通过调节端电压 伪 来实现调速。 文献 2 4 提出了用调节p wm信号的占空比 的方法来实 现调速， 并 利用内 部的电 流环控制电 机的相电 流，因而调速性能很好，可以 很好地抑制电流脉动。 对于高性能的转矩控制、 速度伺服系统和位置伺服系统， 需要有一适合于 系统的控制策略。目 前， 高性能的速度伺服系统一般采用双环控制策略，即 速 度环与电 流环相结合，相对于位置伺服系统则采用三环控制 策略 2 5 1 ，即 在外部 再加上一个位置调节环。 同 时在控制算法上， 也注重把现代控制中的模糊控制、 神经网络、专家系 统等自 学习、自 适应、自 组织功能的智能控制引入到 无刷直 流电 机 的 控 制 中。 文 献2 6 提出 了 一 种 基于d s p 的 全 数 字 直 流 位 置 伺 服 控 制 系 统， 采用神经元自 适应控制算法对系统 进行控制， 取得了良 好的动、 静态性能。 文献 2 7 提出了一种基于d s p 的 无刷直流电机模糊控制系 统， 由p i 进行速度和 电 流控制，用模糊逻辑实现位置控制，实验结果显示了 其良 好的控制效果。文 西北工业大学硕十学位论文基 于 d s p卫 星 天 线 伺 服 控 制 系 统 设 计 献 2 8 提出 了 一 种基 于 径向 基 ( r b f ) 神 经 网 络的 无 位置 传感 器 控 制 方 法， 该 方 法 建立动态的r b f 网络模型，实 验结果表明了 该控制方法的 有效性。 文献 2 9 提 出了 用基本样条函 数实现b l d c m模糊神经网 络速度 控制器设计的 新方 法，在 d s p a c e环境中构建了b l d c m控制系统硬件， 进行了基本样条模糊神经网络调 速系统的实时控制实验，并给出了实验结果，取得了良好的效果。 4 ) 无刷直流电 机的仿 真研究 随着无刷直流电 机的研究深入及无刷直流电 机的 理想等效模型相对简单， 根据实际分析的需要，建立了许多类似的无刷直流电机仿真模型，这无疑为无 刷直流电 机的 理论研究及分析提供了一种更直观更快速的方法。 文献 3 4 3 5 分 别 建 立了 基于p s p i c e 和m a t l a b 环 境 下的 无 刷 直 流电 机 仿 真 模型 ， 文 献 【3 6 则 提出了基于 ma t l a b无刷直流电机系统仿真建模的新方法， 仿真结果证明了该 方法的有效性，也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。同时， 在无刷直流电机仿真模型基础上再结合各种智能控制算法的仿真也越来越被人 关注。 文献【 3 7 提出了 一种无刷直流电 机的自 适应 f u z z y - p i 控制器的 仿真， 而 文献 3 8 则提出了一种无刷直流电 机的神经网络控制器的仿真研究。 另外， 文献 3 9 提出了 利用无刷直流电机仿真模型来分析 任意平顶宽度梯形波反电 动势无 刷直流电动机在矩形波和正弦波两种电流驱动下的转矩脉动情况。 1 .4无刷直流电机的发展趋势 i ) 采用无位置传感器技术来代替位置传感器。 随着微电子技术的发展、 智 能检测技术及数字滤波技术的深入，以后很可能出现集成电路模块来承担无位 置传感器中的位置信号检测，提高整个系统的可靠性和集成度。 2 ) 随着电 子技术发展， 特别是数字信号处理器 ( d s p )的出 现以 后，由于 d s p计算速度快、系统简单可靠、性价比高， 并由d s p构成的控制系统的外围 电路十分简单，因此， 采用信号处理器组成的控制电路是今后发展的一个方向。 同时， 随着嵌入式实时操作系统的发展， 采用嵌入式操作系统的电机伺服系统 或双余度伺服系统也是今后发展的一个方向 4 i 3 ) 控制算法上则由 通常所采用的p i d 控制开始转向 现代智能 控制 理论， 将 人工智能、模糊控制、神经元网络等新成果应用于各类伺服系统研究中。 4 )无刷直流电机系统中所用的电力电子器件将不断向高频化发展，智能功 西北工业大学硕十学位论文基 于 d s p卫 星 天 线 伺 服 控 制 系 统 设 计 献 2 8 提出 了 一 种基 于 径向 基 ( r b f ) 神 经 网 络的 无 位置 传感 器 控 制 方 法， 该 方 法 建立动态的r b f 网络模型，实 验结果表明了 该控制方法的 有效性。 文献 2 9 提 出了 用基本样条函 数实现b l d c m模糊神经网 络速度 控制器设计的 新方 法，在 d s p a c e环境中构建了b l d c m控制系统硬件， 进行了基本样条模糊神经网络调 速系统的实时控制实验，并给出了实验结果，取得了良好的效果。 4 ) 无刷直流电 机的仿 真研究 随着无刷直流电 机的研究深入及无刷直流电 机的 理想等效模型相对简单， 根据实际分析的需要，建立了许多类似的无刷直流电机仿真模型，这无疑为无 刷直流电 机的 理论研究及分析提供了一种更直观更快速的方法。 文献 3 4 3 5 分 别 建 立了 基于p s p i c e 和m a t l a b 环 境 下的 无 刷 直 流电 机 仿 真 模型 ， 文 献 【3 6 则 提出了基于 ma t l a b无刷直流电机系统仿真建模的新方法， 仿真结果证明了该 方法的有效性，也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。同时， 在无刷直流电机仿真模型基础上再结合各种智能控制算法的仿真也越来越被人 关注。 文献【 3 7 提出了 一种无刷直流电 机的自 适应 f u z z y - p i 控制器的 仿真， 而 文献 3 8 则提出了一种无刷直流电 机的神经网络控制器的仿真研究。 另外， 文献 3 9 提出了 利用无刷直流电机仿真模型来分析 任意平顶宽度梯形波反电 动势无 刷直流电动机在矩形波和正弦波两种电流驱动下的转矩脉动情况。 1 .4无刷直流电机的发展趋势 i ) 采用无位置传感器技术来代替位置传感器。 随着微电子技术的发展、 智 能检测技术及数字滤波技术的深入，以后很可能出现集成电路模块来承担无位 置传感器中的位置信号检测，提高整个系统的可靠性和集成度。 2 ) 随着电 子技术发展， 特别是数字信号处理器 ( d s p )的出 现以 后，由于 d s p计算速度快、系统简单可靠、性价比高， 并由d s p构成的控制系统的外围 电路十分简单，因此， 采用信号处理器组成的控制电路是今后发展的一个方向。 同时， 随着嵌入式实时操作系统的发展， 采用嵌入式操作系统的电机伺服系统 或双余度伺服系统也是今后发展的一个方向 4 i 3 ) 控制算法上则由 通常所采用的p i d 控制开始转向 现代智能 控制 理论， 将 人工智能、模糊控制、神经元网络等新成果应用于各类伺服系统研究中。 4 )无刷直流电机系统中所用的电力电子器件将不断向高频化发展，智能功 西北下业大学硕士学位论文 第一章 绪论 率集成电路将进一步得到普遍应用。逆变器也将逐渐变为高频化、小型化的无 噪声逆变器。 本课题所实现的卫星天线伺服系统采用 t i公司 2 0 0 1 年推出的电机控制专 用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心控制芯片，利用b l d c m 电机，采用p i d 参数 f u z z y自 调整控制算法来完成系统的 速度和电流环的全数字化 控制， 实现天线稳 速旋转。 1 .5课题研究过程中的主要工作 天线伺服系统的 研究工作相当 庞杂，其中涉及许多相关学科和知识，笔者 参与并取得一定成果的相关主题如下: 1 ) 系 统 控制 器 的中 央 处 理 单 元 选 用t i 公司 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片 ， 对 此芯片做了深入的分析，并在此基础上构建了硬件电路和软件平台，同时，进 行了系统的调试。 2 ) 建立了基于无刷直流电 机的仿真模型，在此基础上对各种p wm调制方 式对转矩脉动的影响进行了 仿真，并对双闭 环控制策略中的电流 调节环和速度 调节环进行了仿真。这也为以后的理论研究提供了基础。 3 )分析了无刷直流电 机二二导通时逆变器电 路所需驱动电路的 特点， 针对 集成驱动芯片 i r 2 1 3 0中的一些缺点，提出了采用 3只 p沟道与 3只 n 沟道 m o s f e t 功率 开 关 管 组 成 逆 变 器电 路 ， 并 构 建了 基 于p rv m _ o n p w m调 制 方 式 电机四象限运行驱动信号及其保护电路。 4 )设计了基于天线速度伺服系统的双环控制算法， 并根据p ei ) 参数可变特 点，对传统 p i d公式进行了相应的修改，初步实现了稳速功能。 5 )参照目前一些抗干扰和可靠性方面技术，在分析本控制器和 d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点基础上， 提出了基于此系统的 硬件抗千扰 和软 件抗千扰的 实用方法。 1 . 6论文的结构安排 本论文主要根据天线伺服系统的总体结构、 控制器的硬件及软件等部分来 展开的，并结合笔者对课题的分析和研究中的经验，重点论述了基于无刷直流 电 机速度伺服系统的主要技术，并对调试过程和仿真结果进行了 介绍 和分析。 本论文的结构分为6 个部分，具体安排如下: 西北下业大学硕士学位论文 第一章 绪论 率集成电路将进一步得到普遍应用。逆变器也将逐渐变为高频化、小型化的无 噪声逆变器。 本课题所实现的卫星天线伺服系统采用 t i公司 2 0 0 1 年推出的电机控制专 用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心控制芯片，利用b l d c m 电机，采用p i d 参数 f u z z y自 调整控制算法来完成系统的 速度和电流环的全数字化 控制， 实现天线稳 速旋转。 1 .5课题研究过程中的主要工作 天线伺服系统的 研究工作相当 庞杂，其中涉及许多相关学科和知识，笔者 参与并取得一定成果的相关主题如下: 1 ) 系 统 控制 器 的中 央 处 理 单 元 选 用t i 公司 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片 ， 对 此芯片做了深入的分析，并在此基础上构建了硬件电路和软件平台，同时，进 行了系统的调试。 2 ) 建立了基于无刷直流电 机的仿真模型，在此基础上对各种p wm调制方 式对转矩脉动的影响进行了 仿真，并对双闭 环控制策略中的电流 调节环和速度 调节环进行了仿真。这也为以后的理论研究提供了基础。 3 )分析了无刷直流电 机二二导通时逆变器电 路所需驱动电路的 特点， 针对 集成驱动芯片 i r 2 1 3 0中的一些缺点，提出了采用 3只 p沟道与 3只 n 沟道 m o s f e t 功率 开 关 管 组 成 逆 变 器电 路 ， 并 构 建了 基 于p rv m _ o n p w m调 制 方 式 电机四象限运行驱动信号及其保护电路。 4 )设计了基于天线速度伺服系统的双环控制算法， 并根据p ei ) 参数可变特 点，对传统 p i d公式进行了相应的修改，初步实现了稳速功能。 5 )参照目前一些抗干扰和可靠性方面技术，在分析本控制器和 d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点基础上， 提出了基于此系统的 硬件抗千扰 和软 件抗千扰的 实用方法。 1 . 6论文的结构安排 本论文主要根据天线伺服系统的总体结构、 控制器的硬件及软件等部分来 展开的，并结合笔者对课题的分析和研究中的经验，重点论述了基于无刷直流 电 机速度伺服系统的主要技术，并对调试过程和仿真结果进行了 介绍 和分析。 本论文的结构分为6 个部分，具体安排如下: 西北下业大学硕士学位论文 第一章 绪论 率集成电路将进一步得到普遍应用。逆变器也将逐渐变为高频化、小型化的无 噪声逆变器。 本课题所实现的卫星天线伺服系统采用 t i公司 2 0 0 1 年推出的电机控制专 用d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为核心控制芯片，利用b l d c m 电机，采用p i d 参数 f u z z y自 调整控制算法来完成系统的 速度和电流环的全数字化 控制， 实现天线稳 速旋转。 1 .5课题研究过程中的主要工作 天线伺服系统的 研究工作相当 庞杂，其中涉及许多相关学科和知识，笔者 参与并取得一定成果的相关主题如下: 1 ) 系 统 控制 器 的中 央 处 理 单 元 选 用t i 公司 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片 ， 对 此芯片做了深入的分析，并在此基础上构建了硬件电路和软件平台，同时，进 行了系统的调试。 2 ) 建立了基于无刷直流电 机的仿真模型，在此基础上对各种p wm调制方 式对转矩脉动的影响进行了 仿真，并对双闭 环控制策略中的电流 调节环和速度 调节环进行了仿真。这也为以后的理论研究提供了基础。 3 )分析了无刷直流电 机二二导通时逆变器电 路所需驱动电路的 特点， 针对 集成驱动芯片 i r 2 1 3 0中的一些缺点，提出了采用 3只 p沟道与 3只 n 沟道 m o s f e t 功率 开 关 管 组 成 逆 变 器电 路 ， 并 构 建了 基 于p rv m _ o n p w m调 制 方 式 电机四象限运行驱动信号及其保护电路。 4 )设计了基于天线速度伺服系统的双环控制算法， 并根据p ei ) 参数可变特 点，对传统 p i d公式进行了相应的修改，初步实现了稳速功能。 5 )参照目前一些抗干扰和可靠性方面技术，在分析本控制器和 d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点基础上， 提出了基于此系统的 硬件抗千扰 和软 件抗千扰的 实用方法。 1 . 6论文的结构安排 本论文主要根据天线伺服系统的总体结构、 控制器的硬件及软件等部分来 展开的，并结合笔者对课题的分析和研究中的经验，重点论述了基于无刷直流 电 机速度伺服系统的主要技术，并对调试过程和仿真结果进行了 介绍 和分析。 本论文的结构分为6 个部分，具体安排如下: 西北工业大学硕士学位论文基于ds p卫星天线伺服控制系统设计 第一部分:简短介绍了课题的研究背景及无刷直流电机的研究现状。 第二部分:介绍了 伺服系统的总体结构及方案 设计， 分析了无刷直流电 机 的工作原理及数学模型，重点阐述了调制方式对转矩脉动的影响。 第三部分:系统控制器的主要部分硬件设计，分析 了硬件的抗千扰方法。 第四 部分:系统控制器软件部分设计，重点分析了p i d参数f u z z y自 调整 算法实现，简要阐述了软件的抗干扰措施。 第五部分:对本论文的总结及对课题的一些展望。 西北工业大学硕士学位论文第二章 伺服系统总体方案 第二章 伺服系统总体方案设计 本章介绍了卫星天线伺服控制系统的结构组成，同时介绍了无刷直流电动 机的运行控制和数学模型，详细分析了在该数学模型下 p wm 调制方式对转矩 脉动的影响， 最后展示了 伺服控制器的总体硬件及软件方案。 2 . 1卫星天线伺服系统组成 本文的天线伺服系统中心任务是根据指令要求控制天线稳速旋转，并满足 各种静态及动态性能指标，本质上说该系统是一典型的稳 速 ( 调速) 系统，其 结构框图如图2 -1 所示。 该系统主要由伺服电机、 旋转光 栅编码 器、 天线伺服 控制器、逆变器模块等 构成。天线伺服控制器以t i 公司d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为 核心控制电机按给定的转速旋转，同时通过信息传输模块，一方面实现与卫星 总控制器之间的相互通信，另一方面通过 d / a模块，将现在天线转动动量输出 给动量矩平衡电机控制器;伺服系统的逆变器电路为 3 只 p 沟道与3只n沟道 m o s f e t功率开关管组成三相桥式p wm逆变电路， 而本系统的 逆变器输出频 率则由电 机轴上的 转子位置传感器控制 ( 电 机定子电流频率受转子角速度的控 制， 跟随转子角频率变化而变化) ; 旋转光栅 编码器用于测量天线实时位置， 输 入到天 线伺服控制器，由 于光栅编码器具有较强的 抗干扰能力及较高的 精度， 通过对 位置作微分处理， 能够完成对天线转速的测取， 满足伺服系统中 对速度 环控制的要求。 图 2 - 1天线伺服系统的总体结构 西北工业大学硕士学位论文第二章 伺服系统总体方案 第二章 伺服系统总体方案设计 本章介绍了卫星天线伺服控制系统的结构组成，同时介绍了无刷直流电动 机的运行控制和数学模型，详细分析了在该数学模型下 p wm 调制方式对转矩 脉动的影响， 最后展示了 伺服控制器的总体硬件及软件方案。 2 . 1卫星天线伺服系统组成 本文的天线伺服系统中心任务是根据指令要求控制天线稳速旋转，并满足 各种静态及动态性能指标，本质上说该系统是一典型的稳 速 ( 调速) 系统，其 结构框图如图2 -1 所示。 该系统主要由伺服电机、 旋转光 栅编码 器、 天线伺服 控制器、逆变器模块等 构成。天线伺服控制器以t i 公司d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为 核心控制电机按给定的转速旋转，同时通过信息传输模块，一方面实现与卫星 总控制器之间的相互通信，另一方面通过 d / a模块，将现在天线转动动量输出 给动量矩平衡电机控制器;伺服系统的逆变器电路为 3 只 p 沟道与3只n沟道 m o s f e t功率开关管组成三相桥式p wm逆变电路， 而本系统的 逆变器输出频 率则由电 机轴上的 转子位置传感器控制 ( 电 机定子电流频率受转子角速度的控 制， 跟随转子角频率变化而变化) ; 旋转光栅 编码器用于测量天线实时位置， 输 入到天 线伺服控制器，由 于光栅编码器具有较强的 抗干扰能力及较高的 精度， 通过对 位置作微分处理， 能够完成对天线转速的测取， 满足伺服系统中 对速度 环控制的要求。 图 2 - 1天线伺服系统的总体结构 西北工业大学硕士学位论文基于ds p卫星天线伺服控制系统设计 系统正常工作时，天线伺服控制器接受来自卫星总控制器的转速值信号， 根据相关控制算法，输出 六路驱动 信号， 驱动电 机旋转， 保证天线在规定的时 间内以一定的精度趋近于给定期望转速，同时把此过程中天线的实时转动惯量 输出给平衡电机以抵消天线的转动惯量，并把天线的每次过零角位置时ffo l 反馈 给卫星总控制器。 整个控制器系统采用高速脉宽调制( p w m ) 方式 ( 开关频率 2 0 n h z ) , 根据反馈 回来的速度信息、电流信息及给定的期望转速值，计算出 p w m脉冲宽度，形成 一个闭环控制系统，实现天线的高精度稳速旋转。 2 .2伺服电机的确定i l l 近年来，随着稀土材料的广泛应用和微电子技术、智能功率集成电路的进 一步发展普及以及电力电子技术、电动机技术和现代控制理论等迅速的发展， 稀土永磁无刷直流电机 ( 又称自控式方波同步电动机)得到了广泛应用，它不 仅保持了传统无刷直流电机的优点，还具有以下几方面的优越性: 电机的重量可明显降低，体积减小: 永磁转子的外径大大减小， 从而减小了转子的转动惯量， 降低了时间常数， 减小力矩波动; 稀土永磁 电机的磁场定向胜 好，因而容易实现在气隙中建立类似于矩形波 的磁场，电机可以设计成方波电机，当与 1 2 0 “导通型逆变器相匹配时， 可实现 方波驱动，从而减小转矩脉动，提高了电机的输出力。 由于稀土永磁无刷直流电机具有这一系列的优点，因而在航空航天、电动 汽车、精密电子仪器与设备、工业自动化和现代家用 电器等领域有广泛的应用。 本伺服系统选用稀土永磁无刷直流电机作为电动机本体。 本文的电动机本体由稀土永磁体形成主磁场，为了获得梯形波反电动势， 避免不希望的磁阻转矩造成的转矩脉动，转子每极磁钢采取倾斜一个槽的槽距 固定方式。 定子铁芯结构与普通同步电机和异步电机相同， 嵌入对称三相绕组， 定子绕组按星型接法，分别与逆变器中各功率开关相连接，为了获得 良 好梯形 波形状的反电势，定子绕组采用集中整距绕组方式。 西北工业大学硕士学位论文基于ds p卫星天线伺服控制系统设计 系统正常工作时，天线伺服控制器接受来自卫星总控制器的转速值信号， 根据相关控制算法，输出 六路驱动 信号， 驱动电 机旋转， 保证天线在规定的时 间内以一定的精度趋近于给定期望转速，同时把此过程中天线的实时转动惯量 输出给平衡电机以抵消天线的转动惯量，并把天线的每次过零角位置时ffo l 反馈 给卫星总控制器。 整个控制器系统采用高速脉宽调制( p w m ) 方式 ( 开关频率 2 0 n h z ) , 根据反馈 回来的速度信息、电流信息及给定的期望转速值，计算出 p w m脉冲宽度，形成 一个闭环控制系统，实现天线的高精度稳速旋转。 2 .2伺服电机的确定i l l 近年来，随着稀土材料的广泛应用和微电子技术、智能功率集成电路的进 一步发展普及以及电力电子技术、电动机技术和现代控制理论等迅速的发展， 稀土永磁无刷直流电机 ( 又称自控式方波同步电动机)得到了广泛应用，它不 仅保持了传统无刷直流电机的优点，还具有以下几方面的优越性: 电机的重量可明显降低，体积减小: 永磁转子的外径大大减小， 从而