（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的高速高精度伺服系统研究.pdf

a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c e m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a cm o t o rs e r v os y s t e mh a d r e p l a c e dd c m o t o rs e r v og r a d u a l l ya n db e e nu s e dw i d e l y b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o no fm o d e m c o n t r o lt h e o r i e si ns e r v os y s t e mf i e l ds t i m u l a t e dt h er e a l i z a t i o no fh i g h s p e e d ，h i 曲- p r e c i s i o n a cs e r v os y s t e m t h ef i r s tp a r to ft h i st h e s i si n t r o d u c e dv e c t o rc o n t r o l t h e o r ya n ds p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c h n o l o g yi nd e t a i l ，p r e s e n t i n gr e a l i z e ds t e p sa n ds i m u l a t i o no f s v p w mt e c h n o l o g y t h e nb a s e do np r e v i o u s c u r r e n t l o o p a n ds p e e d l o o pd e s i g n ，t h e p o s i t i o nl o o p h a db e e n d e s i g n e dw i t hp i dc o n t r o l l e r a n di n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l l e d r e s p e c t i v e l yt om a k eac o m p a r i s o no ft h e s et w oc o n t r o la l g o r i t h m w i t ht h ec o m p a r i s o n r e s u l t si nm a t l a b s i m u l i n k ，t h ec o n c l u s i o nt h a ta d a p t a t i o no fi n t e l l i g e n tp i d a l g o r i t h mw o u l d i m p r o v ep e r f o r m a n c eo fs e r v os y s t e mh a sb e e np r o v e d t h er e s tp a r to ft h i s p a s s a g ei n t r o d u c e dah i 曲一s p e e d ，h i 曲一p r e c i s i o np o s i t i o ns e r v o s y s t e mr e s e a r c hp r o j e c t s i n c et h i sp r o j e c ta d a p t e dk o l l m o r g e nm o t o rd r i v e ，t h er e s e a r c h f o c u s e do nt h ed e s i g no fp o s i t i o nl o o pw h e r ei n t e l l i g e n tp i da l g o r i t h mw a su s e d t h i sp a r t d e t a i l e d l yd i s c u s s e db o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，t h eh a r d w a r ep a r ti n t r o d u c e dh o w t od e s i g nt h ec o n t r o lb o a r da n dt h eo v e r a l ls y s t e m ，w h i l et h es o f t w a r ep a r ti n t r o d u c e ds o f t d e s i g ni n c l u d i n gr e a d i n gp o s i t i o ns i g n a l ，d ad i g i t a lc o n t r o la n de t c t h i sr e s e a r c hs h o w e dt h a tt h ei n t r o d u c t i o no f i n t e l l i g e n tp i da l g o r i t h mw o u l de n h a n c et h e s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fp o s i t i o ns e r v os y s t e m t h er e s p o n s eo fs t e p ，r a m pa n ds i n e s i n g l ew e r e a l le x c e l l e n ta n ds a t i s f i e d k e y w o r d ：a cs e r v os y s t e m ，v e c t o rc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tp i d 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除t j j l 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 咖年6 月加 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 研年0 月砺 硕士论文基于d s p 的高速高精度伺服系统研究 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 随着电机制造技术、电力电子技术、数字信号处理技术和计算机控制技术取得的巨 大进步，交流电气传动己经逐步取代直流传动的统治地位，成为电气传动的主流。随着 交流电机调速理论的不断发展，交流伺服控制系统具有了可与直流伺服系统相媲美的性 能，而且能够充分发挥交流电动机的优势【l 。3 j 。 由于永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率因数高、转矩电流比高、 转动惯量低、易于散热及维护保养等优点，特别是随着永磁材料价格的下降、材料磁性 能的提高，新型永磁材料在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统中的 应用更为广泛，而现代微电子技术在数字伺服系统中的成功应用，使得诸如模糊控制、 神经网络控制、自适应控制等复杂算法能够得以实现，更进一步提高了伺服系统精密的 控制效果。永磁同步电机伺服系统引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域逐步 推广，尤其在航空、航天、数控机床、加工中心、机器人等场合己获得广泛的应用 4 - 5 。 1 2 伺服系统简介 1 2 1 基本结构 伺服系统( s e r v os y s t e m ) ，亦称随动系统，其主要任务就是用来控制被控对象的转角 或线位移，使其能自动、连续、精确地复现输入指令的变化规律。伺服机构是指按照 控制信号的要求而动作：在控制信号到来之前，被控对象是静止不动的；接收到控制信 号后，被控对象按要求动作；当控制信号消失，被控对象又能停止运动。基于执行机构 这一特点，我们称之为伺服系统 6 j 。 伺服机构理论( s e r v o m e c h a n s i mt h e o r y ) 起源于二次世界大战期间，美国国防部为 了发展具有自动控制功能的雷达追踪系统，委托麻省理工学院发展机械系统的闭环控制 技术，这一发展奠定了后来伺服机构理论的基础。 伺服系统的结构组成如图1 1 所示，伺服系统结构由执行元件、测量元件、放大元 件、校正元件四部分组成，其共同点是：由计算机控制执行元件( 一般是电机) 带动控 制对象按照指定的规律作机械运动。 1 绪论硕上论文 图1 1 伺服系统结构图 1 2 2 伺服系统的发展概况 伺服系统的发展与伺服电机不同的发展阶段密不可分，迄今为止经历了三个主要发 展阶段吵 第一阶段：二十世纪六十年代以前，液压伺服系统在伺服系统中的应用。此阶段伺 服多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，虽然响应时间短，驱 动部件的外形尺寸小，但其发热大、效率低并且污染环境、不易维修。 第二阶段：二十世纪六七十年代，直流伺服电机迎来了诞生和发展的全盛时期。直 流电机的电磁转矩和电枢电流成正比，转矩响应速度快，而大功率晶体管的应用使得电 流控制性能得到极大的提高，所以直流电机在高性能驱动装置中得到了广泛的应用。同 一时刻伺服系统的位置控制也由开环控制发展成为闭环控制，迸一步提高了伺服控制的 准确性。但是直流电机机械换向时会产生电火花，从而限制了直流伺服在易燃、易爆、 多尘的恶劣环境中的应用。 第三阶段：二十世纪八十年代至今，随着伺服电机机构及永磁材料、控制技术的日 趋成熟，在高性能的调速领域内，交流调速性能己达到甚至超过直流调速。同时伺服驱 动装置经历了模拟式、数字模拟混合式和全数字化等几个发展时期。数模混合的控制系 统，其所能达到的性能将优于单一的模拟式伺服系统。采用高性能模块化嵌入式计算机 控制系统进行控制已成为伺服系统发展的趋势，而选择高性能交流伺服驱动装置，有利 于控制精度的进一步提高。同时，先进控制策略的应用可保证系统达到工程要求的高性 能指标。 1 3 交流伺服系统相关领域发展状况 1 3 1 永磁同步电动机 交流伺服系统可分为同步和异步交流伺服驱动两种。2 0 世纪8 0 年代，永磁材料特 别是具有高磁能积、高矫顽磁力、价格低廉的钦铁硼永磁材料的发展，使人们研制出了 价格低廉，体积小，性能高的永磁电动机。 永磁同步电动机的转子采用永久磁铁励磁，目前多使用稀土永磁材料。但因转子磁 2 硕士论文基于d s p 的高速高精度伺服系统研究 钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布分为正弦波和梯形波两种，因此转子旋 转时在定子上产生的反电动势波形也有两种：种为正弦波；另一种为梯形波。正弦波 同步电机组成的调速系统称为正弦波永磁同步电动机( p m s m ) 调速系统；而梯形波永 磁同步电机组成的调速系统具有与传统直流电机相媲荚的优良调速控制性能，且无需机 械换向器与电刷，电机和变频器及其控制比较简单，成本较低，这种系统被称为无刷直 流电机( b l d c m ) 调速系统哺j 。 伺服驱动要实现高精度的控制，必须对电流、速度和位置进行精确检测并构成闭环 控制。而数字化伺服系统的采用使得高性能的伺服驱动和故障诊断更加容易实现。目前 为了进一步提高伺服系统的稳态精度和动态特性，有关的工作围绕着以下几个方面展 开：采用新型电力半导体器件、应用现代控制理论、应用计算机技术和开发新型电动机。 目前，电机驱动控制器正朝着数字化的方向发展，利用软件来实现硬件电路的功能。这 样可以减少电机驱动各单元在材料上的成本，提高系统的可靠性和自诊断功能。电机驱 动的数字化可以检测电机的各种参数，使得电机用于更加广泛的驱动领域。 伴随着新材料、计算机、电力电子、控制理论等高新技术的发展，永磁同步电机数 字交流伺服系统将会开拓更为广泛的应用领域，能够实现高速、高精度、高稳定度、快 速响应、高效节能的运动控制【9 】。 1 3 2 功率驱动技术 从2 0 世纪6 0 年代起诞生的s c r 、g t r 等半控器件，到m o s f e t 、i g b t 等全控器 件，直到现今的智能功率模块，电力电子器件的功率等级和性能不断得到提高，这些功 率器件组成的换流装置，使得各种p w m 调制方式得以实现。而开关高频率则消除了开 关噪声，实现了电机的快速动态响应。智能功率模块内部集成了驱动和保护电路，将 i g b t 封装为一个完整的逆变器模块，使得电路变得简单、安全可靠。目前的伺服驱动 器中大多应用i g b t 和智能功率模块。 1 3 3 计算机技术 经过近几年的发展，d s p 芯片己取代单片机成为伺服控制领域的主流控制芯片。目 前，很多公司都为永磁同步电机设计专用控制芯片。t i 公司为电机控制量身设计了2 0 0 0 系列的特殊功能d s p 。该系列d s p 采用哈佛结构，具有d s p 固有的运算速度快的特点， 片内的事件管理器模块方便了电机控制的特殊要求。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是目前伺服控制领 域应用最广泛的控制器之一，内部集成1 2 8 k f l a s h ，最高主频能达到1 5 0 m ，集成了两个 事件管理器和1 2 位1 6 通道模数转换器等等，为电机控制系统的开发者提供了极大的便 利【1 0 1 。 1 3 4 永磁同步电机调速的发展 1 绪论 硕士论文 目前，永磁同步电机采用的调速策略主要有三种，各控制方案调速性能比较如表1 1 所示： 表1 1 永磁同步电机调速策略 凋速方案调速范围调运精度低速特性响应速度 调压调频窄( 1 ：1 0 )低 差 较慢 矢量控制宽( 1 ：2 0 2 0 0 )较高较好( 连续)较快 直接转矩控制 窄( 1 ：1 5 1 0 0 )较高较差( 脉动)快 ( 1 ) v f 控制 在交流调速策略上，最初采用了v f 的开环控制，由于没有引入反馈信号，无法实 时观测电机状态，不能实现电磁转矩的精确控制，仅在风机、水泵等无需精确控制的场 合有所应用。 后来发展到了转差频率控制，其优点是控制结构简单、成本较低，但控制性能还是 无法和直流控制相比，而且转矩响应慢，电机转矩利用率低，低速时存在定子电阻和逆 变器死区效应。 ( 2 ) 矢量控制的发展 1 9 7 1 年，德国的f b l a s c h k e 提出了磁场定向控制，也叫矢量控制，最早是用于异步 电机的，其基本思想是通过旋转坐标变换将强耦合的交流电机等效为直流电机，运用正 交变换矩阵对交流电机的复杂、多耦、非线性模型进行处理，最终得到一个与直流电机 控制模型极为相似的公式。通过对这公式的物理解释，确立了坐标变换、解耦、矢量 控制的思路，即将交流电机转换成为某种直流电机来控制，从而开创了矢量控制的先河。 后来这种控制思想被拓展应用到永磁同步电机控制中，其基本的控制思想是通过控 制垂直于转子磁链的定子电流来控制电机的电磁转矩。磁场定向矢量控制的优点是有良 好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可实现全负载。 随着工业领域对伺服系统的高性能要求，永磁同步电机矢量控制系统的应用具有广 阔的前景。高精度、高动态性能的永磁同步电机调速或定位控制性能，使得这一领域的 研究己成为中小容量交流调速伺服研究的重点之一【l 。 ( 3 ) 直接转矩控制的提出 1 9 8 5 年德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授首先提出直接转矩控制理论( d t c ) 。与矢量 控制不同的是，直接转矩控制既非致力于获取理想的正弦波形，也不强调磁场的圆形轨 迹，即不依赖于通过电流、磁链等量来间接控制转矩，直接转矩控制是把转矩直接作为 被控量来控制。从控制转矩的角度出发，直接转矩控制采用离散的电压状态和六边形磁 链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念，通过两点式调节器把转矩测量值与给定值作滞环的 比较，把转矩限制在一定的容差范围内【1 2 】。 直接转矩控制的不足在于在电机低速时有明显的电流和转矩的脉动，因而其控制系 4 硕士论文基于d s p 的高速高槽度f u j 服系统研究 统的调速范围有限。因此，如何提高d t c 控制方案的低速性能是现在许多学者深入研 究的课题。 1 3 5 伺服系统控制理论 ( 1 ) 传统p i d 控制 经典p i d 控制器就是利用比例、积分、微分对系统的误差进行计算得出控制量从 而对被控对象进行控制。p i d 控制器是应用最为广泛的调节器，具有结构简单、稳定性 好、工作可靠、调整方便等优点，一直以来是工业控制的主要技术之一。当我们不完全 了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，使用p i d 控 制最为方便。p i d 控制实际应用中也有p 控制、p i 控制和p d 控制。 ( 2 ) 智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r o l s ) 在生产力和科技高速发展的当今时代，基于精确模型的传统控制理论难以满足人们 对大规模、复杂系统不断提高的控制要求，在这一背景下诞生了以控制理论、计算机科 学、人工智能、运筹学等学科为基础综合发展起来的智能控制理论和技术。它是自动控 制技术的最新发展阶段，也是用计算机模拟人类智能进行控制的研究领域。目前智能控 制中应用较多的有专家控制、神经网络控制、分级递阶、遗传算法等理论和自适应控制、 自学习控制、自组织控制等技术。其中智能p i d 自学习控制、专家式智能p i d 控制、基 于神经网络的p i d 控制和模糊p i d 控制己得到较为广泛的应用。 智能控制的研究对象存在模型的不确定性，这点与基于确定模型的传统自动控制不 同。智能控制的模型未知或知之甚少、模型的结构和参数在很大的范围内变动，比如工 业过程的病态结构问题、某些干扰的无法预测，致使其模型无法建立，这些问题对基于模 型的传统自动控制来说很难解决【l 3 1 。 智能控制的关键问题不是设计常规控制器，而是研制智能机器的模型，在研究和设 计智能系统时，主要精力不放在数学公式的表达、计算和处理方面，而是放在对任务和 现实模型的描述、符号和环境的识别以及知识库和推理机的开发上。此外，智能控制的 核心在高层控制，即组织控制、对实际环境或过程进行组织、决策和规划，以实现问题 求解。符号信息处理、启发式程序设计、知识表示、自动推理和决策等有关技术常被采 用以完成这些任务，而这些问题求解过程与人脑的思维过程有一定的相似性，即具有一 定程度的“智能”。 当被控对象模型包含不确定性、时变、滞后、非线性、耦合等控制因素，且其他控 制手段难以获得满足性能时，智能控制理论可能获得适合要求的相应。智能控制也结合 常规控制的方法来解决“低级”的控制问题，即通过扩充常规控制方法建立一系列新的理 论与方法来解决更具有挑战性的复杂控制问题。 l 绪论硕士论文 1 4 本人的研究工作 论文首先详细论述了永磁同步电动机的数学模型及其矢量控制系统的理论，重点研 究了永磁交流伺服系统的位置环复合控制。给出了速度电流环矢量控制的仿真，随后在 矢量调速的基础上设计了位置环，分别分析了普通p i d 和智能p i d 控制理论和实现方法， 给出了仿真并对比分析了结果。 本文的主要内容： ( 1 ) 第1 章介绍了基于d s p 的位置伺服系统课题研究背景，简要阐述了伺服系统的 发展历史和现代伺服系统的发展趋势，并讲述了本文研究的主要内容。 ( 2 ) 第2 章介绍了永磁同步电机矢量控制的基本原理，并详细阐明了空间矢量控制在 m a t l a b s i m u l i n k 中的实现步骤。 ( 3 ) 第3 章对伺服系统位置环的仿真设计进行了阐述，并通过对仿真结果的分析对比 了经典p i d 和智能p i d 的优劣。 ( 4 ) 本文的第4 章和第5 章介绍了如何运用k o l l m o r g e n 速度伺服驱动器进行基 于d s p 的高速高精度位置伺服系统的软硬件设计。 6 硕士论文基于d s p 的高速高精度伺服系统研究 2 永磁同步电动机数学模型及其矢量控制 2 1 永磁同步电动机的数学模型 数学模型是研究实际对象的重要手段，建立能够反映研究对象本质规律的数学模型 可以得到对实际仿真对象得到更为深入的理解。所以为了更好的分析伺服控制，我们有 必要建立可靠明了的永磁同步电动机数学模型。 置榍轴线 绷轴线 线 图2 1 表装式单磁极p m s m p m s m 的定子与传统绕线式同步电动机的定子基本相同，转子结构与无刷直流电动 机类似，按永磁体安装形式分类，有面装式、插入式和内装式三种【l4 1 。 从上图中可看出，永磁同步电机的定子绕组与感应电机结构相同，三个电枢绕组空 间分布轴角互差1 2 0 电角度。假设感应电动势的正方向与电流正方向相反( 电动机原则) ， 并取反时针方向为转速正方向。 定义f 。为定子电流空间矢量，和在感应电机中一样，将它定义为： 2 2 坐标变化与矢量变换 = 信地棚忡：誓) ( 2 1 ) 永磁同步电机是一个多输入、强耦合、非线性系统，因此其电磁关系十分复杂。为 了简化分析，作出如下假设： ( 1 ) 电动机参数不随温度变化； 2 永磁同步i 乜动机数学模型及其矢量控制 硕士论文 ( 2 ) 永磁体材料的电导率为零； ( 3 ) 相绕组中感应电动势波形是正弦的； ( 4 ) 不计磁路饱和和转子阻尼绕组，忽略涡流和磁滞损耗。 取a 相绕组轴线作为定予静止参考轴，转子永磁体产生的磁场方向定义为直轴( d 轴) ，沿着旋转方向超前直轴9 0 度电角度的位置定义为交轴( q 轴) ，并且以转子直轴相对 于定子a 相绕组轴线的电角度作为转子位置角0 ，。 对于定子电流若采用坐标变化，则有： 或者： = 后 黔 c o s 0 ，c o s ( 0 r 一2 n - 3 ) e o s ( o + 2 z 3 ) ， 一s i n 0 ，一s i n ( 0 ，一2 z 3 ) 一s i n ( o + 2 x 3 ) 压压压 c o s 统 一s i n o e o s ( o 一2 z 3 ) 一s i n ( o 一2 z 3 ) e o s ( o + 2 z 3 ) ，一s i n ( 只+ 2 x 3 ) 压 压 店 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中e i s , 是a b c 轴系到d - q 旋转轴系的变换因子。 上述变化对于磁链和电压变换同样适用。 若由d - q 轴系计算出的电磁转矩等于电动机的实际值，两参考轴系间的输入功率应 满足式( 2 4 ) ： + “君+ u c i c = 蚴乞+ u a ( 2 4 ) 当满足功率不变约束时可证明，d q 轴系定子线圈的有效匝数应为原三相绕组每相 有效匝数的3 2 倍。 ( 1 ) 定子电压方程 以a b c 轴系表示的定子电压矢量方程为： h s = r sx i s + l s x d i s d t + d 押r e j ”r 、) d tq 5 、) 瓦为定子电压，己为定子电流，o r 为定子与a 轴夹角，伊，为每极下永磁励磁磁链， 硕士论文基于d s p 的高速商精度f u j 服系统研究 与磁极磁场轴线一致。 将此电压方程变换到d - q 轴系，可得： i “d = 足+ p 吼c o i 【= 足十p 伤十哆伤 d - q 轴系的磁链方程为： i2 乞 【纺。乞o + 纷 式( 2 7 ) 中，r 是项绕组电阻值；乞和乞是d - q 线圈的自感，且有： l 乞= k + 乞甜 1 乞2k + 式( 2 8 ) 中，丘，是d - q 轴线圈的漏感；和k 为两线圈的励磁电感。 由式( 2 6 ) - - - 式( 2 8 ) 可得： u d5r s i d 十p l d i d 一翻r l q i q u q = r 乒q + l q p i q 七国r l d i d + 翻r 9 f ( 2 ) 转矩方程 电磁转矩矢量方程为： t = p 。t 若以d - q 轴系表示，则有： l 收2 纺+ i s = i d 十j i q 由式( 2 1 0 ) 式( 2 1 1 ) 可得： 乏- p 。( 乇) 将磁链方程带入可得： 乙= 以( p ，+ ( 厶一乞) ) ( 3 ) 运动方程 p m s m 运动方程为： 2 3 永磁同步电动机的矢量控制 乏b q = 嚣害 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 矢量控制中定子电流被分解为相互正交的励磁和转矩两个分量，其中代表定子电流 9 2 永磁同步电动机数学模型及j e 矢量控制 硕二 论文 励磁分量的与磁链同方向，代表定子电流转矩分量的与磁链方向正交。具体来说，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转子磁链定向的两 相参考坐标系。 矢量控制的目的在于构造直流电机的调速效果，即维持励磁电流不变，通过控制电 枢电流来控制电机的转矩，从而使系统获得与直流调速一样的动态特性。 由上面永磁同步电机数学模型可知，d - q 坐标系下p m s m 的电磁转矩公式为： r2 p 。( 纺+ ( 幺一l q ) i j ) ( 2 1 5 ) 对于插入式和内装式转子结构，由于直轴磁路上有永磁体，所以幺 乞，磁阻转矩 与两电感差值成正比。对于面装式转子结构，乞= 乞，因此不存在磁阻转矩。此时转矩 方程变为： 乙= 岛妒，乞 ( 2 1 6 ) 因为是永磁转子，所以吩是一个不变的值，所以上式表明采用转子磁场定向的方法 使得乞= 0 ，就可以实现0 与d 轴垂直，从而可实现p m s m 控制参数的解耦和转矩线性化 控制。= o 的控制方案简单易行，而且此控制方法对面装式永磁同步电机而言每安培定 子电流产生的转矩值最大，即可以获得最高的转矩电流比值，电动机铜损耗也最小。这 是一种很有吸引力的运行状态。目前高性能伺服驱动系统在恒转矩运行区，面装式 p m s m 几乎都采用“磁场定向控制方式15 1 。 除了= o 控制，永磁同步电机矢量控制系统可以采用的电流控制方法还有转矩电流 比最大控制和弱磁控制。这些控制方法有其各自的特点，适用于不同的运行场合。 2 4 永磁同步电机矢量控制的m a t l a b s i m u l i n k 仿真 用于计算机仿真的软件有很多，其中m a t l a b 应用最为广泛。m a t l a b 是美国公 司m a t h w o r k s 开发的用于教育、工程与科学计算的软件产品。它集科学计算、自动控制、 信号处理、神经网络和图象处理等学科的处理功能于一体，具有极高的编程效率 16 1 。 m a t l a b s i m u l i n k 是基于w i n d o w s 环境下的图形程序，它是一种优秀的系统仿真工 具软件，具有模块化、可封装、可重载、面向结构图编程以及高速可视化等优点，大大 提高了系统仿真的效率和可靠性。 本文所提出的永磁同步电机交流位置伺服系统，即是在永磁同步电机矢量调速的基 础上，增加位置反馈控制环进行三闭环控制。为了更深入地对理论基础进行研究，本文 1 0 硕：l j 论文基于d s p 的高速t 荔精度们服系统研究 首先进行计算机仿真，对理论加以验证，并对实际系统的设计进行指导。本系统就是基 于m a t l a b s i m u l i n k 完成永磁同步电机交流伺服系统的动态仿真的。 2 4 1 空间矢量脉宽调制技术 空间矢量脉宽调制的英文全称n ( s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s v p w m ) ， 其特点是从电机角度出发，着眼于通过控制电机端电压，使电机获得幅值恒定的空间旋 转磁场。三相同步电机要求定子输入三相对称正弦电流的最终目的是在电机内产生圆形 气隙旋转磁场，从而获得恒定的电磁转矩【l7 | 。 8 0 年代中期国外学者提出了磁通轨迹控制的思想，而磁通轨迹的控制是通过空间矢 量脉宽调制技术实现的，它具有电压利用率高、低谐波成分、开关次数少和功率管功耗 小等特点【l 引。同时，s v p w m 还能很好的结合矢量控制算法，为矢量控制的实现提供很 好的途径，从而最大限度地发挥设备的性能，因此被越来越多的变频设备所采用。 与正弦脉宽调制( s p w m ) 技术相比，s v p w m 的输出电压或电机线圈中的电流都将 产生更少的谐波，对电源逆变器直流供电电源的利用效率提高约1 5 。典型的三相电压 源逆变器的结构如图2 2 所示。 图2 2 三相电压源逆变器 随着逆变器工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而相位每次旋转h i 3 ，直 到一个周期结束。这样，在一个周期中6 个电压空间矢量共转过2 兀弧度，形成一个封 闭的正六边形，如图2 3 所示。 夕l 矾一旦。 图2 3 一个周期中电压空间矢量 通常的三相电压型逆变器采用6 个功率晶体管，相应逆变器有8 个工作状态，分别 2 水磁同步电动机数学模型及其矢量控制 硕士论文 对应矢量模长等于2 u 3 的8 种电压矢量，包括两个零矢量状态 和 。s v p w m 通过这8 个空间矢量去近似合成圆形磁链轨迹，从而获得逼近圆形的电机实际气隙轨迹。 如图2 3 所示，以第1 扇区为例，通过相邻的两个电压矢量、以及零矢量来合成参 考矢量。根据伏秒平衡原则可得： 互u + 五+ 磊= e u j ( 2 1 7 ) 式( 2 1 7 ) q b ：石为作用时间；互为作用时间；r o 为零矢量作用时间；c 为脉宽 调制周期。此式的意义是：合成电压在c 时间内所产生的积分效果与u 、及零 矢量合成作用的效果相当。 将u 、以带入式( 2 1 7 ) 可得： 互= 麦( 3 一帆) 互= 历麦 ( 2 1 8 ) 毛= z 一墨一正 随着参考电压空间矢量的增加，输出电压的基波电压幅值也线性增加，逐渐减小， 但应满足： 黔正正 ( 2 1 9 ) 【v 0 0 、。 2 4 2s v p w m 算法的具体仿真实现 s v p w m 生成的算法很多，有三段式、七段式、比较判断式等，下面给出七段式的控 制算法。 根据以上原理分析，可以在m a t l a b s i m u l i n k 环境下构建各模块的仿真模型，具体步 骤如下 1 9 2 0 】： ( 1 ) 判断需要合成的电压矢量虬所在扇区。在应用s v p w m 技术时，首先要确定需要 合成的电压矢量配所在的扇区。根据、与扇区的关系，可以先作如下变换。 l 岛= b i = s i n 6 0 u o s i n 3 0 u # ( 2 2 0 ) 【垦= 一s i n 6 0 u , , s i n 3 0 u p 1 2 硕_ ：论文 基于d s p 的高速l 岛精度伺服系统研究 做式( 2 2 0 ) 变换的目的是为了将以、为横纵轴的坐标系以形3 角度均匀划分成 6 个基本扇区。为了能够判断出具体所在扇区，构造函数 p = 4 s i g n ( b 2 ) + 2 s i g n ( b i ) + s i g n ( b o ) ( 2 2 1 ) 则p 的值与扇区之间存在一对应关系。m a t l a b s i m u l i n k 扇区判断模块如图2 4 所 示： 图2 4 扇区判断 ( 2 ) t 1 ，t 2 计算 为了使合成的电压矢量幅值相等，每一个扇区需对应不同的相邻电压作用时间 t 1 ，t 2 。将6 个扇区的作用时间t 1 ，t 2 一一计算出，我们可以发现t 1 、t 2 的计算可以用 如式( 2 2 2 ) 所示的x 、y 、z 归纳表示。 x 、y 、z 可根据式( 2 2 2 ) 计算得出： x 一姬缸e k 爰( 3 + , 3 u e ) ( 2 2 2 ) z 5 毛( - 3 + 以) x 、y 、z 在m a t l a b s i m u l i n k 中实现模块如图2 5 所示： 2 永磁同步电动机数学模型及其矢量控制 硕士论文 图2 5x 、y 、z 计算 不同扇区对应的x 、y 、z 数值如表2 1 所示： 表2 1 不同扇区对应t l ，t 2 作用时间 p 值扇区号 t 1 t 2 ii izy 2yx 3izx 4 - x z 5m x- y 6 v y。z 对应表2 1 ，由x 、y 、z 计算不同分区t l ，t 2 的模块如图2 6 所示。得到t 1 ，t 2 之 后需根据式( 2 1 9 ) 进行饱和判断，若t 1 ，t 2 尚未达到饱和则可直接输出，否则需对其进 行比例限幅输出，以保证定子电压的线性合成。 1 4 硕士论文基于d s p 的高速高精度f 叫服系统硼f 究 图2 6 t 1 ，t 2 计算 ( 3 ) 经由上述仿真模块得到t l 、t 2 ，我们还需进一步对其进行处理以得到提供给逆 变电路的电压作用时间t 。、t b 、t c 。 令 t 。、t b 、t c 的计算模块如图2 7 所示。 ( 2 2 3 ) 图2 7 t 。、t b 、t 计算 由t a 、t b 、t c 可计算不同扇区对应的逆变器输入控制电压切换时间，用t 。”t b o ” k n 表示，如表2 2 所示： 4 乏 一 坦他t 一巧正 ，一j + + u 乃瓦 l l = = t 瓦i 2 永磁同步电动机数学模型及其矢量控制 硕士论文 扇区号 t a o nk 。t c o n i t a乃t c i i 乃t a 乃 i i i 疋t a乃 t c乃乃 v t bt ct a 乃t c乃 t a o n 、t b o n 、l n 计算模块如图2 8 所示，m u l t i p o r ts w i t c h 开关模块直接由扇区号n 控 制丌关输出，以完成表2 2 所示扇区中t 枷、t b o 。、t c o n 对应的输出时间。 c i ) 呈 薹兰 。_ q - - j 暮 图2 8t , o n 、t b o ”t c o n 计算 ( 4 ) p w m 驱动波形计算 t 。n 、t b 。”k 。作用时间与三角载波进行比较可以得到输入给逆变电路的p w m 控 制信号，实现模块如图2 9 所示，其中三角载波周期取0 0 0 1 秒。 1 6 图2 9 p w m 驱动波形计算 塑j 堡塞垄王q 望盐壶重量鱼堕型堕至丝坐塞 f 5 ) s v p w m 整体模块 将图24 图2 9 所示各模块连接在一起封装成s i m u l i n k 中的s v p w m 模块 s v p w i v l 整体仿真模块如图21 0 所示： 图21 0s v p w m 整体仿真模块 2 4 3p m s m 矢量变化调速控制系统仿真 ( ”典型p m s m 速度伺服系统如下图所示，有速度和电流两个闭环反馈，都采用p i d 控制进行调竹。 圈2 1 lp m s m 进度伺服系坑 2 水m 步电动m 数# 摊型e 燕量控制 顾l 吐女 r 2 ) m a t l a b s i m u l i n k 实现 分别将电流和转速输出反馈f u 输入端与输入信号相减便可以得到误差信号，误差信 号通过p i d 控制器输出提供给f 一环节的控制信号，以形成以电流环为内环、转速环为 外环的双闭环调速系统，具体仿真模型如图21 2 所示： 毋蕞地妊 田赣 剧2t 2m a t l a b s i m u l i n k 措建的p m s m 速度伺服系统 此系统采用m a t l a b s i m u l i n k 中提供的逆变器模块和p m s m 电机模型，测昌滇块输 出的d - q 轴电流和转速反馈信号直接提供给输入端，逆变器直流端电压为3 1 0 v 。 电机参数设置：岛= 匕= 8 5 x 1 0 一，r = 28 7 5 ，j - 08 x 1 0 ，极对数为2 。 p i d 参数设_ 茜! ：两电流环采川相p i 参数：p - 98 ，i = 26 ，d - 0 ：速度环p i d 参数为： p = 3 5f _ t d = 00 3 。 ( 3 ) 仿真结果 给点速度信号为阶跃信号：初始值为5 r a d s ，在0is 时跳变为9 0 r a d s 。 jj 4 乏s 嬲 弋n 一叫6 l w 6 l l iw 训 f 。1 ：l 幽2 1 3 定子三相电流渡形刚2 1 4 速度响应 ，一可 薄笋靴麓 堕堡苎苎士! 塑塑变重童堕堡! i 壁墨堑! ! 堕 刚2 1 5 转矩响应图2 1 6 逆变器输出端线电骶波形 由仿真结果可见，采用电压空间矢量调制的电机调速系统能够快速准确地跟踪系统 输入的速度指令，具有良好的调速性能。 2 5 本章小结 为了全面地学习伺服系统的运行机理，本章详细阐述了空间矢量控制的原理，并对 永碰同步电机矢量调速进行了仿真，详细介绍了仿真的实现步骤并给出了仿真结果。 3 永磁尉步电动机位置伺服系统仿真控制硕士论文 3 永磁同步电动机位置伺服系统仿真控制 3 1 永磁同步电动机位置伺服系统 伺服系统是反馈控制系统，即通过对系统的输出量和给定量进行比较组成闭环控 制。 位置伺服系统的根本任务是实现执行机构对位置指令( 给定量) 的准确跟踪，被控 制量( 输出量) 一般是负载的空间位移，当给定量随机变化时，系统能使被控制量准确 无误地跟随并复现给定量。位置伺服系统的位置指令是一个不确定变量，要求输出量能 够准确跟随给定量的变化，并能快速、灵活、准确地跟随位置指令的，所以，系统的跟 随脾i - r 厶匕1 5 一 , 是位置伺服系统的主要性能指标【2 。 为了提高驱动性能，永磁同步电机系统中广泛地采用级联环配置的结构形式。内环 为电流环，次外环为速度环，外环为位置环。如下图所示： 图3 1 永磁同步电机多环控制系统 位置环的作用：在电流环与速度环设计完成后，位置环控制实际上就是产生电机的速 度控制指令并使电机能够准确定位和跟踪，即通过给定的目标位置与电机的实际位置相 比较，产生偏差并通过位置调节器来产生电机的速度指令。位置控制要求输出位置量完 全复现输入位置量及其变化趋势，精确、快速地跟踪指令。位置调节器主要傈证系统静 态精度和动态跟踪的性能，它直接关系到位置伺服控制系统的稳定与高性能运行，即在 2 0 塑! 堡塞堡! 塑塑匝垄壹堑堕f _ 竖墨堑盟壅 保证定位精度、不产生位置超调的前提下使系统具有尽可能快的瞬态响应性能。 速度环的作用是保证电机的转速与指令值相一致、消除负载转矩扰动等因素对电机转 速的影响。速度指令通过与反馈的电机实际转速相比较，产生差值通过速度调节器产生 指令电流输八至电流环。速度调节器通常采用p i d 控制方式。速度环控制器设计的目标 是在保证系统稳定的前提下尽量扩展速度调节范围，加快动态响应，消除稳卷误差，同 时也要抑制负载和参数变化引起的扰动”。 具体而言速度环控制的主要特性有： m 能够快速响应给定指令，无静态误差； ( 2 1 对最高速度起限制作用； ( 3 1 对转动惯量等参数的变化不敏感； “】对外部扰动有一定的鲁棒性。 电流环的作用是使电机绕组电流实时、准确地跟踪电流参考信号，电流控制的目的是 使定子三相电流严格地跟踪正弦电流给定信号。为防止电机起动过程中，产生过大的电 流超调，电流控制器也可以采用p 1 控制器。对于p m s m 这样一种基于正弦波反电动势 的永磁电动机为了获得平稳的转矩，定子电流必须是转子电角位移的_ 下弦函数。所以 说电流控制是电动机转矩控制的基础。 3 2 位置伺服系统的仿真建模 电机运行过程中，其电机轴位移量不断变化，其位移：s 爿n d t ，s 为电机轴转过的位 移，它是对转速的时间积分，因此位移的控制可以通过控制转速来实现，而控制转速又 是通过调节电褪电流达到转矩控制实现的。因此，位移控制是最终通过电枢电流控制来 达到的。 位置伺服系统可以看做在调速系统的基础上外加一个位置环，位置环是位置伺服系 统的主要结构特征，因此位置伺服系统要比调速系统复杂一些。实际位置伺服系统如图 32 所示： 目3 2 位置伺服系统示意图 3m 避d 步l b 机口f d 采* 真柠制州 论立 完整的电动机位置伺服系统如图3 3 所示 蚓3 3m a t i a b s i m u l i n k 措建的完整三环伺服系统 图33 叫1 所示仿真巾位置输出量采用密尔( m i l ) f f 、j 单位，密尔与r a d 的转换关系为 l r a d = 6 0 0 0 ，( 2 p 订m i l 。此伺服系统的输入输出信号单位均采用m i i ，为使整个系统单位统 一，输入信号( 啦位为m i l ) 转换成t a d 后输入给伺服系统位置端，而输出信号与误差信号 f 单位为r a d ) 转换为m i l 后再提供给示波器进行观察。 盘m a t l a b s i m u l i n k 中我们将速度环和电流环封装在一个独立的子系统中，作为位置 伺服的速度驱动器，对速度环输出转速进行积分便可得到电机输出位置信号，此信号反 馈至输入端与输八信号比较后可得到位黄调节器的误差输入信号e ( t ) ，e ( t ) 通过位置控制 器后便得到输入给速度驱动的指令信号，这样处理使得位置伺服系统的概念更j j 清晰。 此外为了仿真的简化我们省略r 减速器，这样在控制参数的获取上会与实际系统存在 一定差异。最终的位簧伺服系统仿真如图34 所示。 坚：堡苎 楚! 塑塑l g 婆童堕鏖塑竖墨堕! ! 塑 驴电 图3 4m a t l a w s i m u l l n k 措建的位置伺服系统 图3