（电机与电器专业论文）基于irmck201的厚料缝纫机伺服控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t 舢o n g 砌lt l l ee n d l e s sd e v e l o p m e l l to fm o d e mi n d u s 时 a n dn e l l i g e 鸲 p e m a n e mm a g 口e ta cs e r v os y s t e mh a sb e c o m eo n eo f l ec n cs e r v os y s t e m r e s e a r c hf o c u s w i 也t 1 1 ed e v e l o p m e n to ft l l ei i l d u s t r i a ls e w i n gm a c l l i n ec o n 仃o ls y s t e m ， s e n r os y s t e m1 1 e e d st od e v e l o pb e t t e rp e r | o 眦锄c ea n ds t a b i l 咄 b a s e do nt l l ed b o v et e c l l l l i c a lr e q u i 衄e n t s ，t h i sp 印e rr e s e a r c h e do nt h e p e n l l a n e mm a 印e ts ) ，i l c h r o n o u sm o t o r 锄dh e a v yd l 姆s e 丽n gm a c m n ea i l dd e d u c t i o n h e a v yd u 够s e 而n gm a c h m es e r v oc o i l 仃o ls y s t e mb a s e do ni i 己m c k 2 01 f r o mn e e d s a n dt h e 劬c t i o n sf o rt l l eh e a v yd u t ) rs e 晰n gm a c l l i n e ，t h i ss y s t e md e t e m i n e dt l l e s e r v od r i v ec o n t r 0 1s c h e m eb a s e do nd s pa l l d t m c k 2 0 l ， s e l e c t e do n s e m i c o n d u c t o r ss 、析t c l l i n gp o w e rs u p p l yc 1 1 i pa l l d 己si m e l l i g e mm o d l l l e sa sm e c o r eo fm ed e v i c e 蹦v ec 硫u i t p r o c e e d i i l g 劬m 也ea b o v ed e v i c e s ，t h i ss y s t e m d e t a i l e dd e s i g l l e d 雠d r i v ec u 玎e n t ，t h ec o n 仃0 1c i r c u i t i y ，e x t 锄a 1f i 劬1 9 sc u 吒 p r o t e c t i o nc i r c u i ta n do t h e rl l a r d w a r ef o rt h eh e a v yd u _ t ) ，s e 诮n gm a c l l i n es e r v oc o n t r o l s y s t e m t u o u 曲a1 0 to fd e b u g g i n g ，t l l i ss ys | c e ma n 猷y z e dm eh a r d w a r er e l i a b i l 时锄d 嘲b i l i 彤b u i l th a r d w a r ed e b u g g i n gp l a t f 0 咖f o rh e a v yd u 够s e w i i l gm a c l l i n ew h i c h a u t o m a t i cc o m r o l st l l es e 谢j 冯m a c h 洫e o nt 1 1 eh a r d w a r ed e b u g g i n gp l a t f 0 肋，肿a 1 1 e n tm a 印e ts y n c h r o i l o u sm o t o f f i e l d - o r i e n t e dv e c t o rc o n _ n o la l g o r i t l l ma c l l i e v e dt l l r o u 曲c o n 缸d l l i n gt h ei i t m c k 2 01 埘mm ed s p p e n n 锄e n tm a _ g n e ts ) r 1 1 c h r o n o u sm o t o rr u l l i l i n gu s e dc u 玎e n tl o 叩a 1 1 d s p e e dl o o pp ic o n 仃o la 1 1 dd e a d - z o n eh e g r a ld i s c r e t ep i dp o s i t i o nc o i l t r o ll o o p a l g o d 衄 a r e rk 叫w a r ea i l ds o f h a r et e s t i n g ，t 1 1 i ss y s t e mr e a c h e dt h er l e e d so fh e a 、可 山蚵s e w i n gm a c l l i n e ，p r 0 v e dm ef e a s i b i l i 够o fl l i g h e rc o s ta n d 驰如i l i 饥h a dag o o d m 破e tp r o s p e c t s k e y w o r d s ：h e a v yd u 锣s e w i n gm a c h i n e ，i r m c k 2 0 1 ，s e n ，oc o n t r o is y s t e m ， n c p l3 3 7 i i l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。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，也不包含为获得堂姿盘堂或其他教育机构的学位或 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谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸望盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 致谢 值此论文完成之际，衷心感谢郭吉丰教授多年来对我的关心和指导，从研 究生录取之后，就开始对我细心栽培和教导，指引我在科研工作中不断进步，最 终使我顺利完成硕士学位论文。导师严谨求学的治学态度，精益求精的工作态度， 睿智幽默的学者风范都使我受益匪浅，将成为我一生受益的财富。借此，谨向导 师致以衷心的感谢和崇高的敬意。 感谢任军军和楼彦华，与他们一起度过了近三年的研究生项目研究阶段， 为完成项目而度过的无数个废寝忘食的日子，深深影响着我的科研能力水平提 升。 感谢师兄王剑、王波、王文浩、胡锡幸和刘涵等给予的帮助、支持和鼓励， 感谢师弟周卫华、白洋、刘洪玮和黎金良等在项目实施过程中提供的帮助，并对 同门师兄弟一并感谢，感谢在生活上，学习上对我的热心帮助和鼓励。 在硕士生涯中，感谢室友戴钦来、张伟和张建伟，挚友严国斌、刘雨佳、 王子辉、许明友、刘嘉明、邹乾、张龙飞、袁宝成和宋建焕等人，他们给予了我 莫大的友情和帮助，使我愉快和充实地度过这段难忘的时光。 最后，感谢自己的父母和亲人，他们给予我的理解和支持，无以言表，今 后需要用自己的实际行动去回报他们。 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 厚料缝纫机伺服控制系统 厚料缝纫机是厚料工业缝纫机的简称，在市场上主要作为工业缝纫机的特 种机而存在，主要使用于制鞋、沙发、集装袋、安全带、皮革、牛仔服和帐篷等 粗线厚料制品。近2 0 年来，随着中国鞋业和箱包制造业的飞速发展，速度和规 模已经远远超过了其他国家。据国家统计局数据显示，2 0 0 9 年前3 季度，工业 缝纫机行业生产高速平缝机9 5 9 0 7 5 台，中厚料缝纫机6 2 3 4 4 台，其中电控装置 缝纫机1 9 8 4 1 5 台，带电脑控制的缝纫机比例在不断增加，而且随着各种厚质材 料的缝制，厚料缝纫机市场份额也在不断加大。在技术不断更新，分工不断细化 的社会中，厚料缝纫机需求量也越来越大。随着普通工业缝纫机设备的完善，也 启动了厚料缝纫机设备的更新，对于新一代厚料缝纫机的更新换代，电控是关键， 现在平缝机的电控市场已经处于高速发展的前期，不管是电控企业，还是缝纫机 企业，都已经将电脑平缝机的概念植入普通客户中。作为电脑平缝机市场的一个 特种机，也将成为许多电控企业所瞄准的目标。但是厚料缝纫机对于普通工业缝 纫机有其特殊方法，主要是缝制的面料变厚，缝制面料变化大，增加了同步送料 装置，需要电机输出转矩变大。这样就需要对电机及其电机控制方式进行改进， 增强厚料缝纫机与机械的配合工作，将成本维持在企业能够接受范围内，所有这 些形成了一个系统的问题。 1 1 1 厚料缝纫机简介 厚料缝纫机的产生是伴随着缝纫机的发展而来，开始作为缝纫机的一种特 种机械而称呼。缝纫机是一种与纺织品相关的机器，可以将纺织品或者其他材质 的物品用线缝在一起，如果纺织材料的厚度或者硬度比较大时，需要更大的针， 动力更强劲的缝纫机，随着需求量的增加，厚料缝纫机也慢慢演变成一种特定的 称呼，区别于一般的工业缝纫机。两者的主要区别在于以下几点： 两者的挑线量不同，使用的缝纫机机针不同。 浙江大学硕士学位论文 绪论 厚料缝纫机的转速一般要低于平缝机， 使用的弹簧力和旋梭力要强。 两者的针杆行程不一样，厚料缝纫机的针杆行程比薄料机大。 厚料缝纫机的旋梭脱线需要比平缝机早，因为它的月亮圈没有尾巴。 我国是工业缝纫机的第一制造和使用大国，占全世界缝纫机产量的一半以 上，随着社会的发展，鞋类，箱包类，皮革类等厚料的不断使用，厚料缝纫机的 需求也不断加大。社会对先进科技使用到生产的需求也日益增加，使得对传统厚 料缝纫机的变革显得更加重要，电气化，智能化都是这个变革的趋势。 1 1 2 厚料缝纫机伺服控制系统发展现状 国外厚料缝纫机伺服主要集中在德国，日本，美国等几个国家，如德国的 杜克普阿德勒；日本的重机；日本的三菱【2 】；美国的胜家都在工业平缝机的基础 上，推出了电脑控制厚料缝纫机，并用稳定可靠的质量，深得广大中国用户的喜 欢，但是其高昂的价格，动辄上万，也让很多企业的生产成本都被迫提高，使得 很多企业不愿意更换新的机种，宁愿使用传统的厚料缝纫机来生产。而专业的伺 服驱动器企业德国的e f k a 公司，也在其工业平缝机电控基础上提供了厚料缝 纫机的方案，成为一些国内外企业的选择标准。 国内的厚料缝纫机伺服研究兴起于2 0 0 0 年以后，当贺欣，鲍麦克斯，方正， 杭州轻工业自动化研究所等国内企业在工业平缝机电脑控制市场上取得成功，他 们也逐步发展应用到厚料缝纫机市场。例如贺欣推出的h v p 9 0 控制器；鲍麦克 斯推出的a r 5 0 6 5 控制器；杭州轻工自动化研究所推出的k - 8 0 l t 7 5 控制器。这 些控制器大多是其原先工业平缝机控制系统的延伸，电机主要还是应用无刷直流 电机为主，只是提高了电机的负载能力，或增加了无刷直流电机的极对数。在控 制方法上面，主要也是针对无刷直流电机所做的调整，而非真正的矢量控制。所 以电机的最大转矩虽然增加了，但是在低速时由于转矩的使用方面存在缺陷，使 得厚料缝纫机容易出现卡针，电机停止运行，或者面料太厚不能过针等问题，对 生产使用产生一定的影响。并且这些控制器的应用范围很多局限于中厚料，对于 厚料，超厚料都不能正常使用。而对于永磁同步电机控制系统的研制，虽然很多 高校，如浙江大学，清华大学，上海交通大学，哈尔滨工业大学都有自己研制的 浙江大学硕士学位论文绪论 伺服控制系统，但是很多都是作为通用伺服而存在，不是功率太高，就是控制参 数比较复杂，如果要整合到厚料缝纫机伺服控制上去，靠伺服控制器和电机分开 搭建控制系统，虽然性能能够得到保证，但是价格却已经高于市场所能承受的范 围。如何应用伺服电机控制系统，将其移植到厚料缝纫机上，并且能够胜任超厚 料面料的使用，已经成为很多企业希望共同解决的问题。 目前，随着金融危机对产业影响的加大，国内对厚料缝纫机的需求逐步增 加，新一次产业换代即将来临，面对新一次厚料缝纫机的产业升级，厚料缝纫机 的电控设备是关键，需要具备“高精度，高可靠性，智能化”等特点，而传统的 离合电机系统终将会淘汰，新的厚料缝纫机伺服控制系统将成为产业发展的方 向。 1 2 永磁同步电机伺服系统 1 2 1 永磁同步电动机 永磁同步电动机于上世纪中期出现，与无刷直流电动机( b m s l l l e s sd c m o t o r ，b l d c ) 一起组成了永磁电动机，两者的区别是永磁同步电机的定子为 正弦分布绕组，控制要求输入三相对称正弦波电流，而无刷直流电动机定子一般 多为集中绕组，控制要求输入三相对称方波电流。其具有体积小，惯性低，功率 因数和效率高等特点，纵观其3 0 多年的发展史，它已引起了从事电机及驱动技 术研究的学者和科研人员的重视，现在已经广泛应用于中小型伺服控制系统中。 英国学者m e 玎i l l 【3 】最早提出了名为“p e m a s y n ”的永磁式交流电机的设计方 案。德国西门子公司随后成功研制了“b 谢e dm a g n e t ”转子。从1 9 7 9 年开始， 英国利物浦大学k j b i l l i l s 【4 】【5 墩授在永磁式同步电动机及其驱动系统的理论研 究和技术开发工作中，先后发表了有关永磁同步电动机结构、工作原理、性能放 系、参数估算以及驱动系统的稳定性分析和新型的转子位置检测装置等内容的学 术论文【6 】，对推动永磁同步电动机的理论及应用发展有极大的作用和影响。此外， 英国曼切斯特大学的b j c 1 1 a l m e r s 【7 】教授对永磁同步电动机变频运行时参数及性 能的分析，波兰学者p m p e t c 聃s 虹【8 】对永磁同步电动机最优模型跟踪控制位置驱 动系统的研究，意大利学者砧f i oc o i l s o l i 【9 】对永磁同步电动机等效电路的剖析， 浙江大学硕士学位论文绪论 都具有新颖性和开创性。 随着永磁同步电动机研究的不断深入，并且随着永磁材料工业的进步和发 展，使得永磁同步电动机在国外开始了生产及其应用。如美国通用汽车公司研制 成功的汽车用新型曲柄电动机，对原有普通型电动机进行重新设计，其外壳壳壁 较薄，用了钕铁硼永磁材料，使得电动机的体积和重量均减半。英国科尔西夫电 动机欧尼公司研制成功的新系列钕铁硼无刷直流电动机，与普通的稀土钐钴电动 机相比，具有性能价格比突出的优点。日本企业也陆续研制成功了永磁同步电 机，如日本的t 舭l a g a 眦s e 越公司研制成功的钕铁硼永磁式电动机和t b l 无刷 钕铁硼永磁电动机，其输出功率和其他性能指标比普通型永磁电机高得多。 我国占有世界8 5 以上的稀土资源，在开发永磁材料方面具有得天独厚的 有利条件，随着国外技术的发展，我国的科学研究单位和高等院校也积极参与永 磁材料的应用和开发工作，1 9 6 3 年，筹建了我国第一家微特电机专业研究所一 中国电子科技集团2 1 研究所。建所以来，主要从事永磁式微特电机及其组件的 研究、开发、试制、生产。累计研制各类微特电机和组件2 0 0 0 多个品种，取得 国家、部和市级以上重大科技成果奖3 4 0 多项【l l 】。国内专业研究单位和企业也开 展了永磁同步电动机的应用。在国内油田采油设备中，原先都以游梁式抽油机为 主，后改为抽油机专用永磁同步电动机，其效率从3 0 增加到了8 0 左右，如 中国石油天然气集团公司工程节能技术研究开发中心开发的耵吖c 系列抽油用 永磁同步电动机，与原有异步电动机相比，平均运行电流可降低5 0 左右，平均 运行功率因数由o 5 左右提高到0 9 以上，节电效果十分显著。随着全球对能源 的重视，现在电动汽车和混合动力汽车的研发都很前沿，为了能够获得效率高， 转矩密度大，调速范围宽的伺服系统，永磁同步电动机理所当然作为首选，现在 国内的上海安乃达驱动技术有限公司，北京中纺锐力公司，宁波韵升，长城电工， 卧龙电气都有这方面的产品【1 2 】。而在纺织行业，尤其是工业缝纫机发展的迅速， 每年生产的工业用缝纫机都在几百万台。虽然现在大都是无刷直流电机，但是随 着对缝制材料的多样化，转矩需求的增加，永磁同步电动机也开始作为厂家关注 的重点，上海鲍麦克斯，杭州轻工业自动化都在努力推出自己的产品。因此，无 论从技术上还是生产成本上，永磁同步电动机的发展时机已经到来，现在国内的 永磁同步电动机不论在其本体的研究，实体的应用，以及控制算法，控制策略的 4 浙江大学硕士学位论文绪论 研究上，获得了较大的成功，但与国外先进技术相比还有一定的差距，需要我们 不断去提高。 1 2 2 永磁同步电动机伺服控制系统 伺服系统主要指控制量( 系统的输出量) 是机械位移或位移速度，加速度 的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移( 或转角) 准确地跟踪输入的位移 ( 或转角) ，其有液压伺服系统，起动伺服系统以及机电伺服系统，前两者都已 经过了繁荣时期，而机电伺服系统，尤其电动机交流伺服，则是在近十几年来才 开始发展，还远未到其繁荣发展阶段。永磁同步电动机伺服控制系统与永磁同步 电动机，微处理器技术，电力电子器件，传感器技术，p w m 控制技术，控制理 论等方面密切联系，以下就从上述几个方面的发展来论述永磁同步电动机伺服系 统的发展方向。 微处理器 微处理器的发展是伺服系统控制的核心，其运算能力的不断加快，外部资 源的不断增加，高可靠性及其灵活的控制，都是伺服系统得以快速发展的基础源 泉，它分为通用的永磁同步电动机控制处理器和专用的永磁同步电动机处理器。 前者主要包括d s p 和f p g a ，也有部分使用到了单片机，后者主要以i r 公司为 主，如i r m c l q 0 1 ，瓜m c l q 0 3 及其i i m c f 4 3 l ，但是其如果需要配合外围比较 复杂工作时，仍需要配置d s p ，单片机作为控制器，所以很多科研机构都选择前 一种作为研发首选。对于通用微处理器，以n 的c 2 0 0 0 电机专用控制d s p 为主， 这里一方面是因为科研机构原先都使用t i 的d s p 来做其它电机控制，上手相对 比较快，使得其作为后续开发的首选。另一方面，因其本身的特点十分适合永磁 同步电动机伺服控制系统使用，主要由以下几个方面的特点【1 3 1 ： 片内有大容量的f l a s h 存储器，能够拥有高速的删和r o m 。 能够有多个用于定时中断的定时器。 能有检测正交编码脉冲电路的( q e p 电路) 和捕获脉冲的( c a p 电路) 及 其相关计数器。 内嵌的p w m 产生电路和死区设计电路，最好能有产生s v p w m 的电路， 方便进行电机矢量控制。 浙江大学硕士学位论文绪论 拥有高速的a d 转换器，用于电压，电流信号的检测。 各种外部通信接口，s c i ，s p i ，c a n ，并口等等，方便外部扩展。 看门狗定时器模块及其系统保护复位电路。 有多个外部用户中断，可以供用户及时处理外部事件的发生。 更多可单独编程或者复用的i o 口，方便外围功能的实现。 这些特点的存在，使得我们在选择永磁同步电动机控制系统微控制器时， 考虑使用d s p 方案，并且由于不断发展，也为伺服控制系统控制方法及其策略 的实现提供了可行性，方便开发人员开发代码。 电力电子元件 电力电子元件的发展决定着交流永磁电动机伺服控制的发展。就如没有电 力电子元件的发展，不可能有现在的现代化，不可能有手机，电脑的发展，没有 电力电子元件发展也不可能有微处理的产生，更不可能有永磁同步电动机伺服控 制的发展。它的发展决定着交流伺服两方面发展，一个是控制器的发展，前面已 有叙述，另一个是驱动器件的发展。尤其是新型可关断器件的实用化，为高频 p w m 技术实现提供保障。从原先的晶体管到m o s f e t ，到现在的i g b t ，i p m 模块，电力电子元件的每一次发展，都带动着永磁同步电动机伺服系统的发展。 而如今，随着口m 的发展，使得驱动电机变得更加便捷，具体的优点有以下几 爪【1 4 】 外围硬件电路十分简单，一般都有参考设计，用户只要根据自身需要更改 几个参数亦可。这使得驱动控制变得简单，只要其控制端口和d s p 的p w m 驱 动电路相连就可。 内含多种保护，一般有过温，过流，短路电流等检测，对功率芯片进行可 靠的保护，并且有特殊关断口，能关闭所有输出电路，保护芯片不受损，保护控 制回路工作。 其高集成度的实现，对器件优化内部线路，内部芯片开关瞬间，浪涌电压， 噪声干扰，门极保护都比单独用i g b t 搭建可靠。并且芯片的集成，对于整个系 统控制板上的干扰也减少很多，能够获得良好的e m i 效果。 传感器 传感器是永磁同步电动机得以快速发展的推动者。虽然现在无传感器技术 6 浙江大学硕士学位论文绪论 成为近年来研究的热点，但是在全速范围内的稳定运行和初始位置检测还没有一 个完美的方案，现阶段，能够很好应用永磁同步电机伺服控制方案中，有传感器 还是最初采用的方案【1 5 1 。传感器主要用来进行闭环控制，根据需要检测位置， 电流，速度等。位置和速度集成使用，一般称为位置传感器，有光电式编码器和 磁电式编码器两种。前者有增量式和绝对式之分。后者有霍尔传感器和旋转变压 器之分。而电流传感器有线性电流传感器和霍尔电流传感器，前者需要配合采样 电阻使用，两者都用来采样电机定子电流，采样的电流方便进行矢量控制或者恒 转矩控制。 控制方法和策略 永磁同步电动机伺服控制系统的控制方法和策略主要应用于电动机的调 速，保证其动态和稳态性能。相对于直流电动机，永磁同步电动机具有强耦合， 非线性及多变量的特性，为了能够获得较好的调速性能，保证其转动脉动的变化 不要太大，需要有比较复杂的控制算法。现在有研究并且开始应用的控制方法有 恒压频比控制，矢量控制，直接转矩控制。 ( 1 ) 恒压频比控制 恒压频比控制1 6 1 原先主要用在感应电机上，是作为变频器上常用的主要方 法。永磁同步电动机的转速严格跟随电源频率变化，这种运行方式常用于开环控 制，小容量多电机拖动系统中，也正是其简单控制方式，现在还应用于一般的调 速系统中。但是永磁同步电动机是一个非线性，多变量的多动态模型，所以恒压 频比控制在转子振荡，失步等问题上都存在很大的问题，需要用非线性控制器来 解决永磁同步电动机的非线性特性。 ( 2 ) 矢量控制 矢量控制作为现在永磁同步电动机调速应用最广泛，最成熟的方案，拥有 良好的调速性能。此方案由德国西门子公司f b 1 a s c l l k e 在1 9 7 1 年提出，第一次 使交流电机控制理论获得了质的飞跃。矢量控制的基本思想是【1 7 1 ：在普通的三 相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将 三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分 量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特 性。因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。 浙江大学硕士学位论文绪论 矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终实施对i d ，i q 的控制。其发明至今有 近4 0 年时间，技术趋于完善，成为了高性能交流伺服系统的首选方案。 ( 3 ) 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国学者m d 印e n b r o c k 【1 8 1 首次提出了直接转矩控制理论，是继矢 量控制之后发展起来的一种新型高性能交流变频调速技术。直接转矩控制采用控 制定子磁链的方法，在定子坐标系内，采用定子磁场定向，将定子电流，电压进 行3 2 变换，借助瞬时空间矢量理论，通过检测定子电压和电流，在定子坐标系 下计算电动机的磁链和转矩，将给定值与反馈值的差值通过离散的转矩方程选择 电压矢量的状态，实现磁链和转矩的直接控制。 但是作为最新提出的理论，虽然现在已有理论和文献来对直接转矩控制进 行了论述，也有科研单位利用此理论到永磁同步电机控制系统中去，但是由于直 接转矩控制利用转矩和定子磁链的控制，不可避免地会产生转矩脉动，特别在低 速时，定子电阻上承受了大部分电压，使系统的低速性能变差，调速范围受到限 制等问题，这些问题还有待于进一步去提耐1 9 1 。 相对于控制方法，控制策略则比较多，而且其对时变和非线性系统具有令 人满意的效果，已经用的比较成熟的有自适应控制，变结构控制和人工智能控制。 自适应控制是随着控制对象的复杂化，当动态性能发生不可预测的变化时在线调 节控制器的参数，从而适应被控对象参数的变化。主要应用于永磁同步电动机调 速系统中的速度和位置辨识【2 0 】。变结构控制中应用比较广泛的有滑变结构控制， 它采用一种开关控制算法，使系统响应在相平面跟踪预定的轨迹，而不受被控对 象的参数变化和负载扰动的影响，能够较好解决动态和静态性能指标之间的矛盾 【2 1 1 。人工智能控制，如模糊控制，神经网络，遗传算法，是近年来迅速发展和 应用的控制策略，开始时应用在数学方程和数学分析，然后逐渐应用到工业控制 中来。在永磁同步电机调速理论中，智能控制理论模仿人的思维判断过程合理地 对控制规律进行选择和整定，获得了良好的效果。当然，这种控制理论现在还主 要应用于人为参数的调节过程中，还未形成完善的理论及其调试方法，需要进一 步完善开发。 8 浙江大学硕士学位论文绪论 1 3 论文主要工作 伺服控制技术是一门集电机技术，电力电子技术，微处理器技术和控制理 论于一体的交叉技术，而厚料缝纫机伺服控制技术又增加了机械控制，不仅需要 有电的理论，也需要机械的理论，是机电一体化技术，它需要不断研究和实践， 两者只有紧密地联系起来，才能获得很好的效果。我国产业革命的升级过程中， 必须要有更多的学者和科研机构对其进行系统地研究并且产品化，才能将科技能 力不断地往上提升。本文的研究，基于企业研发厚料缝纫机伺服控制系统，需要 考虑实际生产成本，产品竞争力和产品开发生命周期等因数，使论文在方案选择， 芯片应用上面花费了大量的时间去论证。这里，把实践的过程集合总结成文，具 体论述厚料缝纫机伺服控制系统的研制。 论文共分为六章，系统地介绍了厚料缝纫机伺服控制系统的设计思路，软 硬件设计，产品样机开发与性能测试结果，主要内容如下： 第一章，主要介绍了本课题产生的背景，概述了厚料缝纫机及其厚料缝纫 机伺服控制系统发展的现状，综述了永磁同步电动机的发展及其控制系统的构成 与发展。 第二章，主要分析了永磁同步电动机的数学模型，在此基础上详细说明永 磁同步电动机矢量控制的原理，结构及其实现方式，并分析矢量控制中关于磁场 定向控制的理论，为实现永磁同步电动机矢量控制做好理论基础。 第三章，系统说明基于w c l q 0 1 厚料缝纫机伺服控制系统，分析了硬件 各部分电路的设计方法和注意事项。 第四章，分析了厚料缝纫机伺服控制系统需要实现的功能，并且根据功能 设计软件的组织结构和各子功能模块的实现方法，给出了软件的流程图和主程序 框图，对搭建的实验平台进行软件编程，功能测试说明。 第六章，对全文进行了总结和展望。 9 浙江大学硕学位论文m 磁同步电动帆结构发其矢量控制 2 永磁同步电动机结构及其矢量控制 i r m c k 2 0 1 是美国国际整流嚣( h 锄撕o n 甜r e n i 五e r ) 公司开发的数字运 动专用芯片，主要用在感应电机和永磁同步电动机上的控制上。图2 1 为 i r m c k 2 0 1 的系统框图【埘，从中可以发现它有电流传感器接口，编码器接口， 外围通信接口，及其控制启停和调速的一些口，内部有硬件实现的f o c 算 法和速度电流闭环控制算法，通过外围的一些接口，直接配置成单独的永磁同步 电动机伺服控制系统，具体的工作原理将会在第三章中具体详述。本章将对 i r m c k 2 0 1 组成的伺服控制系统中所用的永磁同步电动机，具体分析它的数学模 型以及矢量控制理论和具体实现。 圉2 l i r m c k 2 0 l 的兼统框圈 2 1 永磁同步电动机的数学模型 永磁同步电动机的主要特点是定子有三相交流绕组，转子为水磁体图22 是一台2 极水磁同步电动机的简易物理模型。为了方便分析电机方程，最常用方 法就是将其按照d q 轴坐标建立模型。如在简易物理模型中将a 相绕组轴线作为 空间坐标的参考轴线，为a 所示，取永磋体基波磁场轴线( n 极方向) 为d 轴( 直 浙江大学硕士学位论文永避同步电动机结构及其矢量控制 轴) ，q 轴( 交轴) 为d 轴逆时针方向旋转9 0 。，印q 轴超前d 轴9 0 。电角度 囤22 永硅同步电动机简化模型 永磁同步电动机本身是一个多变量，非线性，强耦合的系统，为了方便建 立d 日轴数学模型，先对电动机作如下假设8 ”： 不考虑磁路的饱和效应，认为其是线性的； 忽略磁滞和涡流损耗： 转子无阻尼绕组： 三相定子绕组完全对称且各绕组轴线互差1 2 0 0 ； 当定子绕组加上三相对称正弦电流时，气隙中只产生正弦的磁势，无高次谐 波： 永久磁体在气隙中产生的磁场呈正弦分布，无高次谐波，且水磁体产生的磁 链与定子完全交链。 经过如上假设，永磁同步电动机复杂的模型可以简化为d q 同步旋转坐标系 下的数学模型。其磁链方程表示为“1 ： 虬；y ，+ 厶 ( 2 - 1 ) = 厶 ( 2 _ 2 ) 相应的直轴定子电压蚴和变轴定子电压表达式为 h = 置+ p 虬一吐虬 ( 2 3 】 = r k + p + q p 0 ( 2 - 4 ) 上式中，为定子电流直轴分量和交轴分量；，雌为磁链直轴分量和变轴 浙江大学硕士学位论文 永磁同步电动机结构及其矢量控制 分量；少，为电机的励磁磁链；厶，厶为直轴和交轴的同步电感；足为电动机定 子电阻；p 为微分算子( p = 兰) ；吧为电动机电角速度。将式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) d t 代入( 2 3 ) 和( 2 _ 4 ) 可以得到 蚴= r + 厶p 屯一q 厶岛 ( 2 _ 3 ) = 足+ 厶p 乇+ 魄厶易+ 吃吁 ( 2 - 4 ) 从上面两个算式可以得到永磁同步电动机在d q 轴上的等效电路图。 尺 工 图2 3 直轴( d 轴) 等效电路 r 图2 4 交轴( q 轴) 等效电路 根据电磁转矩矢量方程得到永磁同步电动机输出转矩为： 瓦= 妄见虮 ( 2 - 5 ) 式中，i 为电磁转矩；n 为电动机极对数；y 。为定子磁链矢量，虬= + 如。； 为定子电流矢量，= 屯+ 只；以d q 轴表示时，( 2 一1 ) 和( 2 - 2 ) 代入式( 2 - 5 ) 得到： t = 妄p 。 吁+ ( 厶一厶) 屯】 ( 2 6 ) 根据机电运行原理，可以得到永磁同步电动机的运动方程为： 浙江大学硕上学位论文永磁同步电动机结构及其矢量控制 t = 善p q + 生q + 瓦 ( 2 7 ) p np n 式中，j 为转动惯量；乃为磁滞摩擦系数；互为负载转矩。 上述电压方程，磁链方程，转矩方程和运动方程构成了永磁同步电动机的 数学模型。 2 2 永磁同步电动机矢量控制 2 2 1 矢量控制原理 在电机运行过程中，永磁同步电动机的转子磁场与定子磁动势之间的空间 角度是不固定的，而且随着负载的不断变化，它也会随之变化。为了方便对电磁 转矩进行控制，我们必须要对定子电流进行控制。而如式( 2 6 ) 所示，如果我们能 够对屯进行确定，那么之也将随之确定下来，转矩z 也能够稳定控制。矢量控制 就是建立在这个基础上，通过坐标变化，把永磁同步电动机等效成直流电动机， 然后对定子电流的相位和幅值进行控制，从而将永磁同步定动机模拟成他励的直 流电动机，能够方便的控制，矢量控制真正控制的就是，乞两个电流分量【2 6 1 ， 其系统框图如图2 5 所示。而控制两个电流分量主要经过对电流的检测，然后再 进行坐标变化。 矢量控制需要获得d q 轴的电流并对其进行调节，故先将检测的电流或者电 压值进行处理，并3 2 变换，获得，乇，通过系统内部的电流p i 调节获得两相 电压，在通过反变化到3 相电压，通过s v p w m 技术驱动永磁同步电动机，整 个流程就是矢量控制的过程。 浙江大学硕士学位论文永磁同步电动机结构及其矢量控制 2 2 2 矢量控制的实现 图2 5 矢量控制系统框图 从前一节，我们已经分析了矢量控制的原理，其原理的实现就是矢量控制 的具体应用。矢量控制的实现方案有很多种，但主要从电流控制角度来实现，从 上图2 5 可以看出，需要实现矢量控制，首先需要对电机一些状态量进行检测， 主要包括电机电流屯，屯，f c 的检测，实际只需要检测其中2 相，以及电机转子 位置的检测，用来获得电流相位值。下一步需要对检测的电流值进行变化，获得 d q 轴的电流值，也就是需要矢量变换，对计算获得的电流值进行调节，还原成 实际的永磁同步电动机。本论文选择了上述的控制方法，不考虑弱磁，令屯= o ， 定子电流全部转为转矩电流，该控制方法也就是转矩电流比最大控制具有相应的 优良特性，下面就对坐标电流的变化进行分析。 在稳态情况下，定子三相电流乞+ + t = o ，我们只需获得其中两相电流值， 另一相也就可以获得。从三相电流变化到同步旋转的d q 轴，可以由下面的公式 获得【2 7 1 。 陆店( ： 11 1 22 o 压以 22 ( 2 8 ) 式中的秒是实测的转子磁极轴线位置。在此式中已将永磁同步电动机等效为 一台他励的直流电动机，其中屯= o ，只需要控制就相当于控制直流电动机的 1 4 浙江大学硕士学位论文永磁同步电动机结构及其矢量控制 电枢电流。 对于乞，的调节方法，可以使用直流伺服系统的控制方法，一般电流调节 使用p i 调节器，我们的系统也使用的是p i 调节，对于调节好的岛，之再通过控 制三相电流乞，之来实现，对于定子电流的控制，最终通过s v p w m 来调节 定子电压来实现。但不管怎样需要将他励直流电动机还原成实际的永磁同步电动 机参数，需要对d q 轴参数反变换a b c 轴。可以由上式( 2 8 ) 反变化获得： 胎 c o s 目 一s i i l 口 c o s ( p 一冬) 一s i l l ( 护一娶) jj 州p 一争痂( p 一等) ( 2 9 ) 如此变化后，采用适当的p w m 技术控制逆变器的输出，就可以跟踪电流 的变化，实现永磁同步电动机的矢量控制。 2 2 3 磁场定向控制原理 磁场定向控制是实现永磁同步电机矢量控制的常用的解耦控制算法，希望 将普通的三相永磁同步电动机模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标 上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量， 并使得两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别进行调节。永磁同步电动机的矢 量控制，从原理上和特征上就和直流电动机相似了。磁场定向控制方法主要由两 种，一种是基于转子磁场定向的控制，另外一种是基于定子磁场定向的控制，两 者各有特点，但从控制的简便性和使用性来说，基于转子磁场定向控制使用比较 多。本系统矢量控制的实现也是基于转子磁场定向控制来实现的。 转子磁场定向控制口8 1 实际上是将d q 轴同步旋转轴在转子轴上，随转子同步 旋转，其中d 轴与转子轴磁场方向重合，q 轴超前d 轴9 0 。电角度。如果d 轴能 够严格保证与转子轴同步，并且在基速下运行，不考虑弱磁，那么= o 。就无直 轴电流分量。如此式( 2 6 ) 就可以简单的变化为式( 2 7 ) 2 乏= p 。彩r ( 2 7 ) _ f 。2 ：p 。彩r 0 tz ，j 浙江大学硕士学位论文 永磁同步电动机结构及其矢量控制 由于是永磁同步电动机，其缈，为常数，因此电机的转矩只与相关，只要 调节乞，就可以方便控制转矩。因此对于转子磁场定向控制的关键是需要保持 易= 0 ，且乞一直保持与d 轴垂直，那么基于转子磁场定向控制就可以很方便控 制电磁转矩，实现矢量控制。 基于转子磁场定向控制的矢量控制，控制的前提是沙，幅值恒定，只要控制 电枢磁场，就可以控制定子磁场，在恒转矩运行去，控制之就可以控制电枢磁 场，因此定子磁场帆也可控，但是在恒功率运行时，乞与f d 不存在严格意义的正 交，屯o ，那么电枢磁场也会变化，随之定子磁场也有变化，这样会影响电动 机的运行特性。也正是为了有效控制定子磁场和获得良好的电动机运行特性，基 于定子磁场定向的矢量控制可以通过控制定子磁场的幅值和定子电流的分量，来 控制电磁转矩，一般使用m t 轴，m 轴与定子轴同步。 2 3 小结 本章分析了永磁同步电动机的数学模型及其等效电路，主要解析了其在d q 坐标轴上的各种状态方程，提出了基于转子磁场定向的矢量控制，阐述了矢量控 制的原理及其实现的方法，需要通过定子电流的解耦来获得d q 轴电流，最后分 析了磁场定向控制原理，说明我们使用的基于转子磁场定向的控制方法，并提出 了其不足之处。在具体的实际使用中，鉴于实用性和简易型，我们选择了基于转 子磁场定向控制的矢量控制方法。 1 6 浙江大学硕士学位论文基于i r m c k 2 0 1 的厚料缝纫机伺服控制系统硬件设计 3 基于i r m c k 2 0 1 的厚料缝纫机伺服控制系统硬件设计 3 1 厚料缝纫机伺服控制系统的实现 厚料缝纫机的伺服控制系统主要包括以下几个方面，一个是电源模块，包 括对市电2 2 0 v 交流电的整流滤波和直流电源通过开关电源斩波到低压电源供给 控制板和驱动板使用。其次是驱动板，主要包括i l u c k 2 0 1 和i r a m x l 6 u p 6 0 a 作为伺服电机驱动模块，它通过自身控制，确保伺服电机能够正常运行，并能通 过调节电流环和速度环，响应外部对电机转速和转矩的要求。另一个重要的模块 是控制器模块，主要通过d s p 来调节i i 蝴c k 2 0 1 的参数来对速度进行控制，并 通过对电机运行位置的控制来控制厚料缝纫机的停止、起动，对厚料缝纫机的整 个功能进行控制，最后就是人机界面和各种外部传感器的设计，并且确定各种保 护信号，对系统进行保护，保证整个系统正常工作，主要的系统框图如下图3 1 所示。 图3 1 厚料缝纫机伺服控制系统框图 浙江大学硕士学位论文基于i r m c k 2 0 1 的厚料缝纫机伺服控制系统硬件设计 3 2 厚料缝纫机伺服控制系统驱动电路设计 厚料缝纫机伺服控制系统的驱动电路包括a c d c 、d c d c 和d c a c 三个 过程。输入的三相或者两相交流电，经过整流和滤波得到直流电压供给系统使用， 其中一部分需要降压成低压电源供给整个控制系统应用，而大部分直流电源需要 供给逆变器，逆变成a c ，驱动永磁同步电动机工作。因此对系统驱动电路的设 计也分成3 个部分，a c d c 部分，主要包括整流和滤波电路；d c d c 部分，需 要将整流出来3 0 0 v 的电压降压到+ 1 5 v ，+ 5 v ，+ 3 v 等低电压供给控制系统使用， 本文的设计基于n c p l 3 3 7 准谐振多路开关电源，用于控制回路的电源供给； d c a c 部分，也就是逆变电路部分，综合多个方面考虑，使用了智能功率模块 作为功率器件组成系统的逆交部分。 3 2 1 整流及其滤波电路 整流和滤波电路是对交流供电进行处理的环节，由于我们后端使用开关电 源作为直流斩波电路对电源进行降压，需要我们在电源的输入加入滤波功能，一 方面用来抑制电网的噪声对电源本身的侵害，尤其是开关电源是一个很大的干扰 产生源，更需要提高我们供给开关电源的电源质量，另一方面，也可以抑制由开 关电源产生并向电网反馈的干扰。电源线上的干扰有共模干扰和差模干扰两种方 式【2 9 1 ，共模干扰存在于电源的任何一相对大地回路，它们大小相等，相位相同。 差模干扰存在于两根电源线之间的传输回路，它们大小相等，相位差相差1 8 0 度。对于滤波电路的设计主要是考虑差模和共模信号的消减，前者可以用万型滤 波器，如图3 2 所示，l ，c 。一起组成差模滤波回路；l 和c ，一起组成共模滤波 回路。图中l 为滤波扼流圈，其两个线圈绕向一致，对共模噪声来说相当于一 个大电感，能抑制共模噪声，并且加上c ，对地并联电容，进一步对共模噪声起 到抑制作用，可以使用y 2 安规电容。c ，为差模滤波电容，和l 组成可以抑制差 模信号，其一般使用x 2 安规电容。在滤波元件选择过程中，需要保证输入滤波 器的谐振频率低于开关电源的工作频率。 浙江大学硕士学位论文基于i r m c k 2 0 l 的厚料缝纫机伺服控制系统硬件设计 a 掰 b 图3 2 厚料缝纫机电源滤波原理图 对于电源的整流环节，主要考虑两个环节，一个是电解电容的选择，另一 个是软启动电路【3 0 1 的选择。对于电解电容的选择主要考虑电容的耐压，容量， e s r 等几个方面，根据系统的耐压要求，瓜m c i q 0 1 的过压设置在4 1 0 v 直流电， 根据耐压的裕量考虑，这里选择4 5 0 v 额定电压的电解电容，对于整流的电解电 容，容量越大越好，但是考虑到价格，封装等因数，最后使用2 个3 3 0 u f ，并且 使用并联电路，减少电容的e s r ，如图3 3 中的c 1 ，c 2 。 由于输入电路采用了大电容电解电容，在输入电路合闸的瞬间，由于电容 器上的初始电