（机械电子工程专业论文）基于dsp的全数字pmsm伺服系统的研制.pdf

摘要 永磁交流伺服系统作为数控机床、工业机器人等的重要驱动装置，随着 现代控制技术和先进的电子元器件的发展达到了很高的水平，在现代工业生 产中获得了广泛的应用。 为加强交流电机伺服控制的教学和研究工作，本文对永磁同步电机交流 伺服系统的控制技术进行了深入研究，并在此基础上，设计并制作了一套永 磁交流伺服电机的数字控制系统。 本文首先建立了永磁交流同步伺服电机在d q 坐标系下的数学模型，给 出了从静坐标系到动坐标系的坐标变换方程。 然后比较了现有的几种实现矢量控制的方法，确定了本系统采用= 0 的控制策略。在此基础上，采用基于空间矢量p w m 技术实现了伺服电机驱 动器的逆变控制。 硬件系统以t i 公司的高性能控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心， 以三菱公司的智能功率模块( i p m ) p m 2 0 c s j 0 6 0 为功率变换装置：应用复 合式光电编码器实现转予位置精确定位，并得到速度反馈值：应用霍尔电流 传感器实现电流反馈。系统集成度高，方便实现数字化控制。 利用模块化的设计思想设计了系统的软件。给出了s v p w m 的实现方 案：设计了电流环和速度环的p i 调节器；给出了速度和位置反馈的计算方 法。 关键词交流伺服系统：永磁同步电机；矢量控制；数字信号处理器 ：= ：! ：= ： 皇堡鎏三些奎兰i ! 兰堡圭耋堡篁! ! ：一= = ：! ! ! ! ： a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r nc o n t r o l t e c h n o l o g y a n da d v a n c e d e l e c t r o n i c c o m p o n e n t s ，p e r m a n e n tm a g n e ta cs e r v os y s t e m ，a s a l l i m p o r t a n t d r i v ep a r to fd i g i t a lc o n t r o lm a c h i n e sa n di n d u s t r i a lr o b o t s ，h a sd e v e l o p e dt oa h i g hl e v e la n d h a sb e e n w i d e l yu s e di nm o d e m i n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e i no r d e rt oe n h a n c et h e t e a c h i n g a n dr e s e a r c hw o r k ，i nt h i s p a p e r ，a 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 ( p m s m ) a cs e r v os y s t e mw i t hv o l t a g e s p a c ev e c t o rc o n t r o ii sp r e s e n t e d w h i c hi sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb a s i c r a t i o n a l ea n dt h el e a r n i n gf r o mt h er e s e a r c hf r u i to ft h i sr e s e a r c hf i e l d t h em a t b e m a t i c a lm o d e l so ft h ep m s ma n dt h ev e c t o rd e c o u p l i n gc o n t r o l s t r a t e g ya r ea n a l y z e d c o o r d i n a t e st r a n s f o r me q u a t i o n sa r eg i v e n c o m p a r es e v e r a lr e a l i z a t i o n so f v e c t o rc o n t r o lm e t h o d ，a n d = 0m e t h o d i sc h o s e n t r a n s d u c e rc o n t r o lo fs e r v om o t o rd r i v e rb a s e do i ls v p w m i sr e a l i z e d t h i ss y s t e mi n c l u d e st i sd s p t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa sc e n t r a lc o n t r o lu n i t i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) p m 2 0 c s j 0 6 0a st h ep o w e rs w i t c hu n i t ，a n d p m s ma s a c t u a t o r c o m p o s i t ep h o t o e l e c t r i c e n c o d e ri su s e dt od e t e c tt h e a c c u r a t er o t o rp o s i t i o na n dy i e l dv e l o c i t yf e e d b a c kv a l u e h a l lc u r r e n ts e n s o r i su s e dt od e t e c ts t a t o rc u r r e n t t h es y s t e mh a sh i g hi n t e g r a t i o na n di s e a s yt o r e a l i z ed j g i t a lc o n t r 0 1 d e s i g n s o f t w a r e s y s t e mu s i n g m o d u l a r i z a t i o n t h i n k i n g t h ed i g i t a l p i r e g u l a t o r so f c u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o pa r eo f f e r e d t h em e t h o do f c a l c u l a t i n g p o s i t i o na n dv e l o c i t yi sg i v e n k e y w o r d s a cs e r v os y s t e m ；p m s m ；s v p w m ；d s p ； i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 伺服系统广泛用于数控机床、机器人、印刷、包装、食品、输送、纺织 等自动化机械设备【l 】。随着科学技术的发展，特别微电子技术、功率半导体 技术、计算机技术以及控制理论取得的惊人的进步，新型控制策略如矢量控 制的应用，使得交流电机伺服系统的性能取得了长足的发展，具备了宽调速 范围、高稳速精度、快速动态性能及四象限运行等良好的技术性能，其动、 静态响应完全可以与直流电动机伺服系统相媲美。交流伺服驱动已成为现代 伺服驱动的发展方向拉j 。 由于电力电子技术及控制理论，微处理器等微电子技术的快速发展，软 件运算及处理能力的提高，特别是智能功率集成模块( i p m ) 和高速数字信 号处理器( d s p ) 的应用，使伺服系统模块化和全数字化的实现成为可能， 大大提高了系统的柔性、精度和控制性能【3 】。基于d s p 的全数字化、高性 能的p m s m 伺服系统已经成为关注和研究的热点。 但现有交流伺服系统基本是封闭式结构，很难看出其内部构成或通过测 试波形分析其工作原理，不利于教学。 另外，无论是交流伺服系统本身的研究，还是采用交流伺服电机的机电 系统的研究，都器要知道系统的数学模型，而现在市场出售的产品很难得到 其数学模型，不利于进行理论研究和应用开发。 因此，研制一套数字化交流伺服系统的实验平台是十分必要的。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 永磁同步电动机的发展 在变频电源出现以前，中小功率的调速系统中很少采用同步电动机。这 主要是因为与异步电动机不同，同步电动机不能在电网电压下自行起动。静 止的转子磁极在旋转磁场的作用下平均转矩为零。尽管知道变频电源可解决 同步电动机的起动和调速，但在7 0 年代以前变频电源是无法得到的装置。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 实现同步电动机调速系统的工业应用是极其困难的，虽然在大功率范围内有 同步电动机运行的情形，但这往往是用来改善大企业的电网功率因数【4 。 科学技术的发展改变了上述的情况，从而推动了永磁同步电动机的发展 与应用。 1 2 1 1 高性能永磁材料的发展 永磁材料现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。8 0 年代初出现的 钕铁硼稀土永磁材料，具有高的剩磁感应强度、矫顽力和磁能积这些特点， 特别适合在电机中使用。在同步电动机中，用永磁体取代传统的电励磁磁极 的好处是：简化了结构，消除了转子的滑环电刷，实现了无刷结构，缩小了 转子体积；同时由于省去了励磁直流电源，也消除了励磁损耗和发热【5 】。 现在，绝大多数中小功率的同步电动机现已采用永磁式结构。 1 2 1 2 电力电子技术的发展 电力电子技术是弱电与被控强电之间的桥梁和功率变换的接口。自 1 9 5 8 年世界上第一个功率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经 历了第一代半控式晶闸管、第二代有自关断能力的半导体器件( 大功率晶体 管g t r 、可关断晶闸管g t o 、功率场效应管m o s f e t ) 和第三代复合型场 控器件( 绝缘栅功率晶体管i g b t 、静电感应式晶体管s i t 、m o s 控制的晶 体管m c t 等) ，直至9 0 年代出现的第四代功率集成电路i p m 。半导体开关 器件性能不断提高，容量迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，极 大地推动了各类电机的控n t “。7 0 年代出现了通用变频器的系列产品，可 将工频电源转变为频率连续可调的变频电源，这就为包括永磁同步电动机在 内的交流电机的变频调速创造了条件。 对于目前的永磁同步电动机，高性能电力半导体开关器件组成的逆变电 路是其控制系统必不可少的功率环节。因此严格的讲，永磁同步电动机是一 个电动机控制系统，属于自控式变频同步电动机调速系统。 1 2 1 3 微处理器和计算机技术的发展 微处理器和计算机技术不仅是高新电予信息产业的核心，同时也为传统 产业的创新提供了物质基础。它们的飞速发展有力地促进了电机控制技术的 发展 7 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制，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心j 。 d s p ( 数字信号处理器) 和f p g a ( 现场可编程门阵列) 在电机控制系统中的 应用就是这种发展的成果，也反映了今后发展的趋势。 单片机采用诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单 独访问指令或数据，多数指令要2 3 个周期来完成。而d s p 器件具有较高的 集成度，运算速度快，存储器容量大。它采用哈佛结构，具有独立的程序和 数据空间程序，总线和数据总线分离，同时可以对程序和数据进行操作，其 内置高速硬件乘法器，取指译码操作采取多级流水线。 由于电机控制系统在家电、机械制造、汽车制造等领域的重要地位，近 年来包括t i 、m o t o r o l a 、a d 等大公司在内的许多d s p 厂商都相继推出 了电机控制专用d s p 芯片，如t m s f 2 4 0 x 系y u t g 】、d s p 5 6 f s o x 系列【io 】等。 这类芯片都以d s p 处理器为核心，使用其高效的指令集，同时在片内集成 了包括a d 、p w m 等在内的电机控制接口电路，不仅简化了系统硬件电 路，同时也提高了可靠性和性价比。 计算机技术的发展使得运动控制系统的网络化、信息化和绿色化成为可 能。借助于信息网络技术，电机控制系统也将不再只是一个孤立的系统，将 和其它相关系统起被规划和设计，实现整体系统控制的优化。 事实上，自控式变频同步电机调速系统可分为两大类：一类是大、中容 量的晶闸管自控式变频同步电动机，通常称为负载换相同步电动机调速系 统；另一类是小容量的永磁同步电机自控式变频系统【l l 】【l ”。后者根据电动 机反电势的波形形状又可分为两类：梯形波电动机和正弦波电动机。它们的 共同特点是定予电流的通断受转予上的位置传感器控制，不同之处在于二者 的磁场分布和反电势波形。 梯形波电动机与有刷直流电动机工作原理类似，不同处在于它用电子开 关电路和转子位置传感器取代了有刷直流电动机的换向器和电刷，实现了直 流电动机的无刷化，同时保持了直流电动机的良好控制特性，故该类梯形波 电动机人们习惯称为无刷直流电动机( b l d c m b m s h l e s sd cm o t o r ) 。 正弦波电动机的定子绕组得到的是对称三相交流电，但三相交流电的频率、 相位和幅值由转子位置信号所决定，通常所说的永磁同步电动机( p m s m 一 - - p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) 即是指这种电动机，它的转子位置 检测通常使用旋转变压器或光电编码器，可更精确地获得瞬间转子位置信 息，因其控制性能、控制精度和转矩的平稳性，以及造价都较无刷直流电动 机系统为好，故主要用于柔性制造系统、机器人、办公自动化、数控机床、 电梯调速等高性能驱动领域。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 综上所述，随着永磁同步电动机控制技术目趋完善，以往同步电动机的 概念和应用范围已被现今的的永磁同步电动机大大扩展，可以说永磁同步电 动机已在从小到大，从一般控制驱动到高精度的伺服驱动，从人们日常生活 到各种高精尖的科技领域作为主要的驱动电机出现，这种趋势会愈加清晰。 本文所研究的对象是反电势为正弦波形的永磁同步电动机( p m s m ) ， 如不加以特殊说明，以后所说的永磁同步电动机均是指这种电动机。 1 2 2 交流调速理论和新型控制理论的发展 交流调速系统发展的一个重要基础就是交流调速理论和新型控制理论的 不断发展1 。 1 2 2 1 交流调速理论 由于交流电动机是藕合时变非线性系统，以往很难得到怠好的调速性 能。1 9 7 1 年，矢量控制理论的提出第一次使交流电机控制理论获得了质的 飞跃，矢量控制采用了矢量变换的方法，通过把交流电机的磁通与转矩的控 制解耦，使交流电机的控制类似于直流电动机。从而也大大地提高了控制性 能，成为交流传动的基本方法【l ”。 由于矢量控制需要电机的精确模型，对参数具有依赖性，所以参数的变 化会导致性能变差。针对这一问题，1 9 8 5 年提出了直接转矩控制理论【1 ”， 其主要特点是用空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控制交流 电机的转矩，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式调节产生p w m 信 号，直接对逆交器的歼关状态进行最佳控制。它省掉了复杂的矢量变换与电 机数学模型的简化处理，没有通常的p w m 信号发生器，控制思想新颖、结 构简单、控制手段直接、信号处理的物理概念明确、转矩响应迅速，是一种 高性能的交流调速方法。但其低速性能不尽人意。近年来为提高直接转矩控 制的动静态性能，研究人员正在对此进行深入的研究 1 6 1 。 1 。2 2 2 新型控制理论 由于前述两种基本的交流电机调速理论都有各自的不足，因此许多的新 型控制理论也被应用到了这一领域中1 1 ”。 1 模糊控制 自从1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学的z a d e n 教授创建模糊集理论和1 9 7 4 年英国的e h m a m d a n e 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来， 模糊控制得以广泛发展，并在工业实践中得以成功应用【1 8 】。其根源在于模 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的 推理方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确的数学模型系统的控制问 题，是处理控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法。从广义上讲，模 糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对 象实施的种控制方法，它是模糊数学同控制理论相结合的产物和智能控制 的重要组成部分f 】鲥。模糊控制的突出特点在于： ( 1 ) 控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供 现场操作人员的经验知识及操作数据； ( 2 ) 控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性时变 及滞后系统； ( 3 ) 以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的知识； ( 4 ) 控制推理采用不精确推理模仿人的思维过程； 由于交流电动机是一种非线性、强耦合、多变量的控制对象，所以模糊 控制在解决交流电动机的控制方面有着非常太的优势，取得了许多重要的结 果，是一种在运动控制中比较成熟的智能控制1 2 0 。另一方面模糊控制在与 其他控制理论的结合方面也有许多很好的应用1 2 ”。 2 神经网络控制 神经网络计算是将计算函数嵌入物理网络之中，对计算过程的每一个基 本操作都存在与之对应的连接，在处理信息内容时，修改其自身的结构及其 运行规则【2 2 】。神经网络在处理自学习、自组织、自联想及容错方面都有很 强的能力，能够快速并行计算，对参数变化的影响较小，容错能力强，处理 非线性系统模型有独特的优点，应用于交流调速系统中可以克服电机系统中 非线性因素的影响，提高调速系统的性能，这是传统的控制方法所无法比拟 的【2 3 】。但神经网络在学习算法、神经元模型结构、调整学习与参数的结 合、网络的收敛速度与算法的稳定性等方面还有许多工作要做。 3 滑模变结构控制 变结构控制的基本理论和设计方法是在六七十年代奠定和发展起来的， 它是一种高速切换反馈控制【2 引。其基础是继电控制，基本思想是：给定状 态空间的若干切换曲面，每个切换面的不同侧施以不同的控制规律。当运动 在切换面不同侧时，系统的相轨迹拓扑就不同，如果这样的控制能使得切换 面或其部分都是可能的相轨迹的终止点，就称该控制为变结构控制。变结构 控制与一些普通控制方法的根本区别在于：控制律和闭环系统的结构在滑模 面上具有不连续性，即一种使系统结构随时变化的开关特性，通过适当的设 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 计能把不同结构下的相轨迹拓扑的优点结合起来，实现预期设计的控制性能 口“。由于滑模面般都是固定的，而且滑模运动的特性是预先设计的，因 此系统对于参数变化和外部扰动不敏感，是一种鲁棒性很强的控制方法。 由于滑模变结构控制的不连续性，系统“结构”有随时变化的开关特性，使 得系统具有良好鲁棒性的同时，会发生“抖振”现象。为了减弱抖振，包括 模糊控制在内的许多方法得到了应用，取得了良好的效果f 趵1 。 4 自适应控制 自适应控制是一类重要的控制方法，可以分为模型参考自适应和自校正 自适应等类型，在交流电动机参数估计和提高系统动态特性等方面有羞广泛 的应用f 2 7 】。 5 专家系统控制 专家系统控制是在二十世纪八十年代被提出的，它模仿控制专家的思 路、方法、经验、策略去解决控制问题，是一种有效的控制策略，适用于工 业过程以及复杂系统1 2 8 。随着计算机技术的发展，专家系统控制在医疗诊 断、化工生产等方面得到了长足的发展。 6 复合控制策略 事实上每一种控制策略都有其优点，也都存在一些问题，因此各种控制 策略互相渗透和复合，克服单一策略的不足，提高控制性能，更好地满足各 种应用需要，成为当前研究的重点和今后的一个趋势【2 9 1 。 在这方面有许多成功的应用，例如模糊p i d 复合控制，变结构自适应 控制，模糊直接转矩控制，自适应模糊控制，模糊神经网络控制，专家p i d 控制等等f 3 0 1 1 3 。 综上所述，交流调速理论和新型控制理论的发展为交流电机控制性能的 提高提供了条件和丰富的手段。 1 2 3 永磁同步电动机控制的国内外研究现状 随着稀土材料和制造技术的发展，同时得益于自身无电励磁、损耗和转 子发热，其体积小、重量轻，控制系统相对较为简单，能够达到快速准确的 控制要求，工业控制中越来越多的采用了永磁同步电动机口。目前，永磁 同步电动机控制的研究热点主要集中在以下几个方面： 1 2 3 1 参数估计 对于永磁同步电动机，包括转矩常数、定子电阻、定子电感等参数会在 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 运行中发生变化 3 3 1 。例如，温度的变化和磁饱和现象的发生都会导致上述 参数变化，而这些情形对于永磁同步电动机是不可避免的，这就会使得按照 准确参数设计的普通控制器的品质变差，从而导致系统性能的降低。 自适应算法以及神经网络控制等方法被用来进行参数的在线估算，取得 了一定的效果f 3 ”。目前的研究希望得到设计简单、计算量小、收敛速度快 的参数估计方法“。 1 2 3 2 转矩脉动最小化 同异步电动机及无刷直流电动机相比，尽管永磁同步电动机有着相对平 稳的转矩输出和快速的转矩响应，但永磁同步电动机仍会发生转矩脉动，其 中非常重要的因素是齿槽效应和磁场分布非理想正弦【3 6 1 。 一方面可以通过电机设计的途径来减弱上述问题，但终究不可能完全消 除【”l 。另一方面就要通过控制器来减小转矩脉动，由于直接的转矩测量设 备非常昂贵，对于一般的系统而言，需要通过转矩估算控制定子电流进行补 偿1 3 8 】。随着转速高低、负载大小的不同，转矩脉动的情形会发生变化，因 此在这方面，需要对在线计算的时间耗费和对运行条件的适应性加以综合考 虑【3 9 】。 1 2 3 3 直接转矩控制的研究 直接转矩控制( d t c ) 首先是在异步电动机控制中提出和发展起来的， 由于d t c 的优点，近年来永磁同步电动机的直接转矩控制也逐渐得到了深 入的研究，取得了一些很好的结果【4 0 4 “。d t c 进一步提高了永磁同步电动 机的转矩响应速度，同时也降低了对传感器的要求。 目前在定子电阻辨识测量、偏置的补偿、电压矢量优化、提高低速性能 等方面有了更加深入的研究和性能的提高。 1 2 3 4 无位置传感器控制的研究 永磁同步电动机获取位置及转速需要光电码盘、旋转变压器等传感器装 置，同时也会带来一些问题：增加了系统成本：高温、潮湿、振动、粉尘、 腐蚀性等环境都会对传感器造成影响，限制了系统在恶劣环境中的应用；在 某些特殊场合，不允许或很难安装传感器；传感器需要专门进行维护，并且 在系统设计时要考虑到抑制外界干扰对速度传感器的影响，从而迸一步增加 了系统的复杂性和成本【4 2 1 。而无传感器速度或位置控制的应用可以有效的 解决上述问题p “。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 永磁同步电机由于其自身的优点得到越来越广泛的应用，本文围绕永磁 同步电机构成的交流伺服系统展开了较为深入、全面的研究，主要内容如 下： 1 设计、制作并调试完成一套永磁交流伺服电机数字控制实验系统。 2 研究用矢量变换及空间向量p w m 控制技术实现永磁交流伺服电机 磁场定向控制的算法，并编写相应的控制程序。 3 研究用空间向量p w m 控制技术实现永磁交流伺服电机变频逆变控 制的方法，并编写相应的控制程序。 4 研究采用p i d 控制技术实现位置、速度及力矩回路控制的方法， 并编写相应的控制程序。 ：一。：! ：一：= ：竺筌些笙塑丝堡堡：一= 一： ： 第2 章永磁同步电机及其控制方法研究 2 1 引言 高陛能的永磁同步电机伺服系统需要现代控制理论的支撑，目前对交流 电机最为实用的、准确的控制方法是矢量控制。而矢量控制需要精确的电机 数学模型。为此，本章首先建立了永磁同步电机的数学模型，然后在此基础 上研究永磁同步电机的矢量控制方法。 2 2 永磁同步电机数学模型的建立 2 2 1p m s m 的结构及坐标变换 图2 。1 为p m s m 结构模型，定子齿槽内有三相绕组，转子由强抗退磁 的永久磁铁构成，以此形成励磁磁通，因此它无需励磁电源，效率较高。 ( ， q 、弋、 d ， ， c 图2 一ip m s m 结构模型图2 - 2p m s m 空i 司矢量图 f i g ，2 1m o d e lo fp m s mf i g 2 - 2s p a c e v e c t o ro fp m s m 图2 2 为空间矢量图，其中a b c 为图2 1 所示情况下的定子坐标系。d 轴为固定在转子励磁磁通矿，方向上的坐标轴，q 轴逆时针方向超前d 轴9 0 4 电角度，d 、q 轴起建立了随转子同步旋转的d q 坐标系。 分析p m s m 电机性能，最常用的方法就是用d q 数学模型。因此需进行 a b c 坐标到d q 坐标的矢量变换。变换须遵循电机电枢绕组在不同坐标下的 合成磁势大小相等、方向相同和电机模型变换前后遵循功率不变这两个基本 原则。 由a b c 坐标向d q 坐标的变换实际上包括两次变换。需用到一个过度坐 标系印，如图2 - 3 所示，叩坐标系由固定在定子上的水平d 轴和逆时针超 前9 0 。的口轴组成。 b x q 、 图2 - 3c l a r k e 变换示意图图2 4p a r k 变换示意图 f i g 2 - 3d i a g r a mo f c l a r k ef i g 2 - 4d i a g r a mo f p a r k 由图2 3 和图2 - 4 所示的矢量关系，可分别得到a b c a , a ( c l a r k e ) 、 筇由( p a r k ) 的坐标变换： a b c t x f l 变换： 筇由变换 则砌a b c 变换： 阡 卧信 l一三一三 22 o 笪一生 22 c o s 口 c o s c o 一委，) j e o s ( o + t x ) 一s i n 口 s i n ( 8 一；石) s i n ( o + q - ，r ) ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) m 宝篓 巨 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 2 2d q 坐标系下p m s m 数学模型 忽略一些影响较小的参数，根据电机统一理论，任何电机，无论是真流 电机，还是交流电机( 可以是对称的两相、三相或多相) ，均可等效成两绕 组电机。据此可建立基于转子d q 坐标系的永磁同步电机数学模型。 定子磁链方程为： k 垒蕞吩 陪4 ， 式中，吩为转子磁钢在定子绕组上的耦合磁链。岛、岛为d q 坐标系上 的等效电枢电感分量；岛、为d q 坐标系上的电枢电流分量。 定子电压方程为： ( 2 5 ) 式中，u d 、为d q 坐标系上的电枢电压分量；为电枢绕组电阻； 为转速；p 为微分算子。 把式( 2 4 ) 代入式( 2 - 5 ) 得： 旷ua=噶r,ia+ldpia+-埘厶lqiq+lqpiq+ 国吩 ( 2 - 6 ) h = 噶+ 厶+ 国吩 1 三相永磁同步电机的输出电磁转矩为： z = p 。, ( g d i q 一心毛) ( 2 7 ) 把式( 2 4 ) 代入上式可得： i = 以h + ( 乙一厶) 训( 2 - 8 ) 上式中己为极对数。 机械运动方程为： 嘶暇 一 + 晰 + 00 0 = i i ，、【 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 可dcom1dt j 删 弘， j “ no 、 l 盟： u叫d【t 一” 褂 一莹 c o r n o 以 一量一警 。 如等 o 三 三 瓦 j ( 2 1 1 ) 从式( 2 1 1 ) 中可以看出，三相永磁同步电机模型中，机械角频率o j 。 和d q 轴电枢电流分量、乇互相耦合，且方程为非线性的，不能简单地通 过调节电枢电流来直接控制电磁转矩。为了提高系统控制性能，必须进行矢 量解耦控制。 2 3 永磁同步电机的矢量控制 2 3 1 矢量控制基本原理 矢量变换控制应用于永磁同步电动机的基本思想，就是利用电动机外部 的控制系统，即通过外部条件对定子磁动势相对励磁磁动势的空间角度( 也 就是定子电流空闯矢量的相位) 和定子电流幅值的控制，从面将永磁同步 电动机模拟为他励直流电动机。 图2 5 电流空间矢量图 f i g 2 - 5s p a c e v e c t o ro fc u r r e n t 图2 5 为电流空间矢量图。图中，f 。为定子电流空间矢量，为f 。在d q 轴系中的空间相角，其大小决定定子在d q 轴上的两个分量f d 、屯。如果己 知了屯、，那么不仅确定了角，同时也确定了定子电流空间矢量f 。的幅 值。也就是说，矢量控制就是通过对两个电流分量的控制来实现的。 2 3 2 矢量控制策略分析 由永磁同步电动机的运动方程式可见，电机动态特性的调节和控制完全 取决于动态中能否简便而精确地控制电机的电磁转矩输出。由电磁转矩方程 可以看出，永磁同步电机的电磁转矩基本上取决于交轴电流和直轴电流，对 力矩的控制最终可归结为对交轴电流和直轴电流的控制。在输出力矩为某一 值时，对交轴电流和直轴电流的不同组合的选择，将影响电机和逆变器的输 出能力以及系统的效率、功率因数等。如何根据给定力矩确定交轴电流和直 轴电流，使其满足力矩方程构成了永磁同步电机电流的控制策略问题。 永磁同步电机的电流控制策略主要有：( 1 ) i d = 0 控制；( 2 ) 力矩电流 比最大控制；( 3 ) c o s 妒= l 控制：( 4 ) 恒磁链控制等。 1 i d = 0 控制是一种最简单的电流控制方法，该方法由于电枢反应没 有直轴去磁分量而不会产生去磁效应，不会出现永磁电机退磁而使电机性能 变坏的现象，能保证电机的电磁转矩和电枢电流成正比。其主要的缺点是功 角和电动机端电压均随负载而增大，功率因数低，要求逆变器的输出电压 高，容量比较大。另外，该方法输出转矩中磁阻反应转矩为0 ，未能充分利 用永磁同步电机的力矩输出能力，电机的性能指标不够理想。 2 力矩电流比最大控制在电机输出力矩满足要求的条件下使定子电流 d _ a 焱 一 菇， 一 ，一 l 、，、f 叩、o，j j j 、一。 、 r 、 最小，减小了电机的铜耗，有利于逆变器开关器件的工作，逆变器损耗也最 小。同时，运用该控制方法，由于逆变器需要的输出电流小，可以选用较小 运行电流的逆变器，使系统运行成本下降。在该方法的基础上，采用适当的 弱磁控制方法，可以改善电机高速时的性能。因此该方法是一种较适合于永 磁同步电机的电流控制方法。缺点是功率因数随着输出力矩的增大下降较 快。 3 c o s = 1 控制方法使电机的功率因数恒为l ，逆变器的容量得到充分 的利用。但是在永磁电机中，由于转子励磁不能调节，在负载变化时，转矩 绕组的总磁链无法保持恒定，所以电枢电流和转矩之间不能保持线性关系。 而且最大输出力矩小，退磁系数较大，永磁材料可能被去磁，造成电机电磁 转矩、功率因数和效率的下降。 4 恒磁链控制方法就是控制电机定子电流，使气隙磁链与定子交链磁 链的幅值相等。这种方法在功率因数较高的条件下，一定程度上提高了电机 的最大输出力矩，但仍存在最大输出力矩的限制。 i d = 0 控制方案相对于其他控制方法而言最简单易行，而且该控制方法 对面装式永磁同步电动机来说也就是力矩电流比最大控制，具有相应的优良 特性，因此使得电机的调速更容易实现。同时电磁转矩只与定子电流的幅值 成正比，通过控制电机定子电流即可获得与此成线性比例关系的电磁转矩， 这样就实现了对直流电机的严格模拟，这就是永磁同步电机转子磁场定向矢 量控制的基本思想，据此来构成永磁同步电机交流伺服系统。此时，三相永 磁同步电机状态方程为： p 阱 ， 三 n 等 一警 0 三 乏 j 2 4 基于s v p w m 的永磁同步电机转子磁链定向控制 ( 2 - 1 2 ) 经典的s p w m 控制目的是使逆变器的输出电压尽量接近正弦波，而电 压波形会受到负载电路参数的影响【4 4 1 。然而，电机控制的最终目的是产生 圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩，如果基于这一目标把逆变器和电 机视为一体，按照跟踪圆形旋转磁场来控制p w m 电压，这样的控制方法就 是磁链跟踪控制，磁链跟踪的轨迹是靠电压空间矢量相加得到的，所以又称 电压空间矢量控制( s v p w m ) 。 2 4 1s v p w m 的基本原理 以下是一种典型的三相电压源逆变器的结构，如图2 - 6 所示： 图2 7 电压空间矢量示意图 f i g 2 - 7v o l t a g es p a c ev e c t o r 巧= 巧+ 巧+ 巧= 要( 巧+ 巧p m ”妒+ k e 州”炳) ( 2 1 3 ) k = 配+ 盟d t ( 2 - 1 4 ) 虬= v a t ( 2 - i s ) 这表明电压空间矢量的方向与儿的运动方向一致。 管都是关断的，即口、8 或c 为0 ，因此功率管9 i 、q 和q 的导通关断状 态，即口、b 或c 的状态足以决定三相输出电压圪、圪和圪的状态。 容易得到，开关矢量k 6 c 】电压矢量 吃】之间的关系如 荔 = 三： 羽 c z 一s ， 由公式( 2 1 6 ) 我们可以得出相电压矢量的关系式( 2 1 7 ) ，其中，是逆 变器直流侧电压。 一1 2 1 图2 - 6 中，三相功率逆变器上桥臂的三个功率管的导通关断状态共有8 种可能的组合，下桥臂的正好与上桥臂的相反，因此，一旦知道了上桥臂功 率管的状态，下桥臂的也就确定了。当直流侧供电电压为时，由方程( 2 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 得n8 种开关模式组合对应的输出线电压、相电压( 以为倍数) 之间的关系，如表2 - 1 所示。 力 0 q 胡纠 丌j i j i 儿 o 2 2 o 一 ，。l l 3 = 1，j 圪k ，l 表2 1 三相功率逆变器的开关模式和输出电压 t a b l e2 - 1s w i t c hm o d ea n d v o l t a g eo u t p u t abc 圪l。 oo00o0o0o l002 31 3。1 31o1 110l 3i 32 3o 11 0l01 32 31 31lo ol12 3l 31 31o1 0011 31 ，32 3011 1011 32 31 311o lllooo00o 空间矢量p w m 技术是三相功率逆变器上桥臂三个功率管的一种特殊 的开关切换次序，与正弦p w m 调制技术相比，它能使逆变器输出电压和电 流拥有更少的谐波分量，而且能更有效地利用直流供电电压。 与八种开关模式组合相对应的三相相电压，通过3 2 变换映射到d q 平 面中是8 个基本的电压矢量v 1 【0 0 1 、v 2 1 0 1 0 、v 3 1 0 1 1 、v 4 1 1 0 0 】、 v s 1 0 1 1 、v 6 1 1 0 1 、v 0 0 0 0 1 、v 7 1 1 1 1 1 ，如图2 8 所示。 o o ) o 图2 8 基本电压空l 司矢量 f i g 2 - 8b a s ev o l t a g es p a c ev e c t o r 这一变换等价于三维的陋bc 1 坐标系向两维d q 平面的垂直投影，投 影的结果是六个非零的向量和两个零向量。 尽管逆变器只能产生八个基本电压空间矢量，但可以利用它们的线性组 合来获得更多的与基本矢量相位不同的电压空间矢量，从而构成一组等幅不 同相的电压空间矢量，形成尽可能逼近圆形的旋转磁场，这样在一周内逆变 器的开关状态就要超过6 个，并且有些开关状态会多次重复出现，这就使得 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 逆变器输出一系列等幅不等宽的脉冲波，实现s v p w m 控制。 总结起来，电压空间矢量控制的p w m 模式与s p w m 相比主要有以下 几个特点： 1 适合数字实现，每次开关切换只涉及到一个功率开关器件。 2 采样时间t 的长短决定电机旋转磁场逼近圆形的程度，t 越小越逼 近圆形。但t 的减小受到所用功率器件允许开关频率的制约。 3 逆变器输出电压基波最大幅值为直流侧电压，比一般的s p w m 逆 变器输出电压高1 5 。 2 4 2 基于s v p w m 的转子磁链定向控制 在永磁同步电机中，由于转子磁链恒定不变，故采用转子磁链定向方式 来控制永磁同步电机。所谓转子磁链定向控制，就是把定向坐标系的m 轴 定向在转子磁链矢量旷上，并与它同步旋转，即m 轴与转子的几何轴线d 轴重合。由于m t 轴系和d - q 轴系重合，m t 轴系的同步电动机数学模型 实际上也是d - q 轴系上的数学模型，这就是前面为什么以d - q 坐标系建立永 磁同步电机模型的原因。把矢量在d 、q 轴上分解，并考虑到转子磁链定 向，所以可以得到转子磁链方程 p 。= 如i r d 瓦+ l v q 3 白+ ( 厶一r o + l l v d 矿 ( 2 1 8 ) 转矩方程为： 乃= p m 三笋。# ( 2 - 1 9 ) 也 式中，p 。为电动机的极对数，k 和t 均为电动机的结构参数。 同步电动机转子磁链定向控制时，转矩只与转子磁链y 。及定子电流的 转矩分量芽( 若) 成正比，且矿和孑相互解耦，彼此独立，只要很好她控制转 子励磁电流i 。和定子电流的励磁分量嵇，保持转子磁链幅值恒定，则电 磁转矩疋只受定子电流的转矩分量蓐控制，这样同步电动机的矢量控制变频 调速就和直流他励电动机的调压调速具有完全相同的品质。 由前式可知，转子磁链旷和e 、i 。的关系复杂。为了简化控制系统， 可把定予电流矢量始终控制在t 轴( q 轴) 上，即定子电流无m 轴( d 轴) 励磁分量，e = i 。，即= 0 ，那么转子磁链为一恒定值，电磁转矩只与定子 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 定子电流的幅值成正比。 转子磁链定向控制的特点为： 1 由于d 轴定子电流分量为零，d 轴阻尼绕组与励磁绕组是一对简单 耦合的线圈，与定子电流无相互作用，实现了定子绕组与d 轴的完全解耦。 当定子电流i 3 变化时，不会产生d 轴阻尼电流，而q 轴阻尼电流对转矩无影 响。 2 转矩方程中磁链y 8 与电流# 解耦，相互独立，吵8 只由i 。产生。 3 定子电流d 轴分量为零，可使同步电动机数学模型进一步简化。 4 当负载增加时，定子电流增大，由于电枢反应的影响，使气隙合成 磁动势极气隙磁链加大，定子磁链增加，这会使同步电动机定子电压大幅度 上升。同步电动机的电压升高要求电控装真和变压器有足够的容量，降低了 同步电动机的利用率，采用这种方法不经济。 5 随着负载增加、定予电流的增大，定子电压矢量与定子电流矢量的 夹角将增大，造成同步电动机功率因数降低。 通过以上分析，我们只要能准确地检测出转子空间位置( d 轴) ，通过 控制逆变器使三相定子的合成电流( 磁动势) 位于q 轴上，那么，永磁同步 电动机的电磁转矩只与定子电流的幅值r 成正比，即只要控制定子电流的幅 值，就能很好地控制电磁转矩，这和直流电动机的控制原理类似。 图2 - 9 为p m s m 的转子磁链定向控制( f o c ) 控制原理图。 图2 - 9p m s m 调速控制系统的原理图 f i g 2 - 9d i a g r a m o ff o c t i m i n gc o n t r o l 速度f o c 控制过程可简单描述为以下过程： 首先，根据检测到的电动机转速和输入的参考转速，根据转速与转矩的 关系，通过速度p i 控制器计算得到定子电流参考输入。定子相电流i o 和蠢通 过相电流检测电路被提取出来，然后用c l a r k e 变换将它们转换到定子两相 坐标系中，使用p a r k 变换再将它们转换到d q 旋转坐标系中。d q 坐标系中 的电流信号再与它们的参考输入e 和i = 相比较，其中e = 0 ，通过p i 控制器 获得理想的控制量。控制信号再通过p a r k 逆变换，送到p w m 逆变器，从 而得到控制定子三相对称绕组的实际电流。外环速度环产生了定子电流的参 考值，内环电流得到实际控制信号，从而构成一个完整的速度f o c 双闭环 系统。 2 5 本章小结 永磁同步电机是多变量、非线性、强耦合的被控对象，要实现对永磁同 步电机电磁转矩的线性化控制，获得与直流电机相同的控制性能。本章深入 的分析了永磁同步电机的控制原理，在建立永磁同步电机数学模型的基础 上，采用= 0 的矢量控制策略，实现解祸控制。为了提高效率及控制性 能，应用s v p w m 技术实现永磁同步电机的转子磁链定向控制。 2 0 第3 章全数字永磁交流伺服系统的硬件设计 3 1 引言 随着微电子学及计算机控制技术的发展，高速、高集成度、低成本的微 机和专用芯片的问世及商品化，使全数字化的交流伺服系统称为可能。数字 系统相比模拟系统有着巨大的优势。没有了零漂，元件数目大大减少，软件 升级也非常简单。无论是b l d c m 、p m s m 或是感应电动机构成的伺服系 统，均可以采用统一的硬件设计。这就使得伺服驱动器有了较为广泛的通用 性，针对不同的控制对象，只需移植相应的软件即可，这也是数字伺服系统 的一个很大的优点。 d s p 在实现全数字化电动机控制系统方面有着无可比拟的优势。t i 公 司的x 2 4 x 系列d s p 控制