（机械制造及其自动化专业论文）永磁同步电机伺服系统设计及应用研究.pdf

摘要 摘要 永磁同步电机采用高磁能积的永磁材料作为转子励磁，具有转矩高、体积小、 结构紧凑、运行效率高以及调速性能好等优点，被广泛应用于家用电器及工业自 动化伺服系统中。现代控制技术突飞猛进的发展促进了永磁同步电机伺服系统的 快速发展，特别是数字信号处理器及电力电子技术的发展为高性能数字化系统的 实现提供了条件，使得更高的跟踪响应性、精确性、可靠性、灵活性和系统鲁棒 性成为了永磁同步电机伺服系统新的追求目标。据此，本文设计了一套数字化永 磁同步电机伺服方案，以微芯d s p i c 为主控器完成了控制器的设计开发工作，并 根据工业产品需求将该系统应用到了实际系统的开发当中。 本论文分析了永磁同步电机数学模型，并在m 棚a b s i m u l i n k 中建立了包括 矢量变换、空间矢量( s v p w m ) 生成和p l 调节等模块在内的电机矢量控制仿真 模型，验证了永磁同步电机的空间矢量控制及其双闭环调节算法。 在仿真分析的基础上确定了一台5 5 0 w 永磁同步电机的伺服方案，应用微芯 公司的d s p i c 和三菱智能功率模块i p m 分别作为主控器和逆变桥，设计并制作了 包括开关电源、隔离电路、位置检测、电流检测和各种保护电路在内的驱动系统 硬件平台。在该硬件平台的基础上，设计了以积分分离p l 控制算法为调节器的= 0 磁场定向控制软件实现方案。软件采用模块化编程思想，以c 语言和汇编语言相 结合的编程方式保证了软件灵活性和系统的实时性。整套伺服系统可靠性高、响 应速度快、平稳性好、调速范围宽。 最后将所设计的永磁同步电机伺服系统应用于工业平缝机的产品开发中。在 分析了平缝机快速启停、精确停针和自动化操作功能的工作特点后，补充完善了 本套伺服系统的硬软件方案，开发了基于永磁同步电机的工业平缝机伺服控制系 统。该系统实现了平缝机的快速启停、精确定位和较高的缝制效率和缝制质量。 本文设计的永磁同步电机伺服系统经过实际应用，证明了所提方案的可靠性 和可行性，具有很强的应用价值。 关键词：永磁同步电机，伺服系统，矢量控制，m a t l a b 仿真，工业平缝机 a b s t r a c t d u et ot h ea d v a n t a g eo fh i g ht o r q u e ，s m a l lv o l u m e ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，h i g h o p e r a t i o ne f f i c i e n c y a n de x c e l l e n ts p e e d p e r f o r m a n c e ，t h ep e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r ( p m s m ) h a sb e e nw i d e l yu s e di nh o m ea p p l i a n c e sa n di n d u s t r i a l a u t o m a t i o ns e i v os y s t e m t h er e s e a r c ho fp m s ms e i v os y s t e mb e c o m e su r g e n t e s p e c i a l l yw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , p o w e re l e c t r o n i c s t e c h n o l o g ya n dm o d e r nc o n t r o lt h e o r y , t h er e a l i z a t i o no ft h eg o o dp e r f o r m a n c es u c ha s - f a s tr e s p o n s e ，a c c u r a t et r a c k i n g , r e l i a b i l i t y , f l e x i b i l i t ya n dr o b u s t n e s sb e c o m ep o s s i b l e a n dv a l u a b l e i nt h i sp a p e r , ad i g i t a lp m s ms e i v os y s t e mi sr e a l i z e dw i t ht h e m i c r o c h i p sd i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e rd s p i c , a n dt h ed e s i g n e ds y s t e mh a sb e e na p p l i e di n ai n d u s t r i a la p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mi sa n a l y z e d ，a n dt h ev e c t o rc o n t r o l s i m u l a t i o nm o d e lo fp m s mi se s t a b l i s h e di nm a t i a b s i m u l i n k ，i n c l u d i n gt h ev e c t o r c o n v e r s i o nm o d e l ，s p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) g e n e r a t i n gm o d e la n dp ir e g u l a t o r m o d u l e s t h es p a c ev e c t o rc o n t r o ls t r a t e g ya n di t sd u a l l o o pr e g u l a t i o nf o rp m s ma r e v a l i d a t e di nt h es i m u l a t i o nm o d e l a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，t h eh a r d w a r eo ft h ed r i v es y s t e mf o ra 5 5 0 wp m s mi sd e s i g n e d i nt h es y s t e m ，m i c r o c h i p sd s p i ca n dm i t s u b i s h i si n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l ei p ma r eu s e da st h ec o n t r o l l e ra n dp o w e ri n v e r t e r - b r i d g er e s p e c t i v e l y , a n dt h ep o w e r s u p p l y , i s o l a t i n gc i r c u i t ，p o s i t i o nf e e d b a c k ，c u r r e n tf e e d b a c ka n dv a r i o u s p r o t e c t i v ec i r c u i t sa r er e a l i z e da sw e l l o nt h ed e s i g n e dh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h es o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ff i e l do r i e n t e dc o n t r o ls t r a t e g yw i t h - 0i sd e s i g n e db y u s i n gt h ei n t e g r a ls e p a r a t e dp ic o n t r o la l g o r i t h m t h es o f t w a r ea d o p t i n gm o d u l a r p r o g r a m m i n gi sp r o g r a m m e db yu s i n gcl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g e ，t h e c o m b i n i n gp r o g r a m m i n gm e t h o de n s u r e st h es o f t w a r e sf l e x i b i l i t ya n dt h es y s t e m s r e a l - t i m er e s p o n s e w i t ha l lt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，ah i f g hr e l i a b i l i t y , f a s tr e s p o n s e ， h i g hs t a b i l i t ya n dw i d es p e e ds e r v os y s t e mi sr e a l i z e d f i n a l l y , t h es e r v os y s t e mo fp m s mi sa p p l i e di na ni n d u s t r i a ll o c k s t i t c hs e w i n g l l m a c h i n e ( i l s m ) t h er e q u i r e m e n t so fi l s ms u c ha sf a s ts t a r t u p b r a k e ，p r e c i s i o n n e e d l e p o s i t i o nc o n t r o la n da u t o m a t i cf u n c t i o n sa l ea n a l y z e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n g s o l u t i o ni sp r e s e n t e d b ya p p l y i n gt h ep r e s e n t e ds o l u t i o na n dt h eb a s i cp m s ms e r v o s y s t e m ，t h es e w i n gs y s t e mg a i n sf a s tr e s p o n s e ，a c c u r a t ep o s i t i o np e r f o r m a n c e ，h i g l l e f f i c i e n ta n dh i g h - q u a l i t yo p e r a t i o n t h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e s u l t si ni l s mv a l i d a t et h ep m s ms e r v os y s t e mi s r e l i a b l ea n df e a s i b l e k e yw o r d s ：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 ，s c r v os y s t e m ，v e c t o rc o n t r o l ， m a t l a bs i m u l a t i o n ，i n d u s t r i a ll o c k s t i t c hs e w i n gm a c h i n e 1 1 1 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。据我所知，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 为获得电子科技大学或其它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。 签名：粤鏊盟一 日期：沙8 年苫月t j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，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应遵守此规定) 签名：到鏊拯 导师签名： 日期：) 一暑 第一章绪论 第一章绪论 永磁同步电机具有气隙磁密高、转矩脉动小、转矩惯量比大、效率高、结构 简单、体积小、重量轻、易于散热、易于维护保养等优点，在中小容量的伺服系 统中得到了广泛应用，尤其是在要求高控制精度和高可靠性的场合，如航空航天、 数控机床、测试仪器以及工业机器人控制等方面获得了广泛的应用。本章首先总 结了永磁同步电机的发展概况及其伺服系统的结构和特点，然后讨论了目前国内 外永磁同步电机伺服技术的研究动态，最后介绍了本文的研究背景及主要研究内 容。 1 1 永磁同步电机的发展概述 电机主要是指依靠电磁感应定律和电磁力定律实现机械能和电能相互转换的 电磁机械装置。把机械能转换为电能的称为发电机，把电能转换为机械能的称为 电动机i 。 电机的种类很多；分类方法也很多。有多种分类方法，可以根据原理和构造 分类，可以根据功能和用途分类，还可以根据转矩产生方式和励磁方式分类。但 一般来说，经典电机学主要将电机分为三大类：直流电机、交流感应电机( 又称 作交流异步电机) 和交流同步电机1 2 j 。 直流电机，即所谓带电刷的直流电机，具有调速性能好、制动转矩大、易于 控制、可靠性高等特点，故被广泛应用于调速要求较高的场合，直流电机的主要 缺点是换向困难，它使直流电机的容量受到限制。而且由换向器引起的电刷磨损 和换相火花也会直接影响到其维护性和可靠性。因此，可以认为直流电机是一种 逐渐被淘汰的电机种类1 3 l ：交流感应电机亦即交流异步电机，结构简单、运行可靠、 制造容易、价格低廉、坚固耐用、而且有较高的效率和相当好的工作特性；但是 很难在较大范围内平滑调速、启动性能也较差1 4 1 。同步电机，转子是由永磁体或直 流励磁磁极构成，转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度严格同步，因此叫做同 步电机。同步电机具有功率因素高、效率高、电枢与转子气隙长度可以较大等特 征，常用于大容量机的应用p j 。 直流电机具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，但又存在前面所述的 电子科技大学硕士学位论文 换向器的弊病，早在2 0 世纪3 0 年代就有人开始研制以电子换相代替电刷机械换 向的无刷直流电机，从而发展出了具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便 等一系列优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸 多优点的无刷直流电机1 6 j 。无刷直流电机按其绕组反电势的波形和电流的波形可大 致分为两大类：方波无刷直流电机和正弦波无刷直流电机。方波无刷直流电机一 般称为b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，其基本特点是用永磁体转子代替有刷直流电 机的定子磁极，将原直流电机的电枢变为定子，省去了机械换向器和电刷，且其 绕组反电势波形为梯形波，电流波形为方波。正弦波无刷直流电机的反电势及电 流均为正弦波，同方波无刷直流电机一样，消除了滑动电接触，提高了电机的可 靠性。随着电力电子技术的发展，使得电机的起动方式及速度调节均可利用逆变 器变频实现。同时，带有转子位置传感器的逆变器控制技术确保了电机不出现振 荡失步。正弦波无刷直流电机的驱动源于同步电机，用永磁体代替同步电机的励 磁绕组，其电枢绕组反电势波形为正弦波，电枢电流波形也为正弦波。因此，正 弦波无刷直流电机也称为永磁同步电机：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ( p m s m ) 。 永磁电机由于采用永磁体励磁，没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密 度。但同时其应用发展也曾因此受到了永磁材料发展的限制。初期的磁性材料如 铝镍钴、铁氧体磁体或者是价格昂贵，或者是剩磁感应强度和磁能积较低，均难以 大量应用于电机应用中。钐钴稀土永磁材料在六十年代中期问世，它具有铝镍钴 一样高的剩磁感应强度，矫顽力比铁氧体高但钐稀土材料价格较高。到2 0 世纪8 0 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性进展，出现了钕铁硼( n d f c b ) 稀土永磁 材料，它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。进入9 0 年代以来，随着永磁材料性能的不断提高和完善，特别是铝铁硼永磁 材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步 发展，稀土永磁同步电机的研究开发进入了一个新阶段。目前，稀土永磁电机的 单台容量已超过1 0 0 0 k w ，最高转速己超过3 0 0 0 0 0 r r a i n l 7 。 与此同时，随着电力电子技术的发展以及电机系统控制理论的应用研究，其 成果极大的推动了调速永磁同步电机及其伺服系统的发展。目前，包括微特电机， 到中小型电动机和大型发电机在内的各类电机均可以采用永磁同步电机；其应用 也遍及各个领域。随着永磁同步电机性能的提高和驱动控制系统的完善，结合其 高精度伺服性能的优点，永磁同步电机的发展将会有一片光明的前景1 8 j 。 2 第一章绪论 1 2 永磁同步电机伺服系统的结构及性能 1 2 1 永磁同步电机伺服系统的基本结构 永磁同步电动机由于克服了直流伺服电动机存在电刷和机械换向器而带来的 各种限制，在工厂自动化中获得了广泛的应用。根据驱动控制的需要，永磁同步 电动机伺服系统主要由伺服控制单元、功率逆变单元、信号检测单元及永磁同步 电机构成1 9 j 。在伺服过程中，控制单元根据信号检测单元反馈的信息完成包括电流 环、速度环、位置环在内的三环参数调节并生成s v p w m 信号，并将该信号传至 功率驱动单元，由此驱动p m s m 运行。其控制结构组成如图1 1 所示。 图1 - 1 永磁同步伺服系统结构图 控制单元 控制单元是整个伺服系统的核心组成部分，一般由高度集成的专用芯片如单 片机、d s p 或电机专用a s i c 组成，根据反馈回来的执行机构信息进行一定的运算 处理得到一定的控制量，实现系统的电流控制、速度控制以及位置控制，并对输 出控制量进行空间矢量调制。快速的数字信号处理器( d s p ) 被广泛应用于交流伺服 系统，各大公司推出的面向电机控制的专用d s p 芯片，如t l 工公司的 t m s 3 2 0 l c 2 4 0 x a 、a d i 的a d m c 3 3 1 以及m i c r o c h i p 的d s p i c 电机控制系列，这 类芯片除具有快速的数据处理能力外，还集成了丰富的用于电机控制的专用集成 电路，如a d 转换器、p w m 发生器、定时计数器、输入信号捕捉电路、正交编码 接口、通讯电路模块以及数据存储器和程序存储器等。 功率逆变单元 功率逆变单元的主要作用是在控制单元的s v p w m 信号的作用下，驱动逆变 桥电路，将整流获得的直流电源变成电压与频率可调的交流电源，输入到伺服电 3 电子科技大学硕士学位论文 动机的电枢绕组中。控制器s v p w m 模块以一定的频率产生出开关功率器件的控 制信号，使功率逆变单元输出相应频率的电压，迫使电枢绕组中的交流电流保持 良好的正弦性。功率逆变单元通常采用集驱动、逆变、保护功能于一体的智能功 率模块i p m 。 信号检测单元 信号检测单元主要实现电动机的电流、速度及位置传感功能。电流检测主要 通过在电枢各相绕组端口增加电流传感器，将检测的信号传输回控制单元以备电 流调节使用。电机的实际运行速度检测，通常是在电动机轴的非负载端安装速度 传感器，如测速发电机。为了进行位置控制同时也装有位置传感器，如光电编码 器。对于永磁同步伺服电动机来说，还必须装有转子永磁体的磁极位置检测器， 检测出磁极位置，并以此为依据使电枢电流实现正交控制。实际上，检测电动机 的转子旋转速度、磁极位置和系统的位置控制这三种功能可用一个光电编码器或 旋转变压器来完成。 永磁同步电机 永磁同步电机作为电能量转换的基本装置，其基本工作原理是带电绕组在磁 场中会受到力的作用，该力以转子轴线为中心产生旋转力矩从而带动负载做旋转 运动。其内部结构示意图如图1 2 所示。 图1 2 永磁同步电动机结构示意图 1 2 2 永磁同步电机伺服系统的性能及特点 直流电动机调速系统是性能良好、应用广泛的可调传动系统，它主要用于转 速或位置的控制。与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、制造容易、维 护工作量小等优点。永磁同步伺服电机既具有直流电机一样优良的调速性能，又 4 第一章绪论 具有传统异步交流电机结构简单、维护容易的优点。三者具体性能比较如表1 - 1 所示1 9 】。 表1 - 1 伺服电机性能比较 机种 比较内容 永磁同步电机交流异步电机有刷直流电机 电机构造比较简单 简单有电刷，结构复杂 l g 盯或 i g b t 或 交流机构 p m o s f e t 逆变器 p m o s f e t 逆变器 整流火花， 最大转矩约束永磁体去磁无特殊要求 永磁体退磁 只有定子定转子均 发热情况转子发热，不利 线圈发热，有利发热，需采取措施 高速化比较容易容易稍有困难 大容量化 稍有困难 容易难 制动容易困难容易 控制方法 稍复杂复杂 简单 磁通产生永磁体二次感应磁通永磁体 感应电压 电枢感应电压二次阻抗电压电枢感应电压 环境适应性好好受火花限制 维护性无无较麻烦 永磁同步电机具有优良的调速性能，同时还具有很强的环境适应性，使得其 在各种传动系统特别是在中小容量的伺服系统中得到了广泛的应用。对永磁同步 电机构成的伺服系统，其伺服控制品质主要有以下几个方面的基本要求i l u j ： 稳定性好：稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过 程后达到新的或者回复到原有的平衡状态。 精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。例如，作为精 密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏 差一般都在0 0 1 r a m - 0 0 0 1 m m 之间。 快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令 信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在2 0 0 m s 以内，甚至小于 5 电子科技大学硕士学位论文 几十毫秒；另一方面，为了满足超调要求，要求过渡过程的前沿，即上升率要 大。 1 3 国内外永磁同步电机伺服技术的研究动态 由于永磁同步电动机是一个非线性、强耦合的多变量系统，控制比较复杂。 为了获得高稳定性、高精度、响应快速的永磁交流伺服系统，研究新的控制理论 并将其成果引入伺服系统的控制是国内外学者的重点工作内容之一。 目前比较成熟的控制方法有矢量控制和直接转矩控制1 1 1 j 【1 2 1 。1 9 7 1 年，由德国 b l a s c h k e 等人首先提出了交流电机的矢量变换控制理论，其基本控制原理是：以 转子磁场定向，在同步旋转坐标系中把定子电流适量分解为两个分量，一个分量 与转子磁链矢量重合，产生磁通，称为励磁电流分量，另一个分量与转子磁链矢 量垂直，产生转矩，称为转矩电流分量。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系中 的位置和大小，即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小，实现交流电动机 像直流电动机那样优良的调速性能。1 9 8 5 年，d e p e n b r o c k 教授提出了不同于坐标 变换矢量控制的另外一种交流电机控制原理直接转矩控制。其基本思想是在 准确观测定子磁链的空间位置和大小并保持其幅值基本恒定以及准确计算负载转 矩的条件下，通过控制电机的瞬时输入电压来控制电机定子磁链的瞬时旋转速度， 从而改变它对转子的瞬时转差率，达到直接控制电机输出的目的。该方法只是在 定子坐标系下分析交流电机的数学模型，采用砰砰控制对电机的转矩进行直接控 制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。两种方案有着各自的优点和缺点， 其目的都是为了获得具有很好动静态性能的伺服控制系统i l 引。 传统的矢量控制与直接转矩控制在伺服控制中都存在一些不足之处，针对永 磁同步电机伺服系统，许多学者还在这两种控制策略的基础上进行了大量的研究 工作，热点主要集中在如下几个方面： 1 、无传感器控制的研究 现代高精度的伺服系统，需要实现转速和位置的闭环伺服控制，所需的转速 及位置反馈信号来自安装于电动机转轴的光电码盘、旋转变压器等速度位置传感 器。在应用中，这些传感器的安装不可避免的带来一些问题：增加系统成本，增 加传感器维护要求，传感信号受外界干扰影响伺服性能，而且有些应用环境如高 温、低温、潮湿或空气污浊等情况难以安装传感器，而且在一些体积和安装位置 6 第一章绪论 有特殊要求的场合，传统的带有传感器的永磁同步电机甚至不能完成相应的应用， 而无传感器控制正适合解决这类问题。目前适用于p m s m 转子速度和位置估计的 方法主要有基于观测器的估算方法、高频信号注入法、模型参考自适应法等一些 方法1 1 4 】【1 5 1 1 1 6 1 。 2 、转矩脉动最小化研究 永磁同步电动机驱动系统中，为产生恒定的电磁转矩，p m s m 的反电动势和 由逆变器供给定子的相电流都必须是正弦的，但实际上由于转子永磁体的原因和 定子齿槽的存在，反电动势不可能是正弦的，同时，p w m 逆变器调制出的方波电 压也会产生定子相电流谐波，反电动势的非正弦化和定子相电流谐波导致了电机 电磁转矩的脉动i r 刀。除了从电机角度来消弱转矩脉动的影响外，还可以通过改变 控制方法来消弱永磁同步电机伺服系统的转矩脉动1 1 8 l 。 3 、基于现代控制理论的控制策略研究 永磁同步电机由于速度和电流的非线性耦合，以及转矩方程中的非线性使得 其精确的伺服控制成为了一个复杂的问题，而且电机在运行过程中绕组的温升会 引起电机参数发生变化，电机的负载一般都是不精确的，甚至是未知的，为克服 这些不确定性对控制性能的影响，需要高性能的伺服控制器。在这类参数时变且 负载未知的伺服系统中，基于现代控制理论的新型伺服控制策略如自适应控制、 滑模变结构控制、鲁棒控制等能够很好的克服不利因素的影响1 1 9 l 【冽1 2 l l 。 。 4 、智能控制策略研究 传统的永磁同步电机常采用p l 控制策略，但是p l 控制实际是一种线性控制， 当被控对象具有非线性特性或则参数发生变化后，p l 控制器无法得到设计时的控 制效果，为了提高伺服系统的快速、稳定性和鲁棒性，具有不依赖被控对象数学 模型的优点的智能控制方法越来越多的受到了关注，其中包括模糊控制、神经网 络控制等智能控制系统成为了研究热点l 矧i 矧。 1 4 本课题研究背景及主要研究内容 传统的电机伺服系统一般由模拟器件以硬件调节系统构成，价格便宜，但存 在元器件老化和温度漂移等问题的影响，且系统线路复杂，开发的灵活性不高。 近年来，随着数字处理技术的发展，出现了具有高速的运算能力的m c u 、d s p 、 f p g a 等数字信号处理器，可以支持复杂的控制算法，同时由于这些芯片集成了 a d 转换模块、正交解码器( q e i ) 以及p w m 发生器等专用于电机控制的模块， 7 电子科技大学硕士学位论文 取得了比模拟控制器更优越的开发和控制能力。随着以数字信号处理器为核心的 电机控制系统飞速发展，大量数字化伺服系统应用于各种工业、家电、航空航天 等各个领域。 在电力电子及功率逆变方面，功率半导体器件从初期的普通晶闸管( s c r ) 发 展到可门极可关断晶闸管( g t o ) 和功率晶体管( g t r ) ，然后出现了以功率场效 应管( m o s f e t ) ，以及绝缘栅双极晶体管( 1 g b t ) 为代表的第三代功率器件，以 此为组成的逆变电路实现了伺服系统的高频化，提高了系统的响应速度。目前， 随着电力电子技术的发展，新一代智能功率模块将半导体开关器件i g b t 、器件驱 动电路、检测电路，以及保护电路集成于一体，减小了逆变器件的体积，提高了系 统的可靠性。 同时，随着新型控制理论的发展，矢量控制控制技术的提出实现了对具有非 线性、多变量、强耦合的被控对象的解耦控制，自适应控制、智能控制、无传感 器控制技术等一系列的新型控制技术被应用于电机伺服系统的控制之中，很大程 度地提高了伺服系统的动、静态性能，取得了更好的控制效果。 数字处理器、电力电子技术以及新型控制理论的高速发展，为高性能伺服系 统的发展和广泛应用提供了条件。本文以永磁同步电机作为驱动对象，在研究其 控制策略的基础上，结合微芯公司的数字信号控制器( d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r ， 简称d s c ) 设计出了一套永磁同步电机数字伺服控制系统，并将该系统应用于平 缝机应用中，开发了一套数字化工业平缝机智能控制系统。本文所做的工作主要 有以下几个方面： 1 、在介绍永磁同步电机结构的基础上，分析总结了p m s m 的数学模型及矢量 控制理论。 2 、根据永磁同步电机矢量控制原理，利用m a t l a b 仿真软件实现了永磁同步电 机空间矢量控制的建模及仿真分析。 3 、设计了一套5 5 0 w 永磁同步电机的硬件驱动平台，并详细介绍了个硬件模 块的具体实现方法；然后根据该平台及仿真分析设计了伺服系统软件方案，并对 系统控制性能进行了实验测试和分析。 4 、将所设计的永磁同步电机伺服驱动系统应用于平缝机应用中，根据工业平 缝机的工作要求，开发了一套高速工业平缝机控制系统，并给出了关键技术的实 现方法及其性能测试结果。 8 第二章永磁同步电机矢量控制技术 第二章永磁同步电机矢量控制技术 在家电设备、工业控制以及交通运输等领域，正弦永磁同步电机p m s m 得到 了广泛的应用。由于电机本身具有非线性和强耦合特性，用常规控制方法很难满 足高性能控制系统的要求。为了能够使三相电流实现完全解耦，需要采用磁场定 向矢量控制技术。本章在简要介绍永磁同步电机结构特点的基础上，分析了正弦 永磁同步电机的基本数学模型，并讨论了三相自然坐标系( a b c ) 、静止坐标系( a b ) 、和旋转坐标系( d q ) 之间的相互转化关系，然后在d - q 定子旋转坐标系数学 模型的解耦控制基础上进行了= o 控制策略的矢量控制分析，为实现永磁同步电 机伺服系统的控制准备了基本理论知识。 2 1 永磁同步电机的分类和结构 永磁同步电机的基本结构是由定子三相绕组和转子铁芯构成。永磁同步电机 的定子与一般带电激磁的同步电机基本相同，通常为星形连接的绕线式三相绕组。 电机的转子采用永磁材料构成，永磁体常采用瓦片式或薄片式贴在转子表面或嵌 在转子的铁芯中，无需直流励磁。永磁同步电机由于采用磁能积高的永磁材料作为 转子磁极，因此体积小、重量轻、结构紧凑、转动惯量小、运行效率高，被广泛 应用于调速和伺服系统中。 目前永磁同步电机种类繁多，按照工作主磁场方向的不同，分为径向磁场式 电机和轴向磁场式电机；按照电枢绕组位置的不同，分为内转子式电机和外转子 式电机；按照转子上有无启动绕组，分为无启动绕组电机和有启动绕组电机；按 照供电电流波形的不同，分为矩形波永磁同步电机和正弦波永磁同步电机；按照 永磁体在转子上安装位置的不同而形成转子磁路结构的不同，可分为表面式和内 置式两种永磁同步电机。由于永磁同步电机的转子磁极结构随永磁材料性能的不一 同和应用领域的差异而具有多种方案，因此常按照转子磁路结构的表面式和内置 式分类1 2 4 1 。 表面式转子磁路结构又分为突出式和插入式，如图2 - 1 所示。由于永磁材料的 相对恢复磁导率十分接近于i ，表面突出式转子结构属于隐极式转子结构，其纵、 横轴电感相同，且与转子位置无关。这种结构的永磁磁极易于实现最优设计，能 9 电子科技大学硕士学位论文 使电机气隙磁密度波形趋近于正弦波。表面插入式转子的相邻永磁磁极间有着磁 导率很高的铁磁材料，属于凸极转子结构。由于转子磁路结构上的不对称使电机 产生磁阻转矩，其大小与电机纵横轴电感间的差值成正比。这种结构的电机功率 密度高，动态性能也较好。在转子表面安装永磁体，可以获得足够的磁通密度和 高的矫顽力特性，且有较大的转矩重量比。 凸出式插入式 图2 - 1 表面式永磁同步电机转子磁路结构 内置式转子磁路结构如图2 2 所示。永磁体在转子铁芯内部，在永磁体外表面 与定子铁芯内圆之间的极靴中可以放置转子导条，具有阻尼和启动作用。这种结 构在异步启动永磁同步电机中应用较多。内置式结构在电磁性能上也属于凸极转 子结构，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能 力和功率密度，而且可以利用其气隙小的特点，利用电枢反应实现弱磁控制，从 而使电机运行于而定转速以上的速度。 转子铁心 转 体 图2 2 内置式永磁同步电机转子磁路结构图 1 0 第二章永磁同步电机矢量控制技术 2 2 永磁同步电机的数学模型 由于电动机本身是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，为了实现解耦 控制，通过坐标变换，可以将三相交流绕组等效为两相互相垂直的交流绕组或者 是旋转的两相直流绕组，变换后系统变量之间得到部分解耦，从而使系统分析和 控制得到大大的简化。为了实现分析控制的目的，需要建立被控对象的数学模型。 首先假设1 2 1 ： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，在空间中互差1 2 0 。电角度，所产生 的磁动势沿气隙按正弦规律分布； ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的； ( 3 ) 忽略铁心损耗； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响； 在以上几点基本假设的条件下，可以建立永磁同步电机在各个坐标系下的数 学模型。 2 2 1 自然坐标系( a b c ) 下的数学模型 正弦波永磁同步电动机具有定子三相分布绕组，三个电枢绕组之间按轴线互 差1 2 0 。电角度呈空间分布，图2 3 为永磁同步电机在静止自然坐标系下的等效物 理模型结构图。图中o a 、o b 、o c 为三相定子绕组的轴线，取转子的轴线与定子 a 相绕组轴线的电气角度为p 。 b c a 图2 - 3 永磁同步电机物理模型 根据电机每相绕组电压与电阻压降和磁链变化相平衡的关系，可以得到永磁 1 1 电子科技大学硕士学位论文 e ；】2 孳昙主】隆】+ p 匡三】 q - 1 ) 刚笔矧孙 妒 妒 妒 ( 2 2 ) 其中：匕、k 、k 为每相绕组自感，l a b 、l c 、屯、k 、k 为 两相绕组互感，妒夕、妒夕、妒歹为转子磁链在每相绕组中产生的交链。 而由电机转子磁链呈正弦分布，可得： 妒； l ，； 妒歹吨c o s ( o ) ：器 沼3 ， i 雕删i b + 隧l b a l b b l纵bch 孽舞卜) 匕= l b b = k ，绕组之间的互感k = k = l c = 屯= k = l c m ，假定同步电机三相 1 2 第二章永磁同步电机矢量控制技术 卧r 尼越删嘶堆s i n ( ；0 ) 二鬻卜) 其中：l = l a a - l a s ，哆为转子旋转角速度。 2 2 2 永磁同步电机坐标变换原理 在同步电机对称性三相绕组中，由式( 2 5 ) 中电枢电流代数和为零可知，三 相变量中只有两相是独立的，三项坐标系下的数学模型并不是其物理对象最简洁 的描述。为简化和求解永磁同步电机的数学方程，获得简单准确的控制方法和良 好的动态性能，必须运用电机坐标变换原理对同步电机自然坐标系的基本电磁方 程进行线性变换，实现电机数学模型的解耦。磁场定向同步电机常用的坐标系如 图2 4 所示。其中a b c 轴系为同步电机自然坐标系，a b o 轴系为同步电机静止坐 标系，d q o 轴系为同步电机转子几何轴线坐标系。为了实现解耦控制，需要实现 a b c 轴系到d q 0 轴系的坐标变换。 a 图2 4 永磁同步电机三坐标系关系 三相两相坐标变换 a b 0 轴系放在永磁同步电机的定子上，a 轴与a 轴线相重合，采用两相等效正 交绕组来代替三相绕组，实现了三相定子绕组之间互感的解耦，简化了数学模型。 一个旋转矢量从一个三相坐标系( a b c ) 变换到两相坐标系( a 8 0 ) 称为3 2 变换， 又叫c l a r k e 变换，反之叫2 3 变换或c l a r k e 逆变换。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 设三相坐标系的每相绕组有效匝数为n 3 ，两相坐标系系统的每相绕组有效匝 数为n 2 ，各相磁动势为有效匝数与电流的乘积，其空间矢量坐标图如图2 - 5 所示。 图2 - 5 三相坐标系和两相坐标系中的磁动势矢量 设磁动势波形是正弦分布，当三相总磁动势与两相总磁动势相等时，两套绕 组瞬时磁动势在a 、b 轴上的投影都应相等，因此有： 在两相系统上增加一项虚拟零轴磁动势：毛，并使2 乇= k 3 也+ + f c ) ，根 据式( 2 7 ) 及变换前后总功率不变可得c l a r k e 变换及其逆变换关系为1 2 1 ： 肿 i b - - 1一三一三 22 o 鱼一鱼 22 111 压压压 1 0 7 1 ： 2 1压1 22 2 1 3 l 2 2 , 2 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 其中为了满足总功率不变有，n ：；历。该坐标系变换关系也适合于电机 1 4 也 必 一 b 州 觎 o 肌知 s 、一 一萼 是 妒 峨 俩 矿 k6 ，o “ o - 一 p 矗 蛳 棚 靠 如 第二章永磁同步电机矢量控制技术 定子电压和磁链变换。 两相静止两相旋转坐标变换 、 q i f 求3 夸 彩釜 o n 黍t 图2 - 6 两相静止和旋转坐标系中的磁动势矢量 与a b o 轴系坐标系不同，d q o 轴系放在电机转子上，d 轴为转子纵轴，q 为转 子横轴，坐标轴同转子一起旋转，d 轴与a 轴之间的夹角为0 。从两相静止坐标系 a b 到两相旋转坐标系d q 的变换，称为2 s 2 r 变换或p a r k 变换，反之称为2 r 2 s 变 换或p a r k 逆变换。变换的原则同样是产生的磁动势相等。如图2 - 6 绘出了a b o 和 d q 0 坐标系中的磁动势矢量，绕组每相有效匝数均为n ：，两相电流f a 、和两相 电流、乞以同样的角速度t o , 旋转产生相等的合成磁动势( 。 根据图2 - 6 所示情况，可以推导出p a r k 变换及其逆变换的关系为【2 1 ： 【芝】2 卜c s o ；s n 0 日。s 。i n s o 口i 略i 。】 c2 - 1 。) 乏】2 。c s o i n s 口o - 。s 。i s n 口0 【 i a 】 ( 2 1 1 ) 电压和电磁的旋转变换矩阵与电流旋转变换矩阵相同。 通过式( 2 8 ) 和式( 2 1 0 ) 的变换矩阵，可以得到a b c 自然坐标轴系到d q o 旋转坐标轴系下数学模型的变换关系式1 2 j ： ，；层 yj c o s 0 s i n 0 1 压 c o s ( o - 1 2 0 。) - s i n ( 0 - 1 2 0 。) 1 压 c o s ( 0 + 1 2 0 。) 一s i n ( 0 + 1 2 0 。1 1 压 其反变换即从两相旋转坐标系向三相静止坐标系的变换式为： 1 5 ( 2 1 2 ) 电子科技大学硕士学位论文 叵 ，2 ，孙2 f i yj c o s o- s i n 0 c o s ( o - 1 2 0 。) - s i n ( o - 1 2 0 。) c o s ( o + 1 2 0 。) - s i n ( o + 1 2 0 。) 1 压 1 压 1 压 ( 2 1 3 ) 要实现电机解耦控制所需的坐标变换即可通过如上所得的c l a r k e 变换及p a r k 变换关系式计算得到。 2 2 3d q o 轴系下的数学模型 运用电机变换理论对同步电机自然坐标系的基本方程进行旋转变换，可以使 电机参数转换为直流参数，消除绕组间的相互耦合。采用电机转子几何轴线坐标 系进行旋转变换，可以获得惯用的同步电机d q 0 轴系数学模型，该模型较a b c 轴 系模型大为简化。 通过2 2 2 节得到的变换矩阵( 2 1 2 ) 可以对电机的电流、电压和磁链进行坐 标轴系的变换，代入a b c 坐标系下的电压回路方程可以得到永磁同步电动机在转 子旋转轴系下的方程为： 卧 x ：p 嚣阶0 奶】 协 1医 其中，o = 厶= 号，缈；= ，。 式( 2 1 4 ) 是通过坐标变换原理将自然坐标系下的数学方程变换而得的永磁同 步电机数学模型，同样，我们也可以直接在d q o 坐标系下建立起数学模型。在转 子参考坐标系下的定子电压平衡方程为1 2 j ： 卧 台删+ 瞄碓】一 定子磁链可以表达为： 阶 ：渊+ 引 1 6 ( 2 1 6 ) 第二章永磁同步电机矢量控制技术 其中：妒，为转子永磁体在定子中的耦合磁链。将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 5 ) 可 以得到永磁同步电机在转子坐标系下的电压回路方程： 刚r , 厶+ q p l d 藏肿0 慨】 协忉 由于机与妒；所代表的是同一个量，可以知道式( 2 1 7 ) 代表的数学模型与式 ( 2 1 4 ) 是一致的。 在d q 0 坐标系下，输出电磁转矩表示为1 2 l ： 互= 尸 。一妒9 )