（通信与信息系统专业论文）火焰切割机交流伺服系统设计.pdf

武汉理丁大学硕士学位论文 摘要 火焰切割机伺服系统的自动下料和智能控制一直是切割机性能改进研究的 重点，因为它们决定了火焰切割机的切割产品性能的优劣及工业生产效率的高 低。随着工作技术上的不断革新和进步，对于精确度的要求不断提高，传统的 直流伺服系统在切割精确度和稳定性等方面难以满足需要。本文针对此进行了 基于d s p 的交流伺服系统设计。通过d s p 高速处理能力和在电机控制方面的优 势，充分发挥高性能控制芯片的特点，通过数字化方法对交流电机的转速和位 置进行控制，提高了伺服系统的实时性和可靠性，获得较理想的精度。 本课题中，首先分析了交流电机的数学模型，然后描述了空间电压矢量控制 法，将交流电机的伺服控制简化为类似直流电机的伺服系统，使得较为复杂的 交流伺服变得方便简洁，接着讲述了三种调节器的设计。伺服系统设计主要有 硬件和软件设计两部分，硬件设计主要采用便于电机控制的d s p 2 4 0 7 作为主控 芯片，分别通过系统主回路和检测电路等来驱动和控制电机运转。软件设计主 要是各调节器的数字实现及s v p w l v l 的编程，给出大部分功能模块的程序流程， 最后对系统做出仿真分析。 本论文在交流伺服系统方面进行研究探索，并且针对在火焰切割机上的应 用进行介绍，通过m a t l a b 仿真实验，获得交流伺服系统设计方向的较多体会。 同时，该伺服系统不仅仅是火焰切割机的应用，也可以应用于其他工业的伺服 系统，对于具有相似的交流伺服系统的控制具有一定的参考价值和借鉴意义。 关键词：火焰切割；交流电机；伺服系统 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ef l a m ec u t t e rs e r v o sa u t o m a t i cd r o p p i n gm a t e r i a l sa n dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l a l w a y sh a v eb e e nt h ek e yp o i n to fr e s e a r c h ，f o rt h e s eh a v ed e c i d e dt h ep e r f o r m a n c e o ft h ef l a m ec u r e r sc u r i n gp r o d u c ta n dt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yh e i g h t w i t ht h ei n d u s t r yt e c h n o l o g yu n c e a s i n g l yi n n o v a t i o na n d p r o g r e s s e sa n du n c e a s i n g l y r e g a r d i n gt h ep r e c i s i o nr e q u e s t ，t h et r a d i t i o n a ld c s e r v oc a n tm e e tt h en e e do ft h e a s p e c t sa b o u tt h ec u r i n gp r e c i s i o na n ds t a b i l i t y i nv i e wo ft h i s ，t h ea r t i c l eh a su s e d s o m ed e s i g nw a y sb a s e do nt h ed s pa c - m o t o rs e r v o t h r o u g ht h eh i g hs p e e dd a t a p r o c e s s i n ga b i l i t yo fd s pa n dt h es u p e r i o r i t yi nt h em o t o rc o n t r o la s p e c t ，f u l l y d i s p l a y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fah i g hp e r f o r m a n c ec o n t r o lc h i p ，a n dc o n t r o lt h es p e e d a n ds p a c eo ft h ea c m o t o rt h r o u g ht h ed i g i t i z e dm e t h o d ，e n h a n c i n gt h er e a l t i m e r e l i a b i l i t y , t h e nt h i ss e r v oo b t a i n sar e l a t i v er a t i o n a lp r e c i s i o n i nt h i st o p i c ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mh a sf i r s tb e e na n a l y z e d t h e n t h es p a t i a lv o l t a g ev e c t o rc o n t r o lm e t h o dh a sb e e nd e s c r i b e da n du s e dt os i m p l i f i e d t h es e r v oo fa c m o t o rs i m p l i f yt ot h es i m i l a rd c m o t o rs e r v o ，c a u s e dt h er e l a t i v e c o m p l e xa c m o t o rs e r v oc o n v e n i e n t a n dt h e nh o wt od e s i g nt h et h r e er e g u l a t o r sh a s b e e nd e s c r i b e d t h es e r v om a i n l yi n c l u d e st h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r e d e s i g n t h eh a r d w a r ed e s i g nm a i n l yu s e st h ed s p 2 4 0 7a st h em a s t e rc o n t r o lc h i p w h i c hi ss p e c i a li nm o t o rc o n t r 0 1 i nt h i sp a r t ，s y s t e md e s c r i b e dh o w t od r i v ea n d c o n t r o lm o t o rt h r o u g ht h es y s t e mm a i nl o o pc i r c u i ta n dt h em e a s u r e m e n tc i r c u i t t h e s o f t w a r ed e s i g np a r tm a i n l ya i m sd i g i t a lr e a l i z eo fa te a c hk i n do fr e g u l a t o ra n dt h e s v p w m p r o g r a m m i n g ，a n dt h ep r o c e d u r ef l o wo ft h em a j o r i t yo ff u n c t i o n a lm o d u l e a l s oa r eg i v e n a tl a s t ，w r i t e rs h o w st h ee m u l a t i o nd i a g r a ma n da n a l y s i so f t h es e r v o t h ep a r t i c l eh a sr e s e a r c h e da n de x p l o r e di nt h ea c m o t o rs e r v oa s p e c t ，a n d i n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ef l a m e c u r e r t h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，ih a v eo b t a i n e dt h es o m ee x p e r i e n c ea b o u tt h ea c m o t o rs e r v od e s i g n a tt h es a m et i m e ，t h i ss e r v oi sn o to n l ya b o u tt h ea p p l i c a t i o no ff l a m ec u t t e r , a l s o o t h e ri n d u s t r ys e r v o s t h e r eh a v ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ea n ds i g n i f i c a n c e f o rt h e s i m i l a ra c m o t o rs e r v oc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：f l a m ec u t t e r ；a c m o t o r ；s e r v o i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鲞煎丕导师签名： 日 期：毕砂) 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 火焰切割主要用于碳素钢和低碳钢的切割，是利用铁在氧气中的燃烧反应及 反应热进行切割的一种方法。在切割碳素钢时，钢板的厚度变化较大，若切割质 量和精度要求不是很高、投资要求较少，火焰切割较为适宜。如果对切割质量和 精度有严格要求时，必须采用数控装置控制切割轨迹。 目前国外企业的火焰切割机普遍采用了数控系统进行下料和控制的方法，不 仅提高了材料的利用率，还大大改善了产品质量，优化了工作环境，提高了工作 效率。随着我国经济的快速发展，在机械、船舶、压力容器、冶金等行业中，各 种形状的厚钢板的切割下料工作量非常大，使得对火焰切割机的需求量增大。而 我国机械加工行业钢板下料普遍采用手工火焰切割，不能满足市场的需求。国外 的数控火焰切割机价格昂贵，功能和操作复杂，不能得到充分的利用，而国内数 控火焰切割机的功能、稳定性、效率也比不上国外。因此开发一套稳定、高效、 成本低的经济型数控火焰切割机床，在我国有着广泛的应用前景。火焰切割机伺 服系统是火焰切割机的关键部分，因此研究火焰切割机伺服系统具有极其重要的 意义。 1 2 火焰切割机概述 火焰切割机利用气体火焰将钢材表层加热到燃点并形成活化状态，然后送进 高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放 出大量的热，借助这些燃烧热和熔渣，不断加热钢材的下层和切口前缘，使之也 达到燃点，直至工件的底部。与此同时，切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从而形成 切口将钢材切割开，如图1 1 所示。 氧气流 上 -0r 7 ， 割嘴 热火焰 割件 图1 1 气体火焰切割原理 l 武汉理工火学硕士学位论文 火焰切割机主要由以下四种功能部件组成： ( 1 ) 火焰切割机机械结构，包括横梁，纵向主、副滑座，横向减速器，横 向主副托架，割炬升降机构，割炬，排架，工作台等结构，它们在切割机加工过 程中一般是静止的，主要是起定位、支承、导向等作用。 ( 2 ) 伺服机构，包括数控切割机的动力设备和执行机构。动力设备如电源、 电动机等向数控切割机提供动力的装置，执行机构如执行电机、传动和操作机构 等。它们在控制信息作用下带动割炬升降机构与工作台的运动配合完成机床要求 的动作。 ( 3 ) 检测与传感装置，包括各种传感器及其信号检测电路，用于提供切割 机运行所必须的内部、外部状态信息。 ( 4 ) 信息控制与处理装置，主要指信息载体和由计算机及其软、硬件构成 的控制系统。 火焰切割机工作过程主要有以下步骤： ( 1 ) 按照加工零件图纸的要求，操作者在操作柜上按照加工意图用规定的 代码和程序格式编制加工程序，把人的加工意图转变为火焰切割机能接受的信 息。 ( 2 ) 把这种程序记录在信息载体上，输送给数控装置进行加工。加工过程 中由传感器检测出的火焰切割机的运行状态及环境变化的信息也将反馈给数控 装置。 ( 3 ) 数控装置对输入的信息进行处理后，向切割机各坐标的伺服系统发出 数字信息，驱动切割机相应的运动部件。 ( 4 ) 同时还要控制其他动作，如切割过程中人工干预停车、移出割炬修理 割炬割嘴、改变方向等。最后在计算机自动控制下加工出符合图纸要求的工件。 1 3 国内外研究状况及趋势 ( 1 ) 研究现状 世界上第一台数控火焰切割机是英国氧气公司1 9 6 1 年研制成功的。1 9 6 4 年 日本在船舶行业开始制造使用数控切割机。我国广州中山造船厂1 9 7 1 年研制成 功我国第一台数控切割机【l 】。上世纪8 0 年代初，随着改革开放，各行各业对数 控技术大量需求。1 9 9 0 年中国科学院光电技术研究所和机电部东方机床厂联合 研制成功大型火焰切割机数控系统，火焰切割机数控系统开始采用计算机数控技 术【2 】。 我国数控火焰切割技术起步于2 0 世纪8 0 年代中期。进入9 0 年代后，国内 的一些公司瞄准世界先进水平，不断开发研制数控切割机的新产品，而且，有些 2 武汉理t 大学硕士学位论文 产品的主要技术指标已达到国外同类设备的先进水平，同时随着市场经济的调控 作用，目前国内生产数控切割机的厂家已调整至二十几家 3 1 。 2 0 世纪8 0 年代初期以前数控切割机国内市场全部由国外切割机占领，8 0 年代中后期国产数控切割机才逐步生产出并投放市场，9 0 年代初随着国产数控 切割机的发展，市场的迅速扩展，迫使国外企业到国内来发展，切割机的价格也 大幅度下降。9 0 年代后期由于国产数控火焰切割机质量已稳定，价格也较前几 年大幅度下降，因此已逐步取代了进口产品。 目前，国内采用的火焰切割机数控系统既有国外的，也有国内的。国外的数 控系统主要有美国海宝的系统、西班牙的系统。这些数控系统功能强大，但价格 比较昂贵。国内使用的火焰切割机伺服系统既有基于单片机的经济型伺服系统， 也有基于工控机的中档伺服系统【4 】。 经过国内研究人员的不懈努力，我国的火焰切割机伺服系统功能有了很大的 提高，但是与国外先进的伺服系统相比，还存在许多不足之处。国内的火焰切割 机伺服系统不能充分利用计算机的硬件及软件资源，使得伺服系统的性能受到制 约。而采用国外的切割机伺服系统，虽然功能强大，但价格昂贵，企业没有核心 竞争力。因此，开发一套实用，成本低廉的火焰切割机伺服系统对于实际应用有 很重要的意义。 ( 2 ) 火焰切割机伺服系统发展趋势 我国大部分的火焰切割机伺服系统以经济型机床( 单片机为核心，步进电机 为驱动元件) 为主，随着国内技术人员不断开发研制新产品，许多产品的主要技 术指标都已经与国外同类设备相媲美。 ( a ) 未来发展方向主要是更高精密度，更高切割速度。火焰切割机在切割 钢材时是通过切割氧气流来把氧化铁熔渣吹掉，从而形成切口将钢材割开，因此 在精密度上不能够保证。切割前需要预热，花费时间，导致切割速度不够迅速。 ( b ) 新的算法将会研究出来修正火焰切割机的割嘴沿着设定图案实际运行 时的产生误差。通过预先判断火焰切割机的割嘴在各种图案的转弯、转向处可能 出现错误，进行一定的算法修正。 1 4 本文主要研究内容 本文结合火焰切割机交流伺服系统的发展趋势，分析火焰切割机伺服系统运 行特点，建立火焰切割机伺服系统模型，以d s p 为核心搭建硬件实现平台，设 计出一个结构简单，成本低、性能优良的火焰切割机交流伺服系统，并且对所设 计的交流伺服系统进行仿真分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章火焰切割机伺服系统建模 2 1 火焰切割机伺服系统概述及分类 火焰切割机伺服系统主要包括一套自动调高系统和钢材平面上两个互相垂 直方向的位置伺服系统。自动调高系统用来调节切割机割嘴的高度，而另外两路 位置伺服系统则是用来控制切割机割嘴按照指定的形状来切割钢材。本文的设计 乃是针对这两路位置伺服系统中的其中一路进行。该位置伺服系统最主要任务在 于控制切割机割嘴按照指定的位置参数进行位置调整，并且能够对位置进行实时 反馈调节。 为了进一步深入分析火焰切割机伺服系统的特性，首先需要对该伺服系统所 采用的电机建立数学建模，然后确定整个伺服系统的数学模型，最后针对所建立 的伺服系统数学模型进行设计。因此，需要确定火焰切割机伺服系统所采用的电 机类型( 即伺服系统的类型) 以及控制方法，下面将一一讲述。 根据采用电流类型不同，电动机分为直流电机和交流电机两大类。以直流电 动机作为控制对象的位置控制装置称为直流伺服系统；以交流电动机作为控制对 象的位置控制装置称为交流伺服系统。 直流伺服系统最大的优点就是电机容易控制和调节。由于改变电枢电压就可 以改变直流电机的转矩，从而只需要通过改变提供给电机的电压就可以实现对电 机的控制。因此，长期以来( 2 0 世纪8 0 年代以前) 在伺服控制领域中，直流伺 服一直占据主导地位。但是直流电动机本身拥有以下缺陷【5 】： ( 1 ) 直流电动机的机械式换向器表面换向电流、电压的极限容许值限制了 单机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成本 以及伺服系统的复杂性。因此，在工业生产中，一些要求特高转速、大功率的场 合无法采用直流伺服系统。 ( 2 ) 直流电动机的机械式换向器需要定期的检查和维修，电刷易磨损，需 要定期更换。因此直流伺服系统维护工作量大，费用高。 ( 3 ) 在运行中易产生火花，在一些易燃，易爆的生产场合不易使用直流电 动机。 交流电动机与直流电动机相比，具有结构简单、坚固耐用、维修少、转动惯 量小、制造成本低、适用于恶劣工作环境、易于向高电压、高速、大容量发展等 优点。近年来由于计算机的快速发展和新型快速的电力电子元件的出现，使得交 4 武汉理工人学硕士学位论文 流电动机的伺服控制得到迅速的普及。 交流伺服电机由交变电流控制，电流输入到线圈中并使之成为电磁体。线圈 周围的磁场与其他的电磁体相互作用，使得电机的转子部分产生转动。交流伺服 电机主要分为同步型和异步型两大类。 ( 1 ) 同步型 永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高， 容易达到低限速度。同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，适合高 生产率运行，较容易达到很高的调速比。 ( 2 ) 异步型 通过在其定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋 转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动 机的旋转。异步型电机主要问题是转子发热，效率低，转矩密度较小，体积较大， 功率因数较低。另外，在大多数使用场合下对异步电机的伺服控制都较困难。 综合上面两种伺服系统的特点，交流异步伺服电动机适用于要求不高的大功 率伺服领域，交流同步伺服电动机适用于精度较高的小功率伺服领域。本文所设 计的伺服系统要求有较宽的调速范围、灵活的位置控制、小功率，体积小等特点， 因此选用同步型电机p m s m 。 2 2 火焰切割机伺服系统总体方案 在设计火焰切割机伺服系统的总体方案前，首先分析所采用的永磁同步电机 的数学模型。 2 2 1 永磁同步电机数学模型 电机的机械运动方程为： 警= 专c z 吲 【= 其中，电机转子机械角速度； 电机转子的转动惯量； z 电磁转矩； 正负载转矩，其方向与电磁转矩疋相反； 国转子电角速度； 以电动机的极对数。 要想控制电机进行位置调节，首先要调节电机的速度， ( 2 1 ) 由电机的机械运动方 武汉理上人学硕士学位论文 程可知，只要能够控制电机的电磁转矩即可。因此，需要分析出永磁同步电机的 电磁转矩与哪些因数有关，进而就可以对其建立数学模型。 永磁同步电动机主要由定子和转子两大部分组成。永磁同步电动机的定子是 指电动机在运行状态下静止不动的部分，与异步电动机定子结构相似，主要是由 硅钢片、三相对称的绕组、固定铁心的机壳及端盖部分组成【6 j 。对其三相对称的 绕组通入三相对称的电流就可以得到一个旋转的圆形空间磁场，旋转磁场的转速 被称为同步转速n o = 6 0 f p 。，其中厂为定子电流频率。 永磁同步电机的三相集中绕组分别为a 、b 、c ，各相绕组的中心线在与转 子轴垂直的平面上。三相绕组的电压回路方程为： = 兄乞+ 誓 驴r + 警 ( 2 - 2 ) 铲r + 誓 其中，u 。、u 。、材。为各相绕组两端电压，r a 、见、r 为三相绕组定子电阻， 屯、f c 为各相线电流，、y 。为各相绕组磁链。磁链方程为： v n = l n i n + m 曲i b + m 。i c + v ： y 6 = m b 。乞+ 厶f 6 + 毛。之+ 缈： ( 2 3 ) vc = m ，i o + mc 乒b + l i c 七v c r l 为各相绕组自感，虬为各相绕组间互感，y ：为永磁体磁链在各相绕缉 的投影。为了简单起见，假设三相绕组在空间上呈对称分布，且所通入的电流也 是对称的，且有心6 = m 。= m b 。= m b 。= 蚝= m o b ，l a = 厶= l c ，l = l x 一虬， 对于特定的永磁同步电机”为常数，且式( 2 4 ) 也成立： f ly ；= 虬c o s ( o ) 沙：沙，c o s ( 一v 一丝) ( 2 4 1 ) 1 沙，2 ”一_ j k z 。， l y ；： o s ( 9 一竿) l j 其中，虬为转子磁链，口是悱与口相绕组间夹角，把式( 2 3 ) 、( 2 - 4 ) 代人 式( 2 2 ) ，得电机在三相坐标系下的电压方程为： = 心屯+ 乞韭d t + m a b 亟d t + 心。d d i f c - - 0 - ) 驴，rs i n ( 口) = r + 饩。鲁+ 厶象+ 蚝鲁一国虬s i 邮一等) = r f c + m c a d 饿i 。+ 帆鲁+ ld 讲i c - c o g ，s i n ( 口一等) 6 武汉理1 = 大学硕十学位论文 根据机电能量转换原理【，j ，同步电机的电磁转矩为： 瓦= p 2 r t l 钟1 1 怒a ( 2 - 6 ) zt = l l j 将式( 2 3 ) 、( 2 5 ) 代人式( 2 6 ) 得： 乙= p z - i o t od d i f o + m 曲百d i s + 心。i d i c 一虬s i n ( 目) 】 + 譬屯 。百d i o + 厶鲁+ m 如鲁- - o 。g l rs i 咿一等) 】 ( 2 - 7 ) + - 穹- i c m 。i c l i o + 蚝瓦d i s + ld 讲i e _ o l f rs i n ( 9 一等) 】 由式( 2 - 7 ) 可知永磁同步电机的电磁转矩与动c 坐标轴的电流乞、屯、t 存 在着非线性耦合关系，需要对其进行解耦处理才能进一步分析其数学模型。因此 为了方便分析，需要对电机进行适当坐标变换来进行矢量解耦控制。 2 2 2 永磁同步电机矢量控制法 本文采用矢量控制法来对永磁同步电机进行解耦控制。矢量控制法的基本思 想是在三相交流电机上模拟直流电机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将定 子电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量力和产生转矩的转矩电流分量，并 使两分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节，实现转矩控制。 矢量控制中所用的坐标系有静止坐标系和旋转坐标系。静止坐标系有：三相 定子坐标系( a b c ) ，两相定予坐标系( 筇) 。两相定子坐标由固定在定子上和a 轴重合的口轴和逆时针超前9 0 0 的轴组成。旋转坐标系为转子坐标系( 由) ， 各坐标系间的关系如图2 1 所示。所涉及的坐标变换有：三相定子与两相定子间 的变换c l a r k e 变换( a b c a f l ) 、静止坐标系与旋转坐标系间的p a r k 变换 ( 叩幽) 、c l a r k e 逆变换( 筇a b c ) 和p a r k 逆变换( 由筇) 。c l a r k e 变换 也称为3 2 变换，其逆变换称为2 3 变换。根据各坐标矢量间的关系，可以得到 他们之间的变换矩阵。 a b c a 3 变换： 图2 1p m s m 的坐标变换 7 武汉理t 大学硕十学位论文 讣层 ( 2 8 ) 对于有电流平衡关系的三相绕组星形接法乞+ 毛+ 之= 0 ，则可以进一步简化 上式得到： a f t a b c 逆变换： ： = 店 黔ic 三 o 3 通 气 了v j 二 0 1 以 22 矗 2 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 筇由变换： 芝 = 。一c s o ；s n o 臼c s 。i n s o p l 。p 名- c 2 一， 由a 逆变换： 乏 = 。c s o i n s 目0 - c s 。i s n 秒o j 。i 岛i d c 2 2 ， 变换中使用的系数2 3 是保证电机电枢绕组在不同坐标下的合成磁势大小 相等、方r n 相同及电机模型变换前后遵循功率不变这两个基本原则。 永磁同步电机从a b c 变换到口p 时，则电磁转矩变为： z = 沙， c o s ( o ) 一屯s i n ( o ) 】( 一一1 3 c o s ( v ) s i n ( v ) 21 3 ) 。2 沙，【0一k j l ) 屯、绉分别是定子电流在筇坐标轴上的分量，此时电磁转矩仍与屯、存 在非线性关系，因此，需要进一步变换到d q 坐标上分析。 在图2 1 中，旋转d g 坐标系随着转子以电角速度一起运动，它的空间 坐标以d 轴和参考坐标轴口之间的电角度0 来确定 基于转子坐标系( d q 轴) 中电机定子磁链方程为： 严5 ? 岬， ( 2 - 1 4 ) 【沙。5 0 其中，y ，转子磁链在定子绕组上的耦合磁链； 厶、乞d g 坐标系上定子的等效电枢电感分量； 屯、屯d g 坐标系上定子电流在d 、q 轴的分量； 8 一2正一22 笪2 12一；一 之z鱼2 1 o 武汉理工大学硕士学位论文 定子电压方程为： 其中，1 , 1 j 、u a 定子电压在在d 、q 轴上的电压分量； 、u 。定子分别在d 轴、q 轴的磁链分量： 月。定子相电阻，也即是前文所述的尺。 转子电角速度。 输出电磁转矩为： t = p 。【y d g q y 。】 ( 2 1 6 ) 将式( 2 1 4 ) 代人上式得到： t = 【y r + ( 厶一厶) 】 ( 2 1 7 ) 矢量控制法的关键是对定子电流矢量的幅值和空间位置( 频率和相位) 的控 制。目前针对同步电机的电流控制策略常见的有以下三种【8 】： ( 1 ) 屯= 0 控制。由于控制直轴电流分量为零，所以该控制算法简单，易于 实现并且可以获得较宽调速范围。但当负载加大时，定子电流增大，由于电枢反 应的影响，造成气隙磁链和定子反电动势都加大，迫使定子电压升高。为了保证 足够的电源电压，电控装置必须有足够的容量，有效利用率降低同时，定子电压 矢量和电流矢量的夹角也会增加，由于电枢反应，将造成功率因数降低。因此控 制方法只适用于中小容量的系统。 ( 2 ) c o s ( p = 1 控制。系统的功率因数恒为1 ，使逆变器的容量得到充分利用， 但最大电磁转矩很小，且相对较难实现。 ( 3 ) 转矩电流比最大控制。该控制策略使电动机输出转矩在满足一定的条 件下，控制定子电流最小。在输出力矩满足的条件下逆变器的输出电流最小，减 小了电机损耗，有利于逆变器中功率开关器件的工作。此方法不足在于功率因素 随着输出力矩的增大下降较快，且该控制算法要占用很大的开销，需要高速度的 中央处理器。 本文的伺服系统控制采用第一种，即= 0 ，则由公式( 2 1 7 ) 得到： z =0 = p 。沙。 ( 一一18 pmibtdi p f l q 28 ) 。2口2。沙 l 。1 ) 采用转子磁链定向控制时，转矩和定子磁链及定子电流的转矩分量成 比，且和相互解耦，彼此独立。只要能够很好地控制定子励磁电流乞，把定 子电流矢量控制在q 轴上，即= 0 ，由公式( 2 - 1 4 ) 可知磁链幅值恒定，于 是转矩瓦只受定子电流的转矩分量控制，转矩疋和电流呈线性关系，只要对乞 进行控制就达到控制转矩的目的。 9 g ， 叫 叫 一 + d g 一 盟出盟出 + 十 0 0 尼 瓜 = = 武汉理工大学硕士学位论文 通过分析知道，只要能准确检测出转子空间位置( d 轴) ，通过逆变器使三 相定子的合成电流( 磁动势) 位于q 轴上，则只需控制定子电流的幅值即可以控 制电磁转矩，从而，永磁同步电动机的控制就能获得与直流电机相媲美的性能。 l o 武汉理t 大学硕士学位论文 第3 章火焰切割机伺服系统总体设计 通过以上分析，可以建立火焰切割机伺服系统的数学模型，系统总体设计框 图如图3 1 所示。本伺服系统主要由三个“环”构成，分别是电流环，速度环和 位置环。每个“环”能够完成各自的局部功能，然后在系统中加以连贯整合，实 现整体功能。这种逐环设计的优点是： ( 1 ) 每个控制环都是稳定的，从而保证整个控制系统的稳定性； ( 2 ) 电流环和转速环内对象参数变化或受到扰动时，电流反馈和速度反馈 能起到及时的抑制作用，从而对位置环的工作影响小； ( 3 ) 每个环都有自己的控制对象，分工明确，易于调整。 图3 1 火焰切割机伺服系统框图 至此，火焰切割机伺服系统数学建模已经完成，为了进一步开展研究工作， 需要对伺服系统的各模块分别进行设计。 由图3 1 可知，本伺服系统主要由以下几个部分组成： ( 1 ) s f p w m 模块和逆变模块； ( 2 ) 各种坐标变换模块； ( 3 ) 电流、速度、位置环调节器； ( 4 ) 位置，速度检测模块。 主要控制过程为：位置给定信号s 和检测到的转子位置s 相比较后，经过位 置调节器后，输出国作为速度控制器的给定信号，然后再与检测到的转子速度缈 进行比较，输出乞。，作为电流调节器的给定信号。与此同时，经过坐标变换后定 子电流反馈的三相电 i a 、屯、t 变成小i d ，通过控制d 轴使得e = 0 ，。r 与 相比较后，经过电流调节器输出为d 、q 上的电压，经过由a p 变换成为口、 武汉理工大学硕士学位论文 轴上电压。然后再通过s v p w m 模块输出六路p w m 驱动逆变模块，产生三相正 弦电流输入电机定子。 接下来对各个模块进行逐一分析，各种坐标变换模块已经在永磁同步电机矢 量控制法解耦时介绍，而逆变模块、位置和速度检测模块也将在系统硬件设计时 介绍。因此，下面将对s v p w m 模块和各调节器进行分析和设计。 3 1s v p w m 和逆变模块 交流电机输入三相正弦电流的最终目的是在空问产生圆形旋转磁场，从而使 得电磁转矩仅与t 有关。如果瞄准这一目标，把逆变器和电机视为一个整体， 按照跟踪圆形旋转磁场来控制输出的p w m 电压，其效果一定会更好。由于磁链 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( s v p w m ) 控 制【9 】o 电压空间矢量是按照电压所加绕组的空间位置来定义的。在三相定子绕组加 上三相定子电压，可以定义三个电压空间矢量，它们的方向始终在各相的轴线上， 而大小则随时间按正弦规律脉动式变化，时间相位互差1 2 0 0 。三个电压空间矢量 的合成空间矢量是一个旋转的空间矢量，它的幅值不变，是每相电压值的3 2 倍。 当频率不变时，它以电源角频率为电气角速度作恒速同步旋转，哪一相电压为最 大值时，合成电压矢量就落在该相的轴线上【l o 】【1 1 1 ，同理可以定义电流和磁链的 空间矢量。用合成空间电压矢量表示的定子电压方程为： ：冠，1 + 盟 ( 3 1 ) d l 当转速不是很低时，定子电阻上压降相对较小，于是便有： 配型组( 3 2 )配ol ，- ， d t 电压空间矢量大小等于磁链的变化率，方向与磁链的运动方向一致。在三相 平衡正弦电压供电时，电机定子磁链幅值恒定，其空间矢量以恒速旋转，磁链矢 量顶端的运动轨迹形成圆形的空间旋转磁场( 磁链圆) 。根据少= y ，e 删可得到： 翌竺兰；二：国y 。p ，研 ( 3 3 ) 口l 当磁链幅值一定时，电压的大小与频率成正比，其方向为磁链圆形轨迹的切 线方向。当磁链矢量在空间旋转一周时，电压矢量也连续地按磁链圆的切线方向 运动2 刀弧度，其轨迹与磁链圆重合。这样，电机旋转磁场的形状问题就可转化 为电压空间矢量运动轨迹的形状问题。 s v p w m 是通过逆变器功率器件的不同开关模式来产生有效电压矢量逼近 基准圆，如图3 - 2 所示，逆变器上、下桥臂的开关器件在任一时刻不能同时导通， 1 2 武汉理丁大学硕十学位论文 处于丌关互逆状态，所以只用上桥臂的三个功率开关器件来描述逆变器的工作状 态就足够了。如果把上桥臂功率开关器件的导通状态用“l ”表示，关断用“0 ” 表示，上桥臂三个功率开关器件的开关状态共有八种组合，构成了对应的电压空 间矢量v ( o o o ) ，v ( 0 0 1 ) ，v ( o l o ) ，v ( 0 1 1 ) ，v ( 1 0 0 ) ，v ( 1 0 1 ) ，v 0 1 0 ) ，v o l l ) 。 逆变桥输出的线电压矢量和相电压矢量与开关变量矢量间的关系可由以下 式子表示： 趁v c o _ l = 立苫 蓍 c 3 - 4 ， 蓬 = 等 ；三- 1 ； 喜 c 3 - 5 ， 其、圪表示输出的3 个相电压，、吃表示输出的3 个线 电压。于是整理后得到他们之间的关系如表3 1 所示。 表3 1 开关状态与线电压、相电压关系 cbav a n踢门v c nv a bv b c跆口 oo0o0o0 0 0 0012 网c 3一v d c 7 3一y a c f 3v d c 3 o v d c l 3 01o - v d c 32 y d c 7 3 ，d c 3 v d cv d co o1 1v c l c ? 3y a c 7 32 v c l c 7 3 0v d c v d c 10 ov d c 3- v d c 3 2 v d c 30v d c v d c l0l v d c f 3 2 ，d c ，3y d c f 3v d cv d co 1lo2 y d c 7 3y d c 7 3v d c l 3v d c0v d c 111o0000o 由a b c a f l 变换及a , 6 砌变换可知： 武汉理工人学硕士学位论文 嘲= 后 c o s 臼c o s ( 口+ 争c o s ( 矶争 s i n ( 删s i n ( 一口+ 冬) s i n ( 一目+ 譬) jj ( 3 6 ) 一一l + a + a 2 ) 7 ， 其中a = e j 2 z 3 = _ 丢+ 孚扩乃一三一孚一，。 假定某时刻开关状态为( 。1 1 ) ，则由表中可查知：= j 1v 如，圪。_ 3 l v 出， ，) 吃= 一三吆。 j u o l i = 店( 喜+ 咭吃孚耻缸( 半) 8 ) 值均为万玩。根据从一个电压空间矢量旋转到另一个矢量的过程中，应当遵 循功率器件的开关状态变换最小的原则，即只有一个功率器件的开关状态发生变 化。利用这8 种电压矢量的线性组合，可获得更多与基本空间矢量相位不同的电 球肛，址肛c 学) ，- = 肛c 一争争 址一舡，址肛c 4 喜j - ) ，址廖c 争 pt u 0 0 i 0 【 图3 - 3 电压空间矢量 1 4 武汉理下大学硕十学位论文 3 2s v p w m 的实现 由于基本电压空间矢量只有8 个，要想获得尽可能接近圆的旋转磁场，则必 须有更多的空间电压矢量，因此，在每个p w m 周期内，都用相邻的基本有效电 压矢量吒，和零矢量来线性组合生成新的电压矢量。通过改变这些基本 矢量的作用时间疋，吒来确保生成的电压矢量的幅值为t 万玑。当p w m 的 周期足够小，电压空间矢量的轨迹将是一个近似圆的正多边形。 图3 4 空i 。司电肽矢量合成 如图3 - 4 所示，用最近的两个相邻基本矢量百删和万。及零矢量来合成一个 新的电压空间矢量万r 。于是可以得到： 万。= 五万o o - + 五万。t + o 瓦 ( 3 - 9 ) 由时间守恒可得： 。= 瓦+ 五+ 五 ( 3 - 1 0 ) 乙。是系统中p w m 波形的周期，互是u o o l 作用的时间，五) 黾u o l i 作用的时 间。再自_ o 一缸赢，= 肛( 半) ，假设址瓯i ( c 刚杪i 呐， 于是可以计算出墨、五和t o 的值。 五= 警= 爰( 3 - 1 1 ) 。 2 2 ， 正= 訾咖争瓦z p w mc 华， t o2 m 一五一正。_ m 一瓦1 p w m 帆+ u 户3 - 1 3 虬和是u r 分别在筇坐标系上的分量。当iu 尺i 的大小取亏时， 正：t p w m f _ s i n 0 ( 3 - 1 4 ) 。 3 互= 每s i n ( 秒+ 警) ( 3 1 5 ) 武汉理t 大学硕十学位论文 r o = 睾【l s i n ( 臼+ 詈) ( 3 1 6 ) v j j 只要确定0 ( 即判断瓦处于什么位置) ，或者能够确定在筇坐标系上的分 量虬和，即可将全部作用时间确定下来。 如果电压输出u 品以幅度和相角的形式给出，则可以直接根据相角来确定所 在区域位置；如果是以筇坐标系上的分量形式给出。及口，则先用下列式 子来计算。 域。 x = u o = u r 8 】，= u = t 怕，r 一知 ( 3 - 1 7 ) z = 一，i ：r a - q r 3u 。，1u 印 再计算尸= 4 s i g n ( u 2 ) + 2 s i g n ( u 1 ) + s i g n ( u o ) 的值，然后查表3 - 2 即可确定区 表3 - 2p 值与区域号对应关系 p12 3 456 区域号 l 5 0324 确定区域后，再根据上面讲述的计算石、正和t o 的方法来算出此时u r 所对 应的作用时间。然后可进行p f 聊波形的生成。 为了使每个周期内开关次数最少，做出如下规定： ( 1 ) 零向量分为3 段，分别位于p w m 波形的开始、中间、结束； ( 2 ) 开关顺序为：零向量，u 洲，u o 零向量，u o ，u o o l ，零向量， 基本矢量作用时间分别为：r o 4 ，互2 ，五2 ，r o 2 ，正2 ，石2 ，t o 4 。 在电机正反转时，每个扇区的两个相邻基本矢量的选择顺序不变，即电机转 向只与扇区顺序有关。最后计算各个开关作用时间为：疋= r o 4 = ( 瓦一正一t 3 ) 4 ， f = z + 互2 ，z = 瓦+ 五2 。制成表格如表3 3 所示，其中p 、x 、】，、z 分 别是公式( 3 - 1 7 ) 确定的变量，瓦、瓦、乏分别是开关口、b 、c 的作用时间。 表3 - 3 计算开关作用时间 po12345 t 1xzyxzy t 3一z y xzyx t at z t yt y t xt xt z t b t y t z t x t y t zt x t ct xt xt zt z t y t y 1 6 武汉理t 大学硕士学位论文 总结起来，电压空间矢量控制的p w m 模式有以下特点【1 2 】【1 3 】： ( 1 ) 每个小区间均以零电压矢量开始和结束。s v p w m 在零矢量作用时间 上存在一个控制自由度，比s p w m 更具灵活性； ( 2 ) 在每个小区间内虽有多次开关状态的切换，但每次切换只涉及到一个 功率开关器件，因而开关损耗较小； ( 3 ) 利用电压空间矢量直接生成三相p w m 波，计算简便； ( 4 ) 电机旋转磁场逼近圆形的程度取决于小区间时间的长短，值越小，越 逼近圆形，但受到所用功率器件允许开关频率的制约。 ( 5 ) 采用电压空间矢量控制时，逆变器输出线电压基波最大幅值为直流侧 电压，这比一般的s p w m 逆变器输出电压高1 5 。 正是以上优点使得s v p w m 技术已经成为三相电压源逆变器中的一种非常 流行的p w m 技术，并被广泛应用于永磁同步电机的控制中。 3 3 电流调节器设计 在进行电流调节器设计前，首先需要对它所控制的对象进行模型分析。即需 要对同步电机的等效结构和s v p w m 模块的动态模型进行确定。 本文采用同步电机的数学模型已经在前面建立，由式( 2 1 )