（电力电子与电力传动专业论文）全数字永磁同步电机位置伺服系统研究.pdf

abs tract abs tract i n t h i s p a p e r , t h e c o n t r o l m e t h o d o f t h e p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r ( p ms m) a n d i t s m a t h e m a t i c m o d e l a r e f u l l y s t u d i e d . a n d a n a l l d i g i t a l p ms m a c s e r v o s y s t e m i s d e v e l o p e d . b as e o n it , t h e t h e o ry a n d e x p e r i m e n t s o f t h e p o s i t i o n a l s e r v o s y s t e m , t h e a d a p t iv e c o n t r o l a n d t h e f a u l t d e t e c t in g s y s t e m a r e r e s e a r c h e d . i n t h i s p a p e r , a p ms m a c s e r v o s y s t e m w it h v o l t a g e s p a c e v e c t o r c o n t r o l i s i m p l e m e n t a t io n , w h i c h i s b as e d o n t h e r e s e a r c h f r u it o f t h i s r e s e a r c h f i e l d . t h i s s y s t e m w i t h g o o d d y n a m i c a n d s t a t i c p e r f o r m a n c e i n c l u d e s t i s d s p -t ms 3 2 0 f 2 4 0 as c e n t r a l c o n t r o l u n i t , i n t e l l i g e n t p o w e r m o d u l e ( i p m ) as t h e p o w e r s w i t c h u n i t , a n d p ms m as a c t u a t o r . t o i m p r o v e t h e s e r v o p e r f o r m a n c e , t h e t w o - d e g r e e - o f - f r e e d o m o n p ms m s e r v o s y s t e m i s u s e d . t h e s i m u l a ti o n a n d t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s p r o v e t h e e ff e c t iv e o f t h e s t r a t e g i e s . t o e n h a n c e t h e p e r f o r m a n c e a n d t h e r o b u s t o f t h e s y s t e m , t h e m o d e l - r e f e r e n c e a d a p t i v e c o n t r o l ( mr a c ) w i t h t h e t o r q u e o b s e r v e r i s i n t r o d u c e d i n t o t h e p ms m s e r v o s y s t e m . t h e r e s u lt s o f s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t p r o v e t h a t t h e a l g o r i t h m i s r a p i d a n d e as y t o i m p le m e n t a t i o n . i t i s e f f i c i e n t t o e n h a n c e t h e p e r f o r m a n c e a n d b u i l d u p t h e r o b u s t o f t h e s e r v o s y s t e m . f u r t h e r m o re , i t i s d e s i g n e d t h e f a u l t d e t e c t i o n c i r c u i t a n d t h e r e c o v e ry p r o c e s s i n g fl o w w i t h t h e p u r p o s e t o e n h a n c e t h e r e l i a b i l i t y a n d m a i n t a i n a b i l i t y o f t h e s y s t e m. k e y w o r d s : p e r m a n e n t ma g n e t s y n c h r o n o u s mo t o r p o s i t i o n al s e r v o a d a p t i v e c o n t r o l a l l d i g i t a l a c s e r v o f a u l t de t e c t i o n 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和取得的 研究成果， 除了 文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 一 *叁或 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了谢意。 学位论文作者签名: k - 签 字日 期:yo u年 6月l y 日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解2垄达些 红有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定。 特 授 权 云建大 1 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， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以 供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 签 字日 期:1 0 哪年 a h d 月: 弘 日 导 师 挑 :价汀 畔 签 字 日 期 : y 4 年 a 丹日 第一章绪论 第一章绪论 目 前， 随着电力电子技术、 微电子技术、 现代控制理论和计算机技术的发展， 交流伺服系统已 经在机电一体化、 工业机器人、 柔性制造系统等许多高科技领域 中得到了广泛的应用。 由于永磁交流伺服系统能够方便高效的利用能源， 因而它 逐 渐成为工业伺服系统的主流，同时也成为当前研究与应用的 重要领域11 1 2 3 4 1 1 . 1 1 . 1 . 永磁交流伺服控制系统概述 1交流电机控制系统的发展和现状 电 机控制系统主要分速度控制和位置控制两大类。 传统的电 气传动系统一般 指速度控制系统，广泛地应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、水泥、 交通等工业部门。 对于位置控制 ( 伺服) 系统，目 前国际上较多采用运动控制这 一名称。 运动控制系统通过伺服驱动将给定指令变成期望的 机构运动， 一 般功率 较小，并有定位要求和频繁起制动的特点，在导航系统、雷达天线、数控机床、 加工中心、 机器人、打印机、 复印机、 磁记录仪、 磁盘驱动器、自 动洗衣机等领 域 得 到 广 泛 应 用 3 4 56 电 机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统。 由于历史上最早出现的是直流电机， 所以1 9 世纪8 0 年代以前， 直流电气传动是 唯一的电气传动方式。直到1 9 世纪末，出现了交流电，且解决了三相制交流电 的输送和分配问题， 并制成了经济使用的鼠笼异步电机， 这就使交流电 气传动在 工业中逐步得到应用。由于异步机的大量使用， 严重影响到电网的功率因数，同 步机的诞生和使用大大缓解了功率因数问题。2 0世纪的大部分时间里基本形成 直 流 调 速、 交 流 不 调 速的 格 局 s 2 0 世纪7 0 年代初的石油危机使得工业发达国家投入大量人力、财力研究节 能措施。 人们发现，占电机用量一半以上的风机、 泵类负载是靠阀门和挡板来调 节流量和压力的， 其拖动电机一般工作在恒速状态， 从而造成了大量的电能浪费。 通过改变电 机转速的方法调节， 在压力不变的条件下可节电 2 0 %-3 0 %。 在工 业化国家， 经济型交流电机调速装置己 大量地使用在这类负载中， 成为重要的节 能手段。 同时， 随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展， 高性能的交流电机 控制系统也出现了， 经过近十几年的不断努力， 性能得到很大改善， 成本还在下 降。 人们期望随着技术的不断成熟， 它将在几乎所有工业应用领域中取代直流电 机控制系统。 进入 8 0年代以后，由于功率电 子器件和微电子技术迅速发展，基于矢量控 制理论、电力电 子器件和微处理器发展起来的交流伺服系统， 以 其体积小， 转动 惯量低，耐高速、频繁制动，过负荷能力强， 瞬时转矩大， 不受环境影响， 可靠 第一章绪论 第一章绪论 目 前， 随着电力电子技术、 微电子技术、 现代控制理论和计算机技术的发展， 交流伺服系统已 经在机电一体化、 工业机器人、 柔性制造系统等许多高科技领域 中得到了广泛的应用。 由于永磁交流伺服系统能够方便高效的利用能源， 因而它 逐 渐成为工业伺服系统的主流，同时也成为当前研究与应用的 重要领域11 1 2 3 4 1 1 . 1 1 . 1 . 永磁交流伺服控制系统概述 1交流电机控制系统的发展和现状 电 机控制系统主要分速度控制和位置控制两大类。 传统的电 气传动系统一般 指速度控制系统，广泛地应用于机械、矿山、冶金、化工、纺织、造纸、水泥、 交通等工业部门。 对于位置控制 ( 伺服) 系统，目 前国际上较多采用运动控制这 一名称。 运动控制系统通过伺服驱动将给定指令变成期望的 机构运动， 一 般功率 较小，并有定位要求和频繁起制动的特点，在导航系统、雷达天线、数控机床、 加工中心、 机器人、打印机、 复印机、 磁记录仪、 磁盘驱动器、自 动洗衣机等领 域 得 到 广 泛 应 用 3 4 56 电 机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统。 由于历史上最早出现的是直流电机， 所以1 9 世纪8 0 年代以前， 直流电气传动是 唯一的电气传动方式。直到1 9 世纪末，出现了交流电，且解决了三相制交流电 的输送和分配问题， 并制成了经济使用的鼠笼异步电机， 这就使交流电 气传动在 工业中逐步得到应用。由于异步机的大量使用， 严重影响到电网的功率因数，同 步机的诞生和使用大大缓解了功率因数问题。2 0世纪的大部分时间里基本形成 直 流 调 速、 交 流 不 调 速的 格 局 s 2 0 世纪7 0 年代初的石油危机使得工业发达国家投入大量人力、财力研究节 能措施。 人们发现，占电机用量一半以上的风机、 泵类负载是靠阀门和挡板来调 节流量和压力的， 其拖动电机一般工作在恒速状态， 从而造成了大量的电能浪费。 通过改变电 机转速的方法调节， 在压力不变的条件下可节电 2 0 %-3 0 %。 在工 业化国家， 经济型交流电机调速装置己 大量地使用在这类负载中， 成为重要的节 能手段。 同时， 随着电力电子技术和微电子技术的迅速发展， 高性能的交流电机 控制系统也出现了， 经过近十几年的不断努力， 性能得到很大改善， 成本还在下 降。 人们期望随着技术的不断成熟， 它将在几乎所有工业应用领域中取代直流电 机控制系统。 进入 8 0年代以后，由于功率电 子器件和微电子技术迅速发展，基于矢量控 制理论、电力电 子器件和微处理器发展起来的交流伺服系统， 以 其体积小， 转动 惯量低，耐高速、频繁制动，过负荷能力强， 瞬时转矩大， 不受环境影响， 可靠 第一章绪论 性高，无需维护等特点而广泛适用于c n c和工业机器人等场合。到了9 0 年代， 交流伺服系统已经在许多场合取代了直流伺服系统， 它的性能甚至超过了直流伺 服系统， 从而取代了直流伺服系统成为电力传动伺服系统的主体。 如今在经济发 达的国家，交流伺服系统的推广和应用速度相当快，己 遍布冶金、电力、铁路、 运输、化工、民用等各个领域， 在日、美、德等国家，已 经开发出商品化的系列 交 流 伺 服 系 统 产 品 4 15 1 我国也有许多单位在研究、开发和引进交流电 机控制系统的技术、元器件和 装备。目 前的研究工作主要围绕在以下几个方面: 1 .采用新型电力电子器件和脉宽调制 ( p wm)控制技术 电力电子器件的不断进步， 为交流电机控制系统的完善提供了物质保证，尤 其是新的可关断器件，如双极结型晶体管 ( b j t ) 、金属氧化物半导体场效应晶 体管 ( mo s f e t ) 、绝缘栅双极型晶体管 ( i g b t )的实用化，使得高频p wm技 术成为可能。目 前电力电子器件正向高压、大功率、高频、 智能化方向发展。典 型的电力电子变频装置有电流型、 电压型和交一交型三种。 电流型变频器的优点 在于给同步机供电时可实现自 然换向，容量可以做得很大。p wm电压型变频器 在中小功率电机控制系 统中占 主导 地位。目 前己 有采用m o s f e t 和i g b t的成 熟产品，开关频率可达 1 5 -2 0 k h z ，实现无噪声驱动。 2 .应用矢量控制技术及现代控制理论 交流电机是一个多变量、 非线性的被控对象， 过去的电压/ 频率恒定控制都是 从电机稳态方程出发研究其控制特性， 动态控制效果均不理想。 2 0 世纪7 0 年代 初提出的用矢量变换的方法研究电 机的动态过程， 实现了交流电机磁通和转矩的 重构和解藕控制， 从而促进了交流电 机控制系统走向实 用化。目 前国外用变频电 源供电的异步电 机采用矢量控制技术已成功地应用于轧机主传动、 电力机车牵引 系统和数控机床中 8 1 。 此外， 为 解决系统复杂性和控制精度之间的 矛盾， 又提出 了 一些新的 控制方 法， 如 直 接转 矩 控制1 0 1 2 1 、电 压定向 控制和定 子磁场定向 控 制等。 尤其自 从计算机用于实时控制之后， 使得现代控制理论中各种控制方法得 到应用， 如二次型性能 指标的 最优控制可提高系统的 动态性能， 滑模 ( s l i d i n g m o d e )变结构控制可增强系统的鲁棒性，状态观测器和卡尔曼滤波器可以获得 无 法 实 测 的 状 态 信 息 ， 自 适 应 控 制 则 能 全 面 提 高 系 统 的 性 能 3 2 4 0 4 7 5 5 115 6 5 7 1 3 .广泛应用计算机技术 微处理器和计算机技术不仅是高新电 子信息产业的核心， 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。 现 代的数字信号处理器 ( d s p ) 带有h a r v a r d 流水线结构 ( 如t i的2 4 0 x系列、 和 mo t o r o l a的d s p 5 6 f 8 0 x系列等) ， 片内 集成了包括a / d , p wm等在内的电 机控 制接口电路， 具有很高的速度和很强的功能。 各种a s i c芯片， 如p wm调制器、 第一章绪论 矢 量 旋 转 器 或 全 功 能 控 制 器 等， 己 广 泛 应 用 于电 力 电 子 系 统 中 18 1 19 23 1 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了可 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 它相关系统一起被规划和设计，实现整体系统控制的优化。 4 .新型电 机开发应用 电机在工业上已 经使用了一个多世纪之久， 它的改进是比较缓慢的。 然而在 此领域今天仍有大量论文发表。 最近永磁同步电机传动正在进入中小容量等级的 传动 ( 低于l 0 0 k w ) ，这种传动比较贵，需要加装轴位置传感器，而且不能工作 在弱磁调速区， 但是其高效率( 没有转子铜耗) 对降低长时运行费用则是有利的。 1 . 1 . 2永磁同步电动机交流伺服系统概述 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，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8 1 。 现在科学技术的发 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。 目前永磁材料有铝镍钻、 铁氧体和稀土永磁体三大类。其中稀土永磁体又分 为第一代衫钻1 :5 ， 第二代衫钻2 : 1 7 和第三代钦铁硼。 铝镍钻是三十年代研制成 功的永磁材料， 虽具有剩磁感应强度高， 热稳定 性好等优点， 但矫顽力低， 抗退 磁能力差， 而且要用贵重的金属钻， 成本高。 这些不足大大限制了它在电机中的 应用。 铁氧体磁体是本世纪五十年代初开发的永磁材料， 其最大的特点是价格低 廉， 有较高的矫顽力， 不足之处是剩磁感应强度和磁能积都较低。 衫钻稀土永磁 材料在六十年代中期问世， 它具有铝镍钻一样高的剩磁感应强度， 矫顽力比铁氧 体高，但衫稀土材料价格较高。8 0年代初出 现了 钦铁硼稀土永磁材料，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。 当时的 不足是温度系数大， 居里点低， 容易氧化生锈而需涂覆处理。 但经过近年来的不 断改进提高， 这些缺点大多己 经克服。 现钦铁硼永磁材料最高的工作温度已 可达 1 8 0 0，一般也可达1 5 0 0，己 足以满足绝大多数电机的使用要求。 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。 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 其控制系统的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 第一章绪论 机控制系统，属于自 控式变频同步电动机调速系统。 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(2 1 。 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 特点是定子电流的通 断受转子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。 方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， 故该类方波电动机人们习惯称 为无刷直流电动机 ( b l d c m-b ru s h l e s s d c mo 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- p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s mo 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。 综上所述，随着永磁同步电动机控制技术日 趋完善，以往同步电动机的概念 和应用范围己 被现今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 . 1 . 3控制理论在交流伺服中的应用 由于交流电动机是一个强祸合、时变、 非线性系统，控制复杂，因而每一次 控制理论的突破都带动了交流伺服系统控制性能的提高。 1 9 7 1 年，由 德国 西门 子公司的f . b l a s c h k e 提出的 矢量控制理论使交流电 机 控制理论获得了第一次质的飞跃。 它从理论上证明了异步电动机传动系统的动态 特性可以得到极大的改善。 矢量控制采用的矢量变换方法， 通过把交流电机的磁 通与转矩控制解藕， 使交流电机的控制等效于直流电动机， 大大地提高了交流电 机的 控制性能， 成为交流传动的 基本方法4 116 7 1 12 8 1 但是矢量控制需要电机的精确模型， 对参数具有很强的依赖性， 参数的变化 会导致控制性能 变差。 为了 解决这一问 题，1 9 8 5 年德国 鲁尔大学的d e p e n b r o c k 教授提出了直接转矩控制的理论， 用空间矢量的分析方法， 直接在定子坐标系下 计算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 wm信号， 直接对逆变器的开关状态进行最佳控制， 以获得转矩的高动态性能。 第一章绪论 它省掉了计算复杂的矢量 变换与电 机数学模型的简化处理， 没有通常的p wm信 号发生器， 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。 但直接 转矩 控制存在的问 题是低 速时 转 矩波动大而且 转 矩难以 观 测 1 0 1 6 j ， 因 而 不适合用于要求宽调速范围的高精度伺服系统。 上述两种交流电动机的基本调速理论都存在有不足， 因此许多新型控制理论 被应用到了这一领域中。 最优控制、滑模变结构控制、自 适应控制、模糊控制、 神经网络、 遗传算法等各种新型的控制理论不断出现并得到深入的研究， 取得了 许多有益的成果， 也成为当前研究的热点。 这一局面的出现同计算机技术和微处 理器的 迅速发展是分不开的， 正是它们的发展使得复杂的控制理论的实现变为可 能 7 13 14 1 1 . 2本课题研究的内容和主要任务 永 磁同 步电 动机交流伺服系统由 于其控制简单、 性能 好， 在高 性能的交流伺 服系统领域占据了很重要的地位。本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上， 采用电 压空间矢量控制方法，实现了基于转子坐标定向矢量控制的p ms m交流 伺服驱动系统的全数字化设计。 为进一步改善系统的性能， 本文对永磁交流电动 机位置伺服和速度伺服的控制算法进行了深入的研究。 在本课题的研究中，作者所做的主要工作如下: ( 1 ) 研究了p m s m的 数学模型 和基本原理、 矢量控制以 及电 压空间矢量控制 等理论方法. ( 2 ) 研究了p m s m位置控制算法， 对前馈复合控制以 及二自 由 度控制策略进 行了仿真和实验研究。 实验结果表明二自由度控制动、 静态性能良 好， 鲁棒性强。 ( 3 ) 速度伺服是位置 环性能的 基础。 为此， 设计了 带负 载观测的m r a c 控制 算法， 作为系统速度环改 进算法， 并进行了仿真和实验研究。 仿真和实验结果证 明了该方法改善了伺服系统的鲁棒性，提高了系统的抗干扰性能。 ( 4 ) 设计了p m s m故障检测系统， 提高了 该系统的 可靠性水平。 ( 5 ) 参与设 计了 一 套 完整的 基于d s p的 全数字交 流永磁同 步电 动机 伺服驱 动系统。本文伺服驱动系统采用t i 公司的t ms 3 2 0 f 2 4 0 作为系统控制核心;位 置环、 速度环、电流环全部实现数字调节; 数字化实现电压空间矢量 ( s v p wm) 变频控制策略; 应用d s p 和混合码盘实现了高精度p ms m转子磁极位置检测和 m/ t法测速; 主电路采用智能功率模块(c i p m ) ， 实现多种保护功能; 实现了d s p 与上位机之间的通讯功能。本文设计的基于 d s p的交流永磁同步电动机伺服系 统充分利用了d s p的片内 资源， 简化了系统设计，降低了 制造成本，减小了系 统体积，同时提高了系统控制精度和动态性能，具有很高的性价比。 第一章绪论 它省掉了计算复杂的矢量 变换与电 机数学模型的简化处理， 没有通常的p wm信 号发生器， 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。 但直接 转矩 控制存在的问 题是低 速时 转 矩波动大而且 转 矩难以 观 测 1 0 1 6 j ， 因 而 不适合用于要求宽调速范围的高精度伺服系统。 上述两种交流电动机的基本调速理论都存在有不足， 因此许多新型控制理论 被应用到了这一领域中。 最优控制、滑模变结构控制、自 适应控制、模糊控制、 神经网络、 遗传算法等各种新型的控制理论不断出现并得到深入的研究， 取得了 许多有益的成果， 也成为当前研究的热点。 这一局面的出现同计算机技术和微处 理器的 迅速发展是分不开的， 正是它们的发展使得复杂的控制理论的实现变为可 能 7 13 14 1 1 . 2本课题研究的内容和主要任务 永 磁同 步电 动机交流伺服系统由 于其控制简单、 性能 好， 在高 性能的交流伺 服系统领域占据了很重要的地位。本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上， 采用电 压空间矢量控制方法，实现了基于转子坐标定向矢量控制的p ms m交流 伺服驱动系统的全数字化设计。 为进一步改善系统的性能， 本文对永磁交流电动 机位置伺服和速度伺服的控制算法进行了深入的研究。 在本课题的研究中，作者所做的主要工作如下: ( 1 ) 研究了p m s m的 数学模型 和基本原理、 矢量控制以 及电 压空间矢量控制 等理论方法. ( 2 ) 研究了p m s m位置控制算法， 对前馈复合控制以 及二自 由 度控制策略进 行了仿真和实验研究。 实验结果表明二自由度控制动、 静态性能良 好， 鲁棒性强。 ( 3 ) 速度伺服是位置 环性能的 基础。 为此， 设计了 带负 载观测的m r a c 控制 算法， 作为系统速度环改 进算法， 并进行了仿真和实验研究。 仿真和实验结果证 明了该方法改善了伺服系统的鲁棒性，提高了系统的抗干扰性能。 ( 4 ) 设计了p m s m故障检测系统， 提高了 该系统的 可靠性水平。 ( 5 ) 参与设 计了 一 套 完整的 基于d s p的 全数字交 流永磁同 步电 动机 伺服驱 动系统。本文伺服驱动系统采用t i 公司的t ms 3 2 0 f 2 4 0 作为系统控制核心;位 置环、 速度环、电流环全部实现数字调节; 数字化实现电压空间矢量 ( s v p wm) 变频控制策略; 应用d s p 和混合码盘实现了高精度p ms m转子磁极位置检测和 m/ t法测速; 主电路采用智能功率模块(c i p m ) ， 实现多种保护功能; 实现了d s p 与上位机之间的通讯功能。本文设计的基于 d s p的交流永磁同步电动机伺服系 统充分利用了d s p的片内 资源， 简化了系统设计，降低了 制造成本，减小了系 统体积，同时提高了系统控制精度和动态性能，具有很高的性价比。 第二章 永磁同 步电 动机的 理论分析 第二章永磁同步电动机的理论分析 本章对永磁同步电动机进行了相关理论分析，在给出 p ms m 数学模型的基 础上讨论了其控制原理和空间电压矢量控制原理。 2 . 1 p m s m 的结构和种类 p ms m与普通同步机在定子结构上是一致的， 由 三相绕组及铁心构成， 且电 枢绕组通常为星型连接。 在转子结构上，是用磁体取代普通同步机的 励磁绕组， 从而省去了 励磁线圈、滑环和电刷。与普通电 机相比，p ms m 还必须装有转子 位置检测器， 用来检测转子磁极位置， 从而对电 枢电流进行控制， 达到控制p ms m 的目的。 为保证系统精度及运行质量， 多采用旋转变压器或光电码盘作为p ms m 的 转子位置 检测器，与p m s m转子同 轴连接2 1 p ms m按永磁体在转子上安装位置的不同， 可分为三类: 表面式、 嵌入式和 内埋式。前两种结构转子直径较小，从而降低了 转动惯量，一般 p ms m 多采用 这两种形式的转子结构。 内 埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部. 它的机械强 度高，磁路气隙小， 适于弱磁控制。本文讨论表面式永磁同步电 动机。 2 . 2 p m s m 的数学模型 2 . 2 . 1 p m s m 坐标系 1 .定子坐标系( a 一 b 一 c 和a 一 16 坐标系 ) p m s m 定子的三相绕组彼此互差1 2 0 , 沿其轴线定义为a , b , c 轴， 构成了一 个a - b - c坐标系。由于数学上平面矢量多用两相直角坐标系来描述，所以又 定义两相直角 坐标系a 一 刀 坐标系。 它的a 轴与a 轴重合，夕 轴超前a 轴g o , . 2 .转子坐标系 (c d -q 坐标系) 转子坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子a 相绕组的轴线上，4 轴超前d 轴9 0 0 。该坐标系和转子在一起在空间以转子速度旋转。 三个坐标系之间的关系 如图 2 -1 所示。 第二章 永磁同 步电 动机的 理论分析 第二章永磁同步电动机的理论分析 本章对永磁同步电动机进行了相关理论分析，在给出 p ms m 数学模型的基 础上讨论了其控制原理和空间电压矢量控制原理。 2 . 1 p m s m 的结构和种类 p ms m与普通同步机在定子结构上是一致的， 由 三相绕组及铁心构成， 且电 枢绕组通常为星型连接。 在转子结构上，是用磁体取代普通同步机的 励磁绕组， 从而省去了 励磁线圈、滑环和电刷。与普通电 机相比，p ms m 还必须装有转子 位置检测器， 用来检测转子磁极位置， 从而对电 枢电流进行控制， 达到控制p ms m 的目的。 为保证系统精度及运行质量， 多采用旋转变压器或光电码盘作为p ms m 的 转子位置 检测器，与p m s m转子同 轴连接2 1 p ms m按永磁体在转子上安装位置的不同， 可分为三类: 表面式、 嵌入式和 内埋式。前两种结构转子直径较小，从而降低了 转动惯量，一般 p ms m 多采用 这两种形式的转子结构。 内 埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部. 它的机械强 度高，磁路气隙小， 适于弱磁控制。本文讨论表面式永磁同步电 动机。 2 . 2 p m s m 的数学模型 2 . 2 . 1 p m s m 坐标系 1 .定子坐标系( a 一 b 一 c 和a 一 16 坐标系 ) p m s m 定子的三相绕组彼此互差1 2 0 , 沿其轴线定义为a , b , c 轴， 构成了一 个a - b - c坐标系。由于数学上平面矢量多用两相直角坐标系来描述，所以又 定义两相直角 坐标系a 一 刀 坐标系。 它的a 轴与a 轴重合，夕 轴超前a 轴g o , . 2 .转子坐标系 (c d -q 坐标系) 转子坐标系固定在转子上，其d 轴位于转子a 相绕组的轴线上，4 轴超前d 轴9 0 0 。该坐标系和转子在一起在空间以转子速度旋转。 三个坐标系之间的关系 如图 2 -1 所示。 第二章 永磁同步电动机的理论分析 图2 - 1 p ms m常用的三种坐标系 奴坐 标系、a ,6 坐标系及a b 。 坐标系的 变换关系如下 ( 以电 流为 例) : 一 、 一 ( 2 一 1 ) 一jl .la.幼 ，勺，与 尸llesesesesl ， 一leseseseseeweesesesj la枯几 = 门.lweeeesj ，、.幼 厂lesesesl ， ，.illlesesj la几，几 - 一lesesesesesj .枯与 !lesesesl 其中: t _- _ _ . 凤 “ “ 一 ，v 3 l c o s b s i n夕 c o s 伪 一 2 rc / 3 ) s in ( b 一 2 1r / 3 ) c o s ( b + 2 1r / 3 ) s in (b + 2 )r / 3 ) ( 2 -2) 一 t - _ 。 _ . f-2 w 0 - v 3 l 一1 / 2 一 , r 3 / 2 - 1 / 2c j 3/ 2 ( 2 -3 ) ta,b-dq 一 cos 0 sin 0 1- sin 8 cos jb ( 2 -4 ) 8 为转子 ( 磁极)位置。 2 . 2 . 2 p m s m 数学模型 为了更好的分析p m s m的数学模型， 我们作出如下假设 0 14 1 . 1 )假定磁路不饱和，磁滞及涡流的影响忽略不计 2 )空间磁势及磁通分布为正弦 3 )假设是隐极电 机，且忽略凸极的磁阻变化 4 .)转子无阻尼绕组 经 过 推导可 得d q 坐标系 下的p m s m的 数学 模型如 下d l , 定子电压方程: u d = p v d 一 y i 4 o + r ,i d u , = p u q + y i d co + r , iq ( 2 一5 ) ( 2 一6 ) 第二章 永磁同步电动机的理论分析 式 中 : p 为 微 分 算 子 ， y d 为d 轴 磁 链 ， v/ 。 为q 轴 磁 链 ， 。 为 转 子 角 速 度 ， 尺 为 定 子 电 阻 ， i d 为d 轴 电 流 ， 几 为q 轴 电 流。 定子磁链方程: w d = l d i d + y/ , ( 2 一7 ) v q = l g i q ( 2 一 8 ) 式 中 : l d 等 效 两 相 定 子 绕 组d 轴自 感 ， 气等 效 两 相 定 子 绕 组9 轴自 感 ， w , 为 转子磁钢在定子上的祸合磁链。 电磁转矩方程: t= p j i , v d 一 i d v q 其中p 。 为极对数 ( 2 一9 ) 运动方程 j d c o_ _=1 。 一l p n d t 式中:j 为转动惯量，t l 为负 载转矩 ( 2 一1 0 ) 2 . 3 p m s m 的控制原理 图2 -2永磁同步电机矢量图 将参 考坐标系定为转子上的d - q 坐标系， 就可以 将三相电 流变换为d , q 轴 上的 两 个 直 流 量id , 幼 根 据 式2 - 9 可以 看 出 ， 通 过 控 制q 轴电 流 i。 即 可 完 全 控制电 机 转矩兀。图2 - 2 是 永 磁同 步电 机矢量图。 在 交 流电 机 矢 量 控 制 中 ， 电 机 转 矩 电 流 给 定 即 为q ， 和 直 流电 机 类 似， 这 一 给定 量为 直流量， 并 且 和转 矩 大小 成正比， 而电 流=d 称为 励磁电 流给 定 值， 可以 根 据 实 际 控 制 要 求 设 定 。 在 确 定 了 i d , 几 的 值 之 后， 就 可 以 进 行d , q 反 变 换。 从而得到应该施加于定子三相电枢绕组电流的给定值大小。 永磁同步电 机的目 前主要采用如下控制方法:c o s (p = 1 ， 恒磁链控制，力矩 电 流比 最大，i, = 0 o 第二章 永磁同步电动机的理论分析 式 中 : p 为 微 分 算 子 ， y d 为d 轴 磁 链 ， v/ 。 为q 轴 磁 链 ， 。 为 转 子 角 速 度 ， 尺 为 定 子 电 阻 ， i d 为d 轴 电 流 ， 几 为q 轴 电 流。 定子磁链方程: w d = l d i d + y/ , ( 2 一7 ) v q = l g i q ( 2 一 8 ) 式 中 : l d 等 效 两 相 定 子 绕 组d 轴自 感 ， 气等 效 两 相 定 子 绕 组9 轴自 感 ， w , 为 转子磁钢在定子上的祸合磁链。 电磁转矩方程: t= p j i , v d 一 i d v q 其中p 。 为极对数 ( 2 一9 ) 运动方程 j d c o_ _=1 。 一l p n d t 式中:j 为转动惯量，t l 为负 载转矩 ( 2 一1 0 ) 2 . 3 p m s m 的控制原理 图2 -2永磁同步电机矢量图 将参 考坐标系定为转子上的d - q 坐标系， 就可以 将三相电 流变换为d , q 轴 上的 两 个 直 流 量id , 幼 根 据 式2 - 9 可以 看 出 ， 通 过 控 制q 轴电 流 i。 即 可 完 全 控制电 机 转矩兀。图2 - 2 是 永 磁同 步电 机矢量图。 在 交 流电 机 矢 量 控 制 中 ， 电 机 转 矩 电 流 给 定 即 为q ， 和 直 流电 机 类 似， 这 一 给定 量为 直流量， 并 且 和转 矩 大小 成正比， 而电 流=d 称为 励磁电 流给 定 值， 可以 根 据 实 际 控 制 要 求 设 定 。 在 确 定 了 i d , 几 的 值 之 后， 就 可 以 进 行d , q 反 变 换。 从而得到应该施加于定子三相电枢绕组电流的给定值大小。 永磁同步电 机的目 前主要采用如下控制方法:c o s (p = 1 ， 恒磁链控制，力矩 电 流比 最大，i, = 0 o 第二章永磁同步电动机的理论分析 由 于本系统基于id = 0 的 矢量控制进行设计， 所以以 下对其进行分析。 i d二 当i d 0 的控制方式 = 0 ， 定子电 流的d 轴分量为0 ， 磁链和转矩可以简化为 1 3 1 . 班d=1 / r t q = l q l4 ( 2 - 1 1 ) t= t= p j l , q ( 2 - 1 2 ) 于 是，电 磁 转 矩仅 仅包 括 永磁转 矩t， 定 子电 流 合成 矢量与q 轴电 流 相 等， 这就与直流电动机的控制原理变得一样，只要能够检测出转子位置 ( d轴) ，使 三相定子电 流的合成电 流矢量 位于q 轴上就可以了。 图2 - 3 给出 了 i d = 。 时的 双闭 环控制系 统 框图 。 图2 -3 p ms m矢量控制系统结构框图 这种控制策略的特点是控制简单，定子电流与电磁转矩输出成正比， 无弱磁 电流分量。目 前大部分调速系统采用这种控制策略。 2 . 4 p m s m 的电压空间矢量控制原理 p wm 变频器一般都是电压源型的，可以 方便的按需要控制输出电压。但在 交流变频调速系统中实际需要的是正弦波电流， 在电机绕组中通以三相平衡的正 弦波电流才能使合成的电 磁转矩恒定， 不含脉动分量。 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 wm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 wm) 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。a , b , c 三相为互 差1 2 0 。 的 三 相电 压， 其 矢量 相加的 合 成空间 矢 量几 是 一 个旋 转的 空间 矢量， 并 且幅值不变， 为 每相电 压的1 . 5 倍，以 速度co,旋 转。 第二章永磁同步电动机的理论分析 由 于本系统基于id = 0 的 矢量控制进行设计， 所以以 下对其进行分析。 i d二 当i d 0 的控制方式 = 0 ， 定子电 流的d 轴分量为0 ， 磁链和转矩可以简化为 1 3 1 . 班d=1 / r t q = l q l4 ( 2 - 1 1 ) t= t= p j l , q ( 2 - 1 2 ) 于 是，电 磁 转 矩仅 仅包 括 永磁转 矩t， 定 子电 流 合成 矢量与q 轴电 流 相 等， 这就与直流电动机的控制原理变得一样，只要能够检测出转子位置 ( d轴) ，使 三相定子电 流的合成电 流矢量 位于q 轴上就可以了。 图2 - 3 给出 了 i d = 。 时的 双闭 环控制系 统 框图 。 图2 -3 p ms m矢量控制系统结构框图 这种控制策略的特点是控制简单，定子电流与电磁转矩输出成正比， 无弱磁 电流分量。目 前大部分调速系统采用这种控制策略。 2 . 4 p m s m 的电压空间矢量控制原理 p wm 变频器一般都是电压源型的，可以 方便的按需要控制输出电压。但在 交流变频调速系统中实际需要的是正弦波电流， 在电机绕组中通以三相平衡的正 弦波电流才能使合成的电 磁转矩恒定， 不含脉动分量。 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 wm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