（电力电子与电力传动专业论文）全数字永磁交流伺服驱动系统的研究.pdf

全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 a b s t r a c t h i g h e rp e r f o r m a n c eo fa c s e r v os y s t e m ，w i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a s ，i sd e m a n d e d w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e mi n d u s t r i a l i z a t i o n a sf o re x a c t r a d a ra n d m i l i t a r y w e a p o n r yd e v i c e ，h i g hs p e e d ，h i 曲p r e c i s i o na n dh i g hr e l i a b i l i t ya r ee s p e c i a l l ys i g n i f i c a n t f u l ld i g i t a lc o n t r o lc a na s s u r et h ew h o l es y s t e mw o r kw i t ht h eg o o dp e r f o r m a n c e sa b o v e ， f l e x i b l ef u n c t i o n ，a n df i n ea b i l i t yt or e s i s tt h ed i s t u r b a n c e m i c r o p r o c e s s o rd s p w i t hh i g h p e r f o r m a n c e a n dt h ea d v a n c e d p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e sm a k ei tp o s s i b l et or e a l i z et h ef u l l d i g i t a lc o n t r o li na c s e r v os y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e sa l la cs e r v o s y s t e mw i t ht h ep 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 ) a st h e e x e c u t i v e c o m p o n e n t t h ed i s a d v a n t a g e so ft h ec o n v e n t i o n a l m e t h o d so fa cs e r v os y s t e ma l ed e m o n s t r a t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o na n db y a n a l y z i n g t h em a t h 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 ls t r a t e g y t h e n ， a r t i m p r o v e dd o u b l e p i c o m b i n e dw i t hv a r i a b l es t r u c t u r es e r v oc o n t r o l l e ri s p r o p o s e d w h o l ec o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h ec o r ec o n t r o le l e m e n t e x p e r i m e n t sr e s u l t ss u b s t a n t i a t e st h a tt h i ss y s t e mc a nm e e tt h ed e m a n do ft h er e q u i r e d p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：f u l ld i g i t a lc o n t r o l s e r v op m s md s p i i 南京航空航天大学硕上学位论文 1 1 伺服系统的发展概况 1 1 1 伺服系统的发展历史 第一章绪论 伺服系统的发展紧密地与伺服电动机的不同发展阶段相联系，伺服电动机至今已 有四十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段“。： 第一个发展阶段( 6 0 年代以前) ，此阶段是以步进电动机驱动的液压伺服马达或 以功率步进电动机直接驱动为中心的时代，伺服系统的位置控制为开环系统。 第二个发展阶段( 6 0 7 0 年代) ，这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的 时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电动机， 伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。在数控机床的应用领域，永磁 式直流电动机占统治地位，其控制电路简单，无励磁损耗，低速性能好。 第三个发展阶段( 8 0 年代至今) ，这一阶段是以机电一体化时代为背景的，由于 伺服电动机结构及其永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电动机 ( 方波驱动) ，交流伺服电动机( 正弦波驱动) 等种种新型电动机，与其相适应的伺 服驱动装置经历了模拟式、数模混合式和全数字化式阶段。 1 1 2 伺服电动机的种类与比较 长期以来，在对伺服系统要求较高的场合，直流电动机一直占主导地位。但它存 在一些固有的缺点，例如换向器、电刷易磨损，需要经常维护，换向器会产生火花， 限制了电动机的最高转速和过载能力，且无法直接应用在易燃易爆的工作环境中。交 流电动机，特别是感应电动机则没有上述缺点和限制，且转子惯量较小，动态响应更 好。一般说来，在同样的体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高1 0 - 7 0 。 此外，交流电动机容量可以制造得更大，达到更高的电压和转速。 感应电动机输入电流和输出转矩在本质上是非线形的，磁场定向控制( 矢量控制) 策略的提出实现了电流励磁分量和转矩分量的解耦，从而可以分别控制电动机的磁场 和转矩，但无论是直接测量还是间接计算磁通都比较复杂。间接计算需要足够快的微 处理器，而且因电动机转子发热导致系统参数的变化，将影响计算的精度，也增加了 控制的难度，此外感应电动机需要吸收滞后的励磁电流，功率因数和效率不如永磁同 步电动机，感应电机的一个很大优点是容易实现弱磁控制。 永磁同步电动机，转子采用高性能的稀土钕铁硼永磁材料，转子直径减小使电动 机小型化、轻量化；转子无励磁损耗，效率较高，发热主体在定子侧，散热容易，从 控制角度讲，永磁同步电动机的矢量控制较感应电动机简单，但不易实现弱磁控制。 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 表1 1 给出了直流伺服电动机、感应伺服电动机和永磁同步伺服电动机的特点和 比较。 表1 - 1 伺服电机的比较 种类直流伺服电机永磁同步电动机感应伺服电机 价格贝贝便宜 功率密度 1 1 5 w k g l 3 3 w k g1 0 0 w k g 驱动电流直流方波或正弦波止弦波 耐环境变化能力差好好 高速运行不宜适宜最适宜 寿命决定因素屯刷、换向器轴承轴承 伺服驱动器简单复杂更复杂 永磁体去磁、换向器片 性能限制因素永磁体去磁、绕组温升绕组温升、转子温升 间电压、绕组温升 弱磁控制 雉难 容易 效率高最高较低 磁极位鼍传感器不需要需要不需要 控制简单、具有高功率 体积小、重量轻、大 可高速运行，人转矩 主要优点转矩输出、无需维 输出，不需维护，结 密度、小容量系统价廉构坚固，高速时 护、高功率密度 可恒功率输出 高速，大转矩受限控制较复杂( 需矢量 控制相当复杂，参数 主要缺点受转子温升影响， 制，需经常维护控制) ，弱磁控制难 容量小时效率低 1 1 3 伺服驱动器 伺服驱动器的发展除了直接与伺服电动机的发展相适应外，主要依赖于电力电子 器件、微电子技术的发展。电力电子器件是组成大功率电子装置的核心，对整个装置 的性能、体积、重量和价格的影响非常大。 第一代电力电子器件的代表是门极不可关断的晶闸管( s c r ) ，由它构成的变流 装嚣用于早期的直流伺服器中，存在响应慢和低速脉动大的缺点。第二代的代表是双 极性全控器件大功率晶体管( g t r ) 及其模块化结构，广泛应用于直流电动机、交流 电动机的驱动中，在中小容量的范围内取代了晶闸管的地位。但g t r 存在门极控制 电流大、高频开关损耗大、二次击穿的缺点，致使驱动电路复杂，装置体积大、效率 南京航空航天人学硕士学位论文 低。第三代电力电子器件的主要特点是电压门极控制，驱动的平均功率小，其代表器 件为i g b t ，它集中了m o s f e t 和g t r 的优点，既有m o s f e t 高输入阻抗、高速开 关特性，又具有g t r 大电流密度、低导通压降的特性。i g b t 电力电子器件发展至今， 性能更趋优良，容量不断提高，已经成为伺服驱动器的首选功率开关器件，使伺服驱 动器p w m 开关频率提高到1 0 k h z 以上，从而实现了伺服驱动器的高频化，提高了 系统的响应速度，而且对降低电动机噪声、减小转矩脉动极为有利，在性能上获得较 大的改善。电力电子器件的应用难点在于设计合理的驱动和保护电路，新一代的智能 功率模块( i p m ) 是集功率器件i g b t 、驱动电路、检测电路和保护电路于一体，实 现过流、短路、过热、欠压保护，模块包含三相桥逆变器，从而使装置体积缩小，可 靠性提高。 微处理器的应用把伺服驱动器推向数字化的发展新阶段，使伺服驱动器的实现手 段发生了根本性变化。8 0 年代初，伺服系统开始使用z 8 0 等通用型微处理器，并辅 以相当数量的外围接口电路构成实时控制系统。i n t e l 公司1 9 8 7 年推出的8 0 c 1 9 6 系 列单片机，在功能和速度提高的同时，抗干扰及可靠性也有可较大提高，能满足数模 混合型伺服驱动器的要求，实现位置、速度的数字控制。由于伺服系统应用广泛，国 外公司还推出一些专用微处理器，有i n t e l 的8 0 1 9 6 m c 系列、n e c 的p d 7 8 3 6 6 系列 和目立的s h 7 0 0 0 系列，它们都具有带死区功能的三相p w m 发生器、光电编码器输 入接口、a d 转换器、丰富的1 7 0 和中断资源。这类微处理器基本上满足高性能交流 伺服驱动的需要，但由于市场的原因，价格比较昂贵。 九十年代初，d s p 开始在交流伺服系统中出现，主要有t i 公司的t m s 3 2 0 系列、 m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 0 系列以及n e c 公司的p d 7 7 2 0 系列等等。d s p 是一种高 速的微处理器，其最大特点就是运算速度非常快，它比目前的1 6 3 2 位微处理器的运 算速度至少快一个数量级，而且它内部也集成了足够丰富的外设模块。因此，具有很 强运算处理能力的d s p 能满足电流环的实时控制的高要求。 1 2 伺服系统发展趋势 根据目前国内外的研究及使用状况，可归纳出以下几种发展趋势“。 ( 1 ) 交流化 从伺服电动机的比较可以看出，交流伺服系统的优势明显，随着微电子技术的迅 速发展，新一代高性能微处理器的不断推出，加速了交流伺服取代直流伺服的进程。 ( 2 ) 全数字化 d s p 的出现为伺服系统的全数字化奠定了基础。全数字化的突出特点是软件伺 服，从而大大增强了系统的柔性。具体来说，全数字伺服系统具有以下的优点： a 能明显地降低控制器硬件成本。根据目前微电子技术的发展趋势，速度更快、 功能更新的微处理器不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、能耗小是 其共同的优点。 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 b 数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。 c 硬件电路采用了集成电路和大规模集成电路，可靠性比较高。 d 易于通用化，可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，而软件可 以模块化设计，以构成适j 目；i 于不同应用对象的控制算法，满足不同的用途。 e 采用微处理器的数字控制，使信息双向传递能力大大增强，提高分级控制能 力，使系统趋于智能化。 ( 3 ) 智能化 现代控制理论的发展与应用弥补了经典控制理论对时变、非线性、随机性系统无 能为力的缺陷，对不确定、非线性等复杂问题，提出了自适应、变结构、鲁棒控制等 控制策略。这些控制方法大大提高了系统的鲁棒性，与经典控制理论结合起来，己被 r 泛采用。但是，以现代控制理论为基础的控制策略仍在一定程度上依赖于被控对象 的数学模型，并不能从根本上解决复杂和不确定性系统的控制问题。计算机科学与工 程的迅速发展，徼机的广泛使用，使得许多控制算法和直觉推理得以实现，人工智能 的发展不仅使人们进一步深化了对智能活动的机理认识，而且为人们用计算机更有效 地表达和利用知识开辟了新途径。专家系统、模糊集合、人工神经网络等理论的发展 为智能科学提供了数学工具。从神经生理学、仿生生理学角度对人脑结构模型、功能 模型的研究，从认知心理学对人类智力活动心理过程和特征的研究，以及智能机器人 等高技术的工程实践，都从不同侧面促进了智能科学的发展，也给自动化学科注入了 新的思想和活力，为智能控制的实践应用奠定了必要的理论和技术基础。 1 3 交流伺服系统的性能指标 伺服( s e r v o ) 这一术语，源于拉丁语s e r v u s ，是“奴隶( s l a v e ) ”或“奴仆( s e r v a n t ) ” 的意思。它含有使机械象奴隶一样忠实地按照命令动作的意义。作为高性能的伺服系 统，其主要控制目标就是迅速跟踪指令值的任意变化。虽然因应用场合的不同，其性 能指标会有所侧重和差异，但都包含反映系统跟踪性能的技术指标。一般说来，交流 伺服系统性能的好坏，可用下述指标衡量n ，： ( 1 ) 定位精度与速度控制范围 定位精度是评价位置伺服系统位置控制准确度的性能指标。系统最终定位点与指 令目标值间的静止误差定义为系统的定位精度。 对于一个位置伺服系统，最低限度也应当能对其指令输入的最小设定单位1 脉冲作出相应的响应。要达到这一目标，除了必须使用分辨率足够高的位置检测器件 外，系统的速度伺服还应当具有足够宽的速度控制范围。 图1 - 1 为速度伺服的控制特性图。图中k 。、v 分别为位置调节器增益和电机的 最高限幅转速。在速度控制的输入输出特性中，当速度输入指令落入范围内时， 南京航空航天大学硕士学位论文 伺服电动机将处于不转动或不稳定状态；而指令达到。( = v 。世。) 时，电动机转速 将达到容许的最高速度v 。而进入饱和。因此，s 。i a 8 定义为速度控制的调速比或 速度控制范围。 运动速度v ，聊”5 。1 ，m “ j 关j 0 一 屏 蚓 6 j 。 最大偏差 图1 - 1 速度控制特性 系统在静止状态接收到相当于1 个脉冲的输入指令时，为使位置伺服机构移动， 指令必须大于占。这意味着系统要求速度伺服的速度控制范围( 调速比) 应当达到 d 篁= - _ 蔓。( 1 1 ) s k 。f 只有满足这个条件，系统定位精度才能达到一个脉冲当量。由此可见，系统的最 终定位精度取决于系统的位置检测器件的分辨率与系统的调速比。 ( 2 ) 动态响应性能指标 a 瞬时最大电流。瞬时最大电流即电流环堵转电流，它代表了伺服电动机所允 许承受的最大冲击负荷和系统的最大加减速力矩( 正比于最大速度上升斜率) 。 b 最大快移速度。最大快移速度即为系统速度伺服所能提供的最高转速。它是 决定系统定位精度和定位的快速性的一个重要因素。 此外，系统的抗干扰能力，低速时能否输出大的转矩，是否具有比较小的转动惯 量等也是伺服系统常用的性能指标。 1 4 课题的目的和意义 交流伺服系统在许多高科技领域都得到了广泛的应用，如激光加工、机器人、数 控机床、大规模集成电路制造、办公自动化设备、柔性制造系统f m s ( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、以及雷达和军用武器随动系统等等。随着各个研究领域的飞 速发展，对伺服系统的要求也日益严格。不同的应用环境对伺服系统的性能要求也不 尽相同。尤其是在雷达和军用武器随动系统中，对伺服系统又提出了许多特殊的要求： 高速、高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力等性能缺一不可。全数字控制因其自身 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 高可靠性和抵抗电磁干扰能力，己成为伺服控制的发展方向。高性能微处理器d s p 的出现和功率电子元件的发展为伺服控制的全数字化实现创造了条件。 目前，国外一些数控厂家如三菱、安川、松下、k o l l m o r g e n 等已先后推出了基于 d s p 的高性能伺服驱动器；国内交流伺服系统起步于九十年代，相对国外的发展要落 后，其产品多为模拟或模数混合式，近年来开始研究全数字伺服系统“。国内的高 校如华中科技大学在此领域的研究可谓独树一帜。该校研制的伺服驱动器已有d a 9 8 、 k t 2 7 0 、和e p l 0 0 三大系列，并于1 9 9 9 年投入商品化生产，产品相对于国外的产品 也有着较强的市场竞争力。”3 。 本文的主要研究任务是针对军用雷达和武器随动系统对伺服驱动器的特殊要求， 寻求一种切实可行的伺服驱动控制策略，并开发一套实验用的全数字交流伺服驱动器 进行验证，为以后的研究和实际应用打下基础。 1 5 本文的主要研究内容 本文的主要安排如下： ( 1 ) 第一章是绪论，阐述了本文选题的背景、目的和意义，并对伺服驱动器的 发展历史，现状和发展趋势作了综述。 ( 2 ) 第二章给出了基于磁场定向控制的永磁同步电机的数学模型，并用m a t l a b 的s i m u l i n k 和p o w e rs y s t e mb l o c k 对经典的伺服控制策略进行了仿真实验验证。 ( 3 ) 第三章从追求系统整体性能的角度出发，详细介绍了伺服驱动器的没计， 包括电流、速度、位置三个调节器的设计，以及负载转矩观测器的设计。 ( 4 ) 第四章是关于系统硬件实验平台的研制，着重论述了d s p 控制板、主电路 功率驱动板以及辅助电源板的设计。 ( 5 ) 第五章讨论系统的软件设计，首先给出总体软件结构框图，接着论述各个 子程序分配的主要任务并给出了相应的程序流程图。 ( 6 ) 第六章结合伺服系统三闭环调节以及负载观测与补偿的实验波形和数据， 对实验结果进行分析，得出结论。 ( 7 ) 第七章总结了本文的工作，并对下一步的工作进行展望。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章永磁同步电动机的数学模型及其 矢量控制原理的m a t l a b 仿真 随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，以永磁同步电动机( 简称p m s m ) 为执行元件的交流伺服系统，逐渐成为伺服系统的主流，并且极其广泛地应用在_ 1 业 生产自动化领域中。本章首先建立了永磁同步电动机的数学模型，然后在此基础上讨 论了同步电动机的矢量控制策略，比较分析了滞环比较控制、三角波载波比较控制和 空间电压矢量控制三种p w m 调制方式，并对前两种调制方式进行了m a t l a b 仿真， 验证了伺服系统的控制原理，揭示了经典控制方法的不足之处。 2 2 永磁同步电动机的数学模型 普通永磁同步电动机的定子上有a 、b 、c 三相对称绕组，转子上安装有永磁体， 定子和转子通过气隙磁场，存在电磁耦合关系。为了得到永磁同步电动机的数学模型， 首先对电机作如下假设0 3 ： ( 1 ) 忽略铁心饱和； ( 2 ) 忽略电机绕组漏感； ( 3 ) 转子上没有阻尼绕组； ( 4 ) 永磁材料的电导率为零； ( 5 ) 不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的； ( 6 ) 定子相绕组的感应电动势波为正弦型的，定子绕组的电流在气隙中只产生丁f 弦分布的磁势，忽略磁场的高次谐波。 图2 - 1p m s m 的物理模型图2 - 2 d q 旋转坐标系 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 如图2 1 为一台永磁同步电动机( p m s m ) 的物理模型。定义图中所标出的定子 每相绕组的电流的方向为正方向，将正向电流流经一相绕组时产生的正弦磁动势波轴 线定义为相绕组的轴线。图中的a s 为a 相绕组轴线，并将其作为空间坐标的参考轴 线。假定感应电动势的正方向与电流正方向相反( 电动运行) 。取逆时针方向为转速 的正方向。y ，为每极下永磁励磁磁链空间矢量，方向与磁极磁场轴线一致。i 为定 予电流矢量，定义为 斤 云2 、弘+ 嘛+ g 2 f c ) 。 ( 2 - 1 ) 取永磁体基波励磁磁场轴线( 即为永磁体磁极轴线) 为d 轴( 直轴) ，而逆时针 方向超前d 轴9 0 。电角度的轴线为g 轴。d 、q 轴系随同转子以电角速度( 电角频率) 啡一起旋转，它的空间坐标以d 轴与参考坐标轴a s 间的电角度0 ，来确定，如图2 2 所示。为定子三相基波合成旋转磁场轴线与永磁体基波励磁磁场轴线间的空问电角 度，称为转矩角。 三相永磁同步电动机的数学模型为： ( 1 ) 定子电压方程 在图2 一l 所示的a b c 静止坐标系下的定子电压矢量方程为 驴砥+ t 拿a l + 丢( 1 。 ( 2 - 2 ) 口r 。 将此电压方程变换到由坐标系中，可得到定子电压在由轴系的分量为 嘶轴的定子磁链方程为 “u q a = = r r j , f i g a + + p p y g g a 一- 国c 。，, 妒w d q 。 ( 2 3 ) 玑2 i ? j 。( 2 - 4 ) y p2l 口i q 以上各式中，虬、f 。为转矩绕组定子电压和电流矢量，、i 。为定子电压和电流在d 轴 的分量，、f ，为定子电压和电流在g 轴的分量，r s 为定子相电阻，p 为微分算子，。， 为转子电角速度，i c f 为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链，l 。、。为嘶轴线 圈的自感，且有 8 南京航空航天人学硕士学位论文 l q2 三”+ l q 。( 2 5 ) l d = l m + l d 上式中，上，。为砌轴线圈的漏感，三，扩三。分别为由轴线圈的励磁电感。 将每极下永磁体模拟为具有一定面电流分布的励磁线圈，进一步将这个励磁线圈 再归算到d 轴定子侧，也就是使这个励磁线圈具有与d 轴定子线圈相同的有效匝数。 归算后的等效励磁电流为i ，它能产生与永磁体相同的基波励磁磁场，则有 y r = l 。d ir ， ( 2 6 ) 将( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式代入( 2 。4 ) 式中得到定子磁链方程为 y d2 s d + m d ) d + l m a i f ，( 2 - 7 ) y 口= ( 三。6 + 上。g ) f q 将( 2 7 ) 代入( 2 3 ) 式中可以得到 “u q a ：= = r ，f l q d1 + j p ，f i g a 三l q a _ - p c o ，r 三l d q i d q r i0 9i _ f d 9 ，l 。d i j 。 ( 2 8 ) h q = ，q + p iq l q + r l dd + r d 上式中，l 。i ，为d 轴永磁体励磁磁场在q 轴线圈中产生的运动电动势，也就是空 载电动势e 。 ( 2 ) 转矩方程 电磁转矩矢量方程为 疋= n 。妒。t ， ( 2 。9 ) 用内轴系来表示，则有 ! ，2 + j l f f q ，( 2 _ l o ) i ；2 i d 十，f 。 将( 2 1 0 ) 代入( 2 9 ) 式，电磁转矩方程变为 t = n ，( y d f 目一y 。) ， ( 2 1 1 ) 将磁链方程( 2 7 ) 代入上式，可得 t 2 n p y ，+ ( l a l q ) i a i 。】。 ( 2 1 2 ) 式中，。为转矩绕组的极对数。 图2 - 3 为永磁同步电动机的空间矢量图，图中i ，为定子电流空问矢量，而且i 。与 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 图2 - 3p m s m 的空间矢量图 定子磁动势空间矢量，同轴。由此图可得 i 。与d 轴问的角度为卢，可有 ( 2 1 3 ) 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 2 ) 中，得到电磁转矩的方程为 t = n p l , d i y i ，s i n + = 1 ( 三d l q ) i 2s i n 2 i l l 。 ( 2 1 5 ) 上式中括号中第一项是由定子电流与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩， 称为主电磁转矩；第二项是由转子凸极效应引起的，称为磁阻转矩。对于面装式转子 永磁同步电动机，三。= 三。，电磁转矩方程为 t = n p l 。d i ，i g 。 ( 2 - 1 6 ) 式中，l m a 0 为转子永磁体的等效磁链( 为常值) ，电磁转矩与定子电流的交轴分量呈 线性关系。 ( 3 ) 运动方程 设电动机电动运行，则运动方程如下： 刚砻邶斧2 i 4 ( 2 - 1 7 ) n d 。 n d。e j 。 式中，为电机转子和所带负载的总转动惯量，p 为微分算子，b 为粘滞摩擦系数， 正为负载转矩，其方向与电磁转矩相反。 ( 4 ) 状态方程 上述电压方程、转矩方程和运动方程构成了p m s m 的数学模型，这个模型是非 髫l。 l i = 00 南京航空航天大学硕士学位论文 线性的，因为它含有电角速度m ，与电流咯或i 。的乘积项。 为便于动态仿真，可将电压方程( 2 8 ) 和运动方程( 2 1 7 ) 写成状态方程的形式 即为 p f d2 ( “d ri d 十c o ，l g i 口) i l d ， ( 2 1 8 ) p i q = ( “q ri 口一国，l j i d g o ，l ，d i ，) l ， p r o ，2 ( 坼瓦一n p 乃一b c o ) d 。 2 3 永磁伺服系统的矢量控制策略 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 2 3 1 矢量控制原理 在交流电动机中，励磁磁场与电枢磁势间的空间角度不是固定的，它随负载变化 而变化，这将会引起磁场间十分复杂的作用关系，因此不能简单地如直流电动机般通 过调节电枢电流来控制电磁转矩。 矢量变换控制是7 0 年代前西德b l a s c h k e 等人首先提出来的“1 。这是对交流电动 机提出的一种新的控制思想和控制技术，是交流电动机的一种理想调速方法。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( 也就是定子电流空间矢量t 的相 位) 和定子电流幅值的控制，从而将永磁同步电动机模拟为他励直流电动机。 采用了固定于转子的砌旋转坐标系来分析系统的性能十分方便，如图2 3 所示。 图中，t 为定子电流空间矢量，芦为t 在由轴系中的空间相角，其大小决定于t 在由 轴上的两个分量。和j 。如果已知了0 和b ，那么不仅确定了声角，同时也确定了定 子电流空间矢量i 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。 矢量控制是控制由轴电流，必须转换为三相电流，这就要进行而轴系到a b c 轴系的坐标变换。采用矢量变换，要利用变换因子e m ，所以必须随时取得转子位置 信息0 ，可通过在电动机的非负载端安放解码器，检测转子磁极轴线位置。 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 2 3 2 永磁伺服系统矢量控制策略分析 由永磁同步电动机的运动方程式( 2 1 7 ) 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的控制电机的电磁转矩输出。在忽略转子阻尼绕组影响 的条件下，由式( 2 1 5 ) 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 “：( 1 ) i 。：0 控制；( 2 ) 力矩电流比最大 控制；( 3 ) c o s 矿= 1 控制；( 4 ) 恒磁链控制等。 ( 1 ) i 。：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o ，未能充分利用永磁同步电机的力矩输出能力，电机的力能指 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 保挣匦定，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。 以上各种电流控制方法各有特点，适用于不同的运行的场合。本课题中选择的 o = 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 南京航空航天大学硕士学位论文 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。 2 3 3i ，：0 解耦控制分析 当b ：0h , j ，三相p m s m 的状态方程变为： p 三， = 。，- r ，, 妒l ，9 ，：，- 。n p v f l q 且q l 。i q ， + 。一u q 瓦l ，q ， 。c ：一：， 此时，要实现0 ：0 的解耦控制，通常有两种方法“1 ：电压前馈解耦控制和电流反馈跟 踪控制。 ( 1 ) 电压前馈解耦控制 如果引入0 、i 。以及，的状态反馈，则“。、“。可写为 卜“：一n p ( o r l q 屯。( 2 _ 2 2 ) l = “g + n ，啡l g i a 式中，办“：表示由轴非耦合部分的电压。将式( 2 - 2 2 ) 代入状态方程式( 2 1 9 ) 和 ( 2 2 0 ) 中，可以得到 槲= 。- r 5 l q 脚儿世 + 钳亿：， 一争琶。( 2 - 2 4 ) 式( 2 2 3 ) 、( 2 2 4 ) 均为线性状态方程。当按式( 2 2 2 ) 选取电压指令吣时，所 得到的状态方程不含耦合变量，故控制是去耦合的。当”：= 0 时，有f d 0 ) = i a ( 0 ) = 0 ， 从而得到bt 0 的解耦控制效果。 电压前馈解耦控制是一种完全线性化的解耦控制方案，它能使f d 、i 。完全解耦， 但是它需要实时测量i ，和。，并做n ，l 。i 。的乘积运算a 这种方法的测量精度和控 制实时性都会影响到控制性能，因此，要做到完全的解耦是很困难的。 ( 2 ) 电流反馈跟踪控制 在稳态情况下，定子三相电流为 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 f i 。= ，。s i n 口 i 6 = ，。s i n ( o 一2 7 r 3 ) 。 ( 2 2 5 ) l i 。= ，。s i n ( o o + 2 n - 3 ) 并假定a 相绕组电枢电流相位口。和d 轴与a 相绕组轴线夹角目之间的关系为 眈= 移+ a o ， ( 2 2 6 ) 0 0 表示d 轴与a 轴绕组轴线方向一致时，a 相电枢电流的初始相位。将式( 2 2 6 ) 对 时间微分，得到 d 8 ，d t = d 8 l d t + d e o d f 。 ( 2 2 7 ) 电枢电流的角速度吐和转子的机械旋转角速度m ，分别为 髋n 兰d 肋o d r 。 沼z s ， l ，啡= 。 从式( 2 2 7 ) 可见，当吼的值一定时，t 9 。= n 。国，则 ：i d 叫= i , ”一s i n o 。o 岛。 c z 坍， 图2 - 4 直流控制方式 图2 - 5 交流控制方式 南京航空航天人学硕士学位论文 圉为0 。是由d 轴与q 轴电流瞬时值确定的电枢电流矢量的初始相位角，如果通过 磁场定向控制，确定电枢电流的初始相位为1 8 0 。，使转子磁极轴线与所定义的d 轴 轴线重合，则由式( 2 - 2 9 ) 可知，i 。= 0 。电流反馈跟踪控制有两种方式，直流电流 控制方式和交流电流控制方式。它们的控制结构图分别如图( 2 - 4 ) 和图( 25 ) 所示。 由图可知，直流电流控制方式可理解为伺服系统强迫电机电流i 矿i 。跟踪指令电 流彖i ：，使0 一i ：= o ，i 。“f ：。而交流控制方式是强迫电机电流屯、i 。、f 。跟踪指令 值0 不i ：，使i 。* 厶i 。z i 。“i ：。设电流控制器g 。为比例积分( p i ) 型，为 积分算子，k 、k ，为比例系数，则： 直流控制方式时，有 阡暇蝎，) ( ；| - ：； = 。， 交流控制方式时，有 “ “c 吖 | | ( 2 3 1 ) 因为电流响应远快于速度响应，所以在电流调节过程中，可以认为电角速度为 常数。当采用比例调节器时，交流电流控制方式与直流控制方式的控制效果相同， 砌轴电流分量在控制器内无耦合作用；当采用比例一积分控制方式时，直流控制 方式仍属线性控制，但交流电流控制方式的幽轴电流分量在控制器内产生耦合作用， 电流控制的动态特性将发生变化，同时电流解耦特性也发生变化。相比之下，采用比 例一积分型直流控制方式时，伺服系统输出电流谐波分量小，无稳态误差，稳定性好。 但在实际应用中，电流控制器的响应速度受微处理器运算速度和a d 转换器的转换时 间和转换精度限制，控制的滞后现象比较严重。相比之下，交流电流比较控制方式容 易实现，调整比较方便，电流响应比较快，抗扰动能力较强，在高增益下，伺服系统 具有较好的电流解耦控制性能。 电流反馈跟踪控制是一种近似的解耦控制方案，但只要采用比较好的处理方式， 该方法不仅能够获得快速高精度的力矩控制，而且控制电路简单，实现较方便，且使 三相永磁同步伺服电动机在动、静态均能得到近似解耦控制。 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 2 4 基于m a t a b 的交流伺服系统矢量控制策略的仿真 2 4 1 仿真软件简介 近年来，各种仿真软件发展很快，如m a t l a b ，p s p i c e 等。充分地利用这些软件 来实现模型，可以大大地提高仿真的效率，而不用再自行编程。但这些仿真软件各有 自己的适用领域，难以实现同时涉及到电路、电机和控制混合模型，这时使用单软 件往往无法完成仿真的任务。因此，在通用仿真平台上高效地实现混合系统仿真，为 电机控制、电机运行性能分析提供强有力的工具，其意义重大，是目前仿真研究中的 一项新的前沿性工作。 m a t l a b 是目前国际控制界最为流行的软件，s i m u l i n k 是m a t l a b 的一个重要部分， 但它原是为控制系统仿真设计的，不能直接进行电路仿真。文献 1 3 提出了一种基于 开关函数的三相电压型逆变器的仿真方法，并在m a t l a b s i m u l i n k 中加以实现，可进 行功能性的电路分析。但这一方法对每一个电路都要进行转换和编写开关函数，应用 不太直观，另外，由于开关元件较为简化，仿真的细节误差较大。 p s p i c e 是常用的电路仿真软件之一，能对电路的动态工作过程进行细致的仿真 分析。可它缺乏控制系统的设计工具和分析手段，难以进行机电控制系统的混合仿真。 文献 1 4 提出了一种把p s p i c e 数据引入m a t l a b ，用于分析开关功率变换器的仿真方 法。但只是提取p s p i c e 对独立电路的分析结果，用于显示曲线或进行数学分析，并 没有实现m a t l a b 与p s p i c e 的在混合模型这一层次上的真正结合，也很难用这一方法 实现功率电路一电机一控制方案的混合模型仿真。 1 9 9 8 年，f 1 _ a t l a b 5 2 中开始提供电气系统模块库p o w e rs y s t e mb l o c k s e t ( 以下 简称为p s b ) ，这一状况才有所改善“。p s b 提供了七大类上百种电气元件的模型， 包括半导体开关元件和多种电机的模型等。p s b 是在s i m u l i n k 的基础上构造起来的， 但它与普通的s i m u l i n k 又有着很大的区别，主要有以下几点： ( 1 ) p s b 中的模块与s i m u l i n k 中的模块大多是不能直接连接的，否则会产生连接 错误。 ( 2 ) 在s i m u l i n k 中的连接线代表了信号的传递，其方向也表明了信号的传递方 向；在一般的电路原理图中，连线的方向是表示人为规定的正方向。而在p s b 中与前 两者都有所不同，连接线只是表示一种电气连接关系，其方向不代表电压或电流的正 方向。所以在p s b 中，不必太关心各个模块的输入输出的方向是否符合电路意义上的 概念，只要将其连接起来即可，而那些方向相对的连线可通过c o n n e c t o r s 库中的l 形 或是t 形接头连接。 ( 3 ) 在s i m u l i n k 中，系统中各信号可直接通过s c o p e 等工具来观察；而在p s b 中，电气信号必须通过电压、电流的测量模块后才能用s c o p e 来显示。由于p s b 内部 将电路模型和参数存在一个电压或电流测量模块中，所以涉及至i j p s b 的模型中至少要 南京航空航天大学硕士学位论文 有一个电压或电流测量模块。 ( 4 ) p s b 中的仿真更接近实际情况，而不象s i m u l i n k 那样理想化。有些时候可 能因为电压、电流的尖峰处理不当而得到错误的结果，甚至造成仿真发散而无法进行。 所以，想要在p s 8 中仿真得到较好结果，要注意合理设置开关元件的吸收回路参数、 给比较器加上滞环等细节问题。往往一个参数的改变会大大影响仿真的效果和速度。 p s b 提供了两类模块可以进行这两个系统之间的信号传递：一类是电压、电流测 量模块，可以将p s b 中的电压、电流信号转换为s i m u l i n k 信号；另一类是受控电压 源、电流源，可将s i m u l i n k 转换为p s b 中的电路信号。如图2 6 所示，这两类模块在 s i m u l i n k 年h p s b 之间起到了桥梁的作用，通过它们，就可以将p s b 与s i m u l i n k 连接 到一起。 偷+ 、 人澎入 ( s i m u i n x )( 9 。w 。e r 。s 。y 。s t 。4 ) 一 l 图2 6s i m u l i n k 与p s b 连接示意图 2 4 2 交流伺服系统的仿真模型的建立与实验的结果分析 总结本章以上的论述，结合经典的伺服系统的控制方法，得到如图2 7 所示的三 闭环串级矢量控制结构图。 图2 7 三闭环串级矢量控制结构图 在l a t l a b 中应用s i m u l i n k 与p s b 建立交流伺服系统矢量控制模型如图2 8 所示。对 于位置、速度、电流控制回路采用s i m u l i n k 建模，转子位置指令值0 ，与转予位置实际 全数字永磁交流伺服驱动系统的研究 值0 ，比较后，将其差值作为位置调节器的输入信号。位置调节器是个比例调节器， 它的输出是速度参考值q ，坼与实际速度m ，比较后，将其差值作为速度调节器的输 入，速度调节器是个比例积分调节器，它的输出是交轴电流参考值f 。，直轴电流参考 值i 。= o 。i 。、i 。经坐标变换得到三相电流给定值i 。、i 。、i 。，相电流给定与相电流反馈 相比较，经过电流调节器的调节和p w m 产生电路生成控制逆变器的脉宽调制信号。在 此仿真模型中，逆变器也是应用s i m u l i n k 建模来模拟的，逆变器的输出经过电流检测 模块通入到永磁同步电机模块( p s b ) 。 图2 8i 。；0 磁场定向控制的伺服系统仿真模型 伺服系统最终追求的是外环定位的准确性和快速性，而外环性能的发挥依赖于系 统内环的性能。内环电流控制器依靠p w m 技术将调节器输出的电压指令信号转变为三 相p w m 信号，来驱动逆变器，从而控制电机三相定子电流，实现电机电流跟踪指令电 流值。但是不同的p w m 技术产生的电流控制效果不同，综合考虑整个系统的性能要求， 选择合适的p w m 调制技术有着很重要的意义。 在实时p w m 技术中，常用的有滞环比较控制方式、三角波载波比较跟踪控制方式 ( s p w m ) 和空间电压矢量控制方式( s v p w m ) 。 ( 1 ) 滞环比较控制方式 一相桥臂