（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的工业缝纫机控制系统研究.pdf

t h e s t u d yo fc o n t r o ls y s t e mi ni n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n e b a s e do nd s p a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i c a lm o t o rm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y ， m o d e mp o w e re l e c t r o n i c st e c h n i q u e s ， m i c r o p r o c e s s o rt e c h n i q u e sa n da d v a n c e d c o n t r o lt h e o r i e s ，t h ea cs e r v ot e c h n o l o g yi sm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di n i n d u s t r ya p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，t h ec o n t r o ls y s t e mw i t hd s pa st h ec e n t r a l c o n t r o l l e ri ni n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n eu s i n ga cp 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 ) i ss t u d i e d b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h e e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sc a r r i e do u t ，a l lt h ea u t o m a t i o nc o n t r o lf u n c t i o n so ft h e s y s t e ma r et e s t e d t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fs t r u c t u r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m v e c t o rc o n t r o l t h e o r y a n ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) t e c h n o l o g ya r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c td e m a n d ，t h ed e t a i l m e t h o d so fr e a l i z a t i o na n di s s u e sn e e d e ds p e c i a lc o n c e r na r ed i s c u s s e d ( 2 ) am o d e lo ft r i p l e l o o pc o n t r o lm e t h o df o rp m s ms y s t e mi se s t a b l i s h e d e a c hf u n c t i o n a lp a r to ft h em o d e li sa n a l y z e dd e t a i l e d l y t h es t a t ew a v e s d u r i n gt h e p r o c e s so fs t a r t i n g ，s t a b l er u n n i n ga n ds t o p p i n ga r eg i v e ni nt h ep a p e r ( 3 ) t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o ri n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n eb a s e do nd s pi s d e s i g n e d ，i n c l u d i n gp o w e rc i r c u i t ，i p md r i v i n gc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i to fd s p , m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i ta n ds e r i e sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h i sp a p e r p r e s e n t st h e s t r u c t u r eo fs o f t w a r e ，a n da n a l y z e st h er e a l i z a t i o nm e t h o d so fe a c hf u n c t i o n m o d u l e ( 4 ) r e l a t i v ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s e sa r ef i n i s h e do ne x p e r i m e n te q u i p m e n t t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e s e r v os y s t e mo fi n d u s t r i a l s e w i n gm a c h i n ei s r e a s o n a b l ea n df e a s i b l e s y s t e mp e r f o r m sw e l li ns t a t i ca n dd y n a m i ct e s t ，w h i c hc a n m e e tt h en e e d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：p m s m ；v e c t o rc o n t r o lt h e o r y ；s v p w m ；ds p 插图清单 1 1 伺服控制系统职能方框图4 2 1 凸极式永磁转子结构6 2 2 隐极式永磁转子结构6 2 3 永磁同步电机等效结构坐标图7 2 4 基于d q 坐标系的永磁同步电机矢量图8 2 5 永磁同步电机由轴表示的电压等效电路图1 0 2 6 等效的交流绕组与直流绕组1 1 2 7 三相绕组和两相绕组磁动势矢量的空间位置1 1 2 8 二相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量1 3 2 。9 动态相位校正示意图1 5 2 1 0 三闭环矢量控制流程图1 6 2 1 1 三相电压源型逆变器电路结构：1 7 2 。1 2 电压空间矢量分布图1 9 2 1 3 电压空间矢量合成示意图1 9 2 。1 4s v p w m 调制示意图2 0 3 。1 永磁同步电机控制系统仿真模型2 2 3 2 定针缝工序时p o s i t i o n s p e e d 子模块的输出曲线2 3 3 3p i 控制实现原理图2 4 3 4p w m s i g n a lp r o d u c e 子模内部结构2 5 3 5 三相p w mi g b t 逆变器参数设置2 5 3 6 永磁同步电机模块参数设置2 5 3 7 电机转矩图一2 6 3 8 三相电流2 6 3 9 直轴电流图2 6 3 。1 0 等效阻抗角2 6 3 1 1 位置误差图2 7 3 1 2 电机转速2 7 4 1 工业平缝机针杆机构、挑线机构及其传动原理图2 8 4 2 控制系统设计框图2 9 4 3 脚踏板调速器机械结构3 0 4 4 霍尔传感器分区信号3 1 4 5 倒缝补偿示意图3 3 4 6 机头霍尔信号示意图3 3 4 7 切线凸轮机构3 4图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 4 - 8 输入滤波整流电路3 5 4 9 正激式开关电源原理图3 6 4 1 0i p m 驱动电路3 7 4 1 l 采用高速光耦驱动的i p m 典型电路3 8 4 1 2 控制系统接口功能框图3 9 4 1 3a c s 一7 0 6 e l c 工作特性3 9 4 - 1 4 键盘检测电路：4 0 4 1 5 控制面板示意图一4 0 4 - 1 6 键盘检测及数码管显示程序流程图4 1 4 1 7e e p r o m 电路图4 1 4 18m a x 2 3 2 典型应用电路图4 2 4 1 9 程序流程图4 3 4 2 0 功能调度程序流程图4 4 4 2 1 工缝系统工作状态转换图4 4 4 2 2 踏板服务程序流程图4 5 4 2 3 前踏起动信号处理程序流程图4 6 4 2 4 停车引导流程图4 6 4 2 5 提针补针功能子程序流程图4 7 4 2 6 电机启动时的速度曲线图4 7 4 2 7 慢速启动控制流程图4 7 4 2 8 电源板实物图4 8 4 2 9 控制板实物图一4 8 4 3 0 电机速度波形图4 9 4 3 1 电机电流波形图4 9 4 3 2 线电压波形5 0图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表2 1 表2 2 表2 3 表2 4 表2 5 表4 1 表4 2 表格清单 修正值a a 的符号1 5 开关状态与相电压、线电压的对应关系1 8 开关状态与相电压在筇坐标系的对应关系1 8 电压矢量的作用时间赋值表2 1 切换点赋值及输出p w m 波形2 1 踏板状态表3 0 e e p r o m 操作指令表4 2 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 金月巴王些太堂 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 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者繇沙嘞 觯醐：中勘上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍兰些太堂有关保留、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 权金匿王些太堂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适用本授权书) 学位论文作者签名：叭认劲 导师签名 签字眺斗年尘月上日 签字日期 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 艺 n 。半 岫 致谢 在结束本论文之际，谨向所有支持与帮助过我的老师、同学和朋友们致以 诚挚的谢意。 本论文是在王群京老师的悉心指导和亲切关怀下完成的，导师渊博的学识、 严谨的治学态度、对科学研究孜孜不倦的追求以及高尚的人格使我受益匪浅， 是促使我前进和学习的楷模! 王老师不仅在学业上给我以启迪和教诲，而且在 生活上给我以关心和支持，在此我要向王老师表示衷心的感谢。 在硕士论文完成期间，得到了新型电气传动实验室很多老师和同学的指导 和帮助。特别感谢李国丽老师、胡存刚老师、陈权老师，他们在日常的生活和 学习中给我很多的帮助和支持。 在攻读硕士研究生期间，我得到姜卫东老师、鲍晓华老师、王安邦师兄的 悉心指导，不仅学到了专业知识，还学到了怎样做学术，他们所传授的是我一 生的财富。 此外，还要感谢钱酷、鞠鲁峰、史晓锋、王涛、朱少林、漆星、张云雷等 同学，他们也对我的研究工作提出了很好的建议和意见。 最后我要感谢我的家人。有了他们的鼓励和支持我才能够安心的完成学业， 他们是我前进的动力和支柱。 作者：王红涛 2 0 0 9 年3 月 第一章绪论 1 1 工业缝纫机的发展背景 1 1 1 工业缝纫机行业的发展现状 目前，中国已经成为缝纫机主要生产基地之一【l 】c z ，并成为缝纫机的主要出 口国。从发展的眼光来看，缝制设备行业正面临巨大的发展机遇。本行业赖以 生存的纺织服装行业是中国在国际上比较优势的行业，伴随全球缝纫设备产业 向我国的加速转移及国内纺织行业的快速发展和技术升级需要，我国的缝纫设 备行业迎来新一轮的发展机遇。 全球缝制设备产业加快转移给国内产业升级和扩大出口带来机遇。从国际 市场看，目前世界上年产各种缝纫机1 8 0 0 万台，缝纫机销售额6 0 7 0 亿美元 左右，其主要生产国有中国、日本、德国、意大利等。全球缝制设备产业经过 几轮调整和产业转移，我国已成为世界主要缝纫机生产基地，占世界总产量5 0 左右。根据轻工业产业发展规划，到2 0 1 5 年，我国缝制设备出口占国际贸易 量的7 0 ，国际贸易额的5 0 ，真正成为世界缝制设备生产强国。美国主要 的服装进口国墨西哥及其它一些国家都没有工业缝纫机的生产企业，大量的设 备还需要进口。中国缝纫机产品价格、性能均适合当地市场需求，出口潜力巨 大。由于我国逐渐具备了世界缝制设备生产和销售中心的实力，再加上近年政 策性拉动和需求拉动两大因素，缝纫机行业的发展前景十分可观。 然而从世界范围看，德国、意大利和日本等国家占据了缝制设备技术的制 高点，虽然出口量不大，但作为一种发展趋势，实现技术的突破，摆脱单单依 靠规模和廉价劳动力取得市场的困境，提高我国缝纫机行业的竞争实力，改变 赢利模式，势在必行。这也是我国产业结构调整的大环境所决定的。 目前随着向高档缝纫机和特种机的转移，国内缝制设备产业升级加快， 工业缝纫机向高档次、多品种和系列化方向发展，具备“高精、柔性、智能型 的机电一体化产品比重加大。尽管我国缝纫机出口已占世界贸易量的4 0 ，但 交易额仅占世界( 6 0 7 0 亿美元) 的5 ，因此，产业升级有助于拓宽我国缝制设 备的出口增长空间。 1 1 2 工业缝纫机技术的发展 工业缝纫机由上世纪6 0 年代开始由低速( 中速) 向高速化转变【2 儿3 1 ，以后 的2 0 年发展使工业缝纫机产品质量、技术水平不断提升，品种也得到了充实和 多样化，这一时期的工业缝纫机仍然属于机械类产品为主；进入8 0 年代由于电 子技术的迅猛发展，国际缝制机械产业技术发展趋势已经从普通的机械结构发 展到采用光、电、声、磁、激光、遥控传感等多学科交叉，产品以自动化机种 为主，通过应用电子技术，使工业缝纫机具备了自动剪线、自动返缝、自动抬 压脚等功能，实现了工业缝纫机的自动化与电子化。 传统工业缝纫机的主轴驱动大多采用离合器电机，存在效率低、体积大、 调速范围窄、位置控制精度低的问题，随着电力电子技术、交流调速策略和技 术的快速发展，交流永磁伺服电机由于其自身优点和良好的控制性能，被广泛 应用于快速、准确、精密的位置控制场合，各大工业缝纫机开发公司也将交流 伺服电机应用于缝纫机的主轴驱动，国外的一些先进企业，如德国的杜克普 阿德勒( d u r k o o p a l d e r ) 、日本的重机( j u k i ) 、日本的三菱( m i t s u b i s h i ) 、 日本的兄弟( b r o t h e r ) 等都推出了其相应产品，而我国的都还在研制或试验 阶段，相信在不久的将来会有重大突破。 高性能的伺服电动机控制系统，需要配合以高性能的微控制器，目前t i 公司的数字信号处理器( d s p ) 2 0 0 0 系列是专门用于电机数字化控制领域的控 制芯片，能够实现复杂的控制算法，具有较好的实时控制性能，从而加速了工 业缝纫机的数字化及智能化进程。 工业缝纫机将从普通型向自动化、电脑化方向发展，电脑控制缝纫机将成 为今后产业发展的主要趋势。伺服系统所特有的轻柔起动、精确定位、故障自 动诊断和显示等优越性能，给操作和维修带来极大方便，对提高生产效率、减 轻劳动强度等方面有着特别重要意义。纺织、服装行业重视效率和加工专业程 度的提高，也使新型工业缝纫机的开发存在巨大空间。因此，基于永磁同步电 机和d s p 全数字化控制的工业缝纫机系统正在成为行业技术发展的潮流。 工业缝纫机在国内外都有着广阔的市场前景，但是目前国内所使用的工业 缝纫机的控制器基本上由国外进口，针对这种情况，国内许多院校和科研院所 也在进行各种型号控制器的研制，本课题就是在这一背景下展开的。 1 2 用于工业缝纫机的永磁伺服控制系统发展现状 1 2 1 永磁同步电机的发展 永磁交流伺服系统是工业缝缝机控制系统的关键部分，伴随着伺服电动机 的发展，伺服电动机【2 儿3 】至今已有四十多年的历史，主要经历了三个发展阶段： 第一阶段：2 0 世纪6 0 年代以前，主要以步进电机驱动液压伺服马达或者 功率步进电机直接驱动，具有响应时间短、驱动部件外形尺寸小等优点，伺服 系统的位置控制多为开环系统。这一时期是液压伺服系统的全盛期，但也存在 一些缺点：发热大、效率低、易污染环境、维修困难等。 第二阶段：2 0 世纪6 0 、7 0 年代，这是直流伺服电机诞生和全盛发展的时 期。直流电机是自然解耦的，电磁转矩和电枢电流成正比，转矩响应速度快， 具有良好的调速性能。随着大功率晶体管的应用，电流控制性能的大大提高， 在很多高性能驱动装置中都广泛采用直流电机，伺服系统的位置控制也由开环 发展成为闭环。但是，直流电机有一个致命弱点，即机械换向时会产生电火花， 这就加重了电刷和换向器的维修工作量，而且，不适于在易燃、易爆、多尘的 环境中应用。 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代至今，以机电一体化发展为时代背景。由于伺 服电机机构及永磁材料、控制技术的突破性进展，出现了无刷直流伺服电机( 方 波电流驱动) 、交流伺服电机( 正弦波电流驱动) 等多种新型电动机，同时，电 力电子技术、微处理器的迅速发展引发了伺服驱动装置经历了模拟式、数字模 拟混合式和全数字化等几个发展时期。 以1 9 5 5 年美国的d h a r r i s o n 等人申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电 动机机械换向器专利为标志，永磁同步电动机于2 0 世纪5 0 年代出现。1 9 7 8 年， 原联邦德国m a n n e s m a n n 公司在汉诺威贸易展览会上正式推出其m a c 永磁 同步电机及其驱动系统，则标志着永磁同步电机真正进入实用阶段。 永磁同步电动机主要由电动机本体、位置传感器和功率逆变器三部分组成。 按照电动机工作方式的不同，永磁同步电动机大致可以分为两类，即方波型永 磁直流无刷电动机和正弦波型永磁同步电动机。方波型永磁直流无刷电动机， 习惯上称为b m s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ，其电机本体的反电势设计成梯形波， 而逆变器输出方波电压或方波电流并且与电机反电势保持适当的相位关系，从 而产生有效电磁转矩，在这种情况下，转子位置传感器只需要提供转子的若干 个关键位置的离散信号就可以了。方波电机结构简单、控制方便、成本较低， 一般用于对转矩波动要求不太高的调速传动。正弦波型永磁同步电动机，习惯 称为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 ) ，其电机本体的反电势设计 成正弦形，而逆变器采用s p w m 技术或滞环控制技术等调制出正弦电压或电流 并与电机反电势保持适当的相位关系，从而产生比较平滑的电磁转矩。在这种 情况下，位置传感器需要提供连续的转子位置信号。p m s m 的结构比较复杂且 成本较高，控制方法灵活，一般转矩波动较小，因此往往用于对转矩脉动要求 比较严格的驱动与控制系统中。很多文献把这两类电机统称为自控式永磁同步 电动机。 1 2 2 伺服系统的发展 伺服系统是构成自动化体系的基本环节【4 】【5 】【6 1 ，是具有功率放大作用的一种 自动控制系统，它的输出量总是相当精确地跟随输入量的变化而变化，其典型 结构如图1 1 所示。将输入信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系 统的跟随误差，对其进行放大，经驱动电路，控制执行元件带动被控对象运动， 直到跟随误差为零。 图卜1 伺服控制系统职能方框图 按照控制系统是否闭环，伺服系统分为开环、半闭环和全闭环三种。 ( 1 ) 开环伺服系统。开环伺服系统就是系统的输出没有反馈到系统的输入信 号中，即没有位置反馈的伺服系统。开环伺服系统一般使用的驱动元件是步进 电机和电液脉冲马达，系统的输出位移与脉冲个数成正比，所以在控制整个系 统时，只要精确地控制输入脉冲的个数就可以准确地控制系统的输出，但是这 种系统精度比较低，运动不是很平稳。由于开环系统结构简单，所以在一些要 求比较低的场合还有着比较广泛的应用。 ( 2 ) 半闭环伺服系统。半闭环伺服系本身属于闭环系统，它具有位置反馈环 节，所以在原理上它具有闭环系统的一切特性和功能，但是由于它的位置信号 在中间经过了一个机械传动部件的位置转换，对实际位置移动采用间接测量的 方法，然后反馈到系统的输入，所以半闭环伺服系统存在着测量转换误差，而 且环外的误差也没有得到补偿。 ( 3 ) 全闭环伺服系统。全闭环伺服系统是一种真正的闭环伺服系统，在结构 上与半闭环伺服系统是一样的，只是它的位置检测元件直接安装在系统的最终 运动部件上，系统反馈的是整个系统真正的最终输出，所以可以把整个系统内 部的误差进行有效的补偿，全闭环伺服的控制精度也是最高的。 1 3 论文结构安排 本文在对矢量控制理论和电压空间矢量脉宽调制技术进行分析的基础上， 借助s i m u l i n k 平台对控制系统进行了算法仿真，并基于d s p 技术对缝纫机控制 系统的进行了软硬件设计，实验数据显示样机系统运行稳定可靠，能完成各种 自动控制功能。 本论文包含以下内容： 第一章论述工业缝纫机行业的现状和工业缝纫机制造、研发水平。 第二章介绍工业缝纫机用永磁同步电机数学模型及其矢量控制方法，并分 析了电压空间矢量脉宽调制技术，为控制系统的仿真和实现提供理论基础。 第三章在初步分析工业缝纫机控制功能的基础上搭建了系统模型，分析了 模型各模块的工作原理，通过仿真波形验证了控制方案的可行性。 第四章介绍工业缝纫机基本结构和自动控制原理，分析了样机硬件各部分 电路的设计方法和注意事项，设计了软件系统的组织结构和各子功能模块的实 现方法，并给出了软件流程图和系统测试的实验结果。 第五章是结论与展望。 本章小结： 本章论述了工业缝纫机行业的现状、发展前景以及我国工业缝纫机行业面 临的机遇，介绍了工业缝纫机制造及研发水平的现状和发展，并介绍了全文的 框架结构。 第二章永磁同步电机矢量控制与空间矢量脉宽调制方法 2 1 永磁同步电机的结构 三相永磁同步电动机是由绕线式同步电动机发展而来，一样由定子和转子 两大部分组成，其转子用永磁体代替了电励磁，从而省去了励磁线圈、滑环和 电刷，而定子与绕线式同步机基本相同，由三相星形接法、短距分布的绕组和 铁心构成，要求输入三相对称正弦电流，故称为三相永磁同步电动机。永磁同 步电动机需要安装转子位置检测器，用于检测转子磁极位置，对定子电流进行 控制，从而控制永磁同步电动机，常用的转子位置检测器有旋转变压器或光电 编码器，与转子同轴，安装在非负载端。 根据磁性材料的不同类型，永磁同步电机可有各种不同的设计【7 】，目前多 采用稀土永磁材料做磁钢，这样永磁转子在电机内所需的空间小，只要设计合 理就不会出现由于短路电流而产生偶然去磁的危险。另外，电机转子结构多采 用表面式安装永久磁钢，可分为凸极式和嵌入式两类。这样可以获得足够的磁 通密度和高的矫顽力特性，且转矩重量比也获得很大的改善。 凸极式转子将磁钢安装在转子轴的表面，如图2 1 所示，因为永磁材料的 磁导率十分接近空气的磁导率，所以在交轴( q 轴) 、直轴( d 轴) 上的电感基 本相同。嵌入式转子则是将磁钢嵌入在转子轴的内部，如图2 2 所示，因此， 交轴的电感大于直轴的电感，并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转矩存在。 图2 一l 凸极式永磁转子结构图2 2 隐极式永磁转子结构 由于转子永磁铁的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可以分为正 弦波形和梯形波( 方波) 形两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电 动势波形也有两种：正弦波形和梯形波( 方波) 形，这样就造成两种同步电动 机在原理、模型以及控制方法上的不同，为了区别由他们组成的永磁同步电动 机，把产生正弦波磁场的永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动机；而把产 生梯形波磁场的永磁同步电动机称为梯形波型永磁同步电动机，由于其原理与 控制方式基本上与直流电动机系统类似，所以又称无刷直流电动机。本文的研 究是基于正弦型永磁同步电动机的。 2 2 永磁同步电机的模型 永磁同步电机的数学模型对于分析和设计电机的矢量控制系统是至关重要 的。由于电机运行时的温升、磁路的饱和、磁路的交叉耦合等因素，使得永磁 同步电机的数学模型是一个复杂的非线性模型，为了便于研究，在模型的简化 性和准确性之间做出折衷，选择了在同步旋转坐标系( d q 坐标系) 下建立永 磁同步电机的数学模型。三相静止坐标系( a b c 坐标系) 的数学模型通过一组 正交变换，就能转换到同步旋转坐标系。 永磁同步电机的定子和转子通过气隙磁场进行机电能量的转换，所以存在 电磁耦合关系，再加上磁路饱和等非线性因素，建立精确的数学模型是很困难 的，为了方便研究，通常对电机做如下假设： 1 ) 认为磁路是线性的，可以用叠加原理进行分析； 2 ) 忽略铁心饱和，忽略涡流损耗和磁滞损耗； 3 ) 定子三相绕组对称、均匀，绕组电流为对称的三相正弦波电流； 4 ) 定子磁场呈正弦规律分布，无高次谐波； 5 ) 转子上无阻尼绕组。 这样可以得到如图2 3 所示的永磁同步电机等效结构坐标图，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彳相绕组的电角度为口， 沙，为转子磁场的等效磁链。 图2 3 永磁同步电机等效结构坐标图 2 2 1 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机4 】【8 】的转子是永磁体励磁，转子磁链矢量与转子磁极的位置 一致，通过检测转子的实际位置就可以得到转子的磁通位置，因此，用固定于 转子的同步旋转坐标系来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时， 将d 轴固定在转子励磁磁通缈，方向上，鼋轴为逆时针旋转方向超前d 轴9 0 。电 角度，d - q 轴系随同转子以角速度一起旋转，它的空间坐标以d 轴与参考轴彳 间的电角度0 来确定。 图2 4 基于d q 坐标系的永磁j 司步电机矢量图 如图2 4 所示，为基于d - q 坐标系的永磁同步电机的空间矢量图，根据电 机的统一理论，可以得到定子磁链方程为： 讣一制+ m ( 2 - - 1 ) 其中：y ，为转子磁钢在定子上的耦合磁链； 厶、。为永磁同步电机的d ，q 轴定子电感； i d 、i 。为定子电流矢量i ，的d ，q 轴分量。 定子电压方程为： 臣 = 鲁乏 臣 + 三一 瞄d ( 2 2 ) 其中：r 。为定子相电阻； u d 、“。为定子电压矢量u ，的d ，q 轴分量； 织为转子旋转电角速度； p 为微分算子。 把式( 2 1 ) 带入式( 2 - - 2 ) 就得到永磁同步电机转子磁场定向的电压回 路方程： 讣r 。篡岛r 麓甜i o r o ， ( 2 - - 3 ) 另有： e f2 国，y 厂 ( 2 4 ) 其中：p ，为永磁体正弦磁场在转速q 下于口轴绕组中产生的感应电动势。 于是，电压方程可以写为： j 甜d = r + l a p i d q 三g 1 “留= 尺。+ 三哼p i q + c o ，l a i a + e i ( 2 - - 5 ) 在稳态情况下，电压方程可以写为： u a = r , i 。a - ( r o r l q i q (26)r h = s f g + q 厶i a + e f 怕w 永磁同步电机的转矩方程为： z = 丢e ( 沙d i q y g i a ) ( 2 7 ) 其中：z 为电磁转矩； 只为转子极对数。 把式( 2 1 ) 带入式( 2 7 ) 并整理得： 正= 丢只 少厂i q + ( 厶一g ) 屯f g 】 ( 2 8 ) 永磁同步电机的运动方程为： ，警= 乏- b o o - 瓦 ( 2 _ 9 ) 国，= c o ( 2 1 0 ) 其中：，为转动惯量( 姆m 2 ) ； 口为粘滞摩擦系数； c o 为转子机械角速度； 正，为负载转矩，亦是输出转矩( n m ) 。 永磁同步电机的运动特性在负载转矩正一定的情况下，主要取决于电磁转 矩乃的大小，而又是由磁场和电流共同决定的，所以对电动机转矩的控制实 际上就是对磁场和电流的控制。 2 2 2 永磁同步电机的动态等效电路 对于永磁同步电机【8 来说，由轴线圈的漏感相差不是很大，可以认为近 似相等，因此，电感参数可以表示为： ll d = l j d + l m d 1 三g = 工。盯+ 己辨g 2 11 f ，：丝( 2 1 2 )z ，= l 一 。 上。d 其中：t 盯为d ，q 轴线圈的漏感； 砌、l 删为d ，q 轴的励磁电感； 0 为归算后的等效励磁电流。 则永磁同步电机的电压方程如下： i “d = 足屯+ 厶p 易+ 三利p f 厂一( d r l q i q k = r 。i q + l g p i g + ( o r l a i a + q k o _ 1 3 ) 等效电路图如图2 5 所示： 图2 5 永磁同步电机幻轴表示的电压等效电路图 2 3 永磁同步电机矢量控制理论 2 3 1 矢量控制思想的产生 任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用而产生的，直流 电动机具有比交流电动机更优良的调速性能【l0 1 ，是因为： 1 ) 直流电动机的励磁电路和电枢电路是相互独立的；而交流电动机的励磁 电流和负载电流都在定子电路内，无法将他们分开。 2 ) 直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间上是“垂直的( 互差9 0 。电角 度) ；而交流电动机的主磁场与转子电流磁场间的夹角与功率因数有关。 3 ) 直流电动机是通过独立地调节两个磁场中的一个来进行调速的；交流电 动机则显然不能。 通过以上比较可以看出，交流电动机要在动态中精确地控制转矩显然要困 难得多。如果在交流电动机中，也能够对负载电流和励磁电流分别进行独立的 控制，并使他们的磁场在空间位置上也能互差9 0 。电角度，那么，其调速性能也 就可以和直流电动机相媲美了。这一想法在相当长的时间内成为人们追求的目 标，1 9 7 1 年，德国学者b l a s c h k e 提出了交流电动机的矢量控制理论，从理论上 解决了交流电动机的调速问题，使得交流电动机的控制跟直流电动机控制一样 方便可行，并且可以获得与直流调速系统相媲美的动态性能。 如图2 6 ( a ) 所示，三相固定的对称绕组彳、b 、c ，通以三相正弦对 称交流电流i 。、ot ，即产生转速为国的旋转磁场v a b c ；产生旋转磁场不一定 非要三相对称绕组，除单相绕组外，任意的多相对称绕组，通以多相电流，都 能产生旋转磁场，如图2 6 ( b ) 所示，在两相固定绕组口、( 空间位置上 相差9 0 。) ，通以两相对称交流电流f 。、f 疗( 时间相位上差相差9 0 。) ，也能产生 转速为国的旋转磁场y 。疗；在图2 6 ( c ) 中两个匝数相等、互相垂直的绕组m 、 r ，分别通以直流电流f w 、f r ，产生位置固定的磁通y w ，如果这两个绕组同 时按转速彩旋转，则磁通y 舯自然随着旋转起来，产生转速为的旋转磁场y 。，r 。 ， 、 入 o ) ( 。 心】【b jo j 图2 6 等效的交流绕组与直流绕组 矢量控制的基本思想就是按照产生同样的旋转磁场( y 仙c = y 叩= y 胛) 这 等效原则建立起来的，将一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁 场系统，以两相系统做过渡，互相进行等效变换，从而在普通的三相交流电动 机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律。在磁场定向坐标上，将电流矢量分 解成产生磁通的励磁电流分量i w 和产生转矩的转矩电流分量i r ，并使两个分量 相互垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样，交流电动机的转矩控制，从 原理和特性上就与直流电动机相似了。因此，矢量控制的关键仍是对电流矢量 的幅值和空间位置( 频率、相位) 的控制。 2 3 2 矢量控制的坐标变换 实现矢量控制思想的基本方法是矢量变换规律【6 】【9 】，矢量变换规律有三相 两相( 3 2 或c l a r k ) 变换及两相= - 相( 2 3 或c l a r k 1 ) 变换、二相静止坐标 系到二相旋转坐标系( p a r k 变换) 及二相旋转坐标系到二相静止坐标系 ( p a r k 。1 变换) 。下面分别叙述其基本变换规律。 b j l 3 ； | l6 0 叭 多 o n 2 7 i a 厩x n 毒8 么 图2 7 三相绕组和两相绕组磁动势矢量的空间位置 ( 1 ) 三相两相( 3 2 或c l a r k ) 变换或两相三相( 2 3 或c l a r k - 1 ) 变换： 如图2 7 所示，为简单起见，令三相的a 轴与等效二相的口轴重合，图中矢 量仅表示空间位置，并不表示大小，磁动势的大小是随时间变化的，在任何时 刻各相磁动势幅值一般不相等。假设磁动势波形是正弦分布的，或只计其基波 分量，当二者的旋转磁场完全等效时，合成磁动势沿相同轴向的分量必定相等， 即两套绕组瞬时磁动势在口、p 轴上的投影应该相等： 图中：m 为三相电机定子每相绕组的有效匝数，2 为二相电机定子每相 绕组的有效匝数，为了保持变换前后功率不变，变换后的二相绕组每相有效匝 数2 应为原三相绕组每相匝数从的3 2 倍。于是三相电流变换为二相电流的 关系为： 三相两相( 3 2 或c l a r k ) 变换： ： = ；： = ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 ) 二相静止坐标系到二相旋转坐标系( p a r k 变换) 及二相旋转坐标系 到二相静止坐标系( p a r k _ 1 变换) ：该变换亦称矢量旋转变换，简称v r 变换。 就是交流二相口、绕组和直流二相m 、t 绕组之间电流的变换，是静止直角 坐标系与旋转直角坐标系之间的变换。如图2 8 所示，m 轴、t 轴和矢量f 。都 以转速旋转，因此f w 和f r 分量的长短不变，相当于m 、t 绕组的直流磁动势。 但口轴与轴是静止的，口轴与m 轴的夹角口随时间变化，因此f 。在口轴与轴 上的分量屯和f 8 的长短也随时间变化，相当于口、绕组交流磁动势的瞬时值。 b ，!iiiiiiiiikl o 压 一32一互后上压 。一i 厄后上打 t 图2 8 二相静止和旋转坐标系与磁动势空间矢量 二相旋转坐标系到二相静止坐标系( p a r k _ 1 变换) 的矩阵形式为： ( 2 1 8 ) 二相静止坐标系到二相旋转坐标系( p a r k 变换) 的矩阵形式为： = 。一c o s 血s 0 9 s i n s o p j 。i 知i 口 ( 2 - - 1 9 ) 2 3 3 转子磁场定向控制策略 永磁同步电机矢量控制与异步电机、普通电流励磁同步电机一样 9 】【1 ，都 是采用基于磁场定向( f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，简称f o c ) 的控制策略，在永磁同 步电动机中，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 步电动机。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y ，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 z 轴系和d q 轴系重合，m r 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。 由式( 2 8 ) 的永磁同步电机的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定子交轴电流分量和直轴电流分量，永磁同步电机矢量 控制的实质就是通过对定子电流的控制来实现对转矩的控制。在基速以下恒转 矩运行区中，一般均采用电流矢量位于g 轴，无d 轴分量的控制方式，即i d = 0 的控制方式，这时定子电流全部用于产生转矩( f 。= i s ) ，从而可以将永磁同步 电机的电磁转矩方程改写为： k 0 枷种 一 o p 9i 宝证 = 瓦= 詈只y 厂z ， ( 2 2 0 ) z 由于转子为永磁结构，y ，= 常数，电磁转矩就随着f 。变化而变化，在控制 系统中只要控制f 的大小就能控制转速，实现矢量控制。 采用磁场定向的控制策略，只需控制同步旋转坐标系下的电流，就能达到 转矩控制的目的，同时简化算法的复杂度，提高系统精度。关键问题在于控制 电机的直轴电流f d 为零。本样机实现了三闭环的控制方案，即位置环，在停车 阶段实现位置伺服功能；速度环，提高系统动态响应能力；电流环，实现i d = 0 的控制。分析可知，在永磁同步电机伺服控制系统三闭环控制策略中，经过位 置和速度外环调整的控制参数，最终都要由电流内环调整并转换为电压型逆变 器所需的幅值和相位参数。利用电压矢量与电机磁链的关系，达到对转矩的控 制。 由于屯= 0 控制是磁场定向的控制策略的基础，直轴电流的控制效果直接关 系到系统的性能，为了实现对直轴电流的有效控制，本文提出一种基于动态相 位校正的伺服系统电流环设计方法。 在同步旋转坐标系下定义如下三个矢量，为了与前文公式推导中使用的标 量符号相区别，这里用带上划线的符号来表示矢量：d ，逆变器输出的电压矢 量；7 ，电机电流矢量；乞，电机的瞬时等效阻抗，则有： 旷：，幸z 一( 2 2 1 ) 由电机本身的非线性特性可知，瞬时阻抗乞是一个与电机转速、绕组漏磁 等诸多因素相关的量。令：2 = z l a ，其中，z 为瞬时等效阻抗的幅值，口为 相位。在i a = o 控n ：s 案下，艺与i 是等效的，即有：7 = i a z 9 0 。，代入式( 2 2 1 ) 可得： u = 厶么9 0 。掌彪口 ( 2 2 2 ) = i g 宰z z ( 9 0 。+ 口) 由式( 2 2 2 ) 即可得出如下的电流环控制方案：将电流