（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的伺服系统控制及定位问题的研究.pdf

基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究场合难以获得满意的控制效果，结合本系统的特点，引入智能控制算法，电流调节环用p i 算法，速度环用滑模变结构控制调节算法，这样既能做到速度实时调节，又能保证动态无超调，稳态无静差。为了兼顾伺服控制的快速性和精确性，增加位置控制环，完成系统的精确定位，本系统采用f u z z y p i 结合的方法，在大位置偏差阶段用f u z z y算法调节，使系统能够以最快的速度减小偏差，在偏差小的情况下用p i 算法，使得系统速度缓慢减小，为系统准确停车创造条件。在理论分析和仿真的基础上，本文对控制系统的硬件、软件进行了研究和设计。硬件部分先作整体设计，然后介绍了几个主要模块的电路设计包括主要器件和参数的选择；软件采用模块化设计，论述了软件实现的过程并绘制各主要功能模块的流程图，最后做了实验测试工作，给出了实验结果。关键词：伺服系统，无刷直流电机，定位，仿真，砘z y p i ，d s p基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究s e r v 0 一c o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s pa n dt h er e s e a r c h0 fp o s i t l 0 n i n gp r o b l e ma b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i a la n di n f o m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ea cs e os y s t e mi sw i d e l ya p p l i c a t e dt ot h es e r v od r i v e rf i e l dw i t hh i g hp r e c i s i o na n dg o o dp e r f b m a n c e i nt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，s e r v o - c o n t r o ls y s t e mi sr e q u i r e dt os a t i s 母t h em e a s u r e so fp e r f o m a n c ea sf a s tr e s p o n s es p e e d ，w i d er a n g eo fv e l o c i t ym o d u l a t i o n ，h i g ha c c u r a t ep o s i t i o n i n ga n dm n n i n gs t a b l y k e yt e c h n o l o g yi st h ed e s i g no fs e o m o t o ra n dd r i v ee q u i p m e n t ，d e t e c t i o nu n i t ，c o n t r o l l e ra n do p t i m i z a t i o no fc o n t r o ls t r a t e g y f o r t h ep u r p o s eo fa d v a n c ep e r f b r m a n c eo ft h ea cs e os y s t e m ，t h ee x c e l l e n c eb r u s h l e s sd cm o t o ri ss e l e c t e da st h ea c t u a t o r ，p o s i t i o ns e os y s t e mw i t hf u l lc l o s e d l o o pi sd e s i g n e di nt h ep a p e r t h ec o n f i g u r a t i o na n dt h eb a s i cw o r kp r i n c i p l eo fb r u s h l e s sd cm o t o ra r ea n a l y z e d ，i t sm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ，t r a n s f e rf u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e df i r s t s e n s o r l e s sb a c k e m fz e r oc r o s s i n gd e t e c t i o na r e基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究d i s c u s s e d ，t h em e t h o do fl m sa d a p t i v en o i s ec o u n t e r a c t i o ni sp u t f b r w a r dt od e t e c tc o m m u t a t i n gs i g n a l so fb l d c mi sp r e s e n t e dw h i c hu s e st h ev o l t a g et od e t e c tt h ec o m m u t a t i n gp o s i t i o ns i g n a l st h u st h em o t e rw o r ke f i e c t i v e l yi nl o wr o t a t es p e e d m o t o rp o s i t i o n i i l gp r o b l e mi st h ef b c u so ft h i sr e s e a r c h m o t o rp o s i t i o n i n gp r o b l e mi st h ef b c u so ft h i sr e s e a r c h ，i t sf a s t ，h i g h p r e c i s i o ns e os y s t e m ，a sw e na ss t a b i l i t ya r et h ek e yp e r f o m a n c ei n d i c a t o r s s e v e r a la s p e c t sa r ed i s c u s s e d f i r s tf o rf a s tb a k e ，c o m p a r i s o na n da n a l y s i st h r o u g hs i m u l a t i o n ，s e l e c t i o no fr e g e n e r a t i v eb r a l ( i n ga n dr e v e r s eb r a k ec o m b i n a t i o no fw a y st od e a l lw i t ht h er a p i db r a l ( i n g ，t h i sw a sf o l l o w e db yt h ee s t a b l i s h m e n to fr a p i dr e s p o n s e ，a c c u r a t et a r g e tt r a c k i n gt h el o c a t i o no fa l l - d i g i t a ld o s e d - l o o ps e os y s t e m t bd r i v et h em o t o r ，b a s e do nt m s 3 2 0 l fd s p ，u s eo ft h eh a l lc u r r e n ta n dp o s i t i o ns e n s o r s ，o p t i c a le n c o d e rs i g n a la c q u i s i t i o nt oc u r r e n tl o c a t i o na n ds p e e do fc a l c u l a t i o n p i dc o n t r o li su s e do nc o n v e n t i o n a lm e t h o d ，b u ti ns o m eo c c a s i o n s ，c a n ts a t i s f yw i t ht h ea c c e s sc o n t r o lr e s u l t s c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e m ，i n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，t h ec u r r e n tr e g u l a t o rr i n gp ia l g o f i t h m ，t h es p e e dl o o pv a r i a b l es t m c t u r ec o n t r o lw i t hs l i d i n gm o d ea l g o r i t h m 7 r h e r ew i l lb er e a l - t i m es p e e dr e g u l a t i o na n de n s u r en oo v e r s h o o tr e s p o n s ei nt h ed y n a m i c s t a t ea n dn oe r r o ri nt h es t e a d y s t a t e t a k ei n t oa c c o u n tt h es p e e da n da c c u r a c y ，i n c r e a s ep o s i t i o nc o n t r o lc e n t r a lt oc o m p l e t et h ep r e c i s i o np o s i t i o n i n g，t h es y s t e mu s e sf u z z y p i基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究c o m b i n a t i o no fm e t h o d s ，t h ep o s i t i o ne r r o ri i lt h es t a g ew i t hf u z z ya l g o r i t h mr e g u l a t i o n ，e n a b l i n gt h es y s t e mt ot h ef a s t e s tr e d u c ee r r o r s ，i nt h ec a s eo fs m a l ld e v i a t i o n sb yp ia l g o r i t h ma l l o w st h es y s t e ms p e e dd e c r e a s e ss l o w l yt oc r e a t ec o n d i t i o n sf b ra c c u r a t ep a f k i n g i nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no nt h eb a s i so ft h ep a p e r t h eh a r d w a r e 锄ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r eo nr e s e a r c ha n dd e s i g n e d f o rt h ef i r s tp a r to ft h eo v e r a l ld e s i g n ，t h e nt h em a i nc i r c u i td e s i g ni i l c l u d i n gt h es e l e c t i o no ft h em a i nm o d u l ec o m p o n e n t sa n dp a r 矗m e t e r s s o f c w a r ei sm o d u l a fi nd e s i g n ，t h ep r o c e s so fs o f t w a r ei sd i s c u s s e da n da ut h em a j o rf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h ef l o wc h a r ti sm a p p e d f i n a l l y ，d os o m ee x p e r i m e n t so nr e a ls y s t e mp l a t f o m l ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r e s e n t e d k e y w o r d s ：s e os y s t e m ，b u s h l e s sd c ，p o s i t i o n i n g ，s i m u l a t i o n ，f u z z y p i ，d s pv东华大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：到数日期：如以年f 月8 日东华大学学位论文版权使用授权书学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本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和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本版权书。本学位论文属于不保密囹。学位论文作者签名：列瓤日期：护占年f 月g 日指剥币签名彦铘日期：尹口p 年乡月乡日。基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究1 1 伺服控制系统介绍第一章绪论伺服控制系统是以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统。主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制得非常灵活方便。最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，如数控机床、雷达导弹制导、机器人、激光加工、电动汽车等很多领域，采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：以小功率指令信号去控制大功率负载；在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。使输出机械位移精确地跟踪电信号。伺服系统按驱动元件物理性质分为气动伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。电气伺服系统根据电机类型的不同又可分为直流伺服系统、交流伺服系统和步进电机控制伺服系统n 1 。伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流( d c ) 伺服系统和交流( a c ) 伺服系统。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五十多年的发展历史，经历了三个主要发展阶段：第一个发展阶段( 2 0 世纪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( 2 0 世纪6 0 一7 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。基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究第三个发展阶段( 2 0 世纪8 0 年代至今) ，这一阶段是以机电一体化时代作为背景的，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。进入2 0 世纪8 0 年代后，随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，交流伺服控制技术的发展得以极大的迈进，使得先前困扰着交流伺服系统的电机控制复杂、调速性能差等问题取得了突破性的进展，交流伺服系统的性能日渐提高，价格趋于合理，使得交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是在高精度、高性能要求的伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统的一个发展趋势。1 2 交流伺服系统的发展和应用交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可以分为模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字式伺服；如果按照使用的伺服电动机的种类不同，又可分为两种：一种是用永磁同步伺服电动机构成的伺服系统，包括方波永磁同步电动机( 无刷直流电机) 伺服系统和正弦波永磁同步电动机伺服系统；另一种是用鼠笼型异步电动机构成的伺服系统。同步电动机在结构上要比异步电动机复杂，但比直流电动机简单。和同容量的直流电动机相比，它具有效率高、过载能力大、体积小、转动惯量小、省维护等优点，并且可以做到大容量、高转速和高电压。和异步电动机调速系统相比，它具有功率因数高、转子参数可测、效率高、定转子气隙大、控制性能好等方面的优势。特别对于低转速、负载不断冲击的机械。永磁同步伺服电动机伺服系统用于要求有良好的静态性能和高动态性能的伺服驱动中，如数控机床、机器人等。在性能上己经超过了直流伺服装置的性能，而且坚固性、可靠性方面比直流伺服装置优越。目前交流伺服系统大都采用硬件和软件结合的数字控制，采用数字信息交换和传送，可靠性好，温度漂移小，可靠性好，效率高，稳定性好，适合和上位机进行通讯，高性能的微处理器能采用复杂的控制策略和算法，使系统具有更高的性能和适应性。微处理器性能的提高促进了数字伺服系统的发展，随着d s p 技基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究术的发展，电机调速和控制更加简单方便。d s p 芯片可以提供更好的电机性能，较低的功耗，更高的可靠性，很强的实时运算性能。高精度、快速检测元件的发展对伺服系统的发展起了推波助澜的作用，发展高精度的速度和位置检测元件和实现无位置传感器检测可以克服因检测误差对控制器调节性能的影响，提高系统的控制精度。高精度的电机系统对速度控制和位置控制提出了很高的要求，相应地对传感器的要求提高。目前，传感器向小型化、低成本和高分辨率、多功能两个方向发展。因此，无传感器技术的研究在高速电机、微型电机的控制和一些特殊场合也具有重要的意义。对于电机控制系统，功率驱动技术至关重要。电力电子技术和功率半导体器件的发展对无刷直流电机控制技术的发展影响极大，它关系到电机的功率驱动。电力电子功率器件经历了从半控到全控阶段，从电流控制到电压控制，从几k h z 到5 0 0 l ( h z 以上的开关频率的变化；而电机的控制也相应从相控电流转变到脉宽调制技术。目前，大功率半导体器件又向集成化智能化方向发展。智能功率模块i p m 是向第四代功率集成电路p i c 的过渡产品，它不但，提供功率传输变换能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护电路，具有过流、短路、欠压与过热保护等功能。外界只需提供p w m 信号给智能功率模块，就可实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。由于采用了隔离技术，散热更均匀，体积更紧凑。采用l p m 作为功率变换装置，不但可以提高可靠性，而且系统的开发时间、开发费用都将大幅减少，为交流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。交流伺服控制器硬件环境的改善以及交流伺服电机结构和制造材料的改进为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了条件。在全数字控制方式下，伺服控制器实现了伺服控制的软件化，先进控制策略的提高促进了伺服系统的发展，这些先进的控制方法主要分以下几类：( 1 ) 自适应控制自适应控制能在系统运行过程中不断提取有关模型的信息，使模型逐渐完善，所以是参数变化影响的有利手段。应用于电机控制的自适应方法有模型参考自适应、参数辨识自适应校币控制以及新发展的各种非线性自适应控制。但所有辨识和校正都需要一个过程，所以对一些参数变化较快的系统，有时难产生较好的效果。( 2 ) 滑模变结构控制滑模变结构控制是变结构控制的一种控制策略，它于常基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究规控制的根本区别在于控制的不连续性，即一种使系统“结构”随时变化的开关特性。其主要特点是，根据被调量的偏差及其导数，有目的使系统沿设计好的“滑模”轨迹运动。这种滑动模态是可以设计的，且与系统的参数和扰动有关，因而使系统具有很强的鲁棒性。在过去1 0 多年里，将滑模变结构应用于交流传动一直是国内外学者的研究热点，己取得了一些有效的结果。但滑模变结构控制本质上的不连续开关特性使系统存在“抖震 问题，主要原因是：系统的惯性、切换开关的时间空间滞后及状态检测。另外，对于计算机的采样系统，当采样时间较长时，系统在“抖震”的准滑模轨迹线上达到稳定。( 3 ) 智能控制智能控制理论是自动控制学科发展里程中的一个崭新阶段，与传统的经典、现代控制方法相比，具有一系列独到之处。首先，它突破了传统控制理论中必须基于数学模型的框架，不依赖或不完全依赖控制对象的数学模型，只按实际效果进行控制。其次，继承了人脑的非线性，智能控制也具有非线性特征。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。利用智能控制的非线性、，变结构、自寻优等各种功能来克服交流伺服系统变参数的有模糊控制和神经网络控制，而且大多是在模型控制基础上增加了一定的智模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念的模糊性，使控制器能更逼真地模拟熟练操作人员和专家地控制经验与方法，它包括精确地模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。早期地模糊控制器只是取代p i d 控制为目的，鲁棒性有所加强，但一般模糊控制器没有积分作用，在传动系统有负载扰动时会出现静差，而增加了积分效应地模糊控制器，虽相当于变系数p i d 控制器，可以实现无静态误差控制，但是单纯地将一个简单地传统地模糊控制器用于高精度电机传动系统，还不能得到令人满意的性能。模糊控制系统只有与其他控制方法结合，才能获得优良的性能。神经网络控制在交流传动中的应用主要有下面几个方面：( 1 ) 由于实际的矢量控制效果对传动系统参数很敏感，将神经网络控制用于电机参数的在线辨识、跟踪，并对磁通及转速控制器进行自适应调整；( 2 ) 感应电机矢量控制需要知道转子磁通的瞬时幅值与位置，无速度传感器矢量控制还需要知道转速，神经网络被用来精确估计转子磁通幅值、位置及转速；( 3 ) 结合模型参考自适应控制，将神经网络控制器应用于自适应速度控制器啦。将各种智能算法应用于交流伺服系统中，可以使伺服控制器的响应速度、稳4基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平。虽然将智能控制用于传动系统的研究取得了一些成果，但智能控制主要凭借经验设计，仍有许多问题需要解决，比如对系统性能( 如稳定性和鲁棒性) 缺少客观的理论预见性，且设计一个系统需获取大量经验数据，使系统易产生振荡。1 3 课题研究意义随着工业技术的发展，伺服控制系统在许多工业控制领域如激光加工、机器人、精密机床雷达武器传动系统等取得了非常广泛的应用。尤其是交流伺服系统，随着功率电子技术、微电子技术的发展，交流伺服系统已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。永磁无刷直流电动机无刷直流电机是用电子换向代替传统的机械换向的一种新型机电一体化电机，性能上保持了普通直流电动机的优点，而又克服了其缺点。无刷自流电机通常采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又通常装在外面的定子上，热阻小、散热容易。因此，无刷自流电动机具有没有换向火花、电磁噪声小，并且体积小、重量轻、维护方便以及高效节能等一系列优点。经过几十年的发展，其它种类的电动机被其取代趋势不可避免。在高性能、高可靠性的场合已经取代直流电机，在高速度、高精度、高分辨率和高可靠性的数控机床伺服系统中，它的闭环系统已取代了步进电机。因此永磁无刷直流伺服控制系统在工业上具有很广阔的应用背景和研究意义。一些工业场合要求控制对象能高速定位，快速起停车，且定位要求精准。且要满足抗干扰能力、快速响应、稳定性好、负载能力强、工作频率范围大等伺服系统基本性能。要做到高速定位，需要对驱动器或运动控制器提供高速位置锁定输入，通过高速定位模块检测主轴的速度和位移，控制伺服轴的速度，完成主频主轴和伺服轴高速同步。这就需要合理地选择伺服电机、控制器、传感器，设计出好的控制算法。基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究1 4 课题研究工作本课题为基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究，主要完成闭环控制系统的构建和实现，主要任务有以下几个方面：1 、从无刷直流电机的工作原理和运行特性出发，详细研究了电机的起动和制动原理，并通过仿真实验确定了实现快速起动和定位的方法。对无位置传感器法进行分析，针对无刷电机低速不易检测反电动势的特点，采用自适应噪声抵消法进行换相位置检测。2 、根据实际情况制定总体设计方案，详细研究了转速、电流、位置各个环节控制器的设计和实现，用m a t l a b 进行了仿真。3 、利用d s p 丰富的片上资源和功能模块，对伺服控制系统各部分硬件设计进行详细阐述，根据硬件电路和控制策略编写控制软件。4 、在d s p 开发套件上完成实验，对运行结果进行分析。6基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究第二章永磁无刷直流伺服系统工作原理与特性分析在伺服系统控制中，需要对被控对象实现高精度的位置控制，而实现精确位置控制的一个基本条件是需要有高精度的执行机构。当脉冲当量和进给速度都要求太高时，传统的步进电机或直流伺服电机将面临一系列问题，且实现起来难度大，成本较高，而交流伺服电机传动技术却能以较低的成本获取极高的位置控制精度。直流无刷电机作为交流伺服电机的一种，既具备普通交流异步电机结构简单、易于控制、运行效率高、维护方便可靠等特点，还具有直流电机运行效率高、无励磁损耗、调速性能好等优点，在交流伺服领域得到广泛的应用。2 1 无刷直流电机的基本组成无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机主体包括定子和转子两部分。定子绕组一般为多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永磁材料按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ) 组成。当定子绕组某相通电时，电流产生的磁场和转子磁极磁场相互作用产生电磁转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置变换成电信号，控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。三相定子绕组与功率开关相连，各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号，但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置，是稀土永磁无刷直流电动机的关键部位。它对电动机转子位置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电动机定子各相绕组按照顺序导通，保证电动机连续工作。根据工作原理的不同，常见的传感器可分为磁敏式、光电式、电磁式、正7基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究余弦旋转变压器等几种形式。近年来出现的无位置传感器控制算法，利用电动机的电流电压等信号作为转子位置信号，该信号检测出来后，经数字电路处理，并送给逻辑开关电路去控制直流无刷电动机的换向。由于它省去了位置传感器，使得无刷电动机的结构更加紧凑，提高了系统的可靠性。2 2 无刷直流电机的工作原理如上介绍，直流无刷电机为了实现无电刷换向，把电枢绕组放在定子上。把永久磁钢放在定子上，仅这样还不行，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流电动机除了由定、转子组成电动机本体外，还需要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的电子换向装置来保证电机定子绕组准确地进行换向，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场在空间始终保持在9 0 0 左右的电角度n 1 。以三相两极无刷直流电机两相通电模式、导通1 2 0 0 电角度说明其工作原理。当转子处于图所示的位置时，功率开关t 1 、t 6 导通，电流从a 相绕组流入，b 相绕组流出，此时a 、b 两绕组电流产生的合成电枢磁动势f a 与转子磁场b r之间的夹角为1 2 0 0 电角度，两者互相作用产生电磁转矩，该转矩使转子逆时针方向旋转。随着转子的转动，转子磁场b r 与定子磁动势f a 之间的夹角逐渐减少。当转子磁极旋转到定子磁动势f a 与转子磁场b r 之间的夹角为6 0 0 电角度时，定子绕组开始换流，由t 1 、t 6 导通变为t 1 、t 2 导通，此时定子磁动势f a 跳跃前进6 0 0 变成中所示的位置，定子磁动势f a 与转子磁场b r 之问的夹角又变成1 2 0 0 ，依次类推，由位置传感器提供转子位置信号，每隔六分之一电周期，功率开关切换一次，使电机电流所产生的定子磁动势f a 跳跃前进6 0 0 ，进而使转子旋转起来。各功率管的导通顺序是t 6 t 1 t 1 t 2 t 2 t 3 t 3 t 4 t 4 t 5 - t 5 t 6 t 6 t 1 。8基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究图2 1 无刷直流电机工作原理图2 3 无刷直流电机的数学模型2 3 1 稳态特性与机械特性即0 )d忽略各种损耗，定子三相绕组的输入功率与产生的电磁转矩满足f ：。= e 。f 。+ e 6 + e 。f c = 2 e l 。，d = z 乙q 。( 2 一1 )乙z 恚= 半式中；巳、e 。是每相绕组的瞬时电动势；f 。、t 分别表示定子每相绕组的瞬时电流；e 。表示每相反电动势；，。表示逆变器直流侧的电流；q ；q 。肋为转子的电角速度。定子每相绕组的反电势证比于转子角速度，即e 。= k 。婶( 2 2 )基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究又u d = 2 ，l ，d + 2 e 1 ；2 厂l ，d + 2 j o q( 2 3 )= f 。4z p k 。d2k r dl z 一4 )将( 2 2 ) 、( 2 4 ) 代入( 2 3 ) 得她。警去一去乙。芝 1 一矗高卟十纠( 2 5 )其中，= 毫 为基准角速度，代表转子的理想空载转矩；瓦一巧等为基准转矩，代表转子的堵转转矩。由。丝，于是机械特性为6 0a 愕】6 ，其中t ；皇警为基准转速，代表转子的理想空载转速。对于p w m 薪波控制定子侧的平均电压乩；d( 2 7 )则。卜纠陋8 ，由上式表明，直流无刷电机的机械特性、调速性能和直流电机的十分相似，拷谏可d l 诵讨酌蛮盲流锕i l 输入由乐武老曲弯占牵比安调节摔制幛能电辑【5 1 2 3 2 动态模型无刷直流电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，所以通常采用的直、交轴坐标变换的分析方法就不适用了。既简单又比较准确的办法是直接利用永磁电动机本身的相变量来建立数学模型。假设磁路不饱和、不计涡流和磁滞损耗、三相绕组完全对称，三相绕组的电压平衡方程可以表示为：1 0基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究 荔 2 孳吾兰 匡 + 考兰錾】丢隆 + 臣 + 蓍三c 2 9 ，感；u 。、u 。为定子三相绕组相电压；、t 为定子三相绕组相电流；巳、e 。是定子三相绕组每相反电势；p 是微分算子。【三； 2 莒吾墨 差 + l 吾_ - l 呈l 丢 兰 + 三； + 蓍三 c 2 一，2 ，7 r2 丌图2 2 相电流和反电动势波形假设各组绕组对称，相应的时间常数忽略不计，三相星形无刷电机的动念特性及其拉普拉斯变换式可以由下面方程组来描述：基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究ud iml 等2 乙= q le c 。以j d ( s )1 r_ - _ _ _ _ _ _ _ 。一= 一u d g ) 一e g )乃+ 1l o ) ；c 。，d ( s )( s ) ；c 。忍o )乙一互一等警一砌= 等删( 2 1 3 )( 2 1 4 )( 2 1 5 )( 2 1 6 )其中：l 是电磁转矩，乃为电动机负载阻转矩，g d 2 为电动机转子的飞轮转矩。直流无刷电机的运行特性和直流电机相同，其传递函数结构框图如图2 4 旧。玑g图2 3 直流无刷电机动态结构图2 4 无刷直流电机无位置传感器检测技术s )在无刷直流电机伺服控制系统中，无位置传感器的位置检测是关键。无位置传感器具有体积小、精度高、可靠性好、易于维护等优点，在伺服系统中得到广泛的应用。常用的转子位置检测法有反电动势法、磁链估计法、卡尔曼滤波等等技术，比较成熟和常用的是反电动势检测技术。它是通过测量三相端电压，检测反电势过零点得到转子相位信号进行换相。但是在低速的情况下，由于噪声的干扰，反电动势的幅值相对于噪声信号小，不易检测出反电动势，从而引起电机失步。自适应噪声抵消法是以噪声干扰信号为处理对象，利用噪声信号和原始被测信号不相关的特点，自适应地调整滤波器的传递特性，将噪声干扰抑制或者非常大的衰减，提高信号传输中的信噪比。而自适应l m s 滤波算法计算简单，易于实时信号处理，运用广泛。用自适应噪声抵消技术的反电动势检测法，以中心点作为干扰信号，端电压作为带干扰信号的信号源，利用信号源和噪声干扰不相关基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究的特性，可提炼出反电动势而获得过零点进行位置检测口儿町b 1 。2 4 1 自适应噪声抵消法基本原理信号源被传送到信号传感器，会附加不相关的噪声，l ) ，合并的信号为) ， ) 一s ) + 咒( 七) 进入抵消器。噪声传感器的输出x ) 经参数可调的数字滤波器后送入抵消器产生的输出信号z ) ，根据两噪声信号相关和信号噪声独立的特性，利用自适应算法调节数字滤波器的参数，使得输出信号z ) 逼近信号源迭加的噪声刀 ) ，这样抵消器的输出信号e ( 七) 逼近被测信号5 ) 。如图2 5 所示：2 4 2 自适应滤波算法图2 4 自适廊抵消器原理图自适应滤波采用的最优准则有最小均方误差准则、最小二乘准则、最大信噪比准则、最大似然准则、统计检测准则以及一些改进的最优准则。这里可以采用最小均方差误差准则l m s 。l m s 算法是用瞬时功率梯度代替均方误差梯度矢量的方法，即讯) = 捌叫七) 器一狲m 七)1 7 )l m s 递归计算公式，即基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究w + 1 ) 2 心 ) + 2 胆 比 )( 2 一1 8 )迭代算法步骤如下：1 、初始化，选定初始权值w ) 。2 、计算k 时刻滤波器的输出为z ) 一w r h ) 。3 、抵消器误差输出e ) = ) ， ) 一z ( 七) 。4 、下一时刻权向量更新为w + 1 ) = w ) + 2 胆 讧 )5 、七；七+ 1 ，跳转到步骤2 ，重复迭代，直到算法收敛。算法稳定性取决于两个因素，自适应步长参数和自相关矩阵尺。算法收敛条件是o p 、，22“+“甜+一，。、墨比基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究令滑模变结构调节器的输出为：其中：“= 妒1 工1 + 妒2 工2叫麓二三4 3 控制系统仿真比较( 4 一1 3 )在速度一电流双闭环控制系统中，给定转速与速度反馈量形成偏差，经速度调节后产生电流参考量，它与电流反馈量的偏差经电流调节后形成p w m 占空比的控制量，实现电动机的速度控制。电流的采样由霍尔电流传感器经过运算放大进入控制器a d 转换模块。速度反馈则是通过光电编码器接控制器事件管理器的q e p 正交编码电路再通过计算得到的。霍尔位置传感器输出的位置量用于控制换相。具体框图见图3 一l 。应用m a t l a b 7 4 b l d c 建立仿真模型，电机参数为：额定功率1 k w ，额定电压5 0 0 v ，给定转速3 0 0 0 r p m 。图4 2 无刷直流电机伺服系统仿真如图4 2 采用速度坏p i 调节器控制，仿真结果图如下：4 500ss22xx，22口卢，j、【i2吵，坫ru 神耵f q 胜系统拄$ o 肚定位问题的究目43 电流反电动势波形烈炒只鼍昆鼍_ _ 攀凹44 转建响麻曲线若采川滑模变结构调仃法，j i j ( c = 1 ( ) ( ) ，转述、转碰仿真曲线如rrd s p 的1 4 雎系统拧【0 “m 的咒目4 6 转逑响戍曲线2幽47 转矩曲线2如图所知：电机启动时电流世速达到最大，然后稳定在】f 常值，3 突加负载转矩时， u 流通过小幅振荡稳定在新值。电磁转矩在电动机空载起动时达到最人值，在01 s 时加负载转矩，电磁转矩经过轻微振动达到稳态。电流和屯磁转矩成正比变化，且转矩脉动小，转矩控制性能良好。反 乜动势为梯形波。转速上升时间短，超调很小，加负载时，转速基本受十扰小，迅速饿复额定转速，动态眺能好。两仿真圈比较，引入滑模变结构控制片法，对逆变2 ；，f 关管直接控制，方法简单，易于实现，有着优良的抗摄动，抗f 扰的强鲁棒性特点，比p i 法具有盟优良的控制性能。仉魁滑模控制锌易m 现抖动现象，为了削弱抖动，使转静、p锅提高稳忐精度，u j 以存州模变 7 f j _ l 州市器1 对琢之- 引入秘分补偿环竹。基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究4 4 位置环设计及仿真在双闭环的基础上引入位置环形成三闭环数字伺服控制系统，电流环和速度环主要完成系统的快速响应和强抗性，是高性能伺服系统的根本，而位置环则完成系统的精准定位。当位置偏差大的情况下，希望提高响应速度，当位置偏差小的情况下，希望能消除稳态误差，使电机能准确停车“羽。这样使系统既能满足良好的动态性能又能消除稳态静差，满足快速准确定位的要求。模糊控制对无刷电机这样时变参数不定的数学模型有较好的适应性，将误差和误差变化量量化后形成模糊量的概念，将模糊近似推理后得到模糊控制量输出，然后经模糊决策判断，得到准确的控制量去执行动作。由于模糊控制是以误差和误差变化量为输入变量，类似于p d 控制器，难以消除静差，对系统很不适用。而p i 控制器可以消除稳态误差。将模糊控制和p i 控制两种方法结合起来，动态性能和稳态性能均能满足“州川。将位置控制设计成模糊p i 控制，在大偏差范围内采用模糊控制，小偏差采用p i 控制。p i 部分设计和电流转速类似，这里主要介绍模糊控制器的设计。运用m a t l a b 提供的模糊工具箱f u z z y t o o l b o x 可以进行模糊控制器的设计。模控制器输入、输出语言变量为e 、e c 和u ，代表位置偏差、偏差变化率和转速给定。输入对应的模糊集分为7 个级别 n b ，n m ，n s ，z 0 ，p s ，p m ，p b ，论域离散为【3 ，+ 3 】，选用三角形隶属度函数，根据性能要求和经验建立模糊控制规则表4 5 3 矧。硅jd 卯“m 掌镕控灶定位门趔的t 究表4 1 模糊规则嵌心n bn mn sz op sp mp bn bp bp bp bp bp sz on mp bp bp bp mp mz oz on sp bp mp mp sz on sn sz op mp mp sz on sn mn mp sp mp sz on sn mn mn bp mp sz on sh mn bn bn bz 0z 0n mn bn bn bn bh48 控制器输出隶屈度函数确定好规则表，编写个文件a a a m 中f u z z v vn s 导入f u z z yl 0 9 i c ，在s j m u l i n k 仿珏。p i 和模糊控制器丌天切换，转化的 训随线变化设定，全闭环系统仿真曲线h 如、，u p ，电流、述度h 、采川p l 控制，位胃环采i jp i f u z z v 控制器控制。毕fu s p 的f q 撇系统挡1 投定位目题臼勺宄酗49 转速响应仿真曲线崮3r 。l，r，：!1一i 冬 41 0 模糊p i 忙盖跟踪曲线厂_ _匕一j剀q 】l 常规p i 位肖趴踪曲线基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究转速响应曲线如图4 9 ，转速在到达给定位置前迅速下降，有小幅波动，然后稳定在零。位置跟踪仿真曲线如图4 1 0 和4 1 1 。常规p i 法动态响应超调较大，进入稳态时间也教长。而用f u z z y p i 的方式位置跟踪曲线动态响应基本无超调，很快进入稳态，且稳态误差很小。由此f u z z y p i 的设计系统性能较好，满足快速响应，无超调，无静差的性能要求，适合快速精准定位场合，但是p i和模糊控制切换时间很关键，需在不断调试过程中得到最优结果。4 5 小结分析和研究了无刷直流电机闭环伺服控制系统，完成电流环、转速环和位置环的设计。先进行双闭环设计，将电流环设计为p i 调节器控制，速度环为滑模变结构控制，具有对参数变化和外界扰动鲁棒等优点。然后针对无刷电机时变和非线性的特点及快速准确定位的特性要求，位置环调节采用模糊p i 控制，设计成三闭环伺服系统。并在理论分析基础上用s i m u l i n k 进行了仿真验证。5 l基于d s p 的伺服系统控制及定位问题的研究第五章伺服系统软件实现5 1d s p 软件开发特点t m s 3 2 0 c 2 4 0 7 的开发环境与一般微处理器类似，包括c 编译器、编程接口、c 汇编语言程序调试器、软件仿真器、实时操作系统以及应用软件等。d s p 的软件编程方式有3 种：第1 种是使用汇编语言编程；第2 种是使用c语言编程以及使用d s p 的c 语言优化器，将c 语言程序转换成汇编语言程序；第3 种是混合编程模式，是指程序中既有汇编程序代码又有c 语言程序代码。这里可以利用1 i 公司的d s p 软件开发平台c c s 中，提供了优化的c 编译器，可以对c 语言程序进行优化编译。支持a n s ic 标准，包含所有的库函数，普通目标文件格式( c o f f ) 在编写程序时采用代码和