（机械电子工程专业论文）基于motionchip的交流伺服控制器的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 随着电力电子技术、高性能数字信号处理器、控制理论和计算机辅助设计技术的发 展，交流伺服系统逐渐向全数字化、集成化、智能化、网络化发展0 锋文的目的在于： 基于一类新颖的专用伺服控制芯片m o t i o n c h i p ，进行交流伺服控制器理论和实践研究。 主要研究： 作如下： 确立了全数字交流伺服系统的控制结构。从分析水磁同步电机解耦矢量控制的数学 模型入手，讨论了位置环、速度环、电流环的控制方法，及影响控制效果的因素。接着 提出了一种基于二阶典型模型的p i 调节器参数计算方法，并对调节器参数整定方法作 了讨论。 分析了m o t i o n c h i p 在交流伺服控制器设计中的优点。据此提出了基于m o t i o n c h i p ， 采用三环调节、磁场定向矢量控制为控制方案的伺服控制器的总体功能及结构。 根据m o i i o n c h i p 和智能功率模块i p m 的结构及性能进行r 交流伺服控制器的硬件 设计。讨论了i p m 的使用方法及以m o t i o n c h i p 为核心的控制电路的组成。文中给出了 关键控制电路的原理图。 根据交流伺服系统控制策略和控制功能的需要进行了控制软件的设计。讨论了采用 中断和f e 务扫捕相结合的办法实现控制任务的调度和软件功能模块的分配。文中给出了 关键税序模块的流程图。 针对交流伺服控制器设计中的具体问题进行了可靠性分析，并给出了相应提高可靠 性的措施。 最后，对所设计的交流伺服控制器进行了实验，并对结果作了分析。结果达到了预 期的效果拗 i ?、 关键词：交流伺服控制器永磁同步电机m o t i o n c h i pp i 调节器回靠性p 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i cd e v i c et e c h n o l o g y , h i g hp e r l b r m a n c ed s p d i g i t a ls i g n a ll r o c e s s 0 0 ，c o n t r o lt h e o r ya n dc a d c o m p u t e ra i dd e s i g n ) t e c h n o l o g y , a c s e r v os y s t e mi ss t e a d i l ym o v i n gt o w a r d sf u l ld i g i t a l i z e d ，i n t e g r a t e d ，i n t e l l i g e n t ，n e tw o r k e d t h i sd i s s e r t a t i o nh a sd e v e l o p e dar e s e a r c ho nf l a i ld i g i t a la cs e r v od r i v e rb o t hi nt h e o r ya n d r e a l i z a t i o n ，b a s e do na k i n do fa d v a n c e dm o t o rc o n t r o lc h i p ，m o t i o n c h i p t h ew o r kc a l lb e s u m m a r i z e da sf o l l o w i n g s ： a tf i r s t ，t h ec o n t r o ls c h e m eo ft h el u l ld i g i t a ls e r v os y s t e mi ss e tu p b a s e do nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s m ( p e r m a n e n tm a g n e t i cs y n c h r o n o u sm o t o r ) ，t h ed e c o u p l i n g v e c t o rc o n t r o lm e t h o do fp m s mi si l l u s t r a t e d t h i sp a r ta l s oa n a l y z e sc u r r e n t ，s p e e d ，p o s i t i o n c o n t r o lm e t h o da n dt h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r s t h e n ，am e t h o dt oc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so fp i r e g u l a t o rf o ft h r e ec o n t r o ll o o p sb a s e do nt h es t a n d a r ds e c o n do r d e rt r a n s f e ff u n e t i o ni s p r e s e n t e d ，l a s t ，a d i u s t m e n to ft h ep a r a m e t e r so fp lr e g u l a t o ri sd i s c u s s e d t h ef e a t u r e so fm o t i o n c h i p 如ra cs e r v od r i v e ra r ea n a l y z e d i nt e r m so ft h ec o n t r o l s c h e m eo ft h r e ec o n t r o ll o o p sa n dd e c o u p l i n gv e c t o rc o n t r o lb a s e do nm o t i o n c h i p ，t h eb a s i c f u n c t i o n sa n ds t r u c t u r eb l o c kd i a g r a m 如ra cs e r v od r i v e ri sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r ea n dp e r l b r m a n c eo fm o t i o n c h i pa n di p m ( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ) ，h a r d w a r ed e s i g no fa cs c r v od r i v e ri si n t r o d u c e d a p p l i c a t i o no fi p ma n d c o m p o n e n t so fc o n t r o lb o a r da r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h ek e yc o n t r o ls c h e m a t i c sa r e p r e s e n t e d a c c o r d i n g t ot h ec o n t r o ls c h e m ea n df u n c t i o n so fa cs e r v od r i v e r , s o t l w a r eo fa cs c r v o d r i v e r si n t r o d u c e d r e a lt i m em i s s i o ns c h e d u l ea n ds o r w a r ef l a n c t i o nm o d u l e sa r ed i s c u s s e d i nd e t a i l t h ek e yp r o g r a ml l o w c h a r t sa r ep r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m si nd e s i g no fa cs e r v od r i v e r , t h ? r e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n d i m p r o v e m e n tm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , s o m ee x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e da n d t h er e s u l t sa r ea n a l y z e da c c o r d i n g l y k e y w o r d s ：a cs e r v od r i v e lp m s m ，m o t i o n c h i p ，p ir e g u l a t o r , r e l i a b i l i t y 鞋 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 交流伺服系统的特点及应用概述 伺服系统是自动控制系统中的一类。它与其他控制系统不同之处在于伺服系统是用 来控制被控对象的某种状态，使其能自动的、连续的、精确的复现输入信号的变化规律。 伺服系统是伴随着电的应用而发展起来的，最早出现于本世纪初，1 9 3 4 年第一次提出 了伺服机构( s e r v o m e c h a n i s m ) 这个浏4 1 。随着门动控制理论的发展，到本世纪中期， 伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并得到广泛的应用。近几年，随着控制技术、电力 电子技术和大规模集成电路技术的飞速发展，伺服系统更是广泛用于家电设备、机械制 造、冶金、化工设备、工业自动化、雷达、军事装置等各个领域。 机械制造行业中伺服系统用得最多、最广泛，如激光加工、数控机床、大规模集成 电路制造等。伺服系统控制机床的运动部分进行速度控制、运动轨迹控制和位置控制。 伺服系统不仅能完成转动控制、直线运动控制，而且能依靠多套伺服系统的配合，完成 复杂的空间曲线运动的控制，如仿形机床的控制、机器人手臂关节的运动控制等等。它 们可以完成的运动控制精度高、速度快，远非一般人工操作所能达到。 数控机床的控制系统包括数控系统( c n c ) 、伺服系统和检测系统。数控机床的伺 服系统是以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它接收数控系统插 补生成的进给指令，并将其变换为机床工作台的移动。它能够快速平滑调节运动速度， 并能够精确的进行位置控制。随着数控技术的不断发展，数控机床对进给伺服系统的要 求也越来越高，主要有以下几个方面【1 11 1 1 ： ( i ) 应具有足够宽的调速范围，通常要达到1 ：1 0 0 0 0 以上，才能满足低速加工和 高速返回运动的要求。 ( 2 ) 较高的位置分辨率和重复定位精度以及较高的调速精度和抗负载扰动能力， 以减少稳态误差和动态速降误差。 ( 3 ) 足够大的加( 减) 速力矩，为了快速移动机床拖板或满足重切削的需要，要 求伺服电动机能产生出足够大的力矩。 ( 4 ) 伺服驱动系统的动态响应要快，以使系统具有良好的动态跟随性，尽快消除 负载扰动对电机速度的影响。 ( 5 ) 伺服电动机的转子惯量要小，以提高伺服系统的加( 减) 速性能。 ( 6 ) 从低速到高速的整个调速范围内，应保持运行平滑，电动机的转矩脉动尽可 华中科技大学硕士学位论文 能要小，在运动中不产生脉动和过大的噪声；在停止时不产生爬行和高频振动。 ( 7 ) 与数控系统的接口应当简便。楚个伺服驱动装置必须能方便的接收来自上一 级控制器的指令，同时也必须将自身的运动状态送到上一级控制器。这样，在伺服电动 机和伺服驱动器、计算机数字控制系统之问，就存在着信号形式与强弱的显著差别，必 须通过接口联系起来，这就要求接口应该是简便易行的。 1 2 交流伺服的研究现状及发展趋势 1 2 1 与伺服系统发展有关的关键技术 当代伺服系统的飞速发展与电力电子技术、微电子技术、计算机技术、控制理论与 技术等进步息息相关。 ( 1 ) 电力电子技术的发展，使得伺服系统中的能量转换核心逆变桥的性能得 到很大提高【9 l 【”1 。 从最初的晶闸管到第二代的双极型电力晶体管g t r ( g i a n t t r a n s i s t o r ) 、电力场效 应晶体管m o s f e t ( m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 再到第三代的绝 缘栅极双极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ，功率半导体器件的性能 逐渐提高。如g t r 是全控型自关断元件，比晶闸管具有控制方便、导通电阻小、工作 频率高等优点。而m o s f e t 又具有比g t r 控制简单，是电压控制器件和具有安全工作 区大等优点。而i g b t 则集m o s f e t 的电压控制与g t r 的大电流、低导通电阻的特点 于一体。目前一般水平的i g b t 的开关频率在1 0 2 0 k h z ，比g t r 高一个数量级。电 压电流指标如浪涌电流限制、电阻阻断峰值、导通电流密度、门极驱动功耗等各项指标 均优于g t r 。另外，在耐压逐渐升高、电流逐渐加大的同时，导通压降也在不断降低。 单位面积的功耗也随之降低。这样，体积也得以缩小，损耗随之降低，效率随之提高。 并且随着功率半导体行业不断采用新的技术，这种发展趋势还会保持下去，成本也会继 续下降。 在开关元件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展。现在己可以做到使用一片 驱动电路，一个驱动电源就可驱动三相六个开关管。不必再为每个开关元件单独提供电 源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。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 ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 是向第 四代器件功率集成电路p i c ( p o w c ri n t c g r a t c dc i r c u i t ) 的过渡产品。它是微电子技术和电 力电子技术相结合的产物。它不但提供一定功率输出能力，而且具有逻辑、控制、检测、 2 华中科技大学硕士学位论文 保护和自诊断等功能。它内含驱动电路、保护e u 路，具有过流保护、短路保护、欠压保 护、过压保护和再生制动等功能。外界只需提供p w m 信号给智能功率模块，就可以实 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 加紧凑。不但提高了可靠性，而且系统的开发时间、开发费用都将大幅度减少，从而为 抢占市场创造了良好的先决条件。 ( 2 ) 微电子技术的发展促进了集成电路的进步，专门应用于电机控制的专用微处 理器也得到了大力发展h i i ”1 。 可靠性高、实时性好是对控制系统的基本要求。电机控制器从最初都是由采用分立 元件的模拟电路组成，而逐步转向采用集成电路甚至专用集成电路。这些电路大多为模 拟数字混合电路，既提高了可靠性、抗干扰性，又缩短了开发周期和研制费用，减4 , t 体积，因而发展很快。集成电路的出现大大地推动了电机控制行业的发展。以前电机控 制大多都是采用单片机来控制。应用较多的是8 0 9 6 系列单片机。但单片机的处理能力 有限，特别是采用现代电机控制算法的系统，由于需要处理的数据量大，实时性和精度 要求高，单片机往往不再能满足要求。近年来，各种集成化的单片d s p 的性能得到很大 提高，价格也不断下降。d s p 器件取代高档单片机的时机已经成熟。与单片机相比d s p 器件具有更高的集成度，更快的指令执行速度，更大容量的存储器和更丰富的外设接口。 有的片内还集成了a d 和采样保持电路，可提供p w m 输出。更为不同的是，指令系 统及结构上的差异使d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行速度快8 l o 倍。为了在电机 控制市场抢占份额，各大d s p 生产一商纷纷推出自己的内嵌式d s p 电机专用控制芯片。 如美国德州仪器公司推出的电机控制器专用d s p ，以1 6 位定点d s p 为核心，集成了一 个电机控制事件管理器，能以最佳方式实现对电机转向的电子控制。其他比较有名的研 制电机专用d s p 的公司有美国模拟设备( a d ) 公司，摩托罗拉公司( m o t o r o l a ) 和国家电 器公司( n e c ) 。采用基于d s p 的电机专用芯片的另一个好处是，可以降低对传感器等 外围器件的要求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于 专利技术的保密。 ( 3 ) 控制技术的发展是由微电子技术的发展不断促进的，从而使得电机控制技术 进一步向前发展【1 5 1 1 ”1 。 以异步电机控制为例，较早提出了矢量控制理论。这种理论的主要思想是将异步电 动机模拟成直流机，通过坐标变换的方法，分别控制励磁电流分量和转矩电流分量，从 而获得与直流电动机一样良好的动态调速特性。n 1 于矢景变换控制存在系统结构复杂、 非线性和电机参数变化影响系统性能等等问题。人们又提出了一种新的控制方法，即异 步电动机直接转矩控制系统。它不需要坐标变换，也不需要依赖转子数学模型。但是它 华中科技大学硕士学位论文 还存在低速时转矩观测器和转速波动等问题，还需要进一步研究。除此之外，基于现代 控制理论的滑模变结构控制技术、采用微分几何理论的非线性解耦控制、模型参考自适 应控制等等方法的引入，使系统性能得到了改善。但这些理论仍然建立在对象精确的数 学模型基础上，有的需要大量的传感器、观测器，因而结构复杂，有的仍无法摆脱非线 性和电机参数变化的影响，因而需进一步探讨解决上述问题。近年来，智能控制研究很 活跃，并在许多领域获得了应用。典型的如模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的 控制。比较成熟的是模糊控制，它具有不依赖被控对象精确的数学模型、能克服非线性 因素的影响、对调节对象的参数变化具有较强的鲁棒性等优点。模糊控制已在交直流调 速系统和伺服系统中取得了满意的效果。它的典型应用如：用于电机速度控制的模糊控 制器；模糊逻辑在电机模型及参数辨识中的应用；基于模糊逻辑的异步电动机效率优化 控制；基于模糊逻辑的智能逆变器的研究等等。另外，神经网络控制或专家系统在异步 电动机的直接转矩控制系统中的应用也在探讨中。 ( 4 ) 计算机辅助设计为电机控制算法的评估提供了一个方便有效的平 2 2 1 。 由于计算机和微电子技术的发展，现代计算机的功能越来越强大，速度越来越快。 为系统的设计和仿真提供的软件也越来越多。m a t l a b 就是一种功能强大的计算机辅 助设计软件，它的工具箱( t o o lb o x e s ) 含有很多可以直接调用的功能模块，因而成为 设计控制系统的得力助手。控制理论方面的一些新的想法，新的控制策略都可以先通过 m a t l a b 进行验证、修改。如s i m u l i n k 是m a t l a b 软件中的一个，它是非常友好的 图形界面仿真工具。m a t l a b 不仅提供纯数学形式的计算机仿真，而且也可以实现实 时在线仿真。在m a t l a b 中有一个r e a lt i m ew o r k s h o p ，它可以将s i m u l i n k 生成的控 制系统转化为c 语言的文件。将这个文件编译成可执行文件后，在独立的机器上运行( 在 d o s 环境下) ，通过适当的接1 7 1 卡，将计算机的信号输到合适的控制系统的执行部分， 就可以实现在线仿真。这样就可以减少重新编制控制算法的麻烦，缩短了研发周期。另 外，也可以自己开发一套控制系统，作为实验平台。通过c 语言编制的程序，直接调 用m a t l a b 中丰寓的控制工具，充分利用其工具箱，即达到实时仿真的目的又可以加 快开发过程。此外，还有一些软件，如m a t h e m a t i c a 、p s p i c e 等，都可以对设计控制系统 起到辅助作用。 1 2 2 交流伺服系统的发展趋势 伴随着电力电子技术、微电子技术、控制理论和计算机辅助设计的发展，伺服控制 系统有了如下新的发展趋势1 1 9 1 1 ”1 1 4 6 1 。 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 全数字化 以电机控制专用微处理器为核心的全数字伺服系统，是使控制系统软件化，即实现 多种不同的控制功能，甚至不同种类的伺服电动机也能用相同的硬件通过不同的软件进 行控制。全数字伺服系统的优点归纳如下： a 数字电路不存在温度漂移，也不存在参数的影响，稳定性好； b 伺服系统参数调整方便，用数据给定各种参数，运算精度仅受字长限制，其线 性度及可重复性高； c 可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，其中软件可以模块化设计， 拼装成适用于各种应用对象的控制算法，以满足不同的用途；软件模块化可以方便的增 加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新； d 伺服系统与上位机的信息双向递送能力大大增强； e 随着微处理器性能的不断提高，效果优良但算法复杂的控制策略可以用来改善 系统的性能； f 提高了信息存储、监控、诊断、调整以及分级控制能力，使系统趋于多功能化， 智能化。 ( 2 ) 硬件集成化 硬件集成化的一方面是使用功能强、性能优越的电机控制专用微处理器作为伺服系 统的核心，和以前模拟伺服系统相比，减少了很多元器件；另一方面是把控制、驱动和 保护功能的电路集成在一起，形成新型的智能功率器件，作为电机功率驱动器件。硬件 集成化，使得伺服系统的体积减小，重量减轻，功耗减少，平均无故障时间也长于分立 电子元器件组成的电路，从而大大提高了伺服系统的可靠性。 ( 3 ) 系统智能化 单纯依靠线性控制理论和经典反馈控制理论只能在一定范围内提高控制系统的鲁 棒性。现代控制理论的发展与应用，在一定程度一i - 弥补了经典控制理论对时变非线性系 统的不足，提出了自适应、变结构、鲁棒性等控制策略。然而这些控制系统的分析和设 计都是建立在系数精确的数学模型的基础上，对被控对象具有一定的依赖性，不能从根 本上解决复杂不确定性系统的控制问题。模糊控制、专家系统控制、自学习控制、神经 网络控制等理论的发展为智能利学提供了数学依据，为伺服系统的智能化提供了理论和 技术基础。 ( 4 ) 网络化 随着企业自动化的发展，网络技术已经渗透到生产的各个部门。对于伺服驱动系统， 网络技术将伺服驱动控制器、运动控制器和计算机通过网络连接，可以构成一个较为复 1 3 课题的目的和意义 由于交流伺服控制技术被广泛的应用于生产、生活的方方面面，特别是现在兴起的 全数字伺服技术，其研究和开发已经引起国内外的高度重视，国外一些数控厂家如 f a u n c 、三菱、安川、松下、k o l l m o r g e n 等已经先后推出了基于d s p 的高性能伺服控 制器；国内交流伺服系统从九十年代开始起步，产品为模拟式或数模混合式，近年来开 始研究全数字伺服系统，相对国外的发展要落后。 本课题旨在根据一类新颖的专用伺服控制芯片m o t i o n c h i p 研究和设计一个功能较 为完善的交流伺服控制器的原型。 1 4 本论文的主要研究内容 本课题选用了瑞士t e c h n o s o f t 公司开发的一种电机专用伺服控制芯片m o t i o n c h i p 作为伺服控制核心，设计了一种体积小，使用方便的交流伺服控制器。基于m o t i o n c h i p 完善的性能，本课题做了以下工作： ( 1 ) 从分析永磁同步电机矢量控制的数学模型入手，讨论了位置环、速度环、电 流环的控制方法，以及影响控制效果的因素。并且提出了一种基于二阶典型模型的p l 调节器参数计算方法； ( 2 ) 分析了m o t i o n c h i p 在交流伺服控制器设计中的优点。据此提出了基于 m o t i o n c h i p ，采用三环调节、磁场定向矢量控制为控制方案的伺服控制器总体功能及结 构； ( 3 ) 根据m o t i o n c h i p 和智能功率模块i p m 的结构及性能进行了交流伺服控制器 的硬件设计； ( 4 ) 根据交流伺服系统控制策略和控制功能的需要进行了控制软件的设计； ( 5 ) 针对交流伺服控制器设计中的具体问题进行了可靠性分析，并给出了相应提 高可靠性的措施； ( 6 ) 对所设计的交流伺服控制器进行实验，并对结果作了分析。 6 瓣 釜一 巍 华中科技大学硕士学位论文 2 交流伺服系统的控制原理及方案 2 1 永磁同步电机数学模型与控制原理 伺服系统中，作为伺服系统执行机构的伺服电动机，应尽可能体积小、重量轻、力 矩大，并以准确、快速的动作完成指令要求的任务。三相永磁同步伺服电机具有以下优 点： ( 1 ) 较高的功率密度； ( 2 ) 较高的转矩惯性比； ( 3 ) 体积小、重量轻； ( 4 ) 低惯性，能适应速度指令或位置指令的快速变化，转矩脉动小： ( 5 ) 无需维护。 所以，三相永磁同步伺服电机成为高性能交流伺服系统的最佳选择。本课题以三相 永磁同步伺服电机为控制对象，没计的交流伺服系统控制方案的结构框图如下所示： 图2 1 伺服系统控制结构框图 由上图可见，交流伺服系统采用位置、速度、电流三环调节和磁场定向矢量控制作 为控制方案。 位置控制环的作用是通过比较位置给定和电机的位置反馈，产生电机的速度指令并 使电机准确定位。 速度控制环则是比较位置环给定的速度指令和电机速度反馈，产生矢量控制中q 轴电流分量指令r ，其代表希b 机的转矩电流。所以速度环能使电机实际速度保持和 给定速度一致。 电流控制环包括q 轴和d 轴电流分量的调节环。q 轴电流分量代表电机转矩电流， 华中科技大学硕士学位论文 d 轴电流分量代表电机励磁电流。当采用磁场定向矢量控制进行电流控制时，应使 ，。t0 ，i q 则为电机速度环输出的转矩控制电流指令。因此，电流环能使电机输出转 矩跟踪给定转矩的变化。 2 1 1 永磁同步电机数学模型 永磁同步电机转子为隐极型( l = 。= l ) 时，得d 、q 坐标系上永磁同步电机的状态 针 ：r l 势p r o m 圳蟛 沪。 从上式可知，力矩电流分量f 。和电磁转矩成线性关系，而励磁电流分量屯和l 无 讣瞄笏一絮肛粉小瞄， c z 吲 8 华中科技大学硕士学位论文 此即永磁同，步电动机的解耦状态厅稚。 2 1 2 电流控制环 电流控制是交流伺服系统中的一个重要环节，它是提高伺服系统控制精度和响应速 度、改善控制性能的关键。交流伺服系统要求电流控制环节具有输出电流谐波分量小、 响应速度快等特点。与直流伺服系统的电流控制不同，在三相永磁同步电机伺服系统的 电流控制中，必须满足内环控制所需要的控制响应速度，能精确控制随转速变化的交流 电流频率。当电流频率较高时，电流控制所产生的跟踪滞后会变得十分明显，直接影响 电流的控制性能。因此，快速频率响应是电流控制的主要性能指标1 2 】。 下图是本课题电流环采用的电流控制方式示意图。 图2 2 直流电流控制方式 上图中g 0 为速度调节器，g ；为电流调节器。由图可知电流控制方式采用的是直流 电流控制。这种方式是指伺服系统强迫电机电流、f 。跟踪指令电流f + 。、f + 。，并且使 一f + d 一0 、f 。a f + 。，从而使f 。一p 。、a f + 。、f 。“p 。来实现电流的控制。 考虑到电流控制动态响应的快速性，电流控制器参数的确定，要考虑以下因素： ( 1 ) 由于电流控制存在相位延迟，因此，当输入三相正弦电流指令时，三相输出 电流在相位上将产生一定的滞后，同时在幅度上也会有所下降，由于这两个原因，一方 而破坏了电流矢量的解耦条件，另一方而降低了输转矩。为了克服这种影响，在对r b 流相位进行补偿的同时需要增大电流环的增益。 ( 2 ) 由于电流检测器件的漂移误差会引起转速的波动，若提高电流控制器的增益， 9 华中科技大学硕士学位论文 必然会放大漂移误差，对转速的控制精度产生不利的影响，故不能过分提高电流控制器 的增益。 ( 3 ) 考虑到电流控制环节的稳定性，也不宜过于增加电流控制器的增益。 ( 4 ) 过大的电流环控制增益还会产生较大的转矩脉动和磁场噪声。 因此，在进行电流环的设计时，采用开关频率高的电力电子器件，可提高逆变器的 变换频率。这样，既可降低逆变器变换延迟时问，又可提高电流控制环的增益，从而减 小控制引起的相位滞后，提高电流控制的精度，获得快速电流响应，提高伺服驱动系统 的控制性能。 另外，由于采用s p w m 控制方式时，为防止上、下桥臂直通短路而加入的死区时 间将妨碍提高电流控制精度，而纹波电流大小取决于载波频率的上限。因此，采用高性 能的电流检测器和提高s p w m 载波频率可作为提高电流控制环响应速度及提高闭环增 益的有效措施1 2 l 。 2 1 3 速度控制环 速度控制也是交流伺服系统中极为重要的一个环节。从广义上讲，速度伺服控制应 具有高精度、快速响应的特性。具体而言，反映为小的速度脉动、快的频率响应、宽的 调速范围等性能指标。为达到这一控制要求，一般应采用高频率、快响应且纹波小的速 度检测器，高性能电流检测器和较高开关频率的大功率电力电子器件。 对交流伺服系统速度控制的性能指标要求如下i ： ( 1 ) 频率响应为1 0 0 h z 以上； ( 2 ) 速度控制范围为1 ：1 0 0 0 0 以上； ( 3 ) 转速不均匀度小于6 。 2 1 3 1 速度控制环的基本结构 由于电机的电气时间常数要比机械时间常数小得多，而且电流环的闭环增益设计得 足够大时，电流环响应非常快。因此在研究速度环的响应特性时可以忽略电流环的过渡 时间，而认为电流响应始终和指令电流保持一致，由此可得简化的速度控制结构图如下 所示： l o 华中科技大学硕士学位论文 图2 3 速度控制环结构图 图中k ，1 分别为速度环p i 调节器的比例系数和积分项时间常数；砗一号p v ，为 电磁转矩系数。在电机负载转矩变化不大的情况下，单纯采用上图的速度控制结构就能 满足控制需要，但是当负载转矩变化较大，就必然会造成速度扰动。下面是误差的传递 函数： e ) = 珊( s ) 一m 岱) = m ) 一k ，( 1 + 嘉) 酶面1 m ( s ) + 去瓦p ) ( 2 4 ) 上式最后一项就是转矩扰动带来的误差项。改善上述情况的一个办法就是使用负载 转矩前馈补偿。其控制框图如下所示。 图2 4 带负载转矩前馈速度控制环结构图 图中的k r ( s ) 就是负载转矩的前馈传递函数。写出其误差的传递函数如下 e 岱) = m + p ) d k p ( 1 + 嘉) 。碍，面1w ( s ) + 面1 瓦( s ) 一坼( s i 峰+ 西1 瓦( s ) ( 2 5 ) 上式中只要使负载转矩的前馈传递函数酶( s ) 2 i 1 ，这样就可抵消负载转矩所产 生的误差项，即消除负载转矩变化对速度响应的影响。当仿真参数选取如下： f o - 3 0 0 r a d s ，k 。一0 8 3 ，i = 8 0 ，女0 1 1 3 n m a ，- 0 0 0 5 2 k , m 2 ， 华中科技大学硕士学位论文 瓦一5 0 s i n ( 5 0 0 t ) a r m 。 仿真波形如下面所示： 4 0 0 速 度3 0 0 导 2 0 0 v 1 0 0 0 速 度 一 暑 景 歹 、：，、：】a ：厂、：仓：，；：，气： 00 0 20 0 4n 0 6a 0 80 1 时间( s ) 图2 5 无负载转矩前馈的速度阶跃响应仿真波形 4 3 0 0 2 1 0 0 o 厂， | uu d z00 4l l u bu 0 8u 1 时间( s ) 图2 6 带负载转矩前馈的速度阶跃响应仿真波形 比较以上两图可以看出，负载转矩前馈能明显消除负载转矩变化对转速的影响。 在实际情况中，负载转矩较难直接测得。文献 2 4 】和【4 7 1 提出可以通过负载扰动观 测器估算出负载转矩，但负载扰动观测器所获得的负载转矩和实际负载转矩存在着一定 的误差，所以系统不可能实现完全负载扰动补偿。 一般情况下上面介绍的速度环控制结构就能满足速度控制的需要，但要想获得高精 度的速度控制，还需从多方面考虑。 2 1 3 2 速度控制环的高精度设计 伺服驱动系统的速度高精度特性，即指在要求的调速范围内，转速脉动要小于规定 的性能指标，该指标由转速不均匀度表示，也可表示成转速波动率 8 ：尘生1 0 0 ( 2 6 ) 一 式中a c o 。为转速波动，m 。= m 一m 。；m 。为实际平均转速；。h 为瞬时最小 华中科技大学硕士学位论文 转速值；m 。，为瞬时最大转速值。对于数控机床使用的伺服系统，转速波动率一般要 求不大于0 1 。 下面就转速波动的几个原因进行详细分析【2 i ： ( 1 ) 转速波动和转矩脉动的关系 高精度的交流伺服系统一般都要求高性能的电流控制，即提高电流控制响应速度和 改善电流波形，以得到高精度的转矩控制性能。若f i 考虑阻尼系数b 的影响，三相永磁 同步伺服电动机的机械运动方程式如下所示 j 盟。z - _ 正( 2 - - 7 ) 出 ”。 若考虑转矩脉动，经傅立叶变换分析，电动机转矩可看成是一直流分量l 和其 他谐波分量的叠加，即l 一瓦+ a t e 卜m 1 ，由此引起的转速脉动为m 。一m 。一，则 有 d q 竽e - j 一d t ，即哦。譬 ( 2 删 jj 式中，a t 为转矩脉动幅度，m ，为转矩脉动频率。由此可知，转矩脉动与转速波动 成线性关系。要减小转矩脉动，就要降低转矩脉动量a t ，同时提高转矩脉动的频率。 由三相永磁同步伺服电动机的原理可知，电磁转矩t 和电机电流成正比，只要使电 机电流恒定，就可以控制电磁转矩不变。然而实际上三相永磁同步伺服电动机电枢电流 受电动机机械结构、电流检测器的漂移误差、一相桥臂的功率器件死区时间以及开关频 率等因素影响，提高电流的控制精度就受到了限制。为降低电磁转矩的波动，一方面需 要减少三相永磁同步伺服电动机速度反电势的正弦波形畸变，以改善电机空间磁场的分 布；另一方i 面要减小电流检测的漂移误差，f 适当对该误差加以补偿。同时，采用高开 关频率的功率器件，提高电流的控制精度，减少引起转矩脉动的低次谐波电流分量，减 小转速脉动。 ( 2 ) 转速脉动和转速反馈的关系 转速反馈对转速脉动产生影响的两个因素，是转速采样时间引起的检测滞后和转速 检测的分辨率。其中转速检测时间引起的滞后过大会恶化驱动系统的动态性能，易使伺 服驱动系统在由高速切换到低速运动时产生振动现象。而转速检钡十的灵敏度对伺服驱动 系统在稳态运行的平稳性有着至关重要的作用。因此在高精度全数字伺服系统设计中， 应采用高分辨率的光电编码器，并减小检测信号的二f 扰以及检测延时。 ( 3 ) 转速脉动和速度控制器增益的关系 增大速度调：霄器的比例参数和减小积分参数都能降低转速脉动的变化尾，提高伺服 华中科技大学硕士学位论文 驱动系统的硬度，保证系统稳态及瞬态运行时的性能。但是在实际系统中，调节器的比 例参数和积分参数都不能过分大，过大的增益将引起整个伺服驱动系统振荡。解决这种 问题的一种办法就是根据速度响应变化的规律，采用模糊p i 控制，这样可以从一定程 度上改善速度响应的性能1 4 1 i 。 2 1 4 位置控制环 作为进给驱动用的交流伺服系统，在性能上有两方面的要求：一方面要有稳定平滑 的瞬态响应，另一方面要有较小的稳态位置跟踪误差和动态位置跟踪误差，以获得高精 度的位置控制性能。 ( 1 ) 稳态位置跟踪误差 稳态位置跟踪误差是高精度交流伺服系统的基本指标之一。由文献1 2 】可知，稳态 位置跟踪误差可表示为： s v k 。 ( 2 9 ) 其中，v 为速度变化量，k 。为位置环增益。 由上式可知，通常为了减小稳态位置跟踪误差，保证控制精度，应尽可能的提高伺 服系统的位置环增益。为了防止过高的位置环增益带来输出的剧烈变化，以及给机械负 载带来的较大冲击，则要选择尽可能低的进给速度。然而，这样却造成了高精度与高速 度的矛盾为此，可在伺服设计时采用具有两自由度控制特点的前馈复合控制器，来补 偿对速度输入的跟随误差，来兼顾定位精度和响应速度1 2 4 屯7 i 。 ( 2 ) 动态位置跟踪误差 由文献2 1 可知，在启动加速或减速过程巾，动态位置跟踪误差8 。可表示为 5d=vwc(2-10) 其中，v 为速度变化量：叫，为伺服系统开环对数频率特性的截止频率。 由上可知，可以通过提高速度环的截止频率来减少位置伺服系统动态位置跟踪误 差。 、 ( 3 ) 交流伺服系统位置控制的动态特性 为了满足位置跟踪特性，伺服电动机应有足够的加、减速转矩。但快速加、减速一 方面会给机械负载带来较大的冲击，另一方面易产生过电流，造成大功率晶体管损坏。 因此应在软什t 1 设置加、减速控制，f 限制输山的最大转矩。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 2 交流伺服系统调节器的设计 本课题设计的交流伺服系统采用三环调节器。通常计算调节器参数的算法都比较复 杂，本文提出一种计算较为简便的设计方法【2 射。 2 2 1 交流伺服控制器中调节器设计思想 按偏差的比例( p r o p o a i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 和微分( d e r i v a t i v e ) 进行控制的 调节器( 简称p i d 调节器) ，是应用最为广泛的一种调节器，其对一般的工业控制对 象进行控制时都能取得满意的效果。微分环节可以改善滞后系统的动态特性，但调节起 来较为麻烦，所以下面主要介绍p i 调：仃器在交流伺服控制器中的应用。 给出常用的数字p l 调节器的典型形式如下： f r ( z ) - k p + ! ：旨 ( 2 一1 1 ) 其中k 。为比例增益，k ；为积分项系数。 在调节器的设计中，如果假设下面情况： ( i ) 调节器的带宽远小于采样频率； ( 2 ) 每个控制环操作相对独立，也就是指外环带宽远小于内环带宽。 ( 3 ) 被控对象等效于一个一阶模型。 那么，采用p i 调节器的闭环控制系统就可等效于一个二阶模型： h ( j ) ，了j k ( 2 1 2 ) 1 s 2 + 2 言o s + o 其中亭为系统的阻尼系数，m 。为自然振荡频率。一般来说，选取阻尼系数亭，可参 照二阶模型几种典型响应情况： ( 1 ) 导= o 5 时，系统可获得较大的带宽，不过对于阶跃响应有着1 6 的超调； ( 2 ) 车= o 7 0 7 时，系统阶跃响应有4 的超调，过渡过程最抉，可获得最理想的动 态过程： ( 3 ) 车= i 时，系统可获得没有超调情况下的最侠响应。 阶跃响应仿真曲线如下图所示： 华中科技大学硕士学位论文 14 盟他 1 0 | 8 06 04 02 ”，r 7 7 ；：o 二哆一一 t ， ，；= 1 哆 7 设 1 6 华中科技大学硕士学位论文 调节器的参数的表达式； ( 4 ) 选择二阶系统期望的响应特性，并据此确定特性指标m 。和亭。 ( 5 ) 计算调节器的参数，j - i ) l 。估响应特性。 2 2 2 交流伺服控制器中调节器设计 2 2 2 1 电流调节器设计 对于一般的电机模型，可以由可变电压源供电的阻、感性电路等效公式描述： “尉+ 生+ e 出 ( 2 一1 3 ) 如果假设电机感应电势e 为一个扰动，则通过此电路的电流，被一个p i 调节器调节 的示意框图如下所示： 图2 - 8 电流环实现示意框图 图中为k 为正向比例系数，k t 为反馈比例系数。 对于一般电机，其电气时间常数为l 一去。为了更好的控制电机电流，选择采样 时间t t 三4 。 将p i 调节器变换为连续传递函数： 那) 一k + 争 阻、感电机等效模型变为 g r ( s ) = 西1 鬲 ( 2 一1 4 ) ( 2 15 ) 三p 华中科技大学硕士学位论文 则此时系统的传递函数模型为 图2 - - 9 电流环结构框图 求系统的闭环传递函数，得 忡而煮恙羔鬲 对比二阶标准型，可求出p i 调节器的计算公式如下 ( 2 1 6 ) _ 。等尹 。卅， k 。墨血 k k f 这些关系使闭环系统根据性能因素( ，亭) 分配了极点。另外，为了有一个稳定 的闭环系统，必须满足k 。0 。 考虑到电子系统比机械系统响应要快，并且振荡频率和系统响应时间成反比例，所 以电流环的振荡频率可如下估计：。；生，其中k 。为机械时间常数。同时，若电流 环的采样周期为瓦，这样由香农定理可知振荡频率的最大值为m 。，一鲁。对于这个原 理性的限制，在实际应用中， 1 可。 电流环应快速跟踪给定， 2 2 2 2 速度调节器设计 需要选择一个更小的振荡频率。为了简化计算，这里选取 所以亭应选取在0 7 0 7 左右。 速度调节器被用来调节机械系统速度跟踪外部参考输入的性能。下面的公式描述了 机械系统： 华中科技大学硕士学位论文 i ，等小瓦；掣。一t ( 2 - - 1 8 ) 这个系统可由下面的传递函数来描述 g a s ) = 面k t = ； ( 2 一1 9 ) 式中“一j o ，。通常，对于电子控制系统，电流内环的带宽较宽。如果电子系统 比机械系统快得多，可以认为在电机内的电流时刻跟踪电流参考的变化，电机是被电流 控制的。如果等效于一阶系统的速度环，其带宽小于电流环，那么这种假设是有效的。 一般情况下，应选择f d o ( s p e e d ) sf u o ( c u r r e n t ) o 1 。 对于速度控制，速度环工作在跟踪参考变化的情况下。为了使电机抵抗转矩扰动， 获得恒定、稳定的转速，最好的方法是使用