（电机与电器专业论文）基于dsp的永磁同步电机控制系统研究.pdf

a b s t r a c t w i t hp en 】【l a l l e n tm a g n e t i cm a t e r i a l s ，p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y a n dt h e d e v e l o p m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ，a cs e r v os y s t e m i sw i d e l yu s e di nc n c m a c h i n et 0 0 l s ，i n d u s t r i a lr o b o t s ，f a c t o r ya u t o m a t i o ne q u i p m e n t ，i t sp e r f o r m a n c e i nt n e h i g h e rd e m a n d a cs e r v os y s t e mc o m p a r e d w i t hd cs e r v os y s t e mh a si n c o m p a m b l e s u p e r i o r i t vo ft h es y s t e m ，t h e r e f o r e ，t os t u d ya n dm a n u f a c t u r e o fh i g hp e 哟彻a n c e ， h i g hr e l i a b i l i t ya c s e r v oc o n t r o ls y s t e mw i l lh a v eag r e a ts i g n i f i c a n c e - l nt h i sp a p e r ，t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a st h em a i nc h i p i t c o m p r e h e n s i v es t u d y f r o mt h et w oa s p e c t so ft h ec o n t r o lt h e o r y a n dp r a c t l c a i a p p l i c a t i o no ft 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 rr o t o rf i e l do r i e n t e dv e c t o f c o n t r o ls e r v os y s t e m f i r s ta n a l y s i so fp 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 rm a t h e m a t i c a lm o d e l ， d i s c u s s e di nd e t a i lt h ev o l t a g es 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 na n dv e c t o rc o n t r o l t h e o r y ，a n db r i e f l yd e s c r i b e d t h er o t o rf i e l do r i e n t e dc o n t r o lp m s m s e r v os y s t e m s e c 0 n dd e s i g n e dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 o fp e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r r o t o rf i e l do r i e n t e dv e c t o r ，a n do nt h i sb a s i s ，i n t r o d u c e d t h ed s po ft h es e r v oc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，t h ed e s i g no f 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 s e r v os y s t e m ，t h eb a s i cp r o c e d u r e s ，g d v e st h e f l o wc h a r to fm a i np r o g r a ma n ds o m es u b r o u t i n e s f i n a l ys t u d yo fb a s e do nr e p e a t i n gc o m p e n s a t i o np i dc o n t r o ls c h e m e i n t h i s p a p e r w eb r i n gf o r w a r dan e w c o n t r o ls t r u c t u r eb a s e d o i lr e p e a t i n gc o m p e n s a t i o nb y t a k i n ga d v a n t a g eo fr e p e a tc o m p e n s a t i o nc o n t r o la n dc o m b i n i n gt h ep i dc o n t r o l m e t h o d f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h ec o n t r o lm e t h o d i m p r o v e st h ee x c h a n g eo fs c i v os y s t e mt r a c k i n ga c c u r a c y ，s p e e du pi t s 佗s p o n s e s p e e d ，i m p r o v et h es y s t e mo fp e r i o d i ci n t e r f e r e n c e ，t h es y s t e mh a v e ah i g h e rc o n t r 0 i p e 饷咖a n c c t h e r e f o r e ，t h ef e a s i b i l i t yo fd e s i g nw a sf e a s i b i l i t y a s t h ep r e c l s l o n m a c h i n et o o l so f t e nd os o m er e p e a t i n gp r o c e s s ，w h e n t h ei n p u ts i g n a lo fe a c hd e g r e e o ff r e e d o mi sp e r i o d i cs i g n a l ，t h em e t h o dd i s c u s s e di n t h i sp a p e rh a saag o o d p r o s p e c ti nt h ef i e l do fp r e c i s i o nm a c h i n e t o o l s k e yw o r d s ：d s p ，p m s m ，f o e ，a c s e r v os y s t e m 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：雄 导师签名：孳犬鑫e t导师签名：墨垒垒 期：珏龟鏖笾2 厦 武汉理工人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 伺服系统属于自动控制系统中的一种随动系统，要求被控量能够以一定准确 度跟踪输入量的变化，常常被称为随动系统n 3 。它伴随现代电机的制造和驱动技 术最早出现于二十世纪初，一九三四年有人第一次提出了伺服机构( s e r v o m e c h a n is m ) 这个概念。 现代工业中伺服系统被广泛的应用于机器人、数控机床、包装、印刷、食品、 纺织、航空航天以及变频器等众多工业领域。随着各领域科技水平的飞速发展， 对伺服系统的要求也日益严格乜1 ，不同的应用环境对伺服系统的控制性能要求也 不尽相同。 按驱动电机的类型来分类的话交流伺服系统可分为两大类：感应式异步电动 机( i m ) 交流伺服系统和永磁同步电动机( s m ) 交流伺服系统。永磁同步电动机的优 点是显而易见的，如结构简单、体积小、损耗小；与感应式异步电动机相比，它 不需要无功励磁电流，因此功率因数高；与直流电机相比，它没有机械换相器和 电刷。 近年来，随着永磁材料性能的逐渐提高和完善，以及永磁电机研究开发经验 的逐步完善，电力电子技术及控制理论，微处理器等微电子技术的快速发展，软 件运算及处理能力的提高，特别是智能功率集成模块( i p m ) 和高速数字信号处理 器( d s p ) 的应用，使交流伺服系统实现模块化和全数字化，大大提高了系统的鲁 棒性、控制精度和控制性能。基于数字信号处理器的全数字化、高性能的p m s m ( 永 磁同步电机) 伺服系统已经成为非常重要的研究对象 。 由于伺服电机本身具有一定的非线性、强耦合性及时变性的特点，同时伺服 对象也可能存在较强的不确定性和非线性，系统运行时也会受到外界很多不同程 度的干扰，因此高性能伺服系统的控制要求用常规控制策略很难得到满足晦1 。为 此，如何结合利用控制理论的发展，在交流伺服系统中引进一些先进的复合型控 制策略以改进控制器性能是未来发展高性能永磁同步电机的交流伺服系统一个 重要的发展方向归。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 交流伺服系统国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 交流伺服系统国内外研究现状 早期对交流伺服系统的研究主要是固定频率供电情况下的永磁同步电机运 行状况，主要工作是有关稳态特性和直接起动性能的研究。v b h o n s i d d f n g e r 和m a r a h n m a n 等人在这些方面做了大量的研究工作1 。 1 9 8 0 年后出现了大量的论文研究永磁同步电动机的数学模型、稳态特性、 动态特性。随着对交流伺服系统的调速性能要求的提高，需要设计出高位置分 辨率，高定位精度，宽调速范围的永磁同步电机，g r s l e m d e o n 等人针对调速 系统快速动态性能和高效率的要求，针对性的提出了现代永磁同步电机的设计方 法n2 1 。d n a u n n i n 等成功的研制出了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了 单片机8 0 9 7 作为主控计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。8 0 年 代末，9 0 年代初b k b r o s e e 等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全 数字控制的高水平论文口1 。 最初永磁同步电动机矢量控制系统转速控制器大多采用比例积分( p i ) 控 制器。p i 控制器结构简单，性能良好，对被控制对象参数变化不敏感。1 9 9 1 年， r b s e p e 首次在转速控制器中采用了自校正控制。早期的自适应控制主要应用 于直流电机调速系统。台湾某知名大学教授刘亲云等首次将鲁棒控制理论应用 于永磁同步电动机伺服驱动。现代控制理论中的各种鲁棒控制技术应用到控制 系统中能够使系统在模型和参数发生变化时仍然保持良好的控制性能。因此，将 各种鲁棒控制技术应用到电机调速领域，可以大大提高调速系统各方面的性能。 到目前为止运用的比较成功的控制技术主要有：自适应控制、变结构控制、 参数辨识技术等哺1 。 交流伺服控制系统的研究工作国外始于7 0 年代，8 0 年代就开始进入实用阶 段，到9 0 年代技术趋于成熟，其中日本的三菱、三洋、松下电器、东芝、立石 电机、安川电机、p a n u c 公司，美国的a b b 公司、g e t t y s 公司，德国的s i e m e n s 公司的产品都已经达到比较高的实用水平n 引。我国在这些方面的研究工作起步还 是比较晚的，与西方发达国家还是有很大的差距。这些年我国在控制理论方面的 研究已取得了长足的进步，已缩小了和国外的差距，但是与国外同期产品相比， 在控制精度，调速范围等各项性能指标上还完全不可同日而语旧1 。目前，我国在 现代工业各个领域中所使用的交流伺服驱动控制器依然主要依赖进口，我们国家 在交流伺服系统控制器方面的研究工作任重而道远。依赖进口一方面会增加了我 国的生产成本，另一方面也限制我们国家在多个重要领域的进一步发展，特别是 2 武汉理工大学硕士学位论文 关系到国家主权以及经济命脉的行业。为此国家重点科研项目的名单上交流伺服 控制装置的研究多次在列，希望能在该领域尽快追赶甚至超越西方发达国家水 平。 1 2 2 交流伺服系统国内外发展趋势 现代交流伺服控制系统，正在经历从模拟到数字化的转变，数字控制已经 无处不在，比如换相、电流、转速和位置的控制；采用新型功率半导体器件、高 性能d s p 加f p g a 、以及伺服专用模块已非常常见【1 9 】。国际知名品牌企业伺服 产品每6 年就会更新换代，新的功率器件或模块每3 年也会更新一次，各方面的 功能都显著提高。新的软件算法也r 新月异，可见伺服产品的更新周期越来越短， 显示出日新月异的变化。总结国内外伺服产品企业以及各研究机构的研究方向， 可以看到一些最新发展趋势，总结为以下几点。 1 1 全数字化 几十年前以模拟电路为主的伺服控制单元己经被最新型高速微处理器和专 用数字信号处理器的伺服控制单元全面替代，从而实现了伺服系统的全数字化 设计1 1 0 。实现全数字化后就可以用软件伺服控制代替原有的硬件伺服控制模块， 这样在伺服系统中就可以引入现代最先进的控制理论( 如：重复控制、神经元网 络、最优控制、人工智能、模糊控制等) 。这对伺服系统的发展是具有划时代意 义。 2 ) 集成化和模块化 电机、反馈、控制、驱动和通讯的纵向集成一体化成为当前小功率伺服系统 的重要发展方向。有时称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机( s m a r t m o t o r ) ，把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器。电机、驱动和 控制的集成使伺服系统的整个研发过程都能更加紧密地联系在一起，成为真正意 义上的机电一体化产品。模块化是交流伺服系统发展的重要方向，模块化不仅 指伺服各个模块之间的集成化、模块化，而且指伺服驱动器内部硬件和软件的 模块化以及可重用性。 3 1 通用化 通用型驱动器配置应该在用户在不需要改变硬件配置的条件下，可以非常方 便的设置其的控制、闭环磁通的矢量控制、永磁无刷交流伺服电动机控制 以及再生单元等多种工作方式，适用于多种场合，可以驱动多种类型的电机，比 如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机和步进电机等1 1 ，也可以适应各种 不同类型的传感器。此外，通用型驱动器还可以使用本身配置的反馈构成半闭环 或闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置、速度、力矩等传感器构成高 精度全闭环控制系统。重复高精度控制、灰色比例积分微分控制等先进控制算 3 武汉理工大学硕士学位论文 法在提高控制系统稳定性、抗干扰能力以及智能性方面取得了较大的突破，但是 上述算法普遍比较复杂，而且各自都适用于一些特定的应用场合1 2 6 j 。 4 ) 信息化 近十年来网络技术的发展大家是有目共睹，世界从此就迈入了信息时代、 网络时代【1 2 l 。通信及网络技术的介入已经给交流伺服控制系统的发展开辟了新的 发展空间，带来了全新的研究方向。现代工业电机控制器中广泛应用高速的串行 通信技术，不仅减少了系统接线，还提高了传感器的反馈频率，并且使控制操 作和维护也变得更简单。 在西方发达国家，以工业局域网技术为基础的工厂自动化技术在最近十年 得到了空前的发展。最新的伺服系统都配置了如串行接口和c a n 总线等 通信接口来适应这一发展趋势。这些接口的增加显著的增强了伺服单元与其它 控制设备之间的通信协调能力，从而和其他系统的连接也由此变得比较简单， 只需要一根电缆或光缆就可以将数台甚至数十台伺服单元与计算机连接成庞大 的数控系统【1 3 】。实现远程网络化操作及故障诊断必须要有工业现场总线和互联 网技术的引入才能奠定了良好的基础。 我国交流伺服控制系统控制器的设计与研发还属于起步阶段，与国外知名 厂家的矢量控制永磁电机伺服系统的研究技术和产品还有不小的差距，这需要我 国从事伺服系统研发的技术人员更加的勤奋刻苦，奋起直追，渐渐缩小差距，最 终能追赶甚至超越西方发达国家的研究、设计以及生产水平。 1 3 本文的主要研究内容 本课题研究以一个工程项目为背景，在基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 核心的平台 上， 对永磁同步电机的结构、数学模型、控制策略以及控制系统的软、硬件的 设计等方面进行较为全面的分析与探讨，并进行相应的实验仿真，研制开发出一 套基于矢量控制的高精度永磁同步交流伺服驱动器。 整个论文的结构安排如下： 第1 章阐述本课题的目的和意义，介绍交流伺服系统的发展、研究现状以及 发展趋势。 第2 章论述永磁同步电机的结构特点、数学模型、论述矢量控制原理及其实 现方法。 第3 章首先对永磁同步电机驱动器的硬件系统进行功能规划，在此基础上设 计基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 的永磁同步电机转子磁场定向矢量控制伺服驱动系统 的硬件电路。 第4 章对整个系统的软件结构和程序设计进行分析，介绍基于d s p 的伺服控 4 武汉理工大学硕士学位论文 制系统软件开发的环境，并设计永磁同步电机矢量伺服系统的程序，给出主程序 和部分子程序的流程图。 第5 章研究一种基于重复补偿的p i d 控制方案，并建立此控制方案的仿真模 型。从仿真结果的分析可以看出，该控制方法提高交流伺服系统的跟踪精度，提 高了系统的抗周期性干扰能力，使系统获得较高的控制性能。 第6 章对本文做全面的总结，并指出一些有待继续深入研究的问题。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章永磁同步电机的结构模型和矢量控制原理 本章首先建立了永磁同步电机( p m s m ) 的数学模型，然后通过对其 坐标变换及电磁关系的分析，进而引出了电压空间矢量调制技术。最后根据永 磁同步电机矢量控制系统的原理框图，详细的阐述了矢量控制的基本原理。 2 1 永磁同步电机的结构及类型 2 1 1 永磁同步电机的结构 当前同步电动机在变频调速领域里占据非常重要的地位。同步电机中用永 磁体替代转子绕组来产生恒定磁场的结构使电机真正实现了无刷化，这种同步电 动机统称为永磁同步电机( p e 舢e n tm a n e ts y c l l r o n o u sm o t o r ，p m s m ) u 引。目 前，永磁同步电机用的较多的永磁材料是钕铁硼合金( n d f e ) 和衫钴合金 ( s m c o ) 。 永磁同步电机的绕组大多以y 型连接，其中三相绕组由铁心构成。在转子 结构上，为了省去了励磁线圈、滑环和电刷，永磁同步电机用永磁体取代电励 磁。永磁体具有高转矩惯量比、高气隙磁场密度等优点，因此被广泛应用于伺服 系统中。永磁同步电机可根据永磁体在转子上安装位置分为两大类：嵌入式和凸 极式【1 5 】。如图2 一l 所示。 a ：嵌入式b ：凸极式 图2 - 1 同步永磁电机转子结构图 2 1 2 永磁同步电机分类 永磁同步电机的分类方法很多。按转子上有无起动绕组，可分为异步起动永 6 武汉理工大学硕士学位论文 磁同步电动机和永磁同步电动机( 无起动绕组的电动机) 1 3 6 】；根据永磁铁的形 状的不同，可分为表面式和嵌入式；根据感应电动势的不同，将永磁同步电机 分为正弦波永磁同步电机和梯形波永磁同步电机，正弦波永磁同步电机称为永 磁同步电机；按工作主磁场方向不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式：按 电驱绕组位置不同，可分为内转子式和外转子式；根据极对数的不同，可分为 单极永磁同步电机和多极永磁同步电机；因为在控制上更接近于直流电机的控 制，梯形波永磁同步电机称为直流无刷电机。 由于永磁同步电动机中不含高次谐波，涡流以及其磁滞损耗较小，所以电 机效率会增加。永磁同步电动机不存在相间换流时的冲击电流，所以永磁同步电 动机产生的转矩脉动远低于永磁无刷直流电动机【1 6 1 。 2 2 永磁同步电机的数学模型 永磁同步电机的数学模型必须能够准确反映出被控系统的静态和动态特性， 因此数学模型的好坏是控制系统性能准确度的关键所在。为了简化分析过程， 可以忽略一些影响较小的参数，需作如下假设： ( 1 ) 忽略磁路涡流、饱和和磁组效应； ( 2 ) 忽略空间谐波，设三相绕组是对称的，且其产生的磁动势按正弦规律分 布： ( 3 ) 假设三相供电电压是平衡的； 本章中将要用到的主要符号： 材，u b ，u c ：定子三相电压的瞬时值：，i n ，芒：定子三相电流的瞬时值； 厶，厶：d - - q 坐标系下的自感；，：d - - q 坐标系下的电流； 妒，：永磁磁通；q ：皱一p o 电角速度； 0 ：a 轴与d 轴之间的电角度；p ：电机的极对数； 2 2 1 永磁同步电机的基本方程 机械角度和电角度是在电机控制建模过程中会涉及到的两个概念。机械角度 就是我们平时认为的实际位置对应的角度，众所周知，转子旋转一周为3 6 0 度机 械角度n7 1 。电角度则是与极对数成正比的转子旋转磁场的角度。电角度可由机械 角度和极对数推算出来： 见；既p ( 2 - 1 ) 式中：见为电角度，以为机械角度。 永磁同步电动机利用定子三相交流电流与永磁转子的磁场互相作用所产生 7 武汉理工大学硕士学位论文 的电磁转矩带动电动机转子转动。由电机知识知道， 关系如下： 刀：盟( ，m i n ) p 电机转速、频率及极对数的 ( 2 2 ) 式中：n 为同步转速，f 为定子电流频率。 图2 2 为有代表性的三相、二极的凸极式永磁同步电机等效结构示意图。 图2 - 2 三相两极永磁同步电机结构简图 由上图以及数学常识可知，永磁同步电机定子电压方程如下 驴疋+ 丢妒 驴足+ 丢妒 = 咫f c + 丢妒 式中：r 。为每相绕组电阻，妒一，妒b ，妒c 为三相绕组匝链的磁链。 磁链方程为 1 ，a = l o a + ma b i 8 + m a c i c + 1 l ，f 1 b = l b b i b 七m0 a + mb c i c + 叩f b 1 l ，cil c c i c + m c a i a + m c b i c + t i f c 由于三相绕组每相间的互感是对称的互为1 2 0 度，则有： 8 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 武汉理工大学硕士学位论文 m m 舳m 髓一帆c k c o s ；2 石) t 一三k 岛= 匕ak t k a k + 岛 式中：l s 为自感，l s 0 为互感，l s 。为漏磁通。 另外，永磁磁通对定子侧产生的磁链为： 1 ) f | 呻fc o s o 妒归= 妒，c o s ( 日一；石) 妒弦= 妒，c 0 s ( a + ；石) 由电机y 型接法，三相电流满足：+ + c 一0 将式( 2 - - 7 ) 、( 2 - - 6 ) 、( 2 - - 5 ) 代入式( 2 - - 4 ) 中，得磁链方程为 缈归一a 毒一m ) i 月+ 妒翻一l i a + 妒，c o s o ， 妒归一他一m ) i b + 妒m 一三i b + 缈，c 0 s ( 口一詈万) ， 妒声一他一膨) i c + 妒f c ；l i c + l f ，c o s ( 曰+ 詈万) 式中 l = l l s m l = 1 3 l s 。+ 岛。 把式( 2 - 8 ) 代入式( 2 - 3 ) 中可得电压方程为： 2 2 2 坐标变换 ；愿+ 三丢 u b 叫“缸 - 足f c + 三丢t 一妒f 鸭s i n 口 吨鸭s n ( 口号万) 一， 一妒，魄s i n ( 口+ 詈石) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 坐标变换，就是用一组新的变量代替方程中原来的那组变量。本永磁同步电 机控制系统用旋转坐标系代替原来的静止坐标系【1 引。 本文中永磁同步电机的矢量控制目的是为了改善本系统的控制性能，而达 到通过对定子电流( 交流量) 的控制来控制系统的目的。很显然，永磁同步电机定 子侧都是交流物理量，其空间矢量按照永磁同步电机的同步转速旋转，对这些 9 武汉理工大学硕士学位论文 交流量的控制调节以及计算都不会很方便。因此，本系统进行了坐标变换，使 难以控制的交流量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系而达到很好的控制性能。 如果从同步旋转坐标系进行观察，我们只要控制同步电机的静止矢量就可以很 好的控制永磁同步电机的交流量。 ( 1 ) 三相定子坐标系( a b ，c 坐标系) 分别以互差1 2 0 度空间电角度的三相交流电机绕组a ，b ，c 为轴线，这样 就能形成了一个a - b c 三相坐标系。 ( 2 ) 两相定子坐标系( q 6 坐标系) 由图2 3 可以看出，a b 坐标系是静止坐标系【5 1 。为了更好的实现矢量变换 的目的，我们设b 轴逆时针超前q 轴9 0 度空间电角度，而q 轴和三相定子坐标 系的a 轴重合。 其结构如图2 3 所示： b 图2 - - 3 三相和两组绕组各相的磁势图 1 ) c l a r k e 变换 c l a r k e 也叫3 2 变换，是用定子两相坐标系( 口一轴系) 的旋转矢量代替三相 定子坐标系( a b c 轴系) ，其反变换叫做c l a r k e 逆变换【1 9 1 。 根据矢量坐标变换原则，两者的磁动势应该完全等效，即合成磁势矢量分别 在两个坐标系坐标轴上的投影相等。 2 f a = 3 + n 3 i bc o s 亏万+ n 3 i cc o s ( 一雪石) ( 2 1 0 ) 2 = o + 3 s i n ；石+ 3 七s i n ( 一詈兀) ( 2 - 1 1 ) 因此。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 其中： 一 n 3 2 。瓦 乞 1 0 n 3 2 1一!一1 2 2 o 鱼一鱼 22 k kk 1一!一1 22 o 鱼一鱼 22 k kk 七 一c 3 ，： b 七 ( 2 1 2 ) 是三相坐标系变换到二相坐标系的变换阵。 由功率不变的变换原则，且c 3 ：c 3 ：一te ( 单位阵) ，得： 因此，c l a r k e 变换式为 其逆变换为 k k z c ：店 = 信 1 l一 2 o 鱼 2 l 压 n 35 瓦。、三 r 1 肿万 1 压 1 2 历 2 1 压 10 一1 声 4 2 1 4 3 1 22 2 1 4 3 1 22 4 2 匕 b 七 k 0 = c 3 ： = c 3 2 d 0 嵋 七 乞 0 l o ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 2 ) p a r k 变换 p a r k 变换是用两相旋转直角坐标系替代两相静止直角坐标系的转换。图2 4 武汉理工大学硕士学位论文 中表示的是定子电流矢量i 。在口一卢静止坐标系与旋转坐标系上的投影。图中， d 轴与口轴的夹角为0 ( o o 是初始角) ，且d q 坐标系是以角速度q 速度在旋转， 由于d q 坐标系是旋转的，0 随时间在变化，因此口= q t + o o 。 ，s 图2 - 4 定子电流矢量在固定坐标系和旋转坐标系上的投影图 由图2 4 可知： i di i o c o s o + i bs i n o i q = 一i o s i n 0 + i b c o s o c o s 0s i n 00 s i n 0c o s 00 001 ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) f l 拭( 2 1 9 ) 和( 2 2 0 ) 得o a b c 坐标系到两相o d q 旋转坐标系的变换矩阵c ：，： q ，一厉 其逆矩阵为： c 。s 8 c o s ( 口一詈万) c 。s ( 口+ ；刀) - s i n 0 一s i n ( o - ；石) 一s i n ( 口+ 詈石) 111 压压压 ( 2 2 1 ) 磊 瞄 00 一 + p 臼 s i曩 b 0 i 曩 k _ 得可式 上 由 皇 1_-l-_-i_j b0ku i=hh 式形阵矩成写可式 匕 武汉理工大学硕士学位论文 r 。厨 l 2 3 一7 3 c o s 0一s i n o乍1 2 酬p ) - s ；n ( o - 扣疆1 唧+ 扣“邶+ 扣忑1 最终我们可求得电压转换矩阵： 黔ua c o s o s i n 0 c o s ( 日一；万) 一s i n ( o - 詈万) c 。s ( 日+ 詈万) 一s i n ( 口+ ；石) 2 2 3 d - q 坐标系下的p m s m 模型 1 压 1 压 1 压 当忽略电机磁路饱和影响的时候，有 1 l ，d | l d i d + t l ，f 1 l ，。ll d i d 电磁转矩方程为： z 。ip d 一缈。) = p 眇，+ ( 厶一厶) 屯】 其中妒，是永磁体基波励磁磁场过定子绕组的磁链。 令定子电流空间向量表示为，且其与d 轴夹角为，则 一i s e o s ， l 一s i n , a ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 乙= p 眇加i n j o + 三( 厶一z q ) q s i n 2 卢】( 2 - 2 8 ) 将( 2 2 7 ) 代入( 2 - 2 6 ) 得 从上式可以看出，电动机的电磁转矩取决于电动机的正交定、转子电流。矢 量控制方法的实质就是利用电动机正交电流来对电动机进行控制。 2 3 电压空间矢量脉宽调制 现代工业中应用最为普遍的是正弦脉宽调制( s p w m ) 和电压空间矢量脉宽 调制( s v p w m ) ，其中脉宽调制( p w m ) 技术是变频调速电机的运动控制中的核心 技术【加1 。和s p w m 相比，由于s v p w m 具有较低的高次谐波、电压利用率高和 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 易于数字化实现等优点，所以越来越受到人们的重视，被认为是比较理想的调制 技术。 空间电压矢量脉宽调制s v p l | | m 的英文全称为s p a c ev e c t o rp u l s e - w i d t h m o d u l a t i o n ，实际上对应于交流感应电机或永磁同步电机中的三相电压源逆变 器的功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，这种开关触发顺 序和组合将在定子线圈中产生三相互差1 2 0 。电角度的正弦波电流呦1 。 w w 图2 5 三相电压逆变器结构图 s v p w m 是通过三相交流逆变桥的6 个开关的不同导通组合模式来合成在实 际允许范围内矢量，且可以通过导通时间的大小，来控制矢量的大小【2 2 1 。如上 图所示为一种典型的三相电压源逆变器的结构。定义第一、第二和第三个半桥 中上下桥臂的导通状态对应于a 、b 、c 三个状态。当a = l 时，第一个半桥的上桥 臂就导通，而下桥臂截止；a = o 时状态刚好相反。b 、c 的工作原理相同。因为 三相电压源逆变器在实际工作时同一组桥臂不允许同时导通，v ( a ，b ，即有 v ( 1 1 1 ) ，v ( 1 1 0 ) ，v ( 1 0 1 ) ，v ( 1 0 0 ) ，v ( 0 1 1 ) ，v ( 0 1 0 ) ，v ( 0 0 1 ) ，v ( o o o ) 等8 种导通状态。 相电压输出用开关状态则表示为( u 为直流母线电压) ： 小u 211 121 - 1一l2 1 4 ( 2 2 9 ) 武汉理工大学硕士学位论文 用开关状态表示线电压t 乩， u 。l 1 1 - 10 l 。u 101 1 l l 一1o1 表2 - 1开关状态与相电压和线电压的对应关系 ( 2 3 0 ) abc u u u 。 u wu u vu v wu 伽 oo0oo000o 10o2 u 3u 3u | 3uou 11ou 3u | 32 u 30uu o 1om | 32 u 3u 3uu0 0112 u 3u 3u | 3uou o01u 3m | 32 u 30uu 101u | 32 u 3u | 3uuo 11100000o 由c l a r k e 变换式知： 阶店 1一!一1 22 o 鱼一笪 22 根据上述方程可得各相电压，可得表2 2 。 乩 u 。 u 。 表2 2 开关状态与相电压在qb 坐标系下对应关系 ( 2 - 3 1 ) uvw 眈 u 6 电压矢量 00000 o 01 u 3一u | 矗 u o10m 3u | 矗 o 112 u 3o 虬 1002 u 30以 l01u 3一u | 瓜 也 1 10u 3u | 矗 饥 11100玑 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 根据开关状态可以确定八个电压矢量，如图2 - 6 所示： 嵋( o l1 ) v , ( o o o v , 0 0 1 ) 0 0 0 ) 图2 6 基本电压空间矢量图 如图2 6 所示非零的基本电压空间矢量一共只有六个，为了获得尽可能多的 多边形旋转磁场，需要用六个非零的基本电压空间矢量及两个零向量的线性时间 的组合来得到更多的开关状态，从而通过组合来合成理想的空间矢量。所有区 间的向量都可使用它邻近的两个基本向量来进行合成，可以通过占空比来调节 基本向量的大小，向量在该方向上的大小可以通过在采样周期内导通时间来调 制【2 1 1 。 2 4 永磁同步电机矢量控制原理 永磁同步电机应用矢量变换控制的目的是将永磁同步电机的控制可以近似 的模拟为他励直流电动机，其基本思想是控制定子电流幅值以及定子磁动势相对 励磁磁动势的空间角度( 定子电流空间矢量的相位) 。实际上是通过对电机外部的 控制系统来控制电机比2 1 。这种所谓的“矢量控制 实际上这是对定子电流 空间矢量的相位和幅值的控制。当然矢量控制还可被称为磁场定向控制( f o c ) 。 矢量控制就是引入了空间矢量和矢量变换的方法，将电动机的定子电流进行解 耦，从而达到解耦控制的目的。 永磁同步电机的数学模型是一个多变量、强耦合以及非线性的系统，通过坐 标变换，可以使之降阶并解藕硷，但这并没有改变它非线性、多变量的本质，究 其根本原因在于仍采用单变量系统的控制思想，而没有从根本上解决非线性、多 变量的特殊问题乜制。为使三相永磁同步伺服电动机具有高性能的控制特性，采用 矢量变换进行线形解耦，得到了三相永磁同步伺服电动机线性化的数学模型。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 由于永磁同步电机的数学模型是建立在旋转坐标系上的，故其矢量控制是按 转子磁场进行定向。三相永磁同步电机转子磁场定向矢量控制系统框图如图2 7 所示。 图2 7 永磁同步电机矢量控制原理框图 如图2 7 所示，通过光电编码器检测转子位置为交流伺服系统提供转角信 号。再根据磁势和功率不变的原则进行c l a r k e 变换和p a r k 变换。这样电流被分 解为艺( 励磁分量) ，t ( 转矩分量) 瞄1 。控制器控制f ，相当于控制磁通及转矩， 从而实现对其速度电流环的控制。为达到矢量控制的目的，我们第一步是将经过 p i 调节后输出的u 。和“。分量做p a r k 逆变换，第二部将变换到a 一声坐标系上而 得到“。和u 。分量根据s v p w m 的合成方法来合成所需的矢量控制量汹1 。 从以上论述可以看出，为实现了矢量变换控制算法，首先必须通过以上的一 系列矢量变换，然后再经过s v p 嘲算法算出三相交流电压正确的输出值，再通过 逆变器加载到三相电动机上，最后就合成了三相电动机的控制电压。 2 5本章小结 本章的主要内容是介绍交流永磁同步电机的数学模型，并在此基础上详细 地论述了基于转子磁场定的永磁同步电机的矢量控制原理，电压空间矢量脉宽调 制( s v p 删) 技术。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章永磁同步电机伺服系统硬件设计 3 1 三相交流伺服电机技术参数 本交流伺服系统所使用的交流永磁同步电机的具体参数如下所示： 电机型号：1 3 0 l m i o n s 额定转速：2 0 0 0 r p m 额定电流：2 5 a 额定功率：0 4 k w 额定转矩：5 8 n m 转子惯量：9 2 1 0 k g m 2 机械时间常数：1 2 6 m s 内置光电编码器：1 0 0 0 1 i n e r 3 2 主控芯片简介 t m s 3 2 0 系列有：定点、浮点、多处理器数字信号处理器和定点d s p 控制器。 t m s 3 2 0 系列d s p 专为实时信号处理而设计，该系列的d s p 控制器将实时处理能 力和控铝j 。v , 力器外设功能集合与一身。t m s 3 2 0 系列为控制系统提供了一个理想 的解决方案。t m s 3 2 0 系列能成为很多信号处理及控制应用的理想选择是由于以 下几点1 ： 灵活的指令集 内部操作的灵活性 运算能力的高速性 改进的并行结构 有效的成本 目前t i 公司主要推出的d s p 有：定点系列t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 ，浮 点系列t m s 3 2 0 c 6 0 0 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 是美国德州仪器公司推出的一款高性能的专 门用于电机控制的芯片啪3 。在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x d s p 有 以下一些优点： 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的 功耗；3 0 m i p s 的执行速度提高了控制器的实时控制能力。 基于t m s 3 2 0 c 2 x x d s p 的c p u 核，保证了t m s 3 2 0 系列代码的兼容性。 可扩展的外部存储器总共1 9 2 k 字空间；6 4 k 字程序存储器空间；6 4 k 字 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 数据存储器空间；6 4 k 字i 0 口寻址空间。 l o 位a d 转换器，可选择由两个时间管理器来触发两通道8 位a d 转换 器或一个1 6 通道输入的a d 转换器。 基于锁相环的时钟发生器。 片内有3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，1 5 k 的r a m ，5 4 4 字的双口r a n ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a i 洲) 。 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器；8 个1 6 位的p w m 通道。 看门狗定时器模块( w d t ) 。 控制器局域网络( c a n ) 2 0 模块。 串行通讯接口( s c i ) 模块。 4 0 个可编程或复用的通用输入输出引脚。 5 个外部中断。 电源管理包括3 种低功耗模式，能独立地将外设器件转入低功耗工作模 式7 1 。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 是基于3 2 0 c z x l p 内核。c z x l p 有一个中心算术逻辑单元 ( c a l u ) 和3 2 一b i t 的累加器( a c c ) ，其内核有4 级流水线，工作频率在4 0 m h z 。a c c 的其他输入包括1 6 一b i t 的乘法器，软件可以通过进位位旋转a c c 的内容，来实 现位操作。j t a g 在线仿真功能是t l c s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 一个方便在线调试的基本功 能。 3 3 硬件总体框架设计 t i 公司生产的t m s 3 2 0 2 4 x 系列d s p 是专门针对电机控制应用的数字信号处 理芯片。d s p 是( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的英文缩写，即数字信号处理器， 是一种适于处理高速数字信号运算的微处理器，芯片内部采用哈佛总线结构，具 有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，相比于其它处理器拥有更快的运算速度 和更高的运算精度啪，。 系统硬件包括以下几个部分：d s p 及其外围电路，i p m 模块及其隔离电路， 系统的主供电与开关电源电路，位置与速度传感器信号处理电路，电流采样与处 理电路，主电路保护电路，故障信号处理电路等。 本文的硬件结构如图