（电力电子与电力传动专业论文）全数字交流伺服驱动装置的开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n t so fh i g hp e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( o s p ) a n dp o w e r e l e c t r o n i c s d e v i c e sh a v em a d et h ea cs e r v os y s t e mt or e a l i z ef u l ld i g i t a l i z e d t h u s t h es c i v os y s t e mc a ng e th i g h p r e c i s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t ya n de x c e l l e n tf l e x i b i l i t y f u l ld i g i t a lc a na l s or e a l i z es o f t w a r es e r v o t h i s d 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 nt h ef u l ld i g i t a ls c w os y s t e mb o t hi nt h e o r ya n de x p e r i m e n t s t h ew o r kc a nb es u m m a r i z e da sf o i l o w i n g a tf i r s t ，t h ec o n t r o ls c h e m eo ft h ef u l l d i g i t a l s e r v os y s t e mi ss e t u p b a s e d o 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 gc o n t r o l m e t h o d so fv o l t a g ef e e d f o r w a r da n dc u r r e n tf e e d b a c ka r ei l l u s t r a t e da n dc o m p a r e d t h i sp a r ta l s o a n a l y z e st w o c u r r e n tc o n t r o lm e t h o d s ：d i r e c tc u r r e n tc o n t r o la n da l t e m a t ec u r r e n t sc o n t r o l ，t h ef o r m e r i sf i n a l l yc h o s e na si tc a n g e tl i n e a rc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，t h er e a l - t i m ep w m ( p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ) t e c h n i q u e s s u c h a s h y s t e r e s i sm e t h o d ，s u b h a r m o n i ca n ds p a c e v e c t o rm o d u l a t i o na r es t u d i e d s u b h a r m o n i cm e t h o di sc h o s e na si th a sf i x e ds w i t c h i n gf r e q u e n c ya n dn e e d n tc o m p l e xc a l c u l a t i o n w h e nt h es y s t e mp a r a m e t e r sc h a n g eo rl o a dd i s t u r b a n c eh a p p e n si np r a c t i c a la p p l i a n c e ，t h e c o n t r o l l e rp a r a m e t e r sm u s tb et u n e dt oa v o i du n d e s i r a b l ep e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，t h r e es o l u t i o n s a r ep r o p o s e d ：t h ei m p r o v e dp ic o n t r o lu s ev a r i a b l e - s t r u c t u r ei d e at od y n a m i c a l l y c h a n g et h ec o n t r o l l e r t y p e ；t h es e l f - s e a r c h i n go p t i m u mp a r a m e t e r s c o n t r o lm e t h o dc a nf i n d a p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s a u t o m a t i c a l l yt h r o u g hr e a l - t i m ec o m p u t i n go fac o s tf u n c t i o n ；t h es e l f - t u n i n gc o n t r o l l e rb a s e do n i d e n t i f i c a t i o no fl o a di n e r t i ac a nd i s c e mt h ev a r i a t i o no f t h el o a di n e r t i aa n dc a l c u l a t et h en e w j n e r t i a ， t h e ni tf i n d sas e to fs u i t a b l ep a r a m e t e r sb yl o o k i n gu pat a b l e s i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e da n dt h e r e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v i t yo f t h e s ec o n t r o la l g o r i t h m s t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e f u l l yd i g i t a l s e r v o s y s t e mb a s e do nh i g h p e r f o r m a n c em o t o rc o n t r o lp r o c e s s o ra d m c 4 0 1i sd i s c u s s e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fa d m c 4 0 1 ，s p e c i f i cd e s i g n so fs o f t w a r ea n dp r o g r a mf l o w c h a r t sa r e p r e s e n t e d 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 dt 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 a s u m m e r y o f w h o l et e x ti sg i v e ni nt h ee n d k e yw o r d s ：a cs e r v os y s t e mp m s ma d m c 4 0 1p w m s e l f - t u n i n g i i l ，l ；k 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 1 绪论 交流伺服系统广泛应用于工业生产的各个领域，数控机床的进给驱动和工业机 器人的伺服驱动是其典型应用。特别是集高精度、商效率、高柔性于一体的数控机 床作为机械工业的加工母机，在国民经济的发展中占有极其重要的地位。数控机床 的电气电子系统主要由计算机数控系统( c n c ) 系统、进给伺服驱动系统和主轴驱 动系统组成。根据数控系统发出的命令要求，伺服系统准确而快速地完成各坐标轴 地进给运动，与主轴驱动配合，实现对工件的高精度加工，它的性能对零件的加工 精度和加工效率都有重要的影响。一个高性能的数控系统只有配置与之相适应的高 性能进给伺服系统，才能正常发挥整个数控机床的性能。因此，研究和开发高性能 的伺服系统，是现代数控机床的关键技术之。 随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的发展， 交流伺服系统已经取代了直流伺服系统：高性能微处理器的迅速发展，使交流伺服 系统的实现方式也由模拟、数模混和向全数字发展，全数字方式不仅使系统具有多 功能、高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了物质基础。全数 字交流伺服系统的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 li 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。 本文所研究课题来源于国家八六三计划自动化领域的“交流伺服系统产品开 发”，主要研究任务是开发一套实用的全数字交流伺服系统，为其产业化打下基础。 1 2 数控机床对伺服驱动的要求 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，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 l 华中科技大学硕士学位论文 几个方面。”。+ ： 1 足够宽的调速范围，通常要达到1 0 0 0 0 ：l 以上，才能满足低速加工和高速 返回的要求。 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强抗负载扰动能 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速度范围内，应该保持运行平滑，电动机的转矩脉动尽 可能要小，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c n c 系统的接口应当简便。 1 3 交流伺服系统研究概况 1 3 1 交流伺服系统的构成与分类i “| i ”l 交流伺服系统的构成要素为：( 1 ) 交流伺服电动机：( 2 ) 功率半导体交流装置： ( 3 ) 微处理器及运动控制技术。交流伺服系统根据其处理信号的方式不同，可分为 模拟式伺服、数字模拟混合式伺服和全数字伺服。按照使用伺服电动机的种类不同 又可分为两种：一种是用永磁同步电动机构成的伺服系统，根据反电势波形的不同 ( f 弦形或矩形) ，分为无刷直流电动机同步系统和正弦波永磁同步系统：无刷直 流电动机驱动的特点是结构简单且对检测器件要求低，但由于电流换向的影响，转 矩脉动较难抑制，而永磁同步电动机驱动虽然相对复杂，却具有转矩平滑和运行速 度高等优点，从伺服角度看，二者最重要的差别是永磁同步驱动比无刷直流驱动可 获得更小的转矩脉动，因此前者更适合于高性能的运行控制场合，于是使永磁同步 电动机成为高性能交流伺服驱动的最佳选择。另一种是用矢量控制异步伺服电动机 构成的伺服系统。在小功率伺服系统中，一般使用永磁同步电动机，因为它动态性 能好，过载能力大，控制较异步电机要简单的多，而且体积小，效率高，便于维护。 华中科技大学硕士学位论文 - _ - - _ - _ 一- _ _ _ _ _ _ l _ _ - l _ _ _ _ - _ i - - _ _ - i - _ _ _ _ _ - - l - - - _ _ _ _ l _ _ - _ o ! ! ! ! ! ! ! ! ，- _ i _ _ i _ 一 1 3 2 交流伺服系统研究现状 从交流伺服系统所采用的电力电子器件来说，目前，主要是采用开关频率较高 的功率晶体管模块以及i g b t 、m o s f e t 等高频功率器件，以提高系统的快速响应 能力，降低运行噪声，低速更加平稳；按控制电路所使用的基础器件来说，已逐渐 由模拟式电子器件为主或数模混合式向全数字化方向发展，以微机为基础的数字化 伺服系统和以高速数字信号处理器( d s p ) 为核心的全数字化伺服系统成为研究的 热点，d s p 芯片品种主要有t i 公司的t m s 3 2 0 系列、a n a l o gd e v i c e 公司的 a d s p 2 1 x x 系列、m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 0 系列和a t & t 公司的d s p 3 2 系 列，它们的应用为在伺服系统中应用现代控制理论实现复杂的控制算法和故障诊 断、提高工作的可靠性与柔性提供了强有力的技术手段。并使伺服技术由硬件伺服 进入软件伺服的新时期。f a n u c 、三菱、安川、松下、三洋等公司己先后推出了 基于d s p 的高性能伺服驱动器1 3 j 【”j 。 由于上述以“硬形式”存在的如功率器件、微处理器等性能的提高受到许多 客观因素的制约，而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控 制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术 的迅猛发展，使基于智能控制理论的先进控制策略和基于传统理论( 含现代控制理 论) 的传统控制策略的“集成”得以实现，并取得了相应的成果：如文献 1 9 采 用了“卡尔曼滤波法”估计p m s m 的转予位置而实现了转子位置检测的“无传感 器化”：如文献 1 3 采用了基于现代控制理论的具有较强鲁棒性能的滑模控制策 略以提高系统对参数扰动的自适应能力；文献 1 7 在传统p i d 控制基础上引入非 线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力。 1 3 3 现有永磁交流伺服系统技术指标1 3 2 i 功率：根据国内外永磁交流伺服系统的产品样本及应用报告，目前普 遍使用的永磁交流伺服电机，其额定功率一般在6 0 0 r 以下。 转矩：永磁交流伺服电机的额定转矩一般在2 0 0 n m 以下，特殊设计用 于直接驱动的永磁交流电机，转矩可达2 0 0 0 n m 。 转速：永磁交流伺服电机的额定转速一般在1 0 0 0 0 r p m 以下，例如 i n d r a m a t 公司的m a c 7 1 c 的额定转速为6 0 0 0 r p m 。 调速比：一般在5 0 0 0 ：l 以下，采用低速转矩波动抑制措施的数字式 华中科技大学硕士学位论文 控制永磁交流伺服电机的调速比可达1 0 0 0 0 ：1 以上。 定位精度：一般取决于位置传感器的分辨率，采用1 2 位分辨率的位置 传感器时，定位精度可做到5 ，重复定位精度为l7 ，而在直接驱动永磁交 流伺服系统中定位精度可做到3 0 ”。 加速度：由于永磁交流伺服电机的转矩，质量比大，因而具有较大的加 速度，一般可达1 0 ，0 0 0 m m s 2 。 1 3 4 交流伺服系统发展趋势 交流伺服系统的发展与伺服电动机、微处理器件、控制理论、电力电子器件、 检测元件等的发展紧密相联，根据目前国内外的研制和使用状况可归纳出以下几个 发展趋势f 5 _ 9 】t 3 9 l ： 一、全数字化 微处理器的发展，实时控制的工业单片机特别是d s p 在伺服控制系统中的应 用，使伺服系统开始由传统的模拟式、数模混合式向全数字发展，全数字使系统获 得高精度、高可靠性，并增强了系统的功能，全数字式的突出特点是使控制系统软 件化，即实现软件伺服。它具有极好的柔性功能，在硬件相同的情况下，通过改变 软件可以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。归结起来，全数字伺服具有以下优点： 1 能明显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、 功能更强的新一代微处理器不断涌现，半定制或全定制设计的v l s i 专用硬件芯片， 使伺服控制器芯片数量减少，体积小，重量轻，能耗少： 2 可显著改善控制系统的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时 阃大大长于分立元件电子电路，在电路集成过程中采用了一些屏蔽措旋，可以避免 电力电子器件中因过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此，可靠性比较 高； 3 数字电路不存在温度漂移，也不存在参数的影响，稳定性好； 4 硬件电路易标准化： 5 伺服系统调整方便，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： 6 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 4 j _ ， 华中科技大学硕士学位论文 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： 7 伺服系统与上位机的信息双向递送能力大大增强； 8 随着微处理器芯片的运算速度和存储器容量的不断提高，性能优越但算法复 杂的控制策略可以用来改善系统的性能： 9 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。 二、硬件集成化 应用大规模集成电路技术把伺服系统中某些相对固定的控制电路集成化为若 干个专用i c 芯片，使系统实现小型化，提高系统可靠性，降低成本：集成化的另一卟 含义是指把控制、驱动、保护功能电路集成到电力电子器件中，构成强弱电一体， 控制与功率驱动合一的新型电力电子器件，比如智能功率器件( s m a r tp o w e r d e v i c e ) ，智能功率模块( i p m ) 就是混合式功率集成电路的一个代表，它将驱动、侨 护、i g b t 逆变器集成在一起，实现了伺服系统的小型化并提供了高可靠性。将珠 可以通过合理的设计及加工工艺，将伺服控制器与交流伺服电动机组合成为一个整 体，使整个伺服系统体积更小、应用更简便。 三、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程度上和较小范围座 解决控制的鲁棒性，现代控制理论的发展与应用，一定程度上弥补了经典控制理讫 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逗 应变结构鲁棒性等控制策略，这些控制系统的分析和设计都是建立在精确的系统骜 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和不确定 性系统的控制问题。模糊控制、专家系统、自学习控制、神经控制等理论的发展蔓 智能科学提供了数学工具，为伺服系统的智能化提供了理论和技术基础。 四、网络化 网络技术将驱动部分、运动控制、上位控制和计算机通过网络联接，构成系纡 的解决方案。通过网络进行高速数据传输，可以实现一体化管理，使机械调整和古! 障诊断更加简单可靠。s e r c o s ( s e r i a lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m 串行蓼 时通信系统) 为数字伺服网络化奠定了良好的基础，目前已满足在2 毫秒内，使一 华中科技大学硕士学位论文 台控制器与多达3 2 个伺服系统实现数据通信。 1 4 本文的主要研究内容 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 分析p m s m 的数学模型及其矢量控制原理，比较几种常用的电流控制方式和 p w m 技术，在此基础上，结合全数字伺服的要求，提出系统总体控制方案： 2 研究a d m c 4 0 1 在数字伺服中的应用，根据a d m c 4 0 1 的硬件及软件资源说明它 作为伺服系统控制核心的优势。 3 控制策略及算法的研究。高性能d s p 的应用，使得伺服控制器可以采用很多 新型控制算法，本文在综述经典控制方法、现代控制方法及智能控制方法的基础上， 分析了传统p i 控制法以及它在实际应用中由饱和限幅带来的问题，针对这一问题， 提出改进的p 1 控制，并揭示它与积分分离法的异同；高性能的伺服要求具有良好的 适应性，即在出现扰动或对象参数变化时能迅速稳定下来，为实现这一功能，本文 提出了两种参数自调整解决方案：一种是非参数自适应控制，即首先确定一个目标 函数，它的大小由实时反馈值与指令值之偏差和控制器参数确定，通过选择合适算 法可以得到最优控制器参数，此时，目标函数值最小：另一种是基于被控对象参数 辨识的控制方式，即参数自适应控制，由于机械负载对系统的动态性能影响较大， 本文提出的方案是基于转动惯量识别的参数自调整，在确定负载对象参数发生变化 的条件下，通过辨识新值选择一组合适的控制参数。仿真结果验证了这些方案是行 之有效的。 4 控制方案的软件实现与系统调试。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 全数字交流伺服系统的控制方案 2 1 全数字交流伺服系统结构 由于三相永磁同步伺服电动机具有以下优点： ( j ) 气隙磁密高； ( 2 ) 具有较高的功率质量比； ( 3 ) 体积小、重量轻，大转矩输出； ( 4 ) 低惯性，转矩惯性比高，能适应速度指令或位置指令的快速变化，转矩脉动 小； ( 5 ) 控制性能优良。 所以，它成为高性能交流伺服驱动的最佳选择。以三相永磁同步伺服电动机为 控制对象的全数字交流伺服系统结构框图如下所示。 i 璺| 2 1 全数字交流伺服系统结构框图 由图可见，交流伺服系统是由位置环、速度环、电流环组成的三闭环结构。 位置环的作用是产生电机的速度指令并使电机准确定位，位置指令与电机的实 际位置相比较，其偏差通过位置调节器产生电机的速度指令，当电机初始起动后( 大 偏差区域) ，应产生较大速度指令，使电机加速并以最大速度恒速运行，在小偏差 区域产生逐次递减的速度指令，使电机减速运行直至最终定位。 华中科技大学硕士学位论文 速度环的作用是保证电机的转速与指令值一致，消除负载转矩扰动等因素对电 机转速的影响。速度指令与反馈的电机实际转速相比较，其差值通过速度调节器产 生相应的电流参考信号的幅值，由于采用磁场定向控制策略，e = o ，速度调节器 的输出实际上就是转矩电流指令e ，由此可得到转矩指令，该指令控制电机加速、 减速或匀速，从而使电机的实际转速与指令值保持一致。 电流环由电流控制器和逆变器组成，其作用是使电机绕组电流实时、准确地跟 踪电流参考信号。电流控制器的输出经坐标变换得到三相参考电压指令，经过功率 放大驱动电机。 2 2 三相永磁同步伺服电动机数学模型及其矢量控制 由于三相永磁同步电动机的定子和带转子绕组的同步电动机定子结构是一样 的，并且其转子上所用永久磁铁为高磁密的永磁材料，所以在转子上产生的感应电 流对转予磁场的影响可以忽略不计。另外，由于定子绕组中由转子永磁磁极产生的 感应反电势同转子上绕的磁绕组产生的数学模型势相似的，为分析简化起见，可作 如下假设： ( i ) 饱和效应忽略不计： ( 2 ) 感应反电势呈正弦波状； ( 3 ) 磁滞及涡流损耗不计； ( 4 ) 励磁电流无动态响应过程； 2 , 2 1 永磁同步伺服电动机的数学模型1 3 - 9 i d 、弋 o 对 例2 - - 2 永磁同步电动机结构模型圈2 - - 3 永磁同步电动机欠量图 华中科技大学硕士学位论文 图2 - 2 给出y - - 相永磁同步电动机的结构模型。a 、b 、c 为定子上的三个 线圈绕组，各绕组的位置在空间上相差1 2 0 。将d 轴固定在励磁磁通v ，的方 向上，建立随转予一同旋转的由坐标系，则在此由坐标系上得) u - - 相永磁同步 伺服电动机的矢量图如图2 - 3 所示。 对静止坐标系上的电枢电压瞬时值“。、“，和电枢电流瞬时值i 。、f 、 i c 进行旋转变换，可得由坐标系上电压瞬时值、“。和电枢电流瞬时值0 乞 为 m 一压c o s o 。c o s ( o o 一2 z 3 ) c o s ( o o + 2 z 3 ) 卅 h j 刊3 l - s n 吼- s i n ( e o 一2 z 3 ) - s i n ( 1 9 0 + 2 2 1 3 ) jh 陆括l 二箍二箍篇二器揣 = c z 叫 l i rj 式中，眈表示a 相绕组轴线相对d 轴的电角度。 由上面的假设，在随转子旋转的由坐标系上可得三相永磁同步伺服电动机的 电压方程式： ( 2 2 ) 式中，甲g = 工。f v ，_ d = l d i a 十甲，“。为由坐标系上的电枢电压分量： i 一为由坐标系上的电枢电流分量：三一、上，为内坐标系上的等效电感；丫，、e 为由坐标系上的定子磁链分量；r 。和，分别为电枢绕组电阻和由坐标系的旋转 角频率；甲，为永久磁铁对应的转子磁链；尸= ，为微分算子。三相永磁同步伺 服电动机的输出电磁转矩为 t 。= p q ，i q + ( d 一三。) i a i q 而三相永磁同步伺服电动机的机械运动方程式为 。= 瓦+ b t o m + j d r a 。d t ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中，p 是三相永磁同步伺服电动机的极对数；瓦是负载转矩；b 是运动阻尼 系数：。是机械旋转角频率；j 是电动机与负载的转动惯量之和。 却坐标系的旋转角频率和电动机转子的机械旋转角频率的关系为 。= p ( 2 5 ) 9 q 吐 + 一 + + 0 0心心 j j = ，f【 华中科技大学硕士学位论文 如果三相永磁同步伺服电动机转子为圆筒型结构，即电动机气隙磁场分布均 匀，电动机感应反电势呈正弦波状分布，那么，l 。= 。= l 。成立，由式( 2 2 ) ( 2 4 ) 可得三相永磁同步伺服电动机的状态方程式为 p 圳i p c o 幻m ! 曼j 刊b j 兆纠 6 ) 【l = l 一 一心， 一硝，k l0 + l ，l 7 k j l o 三p v ，b j 【一瓦，j j 此时，电磁转矩变为： 乙= p 甲，i 。 ( 2 - - 7 ) 从式( 2 6 ) 可以看出，三相永磁同步伺服电动机的模型是一个多变量非线性的 状态方程，它包含了机械角频率脚。和由坐标系电枢电流i 。i 。的乘积项。由于存在 d 、9 轴之间的耦合作用，状态变量i 。c o ，不能独立调节，在采用s p _ l v m 电压型 逆变器供电时，电磁转矩不能实现线性化控制，也就无法获得高控制性能，为此，需 要解决f 。i 。之间的耦合问题。 2 2 2 三相永磁同步伺服电动机的矢量解耦控制 若忽略运动阻尼系数时的情况，令b = 0 ，则式( 2 - - 6 ) 可变为： 由式( 2 7 ) 可知，力矩电流分量和电磁转矩乙成线性关系，励磁电流分 量和t 。无关a 由于励磁电流分量在三相永磁同步伺服电动机的转矩中不起作 用，如果能控制；0 ，则三相永磁同步伺服电动机的状态方程变为 9 ：心m 圳 c z 吲 这时，、i 。之间无耦合关系，电枢反应磁场与永磁体励磁磁场正交，这就是 “磁场定向”控制。此时，每安培电流产生的转矩值最大，电机损耗最小，在高性 能伺服驱动系统中，2 0 ( i v 左右或以下的电动机几乎都采用“磁场定向”控制。 实现= 0 的解耦控制，通常有两种方法： ( 1 ) 电压前馈解耦控制。如果引入i 。以及，的状态反馈，则 q汜 引引叫隆 、h h h h 。孵。 巍渺 辫。 l 州沁 0 r叫l 华中科技大学硕士学位论文 一“：一p c o , , , l o i q ( 2 - - 1 0 ) p q 。“；+ p o ) l o i 。 式中，甜：、“：表示d 、q 轴非耦合部分的电压。 将式( 2 - - 1 0 ) 代入状态方程式( 2 - - 7 ) 中，可以得到 吐皇 - 手- 一& l , 一鬈心b + 鬈纠( 2 - - 1 1 ) 既：一盟+ 堕( 2 一1 2 ) 式( 2 一1 1 ) 、( 2 1 2 ) 均为线性状态方程。当按式( 2 1 0 ) 选取电压指令“，、 “。，时，所得到的状态方程不含耦合变量，故控制足去耦合的。但电压前馈控制未引 入电流反馈闭环，且需要知道电机参数的先验知识，控制性能较差。 ( 2 ) 电流反馈解耦控制。从前面的分析可知，若能够控制j ，一0 ，就能使三 相永磁同步伺服电动机得到线性化解耦控制效果。假定理想的电源以幅值为、彰i 的三相平衡电流、f 。供给三相永磁同步伺服电动机电枢绕组，即 f 扣，s i n 口 k 乃s ；n ( 9 一z ) ( 2 - - 1 3 ) k 乃s i n p + z ) 并假定a 相绕组电枢电流相位和d 轴与a 相绕组轴线夹角之间的关系为 0 = 见+ 妒 ( 2 1 4 ) 妒表示a 相绕组轴线与d 轴 yr 甸- 致时，a 相电枢电流的初始相位，那么，将式( 2 1 4 ) 对时间微分，得 = 。+ ( 2 1 5 ) 电枢电流的角频率。和机械角频率脚， q p c a m = d ( 2 1 6 ) 从式( 2 - - 1 6 ) 可知，当妒值一定时。：p 脚。，将式( 2 - - 1 3 ) 和( 2 - - 】4 ) 代入式 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 1 ) ，可得 i a = l s i n pi q = - 1 c o s o ( 2 1 7 ) 因为驴是由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，若通过 磁场定向控制，确定电枢电流的初始相位为1 8 0 。，使转子磁极轴线和所定义的d 轴轴线重合，则由式( 2 1 7 ) 可知，i a ；0 。 当采用电压型逆变器时，将指令电流i 与反馈电流、i q 比较，其差值经电 流调节器g ，作用可得由坐标系上的电枢电压分量u d 、“。，即 = g ( e i d 2 g ( i ：一i 。) ( 2 1 8 ) 由于 “d2 ( 尺a + 凡a ) 一p 珊m ( 2 一1 9 ) 叫。 i “q = ( r 。+ 儿。) + p 甜。l 。i d + p r o ，甲， 将式( 2 一1 8 ) 代入式( 2 1 9 ) 得 屯= 丽g 丽i 幻+ 器 ( 2 2 0 ) = 盘+ 一可p a ：西) m l a ：酉i a 一百p 丽c o m 。f ( 2 - - 2 1 ) 若每当位置传感器检测到转子磁场方向与a 相绕组轴线一致时，便确定电枢电 流的指令相位口= 1 8 0 。，则i em o 。从控制上来说，由于交流伺服系统的电流响应 比速度响应快得多，在i 。分量调节过程中，可认为。保持不变，则适当选取电流 调节器，使其有相当的增益，并始终保持电流指令i 一为零，就可使相位角p = 1 8 0 。 ，即得到i a 丝e = o ，i 。丝，从而获得三相永磁同步伺服电动机的线性解耦控 制，并使其在最大恒定转矩下运行。 电流反馈解耦控制虽然是一种近似的解耦控制方案，得到的是近似的线性化解 耦模型，却是行之有效的方法，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。 2 3电流控制方案 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。电流控制可以归结为电流调节和p w m 技术，下 华中科技大学硕士学位论文 面分别对它们进行分析，通过对各种典型方案的研究，确定本文所采用的控制方 式。 2 3 1 电流控制方式1 1 + ” 在永磁交流伺服系统中，实现电流控制的系统结构有两种方式：一种采用静止 坐标系下的电流调节器，即控制、跟踪、i ：、一种采用同步旋转坐 标系下的电流调节器，即控制o 、跟踪e 、e ，它们也常被称为交流控制方式和 直流控制方式。1 ，其控制结构框图分别如图2 4 、2 5 所示。 在交流控制方式中，速度环的输出为三相电流指令值，电流环的前向通道为电 流控制电压型逆变器，反馈通道则通过霍尔检测元件将电动机的定子电流检测后， 直接与三个电流指令值比较。这种电流环的优点是结构比较简单，容易实现，调整 比较方便，电流响应快，抗扰动能力较强；如果闭环增益取得比较大，伺服系统具 有较好的电流解耦控制性能，在低转速情况下，能保证p m s m 的高动态性能运行。 但是，这种电流环方案却有一个很大的缺点，就是电流环的给定量和检测量都是变 化的，而受永磁伺服同步电动机本身固有参数的影响， 电流环的频带不能设计得很宽，所以影响永磁同步伺服电动机在高速段的运行性 图2 4交流控制方式 能，使电流幅值和相位误差增加。另外，若电流控制器采用比例一积分控制方式时， d 、q 轴电流分量会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会发生变化。 华中科技大学硕士学位论文 邸三角波 图2 5直流控制方式 直流控制方式是基于d 、q 坐标系，需要进行两次坐标变换，比交流控制方式 多一次坐标变换；当调节器采用比例控制方式时，它们的控制效果是相同的，但采 用比例一积分控制方式时，直流控制方式性能更好，伺服系统输出电流谐波分量少、 稳定性好、无稳态误差。以前的伺服系统主张采用a c 控制方式是考虑到电流控制 器的响应速度受单片机的运算速度和a d 转换器的转换时问及转换精度的影响，很 难保证电流调节的快速性。随着高性能数字信号处理器的出现，这个制约因素已经 不再存在，a d s p 2 1 7 1 的运算速度高达每秒2 6 兆指令，a d 转换的速度不到2 伊。 转换精度为1 2 b i t s ，使得电流调节器可以根据实际需要灵活地选择比例或者比例 一积分控制器，基于这些因素本文采用直流控制方式。 2 3 2 实时p w m 技术 电流控制器依靠p w m 技术将输出的电压指令信号转变为三相p w m 信号，分别驱 动逆变器的三个桥臂，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。 在实时p w m 技术中，常用的有滞环法、三角波载波法和空间矢量法。 一、滞环法 滞环法的基本原理是根据实际由坐标系电流分量i 。i 。和指令电流“f ：之间 的偏差在滞环范围内的变化情况，选择合适的逆变器开关状态，使电流矢量的变化 尽量满足三相永磁同步电动机线性化解耦的控制要求，其控制结构如图2 6 所示。 华中科技大学硕士学位论文 圈2 6电流滞环法产生p w m 波 它的优点是硬件简单、电流控制响应很快、鲁棒性很强。缺点是开关频率不固 定，低调整比时造成开关频率高，对功率器件不利，电流畸变率较大、纹波大，可 能存在极限环，三相滞环相互独立，无零矢量控制策略，电流误差不能严格控制， 误差最大可达到滞环宽度的2 倍。 二、次谐波法 次谐波p w m 发生器即规则采样p w m 发生器，是自然采样经过数字化后得到的一 种方法，它属于载波调制，将采样值与载波信号相比较而得到脉冲的前沿和后沿。 根据载波和采样的不同，分为单边调制、双边对称调制及双边不对称调制。次谐波 法对各相指令电压信号分别进行调制，公用一个载波信号，非常适用于交流式电流 调节器，其输出的三相电压指令直接被调制成三路p w m 信号，分别驱动逆变器的三 个桥臂。 图2 7 是规则采样法的双边不对称调制原理图，以一相为例，三角波的幅值 为v 。，v 为欲转换成p w m 波的电压，采样点发生在三角载波的峰值时刻，从正峰值 到负峰值的时间间隔称为负半周，从负峰值到正峰值的时间间隔称为正半周，它们 组成一个完整的p w m 周期。在负半周和正半周内，v 近似地由采样值v 。和v 。代替 这两个电压与三角载波的交点，表示p w m 波改变状态的时刻，可由下式计算 华中科技大学硕士学位论文 t k = ( 1 + v s m ，正半周( 2 - - 2 2 ) 这表明，一个p w m 周期宽度为2 t ，电流采样两次，高电平脉冲宽度为 t 一瓦+ 瓦+ 1 | v u _ | 腻一| f 蚴 | | l l 缀一 幽2 7 双边不对称调制原理图 规则采样法电流纹波较小，开关频率等于载波频率，在低速下有优良的性能， 在高速下存在电流相位滞后现象，但可以通过滞后补偿来解决。静态误差主要由控 制增益决定，而控制增益的提高受到系统稳定性的限制。规则采样法有着不依赖于 电机参数、开关频率固定、运算量少的优点，所以被广泛应用于数字式电流环中。 三相系统中，双边调制的偶次谐波分量比单边调制明显减少：而不对称调制与对称 调制相比，在相同的p w m 周期内，它的采样点和调制次数增加了一倍，因而谐波分 量减少了一半。基于上述原因，本课题采用的是不对称规则采样法生成p w m 波，由 于采用d s p 作为微处理器，其采样频率达到2 0 k h z ，其电流环的性能可与模拟的自 然采样法相媲美。 三、空间矢量脉宽调制( s v p w m ) 平衡三相交流电压在静止坐标系里可以用一个恒定的空间矢量来代替，它的幅 值等于三相电压幅值，但以一定速度在空间旋转，空间矢量脉宽调制的原理是，在 每一个p w m 周期，通过计算确定参考矢量电压i + 的空间位置，用若干个开关电压矢 量逼近它。参考矢量电压i 。可用下式来表示， 华中科技大学硕士学位论文 疚= 号p 7 “雌， ( k = 1 ，6 )( 2 2 3 ) 逆变桥三个桥臂可以组成8 个丌关状态，其中有两个零状态，图a ) 所示开关状态 为( 1 ，0 ，0 ) ，图b ) 给出了所有开关状态的矢量表示。 乃“。：气。i _ i ，n 一， 。i io i l i 泌绷、n 1 、? n o i 。 、 ， b m o j ； 、矗。 由图2 - - 8 可见，开关管的八种组合，形成了八个空间电压向量，其中一v o 、西 为零向量，而其它六个向量彼此相差6 0 。设矿一位于矿。和矿。之间的k 区 则矿可可由一v k 、一v k + l 及零矢量巧、巧的加权和来表示，其表达式为 弦弦芬加+ 餮加、+ 骆 沪。， 瓦+ 瓦帆。= 孚 式中，瓦代表矿- 的作用时间，瓦代表零矢量的作用时间。 所以，式( 2 - - 2 4 ) 可以简化为 噍，孳= 只酗巩 将上式的空间电压矢量转换到筇坐标系中，得到 ( 2 2 5 ) 由于巧= 巧= o ， ( 2 2 6 ) 华中科技大学硕士学位论文 ( ：j ：净= 詈 ，妞、 i _ 5 孙；屹 p 了j j k z t l 科纠 ( 2 2 7 ) 一。：每纠，( 引 为简便起见，零矢量作用时间瓦可在、之间平均分配。 空间矢量p w m t 调制法不仅可以调节p w m 周期，还可以调节零电压矢量作用时 间，通过改变零电压矢量作用时间比例可以减少谐波，因此，它的逆变器电压利用 率比规则采样法高，但其算法较复杂，运算量大。 2 4 本章小节 p m s m 是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，要实现对p m s m 电磁转矩的 线性化控制，获得与直流电机相同的控制性能，必须在幽坐标系中解决直轴电流分 量与交轴电流分量的耦合问题，电压前馈控制没有电流反馈闭环，伺服系统的抗干 扰性比有电力反馈闭环的要差，且这种方法需要很多电机的先验知识，因此实际应 用中很少采用；电流反馈解耦控制是一种近似的解耦控制方案，实现控制比较简单， 必须采用较大电流增益以减少跟踪误差。 数字式瞬时电流滞环比较控制法结构简单、动态响应好，但电流及转矩纹波大， 噪声严重：次谐波法与空间矢量两种p w m 法有许多相同之处，仅是两种零电压矢量 作用时间分配比例存在不同，前者不能单独设置，而后者可以任意设置，且逆变器 利用率高。空间矢量法的性能优于次谐波法，但在计算量及实现的难易程度上次谐 波法占明显优势。 本章在分析各种电流控制方式、p w m 技术特点的基础上，结合具体的系统要求， 选择由坐标系上的直流控制方式实现数字式电流控制，根据规则采样法的双边不对 称原理产生p w m 波。 巧一 后丁 = 、， 导 “ 解 仃 、 华中科技大学硕士学位论文 3 调节器控制策略及算法的研究 3 1 控制策略及其算法概述 依据控制规律的不同，控制算法也各不相同，通常有经典控制方法、现代控制 方法及智能控制方法m “”“”“”3 。 3 1 1 经典控制方法 经典控制方法是指经典控制理论在控制器设计中的应用。根据偏差的比例( p ) 、 积分( i ) 、微分( d ) ( 简称p i d 控制) 是控制系统中应用最为广泛的种控制方法， 其控制规律为 卜卟( ，) + 砉m 虮掣j c s 训 各物理量的含义如下图所示： y ( t ) 翻3 - i p i d 控制示意幽 在数字控制系统中，p i d 控制规律的实现必须用数值逼近的方法，当采样周 期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，为此可作如下近似： j 删= 乃( f )( 3 2 ) 百d e ( t ) z 丛学骖( 3 _ 3 ) 由( 3 1 ) 、( 3 2