（电力电子与电力传动专业论文）位置伺服控制系统.pdf

中山大学硕士论文 p o s i t i o ns e r v oc o n t r o ls y g e m s p o w e re l e c t r o n i c s n a m e ：z h o u y u n x i a s u p e r v i s o r ：s h e ny u l i a n g a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ea cs e r v o m o t o ra n dh a r d w a r et e c h n o1 0g yi s g r a d u a lm a t u r i n g ，t h ec h i po fh i g h p e r f o r m a n c ec o m p u t i n gp o w e rc o m b i n i n g m o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yh a st h ec h a r a c t e r i s t i cw i t hh i g he f f i c i e n c y ，e n e r g ys a v i n g a n dp o r t a b i l i t y i nt h ef u t u r e ，t h et r e n do ft h em o d e r nm o t o rd r i v es y s t e m sw i l lb e t h ew i d ea p p l i c a t i o noft h ea cs e r v os y s t e m s t h em a i np u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nap o s i t i o ns e r v oc o n t r o ls y s t e m s o nt h ef u n d a m e n to fm c u t ot h et h e r e p h r a s em a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，u s i n g t h ed - qr o t a t i n gc o o r d i n a t es y s t e m ，a n dm a k i n gi d = 0 ，t h u st h es y s t e mc a nb e c o n t r o l l e du n d e rc o n s t a n tt o r q u ea n dc a nb ea c c e s se x t e n d e ds p e e d r a n g e o nt h eh a r d w a r es i d eo ft h i ss y s t e m ，u s i n gr e n e s a sc h i pm 3 0 2 6 2 f 8o ft h e s p e c i a lm o t o rc o n t r o la st h ec o n t r o lc h i pa n du s i n gm i t s u b i s h it h ed i p - i p mv e r 3 p a c k a g ep s 2 15 6 4a st h ep o w e rd r i v e ，s ot h ec i r c u i to ft h es y s t e m i st ob e s i m p l i f i e d ，t h ev o l u m ei s t ob er e d u c e d a n dt h es t a b i l i t yi st ob ei m p r o v e d ；t h e p o s i t i o no ft h ep e r m a n e n tr o t o ri st ob ed e t e c t e db yi n c r e m e n t a le n c o d e r a tt h e s a m e t i m e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e san e w m e t h o dt oq u i c k l yd e t e c tt h ei n i t i a lp o s i t i o n o ft h er o t o r o nt h es o f t w a r es i d e ，u s ecl a n g u a g ea n da s s e m b l yl a n g u a g et op r e p a r e p r o c e d u r ei n c l u d i n g t h em c ui n i t i a l i z e s ，t r i c y c l i c c o n t r o l a n dc u r r e n t f o l l o w s p w mm o d u l a t i o n t h er e a l t i m eo ft h es y s t e mw i l lb em o r eq u i c k l y ；a c o m b i n a t i o no ft h ec l a s s i cp i da n dt h es i m p l ef u z z yc o n t r o lu s e dt ot h e “t a n d e m c o r r e c t i o n ”c l o s e d - l o o pc o n t r o ls y s t e m ，c a ni m p r o v et h es y s t e m sr e s p o n s e s p e e d a n da n t i j a m m i n gc a p a b i l i t y i na d d i t i o nt oi n t r o d u c et h ef u z z yp i dc o n t r o li nt h e p a p e r t h e nf o c u so nt h ei n t r o d u c t i o no fs p w m ，s v p w ma n df o l l o w p w m m o d u l a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h i ss y s t e mc a nw o r ks t a b i l ea n da c h i e v eb a s i c s y s t e mp e r f o r m a n c e ，a n dr e a l i z em o t o r a c t i v a t e d ，s p e e da n dp o s i t i o n i n g k e y w o r d s ：s e r v os y s t e m ；m c u ；t h e r e p h r a s em a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ；v e c t o r c o n t r 0 1 i i 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的 电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内 容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存 学位论文。 言翥裟引窨谬日期：力矽占年多月易日 导师签名：i ，煳榻 e t 期：劫f ) 8 年占月6 e l 知识产权保护声明 本人郑重声明：，我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导 下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受 国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文 或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许可， 本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位 论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名1 司烨 e l 期：砂孑年月舌日 位置伺服控制系统 1 1 引言 第1 章绪论 电机作为一种电能量转换设备，广泛的应用于我们的生产和生活，并越来越受 到关注。随着制造技术的不断发展和对电机工作原理研究的不断深入，目前涌出现 了许多新型的电机；与此同时，永磁材料性能的不断提高和完善【1 1 ，使永磁电机正 向大功率化、高性能化和微型化方向发展。另外，电力电子技术、现代控制理论、 高性能的微处理器、电气与机械信号的检测技术的迅猛发展【2 1 ，使电力拖动系统的 性能有了跳跃性的进步。由稀土材料构建的交流永磁同步电机具备十分优良的低速 性能，再结合高精度电力电子器件，可以完成精确位置伺服控制，而且可以应用弱 磁高速控制，拓宽调速范围，提高动态特性和效率，这样使的由交流永磁同步电 机在高性能的位置伺服系统中有很大的应用空间。 1 2 课题研究的意义 位置伺服系统广泛应用于国民经济的各个工业部门，例如机床加工行业、冶金加 工、机器人或机械手的控制、火炮群跟踪雷达和陀螺仪惯性导航系统等，都涉及到了 位置定位和轨迹跟踪，因此位置伺服技术的高低，将直接影响我们国家的工业技术的 发展水平。 位置伺服系统是通过控制器来实现自动控制理论的各种控制算法，通过执行机构 中山大学硕士论文 电力电子功率变换装置实现对电机的控制【4 1 ，来达到位置伺服的目的。其中控制器可 以说是整个系统的心脏，其设计的好坏直接影响整个系统的性能。有些伺服系统的控 制器主要由模拟控制器来实现的，但对于那些较复杂控制算法，单靠硬件电路来实现 系统控制相对比较困难。随着微电子技术的迅猛发展，研发出各种高性能数字信号处 理器，其运算能力强而且具有丰富的外部接口。将数字信号处理器应用于位置伺服系 统，构成数字位置伺服系统，该系统就可以通过软件编程的方式完成各种简单或复杂 的传动控制算法，通过外部接口实现与电力电子功率变换装置的连接，最终实现对电 机的控制，这样既可以提高系统的灵活性的也可以减小系统的体积。 近几年基于数字信号处理芯片开发的位置伺服系统成为研究的热点，并且很多芯 片厂家还开发一些电机专用控制芯片，并在芯片内部集成了p w m 发生单元等，简化了 与电力电子功率变换装置间的连接，而且具有强大的处理功能可以完成现代控制理论 或智能控制理论的一些复杂算法，如果采用这些电机专用控制芯片来完成系统设计， 即可以节省了开发周期，又简化了系统的硬件结构。 自上世纪8 0 年代末以来的短短二十几年间，交流伺服系统取得了举世瞩目的发 展，同时伴随着变频技术的发展，使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【5 1 ，其动、静态特性已完全可与直流伺服系统 相媲美，对交流伺服系统的研究，仍然是电气传动领域的一个热点【6 1 。现在，数字式 交流位置伺服系统研究热点之一，就是以交流永磁伺服电机为控制对象。因为随着交 流永磁电机制造工艺的不断进步，使其具有低惯性、快响应、高功率密度、低损耗、 高效率等优点【7 1 。所以本文主要以交流永磁伺服电机为控制对象，通过单片机实现控 制算法完成位置伺服控制。 2 位置伺服控制系统 1 3 交流永磁伺服系统的发展 1 3 1 交流永磁同步电机的发展 永磁电机的发展是随着永磁材料的发展而发展起来的。工9 世纪2 0 年代问世的 第一台电动机就是由永磁体产生励磁磁场，当时电机的永磁体是由天然磁铁矿石直 接构成，因为天然矿石磁能密度很低，并且使的电机体积庞大，所以应用起来比较 困难，不久被电励磁电机取代。随着人们对永磁材料的机理、构成和制造技术的深 入研究，先后出现了铝镍钴永磁和铁氧体永磁等，磁性能有了很大的提高。但是， 铝镍钴永磁的矫顽力偏低，铁氧体永磁的剩磁密度不高，限制了它们在电机中的应 用范围，直到2 0 世纪6 0 年代和8 0 年代，稀土钴永磁和钕铁硼永磁的问世【8 j 它们 的高剩磁密度、高矫顽力、高磁能积和线性退磁曲线的优异磁性能特别适合于制造 电机，从而使永磁电机的向大功率化、高功能化和微型化的方向发展。我国的稀土 资源丰富，对稀土永磁材料和稀土永磁电机的研究水平已经达到国际水平 9 1 ，因此 大力推广应用稀土永磁电机不仅促进我们国民经济的发展，而且可以减少我们国家 的电能耗。 永磁同步电机( 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 ) 转子由永磁体产生 励磁磁场，体积变小，质量变轻，效率变高，冷却要求低，功率密度高，停止时可 采用发电制动，并且该电机低速运行时仍可以满出力运行，过载能力强，响应速度 快，且控制装置结构比较简单，经济实用【1 0 】，比较适合于数控机床进给伺服、位置 控制、机器人等运动控制领域。 3 中山大学硕士论文 1 3 2 电力电子技术的发展 电力电子技术自二十世纪五十年代后期诞生以来，使人类对电能的利用方式发 生了革命性的变化，并且极大改变了人们利用电能的观念。电力电子技术的发展对 永磁同步电机的广泛应用提供了很重要的硬件基础。 自1 9 5 7 年美国通用电气g e 公司研制出第一个工业用普通晶闸管开始f 1 1 】，其结 构的改进和工艺的改革为新器件开发研制奠定了基础。普通晶闸管不能自关断的半 控型器件，被称为第一代电力电子器件，进入7 0 年代晶闸管开始形成由低电压小电 流到高电压大电流的系列产品。随着电力电子技术理论研究和制造工艺水平的不断 提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很大发展，是电力电子技术的又一 次飞跃【1 2 1 ，先后研制出g t r ，g t o ，功率m o s f e t 等自关断全控型第二代电力电 子器件。而以绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 为代表的第三代电力电子器件，开始向大容 量高频率、响应快、低损耗方向发展。而进入9 0 年代电力电子器件正朝着复杂化、 标准模块化、智能化、功率集成的方向发展，随着微电子技术的发展，可以把驱动、 控制、保护电路和功率器件集成在一起，使得电力电子装置的结构更紧凑，体积更 精小，形成一个具有独立功能的功率模块( i p m ) ，提高了系统的可靠性。对于交流 永磁同步电机，主要是通过改变电源频率实现电机调速的，由独立功能的电力电子 器件构成闭环系统，能实现快速而又稳定的无极调速。 电力电子技术的创新与电力电子器件制造工艺，已成为世界各国工业自动化控 制和机电一体化领域竞争最激烈的阵地。目前日本、美国、法国、荷兰、及丹麦等 西欧国家可以说是齐头并进，在这些国家各种先进的电力电子功率器件不断开发完 善，促进电力电子技术向着高频化迈进，实现用电设备的高效节能，为真正实现工 控设备的小型化，轻量化，智能化奠定了重要的技术基础，也为2 l 世纪电力电子 4 位置伺服控制系统 技术的不断拓展创新描绘了广阔的前景。我国开发研制电力电子器件的综合技术能 力与国外发达国家相比，仍有较大的差距f ”1 。 1 3 3 单片机的发展 单片机的发展为永磁同步电机的应用提供了更大的发展平台。自单片机问世以 来，它发展速度之快及应用范围之广都很惊人【1 4 1 。单片机的发展主要经历以下四个 阶段： 1 ) 第一阶段( 1 9 7 6 1 9 7 8 ) ：单片机的诞生和探索阶段，以i n t e l 公司的m c s 一4 8 为代表； 2 ) 第二阶段( 1 9 7 8 1 9 8 2 ) 单片机的完善阶段；i n t e l 公司在m c s 一4 8 基础上 推出了完善的、典型的单片机系列m c s 一5 1 。 3 ) 第三阶段( 1 9 8 2 1 9 9 0 ) ：8 位单片机的巩固发展及1 6 位单片机的推出阶段， 也是单片机向微控制器发展的阶段。 4 ) 第四阶段( 1 9 9 0 _ ) ：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全 面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8 位1 6 位 3 2 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 随着单片的性能的不断提高，价格的降低和体积的减小【1 5 】，使单片机的应用已 经渗透到我们生产生活的各个领域。在工业自动化领域单片机也扮演重要的角色， 如工业过程控制、过程监测、工业控制器及机电一体化控制系统等，这些系统除一 些小型工控机之外，许多都是由单片机为核心的单机或多机网络系统，如工业机器 人的控制系统是由中央控制器、感觉系统、行走系统、擒拿系统等节点构成的多机 网络系统1 1 6 1 。 5 中山大学硕士论文 1 3 4 控制理论的发展 控制理论的发展经历了经典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 控制理论在未形成以前，1 8 世纪瓦特( j w a t t ) 发明了蒸汽机离心调速器，在这个 装置控制中就使用了自动控制原理的一个基本理论反馈，揭开了经典控制理论 的篇章。经典控制理论主要研究单输入单输出的常系数线性系统，以传递函数 作为系统的描述，通过频率法和根轨迹法来分析和设计系统。在二战期间，经典控 制理论的到了广泛的应用，但是该理论在多输入控制中出现了局限性。1 9 5 6 年苏联 数学家庞德里亚金提出的极大值原理，1 9 5 7 年美国学者别尔曼( b e l l m a n ) 动态规 划法，1 9 5 9 年卡尔曼( k a l m a n ) 及伯策姆( b e r t r a m ) 严谨的介绍了非线性系统稳 定性，并用状态变量来描述系统方程，并首次提出了现代控制理论，后来卡尔曼发 表了控制系统的一般理论、线性估计和辨识问题的新结果奠定了现在控制理 论的基础【1 7 1 ，现代控制理论主要是通过状态空间理论，对多输入多输出系统控 制的设计。随着人们对控制技术研究的不断深入，控制技术也越来越高，在反复的 实践过程中，控制理论也不断的被丰富和发展。智能控制就是在控制论、人工智能、 系统论和信息论等多学科的高度综合与集成。 目前针对交流永磁电动机的常用的控制策略有：转子磁场控制的矢量控制和定 子磁场控制的直接转矩控制。1 9 7 1 年，德国西门子公司的e b l a s c h k e 提出矢量控制理 论( f i e l do r i e n t e dc o n t r o l ，f o c ) t 1 8 】，使交流电机控制理论获得质的飞跃。矢量控制的 核心思想是将电机的三相电流、电压、磁链所在的三相静止坐标，通过三相两相变 换，等效到以转子磁链定向的两相旋转坐标系，参照直流电机的控制思想，完成电 机转矩的控制。1 9 8 5 年，德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授和日本学者t a k a h a s h i 提出直 接转矩控制【1 9 】伫们( d i r e c t t o r q u ec o n t r o l ，d t c ) 。直接转矩控制放弃了矢量控制的解耦 6 位置伺服控制系统 思想，采取定子磁链定向，利用离散的两点式( b a n d b a n d ) 进行调节，直接对电机的 磁链和转矩进行控制，使电机转矩响应迅速【2 1 1 。1 9 9 6 年，英国的f r e n c h 等1 2 2 1 发表 了关于永磁同步电机直接转矩控制的论文，1 9 9 7 年，由澳大利亚的z h o n g 、r a h m a n 教授和南京航空航天大学的胡育文教授合作提出了基于永磁同步电机的直接转矩控 制方案1 2 3 1 ，初步解决了直接转矩控制应用于永磁同步电机的理论基础。 1 4 交流伺服系统的发展现状 我国从1 9 7 0 年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和 科研单位，8 0 年以后进入工业领域，直到2 0 0 0 年，国产伺服仍停留在小批量、高 价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要，2 0 0 0 年之后，随 着我国经济的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间【8 1 。目前国内主要的 伺服品牌和厂家有森创( 和利时电机) 、华中数控、广数、南京埃斯顿、兰州电机厂 等，其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。 相对的，国外的交流伺服系统发展的历史比较悠久，技术力量雄厚，目前，国 外品牌占据了中国交流伺服市场8 5 左右的份额，他们来自日本、德国和美国，日 本品牌有安川、发那克( f a n u c ) 、三菱电机、松下、三洋、富士等；美国有罗克维尔 ( r o c k w e l l a u t o m a t i o n ) 、达那赫( d a n a h e r ) 、帕克( p a r k e r ) 等；德国有西门子( s i e m e n s ) 、 博世力士乐( b o s c hr e x r o t h ) 、施奈德( s c h n e i d e r ) 等。结合当今国内外交流伺服系统发 展现状，现在伺服系统主要有以下特点： 1 ) 全数字控制，功能强大，位置、速度和力矩三环控制； 2 ) 采用高性能控制芯片，高质量i p m 模块，保护功能完善； 3 ) 开发新的算法，缩短软件执行时间； 7 中山大学硕士论文 4 ) 伺服驱动器自动判别伺服电机的功率、规格、自动设定电机参数； 5 ) 低速时仍可以平滑运行； 6 ) 通过c a n 、r s 4 8 5 和r s 2 3 2 等实现和上位机通信； 交流伺服系统的电机是系统的重要组成部分，使用的电机主要有两大类：永磁同 步( s m 型) 电动机交流伺服系统和感应式异步( i m 型) 电动机交流伺服系统。其中，永 磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋十完全成熟，具备了十分优良的低速性能， 并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。 感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格 低廉，因而具有很好的发展前景【2 引。 1 5 课题主要研究的内容 本文是通过单片机控制交流永磁同步电机完成位置伺服系统控制，实现电机的 快速启动，平滑调速和精确定位。该课题的主要研究内容是：对交流永磁同步电机 进行坐标转换实现转矩输出解藕，采用i d = 0 的控制策略实现输出转矩调节；由瑞萨 单片机m 3 0 2 6 2 f 8 通过软件编程的方式实现电流环、速度环和位置环的三闭环控制 算法，并且根据每个环节的特点设计了调节器，保证系统的性能；并在位置环设计 了相应的算法，实现电机准确位置跟随。在检测转子位置部分采用的是增量式编码 器，设计了较简洁的电机转子初始位置的检测方法，该方法减少了查找时间和转子 抖动；采用单片机自带的三相电机控制用的定时功能产生控制信号驱动智能三菱功 率模块i p m ，从而调节电机输入电源频率，保证了系统的稳定性；另外还完成了电 流环定子电流检测电路设计和位置环转子位置检测电路设计。 3 位置伺服控制系统 第2 章交流永磁同步电机 2 1 交流永磁同步电机结构与工作原理 2 1 1 交流永磁同步电机的结构 永磁同步电机的种类繁多，按照定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为正 弦波永磁同步电机( p m s m ) 和梯形波永磁同步电机( b l d c ) 【2 6 1 。正弦波永磁同步电机 定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以y 型连接，采用短距分布绕组；气隙场 设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁，根据永磁体在 转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电机又分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式。 本文中采用的电机为凸装式正弦波永磁同步电机，结构如图2 一l 所示，定子绕组一 般制成多相，转子由永久磁钢按一定对数组成，本系统的电机转子磁极对数为两对， 则电机转速为n = 6 0 f p ，f 为电流频率，p 为极对数。 磁钢 定子 转子 图2 一l 凸装式正弦波永磁同步电机结构图 9 中山大学硕士论文 目前，三相同步电机现在主要有两种控制方式，一种是他控式( 又称为频率开环 控制) ；另一种是自控式( 又称为频率闭环控制) 2 7 】。他控式方式主要是通过独立控 n # l - 部电源频率的方式来调节转子的转速不需要知道转子的位置信息，经常采用恒压 频比的开环控制方案。自控式永磁同步电机也是通过改变外部电源的频率来调节转子 的转速，与他控式不同，外部电源频率的改变是和转子的位置信息是有关联的，转子 转速越高，定子通电频率就越高，转子的转速是通过改变定子绕组外加电压( 或电流) 频率的大小来调节的。由于自控式同步电机不存在他控式同步电机的失步和振荡问 题，并且永磁同步电机永磁体做转子也不存在电刷和换向器，降低了转子的体积和质 量，提高了系统的响应速度和调速范围，且具有直流电动机的性能，所以本文采用了 自控式交流永磁同步电机。当把三相对称电源加到三相对称绕组上后，自然会产生同 步速的旋转的定子磁场，同步电机转子的转速是与外部电源频率保持严格的同步，且 与负载大小没关系。 2 1 2 交流永磁同步电机的工作原理 本系统采用的是自控式交直交电压型电机控制方式，由整流桥、三相逆变电路、 控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器构成，其结构原理图如图2 2 所示。在 图2 2 中，5 0 h z 的市电经整流后，由三相逆变器给电机的三相绕组供电，三相对称 电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩，拖动转子同步 旋转，通过位置传感器实时读取转子磁钢位置，变换成电信号控制逆变器功率器件开 关，调节电流频率和相位，使定子和转子磁势保持稳定的位置关系，才能产生恒定的 转矩，定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随 转子位置的变化而变化的，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场，通过电力电 子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相，代替了机械换向器。 1 0 位置伺服控制系统 图2 2 自控式电机结构原理图 正弦波永磁同步电机属于自控式电机，只是电动机的定子反电势和电流波形均为 正弦波，并且保持同相，其可以获得与直流电机相同的转矩特性，而且能实现恒转矩 的调速特性。本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步电机来实现位置伺服功能的。 2 1 3 旋转式编码器 由自控式正弦波p m s m 构成的伺服系统，需要实时检测电机转子的位置及转速， 本系统是通过旋转编码器来获取相关的信息。根据编码器的工作原理不同可分为磁性 编码器和光学编码器，而根据编码器的输出信号的不同又分为增量式( i n c r e m e n t a l ) 和绝对式( a b s o l u t e ) 编码器两种。绝对式编码器可以直接测得转子的绝对位置，每次为 检测到转子的位置提供一个独一无二的编码数字值。绝对式型编码器( 旋转型) 码盘 上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2 线、4 线、8 线、1 6 线编排，在编码 器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2 的零次方到2 的n - 1 次 方的唯一的2 进制编码，这就称为n 位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机 械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。 增量式编码器每次只能返回转子的相对位置。增量型只能测角位移( 间接为角速度) 中山大学硕士论文 增量，以前一个时刻为基点。光电式增量式编码器( 旋转型) 由一个中心有轴的光电 码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组 合成a 、b 、c 、d ，每个正弦波相差9 0 度相位差( 相对于一个周波为3 6 0 度) ，将c 、 d 信号反向，叠加在a 、b 两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个z 相脉冲以代 表零位参考位。由于a 、b 两相脉冲信号相差9 0 度，可通过比较a 相在前还是b 相 在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。编 码器以每旋转3 6 0 度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多 少线，一般在每转分度5 1 0 0 0 0 线。 光学增量式编码器和磁性增量式编码器，输出信号信息基本上一样的。光学编码 器的主要优点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差，而磁性编码器不易受尘埃和结 露影响，同时其结构简单紧凑，可高速运转，响应速度快( 达5 0 0 7 0 0 k h z ) ，体积比 光学式编码器小，而成本更低【2 8 】。本系统采用的是旋转式增量磁性编码器，其适应 环境能力强，响应速度快，非常适用于在高速旋转运动中检测电动机的速度和位置。 2 2 交流永磁同步电机的数学模型 正弦波p m s m 定子与普通的电励磁的三相同步电机是基本一样的，并且反电动势 也是正弦波，那么其数学模型和电励磁的三相同步电机也是一样的。在定子通三相绕 组瞬时电流，如图2 3 所示。三相定子绕组流过平衡电流分别为i a ，i b ，i c ，在空间 上互差1 2 0 。，瞬时电流表达式如下： 1 2 ( 2 1 ) 旷 旷 硝 耵 t ， q 引 s s 瓯 0 o 叭 c c 既 i i r h = 一 位置伺服控制系统 式中i m 为电流最大值。 图2 3 三相瞬时电流图2 - 4 对称三线绕组 电机的三相对称绕组如图2 4 所示，在定子静止三相坐标系下，建立电机的定子 刚潮渊| | p 2 ， 式2 - 2 中，、甜。是定子三相绕组相电压；o 、是定子三相绕组相电流； 鲴，( p b ，鲈是三相定子绕组的磁链；r 是定子三相绕组阻抗。磁链方程为【2 9 】： 乞。( 口) 厶( 秒) k ( 秒) c o s 0 + ic o s ( o - 1 2 0 。) c o s ( 0 - 2 4 0 。) 式2 3 中乞，厶，三c 分别是三相绕组的自感；厶= 厶。，k = 乞，k = k 分别是 两相绕组间的互感；纷是永磁转子的磁链，秒= r o t + 岛是转子与三相静止坐标系a 轴 的夹角，皖为转子的初始位置。为了简化分析，现作如下假定： 1 ) 电机铁磁部分的磁路为线性，不计饱和，剩磁，磁滞和涡流的影响； 2 ) 定子三相绕组对称且为集中式绕组； 3 ) 忽略电枢反应对气隙磁场的影响； 这样就可使各相绕组的自感和互感与转子的位置角无关，且永磁同步电机的三相绕组 1 1 乞0 p。l j 一班 1，j 、j、j、f p p p k k 厶 o ( ( 厶伽如 。l = 1 口6 c 中山大学硕士论文 是对称分布，星形联接，则厶= 厶= t = 三，k = k = z - a a c = 乞= k = k = m ，三和m 都为常量，乞+ + 之= 0 ，由此整理磁链方程如下： 二谢00l 汁 三一肘 i 二if i + 一mi lf i z ：土( 乞屯+ 毛+ 巳) 缈 c o s 8 c o s ( 秒一1 2 0 。) c o s ( o 一2 4 0 。) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式2 5 中国是同步角速度。 根据三相绕组的感应电动势方程2 5 可得出，每相绕组的感应电动势e a 、巳是 时变的，同样三相对称电流都也是时变的，所以系统的输出转矩时变并且各个参数耦 合紧密，使整个系统的转矩控制复杂实现困难。 交流电机的矢量控制理论提出，是电机控制理论的第一次质的飞跃，使得交流电 机的控制跟直流电机控制一样简单，并且能获得较好的动态性能。矢量控制基本思想 是：在转子磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩 的转矩电流分量，并使两个分量相互垂直和独立，这样就可以分开调节，实现了交流 电机控制的解耦【3 0 i ，此旋转坐标系也称为d - q 坐标系，d 轴固定在转子磁势轴线上，q 轴位于d 轴逆时针方向旋转9 0 。的电角度上，图2 5 是极对数为2 的旋转坐标系。 另外，定子绕组中的三相电流就可以通过一个空间矢量电流来表示，表达式如下： 1 4 膨 一 0 0 l l = 1j 口6 c 够锄够 一 一 口6 c 贴 。l d 一衍 i i 为1lr 势 丘 ： 动 为 电 矩 应 转 感 出 的 输 组 的 绕 统 相 系 三 而 位置伺服控制系统 ，= 层( p 口彳啦一彳) p 7 ， 式中o 、之三相电流的有效值为i 、角频率为彩的，则表达式2 7 可以化简成： 江血朋 ( 2 8 ) 这样i 就可以看作是一个以角速度缈旋转的矢量，如图2 5 所示。 b 图2 5 旋转坐标系 夕 ；j ：易巧 ：j 髟 - l 图2 6 静止坐标系一旋转坐标系 如果要把定子绕组中的三相电流转换到d - q 坐标系上，完成输出转矩控制。首先， 要把三相交流电流所在的三相静止坐标系转换到两相静止的坐标系口一。在固定的 定子上建立口一轴坐标系，口轴与a 相重合，口轴逆时针旋转9 0 。为轴，转换到 两相静止坐标系的表达式如下： 悱 1一三一三 22 o 鱼一鱼 22 压后压 ( 2 一g ) 在p m s m 系统中，定子绕组采用y 型连接，则o = 0 。 然后，再由静止的口一轴坐标系转换到d - q 坐标系，如图2 6 所示，转换表达 式为： 1 5 中山大学硕士论文 翁圈 ( 2 1 0 ) 式中目是两个坐标系的夹角。根据式2 1 0 推导，可以得出d - q 坐标系和三相静止坐标 系之间的转换关系如下： 卧层 c o s ? c o s ( 口一等) “n 秒“n ( p 一等) c o s ( p + 爿 _ 血( 秒+ 等) ( 2 1 1 ) 坐标变换对于电压矢量仍然适用，由三相静止坐标系变换到d - q 轴坐标系后，定子电 压方程表达式为： 之 = 三； 芝 + 三一p 国 j l 驴 q c 2 一2 ， 式2 1 2 中，为交、直轴阻抗；、乞为定子电流矢量f 的直轴、交轴分量；p 微分算 子；、交、直轴磁链。 交流永磁伺服电机定子磁链方程为： 弋_ ? 2l d l 7 七9 ，( 2 - 1 3 ) l = 厶 式2 - 1 3 中，盼为转子永磁体产生的磁链；厶、厶为电动机的交、直轴电感；把定子 磁锛方程代入定子申压方稗得： 通过坐标转换后，电机的转矩方程可以表示为： 1 6 ( 2 1 4 ) 础姗 c - 。l = 1 j 0 0 p。l 妙， 缈 l g 0 饥 呜 呜 叱i 噍i 易 岛 + + 心 嘎 位置伺服控制系统 丁= 吾岛帆一) 将磁链方程代入后得： 丁= j 3 见 吩+ ( 厶一厶) 屯 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式2 1 6 中n 是极对数5 在转子参考坐标中，若取d 轴为虚袖取q 轴为实轴，则在这个复平面内，可将 定子电流空间矢量f 表示为： i = i d - bj i q f 与q 轴的夹角为盯，则： 幻2 zc o s 盯 2 l s i n o - 综上整理转矩方程得： ( 2 1 7 ) ( 2 一1 8 ) 丁= 丢见 吩，s ；n 仃+ 丢( 厶一厶) z 2s ；n 2 仃 c 2 一，9 ， 仃角实质上是定子三相绕组合成旋转磁场的轴线与转子磁场轴线间夹角。在上式 中，括号内第一项就是由这两磁场相互作用所产生的电磁转矩，如图2 7 中曲线l 所示；括号内第二项称为磁阻转短( 曲线2 ) ，它是由凸极效应引起的，并与两轴电 感参数的差值成正比。 1 7 中山大学硕士论文 2 7 凸极同步电机矩角特性图2 8 凸装式永磁同步电机矩角特性 本系统采用的是凸装式转子永磁同步电动机，所以厶= 厶，于是电磁转矩 可以简化为： 丁= 吾p 。少，f s i n 盯( 2 - 2 0 ) 式中不包含磁阻转矩项，电磁转矩仅与定子电流的交轴分量有关。当时盯：互，每 2 单位定子电流产生的电磁转矩值最大，如图2 8 所示，本系统通过= 0 控制，使 仃= 三2 ，这样转矩响应仅与定子矢量电流成正比。 本章小结 介绍本系统采用的自控式交流永磁同步电机的内部结构和工作原理，旋转式编码器的工作原 理以及编码器在系统的作用。通过对交流永磁伺服电机的数学模型的解析，介绍了l d = o 控制策略。 1 8 位置伺服控制系统 第3 章位置伺服系统控制方案 3 1 伺服系统总体设计方案 交流永磁伺服电机通过坐标转换后实现系统解藕，使控制简化，加上电力电子技 术，控制理论和微处理技术的迅速发展，为p m s m 在伺服控制系统中应用的提供了更 大的空间。 位置伺服控制系统要实现输出的速度和距离准确复制输入要求，所以本文采用位 置、速度和电流三闭环控制实现位置伺服控制，电流环保证伺服系统的电流在动态时 为最佳波形，速度环和位置环保证伺服系统在任何时刻的输出速度和位置准确复制输 入信号要求的速度和位置，系统总体控制框图如图3 1 所示。电流环由电流采样反馈 电路和电流环控制器构成，完成输出转矩控制；速度环由位置检测反馈电路、速度计 算和速度环调节器组成，实现无极调速性能；位置环由外部指定信号和位置环调节器 组成，保证定位精度。指定位置脉冲信号作为位置环的输入；位置环调节器的输出作 为速度环的输入信号；速度环调节器的输出作为电流环的输入信号；电流环输出三相 p w m 控制器的开关信号。三个环节相互协调实现位置指令跟随。三个环节的调节器 主要是通过模糊控制同p i d 串联校正来实现的。 图3 - 1 系统总体控制框图 1 9 中山大学硕士论文 3 1 1p i d 控制原理l a 2 l 对于传统的p i d 调节器而言，其最大的优点在于算法简单，参数易于整定，并能 达到比较满意的控制效果【3 3 】，而且适应性强，可靠性高，这些特点使p i d 控制器在工 业控制领域得到广泛的应用，并能得到比较满意的效果。p i d 控制为比例、积分、微 分控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世已经有7 0 多年历史，只是根据系统的误差， 利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。p i d 控制在实际中应用中可以根据 需要，只采用p i 和p d 控制。在模拟系统中，p i d 控制算法的表达式： ) = k p + 百1 + 掣 p ， 式中，“( f ) 为调节器的输出信号，p ( f ) 为偏差信号，巧为比例系数，乃为积分时间系 数， 为微分时间系数。比例系数k 。的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调 节精度。k 口越大，系统的响应速度越快，但太大易产生超调，甚至会导致系统不稳 定。k 。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延迟了调节时间，使 系统静态、动态特性变坏。积分系数乃作用是消除稳态误差，越大消除静态误差的速 度就越快，太大会出现积分饱和，易产生较大超调，太小影响稳态精度。微分环节作 用是预测误差变化的趋势，与p 环节结合避免了被控量的严重超调。 当前随着计算机技术的发展，可以通过软件的形式实现p i d 调节，那么就需要对 模拟的表达式离散化，令f = k r ( k = o ，1 ，2 ，玎) ，用离散的差分方程表示p i d 控制算法 的表达式为： m ) = 耳专知) + 孙矿小叫 ) ( 3 - 2 ， 式中，丁为采样周期。从此表达式可以看到，输出量与过去的所有状态有关，会占用 位置伺服控制系统 大量内存，需要对表达式进行化简，常用的编程表达式主要有两种，一种是位置式， 表达式如下： u ( k ) = u ( k 1 ) + 口o p ( 忌) + a , e ( k 一1 ) + 口2 p ( 后一2 ) ( 3 3 ) 另一种是增量式： z ，( 尼) = u ( k ) - u ( k - 1 ) a u ( k ) = p ( 后) 一口。e ( k - 1 ) + a 2 e ( k - 2 ) ( 3 4 ) 式中，= 砗( + 号+ 等) ，q = 砟( + 孕) ，呸= 砟孕。增量式算法只需要计 算增量，不需要对过去状态累加，只和最近几次的采样值有关，出现偏差对系统的影 响也较小，所以应用比较广泛。 3 1 2 模糊p i d 控制 模糊控制是近几年发展起来的一种新型的控制技术，在模糊控制器的设计过程中 不需要掌握对象的精确数学模型，其主要是通过计算机语言来实现人们经验性的控制 策略。1 9 6 5 年美国加利福尼亚大学著名控制论专家z a d e h 创立了模糊集合论，并运用 一种语言分析的数学模式把人的经验参与到控制过程中。1 9 7 3 年他又进一步研究了模 糊语言处理，为模糊推理奠定了的理论基础。1 9 7 4 年m a m d a n i 成功的将模糊控制应 用到锅炉和蒸汽机控制。此后，模糊控制逐步成为研究的热点，并且广泛的应用于我 们的生产和生活【3 4 1 。 模糊系统的核心是模糊控制器，其组成如图3 2 所示，包括模糊化、模糊控制 图3 - 2 模糊控制器组成图 2 1 中山大学硕士论文 规则模糊推理和解模糊化四个部分，那么要实现模糊控制就要通过以下四个步骤来实 现： 1 ) 对输入的精确变量进行模糊化； 2 ) 通过关系词如i f - t h e n 、e l s e 、a l s o 、e n d 、o r 等建立模糊控制规则； 3 ) 根据输入的模糊量，通过模糊规则完成模糊推理，求解出模糊控制输出量； 4 ) 对模糊输出量进行解模糊处理，最终得到输出控制变量； 模糊控制不需要掌握控制对象准确的数学模型，而是根据输入量误差查由人们的 控制经验所建立的控制规则表，最后由该表决定控制量的输出。该控制的最大优点是 控制灵活适应性强，而p i d 控制的优点是应用广技术比较成熟，所以本系统结合两者 的特点，在电流环、速度环和位置环采用了经典p i d 控制和简单模糊控制相结合构成 “串联校正 控制方法，现在针对模糊p i d 的研究很多，本文主要针对输入误差和p 环节的参数进行模糊处理，设计一维控制器，通过f u