基于TMS320F2812交流伺服系统的研究(论文).pdf

西南交通大学 硕士学位论文 基于TMS320F2812交流伺服系统的研究 姓名 黄廉杏 申请学位级别 硕士 专业 控制理论与控制工程 指导教师 蔡淮 20080501 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 永磁同步电动机伺服系统由于具有控制简单 低速运行性能好 运行效率高 转动惯量小 转矩脉动小 可高速运行 较高的性价比等特点 在诸多高性能领 域等到了广泛应用 己逐渐成为交流伺服系统的主流 近些年 交流伺服系统已 广泛应用于各种场合 如高精度数控机床 机器人 特种加工设备以及航空 航 天等 这都要求交流伺服系统能够实现良好的速度控制 高精度的定位以及具有 宽调速范围等特性 随着微电子技术和功率电子技术的飞速发展 数字信号处理 器 D S P 智能功率模块 口M 出现等 促使交流伺服控制系统向全数字化 智能 化 小型化 高速 高精度方向发展 为了实现交流伺服控制系统的这些高性能要求 本文应用矢量控制的原理 以T I 公司数字信号处理器T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 为系统的控制核心 富士公司的智能功 率模块为逆变器开关器件 运用空间电压矢量脉宽调技术 设计了数字化脉宽调 制调速系统 构建了一个基于D S P 的永磁同步电动机矢量控制系统平台 本文首先对永磁同步电动机伺服系统进行了数学建模 并对永磁同步电动机 矢量控制原理进行了阐述 分析了磁场定向矢量控制的工作原理及控制方法 同 时还详细阐述电压空间矢量技术 其次提出了基于T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 的永磁同步电动机全数字交流伺服系统的软 硬件解决方案 硬件包括总体电路 功率驱动回路 速度和位置检测电路 系统 保护电路以及L E D 显示电路的设计 软件分别介绍了矢量控制系统的程序设计包 括主程序和中断服务子程序等 实验证明 所研制的试验软硬件平台能很好地完 成永磁同步电机伺服控制功能 能够完全满足高性能伺服控制系统的基本要求 关键字 永磁同步电机 数字信号处理 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 智能功率模块 电压空 间矢量控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页 A b s t r a c t T h e3 p h a s eP 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 rf P M S M A CS e r v oS y s t e m h a ss u c hc h a r a c t e r i s t i c sa Sg o o dl o w s p e e do p e r m i o np e r f o r m a n c e h i g h e re f f i c i e n c y l o w e rm o m e n to fi n e r t i aa n dp u l s eo ft o r q u e h i g h e rc o s tp e r f o r m a n c ea n dt h ea b i l i t yt o 如l lr u na n dc o n t r o ls i m p l e T h eP M S Ms e r v os y s t e mi s w i d e l yu s e di nm a n y h i g I l p e r f o r m a n c ef i e l d sh a v ea l r e a d yb e c o m et h em a i na p p l i c a t i o no fA Cs e r v os y s t e m I nr e c e n ty e a r s A Cs e r v os y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u so c c a s i o n s s u c ha s p r e c i s i o nC N Cm a c h i n et o o l s r o b o t s a n ds p e c i a lp r o c e s s i n ge q u i p m e n t a sw e l la s a v i a t i o n a e r o s p a c e e t c T I l i sr e q u i r e sA Cs e r v os y s t e mt oa c h i e v eg o o ds p e e dc o n t r o l h i 曲一p r e c i s i o np o s i t i o n i n g a n dh a saw i d es p e e dr a n g e W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y t h ee m e r g e n c eo ft h e D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s o r D S P I n t e l l i g e n tP o w e rM o d u l e I P M p r o m p t sA Cs e r v o c o n t r o l s y s t e m t o a l l d i g i t a l i n t e l l i g e n t s m a l ls i z e h i g h s p e e d h i g h p r e c i s i o n d i r e c t i o n I n0 r d e rt oa c h i e v eA Cs e r v oc o n t r o l s y s t e m f o rt h e s eh i g h p e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n t s a p p l i e dt h ev e c t o rc o n t r o lt h e o r y t h ed e s i g no ft h ed i g i t a lP u l s eW i d t h M o d u l a t i o n P W M m o t o rs p e e dv a r i a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e rw h i c hu s e s D S PT M 3 2 0 F 2 812s p e c i a lf o rd i g i t a lm o t o rc o n t r o lo fT Ic o r p o r a t i o na st h ec o n t r o l c e n t e ra n du t i l i z e sI P Mo fF u j i t s ua sa p p a r a t u so ft h ei n v e r t e ra sw e l la st h eS p a c e V e c t o rP u l s eW i d t hM o d u l a t i o n S V P W M la st h ec o n t r o la l g o r i t h m T h eD S P b a s e d P M S Mv e c t o rc o n t r o ls y s t e mp l a t f o r mi Sd e s i g n e di nt h i sp a p e r F i r s tt h i sP a p e rp r o p o s e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fP M S Ms e r v os y s t e m e x p l a i n sP M S Mv e c t o rc o n t r o lo nt h ep r i n c i p l e a n da n a l y z e st h em a g n e t i cf i e l d o r i e n t e dv e c t o rc o n t r o lo ft h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o lm e t h o d s b u ta l s o d e t a i l e dt e c h n i c a lS V P 7 订 S e c o n d l yt h i sp a p e rp r o p o s e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s o l u t i o n so ft h eD i g i t a l P M S MA Cs e r v os y s t e mb a s e do nT M 3 2 0 F 2 812 H a r d w a r ei n c l u d e sag e n e r a lc i r c u i t p o w e rd r i v e rc i r c u i t s p e e da n dp o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t s y s t e mp r o t e c t i o nc i r c u i ta n d L E Dd i s p l a yc i r c u i td e s i g n S o f t w a r ei n t r o d u c e dv e c t o rc o n t r o ls y s t e md e s i g n p r o c e d u r e i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a ma n ds u b p r o g r a ms u c ha sab r e a ki n s e r v i c e E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u b s t a n t i a t et h a tt h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h e a s s o c i a t e d s o f t w a r ed e s i g nC a l ls u p p l yg o o ds e r v oc o n t r o lc a p a b i l i t y i n d i c a t i n gt h es e r v oc o n t r o l s y s t e mC a ng r e a t l ym e e tt h er e q u i r e dp e r f o r m a n c eo fs e r v oc o n t r 0 1 k e y w o r d P M S M D S P T M S 3 2 0 F 2 8 12 I P M V e c t o rC o n t r o lS V P W M 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本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 允许论文被查阅和借阅 本人授权西南交通大学可以将本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 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密衫使用本授权书 请在以上方框内打 嚣一虢枷希嚣撇落日期 一 日期 佟 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作 了明确的说明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 本学位论文的主要创新点如下 本文设计的交流伺服以系统T I 公司数字信号处理器T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 为系统的 控制核心 利用光电耦合隔离放大器H C P L 7 8 4 0 测量系统的电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 交流伺服系统的研究现状 伺服来自英文单词S e r v o 指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动 运 动要素包括位置 速度和力矩 伺服系统的发展经历了从液压 气动到电气的过 程 而电气伺服系统包括伺服电机 反馈装置和控制器 在2 0 世纪6 0 年代 最 早是直流电机作为主要执行部件 在7 0 年代以后 交流伺服电机的性价比不断提 高 逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机 控制器的功能是完成伺服 系统的闭环控制 包括力矩 速度和位置等 我们通常说的伺服驱动器已经包括 了控制器的基本功能和功率放大部分 虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺 服系统曾经在9 0 年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用 但是迅速被交流伺服 所取代 进入2 l 世纪 交流伺服系统越来越成熟 市场呈现快速多元化发展 国 内外众多品牌进入市场竞争 目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术 之一 在交流伺服系统中 电动机的类型有永磁同步交流伺服电机 P M S M 并I 感应 异步交流伺服电机 I M 其中 永磁同步电机具备十分优良的低速性能 可以实 现弱磁高速控制 调速范围宽广 动态特性和效率都很高 已经成为伺服系统的 主流之选 而异步伺服电机虽然结构坚固 制造简单 价格低廉 但是在特性上 和效率上存在差距 只在大功率场合得到重视 l5 1 本文讨论的重点将放在永磁同 步交流伺服系统上 在控制策略上 基于电机稳态数学模型的电压频率控制方法和开环磁通轨迹 控制方法都难以达到良好的伺服特性 目前普遍应用的是基于永磁电机动态解祸 数学模型的矢量控制方法 这是现代伺服系统的核心控制方法 虽然人们为了进 一步提高控制特性和稳定性 提出了反馈线性化控制 滑模变结构控制 自适应 控制等理论 还有不依赖数学模型的模糊控制和神经元网络控制方法 但是大多 在矢量控制的基础上附加应用这些控制方法 还有 高性能伺服控制必须依赖高 精度的转子位置反馈 人们一直希望取消这个环节 发展了无位置传感器技术 S e n s o rl e s sC o n t r 0 1 至今 在商品化的产品中 采用无位置传感器技术只能达到 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 大约1 1 0 0 的调速比 可以用在一些低档的对位置和速度精度要求不高的伺服控 制场合中 比如单纯追求快速起停和制动的缝纫机伺服控制 这个技术的高性能 化还有很长的路要走 1 2 交流伺服在我国的发展1 青况 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 以军工 宇航卫星为主要应用方向 不考虑成本因素 主要研究机 构是北京机床所 西安微电机研究所 中科院沈阳自动化所等 8 0 年代之后开始 进入工业领域 直到2 0 0 0 年 国产伺服停留在小批量 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 随着中国变成世界工厂 制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间 国内几家单位开始推 出自己品牌的交流伺服产品 目前国内主要的伺服品牌或厂家有森创 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 1 3 交流伺服技术发展方向 现代交流伺服系统 经历了从模拟到数字化的转变 数字控制环已经无处不 在 比如换相 电流 速度和位置控制 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 比如瓜推出的伺服控制专用引擎 也不足为奇 国 际厂商伺服产品每5 年就会换代 新的功率器件或模块每2 2 5 年就会更新一次 新的软件算法则日新月异 总之产品生命周期越来越短 总结国内外伺服厂家的 技术路线和产品路线 结合市场需求的变化 可以看到以下一些最新发展趋势 15 1 i 高效率化 尽管这方面的工作早就在进行 但是仍需要继续加强 主要包括电机本身的 高效率比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计 也包括驱动系统的 高效率化 包括逆变器驱动电路的优化 加减速运动的优化 再生制动和能量反 馈以及更好的冷却方式等 i i 直接驱动 直接驱动包括采用盘式电机的转台伺服驱动和采用直线电机的线性伺服驱 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 动 由于消除了中间传递误差 从而实现了高速化和高定位精度 直线电机容易 改变形状的特点可以使采用线性直线机构的各种装置实现小型化和轻量化 i i i 高速 高精 高性能化 采用更高精度的编码器 每转百万脉冲级 更高采样精度和数据位数 速度 更快的D S P 无齿槽效应的高性能旋转电机 直线电机 以及应用自适应 人工 智能等各种现代控制策略 不断将伺服系统的指标提高 i v 一体化和集成化 电动机 反馈 控制 驱动 通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的 一个发展方向 有时我们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 有时我们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三者从设计 制造到运行 维护都更紧密地融为一体 但是 这种方式面l 临更大的技术挑战 如可靠性 和工程师使用习惯的挑战 因此很难成 为主流 在整个伺服市场中是一个很小的有特色的部分 v 通用化 通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能 便于用户在不改变硬件 配置的条件下 方便地设置成V F 控制 无速度传感器开环矢量控制 闭环磁通 矢量控制 永磁无刷交流伺服电动机控制及再生单元等五种工作方式 适用于各 种场合 可以驱动不同类型的电机 比如异步电机 永磁同步电机 无刷直流电 机 步进电机 也可以适应不同的传感器类型甚至无位置传感器 可以使用电机 本身配置的反馈构成半闭环控制系统 也可以通过接口与外部的位置或速度或力 矩传感器构成高精度全闭环控制系统 v i 智能化 现代交流伺服驱动器都具备参数记忆 故障自诊断和分析功能 绝大多数进 口驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能 有的可以自动辨识电机的参 数 自动测定编码器零位 有些则能自动进行振动抑止 将电子齿轮 电子凸轮 同步跟踪 插补运动等控制功能和驱动结合在一起 对于伺服用户来说 则提供 了更好的体验 v i i 网络化和模块化 将现场总线和工业以太网技术 甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中 已经成为欧洲和美国厂商的常用做法 现代工业局域网发展的重要方向和各种总 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 线标准竞争的焦点就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性 可靠性 同 步性的要求 随着国内对大规模分布式控制装置的需求上升 高档数控系统的开 发成功 网络化数字伺服的开发已经成为当务之急 模块化不仅指伺服驱动模块 电源模块 再生制动模块 通讯模块之间的组合方式 而且指伺服驱动器内部软 件和硬件的模块化和可重用 访i i 从故障诊断到预测性维护 随着机器安全标准的不断发展 传统的故障诊断和保护技术 问题发生的时候 判断原因并采取措施避免故障扩大化 已经落伍 最新的产品嵌入了预测性维护技 术 使得人们可以通过I n t e r a c t 及时了解重要技术参数的动态趋势 并采取预防 性措施 比如 关注电流的升高 负载变化时评估尖峰电流 外壳或铁芯温度升高 时监视温度传感器 以及对电流波形发生的任何畸变保持警惕 i 专用化和多样化 虽然市场上存在通用化的伺服产品系列 但是为某种特定应用场合专门设计 制造的伺服系统比比皆是 利用磁性材料不同性能 不同形状 不同表面粘接结 构 S P M 和嵌入式永磁 I P M 转子结构的电机出现 分割式铁芯结构工艺在日本的 使用使永磁无刷伺服电机的生产实现了高效率 大批量和自动化 并引起国内厂 家的研究 x 小型化和大型化 无论是永磁无刷伺服电机还是步进电机都积极向更小的尺寸发展 比如2 0 2 8 3 5 r a m 外径 同时也在发展更大功率和尺寸的机种 已经看到5 0 0 K W 永磁伺 服电机的出现 体现了向两极化发展的倾向 x i 其他动向 发热抑制 静音化 清洁技术等 1 4 本文主要研究内容 正是基于以上对交流伺服系统研究现状的分析 本文在充分结合非常适合于 电机控制的T I 公司的新一代低功耗 高速 高精度的D S P 芯片T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 研究了一种通用的 全数字的 高性能的永磁同步电机伺服控制系统 论文各章 节内容安排如下 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第一章通过文献阅读 回顾了伺服系统的发展历史 阐述了当前交流永磁同 步电机伺服系统的研究现状 国内发展情况以及今后的发展趋势 并介绍了本文 的主要研究内容 第二章本章简要叙述了永磁同步电机的基本结构和主要分类 然后从永磁同 步电机在静止的三相对称坐标系模型出发 讨论永磁同步电动机的基本电磁关系 分别建立其在三相静止坐标系 u v w 两相静止坐标系 Q p 和两相旋转坐标系 d q 中的数学模型 然后给出了电流 速度调节器的设计方法 第三章分析了矢量控制原理 确立了基于i d O 转子磁场定向的矢量控制方案 同时介绍了电压空间矢量S V P W M 技术 第四章详细介绍了整个永磁同步电机伺服系统的硬件设计 对系统主回路 功率驱动回路 检测 保护和显示电路给出了具体设计方案 第五章详细介绍了基于C C S 集成开发环境下永磁同步电机伺服系统的软件 设计 给出了整个软件结构框图 论述各个子程序主要任务并给出了相应的程序 流程图 本文结尾则对全文工作做了全面的总结和展望 指出了今后有待继续深入研 究的一些问题 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章永磁同步电机伺服控制 随着永磁材料性能的不断提高 永磁同步电机得到了广泛的应用 作为能量 转换装置 永磁同步电机有多种结构和分类 本章首先简要叙述了永磁同步电机 的基本结构和主要分类 然后从永磁同步电机在静止的三相对称坐标系模型出发 讨论永磁同步电动机的基本电磁关系 分别建立其在三相静止坐标系 I J l v 聊 两 相静止坐标系 a p 和两相旋转坐标系 d q 中的数学模型 在确立电机的数学模型 后 讨论电机的电流 速度调节器的设计 2 1 永磁同步电动机的结构 永磁同步电动机主要由定子和转子两大部分组成 l 永磁同步电动机的定子是指电动机在运行状态下静止不动的部分 其与异步 电动机定子结构相似 主要是由硅钢片 三相对称的绕组 固定铁心的机壳及端 盖部分组成 对其三相对称的绕组通入三相对称的空间电流就可以得到一个旋转 的圆形空间磁场 旋转磁场的转速被称为同步转速n o 半 其中 f 定子电流频 率 P 为电动机的极对数 永磁同步电动机的转子是指电动机在运行状态下可以自由旋转的部分 采用 磁性材料组成 如钱铁硼等 不再需要额外的直流励磁电路 这样的永磁稀土材 料具有很高的剩余磁通密度和很大的矫顽力 加上它的磁导率与空气磁导率相仿 对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大 可以很大程度上的减少电枢 反应 永磁同步电机转子按其形状可以分为两类 凸极式永磁同步电机 如图2 1 a 和隐极式永磁同步电机如图2 1b 它们的根本不同在于转子磁极所在位置 凸极式是将永磁铁安装在转子轴的表面 因为永磁材料的磁导率很接近空气磁导 率 所以在交轴 q 轴 和直轴 d 轴 上的电感基本相同 隐极式转子则是将永磁铁 嵌入在转子轴的内部 因此交轴的电感大于直轴的电感 并且 除了电磁转矩外 还有磁阻转矩存在 为了使得永磁同步伺服电动机具有正弦波感应电动势波形 其转子磁钢形状 呈抛物线状 使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦分布 定子电枢采用短距分 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 布式绕组 能最大限度地消除谐波磁动势 S 8 T 图2 1a 凸极式电机转子图 2 1b 隐极式电机转子 永磁体转子产生恒定的电磁场 当定子通以三相对称的正弦波交流电时 则 产生旋转的磁场 两种磁场相互作用产生的电磁力 推动转子旋转 如果能改变 定子三相电源的频率和相位 就可以改变转子的速度和位置 因此对三相永磁同 步伺服电机的控制也和对三相异步电动机的控制相似 采用矢量控制 并且不要 对转子进行绕组和坐标变换 从而使得三相永磁同步电机的矢量控制要比三相异 步电机的控制要简单 永磁同步电机具有以下的特点 2 9 l 电动机的转速与电源频率始终保持准确的同步关系 控制电源频率就能控 制电机的转速 2 永磁同步电机具有较硬的机械特性 对于因负载的变化而引起的电机转矩 的扰动具有较强的承受能力 3 永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁 因此电机可以在很低的转速下 保持同步运行 调速范围宽 与传统的异步电机相比 永磁同步电机具有以下优点 2 9 l 明显的节能效果 永磁同步电机用永磁体代替电励磁 无励磁损耗 由于 定 转子同步 转子铁心没有铁耗 因此永磁同步电机的效率较电励磁同步电机 和异步电机为高 而且不需要从电网吸取滞后的励磁电流 从而节约了无功 提 高了电机的功率因数 通过实验对比证明 永磁同步电机比异步电机节电 效率 高 2 稀土永磁同步电机较异步电机尺寸大大减少 成为高密度 高效率的电机 3 转子结构大大简化 提高了电机运行的稳定性 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 永磁伺服电动机的数学模型 削aPB of 啷cos渤 O 2 r 31 亿 吃为空间电角度 见 q t y 眈为转子旋转电角速度 y 为起始角度 仍 为转子磁链在A B C 相绕组中产生的交链 是角包函数 2 2 1 永磁同步电机在三相定子坐标系下的数学模型 永磁同步电机三相绕组的电压回路方程 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 阱 B t 尸心c s 等 c s 等 c s 了4 R 足 厶尸心c 等等 鸽c s 孥心c s 竿R t 尸 jj 2 2 其中 U c 为相绕组端的电压 B i c 为各相绕组电流 仍 塞 R L尸足 LP耳呈 尸 茎 一纹纷Lsin 见sin一 04 石 0 0 s i n g 2 x 3 3 c 2 3 0 0 1 I l足 L PI l l 一纹妒rI I 2 一 u o J 耳 尸j l jL s i n 见一4 石 3 j 2 2 2 永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型 由坐标变换理论 对永磁同步电机三相定子坐标系下的数学模型进行3 2 变 换得到 阱r 0 尸 纠讣哆 I c o i n s e p 4 Jl 厶 尸儿略J 一脚 j 卜V 变换过程为 式 2 3 乘以坐标变换阵式 2 5 得到式 2 4 瓜 L 2 了 1 1 1 22 o 笪一笪 22 2 5 其中U a 分别为a p 轴等效电压 i a 扫几分别为旺 p 轴等效电流 心 如为电机在轴Q p 上的等效电阻 电阻R a 邱姐 厶 如分别为0 p 轴等 效电感厶 如 三 尸为微分算子抛 纷叩 彦 1 J 吼 P 1 J 0 b k 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 2 3 永磁同步电机在同步旋转坐标系下的的数学模型 为了后续讨论i d O 控制理论的方便 用固定于转子的同步旋转坐标d q 轴系 来分析永磁同步电机的数学模型 取转子永磁体基波励磁磁场轴线 磁极轴线 为d 轴 直轴 d 轴与A 相绕组的夹角B 而q 轴 交轴 逆时针方向超前d 轴9 0 电 角度 x Y 坐标系为固定在定子上的旋转坐标系 定子磁链的方向为X 轴的正方 向 d q 轴系随同转子以电角速度 电角频率 一起旋转 x Y 轴系随同定子旋转 磁场以电角速度 电角频率 一起旋转 它们空间坐标的位置关系如图2 3 所示 q y 一协 图2 3 定 转子位置关系 d q 轴上的分量可以由定子三相绕组经三相坐标变换或矢量变换得到 即进 行三相轴系到旋转轴系d q 的变换 如对定子电流 采用坐标变换则有 水 反变换为 C O S O r s i n 只 厅 三 辨 c s 谚一了2 n 一s i n 已一了2 n 压 c s 谚 2 3 r e 一s i n 谚 了2 n 店 c o s O s i n O c s p 一了2 n c s 9 了2 n 一s i n 谚一了2 n 一s i n 印 了2 n 压 压 压 2 6 2 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 上述变换关系同样适用于电压和磁链变量变换 对于这个平衡系统 若两参 考轴系间的输入功率满足一下述条件 爿 占 c d g 2 8 则由d q 轴系计算出的电磁转矩就是电动机的实际值 为满足这种功率不变 约束 d q 轴定子线圈的有效匝数应为原三相绕组每相有效匝数的 互倍 如 果原三相绕组为对称的正弦稳态量 在一定的条件下 变换后的d q 量就为恒定 值 该值为原正弦量有效值的 倍 A B C 轴系的定子电压矢量方程可以表示为 蜘 尺 岛鲁 丢 吩P 朋 2 9 1 以将式 2 9 电压方程变换到两相同步旋转d q 轴系中得 尺屯 瓦d 一只q 2 1 0 R 瓦d 一 q 纺 2 1 1 2 1 2 d q 轴系电机的磁链表达式为 仍 厶 驴r 2 1 3 厶 2 1 4 织 刃 簖 2 1 5 d q 轴系电机的转矩表达式为 疋 丢只 仍 一 2 1 6 P M S M 的运动方程为 j r i 出c o 乃一曰q 一互 2 1 7 当永磁同步电机转子为圆筒形 厶 厶 三 摩擦系数B 0 由 2 1 0 2 11 2 1 6 2 1 7 得d q 坐标系上永磁同步电机的状态方程为 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 卧 一R L q 0 一只q R L 一只q L 3 0 吾e 吁 J 0 为获得线性方程 通常采用i a 恒等于0 的矢量控制方式 此时有 耋 I吾e R倒 L 一只纪o 7三l 一u互q L j c 2 9 其中仍 厶 厶分别是定子绕组d q 轴的磁链 电压 电流和 电感 U s 织 R 为定子端电压 磁链和定子绕组电阻 纷为转子磁钢在定子侧的 祸合磁链 只 疋 q 为电机极对数 电磁转矩和转子的角速度 国 e q 为转子电 角速度 J 为转动惯量 k g m 2 正为负载转矩 B 为粘滞摩擦系数 2 3 永磁同步电动机伺服系统的设计 在上一节已经介绍了P M S M 的解耦状态方程如式 2 1 9 所示 在零初始条件 下 对电机的解耦状态方程求拉氏变换 以电压 为输入 转子速度为输出的交 流永磁同步电机系统框图如图2 4 所示 其中K 三p 纷为转矩系数 本文设计永磁同步电动机伺服控制系统由速度环 电流环双闭环构成 其动 态结构框图如图2 5 所示 图2 4 交流永磁同步电机系统框图 0儿化 砌如玩 L 1 j 0 0 q 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 5 伺服系统双闭环动态结构图 当采用传统P I D 调节器时 永磁同步电动机伺服控制系统属于多环系统 按 照设计多环系统的一般方法来设计控制器 即从内环开始 逐步向外扩大 一环 一环地进行设计 首先设计好电流调节器 然后把电流环看作转速环中的一个环 节 再设计转速调节器 这样整个系统的稳定性就有可靠的保证 并且当电流环 或速度环内部的某些参数发生变化或受到扰动时 电流反馈与速度反馈能对它们 起到有效的抑制作用 因而对最外部的位置环工作影响很小p 制 2 3 1 电流调节器的设计 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 伺服系统要求电流控制环节具有输出电流谐波 分量小 响应速度快等性能 因此 需要求得电流环控制对象的传递函数 电流 环控制对象为 P W M 逆变器 P W M 信号形成 延时 隔离驱动及逆变器 电机 电枢回路 电流采样和滤波电路 按照小惯性环节的处理方法 忽略电子电路延 时 仅考虑主电路逆变器延时 P W M 逆变器看成是时间常数兀 瓦 l f 为逆变器 工作频率 的一阶小惯性环节 电机电枢回路有电阻R L 为一阶惯性环节 由于 电流反馈信号中含有较多的谐波分量 这些谐波分量容易引起系统震荡 因此电 流反馈信号都要经过滤波 为了补偿滤波环节对电流惯性的影响 在电流给定的 输入端设置了给定信号滤波器 且电流给定滤波器时间常数和反馈滤波时间常数 相等 电流反馈滤波环节可以视为时间常数为乃和控制增益姑的 阶惯性环节 2 6 oP M S M 伺服系统电流环控制结构框图可由前述的各个环节模型及传递函数得 出 如图2 6 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 图2 6电流环动态框图 则电流环的闭环传递函数为 G 一一一坠 型坐L 一 2 2 0 啄D 2 瓦鬲恧而丽嚣i 孝最忑丽 选择电流调节器的零点对消被控对象的时间常数极点 即t 瓦 乙 L R 其中郧为电流调节器的放大倍数 0 为调节器的积分时间常数 乙为P M S M 电 枢回路电磁时间常数 考虑到伺服系统的机械惯性比电枢回路的电磁惯性大的多 即电流响应要比转速响应要快 因此 在设计电流调节器时 反动势对电流的影 响可以忽略 另外 电流滤波 逆变器控制的滞后 均可看成是小惯量环节 可 以将其按照小惯量环节的方法处理 合成一个小惯性环节 则电流的闭环传递函 数为 丽丽g g 丽i K e 南 2 2 1 式中K I R K 为小惯量环节控制增益 正为小惯性环节时间常数 互 乙 乃 厮 兀分别为电流环滤波时间常数和逆变器滞后时间常数 K g g i K p 丁r Z q 电流环是速度调节中的一个环节 由于速度环的截止频率较低 且互 t 故电流环可以降阶为一个惯性环节 由此实现速度环速度调节器的设计 降阶后 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 的电流环传递函数为 s 王s 1 C K K 尸 1s 1 K 一 2 2 2 本文中采用三相Y 接P M S M 并且选择小惯量环节参数K 3 0 牟O 0 2 5 m s 铲 悒由刊 竽 珥从而可鹳 篙 在本系统中要求 超调量万 O s i g n x l 如果x 3 0 0 V 因此本文用两 个电容串联以提高其耐压性能 3 限流电阻R L 与开关K 由于储能电容大 加之在接入电源时电容器两端 的电压为零 故当刚合上电源的瞬间 滤波电容器的充电电流很大 过大的冲击 电流将可能使整流桥的二极管损坏 为了保护整流桥 在刚接通电源的一段时间 里 在电路内串入限流电阻 作用是 将电容器的充电电流限制在允许的范围内 开关K 的功能是 当滤波电容充电到一定程度时 令K 接通 将R L 短路 具体 设计图4 3 所示 系统在刚上电瞬间时 由于滤波电容处于短路状态 电容充电电流较大 容 易损坏整流桥和滤波电容 所以在直流母线上接入限流电阻R L 电机在刚启动 时 由于继电器还没有吸合 电流通过限流电阻向滤波电容充电 当滤波电容上 电压达到电机正常运行的6 0 时 电压比较器L M 3 9 3 输出高电平 使三极管C 9 4 5 导通 继电器一端的变为低电平 其线圈两端的压差达到工作电压 电压继电器 常开触头闭合 将电阻R L 短路 结束限流起动过程 进入正常运行状态 对整 流桥起到了保护作用 这种保护电路即使出现电源瞬间断电 仍能使系统正常工 作 同时 可以改变电容C 6 的大小来调节限流起动的时间 I L L1 2 0 2 5 wp 4 3 2 功率驱动单元 图4 3电机限流启动保护电路 功率变换部分是永磁同步电机控制系统的重要组成部分 其功能是依据 P W M 控制信号将两相频交流电变换成频率 相位和幅值均可调的交流电 功率 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 变换单元的结构形式多种多样 而采用交一直一交变换方式的电压源逆变器 目 前在永磁同步电动机控制系统中应用广泛 在功率变换单元的设计中 功率电子 开关的选择很重要 其P W M 调制方式 开关频率及饱和压降直接关系电动机定 子电流的谐波含量 从而对永磁同步电动机的性能产生影响 除此之外 整个控 制系统的可靠性特主要取决于功率变换单元的安全保护 在大功率电力电子器件应用中 I G B T 己取代G T R 和M O S F F T 成为主流 I G B T 的优点在于输入阻抗高 开关损耗小 饱和压降低 通断速度快 热稳定 性能好 耐高压且承受大电流 驱动电路简单 目前 由I G B T 一单元构成的功 率模块在智能化方面得到了迅速的发展 陋 州 2 1 l P 2 2 P 1 l 幛u h 坩吖 I I H l i 图4 4富士7 M B R l 0 S A l 2 0 内部结构图 本文中应用驱动电路的就是富士公司的S 系列含整流桥7 合1I G B T 模块 P o w e rI n t e g r a t e dM o d u l e P I M 所谓7 合1 就是产品中有7 个I G B T P I M 在7 合1 的基础上内置了整流桥和热敏电阻 如图4 4 所示 它以I G B T 为主开 关器件 这就决定了它的开关速度较高 目前己达到2 0 k H z 耐压方面 整流桥 部分达1 6 0 0 V 逆变器部分达1 2 0 0 V 它的智能化主要表现在容易实现控制 保 护和接口功能等三个方面 采用它来构建主逆变电路 可以极大地简化电路结构 同时也提高了电路工作的可靠性与稳定性 基于以上原因 本文选择7 M B R l 0 S A 1 2 0 作为逆变器 如前所述 P I M 内部己经包含功率器件的驱动及保护电路 使用时只需提供 驱动电源和P W M 波形的开关控制信号 驱动电源需要4 路相互独立的电源 其 中3 路独立电源分别提供给逆变器上桥臂的3 个开关器件 而下桥臂的3 个开关 器件共用另1 路电源 驱动电源的典型电压值为1 5 V 由于功率器件采用I G B T 每一个内含I G B T 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 的驱动功率约为0 2 5 W 因此总驱动功耗小于2 W 驱动电源同时还需要为保护 电路提供电源 考虑到口M 的高频开关工作能力 P W M 波形的开关控制信号的 传输隔离电路应具有尽可能短的传输延迟时间 以提高驱动电路参数的一致性 因此 口M 驱动控制电路按照如下要求设计 A 驱动电源必须采用四组隔离电源 上桥臂每相各用一组电源 下桥臂三相 共用一组 四组驱动电源的隔离度应达到1 2 0 0 V B 驱动电源电压在1 3 5 V 1 6 5 V 之间 I P M 能够正常工作 C 光耦输出与I P M 输入之间在P C B 上的走线应尽量短 最好不要超过3 c mO D 驱动信号隔离要用高共模抑制比 C M R 的高速光耦 要求t p 1 0 k V u s 如6 N 1 3 7 H C P L 3 1 5 0 等 根据口M 的特点及驱动要求 本文设计了采用光耦的快速隔离驱动电路 光 电耦合器结构简单 使用方便 利用电一光一电转换来完成隔离功能 在电力电 子器件的驱动电路中广泛用来实现开关控制信号的传输和电气隔离 由于P I M 驱 动电路要求开关信号的延迟时间在队0 5 u s 以内 因此需选用快速光耦 为提高 控制信号传输速度 选用逻辑门光耦H C P L 3 1 5 0 该器件隔离电压高 共模抑制 性强 速度快 驱动电路图4 5 所示 t W 图4 5P W M 输出H C P L 3 1 5 0 隔离驱动电路 4 4 速度 位置检侧 高精度 高速的传感器是伺服系统的关键技术 交流伺服系统中常用的传感 器不但要完成系统的位置检测 而且同时实现电动机速度测量与转子磁极位置检 测 但在目前并不是所有的位置传感器都能同时完成这三种检测功能 目前 常 用的位置传感器有光电式 电磁式等 具体来说有 光电编码器 磁编码器 旋 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 转编码器等 后两种由于不易做到高精度 或由于信号处理电路复杂等原因 在 实际的伺服系统应用较少 木文采用的是光电编码器 光电编码器分为增量式和绝对式 较其它检测元件有直接输出数字量信号 惯量低 低噪声 高精度 高分辨率 制作简便 成本低等优点 增量式编码器 结构简单 制作容易 一般在码盘上刻A B Z 三道均匀分布的刻线 由于其给 出的位置信号是增量式的 当应用于伺服领域时需要初始定位 增量式编码器一 般都做成循环二进制代码 码道道数与二进制位数相同 绝对式编码器可直接输 出转子的绝对位置 不需要测定初始位置 但其工艺复杂 成本高 实现高分辨 率 高精度较为困难 通用的交流伺服系统上采用的绝对式编码器精度一般在1 2 位至2 0 位之间 相对绝对式 增量式成本投入少 应用简单方便 对于永磁伺服电机来说 通常是在电机主轴上内嵌入光电编码器用来进行速 度和位置的测量 其工作原理是 光电码盘 图4 6 所示 一侧的两个光敏管受另一 侧发光二极管的控制 在光电码盘上均匀分布着很多个光电孔 当光透光透过光 电孔的时候 光敏管产生逻辑 1 的信号 当发光二极管被遮住的时候 光敏管 产生逻辑 O 的信号 这样 两个光敏管会产生A B 两路相位相差9 0 的正 交信号 柳B 相倒缝隙 主刻度盘 缝隙 n 几n 几n 几几n 广 B 门 几 门 n 几几几n 一广 z j r l 一 图4 6 增量式光电编码器工作原理图和输出波形 本文采用的是安川交流电机自带的光电编码器 它有三相输出 分别为A B Z 相 A B 为两相正交信号 Z 相为定位信号 电机每旋转一圈 Z 相发出 一个脉冲信号 利用Z 相和A B 相的相对位置可以精确定位电机的磁极位置 T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 事件管理模块具有正交解码脉冲电路 Q E P 电路 当该电路被 使能后 引脚C A P l Q E P I 和C A P 2 Q E P 2 接收脉冲信号 并进行解码和计数 正 交解码脉冲电路可用于连接光电编码器以获得电机转子的位置及速度信息 电机 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 轴上的光电码盘输出的正交编码脉冲经接口电路输入到正交解码脉冲输入电路 接口电路用来完成脉冲的隔离 整形功能 其电路原理如图4 7 所示 由于码盘 输出的信号最高接近6 0 k H z 而普通光耦的开通和关断就有几个微秒的延时 无 法满足要求 因此 本文采用高速光耦6 N 1 3 7 4 5 定子电流检测 6 N 1 3 7 7 图4 7 转速检测电路 电流信号检测的结果可以用于转矩和电流控制以及过流保护信号 本课题研 究的三相平衡系统屹 0 因此检测其中A B 两相电路 电流信号的检测主要有以下几种 1 直接串联取样电阻法 2 电流互感器法 3 霍尔传感器法 本文用直接串联取样电阻法 为了很好地隔离干扰或噪声 需要抗干扰性能 好的小信号放大器