交流伺服电机的速度控制.doc

精品文档伺服控制报告永磁交流同步伺服电机的速度控制机自73组员：张乐 07011061张强 07011061李祚 07011061刘晓宇 07011061陈建伟 0701106124欢迎下载24欢迎下载24欢迎下载。目录永磁交流同步伺服电机的速度控制11伺服系统简介12绪论13总体方案设计13.1控制单元23.2位置反馈装置23.3功率驱动单元24系统硬件设计24.1控制模块24.2驱动模块35系统软件设计45.1定时器中断服务程序55.2转子位置及速度计算程序65.3AD转换及数据处理程序75.4驱动故障保护程序86系统数学模型及仿真97系统控制策略的选择117.1电流内环P调节器的分析与设计117.2电流环内各环节数学模型的建立127.3速度外环传统PI调节器的分析与设计148基于LabWindows/CVI的系统控制软件设计178.1关于LabWindows/CVI178.2控制软件设计188.3发送任务188.4接收任务198.5用户交互任务208.6事件及其处理方法209设计小结22永磁交流同步伺服电机的速度控制1 伺服系统简介伺服控制用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统,又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）2 绪论伺服电机属于一类控制电机，分为直流伺服电机和交流伺服电机两种。由于交流伺服电机具有体积小、重量轻、大转矩输出、低惯量和良好的控制性能等优点，故被广泛地应用于自动控制系统和自动检测系统中作为执行元件，将控制电信号转换为转轴的机械转动。由于伺服电机定位精度相当高，现代位置控制系统已越来越多地采用以交流伺服电机为主要部件的位置控制系统，本文介绍永磁交流同步伺服电机的速度控制3 总体方案设计交流伺服系统一般包括上图所示几个部分：功率驱动单元、位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元及电流反馈单元等。由于本文主要进行速度控制，因此将上图简化后得到本次设计结构如下：码盘功率驱动电机及负载速度控制S位置反馈3.1 控制单元控制单元是整个交流伺服系统的核心，包含着系统位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器。数字信号处理器(DSP)已被广泛应用于交流伺服系统，世界各大芯片公司也推出了面向电机控制的专用DSP芯片。3.2 位置反馈装置位置反馈装置是交流伺服系统的重要组成部件，选择的是否合理直接关系到系统的静态及动态特性。目前常用的位置传感器主要有高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁性编码器等元件。3.3 功率驱动单元功率驱动单元采用全桥不控整流，三相电压型逆变器变频的Ac。DCAC结构。逆变部分采用集成驱动电路、保护电路积功率开关于一体的智能功率模块(IPM)，开关频率可达20KHz。实际工作时通过计算机上的控制元件向伺服系统发出指令，伺服系统控制伺服电机运动，通过安装在转轴上的光电编码器测得电机的转动信息。当电机转动时，光电编码器随着转动，能够产生a、b两路脉冲信号，这两路信号相差90相位角，由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。如果a相脉冲比b相脉冲超前则电机正转，反之则电机反转。通过对这两路正交信号在一定时间内的计数，可以计算出电机当前的转速。然后对预定值与测量值进行比较，将差值通过DA转换器转换成电压信号输出给驱动器，从而实现对伺服电机的闭环控制。4 系统硬件设计系统硬件原理框图如图1所示。 永磁同步电机伺服系统硬件平台主要由控制模块与驱动模块构成，主要完成以下功能：4.1 控制模块控制模块主要完成控制算法的实现。控制模块通过AD转换和编码器电路获取伺服系统的运行情况，再根据给定和算法来计算出控制输出，并完成输出。此外，当系统出现故障时，控制模块要及时停止输出。在本平台中控制模块还需要完成系统运行数据的采集以及与上位机和数据采集模块的通讯工作。4.2 驱动模块驱动模块完成对永磁同步电机的驱动工作以及永磁同步电机伺服系统运行信息的收集工作等。其主要功能如下：1、电机运行信息的收集对于永磁同步电机伺服系统，系统所必须获取的系统信息为：三相电流、转子位置、转子转速、控制目标位置等。其中，三相电流是永磁同步电机高性能控制的必须数据。而转子转速通常是通过转子位置的差分获得。如果系统要完成位置伺服控制，那么系统必须获取控制目标位置数据。一般情况下，控制电路与驱动电路的模拟信号或者脉冲信号在电压标准方面存在差异。为此驱动电路部分需要使用通过运算放大器或者光耦构建电路来完成信号变换。2、驱动电机与保护系统驱动电路最重要的工作是根据控制电路的控制信号完成对永磁同步电机的直接驱动。为防止驱动部分的干扰影响控制电路的稳定性。一般驱动电路的供电与控制电路的供电是互相独立的。因此，电路之间需要使用高速光耦来完成信号的隔离与准确传输。此外，在研究实验过程中，一般无法保证算法不会出现问题。因此，研究用平台的驱动电路要求具有相较应用性平台更完善的保护功能。所以，我们需要设计硬件电路来完成：母线电压异常保护、电流过流保护、系统过温保护、IPM上下桥短路保护等功能。伺服系统硬件电路设计：出于设计的方便，使用了一些现成的模块。大致分为：伺服永磁同步电机、驱动模块、控制模块、数据采集模块。永磁同步伺服电机：本设计采用伺服永磁同步电机主要参数额定输出功率200W 额定转速3000rpm 最高转速3600rpm 额定转矩0637Nm 峰值力矩(瞬间) 1911朋电枢线间绕组电阻124 Q 电枢线问绕组电感319mH 额定线电流(有效值) 13A 额定线电压(有效值) 1198V 峰值电流(有效值) 39A 速度位置传感器光学编码器(2500ppr)本设计中驱动模块使用高压功率驱动板。它是集IPM、开关电源、高速光耦、保护电路、吸收电路、外围接口、散热器于一体，采用国际标准工艺定制的全功能逆变驱动器。具有以下特点：1、输入80-260V ACDC电源，最大峰值电流15A，输出功率为2KW左右，更换驱动模块最大可到5KW。2、采用IPM模块，具有过流，过热，欠压，过压，输出电流检测等完整的保护措施，PWM频率最高可达20K。3、内置60W大功率反激式开关电源，具有强劲的电流输出能力，使系统更趋安全。8路隔离输出，基本满足所有客户的电源要求。4、高速光耦使用安捷伦高速光耦HCPL4504作电气隔离，隔离强度为15KVuS， 彻底保证弱电与强电系统的隔离。5、4组独立IPM供电，杜绝因自举充电带来的隐患。6、增量式光电编码器信号输入接口和霍尔传感器信号输入接口。7、霍尔电流传感器，保证电流采样的精度和绝缘。选用高压功率驱动板，芯片是32位定点高速数字处理器，最高工作频率150Mttz。数据采集电路如下：通过搭建辅助电路建立一个数据采集系统，其功能为将控制板发送来的数据，进行简单处理后打包发送给上位机，上位机再将数据记录存储。5 系统软件设计控制系统主程序流程如图1所示，当系统上电复位后需要完成系统的初始化工作包括：初始化各个使用到的模块如等；配置并初始化IO口；各控制环的变量等参数初始化设置等，之后完成转子初始位置确定。当完成这些初始化工作后系统进入主循环中对数据包解析，等待控制指令。5.1 定时器中断服务程序DSP主程序初始化后，当接收到启动指令后，DSP会执行启动程序：首先初始化相关EVA寄存器与变量(本设计中定时周期为200us)，然后开启了EVA定时器T1，开始输出。定时时间到后，定时器将向DSP发出下溢中断，DSP会响应中断并自动保存现场转入中断服务程序。中断服务程序中将完成输出的计算，计算包括电流信号的Park变换、位置信号的处理、速度环算法、电流环算法及最后的逆Park变换和SVM输出计算等，其流程如图2所示。为简化程序流程，设计中AD采样被设置为定时器的下溢中断触发。由于AD转换需要消耗一定时间，因此中断服务程序中查询式读取AD采样结果时AD采样过程可能仍未完成，这样会使得程序陷入等待中。如果发生这种情况，中断服务程序有限的时间必然会被浪费。因此，程序中将不涉及到AD采样结果的子程序(位置计算等)安排在读取AD采样结果之前，从而提高处理器的运行效率。此外，中断服务程序中除了输出的计算外，还要把采集到的数据装入数据发送缓冲区，完成实时数据的收集工作。具体的处理器时间分配如图3所示。5.2 转子位置及速度计算程序本设计中使用增量式编码器获取转子位置，电机每转编码器会发出2500个脉冲。DSP的正交编码脉冲处理电路将编码器A、B两路信号(来自QEPl与QEP2)自动地利用每个A、B信号的四个边沿(两个上升沿与两个下降沿)将输入信号4倍频，从而使每转得到10000个计数脉冲(如图4所示)，提高了编码器信号的分辨率。本设计中解码后的脉冲使用计数器T2计数，因此我们可以根据T2的计数值计算转子的位置。为了解决增量式编码器误差累计的问题，编码器带有一个零位脉冲信号Z(本设计中在转子的机械0位置即电角度0位置发生归零)。设计中使用DSP的捕获单元，捕获Z信号后中断服务程序将对计数器进行清零，从而可以在转子转动一周即对转子位置进行校正，保证了位置计算结果的准确性。其中断服务程序流程如图5所示。在获取到T2计数器值后，我们需要通过计算将读取到的计数值转换为转子的位置并计算出转速。通过分析我们可以获得到以下关系。转子机械角度=T2计数值机械角度系数机械角度系数：210000 转子电角度=转子机械角度4(电机极对数) 本文中速度计算采用简单的M测速法。根据该法，如果在相等的时间间隔内，读取计数器的记数变化量为。，则电机的转速为：5.3 AD转换及数据处理程序程序中AD模块被设置为由定时器下溢中断启动，单次采样时问为0.16us，依次对U、V相电流各进行8次采样。采样时间约为256us。程序中使用查询方式读取转换结果，通过查询判断ADC状态与标志寄存器2(ADCSTFLG)的忙状态位，等待转换完成后读取转换结果。为解决干扰对信号的影响，处理程序中对采样结果进行简单的处理即：将读取到的8个结果进行去掉最大值与最小值后求平均，提高AD采样的准确性。获取到电流值后，还需要对电流值进行判断，确定电机是否过流。如过流则程序需要关闭输出，报告故障，以保护系统。流程如图6所示。 5.4 驱动故障保护程序出现错误时，驱动板会出现过流、短路或者电源故障等情况，此时驱动板将产生故障信号。本设计中该故障信号接入DSP的PDPINTA引脚，使故障信号引发DSP发生中断。中断发生后DSP自动封锁PWM输出，同时进入相应中断服务程序。中断服务程序如图57所示将完成一系列保护操作：终止PWM输出、停止定时器、故障信息发送等，从而保证系统在最短时间内终止实验从而防止电机和驱动过载而烧毁，保护系统。6 系统数学模型及仿真1972年德国西门子公司的F.Blaschke提出了交流电动机的矢量控制原理。该理论通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流分解为与磁场方向(d轴方向)相同的激磁分量，和与磁场方向正向(q轴方向)的转矩分量，得到类似直流电机的解耦的数学模型。具体来讲，就是通过电机外部控制，对电枢磁通势相对励磁磁场进行空间定向控制，也就是直接控制两者之间的空间角度，称为“角度控制”。在实际角度控制中，一种特殊的控制方式就是使电枢磁通势与励磁磁场的夹角为90度，即二者的空间角度为90度，这种控制就称为“磁场定向控制”。此电枢磁通势与励磁磁场正交，从而在电机控制中获得良好的去耦特性，使每安培电流产生的电磁推力最大。参考相关文献，可得永磁同步电机的d-q轴数学方程如下：（1）磁链方程其中，d、q为d、q坐标轴上的定子磁链分量； Lsd、Lsq为d、q坐标轴上的等效电枢电感；id、iq为d、q坐标轴上的定子电流分量；r为永磁体产生的与定子交链的磁链。（2）电压方程将式（1）中的d、q带入到上式中，用p表示微分算子，可得其中，ud、uq为d、q坐标轴上的定子电压分量；Rs为定子电阻；e为转子旋转的电角速度（3）转矩方程将式（1）中的d、q带入到上式中,可得其中，Tem为电磁转矩；P为转子极对数(4)运动方程其中，J为转动惯量（包括转子转动惯量和机械负载折算过来的转动惯量）；m为电机转速；B为粘滞摩擦系数；TL为负载转矩经矢量控制后，令=0，则永磁同步机电压平衡方程变为对于PMSM的永磁体转子，r是恒定值，由公式（2.12）可以看出电磁转矩Te和q轴电流iq成正比，控制iq就能直接控制电磁转矩，iq也因此叫做定子电流的转矩分量，相应的id叫做定子电流的励磁分量。此时从电动机端口来看相当于一台它励直流电动机，定子电流中只有交轴转矩分量，定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交。在永磁同步电机控制系统中，为了改变注入电机定子电流的频率和幅值，控制设备需要实时的产生六路PWM脉冲去控制逆变器的通断。空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）能明显减少逆变器输出电流的谐波成分及电动机的谐波损耗，降低了转矩的脉动，提高了直流电压利用率。由于其控制简单，方便实现数字化，目前应用越来越广.本设计中我们就采用它来工作。电压空间矢量技术（SVPWM，也称为磁通正弦PWM）是从电动机的角度出发，着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场，即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。由于本人精力、能力有限，在此不再详述。7 系统控制策略的选择经过查找学习伺服系统资料，我们决定采用速度外环和电流内环的双环闭环控制系统，其中电流环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部的干扰，限制最大电流保证系统的安全；速度环的作用是增强系统的抗扰动能力，抑制速度波动。因此系统调节器的设计就包括电流内环调节器的设计和速度外环调节器的设计。调节器的设计实际上是确定各PID控制器中的比例增益系数、积分时间常数和微分时间常数。在设计伺服系统调节器的时候，其设计原则如下：（1）先设计内环,再设计外环；（2）内环的频带宽度要高于外环,即电流环的频率响应要高于速度环；（3）设计速度外环时,通常可根据等效条件,把电流内环等效为一阶惯性环节；7.1 电流内环P调节器的分析与设计电流内环的作用是提高系统的快速性，抑制电流环内部的干扰，限制最大电流保证系统的安全。为实现的简便及动态响应的快速性，电流内环调节器决定采用比例(P)调节器。7.2 电流环内各环节数学模型的建立电流环设计的基础是各环节的数学模型的建立，这其中包括PMSM的数学模型、电流检测环节的数学模型、滤波环节的数学模型和PWM逆变器的数学模型等。在建立起各环节的数学模型后，整个电流环的数学模型随之建立。（1）PMSM电流解耦控制的数学模型的建立经矢量控制后，令=0，则永磁同步机电压平衡方程变为由上式可知，因为存在ud，它在三相永磁同步电机中将产生电枢反应转矩,使得转矩具有非线性特性。但在实际的三相永磁同步电机伺服系统中，所以，电枢反应影响可以忽略不计。此时由于Er =e r为三相永磁同步伺服电机的反电动势，所以有其中Ta =Ls q /Rs为PMSM的电气时间常数；p为微分算子。对式进行拉普拉斯变换，整理后可得电压、电流传递函数为：将电磁转矩方程式代入机械运动方程式，可得到其中Kt=Pr为三相永磁同步电机的转矩常数；I1=ML/KT等效负载电流；B为阻尼系数；J为电机的转动惯量。对此式进行拉普拉斯变换并整理后得若忽略阻尼系数B的影响，则可以得到电流与角速度的关系为（2）电流检测环节、滤波环节的数学模型可以将电流反馈环节当作比例环节处理。其传递系数用Kcf表示。对于滤波环节，它可视为惯性环节，其时间常数为Tcf，通常Tcf的取值选择为所以电流检测和滤波环节的传递函数为：（3） 逆变器的数学模型三相PWM逆变器可看成是一个纯滞后的放大环节，放大系数是一个常数，用KPWM表示。其滞后作用可以认为是调制比较器的滞后时间、为确保安全而设置的触发时间及功率开关器件本身的关断延时时间等三部分组成。三者之和一般不会超过PWM周期的一半。所以实际计算中逆变器的延时时间TPWM等于PWM周期TPWM的一半，即而KPWM的取值为：故逆变器的传递函数为由以上可得电流环传递方块图系统传递函数为特征方程为根据控制理论的相关知识可解得：对这个式子进行简化处理,可以得到KPC的工程计算公式如下7.3 速度外环传统PI调节器的分析与设计速度调节器是交流伺服系统中极为重要的一个环节，其控制性能是伺服系统的一个重要组成部分。一般来说伺服系统要满足小的速度脉动、快的频率响应和宽的调速范围，而速度调节器设计的好坏直接影响这些性能指标。速度环调节器采用PI调节。在设计完电流内环之后，再利用电流与角速度的关系，即可以得到速度环的等效结构图如下所示其中KAD为AD转换器的转换系数；Kf为速度转换系数；3/2为2/3变换系数；KP为度调节器中的比例增益系数；Ti为速度调节器的积分时间。电流环闭环传递函数为一般情况下可合并两个小时间常数的惯性环节，电流环闭环等效传递函数可简化为：其中，T i =T PWM +Tcf。由于Ti的导数远大于速度环的截止频率，则电流闭环等效函数进一步简化为一阶惯性环节：其中于是伺服系统速度环的固有部分的传递函数为则可以推导出速度调节器各增益系数的工程计算公式如下其中KP为速度调节器增益系数；Ti为速度调节器积分时间；m为相角稳定裕度，c1 =2f1，f1为速度环闭环频带宽度。电机简化为直流电机进行仿真，仿真方块图如下对系统输入输入阶跃得到的系统输出Matlab程序的输出8 基于LabWindows/CVI的系统控制软件设计8.1 关于LabWindows/CVILabWindows/CVI是National Instruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSI C为核心，将功能强大，使用灵活的C语言平台与数据采集，分析和表达的测控专业工具有机地接和起来。它的集成化开发平台，交互式编程方法，丰富的控件和库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统，自动测量环境，数据采集系统，过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。8.2 控制软件设计软件系统设计采用LabWindowsCVI 90作为软件开发环境，它提供了丰富的图形用户界面元素和集成了多种接口的功能库。软件的开发效率高，便于系统的调试和维护。软件按功能可划分为发送任务、接收任务和用户交互任务，其任务状态图如图2所示。软件设计遵循了软件工程化设计原则，按各任务模块进行设计，整个软件总体流程图如图3所示。控制和在线检测软件采用UDPIP组播方式进行数据通讯，系统内各硬件单元均以200次/s的速度向系统网络组播地址发送数据报文。UDPIP组播通讯常用于一个功能主机集群网络的通讯，当网络中混杂了多个功能的主机集群时，组播通讯能很好地起到区分功能主机集群的作用，不同功能的主机集群创建一个组播地址，这个集群中的主机通过组播方式进行同一功能间的数据通讯。8.3 发送任务发送任务主要的功能是向电机发送控制指令数据，当软件成功配置网络参数后，发送任务将定时以200次s的速率向网络组播地址发送电机的控制指令数据，电机的DSP主控模块将接收PC端主机发送的数据，根据通讯协议，电机将按协议规定数据位置读取各自的控制指令数据，并按指令数据对电机进行控制。发送任务的程序流程如图5所示。纵向电机每转为300步，即系统发出300个脉冲，使步进电机转一圈，系统是以一个脉冲为最小控制单位，丝杠螺距为12mm。横向步进电机每转400步，即发400个脉冲，电机转一圈，丝杠螺距为6mm。从而可以算出相应参数的控制精度，同时程序命令可明确要求电机走多少步，旋转多少度，走多少位移。为了让步进电机的速度改变平稳，以防加速度过大而发生失步，程序应该设计升降速控制。由前所述，整个测控程序是基于LabWindows/CVI虚拟仪器平台的，所以为实现对两步进电机的准确控制，CVI的特性和环境特点很重要。8.4 接收任务接收任务的主要功能是接收电机DSP主控模块回馈的电机状态信息，通过收到数据中的源端IP地址来区分对应的DSP主控模块，并将有效的数据包根据传输协议进行数据滤包，最后用户交互任务会将电机的状态信息显示在人机界面上。接收任务的程序流程图如图6所示。8.5 用户交互任务用户交互任务的主要功能是：由用户通过人机交互界面输入控制指令数据，同时将各路电机反馈的信息显示在界面上。LabWindowsCVI提供了丰富的人机交互界面元素，用户通过使用这些元素能方便、快速地创建出专业的人机界面。在每个工程目录中，LabwindowsCVI都提供了一个界面文件(串uir)，用户可根据软件需求添加相应的界面控制元素，通过界面控制元素提供的回馈函数可创建出元素触发事件，触发事件的回馈函数由Lab-WindowsCVI来统一管理，当定义的元素触发事件被触发后，程序将执行元素的触发事件，执行用户定义的数据处理。8.6 事件及其处理方法在应用LabWindows/CVI进行应用程序的开发过程中，通常的方法是在开发环境LabWindows/CVI中设计一个用户接口，实际就是在用户计算机屏幕上定义一个面板（软面板），它有各种程序所定义的控制项（如命令按钮、菜单等）所组成，用户选择这些控制项就可以产生一系列用户接口的消息，我们把这些消息称为事件。例如，当用户当击一个按钮时即产生一个用户接口事件。并传递给用C+开发的相应程序，这其中主要应用了Windows编程中的事件驱动机制。我们对两步进电机的控制编程，用到了EVENT_COMMIT事件