现代交流伺服系统分析与设计

现代交流伺服系统分析与设计第一章交流伺服系统概述提出问题1：如何认识交流伺服系统？应用特点：运动变量控制，“承上（接收控制器命令）启下（驱动机构）应用要求：高速高响应，高精度伺服系统基本概念和主要应用基本概念：变频控制系统：压频变换建立电机的合适工作方式和工作点调速系统：宽调速范围和稳速精度伺服系统：定位精度、跟随精度和跟随速度，关注机构的最终控制性能主要应用：数控机床、轻工自动化系统、半导体加工设备、机器人、武器装备伺服系统的基本应用结构形式提出问题2：交流伺服系统的应用结构是什么样的？各有什么样的特点？伺服系统是如何接受信息？如何处理信息？如何对信息进行反应的？作出正确的反应关键问题有那些？开环伺服系统应用结构形式半闭环伺服系统应用结构形式全闭环伺服系统应用结构形式混合闭环伺服系统应用结构形式控制器＋伺服驱动系统＋机械传动机构应用要求：控制信号的处理（接口类型选择），机械负载特性的建模计算（设计选型、系统调整）控制形式：转矩/电流、速度、位置第三节伺服系统的基本组成结构和性能指标提出问题3：伺服系统的信息传递通道是怎么样构建的？为什么要如此设计？ 结合伺服系统诸多特点和要求，如何分析和构建伺服系统的内部结构？它的物理结构和控制结构是什么样的？在指标上如何定义才能反映应用的要求和性能的要求外部接口：与控制器的接口，（1）＋/-10V模拟接口实现速度或转矩控制（2）脉冲接口实现位置控制 （3）网络通讯接口，全面的诊断、控制、协调功能（4）逻辑功能接口实现辅助逻辑控制或组合工艺控制 与伺服电机的接口：（1）提供电机动力电源，PWM电压（2）位置反馈接口，检测位置或速度反馈信息基本组成：硬件角度：功率回路，电源回路，控制回路控制结构角度：轨迹/位置控制＋速度控制＋转矩控制实现运动控制或伺服控制基本组成结构：全硬件伺服系统（集成电路或ASIC/FPGA）全数字半软件伺服系统（CPU＋ASIC/FPGA）全数字软件伺服系统（DSP/MCU）性能指标：精度、快速性、稳定性技术要求：基础可适用性、可靠性、环境、体积、经济性系统性能指标要求：稳态跟踪精度、定位精度、最高频率、瞬时最大电流和额定电流、速度变动率、转速不均匀度；系统控制特性指标要求：稳定性、时频域特性、鲁棒性第四节伺服系统的知识背景和发展趋势提出问题4：伺服系统的专业知识背景和发展的趋势？知识基础：电学：电子、电路、电气磁学：电机力学：机构建模自动控制：控制器算法设计计算机软件：编程发展趋势：高速化（带宽增加）高精度化（处理信息更精确）网络化（诊断、互换性、开放性）绿色化（功率因数、电磁干扰）大容量化（高效节能）小型微细化（应用领域高扩散性）主流厂商：美国：A－B，PacificScience，Danaher日本：三菱、安川、松下、FANUC欧洲：西门子、Indramat、CT国内：广州数控、华中数控、迈信、埃斯顿、南京高士达第二章现代交流伺服系统的基本特征提出问题5：现代交流伺服系统的体系结构和基本控制原理是什么样的？如何结合实际应用的要求认识和解决其基本控制实现问题？高性能的交流伺服电动机提出问题6：控制对象的特征认识：伺服电动机的基本特点？伺服电机有那些种类？各有什么特点？基础控制问题是什么？控制关键是什么？如何高速精确地实现电机的控制？伺服电机的基本特点：体积小、重量轻、大转矩输出能力较低的惯量良好的控制性能以及发电制动能力转矩脉动小主要分类：（1）直流伺服电机：依据电枢结构不同可分为多种，有杯型空心结构、无槽铁心结构、印刷绕组、有槽电枢结构优点：过载能力强、峰值电流承受能力强；大转矩惯量比，加速能力强，响应快；低速大转矩；调速范围宽；转子热容量大；控制简单。缺点：电刷问题可靠性较差；整流子限制高速、高压应用；转子热变形；惯量相对较大；控制原理：转速∝电枢电压，电磁转矩∝电枢电流，电枢和磁场通过机械结构（电刷和整流子）保持自然的空间关系。（2）三相永磁同步伺服电机A，结构：定子：带有齿槽，内嵌绕组；转子：永磁材料构成（钐钴材料、铷铁硼材料）依据转子结构可分为：1）外装式（表面式）PMSM、BLDCM；中小容量，中低速；2）内装式，凸极特性，IPM，大容量、高速型B，磁势分布：正弦波和方波C．控制原理和关键技术控制速度反电动势和电流的相位关系同步――――矢量控制依据反馈元件描述的转子磁场的相位控制电流即机电配合―――磁场定向控制（3）三相异步伺服电机与普通异步电动机结构一样，但有特殊性如低惯量、低发热、通风容易、高速化，大功率、高转速应用控制原理：更为复杂，核心是电流矢量分解为垂直的转矩分量和磁场分量，其实现关键是磁场相位和幅值信息的获得，估算观测或直接获得，基本原理依然是磁场定向矢量控制。注意：矢量是描述形式。磁场定向是实现关键。直线伺服电动机旋转运动―――》直线运动（高速高精度直接驱动的要求）替代传统的“旋转电动机＋滚珠丝杠”的传动方式；进给速度由4～5m/min到200m/min以上，加速度由小于0.5g到10g左右；优点：高速、高精度、直接驱动，零传动缺点及问题：应用问题：扰动、散热、全闭环控制问题：动态刚性、机械共振、高速跟踪轨迹精度、冷却能力、端部效应补偿控制原理：F＝Kτ；推力和极距伺服电机的选择与评价价格；2）功率密度/体积；3）转矩惯量比；4)速度控制范围；5）效率（损耗和热容量）；6）转矩、单位电流能力；7）制动能力；8）参数灵敏度；9）位置传感器。高精度的位置传感器提出问题7：从控制要求认识实现高精度控制的关键：位置反馈元件的特性，传感器的基本分类有哪些？基本特点有哪些？基本性能参数是什么？如何描述其物理特性？如何进行合理的选择？要求：数字化、高分辨率、高抗干扰性、非易失性旋转变压器结构：包含铁心和线圈，结构坚固，无刷结构，在后端安装环形变压器，通过变压器将初级的参考电压耦合到次级转子上，在由分解器将包含位置信息的信号感应出去。技术指标：鉴相型和鉴幅型，激励电压：2V～40VRMS，频率400Hz～20KHz，角度分辨率0.5～5角分（1度＝60角分＝3600角秒）信号处理：由RDC系统完成，如AD2S99+AD2S90/AD2S80或AD2S1200工作原理：输入激励信号（载波），输出幅值包含相位信息的调制信号，在做鉴相处理，特点：测量信号是两个定转子绕组的幅值相对关系，对线上损耗和信号畸变有很好的适应性；但原理比较复杂、存在动态响应、不易实现高速高精度、信号处理要求高。磁性编码器结构：磁鼓＋感应器，检测磁通变化，转换为电信号ABZ特点：功耗低、结构简单、适合高速运转、适应恶劣环境；惯性偏大，易受外界磁场干扰影响，一般分辨率通过细分技术可达到数万脉冲/每转光电编码器原理：光电转换，位移或角度->光强的变化->电信号的变化->整形为标准的数字脉冲信号。分类：A）增量式光电编码器，输出ABZ，差动电压输出或集电极开路B）绝对式光电编码器，二进制或循环二进制编码方式 C）复合式光电编码器，带有简单的磁极定位功能，ABZUVW（和极对数对应） D）省线式光电编码器，多路开关切换ABZ和UVWE）多圈式绝对光电编码器，解决位置记忆功能，针对机器人等应用，包含差动的增量式位置信息和以通讯方式传送的多圈位置信息；体积小、分辨率高、响应快、多圈记忆存储，适于长线串行传输，但价格贵，构造复杂。F）串行光电编码器，在编码器内部集成CPU和ASIC，实现信号内插功能，采用RS485接口传送高分辨率的位置信息，通讯速度有2.5M和4M等，分辨率可达到17位或23位，如海德汉、Danaher、多摩川。G）正余弦编码器，类似于增量编码器＋绝对式编码器，绝对值信息通过串行传送，增量信息采用模拟信号传送AB被SIN和COS信号代替，分辨率有内插的数值个数决定，可以达到27位，海德汉、Danaher、STEGMAN（4）位置传感器的基本技术指标A）电源要求B）分辨率C）信号输出类型D）响应频率和最高转速E）传输介质第三节高效率的功率变换器提出问题8：什么是高效率的功率放大环节？目前常用的体系结构是什么？其基本工作原理是什么样的？基本组成是什么样的？如何选择构造高效率的功率变换器？如何通过控制手段实现高效率的能量转换？基本结构：整流器＋逆变器控制方法：PWM载波调制技术实现变压变频（原理：面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节的对象上，其低频段效果基本相同）SPWM控制技术采用正弦波调制产生脉宽呈正弦波规律变化的序列脉冲波形。主要优点：1、主回路只有一组可控的功率开关，减化了控制结构2、最低次谐波频率高，可以得到光滑的正弦波3、基波分量幅值与调制系数呈正比，可以减化逆变器的数学模型（放大环节）4、逆变器本身损耗比较小，主回路（4～5％）逆变器（2％以上）脉宽调制的约束条件：功率开关器件的开关频率：母线电压、功率器件的最大冲击电流、电机绕组的等效时间常数限制最小开关时间和调制度的限制常用指标：载波比、调制系数常用半导体功率器件MOSFET压控器件，优点：驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、具有比较好的热稳定性。缺点：电流容量小、耐压低，一般小于10KW基本特性：转移特性：影响开关速度和开关条件，跨导和开启电压 输出特性：评价其状态转移能力，Uds和Ids 动态特性：Ton、Toff、Cin，开关速度和驱动电源条件 安全工作特性：漏极击穿电压和最大漏极电流主要参数：Gfs（跨导）,Ut,Ton,Toff,CinUdsmaxIdmaxUgs,RonIGBT将GTR和MOSFET相结合的器件，组合GTR的通态压降小和驱动电路简单的特点。基本结构：基本特性：转移特性、输出特性、动态特性和安全工作区基本参数：UcesIcmaxPcmTonToffVce使用要点：擎住效应和二次击穿现象，限制回路电感和集电极电流IGBT的特性、参数特点和安全工作区的确定PIC和IPMPIC：功率集成模块，将整流电路、再生抑制电路、逆变器电路、温度检测组合封装在一起；容量会受到一定的限制。（1200V50A）IPM：智能功率模块，将功率器件驱动电路、再生抑制电路、逆变器电路、保护电路组合封装在一起；容量受到较低的限制。（1200V600A）逆变器部分的控制结构逆变器的SPWM控制技术模拟方法：三角载波比较方法数字方法：规则采样法：比较简单，但所得脉宽偏小，产生误差，前提要求载波比足够大，分单边调制和双边调制SPWM数字化硬件实现方法：专用集成电路和CPLD/FPGA设计空间矢量SVPWM规则采样SPWM方法和SVPWM方法的比较A、电压矢量输出次序一致，B、零矢量的控制策略不同C、电压利用率不同过调制处理策略过调制边界的检测：检测参考电压矢量的幅值是否越过电压最大限制边界。极限圆处理方法：在参考电压的方向上选择最大的电压矢量，以保证连续的调制和平均的正弦电压，是SVPWM的常用处理方法。最小幅值误差方法：选择最靠近参考电压矢量的六边形的电压矢量，SPWM规则采样方法中，等效于将三相参考电压矢量限制为±Vdc/2空间矢量限制方法：在参考电压矢量的方向上选择六边形的电压矢量。多功能数字化微处理器控制提出问题9：实现数字化、软件化控制的基本考虑是什么？如何看待微处理器控制的优缺点？基本要求：（1）软件数字化、功能模块化、信息传递智能化、控制策略复杂化（2）硬件平台的必然结果（3）接口开放化的设计基本优势：（1）实现复杂的逻辑和控制策略，使控制智能化（2）通讯容易，可以实现网络化监控（3）适应性，通用硬件，改变软件可以适应不同的控制要求（4）实现复杂的控制算法如预测控制、自适应控制、学习控制、模糊控制（5）扩张性、扩展性（6）体积小、重量轻、调整容易基本不足：（1）实时性受限制（2）控制精度和性能受量化因素影响（3）断续控制方式微处理器的选择：（1）体系结构（内核、存储器、外设扩展、内部资源）（2）速度MIPS、精度字长（3）指令系统、编译调试环境（4）32位MCU、16/32位DSP、FPGA嵌入内核第五节可靠性设计方法提出问题10：什么是可靠性？伺服系统的可靠性是如何保障的？可靠性设计的基本原则是什么？如何进行伺服系统的可靠性设计？基本要求：数字技术的发展→系统高响应、高精度、高效率的要求→系统规模复杂性→信息采集处理的复杂性→可靠性设计要求越来越高可靠性的概念基本含义：（1）连续无故障运行（2）故障产生的影响最小（3)处理、修复故障的时间必须短基本指标：MTBF－平均无故障时间MTTR－平均修复时间MTBF/MTTR：设备可用率系统的可靠性由多种因素综合确定：设计、工艺、元器件质量、操作、使用条件以及控制条件。一般伺服系统的MTBF应该在5000小时以上可靠性设计考虑故障回避及故障保护需要考虑的问题：a、元器件的规格型号、工艺、结构应满足使用环境和标准的要求b、针对功能电路的故障处理与保护设计c、外部接口功能的保护设计和指示电路d、软件系统的可靠性设计、稳定性、非错性e、故障的处理方式：停机或警告可靠性设计原则：a、不影响、不损坏其它设备和自身部件b、自动指示故障类型c、提示故障点，方便快速维修针对功率回路的保护电路设计过流保护：防止功率回路长期过电流运行短路或功率模块故障：防止功率器件在非安全工作区运行过压保护：防止功率回路电压过高过热保护：防止功率回路运行温度过高再生制动异常保护：防止电机制动时的失控针对系统的保护设计欠压警告：保证数字电路工作电压过载保护：防止伺服电机过负荷运行超速保护：防止伺服电机过速运行编码器反馈故障、位置跟踪超差、控制参数异常、CPU故障等软件可靠性设计看门狗、代码冗余故障联锁和清除需要考虑抗干扰性、即时性、有效性、可恢复性电磁兼容性设计考察伺服系统应对浪涌、高压脉冲群、电磁辐射等条件的能力。内部EMC设计器件布局、布线、地线设计，减少差模干扰接口设计瞬态电压抑制器、IO端口的隔离（电磁继电器、光电耦合器）、差动电路终端匹配铁氧体磁珠外部EMC设计电源进线端：EMI滤波器，动力出线：加装磁环或滤波器，降低电磁辐射、抑制静电干扰第三章全数字交流伺服系统设计提出问题：由实际的伺服系统组成结构和性能指标要求，如何抽象出系统的软硬件设计问题？由伺服系统的性能特点如何构造出伺服系统的控制结构，以便于进一步的控制策略选择和参数设计？第一节全数字交流伺服系统原理分析及设计说明提出问题1：如何建立并分析交流伺服系统的控制结构和工作原理？如何根据设计要求考虑控制系统的实现手段？（1）控制原理分析（2）、交流伺服系统数字化设计的基本要求：实时性：三环控制必须快，电流控制一般在10Khz以上，速度位置控制周期1Khz以上控制精度：PWM分辨率，电流、速度、位置控制分辨率统一的硬件结构，灵活的软件配置（3）、交流伺服系统的基本结构选择：MCU（嵌入式单片机）、MCU＋DSP（单片机＋数字信号处理器）、DSP＋ASIC（数字信号处理器＋专用集成电路）、RISC＋DSP（精简指令集计算机＋数字信号处理器）、RISC＋ASIC（精简指令集计算机＋专用集成电路）、ASIC（全硬件）（4）、核心器件的选择：处理器类型（DSP、MCU、RISC）、FPGA/CPLD类型（5）、编程环境、编程工具、编程流程：微处理器――汇编语言/高级语言，FPGA/CPLD――设计（原理图形，VHDL/VerilogHDL）、综合、仿真验证（6）、交流伺服系统设计文档编制：需要考虑功能、应用、结构、选型等多方面的因素。（DID－双轴.DOC说明）全数字交流伺服系统硬件体系结构设计提出问题2：如何进行交流伺服系统的硬件设计工作？如何根据性能要求开展硬件设计？硬件设计的核心问题是什么？硬件设计功能要求及定义接口功能控制功能辅助监控功能设计原则：定义规范化；接口标准化；功能模块化；设计考虑：机械结构限制、电气特性、功能要求全数字交流伺服系统的总体结构（以DSPTMS320LF2407为例）（1）、DSP系统设计设计考虑：a、地址分配及译码；b、电源、时钟信号及复位电路设计；c、DSPIO引脚功能分配；d、模拟电路和数字电路处理；e、电平转换电路；f、接口功能设计（2）、外围接口电路及信号检测a、电流量检测；b、模拟控制量调理电路；c、位置反馈处理电路；d、IO接口电路设计；e、保护电路设计及信号采集处理（3）辅助监控电路设计功能设计模式：采用通讯监控和操作盒监控两种设计其中包括单片机的系统设计、管理功能设计、接口方式及时序设计和监控功能设计（4）功率回路设计a、整流电路设计（可控和不可控）；b、功率器件选择、逆变控制实现方式及接口电路设计；c、功率回路保护功能设计；d、电流信号采集；e、软启动电路设计；f、再生制动电路设计（5）开关电源的设计a、拓扑结构和开关元件的选择；b、输入输出特性定义（电源等级和容量设计）（6）安规设计根据使用环境和条件，以及信号连接方式，规划信号分配、信号隔离等要求第三节、全数字交流伺服系统软件体系结构设计提出问题3：如何进行交流伺服系统的软件设计工作？如何根据硬件结构和控制功能要求进行软件设计？软件设计的关键问题是什么？伺服系统软件设计的主要特点是什么？软件设计：结合系统的功能要求和硬件的特点进行综合考虑设计要求：关键是功能划分及任务分解，基本考虑依据是实时性的要求（１）设计分析：交流伺服电机所采用的矢量控制策略和伺服控制环节可以采用统一的实现方法，它们是串级控制结构。在伺服控制功能方面会因为应用的对象要求不同有较大的变化。具有结构化和模块化的特点。（２）设计方法：功能软件模块设计1、应用数据结构的概念以及模块化软件设计方法进行功能封装2、利用实时操作系统的原理进行调度，例如可将软件系统分为BIOS模块（管理系统的硬件构造）、RTOS模块（管理系统功能模块的实时调用）、SFM模块（伺服控制和伺服功能）。可以采用依据中断事件的实时任务管理和多周期任务调度相结合的系统软件管理结构。一、系统实时控制任务分解a、反馈信号变量采集；b、电流、速度、位置控制；c、矢量变换；d、PWM信号发生；e、关键故障信号处理实时控制任务的调度管理模式：周期调用和中断调用；关键问题：中断嵌套或重入的可靠处理，防止控制寄存器、控制变量、中断响应发生失控性的改变。（一）、系统软件实时控制任务调度（对时间抖度有严格要求）中断调用：4个，分别是定时中断、关键故障中断、Zero脉冲捕获中断、通讯中断周期调用：2个，分别是电流控制和位置速度控制（1）定时采样周期内完成的控制任务：定时周期（100us）/开关频率10Khz启动ADC转换；矢量变换磁场角度处理；矢量变换；电流调节器；PWM空间矢量调制时间计算；（2）周期调度任务：400us处理一次速度控制和位置控制，完成相关的控制算法和变量处理；（3）关键故障中断优先级最高，用于处理对系统产生不可逆转影响的故障事件，如过压和短路故障。（4）Zero脉冲捕获中断用于处理磁场定向控制的位置效正，光电编码器的零脉冲信号用于该事件的触发；（5）通讯中断标识通讯事件，简单处理数据内容；（二）、系统非实时性控制任务分解和调度a、IO开关量的信号功能处理；b、故障以及警告信号的采集处理；c、监控功能处理；d、通讯事件处理调度模式：周期性轮询处理（三）、软件任务时序图说明（1）（2）（1）（2）（3）（5）（4）100us矢量控制、电流环、速度环、位置环EMBEDMSGraph.Chart.8\s控制等任务执行时间系统功率故障中断处理时间串行通讯中断执行时间Zero脉冲捕获中断执行时间非实时控制任务时间片断T1+T2+T3+T4小于100us，空闲时间应满足非实时性任务的执行时间要求。三、系统关键控制变量的数学描述提出问题：控制系统的物理含义如何建立？控制变量的物理含义如何明确？变量定标与变量转换如何处理？（1）格式定义：明确变量的物理含义和处理浮点数向定点数的转换，位置：脉冲个数，32位、64位，单位：个/digital，范围：±231；速度：转/分钟，16位，单位：0.1r/min/digital；范围：±3276.7r/min；电流：16位，单位：A/digital；范围：±（最大电流/32767），即；±1对应±1PU电压：16位，单位V/digital；范围：±（最大母线电压/32767），即；±1对应[-155V,+155V]PWM工作时间：16位，±1对应[-Tpwm/2,+Tpwm/2]，以Tpwm/2为参考点（2）电流、速度、位置控制器等参数的变量格式转换及处理三环控制结构以及变量的物理定义决定了控制器增益的物理含义以及参数转换的过程。a、位置控制器：位置偏差（脉冲个数）→速度指令（r/min），Kp的物理单位：1/S（Hz）；转换系数：脉冲/S→0.1r/min；Kcnv＝600/(ppr*Ts)，转换过程K＝Kp×Kcnv位置控制器增益：16位，8.8格式，范围0～255b、速度反馈：脉冲/采样周期→0.1r/min；c、速度控制器：速度偏差（0.1r/min）→电流指令（A），Kv的物理单位：1/S（Hz）；转换系数：0.1r/min→A；,转换过程K＝Kv×Kcnv速度控制器增益：16位，8.8格式，范围0～255如果采用PI调节器结构，积分时间常数单位ms，具体计算时也需要进行相应的离散化和参数转换d、电流反馈：A→V→digital，单位：欧姆，16位采样值表达±最大电流Imaxe、电流控制器：电流偏差（A）→电压指令（V），Ki的物理单位：欧姆；转换系数：考虑PWM逆变器的放大作用Kpwm=Vdc/2；转换过程：Kcnv＝Ki/Kpwm电流控制器增益：16位，6.9格式，范围0～63如果采用PI调节器结构，积分时间常数单位ms，具体计算时也需要进行相应的离散化和参数转换f、PWM开关时间计算：电压→PWM时间V：归一化处理，表示范围在（－1，＋1）之间开关时间：SPWM方法Ton＝Tpwm/2×（1＋V）四、控制器算法的软件实现如何进行控制器的算法实现？实现中需要考虑什么样的问题？常用的控制算法可以采用：位置控制器：P调节；速度控制器：PI调节；电流控制器：PI调节可以采用后向差分或双线性变换的方法处理离散化。饱和处理方式、输出精度、输出对称性是调节器必须面对的问题，可以采用限幅处理或抗饱和（AntiWindup）处理。第四章现代交流伺服系统控制器设计及参数效正提出问题：如何进行交流伺服系统的控制器设计？如何进行控制器的参数校正？伺服控制系统设计的核心问题是什么？第一节永磁同步伺服电机线性化解耦控制提出问题1：永磁同步伺服电机如何控制？电机模型该如何简化？简化处理的方式是否可行？模型近似处理该如何实现？一、三相永磁同步电机的数学模型及电流解耦方法1、三相永磁同步电机的数学模型对PMSM作好如下假设：①、忽略铁心饱和；②、不计涡流和磁滞损耗；③、转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用；④、反电动势是正弦的。 ddBqXCAascsbsNS 下述数学模型中d、q变量，与原a、b、c三相变量间的关系为下式：（第一步：矢量变换控制）取转子反时针旋转方向为正，永磁体基波磁场的方向为d轴（第二步：磁场定向控制），转子参考坐标的空间坐标以d轴与固定轴线（A相绕组轴线）间的电角度确定。 在上述假定下，转子参考坐标下的电压方程为：磁链方程为、式中、——d、q轴电压；、——d、q轴电流：、——d、q轴电感；——定子相电阻；——微分算子；——转子电角速度；——永磁体基波励磁磁场过定子绕组的磁链电机的电磁转矩方程为电机的运动方程为（或）式中——负载转矩；B——粘滞摩擦系数：J——转子和所带负载的总转动惯量——电机的机械角速度；——为微分算子。永磁同步电机的状态方程式为：三相永磁同步伺服电动机电流解耦方法（第三步：矢量线性解耦控制）a、电流反馈解耦出发点：能使三相永磁同步伺服电动机得到线性化解耦控制效果（前提条件：有限的对转子磁场的影响非常小）。实现手段：当采用电流控制电压源逆变器方式时，令给定，并用控制器实现电机的实际电流快速跟踪给定值，即实现。实现分析：当采用电压型逆变器时，将指令电流、与反馈电、比较，其差值经电流调节器作用后可得dq坐标系上的电枢电压分量、，即实现条件：只要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=0，即可获得永磁同步伺服电动机的近似线性解耦控制，使其在最大恒定转矩下运行。b、电压前馈解耦控制出发点：能使三相永磁同步伺服电动机得到线性化解耦控制效果。实现手段：引入、以及状态反馈，实现分析：、表示d、q轴非耦合部分的电压，可以得到状态方程式状态方程不含耦合变量，控制是去耦合的。当=0时，有，从而得到的解耦控制效果。实现条件：微处理器的运算速度要保证实时性，参数的敏感性需要考虑，对于高频段的控制非常适合。第二节交流位置伺服系统各环节数学模型提出问题2：建模的关键问题是什么？如何选择控制系统模型的组成部分？交流伺服系统的各环节数学模型如何构造？建立的整体控制系统结构是否能够真实地反映或描述伺服系统的运行特性？1、三相永磁同步伺服电机矢量解耦数学模型当采用矢量解耦控制，使d轴电流分量为零，PMSM电机的数学模型就等效为他励直流电动机的线性化模型。由定子电压方程为式中：R为定子每相电阻，为转子电角速度。输出电磁转矩为：式中：p为转子极对数。机械运动方程为：可得电压、电流的传递函数以及反电动势和电流的传递函数为：2、电流检测、滤波、采样环节常用的电流检测器件为高精度和快响应零磁平衡式的霍尔效应电流传感器（如电流传感器LTS25-NP，带宽100KHz，响应时间小于200ns）；在额定的电流范围内，具有良好的线性度(<0.1%)。因此电流检测器件可看作一个比例环节，其传递函数可用表示。常用的滤波电路是RC低通滤波电路，其等效传递函数为式中，为滤波电路的时间常数。在全数字交流伺服系统中，相电流经检测、滤波后，变为模拟电压信号并被送到A/D中进行采样，转换为数字量。则电流环检测、滤波、采样环节合成的传递函数为 式中。3、三相PWM逆变器的数学模型常用交-直-交电压型逆变器和PWM控制方式。三相PWM逆变器具有放大作用，其放大系数为 式中，为逆变器直流侧电压值；为指令电压矢量信号的幅值。逆变器放大滞后时间： 式中，为ＰＷＭ信号周期（或开关周期）。三相逆变器的传递函数为： 4、速度反馈环节传递函数考虑信号采样引起的零阶保持时间，该环节相当于是一比例滞后特性，滞后时间：0.5~～1.5个采样周期 伺服系统控制结构框图交流伺服系统电流控制器设计提出问题3：如何进行交流伺服系统的电流控制器的设计？如何结合性能要求选择控制策略？如何进行电流控制器的基本参数校正？控制器参数的变化和哪些因素相关联？如何建立基本的控制器参数工程调试原则？闭环控制系统的设计原则：从内到外，从快到慢由于电机转速的变化比电流的变化慢得多，可以认为电机电流在调节时，电机的转速是常数值，于是电机的电流环控制对象可以简化为如下式的一阶惯性环节：交流伺服系统电流环控制的基本性能要求：具有快且平稳的电流响应，电流响应超调要小，电流波动要小。电流控制带宽在1KHz以上。设计中需要充分考虑电机的对象特性和数字处理的配合。数字化电流控制结构基本控制策略：主要有四种电流控制策略：电流滞环控制：快的动态响应、实现起来比较简单，但也存在缺点，逆变器开关元件有高且不恒定的开关频率斜坡比较控制（载波比较方式）：限制了逆变器开关元件的开关频率的最大值，产生明确的谐波，然而既使这个控制器的有最优的增益，由于控制器具有低通滤波特性，在稳态时不可避免的产生幅值和相位误差同步dq坐标系下的电流控制：电流反解耦PI控制、电流反解耦最少拍控制、PI加电压前馈解耦控制，电流都是直流量，另外，在转子同步参考坐标系下的PI控制中，若采用了反电势补偿和耦合项解耦，可以实现快速的动响应和稳态无静差。只能提供电流环中低频的带宽。电流预测控制：预测电流在下一个时刻的期望值，计算出一个能实现实际电流在下一个时刻达到期望值的电压，涉及到到较大的运算量，有矩阵求逆及矩阵相乘，增加了器件的运算时间，导致系统有较大的延时。a、电流环电流反馈解耦PI控制 由于PI控制器的传递函数为那么PI控制的闭环控制框图为 取，闭环系统传函为闭环传函还是为一阶惯性环节，其电流环的带宽b、电流反馈解耦最少拍控制最少拍控制一般用在伺服控制器的电流环，最少拍控制是使系统在最少个采样周期跟踪系统的输入。由于电流环的被控制对象为一阶惯性对象，其脉冲传函为按阶跃输入设计电流环的最少拍控制器，其控制器的脉冲传函为：由于按最少拍设计，只要电流环的采样周期能满足要求的电流环带宽，按这种方法设计的电流环一定能得到等于或大于期望的带宽。这种方法依赖于电流环被控对象的精确数学模型，若电机运行的时候电机的电阻或电感参数发生变化，输出电流将不能按设计时期望的最少拍跟踪给定电流值，这在电流环要求很高的带宽时可能产生一定的影响，但若电流环的采样周期足够小，这种担心是不用的。c、电压前馈解耦PI控制 由于PI控制器的传递函数为 取，闭环系统传函为闭环传函还是为一阶惯性环节，其电流环的带宽，于是改变是值即可以改变电流控制环的带宽。交流伺服系统速度、位置控制器设计提出问题4：如何进行交流伺服系统的速度、位置控制器的设计？控制器参数的变化和哪些因素相关联？如何建立基本的控制器参数工程调试原则？速度控制器设计伺服系统要求速度环具有高精度、快的频率响应（频带一般要是位置环的5至10倍）和宽的调速范围，为了达到这些控制要求，一般应采用高分辨率、快速响应且纹波小的速度检测器，采用高性能的电流检测器和性能较高的控制器。速度环控制策略采用PI控制、PDFF控制。其性能指标主要有三点：（1）频率响应为300Hz以上（电机负载惯量比小于1）；（2）速度控制范围为1：3000以上；（3）转速不均匀度小于6％。a、速度环的PI控制根据前面对电机电流环控制的分析可知，电机的电流环的闭环传函为一阶对象，设为于是电机速度环的闭环控制图为：若伺服系统的控制性能指标由开环对象截止频率和相角裕量表示，则可以依据工程经验近似得到式中：(f为速度环闭环带宽)，为相角稳定裕度，为速度反馈系数，为AD转换器变换系数，为电机转矩常数，为电流采样系数，J为电机转动惯量。按常规设计方式，采样频率一般选择为闭系统带宽的10倍左右，那么能做到很小。影响控制器参数的主要因素有：机械连接刚度（带宽）、速度反馈系数（反比关系）和电机转动惯量（正比关系）。b、速度环的PDFF控制PDFF控制器是由PI控制器改进而来，具有PI控制器不具备的一些性能该控制器的输出方程为：PDFF是PDF和PI控制器的通用结构，当=0：为PDF控制器；当=1：为PI控制器；也能设为0~1之间的任一个值。 主要特点：在PDFF控制系统中，若参数选择得较小，那么能克服系统的超调振荡问题。1）、当系统扰动较弱，可以选择PI控制器，使系统得到快的响应能力；2）、当系统扰动较强，可以选择PDFF控制器，使系统具有较强的抗扰性能。3）、参数计算较为困难，一般依赖于定性调整，采用PDFF的闭环系统是一个三阶系统，很难找到控制器各参数与系统带宽的线性函数关系。其调整规则：在保证系统有小超调或没有超调的前提下，增大，必须减小积分增益，系统的响应速度提高，系统的带宽增加，抗扰性能降低；减小，必须增大积分增益，系统的响应速度降低，系统的带宽减小，抗扰性能增强。PI控制器只能得到中低频段的带宽。PDFF控制器只能使系统得到较低的带宽，但是抗扰性比PI控制器强。位置控制器设计位置控制要求：稳定平滑的瞬态响应，减小位置运态跟踪误差，以获得高精度的位置控制。位置环增益和动态跟踪误差就是上述两个方面性能衡量指标。a、位置环比例（P）控制器由于伺服系统的速度环设计成带宽比位置环高10倍左右，那么可以认为位置环截止频率远小于速度环各时间常数的倒数，速度环的闭环传函可近似等效为一阶惯性环节，可以得到位置环等效