交流伺服電機(jī)的速度控制

1、伺服控制報(bào)告永磁交流同步伺服電機(jī)的速度控制機(jī)自73組員：張樂07011061張強(qiáng)07011061李祚07011061劉曉宇07011061陳建偉07011061目錄永磁交流同步伺服電機(jī)的速度控制11 伺服系統(tǒng)簡介12 緒論13 總體方案設(shè)計(jì)13.1 控制單元23.2 位置反饋裝置23.3 功率驅(qū)動(dòng)單元24 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)24.1 控制模塊24.2 驅(qū)動(dòng)模塊35 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)45.1 定時(shí)器中斷服務(wù)程序55.2 轉(zhuǎn)子位置及速度計(jì)算程序65.3 AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理程序75.4 驅(qū)動(dòng)故障保護(hù)程序86 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真97 系統(tǒng)控制策略的選擇117.1 電流內(nèi)環(huán)P調(diào)節(jié)器的分析與設(shè)計(jì)117.2 電流環(huán)內(nèi)

2、各環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的建立127.3 速度外環(huán)傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的分析與設(shè)計(jì)148 基于LabWindows/CVI的系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)178.1 關(guān)于LabWindows/CVI178.2 控制軟件設(shè)計(jì)188.3 發(fā)送任務(wù)188.4 接收任務(wù)198.5 用戶交互任務(wù)208.6 事件及其處理方法209 設(shè)計(jì)小結(jié)22永磁交流同步伺服電機(jī)的速度控制1伺服系統(tǒng)簡介伺服控制用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)，又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）2緒論伺服電機(jī)屬于一類控制電

3、機(jī)，分為直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)兩種。由于交流伺服電機(jī)具有體積小、重量輕、大轉(zhuǎn)矩輸出、低慣量和良好的控制性能等優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)檢測系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，將控制電信號(hào)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)。由于伺服電機(jī)定位精度相當(dāng)高，現(xiàn)代位置控制系統(tǒng)已越來越多地采用以交流伺服電機(jī)為主要部件的位置控制系統(tǒng)，本文介紹永磁交流同步伺服電機(jī)的速度控制3總體方案設(shè)計(jì)國L2交流伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成交流伺服系統(tǒng)一般包括上圖所示幾個(gè)部分：功率驅(qū)動(dòng)單元、位置控制器、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器、位置反饋單元及電流反饋單元等。由于本文主要進(jìn)行3.1 控制單元控制單元是整個(gè)交流伺服系統(tǒng)的核心，包含著系統(tǒng)位置控制器、

4、速度控制器、轉(zhuǎn)矩和電流控制器。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）已被廣泛應(yīng)用于交流伺服系統(tǒng)，世界各大芯片公司也推出了面向電機(jī)控制的專用DSP5片。3.2 位置反饋裝置位置反饋裝置是交流伺服系統(tǒng)的重要組成部件，選擇的是否合理直接關(guān)系到系統(tǒng)的靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性。目前常用的位置傳感器主要有高分辨率的旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器、磁性編碼器等元件。3.3 功率驅(qū)動(dòng)單元功率驅(qū)動(dòng)單元采用全橋不控整流，三相電壓型逆變器變頻的Ac。DG-ACS構(gòu)。逆變部分采用集成驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路積功率開關(guān)于一體的智能功率模塊（IPM）,開關(guān)頻率可達(dá)20KHz實(shí)際工作時(shí)通過計(jì)算機(jī)上的控制元件向伺服系統(tǒng)發(fā)出指令，伺服系統(tǒng)控制伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)，通過安裝

5、在轉(zhuǎn)軸上的光電編碼器測得電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電編碼器隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠產(chǎn)生a、b兩路脈沖信號(hào)，這兩路信號(hào)相差90。相位角，由此可測出光電編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電機(jī)轉(zhuǎn)速。如果a相脈沖比b相脈沖超前則電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過對這兩路正交信號(hào)在一定時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)，可以計(jì)算出電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。然后對預(yù)定值與測量值進(jìn)行比較，將差值通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的閉環(huán)控制。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。計(jì)算機(jī)控制海反儲(chǔ)脈沖伺服驅(qū)動(dòng)器電機(jī)三相信號(hào)伺服電機(jī)光碼盤1系統(tǒng)組成框圖永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由控制模塊與驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成，主要完成以下功能：4.1 控制

6、模塊控制模塊主要完成控制算法的實(shí)現(xiàn)?？刂颇K通過AD專換和編碼器電路獲取伺服系統(tǒng)的運(yùn)行情況，再根據(jù)給定和算法來計(jì)算出控制輸出，并完成輸出。止匕外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制模塊要及時(shí)停止輸出。在本平臺(tái)中控制模塊還需要完成系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集以及與上位機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊的通訊工作。4.2 驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)模塊完成對永磁同步電機(jī)的驅(qū)動(dòng)工作以及永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)運(yùn)行信息的收集工作等。其主要功能如下：1、電機(jī)運(yùn)行信息的收集對于永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)所必須獲取的系統(tǒng)信息為：三相電流、轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、控制目標(biāo)位置等。其中，三相電流是永磁同步電機(jī)高性能控制的必須數(shù)據(jù)。而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速通常是通過轉(zhuǎn)子位置的差分獲得。如

7、果系統(tǒng)要完成位置伺服控制，那么系統(tǒng)必須獲取控制目標(biāo)位置數(shù)據(jù)。一般情況下，控制電路與驅(qū)動(dòng)電路的模擬信號(hào)或者脈沖信號(hào)在電壓標(biāo)準(zhǔn)方面存在差異。為此驅(qū)動(dòng)電路部分需要使用通過運(yùn)算放大器或者光耦構(gòu)建電路來完成信號(hào)變換。2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)與保護(hù)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路最重要的工作是根據(jù)控制電路的控制信號(hào)完成對永磁同步電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)。為防止驅(qū)動(dòng)部分的干擾影響控制電路的穩(wěn)定性。一般驅(qū)動(dòng)電路的供電與控制電路的供電是互相獨(dú)立的。因此，電路之間需要使用高速光耦來完成信號(hào)的隔離與準(zhǔn)確傳輸。止匕外，在研究實(shí)驗(yàn)過程中，一般無法保證算法不會(huì)出現(xiàn)問題。因此，研究用平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電路要求具有相較應(yīng)用性平臺(tái)更完善的保護(hù)功能。所以，我們需要設(shè)計(jì)硬件電路來

8、完成：母線電壓異常保護(hù)、電流過流保護(hù)、系統(tǒng)過溫保護(hù)、IPM上下橋短路保護(hù)等功能。伺服系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)：出于設(shè)計(jì)的方便，使用了一些現(xiàn)成的模塊。大致分為：伺服永磁同步電機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊。永磁同步伺服電機(jī)：本設(shè)計(jì)采用伺服永磁同步電機(jī)主要參數(shù)額定輸出功率200W額定轉(zhuǎn)速3000rpm最高轉(zhuǎn)速3600rpm額定轉(zhuǎn)矩0.637N.m峰值力矩（瞬間）1.9111V.朋電樞線間繞組電阻12.4Q電樞線問繞組電感31.9mH額定線電流（有效值）1.3A額定線電壓（有效值）119.8V峰值電流（有效值）3.9A速度位置傳感器光學(xué)編碼器（2500ppr）本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)模塊使用高壓功率驅(qū)動(dòng)板。它是集

9、IPM、開關(guān)電源、高速光耦、保護(hù)電路、吸收電路、外圍接口、散熱器于一體，采用國際標(biāo)準(zhǔn)工藝定制的全功能逆變驅(qū)動(dòng)器。具有以下特點(diǎn)：1、輸入80"-260VAC/D電源，最大峰值電流15A,輸出功率為2KWE右，更換驅(qū)動(dòng)模塊最大可到5KW2、采用IPM奠塊，具有過流，過熱，欠壓，過壓，輸出電流檢測等完整的保護(hù)措施，PWM率最高可達(dá)20K。3、內(nèi)置60M功率反激式開關(guān)電源，具有強(qiáng)勁的電流輸出能力，使系統(tǒng)更趨全。8路隔離輸出，基本滿足所有客戶的電源要求。4、高速光耦使用安捷倫高速光耦HCPL4504電氣隔離，隔離強(qiáng)度為15K火uS,徹底保證弱電與強(qiáng)電系統(tǒng)的隔離。5、4組獨(dú)立IPM供電，杜絕因自

10、舉充電帶來的隱患。6、增量式光電編碼器信號(hào)輸入接口和霍爾傳感器信號(hào)輸入接口。7、霍爾電流傳感器，保證電流采樣的精度和絕緣。選用高壓功率驅(qū)動(dòng)板，芯片是32位定點(diǎn)高速數(shù)字處理器，最高工作頻率150Mttz。數(shù)據(jù)采集電路如下：控制板高速光 稿件高 電路數(shù)據(jù)采集板/接口US曬口上 位 機(jī)通過搭建輔助電路建立一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其功能為將控制板發(fā)送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單處理后打包發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)再將數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)。5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)主程序流程如圖1所示，當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后需要完成系統(tǒng)的初始化工作包括：初始化各個(gè)使用到的模塊如等；配置并初始化I/O口；各控制環(huán)的變量等參數(shù)初始化設(shè)置等，之后完成轉(zhuǎn)子初始位置確

11、定當(dāng)完成這些初始化工作后系統(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)中對數(shù)據(jù)包解析，等待控制指令。5.1 定時(shí)器中斷服務(wù)程序DS在程序初始化后，當(dāng)接收到啟動(dòng)指令后，DS去執(zhí)行啟動(dòng)程序：首先初始化相關(guān)EVAJ存器與變量（本設(shè)計(jì)中定時(shí)周期為200us）,然后開啟了EV儂時(shí)器T1,開始輸出。定時(shí)時(shí)間到后，定時(shí)器將向DSPg出下溢中斷，DS陛響應(yīng)中斷并自動(dòng)保存現(xiàn)場轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序o中斷服務(wù)程序中將完成輸出的計(jì)算，計(jì)算包括電流信號(hào)的Park變換、位置信號(hào)的處理、速度環(huán)算法、電流環(huán)算法及最后的逆Park變換和SV喻出計(jì)算等，具流程如圖2所示。為簡化程序流程，設(shè)計(jì)中AD5樣被設(shè)置為定時(shí)器的下溢中斷觸發(fā)。由于AD專換需要消耗一定時(shí)間，因此

12、中斷服務(wù)程序中查詢式讀取A原樣結(jié)果時(shí)A原樣過程可能仍未完成，這樣會(huì)使得程序陷入等待中。如果發(fā)生這種情況，中斷服務(wù)程序有限的時(shí)間必然會(huì)被浪費(fèi)。因此，程序中將不涉及到A原樣結(jié)果白子程序（位置計(jì)算等）安排在讀取A原樣結(jié)果之前，從而提高處理器的運(yùn)行效率。此外，中斷服務(wù)程序中除了輸出的計(jì)算外，還要把采集到的數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的收集工作。具體的處理器時(shí)間分配如圖3所示。圖2定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖圖3系統(tǒng)工作周期時(shí)間分配5.2 轉(zhuǎn)子位置及速度計(jì)算程序本設(shè)計(jì)中使用增量式編碼器獲取轉(zhuǎn)子位置，電機(jī)每轉(zhuǎn)編碼器會(huì)發(fā)出2500個(gè)脈沖。DSP勺正交編碼脈沖處理電路將編碼器AB兩路信號(hào)（來自QEP與QE

13、P2月動(dòng)地利用每個(gè)A、B信號(hào)的四個(gè)邊沿（兩個(gè)上升沿與兩個(gè)下降沿）將輸入信號(hào)4倍頻，從而使每轉(zhuǎn)得到1000妙計(jì)數(shù)脈沖（如圖4所示），提高了編碼器信號(hào)的分辨率。本設(shè)計(jì)中解碼后的脈沖使用計(jì)數(shù)器T2#數(shù)，因此我們可以根據(jù)T2的計(jì)數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)子的位置。為了解決增量式編碼器誤差累計(jì)的問題，編碼器帶有一個(gè)零位脈沖信號(hào)Z（本設(shè)計(jì)中在轉(zhuǎn)子的機(jī)械0位置即電角度0位置發(fā)生歸零）。設(shè)計(jì)中使用DSP勺捕獲單元，捕獲Z信號(hào)后中斷服務(wù)程序?qū)τ?jì)數(shù)器進(jìn)行清零，從而可以在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)一周即對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行校正，保證了位置計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。其中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。而LTLnLrLrLFLrLrLJ-LTLTLnJ-ommsk皿皿n

14、nnni皿皿Jiniuinn皿皿皿皿itDIR圖4編碼器解碼結(jié)果示意圖圖5零位脈沖信號(hào)中斷服務(wù)程序流程在獲取到T2計(jì)數(shù)器值后，我們需要通過計(jì)算將讀取到的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的位置并計(jì)算出轉(zhuǎn)速。通過分析我們可以獲得到以下關(guān)系。轉(zhuǎn)子機(jī)械角度=T劑數(shù)值X機(jī)械角度系數(shù)機(jī)械角度系數(shù)：2/10000轉(zhuǎn)子電角度=轉(zhuǎn)子機(jī)械角度X4(電機(jī)極對數(shù))本文中速度計(jì)算采用簡單的MM速法。根據(jù)該法，如果在相等的時(shí)間間隔Tz內(nèi)，讀取計(jì)數(shù)器的記數(shù)變化量為。，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速為：600n10000Tc5.3 AD專換及數(shù)據(jù)處理程序程序中AD真塊被設(shè)置為由定時(shí)器下溢中斷啟動(dòng)，單次采樣時(shí)問為0.16us,依次對U、VI電流各進(jìn)行8次采樣。

15、采樣時(shí)間約為2.56us。程序中使用查詢方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過查詢判斷ADC：態(tài)與標(biāo)志寄存器2(ADC-ST-FLG)的忙狀態(tài)位，等待轉(zhuǎn)換完成后讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。為解決干擾對信號(hào)的影響，處理程序中對采樣結(jié)果進(jìn)行簡單的處理即：將讀取到的8個(gè)結(jié)果進(jìn)行去掉最大值與最小值后求平均，提高AD5樣的準(zhǔn)確性。獲取到電流值后，還需要對電流值進(jìn)行判斷，確定電機(jī)是否過流。如過流則程序需要關(guān)閉輸出，報(bào)告故障，以保護(hù)系統(tǒng)。流程如圖6所示。圖6AD采樣程序流程5.4 驅(qū)動(dòng)故障保護(hù)程序出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，驅(qū)動(dòng)板會(huì)出現(xiàn)過流、短路或者電源故障等情況，此時(shí)驅(qū)動(dòng)板將產(chǎn)生故障信號(hào)。本設(shè)計(jì)中該故障信號(hào)接入DSPPDPINTAI腳，使故障信號(hào)引發(fā)

16、DSP發(fā)生中斷。中斷發(fā)生后DSP!動(dòng)封鎖PWM出，同時(shí)進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序如圖57所示將完成一系列保護(hù)操作：終止PWM出、停止定時(shí)器、故障信息發(fā)送等，從而保證系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)終止實(shí)驗(yàn)從而防止電機(jī)和驅(qū)動(dòng)過載而燒毀，保護(hù)系統(tǒng)。圖7驅(qū)動(dòng)故障保護(hù)6系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型及仿真1972年德國西門子公司的F.Blaschke提出了交流電動(dòng)機(jī)的矢量控制原理。該理論通過矢量旋轉(zhuǎn)變換和轉(zhuǎn)子磁場定向，將定子電流分解為與磁場方向（d軸方向）相同的激磁分量，和與磁場方向正向（q軸方向）的轉(zhuǎn)矩分量，得到類似直流電機(jī)的解耦的數(shù)學(xué)模型。具體來講，就是通過電機(jī)外部控制，對電樞磁通勢相對勵(lì)磁磁場進(jìn)行空間定向控制，也就是直接

17、控制兩者之間的空間角度，稱為“角度控制”。在實(shí)際角度控制中，一種特殊的控制方式就是使電樞磁通勢與勵(lì)磁磁場的夾角為90度，即二者的空間角度為90度，這種控制就稱為“磁場定向控制”。此電樞磁通勢與勵(lì)磁磁場正交，從而在電機(jī)控制中獲得良好的去耦特性，使每安培電流產(chǎn)生的電磁推力最大。參考相關(guān)文獻(xiàn)，可得永磁同步電機(jī)的d-q軸數(shù)學(xué)方程如下：（1）磁鏈方程乙=£啟"十力匕=L，其中，巾d、巾q為d、q坐標(biāo)軸上的定子磁鏈分量；Lsd、Lsq為d、q坐標(biāo)軸上的等效電樞電感；id、iq為d、q坐標(biāo)軸上的定子電流分量；巾r為永磁體產(chǎn)生的與定子交鏈的磁鏈。（2）電壓方程將式（1）中的巾d、巾q帶入到

18、上式中，用p表示微分算子，可得=十4"也-巴L/<+£碼/4+/+其中，ud、uq為d、q坐標(biāo)軸上的定子電壓分量；Rs為定子電阻；e為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電角速度（3）轉(zhuǎn)矩方程二口二產(chǎn)（死4一%幻將式（1）中的巾d、巾q帶入到上式中，可得乙二尸取/儀4）猛其中，Temfc電磁車$矩；P為轉(zhuǎn)子極對數(shù)(4)運(yùn)動(dòng)方程dCDtn.其中，j為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和機(jī)械負(fù)載折算過來的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）m*電機(jī)車$速；B為粘滯摩1S系數(shù)；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩經(jīng)矢量控制后，令id=0,則永磁同步機(jī)電壓平衡方程變?yōu)?k=匕K=AZuf-aLi-awarjyqbq""=R+Lpt+雙5

19、Li<fT-Pwi門理7Zg對于PMSM永磁體轉(zhuǎn)子，r巾是恒定值，由公式(2.12)可以看出電磁轉(zhuǎn)矩Te和q軸電流iq成正比，控制iq就能直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，iq也因此叫做定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，相應(yīng)的id叫做定子電流的勵(lì)磁分量。此時(shí)從電動(dòng)機(jī)端口來看相當(dāng)于一臺(tái)它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，定子電流中只有交軸轉(zhuǎn)矩分量，定子磁動(dòng)勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交。在永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，為了改變注入電機(jī)定子電流的頻率和幅值，控制設(shè)備需要實(shí)時(shí)的產(chǎn)生六路PW脈沖去控制逆變器的通斷。空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM能明顯減少逆變器輸出電流的諧波成分及電動(dòng)機(jī)的諧波損耗，降低了轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，提高了直流電壓利用率。由于其控

20、制簡單，方便實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，目前應(yīng)用越來越廣.本設(shè)計(jì)中我們就采用它來工作。電壓空間矢量技術(shù)(SVPWM也稱為磁通正弦PWM是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā)，著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通。它以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能。由于本人精力、能力有限，在此不再詳述。7系統(tǒng)控制策略的選擇經(jīng)過查找學(xué)習(xí)伺服系統(tǒng)資料，我們決定采用速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中電流環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾，限制最大電流保證系統(tǒng)的安全；速度環(huán)的作用是增強(qiáng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)能力，抑制速度波動(dòng)。因此系統(tǒng)調(diào)

21、節(jié)器的設(shè)計(jì)就包括電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和速度外環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)實(shí)際上是確定各PID控制器中的比例增益系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)。在設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的時(shí)候，其設(shè)計(jì)原則如下：(1)先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)，再設(shè)計(jì)外環(huán)；(2)內(nèi)環(huán)的頻帶寬度要高于外環(huán)，即電流環(huán)的頻率響應(yīng)要高于速度環(huán)；(3)設(shè)計(jì)速度外環(huán)時(shí)，通?？筛鶕?jù)等效條件，把電流內(nèi)環(huán)等效為一階慣性環(huán)節(jié)；7.1 電流內(nèi)環(huán)朋節(jié)器的分析與設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)的作用是提高系統(tǒng)的快速性，抑制電流環(huán)內(nèi)部的干擾，限制最大電流保證系統(tǒng)的安全。為實(shí)現(xiàn)的簡便及動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性，電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器決定采用比例(P)調(diào)節(jié)器。7.2 電流環(huán)內(nèi)各環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的建立電流環(huán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是各

22、環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型的建立，這其中包括PMSM數(shù)學(xué)模型、電流檢測環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型、濾波環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和PWM變器的數(shù)學(xué)模型等。在建立起各環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型后，整個(gè)電流環(huán)的數(shù)學(xué)模型隨之建立。(1) PMSM流解耦控制的數(shù)學(xué)模型的建立經(jīng)矢量控制后，令id=0,則永磁同步機(jī)電壓平衡方程變?yōu)?d=匕u/LIr陷爐uf-cdLi-&)urdrjrtftf4w吃=火4十十/T-Pui打冷¥rq由上式可知，因?yàn)榇嬖趗d,它在三相永磁同步電機(jī)中將產(chǎn)生電樞反應(yīng)轉(zhuǎn)矩使得轉(zhuǎn)矩具有非線性特性。但在實(shí)際的三相永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)中，所以，電樞反應(yīng)影響可以忽略不計(jì)。止匕時(shí)-邛-兄。-£圖。由于Er=coe

23、巾r為三相永磁同步伺服電機(jī)的反電動(dòng)勢，所以有峋-E/=R心+Lwpiq=此(/y+Tdi&1df)其中Ta=Lsq/Rs為PMSM電氣時(shí)間常數(shù)；p為微分算子。對式進(jìn)行拉普拉斯變換，整理后可得電壓、電流傳遞函數(shù)為：M5)1S(S)E(S)R十將電磁轉(zhuǎn)矩方程式代入機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程式，可得到.Jds蜂B出網(wǎng)。一門=+K小K,其中Kt=Pr為三相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；I1=ML/KT等效負(fù)載電流;B為阻尼系數(shù)；J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。對此式進(jìn)行拉普拉斯變換并整理后得以5)八£K,若忽略阻尼系數(shù)B的影響，則可以得到電流與角速度的關(guān)系為劭汗Kr)一17?(2)電流檢測環(huán)節(jié)、濾波環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型可

24、以將電流反饋環(huán)節(jié)當(dāng)作比例環(huán)節(jié)處理。其傳遞系數(shù)用Kcf表示。對于濾波環(huán)節(jié)，它可視為慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為Tcf,通常Tcf的取值選擇為%=(1/31/2)7削所以電流檢測和濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：Kcf1千(3)逆變器的數(shù)學(xué)模型三相PWM變器可看成是一個(gè)純滯后的放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，用KPWM示。其滯后作用可以認(rèn)為是調(diào)制比較器的滯后時(shí)間、為確保安全而設(shè)置的觸發(fā)時(shí)間及功率開關(guān)器件本身的關(guān)斷延時(shí)時(shí)間等三部分組成。三者之和一般不會(huì)超過PWM期的一半。所以實(shí)際計(jì)算中逆變器的延時(shí)時(shí)間TPWM!于PWM期TPWM的一半，即1.T'Tm/而KPWM取值為：K產(chǎn)評"=Vnc9故逆變器的傳

25、遞函數(shù)為Kpwv1+TFWM、S由以上可得電流環(huán)傳遞方塊圖系統(tǒng)傳遞函數(shù)為。加/+力癡"+ZX什加+(，+療用工叼5+購必?zé)o亂41特征方程為TMTS+(/+踞+狐Z*+0+7W+Z2如曲忒島1二。根據(jù)控制理論的相關(guān)知識(shí)可解得：(+T.+Tpwm”工力一1'THkrr''、,Kpu<乙7M/"對這個(gè)式子進(jìn)行簡化處理,可以得到KPC勺工程計(jì)算公式如下KfcL碼2I(K"Kpwm)7.3速度外環(huán)傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的分析與設(shè)計(jì)速度調(diào)節(jié)器是交流伺服系統(tǒng)中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其控制性能是伺服系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。一般來說伺服系統(tǒng)要滿足小的速度脈動(dòng)、快

26、的頻率響應(yīng)和寬的調(diào)速范圍，而速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)的好壞直接影響這些性能指標(biāo)。速度環(huán)調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)完電流內(nèi)環(huán)之后，再利用電流與角速度的關(guān)系，即可以得到速度環(huán)的等效結(jié)構(gòu)圖如下所示其中KAM AD專換器的轉(zhuǎn)換系數(shù)；Kf為速度轉(zhuǎn)換系數(shù)；3/2為2/3變換系數(shù);K次度調(diào)節(jié)器中的比例增益系數(shù)；Ti為速度調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為Gb(S)=j物城玨-(工於心切濟(jì)“郁4出+如曲邯-好忒忒心1般情況下可合并兩個(gè)小時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，電流環(huán)閉環(huán)等效傳遞函數(shù)可簡化為:(1+7S5X1+7工0+KnKnKK其中，TEi=TPWM+Tcf。由于TZ2i的導(dǎo)數(shù)遠(yuǎn)大于速度環(huán)的截止頻率，則電流閉環(huán)等效函數(shù)進(jìn)

27、一步簡化為一階慣性環(huán)節(jié)：GM5>1+0$其中T力=(幾+,)/(K+1)；K=KrKwaKK八于是伺服系統(tǒng)速度環(huán)的固有部分的傳遞函數(shù)為0(J)=5(1+TS)則可以推導(dǎo)出速度調(diào)節(jié)器各增益系數(shù)的工程計(jì)算公式如下A>=(d>n/KQsin*T/="/tany嘏KtKa“Kf3J"其中K次速度調(diào)節(jié)器增益系數(shù)；Ti為速度調(diào)節(jié)器積分時(shí)間；Y泌相角穩(wěn)定裕度，cl=2Ttfl,fl為速度環(huán)閉環(huán)頻帶寬度。電機(jī)簡化為直流電機(jī)進(jìn)行仿真，仿真方塊圖如下對系統(tǒng)輸入輸入階躍得到的系統(tǒng)輸出Matlab程序的輸出8基于LabWindows/CVI的系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)8.1 關(guān)于LabWi

28、ndows/CVILabWindows/CVI是NationalInstruments公司推出的一套面向測控領(lǐng)域的軟件開發(fā)平臺(tái)。它以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大，使用靈活的C語言平臺(tái)與數(shù)據(jù)采集，分析和表達(dá)的測控專業(yè)工具有機(jī)地接和起來。它的集成化開發(fā)平臺(tái)，交互式編程方法，豐富的控件和庫函數(shù)大大增強(qiáng)了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)，自動(dòng)測量環(huán)境，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。8.2 控制軟件設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用LabWindows/CVI9.0作為軟件開發(fā)環(huán)境，它提供了豐富的圖形用戶界面元素和集成了多種接口的功能庫。軟件的開發(fā)效率高，便于系統(tǒng)的調(diào)試和維

29、護(hù)。軟件按功能可劃分為發(fā)送任務(wù)、接收任務(wù)和用戶交互任務(wù)，其任務(wù)狀態(tài)圖如圖2所示。軟件設(shè)計(jì)遵循了軟件工程化設(shè)計(jì)原則，按各任務(wù)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)控制和在線檢測軟件采用UDP/IP組播方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，系統(tǒng)內(nèi)各硬件單元均以200次/s的速度向系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組播地址發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。UDP/IP組播通訊常用于一個(gè)功能主機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)的通訊，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中混雜了多個(gè)功能的主機(jī)集群時(shí)，組播通訊能很好地起到區(qū)分功能主機(jī)集群的作用，不同功能的主機(jī)集群創(chuàng)建一個(gè)組播地址，這個(gè)集群中的主機(jī)通過組播方式進(jìn)行同一功能間的數(shù)據(jù)通訊。8.3 發(fā)送任務(wù)發(fā)送任務(wù)主要的功能是向電機(jī)發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)，當(dāng)軟件成功配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后，發(fā)送任務(wù)將定時(shí)以200次

30、/s的速率向網(wǎng)絡(luò)組播地址發(fā)送電機(jī)的控制指令數(shù)據(jù)，電機(jī)的DSP主控模塊將接收PC端主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，根據(jù)通訊協(xié)議，電機(jī)將按協(xié)議規(guī)定數(shù)據(jù)位置讀取各自的控制指令數(shù)據(jù)，并按指令數(shù)據(jù)對電機(jī)進(jìn)行控制。發(fā)送任務(wù)的程序流程如圖5所示?？v向電機(jī)每轉(zhuǎn)為300步，即系統(tǒng)發(fā)出300個(gè)脈沖，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，系統(tǒng)是以一個(gè)脈沖為最小控制單位，絲杠螺距為12mm。橫向步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)400步，即發(fā)400個(gè)脈沖，電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，絲杠螺距為6mm。從而可以算出相應(yīng)參數(shù)的控制精度，同時(shí)程序命令可明確要求電機(jī)走多少步，旋轉(zhuǎn)多少度，走多少位移。為了讓步進(jìn)電機(jī)的速度改變平穩(wěn)，以防加速度過大而發(fā)生失步，程序應(yīng)該設(shè)計(jì)升降速控制。由前所述，整個(gè)測控程

31、序是基于LabWindows/CVI虛擬儀器平臺(tái)的，所以為實(shí)現(xiàn)對兩步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確控制，CVI的特性和環(huán)境特點(diǎn)很重要。8.4 接收任務(wù)接收任務(wù)的主要功能是接收電機(jī)DSP主控模塊回饋的電機(jī)狀態(tài)信息，通過收到數(shù)據(jù)中的源端IP地址來區(qū)分對應(yīng)的DSP主控模塊，并將有效的數(shù)據(jù)包根據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)濾包，最后用戶交互任務(wù)會(huì)將電機(jī)的狀態(tài)信息顯示在人機(jī)界面上。接收任務(wù)的程序流程圖如圖6所示。T暮布推尊網(wǎng)塔II.隔*函度防彷泮/I證JiM而圖6接收任務(wù)B流程圖8.5 用戶交互任務(wù)用戶交互任務(wù)的主要功能是：由用戶通過人機(jī)交互界面輸入控制指令數(shù)據(jù)，同時(shí)將各路電機(jī)反饋的信息顯示在界面上。LabWindows/CVI提供

32、了豐富的人機(jī)交互界面元素，用戶通過使用這些元素能方便、快速地創(chuàng)建出專業(yè)的人機(jī)界面。在每個(gè)工程目錄中，Labwindows/CVI都提供了一個(gè)界面文件（用.uir）,用戶可根據(jù)軟件需求添加相應(yīng)的界面控制元素，通過界面控制元素提供的回饋函數(shù)可創(chuàng)建出元素觸發(fā)事件，觸發(fā)事件的回饋函數(shù)由Lab-Windows/CVI來統(tǒng)一管理，當(dāng)定義的元素觸發(fā)事件被觸發(fā)后，程序?qū)?zhí)行元素的觸發(fā)事件，執(zhí)行用戶定義的數(shù)據(jù)處理。8.6 事件及其處理方法在應(yīng)用LabWindows/CVI進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)過程中，通常的方法是在開發(fā)環(huán)境LabWindows/CVI中設(shè)計(jì)一個(gè)用戶接口，實(shí)際就是在用戶計(jì)算機(jī)屏幕上定義一個(gè)面板（軟面板

33、），它有各種程序所定義的控制項(xiàng)（如命令按鈕、菜單等）所組成，用戶選擇這些控制項(xiàng)就可以產(chǎn)生一系列用戶接口的消息，我們把這些消息稱為事件。例如，當(dāng)用戶當(dāng)擊一個(gè)按鈕時(shí)即產(chǎn)生一個(gè)用戶接口事件。并傳遞給用C+開發(fā)的相應(yīng)程序，這其中主要應(yīng)用了Windows編程中的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。我們對兩步進(jìn)電機(jī)的控制編程，用到了EVENT_COMMIT事件。LabWindows/CVI中對事件的處理方法也有兩種，即回調(diào)函數(shù)點(diǎn)和事件循環(huán)處理法。我們在電機(jī)控制程序中采用了回調(diào)函數(shù)法?；卣{(diào)函數(shù)法是開發(fā)者為“軟面板”上的控制項(xiàng)而編寫一個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，當(dāng)選中某一個(gè)控制項(xiàng)時(shí)，就調(diào)用相應(yīng)函數(shù)對此事件進(jìn)行處理，回調(diào)函數(shù)一般代碼結(jié)構(gòu)如下：intCVICALIBACKUPMOVE（intpanel,intcontrol»inteventsvoidcalllkickDatatinteventDataltinteentDatii2）switch（event）caseEVENT.COMMIT：break;easeEVENT_RIGHT_CLICK：break;return0;其中：UPMOVE是由用戶定義的回調(diào)函數(shù)名在程序中我們定義：0x244:接近開關(guān)信號(hào)輸入口位用途10m縱向原位接近開關(guān)信號(hào)接近遠(yuǎn)離IH橫向后退接近開關(guān)信號(hào)接近遠(yuǎn)感D2橫向前進(jìn)接近開關(guān)信號(hào)接近遠(yuǎn)離0x246,0x247