基于DSP的全數(shù)字永磁同步電機伺服系統(tǒng)研究_圖文

1、廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文基于DSP的全數(shù)字永磁同步電機伺服系統(tǒng)研究姓名：呂健申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：程韜波20080501摘要摘要伺服驅(qū)動技術(shù)經(jīng)過了直流伺服裝置、直流無刷伺服裝置和交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置三個階段。隨著現(xiàn)代制造業(yè)規(guī)?；a(chǎn)對加工設(shè)備提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流永磁同步伺服驅(qū)動裝置具有高響應(yīng)、免維護（無炭刷、換向器等磨損元部件）、高可靠性等特點。它采用微處理技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、電機永磁材料制造工藝和具有較好的性能價格比，不僅在數(shù)控機床，機器人，航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的前景和實用價值，而且正日益進軍紡織業(yè)，成為未來工業(yè)縫紉機

2、實現(xiàn)機電一體化，數(shù)字化的重要技術(shù)手段之一。本文針對數(shù)字化永磁同步電機伺服系統(tǒng)展開研究，全文主要分為四大部分，其主要內(nèi)容如下：一、建立永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分析了電機的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型，闡述了空間矢量脈寬調(diào)制（簡稱）技術(shù)的理論基礎(chǔ)及其波形的產(chǎn)生機制。二、永磁同步電機伺服系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計，系統(tǒng)以公司的高性能控制芯片為控制核心，以公司的功率驅(qū)動器和只組成了高耐壓值、較好穩(wěn)定性的功率變換和驅(qū)動電路。應(yīng)用增量式光電編碼器實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置精確定位，并得到速度反饋值；應(yīng)用霍爾電流傳感器實現(xiàn)電流反饋。系統(tǒng)集成度高，方便實現(xiàn)數(shù)字化控制。三、永磁同步電機伺服系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計，將整個軟件系統(tǒng)進行了模塊化設(shè)

3、計，這樣有利于對整個軟件系統(tǒng)進行組織與管理；重點闡述了（空間矢量）算法的實現(xiàn)方案；設(shè)計了電流環(huán)和速度環(huán)的全數(shù)字調(diào)節(jié)器，給出了速度和位置反饋的計算方法。四、在系統(tǒng)軟硬件基礎(chǔ)上，對伺服系統(tǒng)進行實驗調(diào)試，實驗調(diào)試包括對伺服系統(tǒng)進行的建模仿真和實際設(shè)計的系統(tǒng)調(diào)試兩部分，給出仿真和實驗波形，對實驗結(jié)果及在實驗過程中出現(xiàn)的問題進行了對比分析和討論，并給出了解決方案。最后本文總結(jié)了整個系統(tǒng)的開發(fā)工作，提出了系統(tǒng)需要繼續(xù)完善的地方，作為后續(xù)研究工作的參考。關(guān)鍵詞：永磁同步電機；伺服；空間矢量廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文，（），（），），（），；（），、，；，：；獨創(chuàng)性聲明獨創(chuàng)性聲明秉承學(xué)校嚴謹?shù)膶W(xué)風與優(yōu)良的科

4、學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，不包含本人或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明，并表示了謝意。本學(xué)位論文成果是本人在廣東工業(yè)大學(xué)讀書期間在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的，論文成果歸廣東工業(yè)大學(xué)所有。申請學(xué)位論文與資料若有不實之處，本人承擔一切相關(guān)責任，特此聲明。論文作者簽字：健秭叱孑年月；日第一章緒論第二章緒論課題研究背景伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從液壓、氣動到電氣的過程，而電氣伺服系統(tǒng)包括伺服電機、反饋裝置和控制器。

5、在世紀年代，最早是直流電機作為主要執(zhí)行部件，在年代以后，交流伺服電機的性價比不斷提高，逐漸取代直流電機成為伺服系統(tǒng)的主導(dǎo)執(zhí)行電機【】?？刂破鞯墓δ苁峭瓿伤欧到y(tǒng)的閉環(huán)控制，包括力矩、速度和位置等。我們通常說的伺服驅(qū)動器已經(jīng)包括了控制器的基本功能和功率放大部分。雖然采用功率步進電機直接驅(qū)動的開環(huán)伺服系統(tǒng)曾經(jīng)在年代的所謂經(jīng)濟型數(shù)控領(lǐng)域獲得廣泛使用，但是迅速被交流伺服所取代；進入世紀，交流伺服系統(tǒng)越來越成熟，市場呈現(xiàn)快速多元化發(fā)展，國內(nèi)外眾多品牌進入市場競爭。目前交流伺服技術(shù)已成為工業(yè)自動化的支撐性技術(shù)之一。隨著電力電子技術(shù)及控制理論，微處理器等微電子技術(shù)的快速發(fā)展，軟件運算及處理能力的提高，特別是

6、智能功率集成模塊（）和高速數(shù)字信號處理器（）的應(yīng)用，使交流伺服系統(tǒng)模塊化和全數(shù)字化的實現(xiàn)成為可能，大大提高了系統(tǒng)的柔性、精度和控制性能。基于的全數(shù)字化、高性能的（永磁同步電機）伺服系統(tǒng)已經(jīng)成為關(guān)注和研究的熱點。對于發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)來說，由于在一定條件下，作為“硬形式存在的伺服電機、逆變器以相應(yīng)反饋檢測裝置等性能的提高受到許多客觀因數(shù)的制約；而以“軟形式”存在的控制策略具有較大的柔性，近年來隨著控制理論新的發(fā)展，尤其智能控制的興起和不斷成熟，加之計算機技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得基于智能控制的先進控制策略和基于傳統(tǒng)控制理論的傳統(tǒng)控制策略的“集成”得以實現(xiàn)，并為其實際應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)【

7、：】。而伺服電機自身是具有一定的非線性、強耦合性及時變性的“系統(tǒng)”，同時伺服對象也存在較強的不確定性和非線性，加之系統(tǒng)運行時受到不同程度的干擾，因此按常規(guī)控制策略很難滿足高性能伺服系統(tǒng)的控制要求。為此，如何結(jié)合控制理論新的發(fā)展，引進一些先進的“復(fù)合型控制策略”以改進“控制器”性能是當前發(fā)展高性能交流伺服系統(tǒng)的一個主要“突破口。廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)碩十學(xué)位論文國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析伺服系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，一直隨著用戶的需求而不斷發(fā)展。電動機、驅(qū)動、傳感和控制技術(shù)等關(guān)聯(lián)技術(shù)的不斷變化、造就了各種各樣的配置。就電動機而言，可以采用盤式電機、無鐵芯電機、直線電機、外轉(zhuǎn)子電機等，驅(qū)動器可以采用各種功率電子元件，傳感

8、和反饋裝置可以是不同精度、性能的編碼器、旋變和霍爾元件甚至是無傳感器技術(shù)，控制技術(shù)從采用單片機開始，一直到采用高性能和各種可編程模塊，以及現(xiàn)代控制理論的實用化等等【，。在這里我們主要選取國內(nèi)外一流廠商及其先進的技術(shù)來進行對比說明。國外伺服系統(tǒng)發(fā)展情況國外的一些大型廠商在交流伺服系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研發(fā)上面十分重視，它們的水平代表了當前的國際水平。貝加萊（）工業(yè)自動化公司推出的驅(qū)動系統(tǒng)采用模塊化的可擴展結(jié)構(gòu)，每個軸模塊可以提供到個伺服軸控制，并集成了一個的輔助電源模塊，為驅(qū)動器、控制器和外圍設(shè)備提供了一個到直流總線的鏈接，來獲得開路、短路和過載保護【鍆。其他特性包括通過空氣，油或水進行冷卻的模塊化設(shè)計

9、，通過一個能量再生系統(tǒng)確保環(huán)境的安全性。在國內(nèi)，我們還沒有看到有廠商進行類似的模塊式設(shè)計，并在產(chǎn)品中融入機器安全概念。艾默生控制技術(shù)（）公司展出了及其它交、直流驅(qū)動器產(chǎn)品。驅(qū)動器覆蓋功率范圍從，變換不同的控制軟件可以驅(qū)動異步電機、永磁同步伺服電機和無刷直流電機。額定輸出功率為的型集成可變速度電機與可變速度驅(qū)動器（），具有閉環(huán)矢量與分布式（）兩個版本。值得注意的是適合在潛在爆燃性氣體中工作的系統(tǒng)（）。而額定輸出功率為、一的驅(qū)動器，則據(jù)稱能在類或區(qū)類分類氣體中工作。相對應(yīng)的，國內(nèi)伺服驅(qū)動器廠商的產(chǎn)品功率范圍多在以下，而且沒有特殊防護等級的商品化產(chǎn)品面世，這方面國內(nèi)外的差距很大，也是未來國內(nèi)伺服廠商

10、差異化競爭的方向。公司展出了驅(qū)動技術(shù)。的發(fā)展路線圖顯示，將于年出現(xiàn)的“公共工業(yè)協(xié)議（）運動應(yīng)用協(xié)議”，有望無第一章緒論縫同步在同一系統(tǒng)中運行的多軸伺服與變頻驅(qū)動器中。在適合運動控制的工業(yè)協(xié)議方面，我們還看到的，的，下面的開發(fā)的，的，還有久負盛名的已經(jīng)發(fā)展到。這些通訊協(xié)議都為多軸實時同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驅(qū)動器集成進去。在國內(nèi)，甚至這樣的中低端總線也沒有變成伺服驅(qū)動器的標準配置，采用高性能實時現(xiàn)場總線的商品化驅(qū)動器還沒有出現(xiàn)。這一方面是因為我們的伺服基本性能還沒有達到相應(yīng)的水準，另一方面也是因為市場還沒有發(fā)育到這個程度?？上驳氖?，我們已經(jīng)看到一些單位進行了有益的研發(fā)實踐，一方面消

11、化國外的先進技術(shù)，一方面嘗試推出自己的總線標準。和利時電機預(yù)計在自己的下一代伺服產(chǎn)品中集成多種可選的通訊模塊，其中包括、和，還有和利時電機和北航聯(lián)合開發(fā)的（用于多軸同步運動控制的總線），基于藍牙無線通訊的模塊也在研發(fā)中。中科院沈陽高檔數(shù)控研發(fā)中心等個別單位也研發(fā)了自己的運動控制總線協(xié)議。施奈德電氣（）這次展出的型伺服控制器具有和變頻器一樣外形，目標是低成本應(yīng)用。實際上，利用變頻器的批量生產(chǎn)能力推出低端伺服，已經(jīng)成為一些廠商的競爭手段。該公司旗下的品牌在其展臺上隨處可見。其智能、集成電機與控制器產(chǎn)品（）主要有以下三個電機版本：步進電機、交流伺服電機與三相無刷直流電機。（來源于“集成、閉環(huán)、執(zhí)行器

12、”的首字母縮寫）將電機、位置控制、功率電子與反饋集成在一個緊湊單元中。這種一體化設(shè)計的思路在美國的等公司身上也體現(xiàn)得很明顯，來自德國的公司也有類似的產(chǎn)品。這是真正的機電一體化產(chǎn)品，為設(shè)計者帶來了一系列的工程挑戰(zhàn)，包括電磁兼容、熱控制、元器件小型化、特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計等。在國內(nèi)，沒有見到有廠商推出自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。包米勒（）公司提供的帶集成行星齒輪傳動系的高性能伺服電機，擁有高達的效率和很低的噪音；直接驅(qū)動型高力矩伺服電機，可以在范圍內(nèi)輸出】。國內(nèi)伺服系統(tǒng)發(fā)展情況我國在世紀年代初期通過引進、消化、吸收國外先進技術(shù)，又在國廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩：學(xué)位論文家“七五”、“八五”、“九五”期間對伺服驅(qū)動技術(shù)進

13、行重大科技攻關(guān)，取得了一定成果。華中科技大學(xué)是我國自主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)源地之一?！鞍宋濉逼陂g，華中科技大學(xué)的自控系和電力系分別開始了伺服驅(qū)動的研發(fā)工作。年，自控系與華中數(shù)控合作，共同研制基于單片機的模擬數(shù)字混合式（電流環(huán)是模擬量）交流伺服驅(qū)動和主軸驅(qū)動（系），后來又開發(fā)了基于的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動裝置（）并投入大批量生產(chǎn)。到目前為止已累計生產(chǎn)銷售多臺，被評為國家攻關(guān)重大成果和國家重點新產(chǎn)品。華中科技大學(xué)電力系與廣州數(shù)控、上海開通數(shù)控合作，研制的伺服驅(qū)動技術(shù)也已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。北京航天數(shù)控公司生產(chǎn)的系列全數(shù)字伺服控制單元和系列全數(shù)字主軸控制單元、北京凱奇數(shù)控設(shè)備成套有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字伺服控制單

14、元和全數(shù)字主軸控制單元及電機也已經(jīng)得到了大規(guī)模應(yīng)用，進給伺服功率范日，一，主軸伺服功率范圍，可以滿足企業(yè)實際需要。北京時光科技公司自主研發(fā)的“全數(shù)字化交流伺服控制技術(shù)”，采用位微處理器為基礎(chǔ)的系統(tǒng)級芯片和智能化功率器件，成功實現(xiàn)了對三相交流異步電機（鼠籠式電動機）的高精度伺服控制?；诖隧椉夹g(shù)研制生產(chǎn)的系列伺服控制器可通過編程方式，靈活、準確地對電機的位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)高精度控制，其產(chǎn)品能廣泛應(yīng)用于機床、電梯、包裝機械、印刷機械、塑料機械、搬運機械、電動車及自動化生產(chǎn)線等各種領(lǐng)域，用戶反映良好。從年開始，我國的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)從配用步進驅(qū)動裝置，開始大規(guī)模改用伺服驅(qū)動裝置。中國人自

15、主創(chuàng)新的伺服驅(qū)動技術(shù)為促使我國數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的升級，立下了汗馬功勞，伺服驅(qū)動產(chǎn)業(yè)也取得了很大進步【】。交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展趨勢伺服系統(tǒng)的發(fā)展緊密地與伺服電機，微處理器，控制理論，電力電子器件，等發(fā)展相聯(lián)系著，根據(jù)目前國內(nèi)外的研制及使用主要向以下兩個方向發(fā)展：全數(shù)字化全數(shù)字化是未來伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。隨著微電子制造工藝的日益第一章緒論完善，采用新型高速微處理器，特別是數(shù)字信號處理秈技術(shù)，使運算速度呈幾何級數(shù)上升。伺服驅(qū)動內(nèi)部的三環(huán)控制（位置環(huán)速度環(huán)電流環(huán)）數(shù)字化是保證伺服驅(qū)動高響應(yīng)、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驅(qū)動所有的控制運算，都可由其內(nèi)部的完成，達到了伺服環(huán)路高速實時控制的要求。一些

16、產(chǎn)品還將電機控制的外圍電路與內(nèi)核集成于一體，一些新的控制算法速度前饋、加速度前饋、低通濾波、凹陷濾波等得以實現(xiàn)。高性能表現(xiàn)為高精度、高動態(tài)響應(yīng)、高剛性、高過載能力、高可靠性、高電磁兼容性、高電網(wǎng)適應(yīng)能力、高性價比。電子電力技術(shù)的發(fā)展，使得伺服系統(tǒng)主電路功率元件的開關(guān)頻率由一提高到以上，大功率絕緣柵門雙極性晶體管（）和智能控制功率模塊（）等先進器件的采用，大大減少了伺服驅(qū)動器輸出回路的功耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和平穩(wěn)性，降低了運行噪音。這些不僅為交流伺服全數(shù)字化、高速度、高精度奠定了基礎(chǔ)，還使得交流伺服系統(tǒng)趨于小型化【】。課題研究的目的和意義數(shù)字交流伺服系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人、印刷、包

17、裝、食品、紡織、航空航天以及變頻器等眾多領(lǐng)域中。隨著各個領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對伺服系統(tǒng)的要求也日益嚴格，不同的應(yīng)用環(huán)境對伺服系統(tǒng)的性能要求也不盡相同。隨著紡織、制衣工業(yè)的規(guī)?；l(fā)展，工業(yè)縫紉機發(fā)展迅猛。而傳統(tǒng)的工業(yè)縫紉機，主軸驅(qū)動大多采用離合器電機，其它功能都靠機械配合或人工完成，存在效率低，體積大，調(diào)速范圍窄，位置控制難，造成縫紉機的功能單一，自動化程度低。為此，年代開始，國外開始研究工業(yè)縫紉機用交流伺服電動機系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上完成其它自動功能。年以來，德國的杜克普阿德勒（）、日本的重機（）、日本的三菱（）、日本的兄弟（）等均已推出了其相應(yīng)產(chǎn)品，將交流伺服電動機運用到各類工業(yè)縫紉機中，實現(xiàn)了工業(yè)縫

18、紉機的電子化、數(shù)字化，并以每年的遞增速度替代原有的離合器電機等傳統(tǒng)電機。為了推進紡織、服裝產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，研究高性能的電機伺服系統(tǒng)勢在必行。廣東工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩：學(xué)位論文作為紡織、服裝行業(yè)來說，對于工業(yè)縫紉機伺服系統(tǒng)又提出了許多特殊的要求：節(jié)能、環(huán)保、高速、高精度、高可靠性和較強的抗干擾能力。全數(shù)字控制因其自身高可靠性己成為伺服控制的發(fā)展方向。高性能微處理器和功率電子器件的發(fā)展為伺服控制的全數(shù)字化實現(xiàn)提供了條件。因此，機電一體化、數(shù)字化成為工業(yè)縫紉機發(fā)展的主流方向。我國目前也有多家單位正在研究機電一體化、數(shù)字化工業(yè)縫紉機，還處于樣機試制和小批量生產(chǎn)階段。從縫紉機的性能要求和市場發(fā)展方向來看，永

19、磁同步電機伺服系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，是電氣系統(tǒng)中技術(shù)難度最高的部分，是開發(fā)縫紉機電氣系統(tǒng)的突破口，它的成功開發(fā)可將其技術(shù)演化到其它種類的電機和驅(qū)動器上，起到事半功倍的效果¨】。本文的主要研究任務(wù)是針對高精度永磁伺服驅(qū)動控制器，設(shè)計一種基于高性能控制策略的全數(shù)字化的位置伺服系統(tǒng)。要解決的關(guān)鍵問題是：（）低噪聲，抗干擾性強的高性能驅(qū)動系統(tǒng)的實現(xiàn)；（）全數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計。通過設(shè)計出合適的位置調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)對永磁同步電機進行精確定位，使定位精度，定位速度，位置響應(yīng)等指標都能滿足伺服控制的要求。課題研究的內(nèi)容本文的主要安排如下：（）第一章是緒論，主要闡述了課題的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨

20、勢和及本課題要研究的目的、內(nèi)容和要解決的關(guān)鍵問題。（）第二章闡述了永磁同步電機數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計思路，包括矢量控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)、永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型、空間矢量脈寬調(diào)制（簡稱）技術(shù)的理論基礎(chǔ)及其波形的產(chǎn)生機制。（）第三章是關(guān)于系統(tǒng)硬件實驗平臺的構(gòu)建，論述了基于數(shù)字伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計和制作，包括硬件設(shè)計總體架構(gòu)、控制板、驅(qū)動板、輔助電源以及保護、檢測以及采樣電路等各單元的設(shè)計。（）第四章詳細介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計的原理及實現(xiàn)，包括高精度位置控制器的控制策略及實現(xiàn)，轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速檢測，轉(zhuǎn)子磁鏈初始位置檢測，并給出相第一章緒論應(yīng)程序流程圖，從而實現(xiàn)對永磁同步電機進行精確定位。數(shù)字化實現(xiàn)電壓

21、空間矢量（）變頻控制策略是整個軟件設(shè)計的關(guān)鍵和難點所在。（）第五章對整個伺服系統(tǒng)進行實驗調(diào)試，并給出仿真和實驗波形，最后對實驗結(jié)果及在實驗過程中出現(xiàn)的問題進行了分析和探討，并給出了解決方案。（）第六章總結(jié)了本文的工作，并對下一步的工作進行了展望。廣東丁業(yè)大學(xué)學(xué)碩上學(xué)位論文第二章永磁同步電機數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計思路引言高性能的永磁同步電機伺服系統(tǒng)需要現(xiàn)代控制理論的支撐，目前對交流電機最為實用的、準確的控制方法是空間矢量控制。而矢量控制需要精確的電機數(shù)學(xué)模型及空間矢量控制實現(xiàn)的原理。為此，本章首先建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)框圖，并分析其工作的原理；然后對其中模塊的數(shù)學(xué)模型及其實現(xiàn)的過程進行詳細的

22、闡述。永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)總體架構(gòu)永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)框圖如圖所示：圖永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)框圖從圖可知，永磁同步電機位置交流伺服系統(tǒng)矢量控制由下面幾部分組成：）轉(zhuǎn)子磁極位置檢測和速度計算模塊；）速度環(huán)，電流環(huán)控制器；）坐標變換模塊；）模塊；）整流和逆變模塊。其控制過程如下：速度指令信號與檢測到的轉(zhuǎn)子速度信號相比較，經(jīng)速度控制器的調(diào)節(jié)，輸出指令信號，作軸電流控制器給定信號，軸電流控制器的給定信號為副。電流采樣得到的三相定子電流，厶，通過變換化為口一坐第二章永磁同步電機數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計思路標系兩相電流屯，通過變換后，化為旋轉(zhuǎn)坐標系的電流值，分別是軸和軸電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入。軸和軸電

23、流的給定和反饋之間的偏差分別輸入到軸和軸的電流控制器，經(jīng)過控制器的調(diào)節(jié)后輸出電壓，甜。，再經(jīng)過逆變換分別化為坐標系軸電壓，矗，調(diào)制模塊輸出六路，驅(qū)動產(chǎn)生頻率和幅值可變的三相正弦電流輸入電機。按轉(zhuǎn)子磁鏈定向電機矢量控制系統(tǒng)需要提供電機轉(zhuǎn)子的位置信號或速度信號。目前的系統(tǒng)一般使用光電編碼器來得到轉(zhuǎn)子磁極位置信息和速度信息。對于永磁同步電機，的大小和相位就取決于屯和。也即，矢量控制是通過對兩個電流分量的分別控制實現(xiàn)的。根據(jù)電機方程所確定的電磁關(guān)系，一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速對應(yīng)于一定的屯和，通過對這兩個電流的控制，使實際的屯和。跟蹤相應(yīng)的給定值，便實現(xiàn)了對電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制】。這種電流矢量控制方法對電動機穩(wěn)

24、態(tài)運行和瞬態(tài)運行的控制都是適用的。而且由于位于，軸的電流分量相互正交，使對轉(zhuǎn)矩的控制和對磁場的控制實現(xiàn)了解耦，因此便于實現(xiàn)各種先進的控制策略。對于永磁同步電機，轉(zhuǎn)子磁通位置與轉(zhuǎn)子機械位置相同，這樣通過檢測轉(zhuǎn)子實際位置就可以得知電機轉(zhuǎn)子磁鏈位置，從而使永磁同步電機的矢量控制比起異步電機的矢量控制大大簡化。當易時，從電機端看，永磁同步電機相當于一臺他勵直流電機【】。定子電流中只有軸分量，且定子磁動勢空間矢量與永磁體磁場空間矢量正交，在一定的定子電流幅值下能夠輸出最大的轉(zhuǎn)矩。以上是矢量控制系統(tǒng)具體原理的分析，接下來的部分將根據(jù)結(jié)構(gòu)框圖分析電機的結(jié)構(gòu)、建立電機的數(shù)學(xué)模型、介紹變換、變換的基本原理以及空

25、間矢量實現(xiàn)過程。永磁同步電機數(shù)學(xué)模型的建立永磁同步電機的結(jié)構(gòu)和工作原理永磁同步伺服電機的定子和饒線式的定子基本相同。但可根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為凸極式和嵌入式兩類。凸極式轉(zhuǎn)子是將永磁鐵安裝在轉(zhuǎn)子軸的表面，如圖廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文（）。因為永磁材料的磁導(dǎo)率十分接近空氣中的磁導(dǎo)率，所以在交軸（軸）、直軸（軸）上的電感基本相同。嵌入式轉(zhuǎn)子則是將永久磁鐵嵌入到轉(zhuǎn)子軸的內(nèi)部，如圖（），因此交流的電感大于直軸的電感。并且，除了電磁轉(zhuǎn)矩外，還有磁阻轉(zhuǎn)軸存在。一軸，（）凸極式圖永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（兩對磁極）（）嵌入式為了使永磁同步伺服電機具有正弦波感應(yīng)電動勢波形，其轉(zhuǎn)子磁鋼形狀呈拋物線狀，使其氣隙中產(chǎn)生的磁通

26、密度盡量呈正弦分布；定子電樞繞組采用短距分布式繞組，能最大限度地消除諧波磁動勢。永磁體轉(zhuǎn)子產(chǎn)生恒定的電磁場。當定子通以三相對稱的下弦波交流電時，則產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場。兩種磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如果能改變定子三相電源的頻率和相位，就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置。因此，對三相永磁同步伺服電機的控制也和異步電機控制相似，采用矢量控制。在永磁伺服電機的轉(zhuǎn)子上通常要安裝一個位置傳感器，用來測量轉(zhuǎn)子的位置。這樣通過檢測轉(zhuǎn)子的實際位置就可以得到轉(zhuǎn)子的磁通位置，從而使永磁同步電機的失量控制比異步電機矢量控制簡單【孔。永磁同步電機數(shù)學(xué)模型為了得出永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型必須對電機作出如下假設(shè)：（）忽略鐵心

27、飽和；（）忽略電機繞組漏感；（）轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組；第一二章永磁同步電機數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計思路（）永磁材料的電導(dǎo)率為零；（）不計渦流和磁滯損耗，認為磁路是線性的；（）定子相繞組的感應(yīng)電動勢為正弦波，定子繞組的電流在氣隙中只產(chǎn)生正弦分步的磁勢，忽略磁場的高次諧波；圖是永磁同步電機模型，圖中標出了定子每相繞組中電流的正方向。將正向電流流經(jīng)一相繞組時產(chǎn)生的正弦磁動勢波軸線定義為該相繞組的軸線，如圖中的軸為繞組軸線，并將它作為空間坐標的參考軸線。永磁同步電機在坐標系的數(shù)學(xué)模型描述如下：軸圖永磁同步電機模型定子電壓方程：等也愿屯（）誓坶愿磁鏈方程：（），（）（）電磁轉(zhuǎn)矩方程：乙。（口一）。，一一）口刪

28、?！究谝豢冢?，一】口（）機械運動方程：，警乙一瓦（）廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文電機狀態(tài)方程：巨一【，一一，己，三一尺三，三，固，訃了瓦（），其中，一電壓；電流；甲一磁鏈；坐標系上的等效電樞電感；一定子繞組的電阻；坐標系旋轉(zhuǎn)角頻率；一永磁體產(chǎn)生的磁鏈，可由。求取，。為空載反電動勢，其值為每相繞組反電動勢有效值的倍，即；轉(zhuǎn)動慣量；一轉(zhuǎn)子機械角速度；尺一阻力系數(shù)；乙一輸出電磁轉(zhuǎn)矩；疋一負載轉(zhuǎn)矩；成一磁極對數(shù)【】。坐標系及其變換定子坐標系和坐標系三相交流電機定子中有三相繞組，其軸線分別為、，彼此互差，構(gòu)成一個三相坐標系，參見圖。某矢量在三個坐標軸上的投影分別為、，代表了該矢量在三個繞組中的分量，如果

29、是定子電流矢量，則、分別為三個繞組中的電流分量。數(shù)學(xué)上，平面矢量可用兩相直角坐標系來描述，所以在定子坐標系中又定義了一個兩相直角坐標系叫坐標系，它的軸與軸重合，軸超前【軸，也繪于圖中，、為矢量在【坐標軸上的投影【】。圖定子坐標系第二章永磁同步電機數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計思路轉(zhuǎn)子坐標系和旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)子坐標系固定在轉(zhuǎn)子上，其中平面直角坐標系的軸位于轉(zhuǎn)子軸線上，軸超前軸。從廣義上來說，坐標系通常稱作旋轉(zhuǎn)坐標系。三個坐標系之間的關(guān)系如圖所示。坐標系、葉坐標系及坐標系的變換關(guān)系如下（以電流為例）：芝。一幽莖，乏乙。一筇蘭，芝碭一由芝，乙，由信二主宴男；。（乃，），部塒塒。，：們卻由一口（）“廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)

30、碩上學(xué)位論文變換變換是將三相平面坐標系兩相平面直角坐標系筇轉(zhuǎn)換。定子繞組拘變換式和轉(zhuǎn)子繞組筢變換式是一樣的，只是繞組相對于轉(zhuǎn)子的速度是不同的。通過圖和公式（）可知變換式為：臥郾二“一劾【一一眩乙逆變換為：黔一（）一魚變換在轉(zhuǎn)子上，軸超前軸度，轉(zhuǎn)子軸領(lǐng)先于定子相電氣角度，且相繞組方向與【軸一致，從圖公式（）可知變換式【】：，乏。；。鄉(xiāng)芝轉(zhuǎn)子磁場矢量控制原理磁場定向矢量控制原理（）眩，三相永磁同步伺服電機的模型是一個多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩線性化控制，就必須要對轉(zhuǎn)矩的控制參數(shù)實現(xiàn)解耦。轉(zhuǎn)子磁場定向（）控制是一種常用的解耦控制方法。第一二章永磁同步電機數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計思路圖永磁同

31、步電機定子坐標系與轉(zhuǎn)子坐標系的關(guān)系轉(zhuǎn)子磁場定向控制實際上是將同步旋轉(zhuǎn)坐標系放在轉(zhuǎn)子上，隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。其軸（直軸）與轉(zhuǎn)子的磁場方向重合（定向），軸（交軸）逆時針超前軸。電角度，將定子電流，在一個，坐標系中分解，其中軸對應(yīng)著轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向和軸垂直。通過電流空間矢量的坐標變換后，永磁同步電機轉(zhuǎn)矩表示為：，疋伊，叼（厶一）叼】（）其中竹為勵磁與電樞合成磁通，分別為定子在軸和軸的電流分量，刀為極對數(shù)，厶和幺分別為軸和軸的電感。當在基速以下恒轉(zhuǎn)矩運行區(qū)中，采用定子電流矢量位于軸，無軸分量的控制方式，使定子電流全部用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)椋骸?#215;作（）由于永磁同步電機轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，使

32、緲，為常數(shù)，因此電機轉(zhuǎn)矩只與定子電流的幅值成正比，只要保持。與軸垂直，就可以像直流電機控制一樣，通過調(diào)整直流量屯來控制轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了矢量的解耦控制。只要在逆變器中控制好定子電流的幅值，就會得到滿意的轉(zhuǎn)矩控制特性?？臻g矢量脈寬調(diào)制原理（）空間矢量脈寬調(diào)制的英文全稱為，實際上對應(yīng)于交流感應(yīng)電機或永磁同步電機中的三相電壓源逆變器的功率器件的一種特殊的開關(guān)觸發(fā)順序和脈寬大小的組合，這種開關(guān)觸發(fā)順序和廣東工業(yè)人學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文組合將在定子線圈中產(chǎn)生三相互差電角度的波形失真較小的正弦波電流。實踐和理論都可以證明，與直接的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（）技術(shù)相比，在輸出電壓或電機線圈中的電流中都將產(chǎn)生更少的諧波，提高

33、了對電壓源逆變器直流供電電源的利用效率?；倦妷嚎臻g矢量圖是一個典型的電壓型逆變器【閽。利用這種逆變器功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序組合，以及開關(guān)時間的調(diào)整，以保證電壓空間矢量圓形運行軌跡為目標，就可以產(chǎn)生諧波較少的、且直流電源電壓利用率較高的輸出。圖中，圪，圪，圪是逆變器的電壓輸出，鳥到是個功率晶體管，它們?yōu)椋ｑ?，和個功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)，即，和為或為的狀態(tài)，將決定圪，圪，圪三相輸出電壓的波形情況。逆變橋輸出的線電壓矢量【圪。吃、相電壓矢量圪圪圪和開關(guān)變量矢量口的之間的關(guān)系可以用下面的兩個式子表示：酐硼第二章永磁同步電機數(shù)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計思路昏：，式中吃是電壓源逆變器的直流供電電壓，或者稱為總

34、線電壓。曉不難看出，因為開關(guān)變量矢量口】有個不同的組合植（，只能取輸出的相電壓和線電壓也有種對應(yīng)的組合。開關(guān)變量矢量【口】與輸出的線電表功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)和與之對應(yīng)的輸出線電壓的關(guān)系鋤（一在該表中、表示個輸出的相電壓，、表示個輸出的線電壓。在（，）坐標系中與輸出的三相線電壓相對應(yīng)的分量可以由下面的等式表示：（）（）（刪）上面的等式也可以用矩陣形式表示：廣東業(yè)大學(xué)學(xué)碩：學(xué)位論文吃一一三了（）巫一生由于逆變橋中，功率晶體管的開關(guān)狀態(tài)的組合一共只有個，則對應(yīng)于開關(guān)變量矢量口在（口，）坐標系中的吃、也只有有限種組合，吃、是空間矢量分解得到的子軸分量，它們的對應(yīng)關(guān)系如表所列。口、圪口被稱為基本空間矢量

35、的（口，）軸分量，每個基本空間矢量與合適的功率晶體管的開關(guān)命令信號組合（，）相對應(yīng)。被功率晶體管的開關(guān)組合所決定的個基本的空間矢量如圖所示。表開關(guān)變量矢量與其對應(yīng)的空間矢量、（口，）子軸分量的關(guān)系表吃砜。觚娟一西一。（）（）一口圖基本的空間矢量與對應(yīng)的（，）示意圖第二章永磁同步電機數(shù)字伺服控制系統(tǒng)設(shè)計思路相對時間、乞的計算線性時間組合的電壓空間矢量，是碭倍的璣倍的璣±的矢量和，即卯礦印矽土其中，碭是吒，作用的時間。由圖，根據(jù)三角形的正弦定理有。，（）（）硭士一上目。（）由式（）和式（）解得等嘶（。）（）乞老軸硼（）圖電壓空司矢量的線性組合式中，碭礦可事先確定；佰可由曲線確定；可由輸出

36、正弦電壓角頻率國和碭的乘積確定。因此，當已知兩相鄰的基本電壓空間矢量和±后，就可以根據(jù)式（）、（）確定時間和乞。扇區(qū)的確定確定吒位于哪個扇區(qū)是非常重要的，因為只有知道，位于哪個扇區(qū)，我們才能知道用哪一對相鄰的基本電壓空間矢量去合成。一般廣東業(yè)大學(xué)學(xué)碩十學(xué)位論文而言，可以用的（口，）軸分量虬和來表示矢量本身，則可以把個參考量巧、和巧用璣和來表示，其關(guān)系式如下：圪：掣表所示。表與扇區(qū)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系砭：掣虬（）（）（）定義個變量，。如果，貝，否則；如果圪，貝，否則；如果，豇，否。設(shè)木木，則與扇區(qū)數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如第扇區(qū)即為基本空間矢量、氓。包圍的扇區(qū)，第扇區(qū)即為基本空間矢量、：。包圍的扇區(qū)，第扇

37、區(qū)即為基本空間。、。包圍的扇區(qū)。到此為止，如果已經(jīng)知道參考電壓矢量或其在（口，）坐標系中的（口，）軸分量虬、口，就以根據(jù)上面的推導(dǎo)計算出與對應(yīng)的兩個基本空間矢量的作用時間相對調(diào)，期的比例、，又知道要求的調(diào)制周期，則就可以確定空間矢量分別的作用時間互、，再加上前面其他的一些推導(dǎo)，就可以很方便地利用實現(xiàn)算法了【】。本章小結(jié)本章從建立永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)入手，介紹了永磁同步電機的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型，坐標系變換；系統(tǒng)地論述了基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制原理（），空間矢量脈寬調(diào)制原理（），并通過兩者的比較，突出地展現(xiàn)了的優(yōu)勢所在。以上所有工作為接下來的系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計以及仿真和實驗奠定了基礎(chǔ)。第三章伺服系

38、統(tǒng)的硬件設(shè)計第三章伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計引言隨著速度更快、功能更新的新一代微處理器不斷涌現(xiàn)，特別是具有高速性能的數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，使伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化成為可能。數(shù)字系統(tǒng)相比模擬系統(tǒng)有著巨大的優(yōu)勢。沒有了零漂，元件數(shù)目大大減少，軟件升級也非常簡單。無論是（直流無刷電機），或是感應(yīng)電動機構(gòu)成的伺服系統(tǒng)，均可以采用統(tǒng)一的硬件設(shè)計。這就使得伺服驅(qū)動器有了較為廣泛的通用性，針對不同的控制對象，只需移植相應(yīng)的軟件即可，這也是數(shù)字伺服系統(tǒng)的一個很大的優(yōu)點。上一章對永磁同步電機的控制原理進行了深入分析，在此基礎(chǔ)上，本章將詳細論述永磁同步電機全數(shù)字伺服系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計。系統(tǒng)硬件的總體架構(gòu)圖為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

39、硬件電路主要包括電源電路、功率驅(qū)動電路、主控電路。主控電路以為核心，外圍電路包括：調(diào)試仿真接口電路、外圍存儲器擴展電路、串行通信及接口電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示電路等。功率驅(qū)動電路包括逆變器主電路，電流檢測電路，位置速度檢測電路、過流、過壓保護電路等。電源電路為系統(tǒng)提供多路不同等級的直流電源及電源間相互隔離處理。圖伺服系統(tǒng)硬件框圖廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)碩十學(xué)位論文主控電路控制器概述系列是家族中最新、功能強大的芯片，其中是最具有革命性的產(chǎn)品，是當今世界上集成度較高、性能較強的運動控制芯片，將的高速運算能力和面向電機的高效控制能力集于一體，特別適合于三相異步電動機、永磁同步電機的高性能控制。它與現(xiàn)存控制器芯片代碼兼容的同時，芯片具有處理脾厶匕月，更好（）、外設(shè)集成度更高、程序存儲器更大、轉(zhuǎn)換速度更快等優(yōu)點，是電機數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品?；诘娜珨?shù)字伺服系統(tǒng)，充分利用其豐富的周邊接口，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大為簡化；具有良好的動、靜態(tài)性能，且在外界參數(shù)大范圍變化的情況下表現(xiàn)出很強的魯棒性。其主要特點如下：（）兩個事件管理器模塊和，為開發(fā)者提供完整的、高效的馬達控制方案，提供所有的和，可以控制所有類型的電機；（）采用高性能靜態(tài)技術(shù)，使得供電電壓降為，減少了控制器的損耗；的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到，從而提高了控制器的實時控制能力；（