交流永磁同步電機(jī)初始位置辨識與伺服控制策略研究

1、分類號學(xué)校代碼10 4 8 7學(xué)號 M201171911密級碩士學(xué)位論文交流永磁同步電機(jī)初始位置辨識與伺服控制策略研究學(xué)位申請人：楊亮亮學(xué)科專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：李葉松教授 答辯日期：2014年2月17日A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringStudy of Initial Position Identification and Servo ControlStrategy on AC PMSM Control Method

2、sCandidateYang LiangliangMajorSupervisorControl Theory and Control EngineeringProf. Li YesongHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaFebruary, 2014獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對木文的研究做出貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在 文中以明確方式標(biāo)明。本人完

3、全意識到，本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名: 期：年 月木學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保 留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)華中科技大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編木學(xué)位論文。保密口，在年解密后適用木授權(quán)書。木論文屬于不保密口。（請在以上方框內(nèi)打“丁”）學(xué)位論文作者簽名：口期： 年 月 口指導(dǎo)教師簽名：期： 年 月 摘要全數(shù)字交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在各個高科技領(lǐng)域。其屮微電子、控制 理論、材料以及制造工藝等相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)

4、的進(jìn)步，為實現(xiàn)高性能伺服控制提供了重 要支持。針對交流伺服系統(tǒng)實際應(yīng)用中的功能和性能要求，木文研究內(nèi)容主要分為 三個部分。首先，以永磁同步電機(jī)為研究對象，闡述了數(shù)學(xué)模型及矢量控制的基木原理， 建立simulink仿真模型。同時以ARM Cortex-M4為核心處理器設(shè)計了伺服系統(tǒng)的平 臺，描述了包括芯片特性分析、片上資源分配、以及整個控制軟件系統(tǒng)程序的流程 等。其次，研究分析了永磁同步電機(jī)無絕對位置傳感器信號的轉(zhuǎn)子起始位置判斷方 法。根據(jù)磁飽和原理分析定子繞組電感的特點，設(shè)計了檢測方法及程序流程，并通 過實驗驗證了該方法的可行性。最后，從高性能的轉(zhuǎn)矩或速度伺服控制要求出發(fā)，對電流環(huán)與速度環(huán)的控

5、制策 略進(jìn)行研究。在電流環(huán)控制策略方而研究了 PI+PR的復(fù)合控制方法，以抑制PWM 死區(qū)、磁飽和以及制造工藝等因素在電流環(huán)所引起的諧波影響?？紤]到電機(jī)實際應(yīng) 用屮存在由齒槽轉(zhuǎn)矩、傳動機(jī)構(gòu)問題引起的轉(zhuǎn)矩波動，所以在速度環(huán)控制方法上研 究變增益的方法來動態(tài)改變控制器的零點配置，以抑制轉(zhuǎn)矩擾動。同時，在速度PI 調(diào)節(jié)器中采用積分預(yù)測的方法進(jìn)行抗飽和處理，并與其它的積分抗飽和方法進(jìn)行對 比，最終通過實驗與仿真進(jìn)行有效性驗證，并對實驗結(jié)果進(jìn)行深入分析。關(guān)鍵字：永磁同步電機(jī)初始位置檢測比例諧振控制變增益控制抗積分飽和AbstractThe digital AC servo drive system is

6、 the key elements in various high-tech fields. Benefit from the developements of the underlying techniques in microelectronics, morden control theorey, materials and manufacturing processes, the important methods to realize the high servo control performance could be supported The content of this th

7、esis is mainly divided into three parts.Firstly, the PMSM as the object of research, its model and the control methods are analysed, and then establish the simulation model. At the same time, the hardware design of PMSM servo drive system with the ARM cortex-M4 is introduced, including the chip peri

8、pherals, on-chip resource allocation, and the flow of the whole control software.Secondly, the judgment method of the PMSM rotor initial position with a position sensor without absolute mechnical signals output is studied. Through analyzing the characteristics of PMSM stator widing according to the

9、priciple of magnetic saturation, the concrete method and program flow is designed. The experimental result and the methodes adventages and defects are also analyzed.Finally, the current and speed control strategy on AC PMSM are studied for achieving high servo performance. The PI+PR ragulator is use

10、d in the current loop to suppress the harmonic interference whitch is caused by the PWM dead-time, magnetic saturation and manufacturing etc. Considering the existance of cogging torque, harmonic of the inner loop and mechanical transmission disturbance, the variable gain strategy is researched in t

11、he speed control loop, which is able to change the zero pole allocation of the regulator dynamically so that the disturbance is suppressed. In addition, integral state prediction algorithm is applied to achieve the anti-windup purpose in the speed regulator, and comparison with the other anti-widup

12、methods is made to show the different charateristics. The detail results analysis of experiments and simulation is done to prove the effectiveness of these methods.Keywords: PMSM, initial position detection, propotion resonance control, variable gain control, integration anti-windup目錄 TOC o 1-5 h z

13、HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 摘要I HYPERLINK l bookmark8 o Current Document AbstractII HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 緒論1 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1.1伺服控制系統(tǒng)發(fā)展過程及現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 交流伺服控制技術(shù)的發(fā)展趨勢1 HYPERLINK l bookmark18 o Current Documen

14、t 本文研究內(nèi)容2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)4 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 交流伺服系統(tǒng)控制策略比較分析4 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 矢量控制原理與建模42.2.1交流永磁電機(jī)矢量控制原理與數(shù)學(xué)變換42.2.2控制器設(shè)計及仿真平臺搭建7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 系統(tǒng)控制硬件資源和軟件設(shè)計10Cortex-M4處理器及片上資源分配102.3.

15、2軟件系統(tǒng)程序流程設(shè)計11 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的無傳感器檢測14 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 研究意義與特性分析143.1.1轉(zhuǎn)子初始位置的重要性143.1.2永磁同步屯機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體特性分析15 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 轉(zhuǎn)子初始位置檢測原理與算法設(shè)計163.2.1無傳感器初始位置檢測原理163.2.2轉(zhuǎn)子初始位置檢測程序算法設(shè)計18 HYPERLINK l bookmark34 o Curr

16、ent Document 實驗結(jié)果與分析193.3.1實驗結(jié)果203.3.2結(jié)果分析22 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 速度環(huán)與電流環(huán)控制策略23 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 電流環(huán)PI+PR控制策略研究234.1.1電流控制環(huán)諧波產(chǎn)牛分析23PR控制器特點25PR控制器諧波抑制原理與實現(xiàn)274.1.4實驗仿真與結(jié)果分析31 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 速度環(huán)變增益控制策略344.2.1周期性擾動轉(zhuǎn)矩特性分析344.2.2控制器特

17、性與變增益方法354.2.3實驗及結(jié)果分析38 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 速度環(huán)積分預(yù)測抗飽和方法394.3.1速度PI調(diào)節(jié)器飽和問題分析394.3.2積分預(yù)測抗飽和處理404.3.3仿真結(jié)果與分析42 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 全文總結(jié)與展望44 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 致謝46 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 參考文獻(xiàn)47 HYPERLINK l bookmark5

18、4 o Current Document 附錄攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文521.緒論1.1伺服控制系統(tǒng)發(fā)展過程及現(xiàn)狀在工業(yè)生產(chǎn)中，伺服驅(qū)動系統(tǒng)是關(guān)系到制造裝備水平的重要功能部件，它的性 能直接影響著整個生產(chǎn)加工質(zhì)量，對其深入研究十分必要。伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)主要 針對運(yùn)動變量進(jìn)行控制，在整個運(yùn)動控制系統(tǒng)中實現(xiàn)承上啟下的作用以。它的應(yīng)用領(lǐng) 域十分廣泛，包括數(shù)控機(jī)床、輕工自動化系統(tǒng)、半導(dǎo)體加工設(shè)備、機(jī)器人以及武器 裝備等。伺服驅(qū)動系統(tǒng)涉及多方面的基礎(chǔ)理論與技術(shù)，包括電氣、電子、電機(jī)、機(jī)構(gòu)建 模、控制理論以及軟件編程等，所以伺服系統(tǒng)的進(jìn)步與這些方面的技術(shù)水平有著緊 密聯(lián)系。從伺服電動機(jī)發(fā)展進(jìn)程看，伺服驅(qū)動系

19、統(tǒng)也主要經(jīng)歷了步進(jìn)、直流以及交 流三個不同階段。上世紀(jì)六十年代前，主要以步進(jìn)電機(jī)伺服驅(qū)動為主，它根據(jù)驅(qū)動 器輸出的脈沖指令進(jìn)行特定量的角偏轉(zhuǎn)，由此知其屬于開環(huán)控制。七十年代以后， 直流伺服驅(qū)動得到廣泛應(yīng)用和飛速發(fā)展，由于直流電機(jī)的線性特性，具有控制結(jié)構(gòu) 簡單、低速性能好的特點。更垂要的是，將伺服驅(qū)動系統(tǒng)由開環(huán)控制發(fā)展到閉環(huán)控 制，大大提高了控制精度。但是，直流伺服系統(tǒng)也存在很大限制，主要由于直流電 機(jī)機(jī)械換向器的局限性使其難以向高速化發(fā)展；進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代以來，以機(jī) 電一體化為背景，出現(xiàn)了肓流無刷伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等，同時伴隨著功率電 子與微處理器的高速發(fā)展，交流電機(jī)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難題

20、得以很好解決，使得交流 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的市場占有率逐步擴(kuò)大，并逐漸成為主導(dǎo)。雖然國外對交流伺服驅(qū)動技術(shù)的研究起步比較早，掌握著先進(jìn)技術(shù)，具有極強(qiáng) 的競爭力，有很多知名的品牌，如西門子、三菱、安川、松下等。但是，目前國內(nèi) 的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)也日趨成熟，出現(xiàn)了很多國內(nèi)知名廠商，主要有華中數(shù)控、廣 州數(shù)控等等，加上很多高校和科研院所的不斷創(chuàng)新研究，性能得到很大提高，市場 占有份額也不斷擴(kuò)大。1.2交流伺服控制技術(shù)的發(fā)展趨勢交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為全數(shù)字化和高性能。全數(shù)字化包括控 制過程、控制接口以及檢測單元的全數(shù)字化，微電子技術(shù)的急速發(fā)展，使得芯片運(yùn) 算速度飛速提高，這就為系統(tǒng)的實時性、可

21、靠性以及高性能提供了很好的保障。目 前使用的核心處理單元主要有DSP、ARM以及FPGA,兼具微控制器與數(shù)字信號處 理功能的DSP與ARM芯片可以滿足伺服系統(tǒng)算法處理所需的實時性能要求，并且 采用高級編程語言，具有很好的靈活性。FPGA用軟件編程方式實現(xiàn)硬件電路功能， 其并行處理能力能夠大大縮短計算周期，但靈活性不夠，較復(fù)雜的控制算法比較難 以實現(xiàn)。此外，很多微處理器廠商還將針對電機(jī)控制的外圍邏輯處理單元集成到芯 片中，大大提高了系統(tǒng)的集成化程度。伺服驅(qū)動系統(tǒng)的高性能包括多個方面，需要從系統(tǒng)整體的角度出發(fā)不斷加以改 進(jìn)提高。高性能趨勢包括高速運(yùn)行、高精度、高功率因數(shù)、大容量、高過載能力、 高適

22、應(yīng)性、高可靠性、高性價比等。影響性能的因素有很多，從系統(tǒng)的角度出發(fā)進(jìn) 行考慮，先進(jìn)的控制方法、改進(jìn)的電機(jī)結(jié)構(gòu)以及使用運(yùn)算處理速度更快的處理器都 可以使系統(tǒng)性能得以提高。例如，直接驅(qū)動技術(shù)的應(yīng)用即可說明這一點，它不使用 傳統(tǒng)的傳動機(jī)構(gòu)，直接消除了電機(jī)與機(jī)械裝備之間傳動鏈的非線性問題，極大提高 了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，冃前，采用直接驅(qū)動方式的直線電機(jī)驅(qū)動技術(shù)在數(shù)控機(jī)床 領(lǐng)域正不斷得到實用。再如，在交流伺服電機(jī)高速驅(qū)動技術(shù)的研究與發(fā)展方面，通 過高速區(qū)電流分配策略的優(yōu)化，使伺服驅(qū)動系統(tǒng)真止實現(xiàn)高速化，這也是伺服驅(qū)動 系統(tǒng)高性能的一個具體體現(xiàn)。此外，交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢還體現(xiàn)在其他方面，包括網(wǎng)絡(luò)化

23、、小型 微細(xì)化、高效節(jié)能化等，總之，就是要使器能夠適應(yīng)各個應(yīng)用領(lǐng)域的性能耍求。13本文研究內(nèi)容本文采用新型處理芯片Cortex-M4為核心處理器設(shè)計伺服驅(qū)動系統(tǒng)。從控制策 略的角度出發(fā)，對電流環(huán)低次諧波以及速度環(huán)周期性轉(zhuǎn)矩擾動進(jìn)行有效抑制，同時 對永磁同步電機(jī)初始位置的無傳感器檢測方法進(jìn)行研究。全文內(nèi)容安排如下：第一章簡單闡述交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀以及趨勢，并介紹本文所 要研究的主耍問題以及論文內(nèi)容安排。第二章首先介紹矢量控制原理以及永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，同時建立 simulink仿真模型，其次介紹Cortex-M4處理器特性以及系統(tǒng)片上資源應(yīng)用分析，完 成系統(tǒng)硬件控制平臺設(shè)計，

24、最后詳細(xì)說明整個控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計流程。第三章研究永磁同步電機(jī)初始位置的無傳感器判斷方法。利用磁飽和原理，在 不使用產(chǎn)生絕對位置信號輸出的傳感器時，能夠比較準(zhǔn)確地檢測出轉(zhuǎn)子初始位置。 主要內(nèi)容包括辨識方法的基本原理、算法流程以及程序設(shè)計，最后通過實驗進(jìn)行驗 證分析。第四章分別對電流調(diào)節(jié)器以及速度調(diào)節(jié)器的控制策略進(jìn)行分析研究。針對交流 伺服驅(qū)動系統(tǒng)使用中表現(xiàn)的周期性擾動抑制問題，首先分析電流環(huán)內(nèi)因死區(qū)、電機(jī) 制造的不對稱等因素產(chǎn)生的諧波特點，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下設(shè)計PI+PR的控制方法，經(jīng) 過仿真與實驗證明，這種方法在穩(wěn)態(tài)情況下對電流環(huán)諧波的抑制具有很好的效果； 其次針對伺服系統(tǒng)中固有的等效外部轉(zhuǎn)矩擾

25、動，如齒槽轉(zhuǎn)矩、級聯(lián)部件等引起的周 期性負(fù)載擾動，研究速度PI調(diào)節(jié)器變增益控制策略，從控制器的角度出發(fā)對其進(jìn)行 抑制；最后在速度控制策略中采用積分預(yù)測抗飽和處理方法，并通過對比分析該方 法的優(yōu)缺點，以解決物理輸出限幅對PI控制調(diào)節(jié)器性能的影響。第五章對全文進(jìn)行總結(jié)。永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)矢量控制是普遍采用的伺服系統(tǒng)控制策略，為了進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)性能，己 將很多先進(jìn)復(fù)雜的控制理論應(yīng)用到伺服系統(tǒng)控制中，但大都以矢量控制為基礎(chǔ)，同 時實現(xiàn)起來較為復(fù)雜，適應(yīng)性不強(qiáng)，廣泛應(yīng)用的還是采用傳統(tǒng)pi控制結(jié)構(gòu)的矢量控 制方法?？刂齐娐分胁捎玫慕Y(jié)構(gòu)方式也有多種，包括全硬件、全數(shù)字半軟件以及全 軟件等形式，采用

26、的核心處理器包括DSP、FPGA等。本文采用兼具控制功能以及 數(shù)字信號處理功能的控制處理器ARM Cortex-M4作為處理單元。2.1交流伺服系統(tǒng)控制策略比較分析在高性能交流傳動系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的控制策略包括肓接轉(zhuǎn)矩控制（DTC） 和磁場定向控制（FOC）兩種9】。直接轉(zhuǎn)矩控制以電機(jī)轉(zhuǎn)矩為控制對彖直接進(jìn)行控制，保證定子磁鏈恒定，在定 子的兩相靜止坐標(biāo)系下對磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行觀測估算，判斷定子磁鏈位置，輸出相應(yīng) 的電壓矢量來控制電機(jī)運(yùn)行，這種控制方式具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能優(yōu)良、對參數(shù) 依賴性弱等優(yōu)點，但同吋也存在低速時轉(zhuǎn)矩脈動人、調(diào)速范圍不夠?qū)挼热秉c。矢量控制建立在準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上。通過對轉(zhuǎn)

27、子磁鏈定向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁鏈 解耦，使交流電機(jī)等效為直流電機(jī)，這種控制方法具有調(diào)速范圍寬、連續(xù)控制、響 應(yīng)平滑等優(yōu)點，同時也存在計算復(fù)雜、對參數(shù)依賴性強(qiáng)等缺陷。但總體而言，矢量 控制因良好的控制性能使其得到最為廣泛的應(yīng)用，本文即采用這種控制方法。2.2矢量控制原理與建模交流永磁電機(jī)矢量控制原理與數(shù)學(xué)變換 交流電機(jī)與直流電機(jī)不同，從它的機(jī)械結(jié)構(gòu)就可以看出是多變量、強(qiáng)耦合以及非線性的控制對象，對其進(jìn)行精確的線性控制十分困難。而直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁鏈可以分別進(jìn)行控制，載流導(dǎo)體在磁場中受力形成轉(zhuǎn)矩，從而將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，工作原理非常簡單。矢量控制就是要在對轉(zhuǎn)子磁鏈定向之后，進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換， 達(dá)到磁鏈與轉(zhuǎn)

28、矩精確解耦的效果，使被控對象模型像直流電機(jī)那樣容易分析控制。交流電機(jī)主要有同步和異步兩種，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子自身產(chǎn)生磁場，正常運(yùn)行時定 子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同，可以通過對轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置定位完成對轉(zhuǎn) 子磁鏈定向，但是異步電機(jī)則不同，它的轉(zhuǎn)子自身不會直接產(chǎn)生磁場，在負(fù)載的情 況下，定子繞組中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速不同步，它們之間存在轉(zhuǎn)差, 這樣將感應(yīng)出轉(zhuǎn)子電流形成轉(zhuǎn)子磁鏈，定轉(zhuǎn)子磁鏈相互作用帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，所以需 要通過對機(jī)械轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差兩個變量的辨識實現(xiàn)對異步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行定向，這種 對轉(zhuǎn)子磁場定向的觀測計算精度對電機(jī)的參數(shù)具有很強(qiáng)的依賴性。由于永磁同步電 機(jī)較高的運(yùn)行效率，可以獲

29、得十分明顯的高性能，同吋由于稀土材料的發(fā)展，使得 永磁電機(jī)具有較高的磁場密度和功率密度，大大提高了電機(jī)的響應(yīng)性能，更適合應(yīng) 用在高性能伺服驅(qū)動場合，本文只針對其進(jìn)行研究。電機(jī)磁場定向矢量控制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是將交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋 轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，坐標(biāo)變換分為兩個步驟，首先從A-B-C坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到處0靜止坐標(biāo)系（也 稱CLARK變換），再從a-p靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（也稱PARK變換），如 圖21所不。矢量控制坐標(biāo)系變換過程屮可以保持功率或者幅值不變，兩者沒有本質(zhì)的區(qū)別, 只是系數(shù)的不同，轉(zhuǎn)換公式如下。CLARK 變換與 CLARK 逆變換(ICLARK)： XaXb 二10

30、ILxc1 1擊2 2 !(2-1)PA/?K變換與際K逆變換(IPARK):Xd|_r cos0 sin&Xa=I|_Xq|_-sin& cos0|_X#X* _cos& - sin0Xd|_XJ _sin0cos&|_X 訂(2-2)交流電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型就是矢量控制中的控制對象模型，在電機(jī) 運(yùn)行過程中所能檢測以及直接控制的物理量為定子電流d轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速血以及定子電 壓弘，而需要進(jìn)行控制的變量為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速血以及轉(zhuǎn)矩幾 所以數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)換就是 要找到他們之間的關(guān)系從而分析出數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而方便控制器的設(shè)計。永磁同步電 機(jī)數(shù)學(xué)模型如下:磁鏈方程:(2-3)1/sd = S (sJ + 0/

31、叭 q = Ljsq式中，5、厶対為乩g軸的定子等效電感，忡、0旳為定子磁鏈在乩g軸的分量， isd如為dq軸的定子等效電流，為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；電壓方程：u = Ri刃-0)屮 TOC o 1-5 h z $ 刃 S5d dt e 旳(2-4)J =Ri + 嘰 + q 屮.e sdfl 旳5dt式中，、陶分別為定子在Zq軸的等效電壓，&為定子繞組電阻，他為轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)的電角速度；將(23)代入(24)中得到:G) L ie sq sq+ 厶 ie sd sd+ C01/(2-5)轉(zhuǎn)矩方程:=15弓0/G -九-“/(2-6)式中，如為磁極對數(shù)；運(yùn)動方程:69=(2-7)T -T -Bcoen

32、i LdtJ0- codt222 控制器設(shè)計及仿真平臺搭建對前面永磁同步電機(jī)在通過變換后的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，可以看出定子電流的 磁鏈分量與轉(zhuǎn)矩分量得到了很好的分離，可以像直流電機(jī)那樣進(jìn)行控制。但是d-q 坐標(biāo)軸上電流分量Z間仍然存在耦合項，與轉(zhuǎn)速電感厶以及電流相關(guān)，要能 夠?qū)崿F(xiàn)完全解耦需要做進(jìn)一步的處理。使用較多的有電流反饋和電壓前饋兩種解耦 控制方式。前者實現(xiàn)簡單但只能達(dá)到近似解耦效果，后者雖然可以實現(xiàn)精確解耦但 依賴精確的電機(jī)參數(shù)?，F(xiàn)在也有采用一種新型的復(fù)矢量解耦方式它采用閉環(huán) 解耦結(jié)構(gòu)，對電機(jī)參數(shù)不再具有任何依賴性，同時能夠?qū)崿F(xiàn)很好的解耦效果，本文 屮采用電壓前饋解耦方式。隨著現(xiàn)代微電子

33、技術(shù)迅猛發(fā)展，微處理芯片的運(yùn)算性能獲得極大提升，很多先 進(jìn)的控制方法都得以實現(xiàn)。但是最簡單、最有效、最合理的控制結(jié)構(gòu)還是PI方式， PI調(diào)節(jié)器嚴(yán)格依據(jù)實際的物理被控對象，控制參數(shù)都有它具體的物理含義，不同的 系統(tǒng)只需要改變控制參數(shù)即可。下面針對伺服系統(tǒng)解耦后的數(shù)學(xué)模型對各個控制壞 調(diào)節(jié)器進(jìn)行逐個分析。電流環(huán)控制調(diào)節(jié)器（ACR）處于最內(nèi)環(huán)，由于電流的變化速度相比電機(jī)轉(zhuǎn)速變 化快得多，所以分析中可認(rèn)為轉(zhuǎn)速基木不變，也就是數(shù)學(xué)模型中的反電動勢可以近似認(rèn)為恒定，從式(25)知電流環(huán)被控對象為一階慣性環(huán)節(jié)，如式(2-8)o控制性能要求頻帶寬、響應(yīng)快、超調(diào)小以及波動小、平穩(wěn)性好。G G) =(2-8) L

34、s+R電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖：圖2-2電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)置PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，將開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為積分環(huán)節(jié)。GG) = Gpi (5)1= K“s + K,Ls +R s1_= L Ls +R Ts(2-9)這樣，閉環(huán)傳遞函數(shù)成為一階慣性環(huán)節(jié)式(2-10),控制器參數(shù)決定其響應(yīng)帶寬。G(5)=(2-10)c B+1速度環(huán)控制調(diào)節(jié)器(ASR)是系統(tǒng)屮最關(guān)鍵的一部分，電流壞處于內(nèi)環(huán)，由于 其很高的響應(yīng)帶寬，為一階慣性環(huán)節(jié)。d軸電流提供磁鏈分量，q軸電流為主要的轉(zhuǎn) 矩電流分量，輸出電流與轉(zhuǎn)子磁鏈的乘積即為輸出的電磁轉(zhuǎn)矩，輸出電磁力矩與負(fù) 載的差值為合成力矩，作用在轉(zhuǎn)動慣量上提供加速度。速度環(huán)的控制性能要

35、求為高 精度、較快的動態(tài)響應(yīng)、較寬的調(diào)速范圍以及較好的抗干擾性。速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖:圖2-3速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖速度環(huán)被控對象為二階傳遞函數(shù)，性能指標(biāo)可根據(jù)開環(huán)傳函的截止頻率奶和相 角裕量加表示，一般從工程經(jīng)驗的角度來設(shè)定控制器參數(shù)以達(dá)到控制性能要求。位置環(huán)控制調(diào)節(jié)器(APR)處于最外環(huán)，由于一般情況下速度環(huán)帶寬比位置環(huán)高很多，所以分析位置環(huán)控制對象時，可將內(nèi)環(huán)當(dāng)作一階慣性環(huán)節(jié)(2-11)來看待，控 制性能要求包括瞬態(tài)響應(yīng)、動態(tài)跟蹤誤差以及穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差。其控制方式主要有比 例控制與比例加前饋復(fù)合控制兩種方式。G%)二心+ 1(2-11)位置環(huán)采用比例控制結(jié)構(gòu)框圖:圖2-4位置環(huán)控制結(jié)構(gòu)框圖采用比

36、例控制的位置閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)：(2-12)K k IT5$) = s2 + (l/T )s + K k IT(0CO p (O式(2-12)為典型二階系統(tǒng)，對階躍輸入指令沒有穩(wěn)態(tài)誤差，但是對于斜坡輸入?yún)s 存在穩(wěn)態(tài)誤差，誤差大小與比例控制系數(shù)傷有關(guān)，為越大誤差越小。-GM)Gc1(5)GJs) I111111圖2-5位置環(huán)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)框圖為了進(jìn)一步改善位置環(huán)的跟蹤性能，可以通過比例加前饋的復(fù)合控制方式來改 善。圖25為位置環(huán)采用比例加前饋復(fù)合控制的結(jié)構(gòu)框圖。采用比例加前饋復(fù)合控 制的位置環(huán)誤差脈沖傳遞函數(shù)為：1-丄G (s)G(s)coC2E G) = (2-13)1+_G的 6($)如果令G2

37、(5)= _hJ以使得式(2-13)等于零，得到很好的跟蹤性能。FOC OF PMSM I Rs=0.46ohm; Ld=2.37e-3H： Lq=0.54e-3H; Flux=0.142V.s; J=0.003KgmA2;np=4powe rguicalc-cyc JTTLcalc cyc |Discrete, Ts = le-006 s.圖2-6永磁同步電機(jī)矢量控制仿真平臺結(jié)構(gòu)圖圖2-6為仿真結(jié)構(gòu)圖，可以看出圖屮整個結(jié)構(gòu)由各個模塊搭建而成。模塊 Speed_PI與Current_PI分別為速度與屯流調(diào)節(jié)器；dark park ipark分別為坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換模塊；SVPWM為控制矢量脈寬調(diào)制模

38、塊；Decouple為電流解耦模塊，這里采用 電壓前饋方式；PMSM與INVERTOR分別為simulink模塊庫中自帶的永磁同步電機(jī) 與三相橋路模型。電機(jī)參數(shù)為：R嚴(yán)0.46Q,厶d=S=2.37mH, J=0.003kgmS如=4, W=0.142Vso后面章節(jié)的仿真實驗都使用這組電機(jī)參數(shù)。2.3系統(tǒng)控制硬件資源和軟件設(shè)計2.3.1 Cortex-M4處理器及片上資源分配本文采用STM32F405RG處理芯片說1,以Cortex-M4為內(nèi)核，為ARM較新的 32位嵌入式處理器，延續(xù)了 M系列低功耗、低成本、便于應(yīng)用的特點，同吋在M3 的基礎(chǔ)上，添加了 DSP、浮點運(yùn)算、硬件除法等功能，配備

39、了單周期乘加（MAC） 單元以及DSP擴(kuò)展指令集，另外M4還采用具有分支預(yù)測功能的三級流水線架構(gòu)， 提高其運(yùn)算效率?？傊?，Cortex-M4是一款兼具M(jìn)CU與DSP功能的高性能、高性價 比數(shù)字信號控制器。圖2-7 Cortex-M4芯片結(jié)構(gòu)及功能分配架構(gòu)圖圖27為系統(tǒng)芯片內(nèi)核資源及外設(shè)的功能分配結(jié)構(gòu)框圖。芯片內(nèi)核為 MCU+DSP,作為中央運(yùn)算處理單元，通過三條總線（數(shù)據(jù)總線、指令總線、系統(tǒng)總 線）以及AHB Bus Matrix （高級高性能總線矩陣）與外部設(shè)備相連，運(yùn)行時系統(tǒng)主 頻最高采用168MHzo芯片提供了豐富的存儲單元，包括192KB （112+16+64KB） 的RAM以及1MB

40、的FLASH,足以滿足系統(tǒng)要求；片上定時器模塊可以實現(xiàn)多種功 能，高級定時器TIM1用來產(chǎn)生定時器中斷以及進(jìn)行PWM輸出，通用定時器TIM3 利用其正交編碼工作模式實現(xiàn)復(fù)合式正交光電編碼器位置信息的檢測及捕獲，進(jìn)而 實現(xiàn)速度環(huán)與位置環(huán)的反饋信號獲取；ADC功能模塊包含19個2M次采樣/s、12位 精度的高速采樣邏輯通道，通過過采樣模式可以提高電流環(huán)電流反饋精度；SPI模塊 實現(xiàn)鍵盤與接口功能；GPIO 為 I/O 接口； USART、usb、I2C、Ethernet Mac DMA 等實現(xiàn)通訊功能。2.3.2軟件系統(tǒng)程序流程設(shè)計全數(shù)字伺服控制器軟件設(shè)計方案要求軟件結(jié)構(gòu)緊湊、 具有較好的可移植性

41、，系統(tǒng)中的各個軟件功能模塊依據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及模塊化的方法分別進(jìn)行功能封裝，同時將所有的功能模塊分為實時任務(wù)模塊與罪實時任務(wù)模塊兩類。J保護(hù)現(xiàn)場yes位置調(diào)“計算, 輸出速度指令;I電角度良饋計算;位置計算周期到?no圖2-8定時小斷處理程序流程圖CLARK/PARK 變換;d-q軸流調(diào)節(jié)計 算,輸出dq軸電 壓;PARK逆變換，輸 出a、bJc三相電 ZTC恢亦現(xiàn)場、實時任務(wù)模塊的調(diào)度從概念上又分為周期調(diào)用與屮斷調(diào)用兩部分，周期調(diào)度有電流、速度、位置等控制調(diào)節(jié)器的運(yùn)算，中斷調(diào)度主要為處理像定時、故障等即時 信息的任務(wù)程序。周期調(diào)度任務(wù)依據(jù)定時中斷實現(xiàn)，定時中斷周期設(shè)為100區(qū)，這樣 PWM開關(guān)周

42、期為lOKHz。關(guān)鍵故障中斷的優(yōu)先級應(yīng)為最高級，包括過電壓、過電流、短路等故障信號；編碼器Z脈沖捕獲中斷實現(xiàn)精確位置的校正；通訊中斷實現(xiàn)通訊 需求標(biāo)志位的標(biāo)識，設(shè)計的通訊處理程序在非實時調(diào)度進(jìn)程中運(yùn)行。定時中斷處理程序流程如圖2-8,整個流程順序依次為轉(zhuǎn)子位置反饋計算、速度計算、速度與位置 調(diào)節(jié)器計算、電流采樣、坐標(biāo)變換、dq軸電流調(diào)節(jié)器計算、空間矢量脈寬調(diào)制等。u矽、復(fù)yes 中斷址理程序I/O接口初始化; 時鐘配置初始化; 存儲單尢初始化;T1M初始化;a/ds- 控制參數(shù)初始化;故障警報處理; 控制參技更新; 鍵盤顯奈更新;10信號応能處理;圖2-9主程序流程圖非實時調(diào)度任務(wù)采用周期輪詢

43、的方式進(jìn)行處理。包括10信號功能處理，故障警 告信息處理，監(jiān)控功能處理以及通信任務(wù)處理等。主程序流程如圖2-9,主要包括了 系統(tǒng)的初始化過程以及周期循環(huán)任務(wù)調(diào)度，在周期循環(huán)過程中主要完成非實時任務(wù), 例如控制參數(shù)的更新、鍵盤顯示更新等。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的無傳感器檢測對于交流永磁同步電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子的位置信息至關(guān)重要，其精度直接影響著系 統(tǒng)性能，初始位置的獲取也至關(guān)重要，如果需要精確地獲取該信息一般需要比較復(fù) 雜的傳感器，體積與價格是其主要的缺陷。目前普遍采用的復(fù)合式光電止交編碼器， 需要U、V、W三路信號對永磁體所在扇區(qū)位置進(jìn)行判斷，不但增加了碩件復(fù)雜度， 而且初始位置判斷誤差比較大，影

44、響最大起始轉(zhuǎn)矩。無傳感器控制技術(shù)已經(jīng)得到十 分廣泛的研究網(wǎng)15山6,對初始位置的無傳感器辨識也已經(jīng)提岀很多種方法，比如高 頻信號注入法117，|18，9，20，卡爾曼濾波器觀察法等等，這些方法原理復(fù)雜，工程實 現(xiàn)比較繁瑣。本章采用磁飽和原理，在不需要任何傳感器輸岀絕對位置的情況下， 可以判斷出轉(zhuǎn)子初始位置，并通過實驗證明這種方法的可行性。3.1研究意義與特性分析轉(zhuǎn)子初始位置的重要性轉(zhuǎn)子初始位置的極其重要，如果不對其進(jìn)行判斷直接啟動的話，會引起電機(jī)的突然轉(zhuǎn)動，導(dǎo)致啟動失敗其至機(jī)械損壞。通過絕對式的光電編碼器或者正余弦編碼 器可以得到準(zhǔn)確信息，就不會存在這個問題，而且定位精度高，但這類傳感器存在

45、成本高、體積大的缺點。述有很多其它形式的編碼器也可以解決這個問題，但成本 和性能不可兼得。目前很多伺服電機(jī)采用復(fù)合式光電編碼器，它是由增量式光電編碼器和簡單的 磁極定位裝置組合而成，總共有A、B、Z和A隊W六路信號來完成定位功能。U、 V. W三路信號將整個電角度圓周分為6個扇區(qū)，在起始階段判斷轉(zhuǎn)子永磁體所在扇 區(qū)，從而獲取初始位置的粗略絕對信息，之后隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動捕獲Z脈沖信號，結(jié)合 3兩相脈沖信號獲得轉(zhuǎn)子相對Z脈沖的位置偏移量完成轉(zhuǎn)子的精確定位。這種方案, 一方面需要增加（A V. W三路信號，使硬件結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，另一方面初始位置的判定存在很大誤差，最嚴(yán)重情況可以達(dá)到30。的電角度偏差，直接

46、影響電機(jī)的最大起始 轉(zhuǎn)矩。木文通過對轉(zhuǎn)子磁飽和效應(yīng)的原理分析，設(shè)計初始位置辨識方法，在不需要位 置傳感器的情況下，對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行初始定位，精度也得到很大提高。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體特性分析與電勵磁同步電機(jī)電樞勵磁不同，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)了磁場由永磁體產(chǎn)牛，其 磁路有多種形式，根據(jù)安置方式可以分為面貼式、內(nèi)插式以及內(nèi)埋式三種，面貼式 永磁同步電機(jī)也稱為隱極式永磁同步電機(jī)，軸有效氣隙相同、電感相等，內(nèi)插與 內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)的d軸有效氣隙大于q軸、電感不同，所以也稱其為凸極式永 磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)運(yùn)行時，定子電流產(chǎn)生磁場，磁場強(qiáng)度H與電流大小/線性相關(guān),兩者關(guān)系為卩叫 TOC o 1-5 h

47、z 二 I(3-1)Jidl i=i 磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場強(qiáng)度H之間的關(guān)系為：B*H =(3-2)“為磁導(dǎo)率；為真空磁導(dǎo)率；，為相對磁導(dǎo)率；磁通與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的關(guān)系為：Bds(3-3)S反電動勢E與磁通。之間的關(guān)系為：匸d磁通與電感厶之間的關(guān)系為：(3-4)厶=常(3-5)C11轉(zhuǎn)子永磁體在磁場屮作為磁導(dǎo)材料具有特殊性，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化落后于磁場強(qiáng)度H變化，這即為磁滯，當(dāng)H變?yōu)榱銋?，B并不會同吋變?yōu)榱?，會有一定的剩磁，圖31為永磁體的磁滯回線，從圖中也可以看到，隨著外加H的增強(qiáng)，導(dǎo)磁材料不能進(jìn)一步的被磁化，也就是B不能進(jìn)一步增大，即出現(xiàn) 磁飽和現(xiàn)彖。所以的關(guān)系曲線可以分為兩部分，一部分 兩者之

48、間呈線性關(guān)系，另一部分兩者之間呈非線性關(guān)系，磁 感應(yīng)強(qiáng)度B不隨著磁場強(qiáng)度H的增強(qiáng)無限制增加，當(dāng)H達(dá) 到一定程度時B基木接近恒值。硬磁材料的磁滯回線比較寬，并且它的剩磁和矯磁頑力 很大，磁化后能很好的保持磁感應(yīng)強(qiáng)度，所以可以用來作為 永磁體，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子就是使用具有這種特性的材料 制成。由于永磁同步電機(jī)軸電感相差不大，所以在控制調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計中近似 認(rèn)為Ld=Lcr 一般為了提高材料的利用率，空載時永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子主磁路基本處 于飽和狀態(tài)，負(fù)載時當(dāng)定子繞組中在d軸方向加入勵磁電流時，由于磁場的疊加作 用會影響磁路飽和程度，磁路的飽和也可以視為是永磁同步電機(jī)的繞組電感的飽和 效應(yīng)23】。

49、3.2轉(zhuǎn)子初始位置檢測原理與算法設(shè)計3.2.1無傳感器初始位置檢測原理通過前一節(jié)對轉(zhuǎn)子永磁體的特性分析，永磁體進(jìn)入飽和區(qū)域后的磁導(dǎo)率會發(fā)生變化，從而相應(yīng)的電感大小也會跟隨改變。對于面貼式永磁電機(jī)，利用飽和效應(yīng)， 在d軸加正向電流使其產(chǎn)生的磁場方向與永磁體的磁場方向相同，可以使得Ld 4 ic zf ib o綜上分析，可以利用磁飽和特性，通過在不同的方位注入電壓脈沖矢量，根據(jù) 響應(yīng)電流幅值的不同可以判斷轉(zhuǎn)子永磁體的磁極位置。所加電壓矢量要求周期短、 幅值大，這樣可以保證檢測過程中轉(zhuǎn)子不發(fā)生位置偏移。轉(zhuǎn)子初始位置檢測程序算法設(shè)計通過分析，可以通過在定子繞組中注入不同電角度的電壓脈沖矢量，根據(jù)相應(yīng)

50、電流響應(yīng)的幅值大小來完成初始定位，電流響應(yīng)幅值最大的點即為實際d軸所在位 置，也就是矢量控制中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置。注入電壓脈沖的幅值根據(jù)電機(jī)額定電壓 選取最大值，注入時間需要根據(jù)電流響應(yīng)最大值的大小來選取。注入的電壓脈沖矢量分為兩部份，首先施加正向電壓，電流響應(yīng)近似線性增大， 再注入相同時間的反向電壓，使電流響應(yīng)冋到零點附近，在將電流指令設(shè)為零，保持 一段時間，這樣可以保證相鄰兩次檢測之間互不影響。圖3-3等角度差比較檢測方法圖3-4分區(qū)逼近方法如何快速高效的檢測到初始位置是程序算法需要達(dá)到的目標(biāo)，這里釆用兩種方法。一種是從軸處開始注入電壓脈沖矢量，為了減小檢測過程中轉(zhuǎn)子的位移，再 在其相反方向

51、注入電壓脈沖矢量進(jìn)行檢測位置，之后每次增加電角度，直至整個 圓周檢測完成，定位精度與力。的選取有關(guān)，整個過程如圖33,最大電流響應(yīng)幅值 / 仙照的位置即轉(zhuǎn)子初始位置。另外一種方法采用逐漸逼近的方法絢如圖3-4,首先將電角度圓周均分為多個 扇區(qū)，在不同的中心位置分別注入脈沖電壓矢量進(jìn)行檢測，最大電流響應(yīng)幅值的位 置距永磁轉(zhuǎn)子永磁體極最近，矢量控制中旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的位置位于這個扇區(qū)，再對 這個扇區(qū)進(jìn)行細(xì)分，在不同角度注入電壓脈沖矢量進(jìn)行檢測，這樣逐步逼近，最終 達(dá)到所要求的定位精度，這種方法比較快捷有效。圖3-5等角度差比較檢測力法程序流程圖實驗中采用第一種方法，圖3-5為初始位置判斷過程的整個程序流

52、程圖，圖中 保存最大電流點出現(xiàn)的角度位置；仇為當(dāng)前注入脈沖電壓矢量的角度位置，每次遞 增価 乙為當(dāng)前測量電流峰值，最終程序結(jié)束時，弘/即為初始轉(zhuǎn)子初始位置。3.3實驗結(jié)果與分析331 實驗結(jié)果圖36為注入電壓矢量脈沖與屯流響應(yīng)的實驗波形，電壓幅值為280V,正向電 壓作用時間為1.7ms,電流從0A增加到11.5A,反向電壓作用時間為1.1ms,電流從 11.5A減小到0A,這即為一個脈沖矢量電壓注入過程，電流增加與減小吋間不同主 要跟磁滯曲線以及電路因素有關(guān)，這里不進(jìn)行仔細(xì)討論，取電流響應(yīng)的最大值作為 判斷依據(jù)。200211.522.5t(ms)圖3-6脈沖電壓矢量電壓及電流響應(yīng)實驗曲線(v

53、)caizno8 6 4O30 or6so.0000O202 Oa。0.5實驗屮一周檢測128個位置點，即設(shè)為2.8125,將每次測得的最大電流幅值進(jìn)行組合，對其進(jìn)行簡單的平均濾波，所得結(jié)果為幅值變化近似正余弦的波形， 最大值所在的位置點距離轉(zhuǎn)子初始位置最近，可視為初始位置。圖3-7為轉(zhuǎn)子在不 同位置時，檢測到的電流響應(yīng)的最大值所組成的波形，通過對比檢測的最大電流值 位置與轉(zhuǎn)子的實際位置，看出兩者之間的差別較小，可以用該角度位置作為轉(zhuǎn)子實 際的初始位置。此外通過實驗證明，由于電壓脈沖幅值較大、時間極短，電機(jī)轉(zhuǎn)子 基本保持不動，但是會產(chǎn)生一定噪聲。1070 II -1廠/60 120 180 2

54、40 300 360009)luajno0-actural=106.42o 81)caj3060 120 180 240 300 3607()-uaunooT)lualno0-actural=144.89r8r060 120 180 240 3000-actural=273.76L/L/760 120 180 240 300 360e060 120 180 240 300 3600o 8 7)lualno0-actural=2O2.619-actural=231.7060 120 180 240 300 010060 120 180 240 300 36060-actural=32O.129

55、8 7)caj3圖3-7轉(zhuǎn)子處于不同位置時電流響應(yīng)峰值波形圖38為實驗中檢測位置與實際位置之間的偏差示意圖，可以看到兩者的偏差 很小，證明了 這種方法的有效性。.乂占二估算位置 一實際位置060120180240實際位置（電角度）300360圖3-8實驗估算位置與實際位置的偏差3.3.2 結(jié)果分析利用磁飽和效應(yīng)能夠?qū)D(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行定位，這種方法最大的優(yōu)點在于無需 機(jī)械傳感器產(chǎn)生絕對位置輸岀信號，同時在保持轉(zhuǎn)子不動的情況下獲得較高的初始 定位精度，從而使起始最大轉(zhuǎn)矩不受影響。但是也有還需關(guān)注的細(xì)節(jié)，比如測量過 程中角度間隔的選取、定位準(zhǔn)確性相關(guān)的因素等等、以及注入的脈沖電壓的幅值 與時間設(shè)定，

56、一般這些需要根據(jù)實際電機(jī)的額定電壓與額定電流選取?？傮w而言， 這種檢測方法通過實驗證明還是可行且有效的。速度環(huán)與電流環(huán)控制策略在交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的速度環(huán)與電流環(huán)中均存在固有的周期性擾動，直接表現(xiàn) 為輸出轉(zhuǎn)矩及速度的波動。電流環(huán)中由于PWM死區(qū)127以及電機(jī)制造工藝的不平衡 等因素會在輸出相電流中產(chǎn)生諧波絢，速度環(huán)中由于電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩129】以及機(jī)械聯(lián)接 機(jī)構(gòu)等因素的存在，都會引起轉(zhuǎn)矩擾動，這些問題最終都會使轉(zhuǎn)速不平穩(wěn)，降低系 統(tǒng)性能進(jìn)而影響加工質(zhì)量。木章從調(diào)節(jié)器控制策略設(shè)計的角度出發(fā)，對電流環(huán)諧波 以及速度環(huán)周期性轉(zhuǎn)矩擾動進(jìn)行抑制。最后針對由于實際系統(tǒng)中物理輸出限幅使PI 調(diào)節(jié)器產(chǎn)生積分飽和的問

57、題，采用積分預(yù)測抗飽和的方法對控制策略進(jìn)行完善，并 與其它積分抗飽和方法進(jìn)行對比分析各自的優(yōu)缺點。4.1電流環(huán)PI+PR控制策略研究4.1.1 電流控制環(huán)諧波產(chǎn)生分析 電流環(huán)處于整個伺服系統(tǒng)的最內(nèi)環(huán)，直接影響著轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速響應(yīng)的動靜態(tài)性能。由于現(xiàn)實中一些不可消除的因素，比如磁飽和、制造工藝的不對稱以及上下橋臂開 關(guān)器件導(dǎo)通關(guān)斷之間的PWM死區(qū)時間等，使得相電流中產(chǎn)牛低次諧波，影響電流 環(huán)性能。這里僅以PWM死區(qū)為例對其特性進(jìn)行分析?，F(xiàn)實中的功率開關(guān)器件并非理想，所以同一相橋臂的上下兩個功率管之間需要 加入死區(qū)來防止發(fā)生短路，器件的開通、關(guān)斷過程以及死區(qū)的加入使得相電流波形 發(fā)生畸變，可以直接表現(xiàn)

58、為輸出轉(zhuǎn)矩波動以及諧波損耗增大，嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。 文獻(xiàn)303132中提出了很多消除死區(qū)影響的方法，但是對于其它原因如電機(jī)繞組結(jié)構(gòu) 不完全對稱引起的電流諧波不具有普適性。這里以開關(guān)死區(qū)為例進(jìn)行分析，每個開關(guān)周期中，由于死區(qū)效應(yīng)，理想輸出電 壓與實際之間存在電壓誤差，開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電流基頻，文獻(xiàn)辺中根據(jù)等時間面 積法，可以將誤差電壓等效為一個與相電流對應(yīng)的矩形脈沖如圖4-1,圖中心為A 相電流、/N為課差電壓幅值。圖41誤差電壓等效波形示意圖這樣對其分析可以得到簡化，誤差電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:皿屮隔，匕(4-1)-fTU , i 0I cd de a理想的PWM所產(chǎn)生的電壓波形的諧波主要集中在開

59、關(guān)頻率的高倍頻處，低倍 頻很小，但實際中因死區(qū)作用在低頻段也有較大諧波。假設(shè)A相電流必的角頻率為 o,那么由死區(qū)引起的誤差電壓為同頻率的矩形波，周期為T=2如,對圖41屮A 相誤差電壓進(jìn)行傅立葉變換分析有：fTU2sin(S77 2)心(畑 t) = fTUcos(kco t) (4-2)你t _咚 k(o2 cd比正的 可以看出誤差電壓屮存在1、3、5、7等奇數(shù)次頻率的諧波。A、B、C三相電流之間相差2兀/3的相位，則時間延時為2加300，帶入式(42)中 同樣得到B、C兩相的傅立葉變換表達(dá)式：Mrn=Man 紅 一2兀13g)= fTUic X “egkeot - 2k兀 13) TOC

60、o 1-5 h z r=i、父(t-4/3co) = fTUco s伙 q t-4阪 / 3)(綣3)0 c d de 工i 葉0k=. M 5-KTT根據(jù)交流電機(jī)運(yùn)行原理，定子三相繞組空間上相差2加3的相位，如果通入時間 上相差2龍/3相位的三相電壓，合成定子繞組電壓a表現(xiàn)為一個的旋轉(zhuǎn)矢量，旋轉(zhuǎn)速 度與相電壓頻率相關(guān)，方向與三相電壓之間的相位順序相關(guān)。由A、B、C三相誤差 電壓的傅立葉變換式(42)、(4-3)中看出，3的倍數(shù)次諧波在吋間上不存在相位差，合 成矢量為0, B、C兩相的5次諧波在時間上的相位差互換，從而合成矢量與么旋轉(zhuǎn) 方向相反，各相電壓的7次諧波在時間上相位差不變，所以合成矢