（控制理论与控制工程专业论文）基于旋转变压器的位置检测方法及其应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 _ l l _ - _ - _ - _ _ _ - l _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ - _ 摘要 ， j 随萧科学技术的发展赢精度数拧机床、僻达跟踪、机器人锦领域对驱动系统的 高糈j 叟、快速性、可靠性年1 1j j s 型化等商性能的要求 1 渐提高l 本文土要研究通成这种 要求的基于旋转变压器的位置检测方法，以及它在永磁同步电机伺服系统中的应用。 本文介绍了永磁同步电机的工作原理和空间矢量技术的原理和特性，本文给h i 了 永磁同步电机的控制方案及其伺服系统的硬软件设计，阐述了软件实现中各变量的数 字表述和处理方法。系统采用位置、速度、电流三环串级调节结构，调节器均采用p i d 控制算法。 伺服系统的位置检测是实现其高性能的基础。位置检测通常使用的传感器有光电 码盘和旋转变压器。本实验室原有伺服系统采用光电码盘作为检测器件，其检测分辨 率商，但在远距离传送中易串入噪声干扰和电平衰减问题。旋转变压器及信哮转换 器采用比率跟踪方法，能够减少远距离传送i f l 的误差，抑制噪声下扰。文i t 汁钏嘲奎 了旋转变m 器的： 作原理，分别设计了信号跟踪转换器a u 6 8 0 2 和a d 2 s 8 0 a 的硬仲i l 三 路和控制程序，比较了它们的工作过程及性能差别，最终选用a d 2 s s 0 a ，实现了旋转 变址器删a d 2 s s 0 a 组成的数字位雠检测i u 路，j f ：结合d s p ( i m s 3 2 0 f 2 4 0 ) 将c 仃效 地应用于伺服控制系统中。 实验结果表明旋转变压器和a d 2 s 9 0 a 组成的数字位罱检测电路证确可行。 关键词：永磁同少电动机旋转菱压器旋转变虚数字跟踪变换器g 疆昭 数字信号处理器饪! s 】盯。 l ，。 华中科技大学硕士学位论文 _ _ - _ l - l - - - _ - - _ _ l l _ _ _ _ _ _ _ l - l _ - - _ _ i i i i l l l l l - - _ _ - l l _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ _ a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to fh i g hr e s o l u t i o n ， q u i c kr e s p o n s e ，h i g hr e l i a b i l i t y a n dm i n i a t u r i z a t i o na r ei n c r e a s i n gi nm a n ya r e a ss u c ha s h i g hp r e c i s i o nn cm a c h i n e ，r a d a rt r a c k e ra n dr o b o t a f u l l d i g i t a lp e r m a n e n t m a g n e t i c s y n c h r o n o u sm a c h i n e ( p m s m ) s e r v o - s y s t e m b a s eo nr e s o l v e rt r a n s f o r m e ra d a p t e dt ot h o s e r e q u i r e m e n t sh a v eb e e nr e s e a r c h e da n de x p l o i t e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co fp m s ma n ds v p w m ，t h ec o n t r o ls t r a t e g i e s o fp m s ma r ei n t r o d u c e d i nt h i s p a p e r , t h eh a r d w a r e & s o f t w a r eo fs e r v o s y s t e m a r e d e s i g n e d a n dd e b u g g e d ，a l s ot h ed i g i t a le x p r e s s i o na n dh a n d l eo ft h ev a r i a b l e su s e di n s o f t w a r ei se x p l a i n e d f o rd e b u g g i n g ，t h ec o m m u n i c a t i o np r o g r a m sb a s e do nr s 一2 3 2i s r e p r e s e n t e d t h e r e a l ep o s i t i o n ，v e l o c i t ya n dc u r r e n ts e r i a la d j u s ts t r u c t u r ew h i c ha d o p tp i d a r i t h m e t i ci nt h es e r v o - s y s t e m t h em e a s u r e m e n to fp o s i t i o ni n s e r v o s y s t e m i sa n i m p o r t a n t f a c t o rt oa c h i e v e e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e t h es e n s o ru s e du s u a l l yi nm e a s u r e m e n to f p o s i t i o n i sc n c o d e ro r r e s o l v e ro a n s f o r m e r a sm e a s u r ee l e m e n t ，e n c o d e rh a db e e nu s e di nt h es e r v o s y s t e m w eg e th i g h r e s o l u t i o nw i t hi t ，b u tt h eo u t p u ti st r a n s m i t t e dt h r o u g hl o n gd i s t a n c e sw i t hs e v e r ec o r r u p t i o n b yn o i s ea n dv o l t a g ea t t e n u a t i o n t h eo u t p u to ff o l l o w i n gc o n v e r t e re l e c t r o c i r c u i t ，w h i c ha r e c o n s i s t e do fr e s o l v e rt r a n s f o r m e ra n dr e s o l v e rt od i g i t a lc o n v e r t e r , c a nb et r a n s m i t t e dt h r o u g hv e r yl o n g d i s t a n c e sw i t h o u tc o r r u p t i o nb yn o i s ea n dv o l t a g ea t t e n u a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep r i n c i p l eu l r o t a t e dt r a n s f o r m e rh a sb e e n a n a l y s e d ，t h ep r o c e s s a n dt h ef u n o t i o n sd i t t e r e n c eo l 、i e s o l v e r t od i g i t a lc o n v e r t e r ( r d c ) a u 6 8 0 2a n da d 2 s s 0 a sr u n n i n gh a sb e e nn a r r a t e di nd e t a il s t h ep o s i t i o nm e a s u r e m e n te l e c t r o c i r e u i tc o n s i s t so fr e s o l v e rt r a n s f o r m e ra n da d 2 s 8 0 ai s r e a l i z e da n d a p p l i e d t os e r v o - s y s t e m f i l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h ev a l i d i l ya n df e a s i h i l i t yo ft h ed i g i t dl u e a s t m r e i l l g p o s i t i o nc i r c u i tw h i c h c o n s i s t so f r e s o l v e rt r a n s f o r m e ra n da d 2 s 8 0 a k e y w o r d s ：p m s mr e s o l v e rt r a n s f o r m e rr e s o l v e rt od i g i t a lc o n v e r t e r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r n 华中科技大学硕士学位论文 l _ _ _ ；_ _ _ _ i _ l _ _ _ _ _ l _ _ _ l _ _ _ i _ _ _ - - - - _ _ l _ - i - _ _ _ - i 绪论 电机控制系统主要分为速度控制和位置控制。位置控制( 伺服) 系统也称作运动 控制系统，通过伺服驱动装置将给定指令变成期望的机构运动。它广泛应用于数控机 床、电动汽车、导航系统、机器人、雷达天线、磁盘驱动器等领域。随着生产和科学 技术的发展实际应用领域对组成控制系统及其元件的性能要求也越来越高，一l 三要可 归纳为：提高精度，提高快速性，提高可靠性，实现小型化和适应数字控制的要求。 伺服控制作为一个交叉学科，经历了5 0 年的发展，已经和电力电子技术、微电子 技术、控制理论、传感技术以及材料学等诸多学科的发展紧密结合。 1 1 伺服电动机和传感器的发展概况 随着伺服控制的支撑技术的高速发展，伺服控制系统也由直流伺服电机驱动系统 过渡到交流伺服电机驱动系统。由于驱动电机的不同，交流伺服系统分为感应式异步 电动机交流伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统【l 】_ 【3 1 。 感应式异步电动机结构简单、坚固耐用，维护工作量小，运行效率高，转动惯量 小，动态响应快，可以做到高电压、大容量、高转速，无直流电动机的缺陷。由其构 成的伺服系统在各项性能上已达到直流伺服系统的水平。感应式异步电动机伺服系统 在控制上采用矢量变换控制，系统比较复杂，但控制部分采用全数字后，也具有易于 操作、调整、维护的优点。另外，转予电阻随温度变化将影响磁场定向的准确性，低 速运行时发热比较严重，很多伺服工况，例如数控机床进给机构经常处在低速运行状 态。但是它容易进行弱磁控制，实现高速运行。 永磁同步电动机由于转子是永磁体，没有转子发热问题，无转子损耗，效率较商。 由于没有笼型转子，永磁同步电动机具有比异步电动机低的惯性，对一定的电动机转 矩具有更快的响应。对比异步电动机，永磁同步电动机还具有较高的功率密度。因转 子磁钢的几何形状不同使得转子磁场在空间的分布有方波和正弦波两种，永磁同步电 动机可分为无刷直流电动机( b l d c m ) 和三相永磁同步电动机( p m s m ) ( 以下简称 华中科技大学硕士学位论文 l_ _ _ _ _ i l _ - _ _ _ l _ _ - _ _ i _ - - _ _ _ _ l l _ _ _ _ _ _ 为永磁同步电动机) 。 无刷直流电动机驱动伺服系统适于方波控制，电磁转矩通过电流换向获取，定予 方波电流的导通时间与感应电动势波形、转子磁极位置有严格的对应关系，否则会产 生较大的转矩脉动，减少平均转矩。转子磁极位置的检测通常用具有磁极定位功能的 光电码盘来实现。转子的初始定位通过调整检测器件的位置，使检测器件输出的数字 信号与定子空载感应电动势形成对应关系来完成。 永磁同步电动机驱动伺服系统适于矢量控制，具体说就是保持控制电流矢量与磁 通矢量正交，电磁转矩与定子电流幅值成正比，只要逆变器控制好定子电流的幅值， 就可以得到满意的转矩特性。定子电流的频率和相位由转子磁极信号决定，转子位置 的检测通常用旋转变压器检测，通过系统高频数字处理，解调出系统位置、磁极位置 和速度信号，参与系统控制，从而获取正弦波电流驱动。这种交流伺服系统具有十分 优良的低速性能，并可实现弱磁控制，拓宽了系统的调速范围，适应高性能伺服驱动 的要求。 转子位最检测通常使用的传感器有光电编码器和磁性编码器( 主要元件是旋转变 压器或感应同步器) 。【1 m 光电编码器( 也称光电码盘) 是利用光电元件，对带有槽口 ( 或栅) 的旋转圆盘的位置进行通断变化，产生一系列反映转子位置的脉冲信号。其 检测分辨率高，适于检测高速运转的同步电机。但是在远距离传送中易串入噪声干扰 和电平衰减问题。通常工程中采用2 5 0 0 数的光电码盘，经过四倍频后可达l 万p r 的 高分辨率。 由旋转变压器及其信号转换器组成的磁性编码器采用比率跟踪方法，能够减少远 距离传送中的误差，抑制噪声干扰。在磁性编码器的研制生产方面，提高磁性编码器 的分辨率和小型化现已成为各国研究发展的重点。日本在这方面的研究占有绝对的优 势，一些公司先后研制出l o o 1 0 2 4 p r 的增量型磁性编码器，6 4 0 0 0 p r 的带温度补偿 回路和电路细分的正弦波磁性编码器，以及1 0 0 万n ，r 的高分辨率磁性编码器。雅马 哈公司研制开发的y r e 一2 0 0 系列磁性编码器，其分辨率高达6 1 4 4 0 0 p r ( 1 5 0 2 9 ) 干1 1 1 0 4 8 5 7 6 p r ( 2 2 0 ) 。据报道，日本最近还推出一种用于调节数字器件数字值的带尾座系 统的磁性编码器，其体积很小，但脉冲频率高，能达到所需的任何分辨率。只本松下 华中科技大学硕士学位论文 _ l_ _ _ l _ - _ - - - _ _ - l _ _ _ - i l _ _ - i l _ _ - _ _ , i i i 电器公司新近研制的多膜磁性编码器也颇具特色，专用于检测步进电动机的转子磁性 位簧，由于磁阻元件采用多层薄膜结构，故检测信号相问误差小，特性稳定，同时解 决了多相检测问题。 1 2电力电子技术的发展及应用 电力电子技术作为高新技术、基础技术和节能技术，其应用领域已经全面渗透到 经济、国防、科技和社会的各个领域。电力电子技术发展的关键是电力电子器件及其 控制技术的发展，每一次电力电子元器件的提高都是电力电子技术飞跃的基础。【5 】【8 1 1 9 4 7 年，第一只晶体管诞生后，固态电子学应运而生。1 9 5 7 年晶闸管( s c r ) 问 世，标志了电力电子技术的开端。但s c r 是电流控型器件，存在响应慢和低速脉动大， 门极关断电路复杂的缺点。七十年代以来，出现了第二代电力电子器件的代表门极可 关断晶体管( g t r ) 。具有大电流密度、低导通压降的特性。现有实际应用水平为 1 8 0 0 v 8 0 0 胞k h z 、1 4 0 0 v 6 0 0 a 5 k h z 、6 0 0 v 3 6 0 0 k h z 。它在开关电源、电极驱动、 通用逆变器等中等频率和中等功率容量的电路中广泛应用。其缺点是存在二次击穿、 安全区易受各种参数影响、过流能力低等问题。 随着八十年代m 0 s 器件的发展，m o s 型功率器件及以此为基础的电压控制器件在 电力电子装置中获得了很大发展和广泛的应用。这类器件具有高输入阻抗、高速开关 特性，九十年代，新型压控电力电子器件发展很快，并成为第三代高压大电流、高速 高频、集成化的电力电子器件，它们包括功率m o s f e t 、i g b t 和m c t 。i g b t 是第三代 电力电子器件的主流产品，它兼备了m o s f e t 和b j t 的优点；输入阻抗高、开关速度快、 导通电阻低、电流容量大。它由r c a 公司和g e 公司1 9 8 2 年发明的，经过工艺上不 断改进与技术创新已经发展到第四代、第五代。在实际应用中，还有电力集成模块将 电力电子器件和驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个模块内，称之为错能功 率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e ) ，简称i p m 。 电力电子器件应用在伺服系统中的目的就是变流，变流技术是随着电力电子器件 的更新而发展的，先进的控制技术对改进变流电路的性能是必不可少的关键技术。现 在应用予电机的电力电子| 丌关控制技术是p w m 控制技术。常用p v m 控制技术有f 5 】f 6 】f 9 i ： 华中科技大学硕士学位论文 _ll _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ i l _ - _ _ _ l _ l _ _ _ 1 日_ 1 ) 常规的矢量控制s p l l i , l 技术，着眼于正弦波对三角波的脉宽调制，生成方法主 要有：自然采样法，对称规则采样法用集成电路芯片形成s p w m 波 2 ) 随着直接转矩控制理论的提出，产生了相应的电流控制p w m 技术，常用方法有： 线性电流控制，滞环电流控制，预测电流控制 3 ) 电压空间矢量控制s v p w m 技术，目的是使电机获取圆形磁场，该技术易于数字 实现，因此目前应用很广。 4 ) 在上述p w m 逆变电路中，电力电子开关器件工作在硬开关状态，硬丌关工作存 在开通和关断损耗大、感性关断问题、容性关断问题、二极管反向恢复问题妨碍了丌 关频率的提高。克服这些问题的有效方法是采用谐振软开关技术“”。它使功率开关器 件在零电压或零电流条件下开关，有效地降低了高频下的开关损耗，提高了丌关器件 工作的可靠性。目前已提出多种拓扑结构的谐振软开关p 州逆变器“1 ，它们分别为零 电压软开关p w m 逆变器、零电流软开关p w m 逆变器。国际上，把现代控制论用于谐振 软开关的控制仅处于发展中状态，这类研究尚未系统化。应用现代控制理论对谐振丌 关进行控制，将会大大改善系统的性能，并且具有很好的发展前景。另一方而，软丌 关p 州变频器高频化是大趋势，现在的i g b t 大都可以工作在5 0kh z 以上，开关周 期将小于2 0us ，在这样短的时间里完成工作时序及其他控制策略( 如闭环控制) 的 计算，只有d s p 能胜任。可以预言，在软开关p w m 变换器中采用d s p 控制是软丌关技 术的发展趋势。 电力电子技术今后的发展趋势是大功率化、高频化、智能化、模块化，与微f 乜了 技术的发展也将同益紧密结合。 1 3 微电子技术在伺服控制领域的作用 8 0 年代以来，微电子技术迅猛发展，微电路集成规模越来越大，：卷j i 性能愈来愈 强，功能也愈来愈多。有专用集成电路( a s i c ) ，也有适于由用户灵活设计功能的可 编程逻辑器件( f p g a 、c p l d ) 1 4 l 【l l i 。这类器件的出现推动了伺服控制向数字化方向 的发展。 目前，伺服系统一般采用硬件、软件相结合的控制结构。软件控制采用微处理器 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ _ _ - l _ _ _ _ _ - _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ - i _ - - _ _ 实现，大体经历了三个阶段： 第一阶段，采用具有单一数据处理功能的微处理器，主要代表是z s 0 、i n t e l 8 0 8 0 八位微处理器和i n t e l8 0 8 6 等通用十六位微处理器。这种通用型的微处理器在硬件 资源上比较匮乏，必须辅以大量的外围接1 ：3 电路，才能构成实时控制系统。 第二阶段，采用单片机。主要代表是i n t e l 相继推出的m c s - 5 1 系列和m c s - 9 6 系列单片机，能满足数模混合型伺服驱动器的要求，实现位置、速度的数字控制，在 伺服系统应用广泛。国外公司还推出一些专用微处理器，有i n t e l 的8 0 1 9 6 m c 系列、 n e c 的i lp d 7 8 3 6 6 系列和日立的s h 7 0 0 0 系列，它们都具有带死区功能的三相p w m 发 尘器、光电编码器输入接口、a d 转换器、丰富的i o 和中断资源。这类微处理器基 本上满足高性能交流伺服驱动的需要。这类单片机具有丰富的硬件资源和软件资源， 适用于实时控制系统。 第三阶段，数字信号处理器【2 】( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r d s p ) 。主要代表是t l 的t m s 2 4 0 c ，f 2 4 x 系列、m o t o r o l a 公司的6 8 0 0 0 系列以及n e c 公司的 p d 7 7 2 0 系列。与传统意义上的单片机相比，它在电路结构、总线结构上都有相当大 的改变。并且还采取了一系列措施提高运算速度，如提高时钟频率、支持浮点运算、 采用指令队列方式以提高运行效率、集成了硬件乘法器等等。由于运算速度的大幅提 高，能实现电流环的数字控制，使得伺服控制所有功能可由软件实现全数字化控制。 还提供现场总线通讯模块，使伺服控制发展走向网络化。 d s p 的出现使得全数字伺服系统比以前的系统具有更多的优点： 降低控制器硬件成本、控制器的体积小、重量轻、耗能少； 可显著改善控制系统的可靠性；数字电路温度漂移小，也不存在模拟电路参数漂 移的影响，稳定性好，硬件电路易标准化； 控制系统的信息双向传递能力增强，易和上位系统机联运，根据工程实际要求可 方便的给出控制参数和指令，同时现场总线的采用使不同的伺服系统协同- 1 7 作成为现 实； 对不同应用系统，硬件电路可移植性强，软件可模块化设计，适：各种应川刈象 对控制算法的要求，软件模块可以方便地更新，因微机芯片运算速度和存贮器容量的 华中科技大学硕士学位论文 _ - _ _ _ l l l l _ l _ - - l _ - - _ - _ - _ _ _ _ _ l _ _ - - _ _ - _ - - _ - _ l - _ 目 不断提高，控制系统可以采用控制性能优异但算法复杂的控制策略进行实时控制； 提高了设备监控、诊断以及分级控制的能力，使伺服系统更趋于智能化现场抗 干扰能力增强。 采用数字信号处理器d s p 为核心的伺服控制器由于其优异的性能，逐步成为伺服 控制的市场的主导。 在现代高性能的交流调速系统中，离不开复杂的运算处理。例如：矢量控铕4 技术 要求坐标变换算法，基于电机模型观测磁场矢量。若在电机调速控制中引入滑模变结 构控制、自适应控制等现代控制理论，控制算法将变得更加复杂。这种复杂的控制算 法要依靠c p u 控制芯片来完成，同时还应保证算法的实时性，因此对c p u 的负担是极 重的，有时不得不延长控制周期才能满足实时要求，而控制周期的延长将影响系统性 能的提高。如果在控制系统中采用f p g a 来实现部分控制算法，其控制算法不再象c p u 程序那样一条一条地执行。而是通过硬件连接的并行算法实现的，完成整个控制运算 所需的时问是极短的，而且由于是硬件连接，不存在c p u 那种死机、程序跑飞等现象。 因此在电气传动中利用f p g a 实现复杂控制算法的应用也越来越广泛。 1 4 控制理论在伺服系统中的应用 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性 高，被广泛应用于工业控制，尤其是适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。 而实际系统往往具有非线性，时变不确定性，难以建立精确的数学模型。现代控制理 论针对这些缺陷，发展了内模控制、自适应控制、滑模变结构控制以及智能控制等策 略【1 2 l 。 内模控制( i m c ) 方法是g a r c i a 于1 9 8 2 年提出的。i m c 是一种实用性很强的控制 方法，其特点是结构简单、设计直观简便，在线调节参数少，且调整方针明确，调整 容易。特别是对于鲁棒及抗扰性的改善和大时滞系统的控制，效果尤为显著。自从其 产生以来，不仅在慢响应的过程控制中获得了大量应用，在要求快速响应的电机控制 中也能取得了比p i d 更为优越的效果。 自适应控制技术立足于对系统的在线自识别和自调整，以使系统不断趋向最优或 6 华中科技大学硕士学位论文 _ ；_ _ ll _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ l _ _ l _ - - l _ _ _ _ _ - _ - l - _ _ _ _ _ _ _ 要求的状态。比较成熟的自适应控制系统有：模型参考自适应控制系统( m r a c s ) 和自 校正控制系统( s t c s ) 。滑模变结构控制的优点是系统的滑动模态对外界加给系统的扰 动和系统自身参数的变化、非线性因素和不确定因素有很好的自适应性。 上述的控制技术在很大程度上还是依赖于数学模型的控制技术，无法从根本上解 决复杂、非线性、不确定系统的控制问题。随着人工智能、模糊学、神经网络等钾能 学科理论的发展，人们无疑找到了对解决非线性系统和不确定系统的控制的有效途径。 而电力电子技术和微电子技术的进步对这类智能控制理论在物理上的实现提供了! | i 实 的技术基础。智能控制技术的发展，将使伺服系统获取更高的精度、更好的抗干扰能 力和系统稳定性。 1 5 全文主要内容与安排 本文针对全数字永磁同步电机伺服的实现问题进行探讨，文章安排如下： 1 ) 永磁同步电机的控制原理 第二章描述了永磁同步电机的数学模型，详细分析了空间矢量脉宽调制方法在 此基础上给出了永磁同步电机的矢量控制方案。 2 ) 系统的硬件设计 第三章介绍了控制系统的硬件总体结构，第四章介绍了旋转变压器及其模数转换 芯片的工作原理，重点设计了旋转变压器作为位置检测元件的电路及其对转子初始磁 极位置的确定方法。 3 ) 系统的软件设计及实验结果 第五章介绍了基于定点d s p 的变量处理方法以及空间矢量模块的设计，最后给出 了系统软件框图、各个模块的设计。最后给出了实测曲线，并作出了简单分析。 华中科技大学硕士学位论文 一一= = ；= _ ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = 一 2 永磁同步电机的控制原理 永磁同步电动机的转子采用永久磁铁励磁，8 0 年代，出现了高磁能积、高矫顽磁 力、价格低廉的钕铁硼永磁材料，使人们研制出了价格低、体积小、性能高的永磁电 机。因输入电流的不同，永磁电机分为：输入电流为方波的无刷直流电动机( b m s h l e s s d cm o t o r - - b l d c m ) 和输入电流为正弦波的永磁同步电动机( p e r m e n a n tm a g n e t s y n c h r o n o u sm o t o r - - p m s m ) 。本章论述了具有正弦波反电动势的永磁同步电动机的 基本运行原理，提出了适合其特点的控制方案。 2 ip m s m 的数学模型 大多数同步电机都采用凸极转子【1 1 ，其定转子之间的气隙不均匀，极面下气隙较 小，两极之间气隙较大，导致沿电枢圆周各点单位面积的气隙磁导 各不相同。j ： 的变化以转子磁极轴线对称，并以1 8 0 。电角度为周期。当正弦分布的电枢磁动辨作 用在直轴( 选在励磁绕组的正轴线上) 上时，由于极面下的磁导较大，相对而苦，丛 波磁场的幅值比直轴磁场的幅值减少得不多，而当正弦分布的电枢磁动势作用在交轴 ( 与直轴垂直) 上时，在极间区间，交轴电枢磁场将出现明显的下凹基波幅值明冠 减小。一般情况下，电枢磁动势作用在空间任意位置时，处理方法是：首先把电帜磁 动势分解为直轴和交轴两个分量，用直轴和交轴的磁导分别考虑直轴和交轴电枢磁动 势所产生的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。这种处理方法在电机学c l l 双 反应理论。实践证明，不计磁饱和时，采用这种方法来分析凸极同步电动机，使同步 电机微分方程中的电感不再是转子位置的函数，从而建立起常系数线性微分方f d f l t 的 同步电动机数学模型。这种分析使得对凸极效应的问题得到简化。 用于伺服目的的永磁同步电机一般采用表面安装磁极( s p m ) 的结构”1 1 1 6 1 。1 1 8 l ，j 以看作是凸极同步电动机的一个特例，其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙夫。 p m s m 采用三相交流供电，数学模型与普通同步电机相似但比直流电机复杂，足个 非线性、多变量、强耦合的控制对象，为简化分析，可作如f 假设： 华中科技大学硕士学位论文 气隙磁通呈正弦分布。 电机参数不受温度和频率变化的影响。 不计磁饱和效应和涡流损耗，转子无阻尼绕组。 图2 1 表示p m s m 的结构模型。 a bc q 图2 1p m s m 的结构模型 图中a 、b 、c 为三相定予绕组的轴线，各相绕组轴线在空间上相差1 2 0 。将旋转 坐标系的d 轴固定在永磁磁势的轴线上，建立随转子一同旋转的d - q 坐标系。假设j f 电流产生正磁链，并按照电机惯例选取逆时针方向为电压与电流的正方向，可得到 p m s m 的电压方程为： p m s m 的磁链方程为： 沙d = l a i d + g z ， y 。= 厶 以上两式中，u d 、虬为d - q 轴上的定子电压分量 i d 、i 。为d - q 轴上的定子电流分量， 妒”虬为d - q 轴上的定子磁链分量， r 为定子绕鲴电阳， ( 2 - 2 ) 弘 蝴蝴 一 + 晰惭 + + 耽鸭 = = 华中科技大学硕士学位论文 厶、l q 为d - q 轴上的定子电感， t 玑为转子旋转电角速度， y ，为永磁体对应的转子磁链， p = d d t 为微分算子。 p m s m 的磁链方程为： t = 扣- i i i q i a ) = 扣咿，i q + ( l d - l q ) i a i q ( 2 - 3 ) p m s m 电机的机械运动方程为 t = 瓦+ b o a , + 以c a , ( 2 _ 4 ) d - q 坐标系的旋转电角速度与电机转子的机械角速度的关系为 q = n r c o , ( 2 _ 5 ) 以上三式中，n 。为极对数，i 为电磁转矩，j 为电机的转动惯量，b 为运动阻尼 系数，戤为电机转子的机械角速度。 a b c 坐标系变量和d - q 坐标系变量之问的转换关系( 按幅值不变原则转换) 表示 为 | = 俳 c o s 口一s i n 0l c 。s ( a - - - 等- ) 一s i n ( 口一丁2 z r ) lj c 。s ( 口+ 争喇口+ 2 x l jj c 。s ( 0 - _ = 2 x 寸 j “n ( 口一孥) l 式f | 】，口为d 轴与a 轴之间的夹角。 c 。s ( p + 2 3 x “n ( 口+ 竿) 1 ( 2 - 6 ) f 2 - 7 1 臼 旧 瞄 痂土： 华中科技大学硕士学位论文 一：= = = = = = = = = ；= = = ；= = ；= = = ；= = = j = = = = 一 稳念时的定子三相电流为 转换到d - q 坐标系，则有 m c o s ( o 十盯i ) c o s ( 曰+ q 一争 c 。s ( p + q + 争 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中，d 为三相定子合成电流矢量与d 轴的夹角，j 。为三相定予合成电流矢量的 幅值。 定子三相电压为 转换到d - q 坐标系，则有 c o s ( o + 蕊) c 。s ( 0 + 5 2 一_ 2 9 t ) j c 。s ( 口+ 疋+ 争 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中，最为三相定子合成电压矢量与d 轴的夹角，u 。为三相定子合成电压矢量的 幅值。 输入总功率 只= “。+ “6 + “。= i 3 ( 。+ “。) ( 2 - 1 2 ) 又因为对于s p m 电机，凸极效应很弱，可认为厶= 厶= ，那么电磁转矩可简化 成 1j 矾吼 宝m 一p l i 1j心一 | | 1j l 1j最疋 菪_ 蛐 。l 巩 = 广_叫“一三j 华中科技大学硕士学位论文 瓦= t 式中， 。= i 3 ，则电机的状态方程为 镌 ? r i l new；0_-i-neo-rl形删ol儿00j 0 0001 00 7 化 l i 。l 7 ， 忪jl 8 怠ll f 2 1 3 1 式中，晓为转子机械位置角，由上式知，电机模型是一个多变量，非线性的状态 方程，它包含了婢与、的乘积项。 2 2s v p w m 方法 根据电机学的原理，在电机调速过程中，保持电机磁通恒定对调速性能有特别重 要的意义，因此一般的调速方法总是设法保持种磁通( 定子磁通，转子磁通，气隙 磁通) 恒定，比如p m s m 电机矢量控制是一种保持转子磁通恒定的控制方法【2 l 【1 9 1 。根 据电机理论有： u = 等+ s ( 2 - 1 5 ) 以为定子电压向量，儿为定子磁通向量，为定子电流向量。 上式表明当u ，为理想的正弦波时，即u 大小不变而方向连续变化时，眠的轨迹 是一个理想的圆。将上式改成另一种形式： 虬= q ( u ，一r , i ，) d t ( 2 - 1 6 ) 当月，相对于以来说很小时，这一项可忽略掉，于是：= ( f u 加 因此磁通的轨迹取决于电压向量以。下面讨论电压向量u 的生成2 0 h 2 6 1 ： 五 ，ii“=_ij o o o率 华中科技大学硕士学位论文 o 幽2 - - 2p w m 逆变器模型 在图2 2 逆变器中，空间电压矢量以的数量是有限的，它是开关函数s ，、s ，和 s w 的函数【2 l j ： 1 u ( 品，品，勘) = 詈( s ，+ a s v + 口2 唧)( 2 17 ) j 其中a = e x p ( j 2 1 r 3 、 把开关函数有限的8 个组合代入( 2 - - 1 7 ) ，则可得到八种空问电压矢量如图2 - - 3 一a ，并将整个磁通分成如图2 3 一b 所示的六个区间。 0 1 0 1 01 1 0 2 - - 3 一a 电压矢量2 - - 3 一b 磁通轨迹分区 图2 - - 3 空间电压矢量和磁通轨迹分区 由于逆变器只输出有限的八种空间电压矢量，因此定子磁通轨迹不可能是个理 想的圆。因此我们合理地选择运用这八种矢量，使定子磁通轨迹尽可能地逼近理想的 磁通轨迹，用数学表述为： s = 一虮( 2 - l8 ) ，= 叮f s a t = m i n ( 2 - 1 9 ) 一_ - _ - _ _ - _ - _ _ - _ - - _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ _ 一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 其中是理想的电机定子磁通。 参照图2 - - 5 给出了的一个采样周期疋内的运动轨迹，每个采样周期t 磁通d 仃进 口角。当采样周期t 越小，即a 口越小时，j 就越小，且 2 i mj ( a o ) = 0 ( 2 - 2 0 ) 但由于电力电予器件和其它一些因素的限制，a o 不可能趋于零，在a o 小二丁二一定 值时，依据以下规则，可认为虮接近于以： 规则一：每个开关周期均分为两个采样周期； 规则二：在每个采样周期的起点与终点，虬与y ：重合； 规则三：在每个采样周期内两个非零矢量必须相邻。 规则四：两个零矢量在每个采样周期内平均分配( 即时间长度相等) 。 t o u u ! f f l 垃ji 广门i 哦毒o a 一个采样周期内的磁通轨迹b 一个采样周期内的s v p w m 波形 图2 - - 4 一个采样周期内的磁通轨迹和s v p w m 波形 图2 - - 4 就是依据这些规则在磁通在第1 区间时所产生的磁通轨迹和s v m p w m 波 形( 一个开关周期) 。依据向量间的关系，可得到： ，= 正廿_ s i n ( 丽6 0 。矿- y ) ( 2 2 1 ) ，2 2 t ”i 丽s i n 2 ( 2 - 2 2 ) t o = ( i 一，】一，2 )( 2 - 2 3 ) 华中科技大学硕士学位论文 在第2 - 6 区也有一样的算法，只是e 、d ：所表示的向量不同。 图2 5 电机定子磁通轨迹 图2 - - 5 就是依据上述规则和式( 2 - - 2 1 卜( 2 - - 2 3 ) 画出的电机定子磁通轨迹。其中 口= 6 6 7 。 用f o u r i e r l 2 7 】【2 8 1 级数表示“、”、“w 可得： = 去口s i n ( y + 6 0 。) + 厶( 哎f ) 、，j n f f i l = 去t l m d s i n ( , - 3 0 。) + 允( q f ) ( 2 - 2 4 ) jn = l = 去口d s i n ( y - 1 2 0 6 ) + 庇( 皱，) 、，jh l 以上各式右边第一项为相电压的基波部分而第二项为谐波部分，在第一区间内， ，= c o t 一9 0 。，于是有： = 一= 万4 s l n + 3 矿) + 蓦( q ，) ( 2 - 2 5 ) “m = 坼w 一“w = 万4 口s i n ( 硝一9 0 0 ) + 喜，如( 敛r ) ( 2 2 6 ) “w = “肿一“w = 西4 a u a s i n ( 积+ 1 5 。) + 妻n f f i l ( q f ) ( 2 - 2 7 ) 由于6 个区间的对称，在第一区间内的结论在其它5 个区间也对称成立，可以看 华中科技大学硕士学位论文 _ l _ _ _ _ _ i l _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ l _ l _ _ _ _ _ - i _ _ 自_ 一 出三相线电压基波对称且随a 燹化。 由式( 2 - - 2 1 ) ( 2 - - 2 2 ) 可以知道： 当r 3 。时，f 。+ ，2 达到最大，而 + ，：，因此可得口s 孚，当口= 孚时，由式 ( 2 2 5 ) 可得到直流电压利用率为 u o v ( m a x ) = 击。_ 2 ( 2 - 2 8 ) 出于u j 。是线电压峰值，因此此时直线电压利用率达到1 0 0 。 2 3p m s m 的控制方案 矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁链的位置及幅值来控制定予电流或电 压，这样电机的转矩只和磁链、电流有关，与直流电机控制方式相似，可以得到很高 的控制性能。 埘予s p mf b 机，转子磁链恒定不变，转予磁链位置与转予机械位簧辛“同，i | j 式( 2 - 3 ) 和式( 2 - - 1 3 ) 可以看出，永磁同步电动机的电磁转矩与q 轴电流分量成正比。 故采用转予磁场定向方式来控制永磁同步电动机，只要能准确底检测出转子空f l i l 位置 ( d 轴) ，通过控制逆变器使三相定予的合成电流位于q 轴上，那么控制定予f 乜流的幅 值，就能很好的控制电磁转矩儿2 i 。图2 - - 6 是永磁同步电动机的矢量图。 将参考坐标系定在转予上的d - q 坐标系，三棚f 乜流变换为d 、q 轴上的两个龃流f l ： 、。f 乜磁转矩与q 轴电流分量成正比，d 轴电流分量起励磁作川，下嘶分 j 陀的 作用： 华中科技大学硕士学位论文 q i 9 0 。， 增加，起加磁作用； 0 时，4 0 ，则增加，i d 0 ，则u ，减小，也就是说，i d 0 时，即采用p i 调节器时，a c 法的d 、q 轴电流分量在调节器内存在耦 合，控制性能随采样时间内电角度0 的变化而变化。d c 法的d 、q 轴电流分量在调节 器内无耦合，从理论上说，采用p i 调节器的d c 法利用积分作用在一定程度弥补了电 流准线性解耦的缺点，考虑到积分分离和抗饱和技术，以及采样周期和a d 转换速度 的限制，在实际应用中很难实现电流无静差跟踪，但在定精度允许范围内，一样能 满足电流快速性调节的要求。 一_ _ 一 1 9 华中科技大学硕士学位论文 一一= = = = = = = ；= = 目= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = ； 3 基于d s p 的系统硬件介绍 前文提到微电子技术和电力电子技术的发展使得伺服系统能实现全数字化。对于 各种永磁同步电动机构成的伺服系统，采用统一的硬件设计，可以大幅度降低系统的 硬件开发成本，软件更容易移植，从而产品的普适性进一步增强。下文详细论述永磁 同步电机伺服系统硬件部分的设计。 3 1 数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 4 0 简要介绍 t m s 3 2 0 f 2 4 0 专