（控制理论与控制工程专业论文）永磁无刷直流电机伺服控制系统的设计.pdf

摘要 摘要 永磁无刷直流电机由于既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维 护方便等优点，又具备直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性 能好等优点，因此得到了广泛地应用。本课题就是为永磁无刷直流电机 设计高性能的伺服控制系统，以实现位置伺服或速度控制。 论文介绍了课题的研究背景、研究现状与研究意义；介绍了无刷直 流电机的组成结构与工作原理；推导了无刷直流电机的数学模型，并分 析在此模型下的误差分析。 论文介绍了伺服控制系统的硬件设计方案，给出了硬件电路框图， 并对硬件电路的每一部分都给予了简单而精要地介绍。 根据伺服控制系统的硬件电路、无刷直流电机的数学模型，论文详 细地推导了整个伺服控制系统的数学模型。利用m a t l a bs i s 0d e s i g n t o o l 控制系统设计工具，论文整定了伺服控制系统调节器的最佳参数， 并分析和仿真了在此调节器下，伺服控制系统的鲁棒性。 伺服控制系统要完成两种基本功能：位置伺服或速度控制。论文分 别介绍了要实现这两种功能的软件模块。实际上，整个系统的软件都是 在软件模块和应用软件上建立起来的。 关键词：永磁无刷直流电机；伺服控制系统；位置伺服；速度控制 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ev i r t u ef r o mb o t hd cm 0 t o ra n da cm o t o r b r u s h l e s sd c m o t o ri sa p p l i e dw i d e l y t h ea r t i c l ea i m sa td e s i g n i n gah i g hq u a l i t ys e r v o c o n t r o ls y s t e mf o rb l d c ，a n dg o e si n t op o s i t i o ns e r v oa n ds p e e dc o n t r 0 1 t h ea r t i c l eg i v e sas i m p l ei n t r o d u c t i o na b o u tb a c k g r o u n d ，a c t u a l i t y ， a n ds i g n i f i c a n c eo ft h et a s k ，i n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e o fb r u s h l e s sd cm o t o r ，d e d u c e st h em a t hm o d e lo fb r u s h l e s sd cm o t or ，a n d a n a l y z e st h ee r r o ru n d e rt h i sm o d e l t h ea r t i c l ep r e s e n t st h eh a r d w a r ed e s i g np r o j e c ta n dc i r c u i td i a g r a mo f t h es e r v oc o n t r o ls y s t e m ，a n dp r o f i c i e n t l yi n t r o d u c e se a c hp a r to ft h e h a r d w a r ec i r c u i td i a g r a m b a s e do nt h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h es e r v oc o n t r 0 1s y s t e ma n dt h em a t h m o d e lo fbr u s h l e s sd cm o t or ，t h ea r t i c l ed e d u c e st h em a t hm o d e lo ft h e w h o l es e r v oc o n t r o ls y s t e m b yu s eo ft h em a t l a bs i s od e s i g nt o o l ，t h e a r t i c l es e a r c h e st h eb e t t e rp a r a m e t e rf o rt h ed i g i t a la d ju s t o ro ft h es e r v o c o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e sa n ds i m u l a t e st h er o b u s t n e s su n d e rt h ea d j u s t o r t h es e r v oc o n t r o ls y s t e mn e e df i n i s ht w ob a s i cf u n c t i o n s ：p o s i t i o n s e r v oa n ds p e e dc o n t r 0 1 t h ea r t i c l e1 is t st h es o , w a r eu n i tf o rt h et w o f u n c t i o n s a c t u a l l y ，t h ew h o l es o , w a r ei se s t a b l i s h e do nt h es o f t w a r eu n i t a n dt h ea p p l y i n gs o f t w a r e k e yw o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ；s e r v oc o n t r o ls y s t e m ；p o s i t i o ns e r v o ； s p e e dc o n t r o l i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：张坎隶 日期：p 6 j 年彳月一e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：枷5 年f 月知日 日期：町哞嘲夕w 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 伺服电动机也称执行电动机，它具有服从控制信号的要求而动作的 功能。信号到来之前，转子静子不动，信号到来，转子立即转动：当信 号一消失，转子能立即停止转动。伺服电动机依据它的功能，将输入电 压信号变换为转轴的角位移或角速度输出。 交流伺服电动机是一种分相交流电动机，也可说是一种两相交流电 动机。交流伺服电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点，但 交流伺服电动机控制系统比较复杂，很难实现理想控制。 直流伺服电动机具有简单的电压和电流关系式，控制算法和功率放 大器都比较简单，同时具有运行效率高和调速性能好等诸多优点。尽管 相对交流电机而言，直流电机结构复杂、价格较高，但仍然是目前机电 控制中应用最广泛的一类电机。但传统的直流电机均装有电刷，以机械 方式进行换相，因而存在相对的机械摩擦，并由此带来了噪声、火花、 无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上维护困难等缺点，大大限制 了它的应用范围。 2 0 世纪6 0 年代，借助霍尔元件实现换相的无刷直流电机出现了。 无刷直流电机具有和有刷直流电机类似的优良控制特性，在电磁结构上 和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组安放在定子上，绕组采用多相形 式，转子安放永磁体。通常，无刷直流电机的定子上装有位置传感器， 以实现电子换向，而不像有刷直流电机那样需要电刷和换向器。无刷直 流电机的电枢绕组由驱动电路供电，各相逐次通电产生电流，该电流和 转子磁极主磁场相互作用产生转矩。和有刷直流电机相比，无刷直流电 机由于革除了滑动接触机构，因而消除了机械故障的主要根源。由于转 子上没有绕组，因此转子铜耗可忽略不计，又由于转子和主磁场同步旋 转，因此铁损极小f 方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转 子铁心内产生少量的铁损) 。总的来说，除了轴承旋转产生摩擦损耗外， 转予的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。 无刷直流电机除了具有像有刷直流电机那样的调速性能好、运行效 率高等特点外，同时还具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等 优点。随着电子技术的进步，电子工业的发展，稀土永磁材料和电力电 华南理工大学硕士学位论文 子器件性能价格比的不断提高，无刷直流电机作为中小功率高性能调速 电机和伺服电机在工业中的应用越来越广泛。而且在工业应用中，无刷 直流电机在快速性、可控性、体积、重量、节能、效率、耐受环境和经 济性等方面都具有明显的优势。目前在工业先进的国家里，工业自动化 领域中的有刷直流电机已经逐步被无刷直流电机所替代。 1 2 国内外研究现状 1 9 1 7 年，b o i l i g e r 提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电 刷，从而诞生了无刷直流电动机的基本思想。1 9 55 年，美国的 d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷电动机的机械电 刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。 无刷直流电动机系统按其反电动势的波形和绕组电流的波形可分为 两大类：方波无刷直流电动机系统和正弦波无刷直流电动机系统。 方波无刷直流电动机( b l d c m ) ，它是无刷直流电动机系统的最初 形式。6 0 年代末至7 0 年代初，方波无刷直流电动机系统一般采用光敏 元件和遮光板作为位置传感器，采用三相式半桥1 2 0 。导通驱动方式。由 于受功率开关器件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约，这一时 期的无刷直流电动机系统并未进入实用阶段。 7 0 年代末8 0 年代初，由于高性能、低成本的第三代永磁材料的出 现，以及大功率、全控功率器件的出现，使无刷直流电动机系统获得了 迅速的发展。从这一时期开始，无刷直流电动机系统广泛采用高磁能 积、高矫顽力、低成本的第三代n e f e b 永磁材料，且采用霍尔元件位置 传感器，采用三相全桥驱动方式，以提高输出力矩，使其更加实用。 1 9 7 8 年，原西德m a n n e s m a n n 的i n d r a m a 分部，在汉诺威贸易博览会 正式推出m a c 方波无刷直流电动机及其驱动器，标志着方波无刷直流 电动机系统已经进入实用化阶段。从这一时期开始，无刷直流电动机系 统的研究异常活跃，有关文献大量涌现。19 8 6 年，h r b o l t o n 对方波无 刷直流电动机系统进行了全面的总结，该文献标志方波无刷直流电动机 系统在理论上、驱动控制方法上己基本成熟。 随着方波无刷直流电动机系统的发展，为克服方波无刷直流电动机 系统力矩平稳性差的缺点，人们研制出了带有位置传感器的逆变器驱动 的永磁同步电动机系统，该系统由于起源予同步电动机，反电动势波形 为正弦波，相应的绕组电流也为正弦波，故称之为正弦波无刷直流电动 机系统。 2 第一章绪论 正弦波无刷直流电动机系统的研究主要集中于：电机的新型结构形 式、气隙磁场的设计和计算以及绕组电流的控制等。其中绕组电流的控 制方法是大部分文献的研究热点。1 9 8 2 年，g p r a t t 从理论上指出了两种 有效获得正弦绕组电流的方法：电流调节性s p w m 控制方法和电流环控 制方法，指出了其应用范围，并加以实验验证。至今，这两种方法在正 弦波无刷直流电动机系统中获得了最广泛地应用。1 9 8 7 年，p p i l l a y 对 方波无刷直流电动机和正弦波无刷直流电动机系统进行了全面的对比， 在总结正弦波无刷直流电动机各种研究成果的基础上，提出了基于旋转 坐标系下的正弦波无刷直流电动机系统绕组电流控制方法：、f 。法。 后来研究虽然在控制系统上不断改进，但控制方法没有本质的突破。 我国无刷直流电动机的研究工作始于7 0 年代初期，主要集中在一 些科研所和高等院校。经过2 0 多年的发展，目前虽然有几种产品，但仍 没有制定出国家标准。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的 程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备跟国际水准差距较大，所以 目前我国无刷直流电机综合水平仍远远落后于国际水平。 1 3 本课题研究意义 本课题是浙江琦星公司、中捷公司的一个产品开发项目，该产品主 要用于纺织行业。此前，该产品一直被国外、中国台湾公司垄断，因此 本课题的研究将积极地推动了祖国大陆纺织工业和相关产业的发展。 由于无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维 护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以 及调速性能好等优点，因此广泛地应用于工厂自动化、办公自动化、机 器人、电动车辆、航空航天、空调机、泵机、军工、医疗器械、仪器仪 表、化工、轻纺及家用电器等国民经济各个领域。因此，本课题的研究 对于国内无刷直流电机的应用与推广，生产力的发展，经济效益的提高 都具有重大的现实意义。 伺服控制系统的设计，是自动化领域的一个传统课题。本课题的研 究对于其它伺服控制系统的设计具有一定的借鉴价值，因此，从某种意 义上讲，本课题的研究为自动化科学的发展做出了积极地贡献。 3 华南理工大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章简单地介绍了三大伺服电机：直流伺服电机、交流伺服电机和 无刷直流伺服电机及其各自的优缺点。并比较详细地介绍了无刷直流电 机的发展历史，国内外对无刷直流电机的研究现状，以及本课题研究的 重大意义。 4 第二章永磁无刷直流电机简介 第二章永磁无刷直流电机简介 2 1 永磁无刷直流电机的结构原理 永磁无刷直流电动机的结构原理框图如图2 1 。永磁无刷直流电动 机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言，可以认 为是由电力电子开关逆变器、永磁同步电动机和磁极位置检测电路三部 分组成的“电动机系统”。永磁无刷直流电动机本体定子为集中整距绕 组，有星形绕组、封闭式绕组、正交绕组等不同种类，其转子多采用具 有高剩余磁感应强度和大矫顽力的杉钻合金、钦铁硼等稀土永磁材料作 磁缸。普通直流电动机的电枢通过电刷和换向器与直流电源相连，电枢 本身的电流是交变的，而无刷直流电机用磁极位置检测电路和电力电子 开关逆变器取代有刷直流电机中电刷和换向器的作用，即用电子换向取 代机械换向。由位置检测器提供电机转子磁极的位置信号，在控制器中 经过逻辑处理产生相应的开关状态，以一定的顺序触发逆变器中的功率 开关，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，保证 电枢绕组中通入的电流空间分布波与气隙磁感应强度波的相对位置恒 定，使电动机产生持续不断的转矩。 图2 1 无刷直流电机系统的结构原理 f i g 2 - 1b l d cs y s t e mc o n f i g u r a t i o n 2 2 永磁无刷直流电机的工作原理 为了清晰地阐述无刷直流电机的工作原理和特点，下面以三相全控 桥式电路为例进行说明，无刷直流电机系统框图见图2 2 。控制电路对 转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制p w m 信号， 5 华南理工大学硕士学位论文 经过驱动电路放大后产生相应的开关状态，送至逆变器各功率开关管， 从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋 转磁场。 2 2 1 转子位置传感器 图2 2 无刷直流电机系统图 f i g 2 - 2b l d cs y s t e m 无刷直流电机的驱动根据转子位置的变化控制逆变器开关管的切 换，实现定子电流和反电势在相位上的严格同步。否则，只要相位上的 微小差异就会产生转矩波动。正确换相有赖于准确的位置检测，因此准 确地获得转子的位置信号尤为重要。 转子位置的检测有机械式位置传感器检测和无机械式位置传感器检 测两类。机械式位置传感器又有多种类型：电磁式位置传感器、光电式 位置传感器、磁敏式位置传感器。其中电磁式位置传感器又可分为开口 变压器式、铁磁谐振电路式、接近开关式等多种类型；磁敏式位置传感 器又可分为霍尔元件式或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多 种类型。实际使用中，较多采用光电式位置传感器和霍尔元件式位置传 感器。 光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋 转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。霍尔元件式位置传 感器是利用霍尔效应产生电压输出而制成的，所感应出来的电压信号与 通过霍尔元件的电流量、磁感应强度以及霍尔元件的灵敏度有关。只要 通过霍尔元件的电流或磁感应强度发生变化，将会导致霍尔传感器的输 出电压发生相应的改变，从而确定电机转子的位置。 6 第二章永磁无刷直流电机简介 2 2 2 无刷直流电机的换相 以一对磁极为例，利用霍尔元件作为转子位置传感器，相应的电机 转子位置及转子位置信号。、瓯、h 。如图2 - 3 所示。 h 魄1 。 二二二二二二二j 一一一， | 暖e 二 二二二二二： 图2 3 转子位置不惹图 f i g 2 - 3r o t o rp o s i t i o ns k e t c hm a p 三相定子绕组电流正方向为从a 、b 、c 端流入，x 、y 、z 端流出 ( o 表示电流流入，0 表示电流流出) ，根据右手定则，三相定子绕组产 生的正向磁势f 、f b 、b 如图2 3 所示。假设电机顺时针旋转，在t 时 刻，转子d 轴转到图2 3 中5 6 扇区内所示的位置，此时，d 轴与a 相绕 组轴线重合，且相差18 0 。电角度，a 相反电势巳为零。在合成磁势 的作用下，转子顺时针旋转3 0 。以后，到f n 时刻，电机转子d 轴与b 相 绕组轴线垂直，b 相反电势e b 为最大值，如图中5 6 扇区终点或6 1 扇区 起点所示。此时逆变器功率器件触发组合状态应该为k 、k 导通，其余 功率器件均关断，电流从k 管流入a 相绕组，经a x y b ，再从b 相绕 组流出，经圪回到电源，在合成磁势f 的作用下转子继续顺时针旋转， 以减小定子合成磁势和转子磁势之间的夹角。在 时刻，d 轴与c 相绕组 轴线重合，c 相反电势8 为零。转子再顺时针旋转3 0 。后，到 时刻， 转子d 轴与a 相绕组轴线垂直，此时，霍尔检测电路根据电机转子磁极 的位置使输出信号珥在 时刻负跳变，控制器根据位置检测信号的跳变 进行换相控制，逆变器功率器件的触发组合状态从k 、磙导通变为k 、 巧导通( 见图2 3 中1 - 2 扇区) ，其余功率管均关断，电流由k 流入a 相绕 组，经a x z c ，从k 回到直流电源，在合成磁势f ，的作用下转子继续 旋转。在 时刻，转子d 轴与b 相绕组轴线相差18 0 。电角度，b 相反电 7 华南理工大学硕士学位论文 势为零。在时刻，d 轴与c 相绕组轴线垂直。此时，霍尔检测电路根 据电机转子磁极的位置使输出信号风正跳变，控制器根据位置检测信号 的跳变进行换相控制，逆变器功率器件的触发组合状态从k 、k 导通变 为巧、k 导通( 见图2 3 中2 3 扇区) ，其余功率管均关断，电流由以流入 b 相绕组，经b y z c ，再从k 回到直流电源，在合成磁势k 的作用下 转子继续旋转。依此类推，霍尔检测电路根据电机转子磁极的位置改 变相应的位置输出信号，位置信号的每一次跳变都意味着相应的换相时 刻的到来，因此，控制芯片根据电机转子位置信号的变化进行换相控 制，使电机转子在电磁转矩的作用下按图中顺时针方向旋转。正确换相 有赖于准确的位置检测，位置检测是系统控制的关键。 由以上分析可知，定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是 一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 。电角度。当转子每转过6 0 。电 角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子状态就改变一次。电 机共有6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时 间相当于转子旋转12 0 。电角度，每个功率器件的导通角为1 2 0 。 2 3 永磁无刷直流电机的数学模型 永磁无刷直流电机的结构多种多样，既有气隙磁场按正弦分布，又 有按近似梯形波分布的。因此，简单的假定其为正弦分布，将b l d c 三 相方程变换为d 。方程是不恰当的。若将电感表示为级数形式且采用多参 考坐标理论，也可进行这种坐标变换，但运算繁琐；若仅仅取其基波进 行变换。则计算误差往往很大。相反，直接利用电动机相变量建立数学 模型却比较方便，又能获得较准确的结果。为简化分析，现以一台三相 3 对极b l d c 为例，并假设： ( 1 ) 定子绕组为三相y 连接，无中线引出； ( 2 ) 忽略齿槽效应，绕组均匀分布于光滑定子的内表面； ( 3 ) 忽略磁路饱和，不考虑电枢反应，不计涡流和磁滞损耗； ( 4 ) 转子上没有阻尼绕组，永磁体不起阻尼作用； 2 3 1 电压方程 k r 。 ”l ： k l 6 k 8 挑h 纠 ， 乞k k ，l p + 1j kb0 。l1，j o o 疋 o 心o 第二章永磁无刷寅流电机简介 其中：l 。、l b 和l c 分别为三相绕组的自感，r 。、r 6 和r 。为三相绕组 的电阻，。为a 相和b 相的互感，类似，k 、k 、k 、k 、k 亦分别 组无中线引出，则有： i 。+ i 。+ = 0 ，可导出m i a + m i b = m i c ，由此得 圣 = 言吾墨1 i + 毛m m 呈m p 1 + 圣1 cz z ， 廿ft m ) 。滩0u 。1 _ 言m ! ( 2 剐 2 3 2 电磁转矩方程 电磁转矩方程为：乙= p 。( e 。i 。+ e 6i b + e 。f 。) q( 2 4 ) 运动方程为：j p ( 竺) ) = 乙一瓦 ( 2 - 5 ) p 。 其中：，为转子的电角速度，疋为负载转矩，j 为转动惯量，p 。为 极对数。 2 3 3 无刷直流电机动态模型 在无刷直流电机伺服控制系统中，电机采用两相导通的模式，即在 任何时刻，电机只有两项导通。为简单记，假定各相绕组对称，参数为 常数，这样可应用式2 1 ，在a 相和b 相导通时，设定屯0 ) = 一i h ( t ) = ，( f ) ，有2 2 第一、第二行，得： “。( f ) = r ，( f ) + ( l m ) p ，( r ) + e a o ) ( 2 6 ) “6 ( f ) = 一r ，0 ) 一( l - m ) p ，o ) + e 6 ( r )( 2 7 ) 令u ) = 帮。) 一( ，) ，e ( f ) = e a o ) 一e b ，可得： u o ) 2 2r ，( f ) + 2 ( l 一m ) p l o ) + e ( t ) ( 2 8 ) 9 华南理t 大学硕士学位论文 根据反电动势与转速n 成正比关系：e o ( r ) = t n ( 乜为平均反电动 势) ，电磁转矩与电流，( ，) 成比例关系：l ( t ) = k ，l ( t ) ( l ( r ) 为电磁转矩) ， 代入上式，并取其拉氏变换，可得机械特性为： 吣) 。半一半驰) ( 2 - 9 ) 将运动方程( 2 5 ) 写成转速n 的形式，并取其拉氏变换可得 g 石d _ z s 聍( s ) = 瓦( s ) 一r l ( j ) ( 2 10 ) g d 2 为电动机转子飞轮力矩( n m 2 ) ，正( s ) 为电动机的负载转矩， 根据式2 - 9 和2 1 0 ，可画出b l d c 的动态结构图，如图2 4 ： 图2 4 无刷直流电机的动态结构图 f i g 2 4b l d cm a t hm o d e l 从图中可导出无刷直流电机的数学模型： 肝( s ) 2 击u 。) 一端瓦。) ( 2 - 1 1 ) 其中： 2 r g d 2 “ 3 7 5 k r k e ，一2 ( l m ) g d 2 “ 3 7 5 k ，k 。 铲i 1 ；k 2 = 瓦2 r , ；k 3 - - 等。 2 3 4b l d c 模型误差分析 式2 1 、2 - 4 和2 - 5 为系统的基本方程，为推导其它几组方程，均作 了一些假设，而实际上，无刷直流电机是一个多交量、非线性、强耦合 1 0 第二章永磁无刷直流电机简介 的系统，各绕组电感及互感不仅是转子位置的函数。而且也是非线性 的，假设其为线性非时变的必然带来模型误差；k ，t 也是一个非线性 时变的参数。另外，如考虑阻尼转矩和换相的过渡过程，系统就不是式 2 1 1 所示的为电压、负载转矩的二阶系统，而是一个高阶非线性时变系 统。但在大部分场合，做这些假设对分析是有用的，而且模型带来的误 差在大多数情况下也是可以接受的。实际上，为了消除非线性时变参数 的影响，将输出误差控制在一定范围内，常采用各种控制技术如负反馈 技术、前馈控制、自适应控制、智能控制等等，从工程观点来看，往往 能达到预期的效果。 2 4 永磁无刷直流电机的调速方案 无刷直流电机通过调节输入电机的直流平均电压达到调节转速的目 的。调压方式有两种：一种为p a m 方式，另一种为p w m 方式。在p a m 方式中，直流电压仉可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控制， 通过调节直流电压以的大小调节电机转速。在p w m 方式中，直流电压 玑不可调，逆变器功率开关器件不但负责无刷直流电机的换相控制，而 且通过斩波调节电机输入电压的平均值，从而达到调节转速的目的。 最简单的调速系统为开环调速系统，由式2 1 1 可知，改变逆变器的 输出电压u ( ，) ，即可调节电机的转速，但是，从2 1 1 式也可看出，当负 载变化时，电机的转速也会随之改变，因此这样的调速无精度可言，只 能用于调速要求不高的场合。 为了保证调速的精度，常采用速度负反馈构成闭环调速系统。仅由 速度闭环的调速系统在调速过程中，例如当速度给定发生突变时。逆变 桥的输出电压很大，这可能引起电机电枢电流剧增，使逆变桥损坏，此 外，电流的急剧变化也会导致转矩的剧变，对传动系统将造成冲击，为 此，在调速系统中还必须采取限制电流冲击的措施。为了达到较好的静 态和动态性能，系统常常采用速度、电流双闭环控制方案，电流环主要 起到限流作用。这种控制方式把速度调节器作为主调节器，电流调节器 作为辅助调节器。 华南理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章简要地说明了无刷直流电机的结构原理、工作原理；比较详细 地推导了无刷直流电机的数学模型：并简单地介绍了无刷直流电机的两 种调速方式及其误差分析。 1 2 第三章伺服控制系统的硬件设计 第三章伺服控制系统的硬件设计 3 。1 伺服控制系统硬件设计方案 永磁无刷直流电机由于其无刷、高性能、小转动惯量、小体积、低 噪声、免维护等优点，在高性能位置伺服领域里应用非常广泛。永磁无 刷直流电机由具有三相对称绕组的定予和材料为永磁体的转子组成，根 据其反电势波形的不同，可以分为两种：反电势为方波的无刷直流电机 ( b l d c ) 和反电势为正弦波的永磁同步电机( p m s m ) 。为减少转矩纹波， 无刷直流电机一般采用两相导通规律，即根据转子位置传感器输出的三 个位置信号决定三相定子电压的导通和关断，使流过定子绕组的电流波 形为矩形波；永磁同步电机则采用三相导通规律，即根据转子的当前位 置决定三相定子电压的导通和关断。输出正弦波电流。 本课题的任务就是为永磁无刷直流电机设计高性能的伺服控制系 统。在该控制系统中，采用了美国惠普公司的通用型运动控制集成芯片 h c t l 一1 1 0 0 ，该芯片提供了所有与数字运动控制有关的功能，因此为主 处理器节约了大量时间。主处理器采用t i 公司d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 。该 d s p 芯片以其高速及高性能在自动控制和电机控制领域享有盛名，它快 速处理各种复杂控制规律，并具有故障诊断、监控保护和控制灵活等功 能，为系统可靠性、快速性和实时性提供了保证。功率模块采用三菱公 司的p m 2 0 c t m 0 6 0 ，该智能功率模块不但具备i g b t 模块的全部功能， 而且还内置了栅驱动电路和保护电路。位置传感器采用霍尔传感器，准 确地测出电机转予当前位置。编码器采用增量式光电编码器，反馈电机 位置。 3 2 运动控制集成电路芯片h c t l 一110 0 由美国惠普( h e w l e t tp a c k a r d ) 公司生产的h c t l 1 1 0 0 通用型运 动控制集成电路是该公司原有的h c t l 1 0 0 0 电路的增强型，是利用该公 司的c m o s 工艺制造的。它适用于对直流伺服电动机、无刷直流伺服电 动机和步进电动机的位置伺服或速度控制。通常，这样的伺服控制系统 的控制指令来源于主处理器，另外只需要一片h c t l 1 1 0 0 、一个放大器 和一个装有编码器的电动机就可构成一个完整的控制系统。如图3 1 ： 华南理工大学硕士学位论文 图3 1 基于h c t l 一1 10 0 的伺服控制系统结构图 f i g 3 1 s e r v oc o n t r o is y s t e mc o n f i g u r a t i o nb a s e do nh c t l - 110 0 h c t l l l o o 芯片提供了所有与数字运动控制有关的功能，这些功能 如果让主处理器来完成将会占用主处理器大量时间，所以它的使用可将 主处理器解放出来，进行其它任务工作。所有控制参数都可以由程序设 定，使用很少的外围元件就能够灵活地、快速地完成一个特定要求地伺 服控制系统设计。此集成电路典型应用是打印机等计算机外设、医疗设 备、材料处理机，以及其它工业自动化控制装备和系统。 h c t l l l o o 集成电路的主要特点： 低功耗c m o s 工艺 四种位置伺服或速度控制方式 可编程的数字滤波器和换向器 8b i t 并行口输入输出和p w m 电动机指令接口 多个h c t l 1 1 0 0 同时使用的s y n c 同步引脚 t t l 电平兼备 1 0 0 k h z - 2 m h z 运行 增量式编码器输入 两种封装方式，即4 0 脚p d i p 和4 4 脚p l c c 3 2 1h c t l 1 1 0 0 的工作原理 h c t l 1 1 0 0 主要用于控制直流电动机、无刷直流电动机和步进电动 机，实现位置伺服或速度控制。其内部原理框图如图3 2 。h c t l 11 0 0 从主处理器获得控制指令，与主处理器的接口是一个8b i t 的双向地址， 数据复用总线。另外，从增量式编码器两个正交脉冲信号输入系统位置 反馈信息。编码器信号被正交译码，进行可逆计数，在一个2 4b i t 计数 器中保存绝对位置信息。 1 4 第三章伺服控制系统的硬件设计 图3 2h c t l 1 10 0 内部原理框图 f i g 3 2h c t l 一11 0 0i n n e rp r i n c i p l e h c t l 11 0 0 可执行下列四种控制算法，这四种控制模式可由用户进 行选择： 位置伺服； 比例速度控制： 梯形图( 点位) 控制； 有线性加速连续速度图的积分速度控制。 内部的位置速度图发生器计算出必需的速度图，提供给梯形图控制 和积分速度控制。h c t l 1 1 0 0 将期望的位置( 或速度) 值与实际的位置( 或 速度) 值进行比较，并通过可编程数字滤波器d ( z ) 计算出所需的给电动机 的补偿指令。此指令是经8b i t 电动机指令口和p w m 口输出的。 h c t l 1 1 0 0 具有为无刷直流电动机和步进电动机运转所需的电子换 向功能。它利用增量式编码器的位置信息，使电动机获得正确的通断相 序。内部的换向器是可编程的，以适应大多数不同电动机与编码器联合 使用的要求。其内的相位重叠和相位超前控制功能也是可编程的，可用 来改善电动机的转矩脉动问题和提高高速性能。 h c t l 一11 0 0 还提供一些标志信号，例如，有两个外部可用的标志信 号：轮廓标志和初始化标志，用户由此可检查控制器的状态。还有两个 应急输入端：l i m i t 和s t o p 。在紧急情况下，用户可使用它们来中断本 集成电路的运行。 1 5 华南理工大学硕士学位论文 3 2 2h c t l 1 1 0 0 的操作流程图 h c t l 1 l o o 可执行三种建立程序和四种控制模式，三种建立程序 是： - 复位( r e s e t ) 初始化( i n i t i d l e ) 对齐( a l l g n ) 由用户选用的四种控制模式已在工作原理中列出。h c t l 1 10 0 利用 下面三种操作之一完成从一种控制模式切换到另一种控制模式。 ( 1 ) 由用户写入程序计数器： ( 2 ) 由用户写入标志寄存器来设置或清除f 0 、f 3 或f 5 标志： ( 3 ) 当某些初始条件已由用户提出，h c t l 11 0 0 自动进行切换。 图3 - 3 表示了建立程序和控制模式切换流程图，以及它们所需要的 指令，现分述如下： 图3 3h c t l 1 10 0 的操作流程图 f i g 3 - 3h c t l - 110 0o p e r a t i n gm o d ef l o w c h a r t ( 1 ) “复位”可采取两种方式进行： - 硬复位：将r e s e t 引脚置为低电平； 软复位：将0 0 h 写入到寄存器r 0 5 h 。 ( 2 ) “初始化”采用下面方法执行： 将0 1 h 写入到寄存器r 0 5 h ； 令l i m i t 为低电平。 在初始化后可设置完成： i n i t i d l e 标志( f 1 ) 被置位； 1 6 第三章伺服控制系统的硬件设计 p w m 口( r 0 9 h ) 被置位为o o h ，零指令： 电动机指令口( r o s h ) 被置位为8 0 h ( 1 2 8 d ) ，零指令： ( 3 ) “对齐”是采用将0 2 h 写入到寄存器r 0 5 h 而执行的。对齐方 式仅在需要使用h c t l 1 1 0 0 的换向器功能时才需执行，它使多相电动机 定转子间相对位置与h c t l 1l o o 内部换向器一致。完成对齐方式后，系 统自动转到“位置伺服模式”。 ( 4 ) “控制模式”：由标志寄存器( r 0 0 h 1 的控制标志f o 、f 3 、f 5 哪一个被置位即确定那种模式将要执行。将0 3 h 写入寄存器r 0 5 h ，即 进入控制模式。 3 3 伺服控制系统的硬件结构 永磁无刷直流电机伺服控制系统硬件电路以运动控制集成电路芯片 h c t l 1 1 0 0 为中心，同时还包括：主处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 、可编程逻 辑器件g a l l6 v 8 、光电耦合器p c 8 17 、智能功率模块p m 2 0 c t m 0 6 0 ，电 机电流检测电路、位置传感器、增量式光电编码器与操作面板等部分。 其硬件结构如框图3 4 ： 图3 - 4 伺服控制系统硬件结构图 f i g 3 - 4s e r v oc o n t f 0 1s y s t e mh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n 3 3 1 主处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 是t i 公司专门针对电机控制设计的控制器，它 集高速运算( 每条指令5 0 n s ) 与面向电机的高速控制能力于一体，可以用 软件取代模拟器件，实现控制系统的全数字化，并可方便地修改控制策 略和参数，同时又兼具故障检测、自诊断和上位机进行管理与通信等功 能。 1 ) 总体结构 1 7 华南理工大学硕士学位论文 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 有三个主要组成部分，中央处理单元( c p u ) 、 存储器和片内夕卜围，如图3 5 所示。 存储器 片内外围 i 卧s r 等o m 一l 甲掣l 3 个定时嚣 9 个比较单元 1 2 个p w m 输出 + 丁 死区控制逻辑 程序、数据、m 总线l 4 个输入捕获 正变编码脉冲控制 。、! 。 路 c p u 3 2 位a l u 一。 1 1 1 6 位乘1 6 位乘法 缸 3 2 位累加器 l看门狗l 补辅助寄存器 8 个硬 牛堆拽 蒜 2 个状态寄存器 f m m i 一i l 一 储存器映像寄存器 移位寄存器 - 2 个l 。位a ，d 转换器l 图3 5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 的总体结构图 f i g 3 5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xc o n f i g u r a t i o n c p u 组成：3 2 位中央算术逻辑单元( a l u ) ，3 2 位累加器，用于a l u 的输入和输出数据定标移位器，1 6 位1 6 位并行乘法器，乘积定标移位 器，一个辅助寄存器算术单元( a c a l u ) 的8 个16 位辅助寄存器。 存储器组成：片内5 4 4 字1 6 位的双端口数据程序r a m 1 6 k 字1 6 位的片内p r o m 或闪速e 2 p r o m ，2 2 4 k 1 6 位的最大可寻址空间( 6 4 k 字 的程序空间、6 4 k 字的数据空间、6 4 k 字的i o 空间和3 2 k 字的全局空 间) 。以及有软件等待状态发生器的外部存储器接口模块，具有16 位地 址总线和1 6 位数据总线。 片内外围包括：事件管理器( 1 2 个比较脉宽调制p w m 通道、3 个1 6 位通用定时器、3 个1 6 位含死区功能的全比较单元、3 个1 6 位简单比较 单元以及其中2 个有正交编码接口功能的4 个捕获单元) ，双1 0 位模数转 换器( a d c ) ，控制器局域网络( c a n ) 2 0 模块，串行通信接口( s c i ) 模块， 串行外部设备( s p i ) 接口模块，高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入 输出引脚( g p i o ) ，基于锁相环的时钟模块，带实时中断( r t i ) 的看门狗定 时器( w d t ) 模块。 程序控制：4 级管道操作，8 级硬件堆栈，6 个外部中断f 电源驱动 保护中断、复位、非屏蔽中断n m i 和3 个可屏蔽中断1 。 1 8 第三章伺服控制系统的硬件设计 2 ) 芯片特点 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 芯片的基本特点：改进型哈佛结构；流水 线操作；专用硬件乘法器；特殊的d s p 指令；快速的指令周期。 改进型哈佛结构 改进型哈佛结构的特点是芯片内部具有两套分别独立的程序存储器 总线和数据存储器总线，分别对程序存储器和数据存储器进行操作，从 而使其数据处理能力得到最大程度的优化。 流水线操作 与哈佛结构相关，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 采用流水线技术以减少指令 执行时间，增强处理器的处理能力。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 采用四级流水 线，也就是说，处理器可以并行处理4 条指令，每条指令处于流水线上 的不同阶段。具体地说，每条指令的执行过程可以分为四个阶段：取指 令( p ) 、指令译码( t ) 、取操作数( d ) 和执行指令( e ) 。某一时刻，第一条流 水线上在做“取指令”操作时，第二条流水线同时进行上一条指令的 “指令译码”的操作，第三条流水线同时进行再上一条指令的“取操作 数”的操作，第四条流水线同时进行再上一条指令的“执行指令”的 操，如图3 6 所示。这样任一周期都有执行指令( e ) 的操作，就好像一个 周期就可以完成一条指令。 第1 鬻2 第3 第4 图3 6 逻辑流水线 f i g 3 - 6l o g i cp i p e l i n e 专用硬件乘法器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 采用独立的累加器和乘法器，使复杂的乘法运 算能快速进行，一条乘法运算可在一个指令周期内完成。而在通用的微 处理器中，乘法指令由一系列加法来实现，需要花费许多个指令周期。 特殊的d s p 指令 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 采用精简指令集( r i s c ) ，简化了数字信号处理 过程，大多数指令能在一个指令周期内完成，并且通过并行处理技术， 使一个指令周期内可完成多条指令。 快速的指令周期 1 9 华南理工大学硕士学位论文 快速的指令周期，哈佛结构流水线操作，专用的硬件乘法器再加上 集成电路的优化设计使得d s p 芯片具有快速的指令周期，在10 m h z 的晶 振下，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 指令周期可达5 0 n s 。 3 3 2 运动控制集成芯片h c t l 一1 1 0 0 运动控制集成芯片h c t l 1 1 0 0 为本永磁无刷直流电机伺服控制系统 的核心。通过8b i t 地址数据口，h c t l 一1 10 0 从t m s 3 2 0 l f 2 4 0 xd s p 获 得各种控