（控制理论与控制工程专业论文）永磁同步电机运动控制的若干关键技术的研究.pdf

摘要 交流伺服控制系统在工业控制、家用电器等领域的应用曰益广泛，对其性 能的要求也越来越高。由于永磁同步电动机伺服系统能够实现高精度、高动态 性能、大范围的速度伺服控制，因此以数字信号处理技术为基础、以永磁同步 电机为执行电机、采用高性能控制策略的全数字化永磁同步交流伺服控制系统 必将成为伺服控制系统发展的趋势。 由于交流同步电机多变量、强耦合、非线性的动态系统特征，以及运行时 电机参数随温度的变化漂移、负载扰动等时变和不确定因素的存在，电机运动 控制系统在动态特性数学模型的描述、控制系统的算法设计、计算机数字仿真 研究，以及实时控制实验研究诸方面面临大量需要研究的课题。 本文展示了一种永磁同步电机伺服控制系统的设计方法，它采用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制芯片，以转子磁场定向控制原理( f o c ) 作为控制算法， 在基于m a t l a b c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 集成开发环境下，开展永磁同步 电机( p m s m ：p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ) 运动控制系统的研究，实 现算法设计、系统建模、计算机数字仿真、d s p 代码自动生成、被控对象联机 调试、系统性能指标评估的无缝连接。 文中首先简单介绍了永磁同步电动机的结构和工作原理，分析了磁场定向 矢量控制方法，建立了数学模型，提出了永磁同步电动机调速控制系统的控制 方案；然后利用m a t l a b 、s i m u l i n k 、s i m p o w e r s y s t e m 、r e a l t i m ew o r k s p a c e 构建数字仿真模型，给出仿真结果；进而构建硬件实验平台，并利用e m b e d d e d t a r g e tf o rt ic 2 0 0 0d s p 工具箱和t i 公司的c c s 集成开发环境，实现d s p 代码 的自动生成，同时进行实时调试，给出了实验结果。 仿真和实验结果均证明了本文所采用的基于m a t l a b d s p 集成开发环境的 数字电机开发平台具有强大的生命力。 生成 关键词：永磁同步电机、运动控制系统、d s p 、m a t l a b 、c c s 、代码自动 r e s e a r c ho ns o m e k e yt e c h n i q u e so fm o t i o nc o n t r o lf o r p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r a b s t r a c t a cs e r v os y s t e mi sn o ww i d e l yu s e di nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lc o n t r o l l e ra n d h o u s e h o l da p p l i a n c e s ，t h eh i g h e r p e r f o r m a n c eo f s e r v os y s t e mi s r e q u i r e d t h e p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ss e r v os y s t e mc a na c h i e v et h ep e r f o r m a n c e o f h i g ha c c u r a c y , h i g hd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，w i d e s c o p es p e e dr e g u l a t e d c o n t r o l ，t h e r e f o r e ，d i g i t a lc o n t r o l l e da cs e f v os y s t e mw i l lb et h et r e n d ，w h i c hu s e s p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r s ( p m s m ) a sp o w e ru n i t sa n dh i g hq u a l i t y c o n t r o ls t r a t e g y , b a s e do nd s p a st h ea cs y n c h r o n o u sm o t o ri sam u l t i v a r i a b l e ，c l o s ec o u p l i n g ，a n dn o n l i n e a r d y n a m i cs y s t e m ，a n dt h e r ea r ea l s os o m et i m e d e p e n d e n ta n du n c e r t a i nf a c t o r ss u c h a st h ev a r i a t i o no fm o t o rp a r a m e t e rw i t ht h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ea n dl o a d p e r t u r b a t i o n ，m o t o rm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi sg a i n i n gc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nt h e d e s c r i p t i o no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cm a t h e m a t i c a lm o d e l ，i nt h ea l g o r i t h md e s i g no f t h ec o n t r o ls y s t e m ，i nt h ed i g i t a ls i m u l a t i o nr e s e a r c h ，a n di nt h es t u d yo fr e a l t i m e c o n t r o l l e de x p e r i m e n t ，e t c i nt h i sp a p e r , am e t h o do fd e s i g i n gs p e e dc o n t r o ls y s t e mo fp m s mi sp r e s e n t e d i nt h ef i r s t i tl a u n c h e sar e s e a r c ho nt h e s p e e dc o n t r o ls y s t e mo fp m s mi n m a t l a b c c si d eb yt a k i n ga d v a n c e dd s p c h i pt m s 3 2 0 f 2 8 12a st h ec o r ea n d f o c ( f i e l do r i e n t e dc o n t r 0 1 ) t h e o r ya st h ec o m p u t i n gm e t h o d i ti n t r o d u c e st h e s t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fp m s m ，a n a l y z e st h ec o n t r o lm e t h o d so f f o c ，b u i l t st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep m s m ，a n dp r o p o s e sc o n t r o ls c h e m e so f s p e e dc o n t r o ls y s t e mo fp m s m t h e n ，i tc o n s t r u c t st h ed i g i t a ls i m u l a t i o nm o d e la n d m a n a g e st og e tt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sb ym a k i n gu s eo fm a t l a b ，s i m u l i n k ， s i m p o w e r s y s t e m ，a n dr e a l t i m ew o r k s p a c e n e x tc o m e st h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o n o ft h ed s pc o d ew i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h et o o l b o xo fe m b e d d e dt a r g e tf o rt h et i t m s 3 2 0 c 2 0 0 0a n dt h ei d eo ft ic o r p o r a t i o n s c c s f i n a l l y ，i ti n t r o d u c e st h e h a r d w a r et e s tp l a t f o r m ，t h er e a l t i m ed e b u g g i n gp r o c e d u r ea n dt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ev a l i d i t yo ft h ep l a t f o r m h a o j i n x i a ( c o n t r o lt h e o r y & c o n t r o le n g i n e e r i n g 、 d i r e c t e db yd uj u n l o n g ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) k e yw o r d s ：p m s m ，m o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，d s p , m a t l a b ，c c s ，a u t o m a t i c c o d eg e n e r m i o n 西安工程科技学院学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用 学位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程 大学。学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 霪曩 短一 西安工程科技学院学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研 究成果，不包括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名： 日期： 静晋雇 工口。1 耳弓日l 弓岛 第1 章绪论 1 1 前言 1绪论 随着科学技术的发展，人类在微电子、计算机、电力电子技术和电机制造 等诸多领域取得了巨大进步，并直接推动了伺服控制技术的飞速发展和广泛应 用。诸如在各种数控设备、工业机器人、大规模集成电路制造、交通运输、载 人宇宙飞船、电动工具以及家用电器等领域的应用都日益广泛。 从上个世纪六十年代起，电气伺服系统开始逐渐取代液压伺服系统。但是 七十年代以前的伺服系统大多采用步进电机，虽然控制方式简单，但是控制精 度较差。而八十年代之后的伺服系统大量开始采用直流电机，由于直流伺服系 统控制方式简单，响应速度快，定位精度和跟随精度较高，速度稳定性高，并 具有良好的输出特性，因而直流伺服系统一度处于主导地位。但是，由于直流 电机结构复杂、成本高、故障多、维护困难而影响生产，机械换向器的换向能 力限制了电机的容量、电压和转速，接触式的电流传输方式和电刷产生的火花 又限制了直流电机的使用场合；电枢在转子上造成电机效率低下，转子散热条 件差。这些直流电机固有的缺点限制了直流伺服系统的进一步发展。 八十年代之后，随着功率电子技术、微电子技术的发展，人们借助于高性 能的d s p 和矢量控制技术，使交流伺服技术的有了长足进步，性能有了大大的 提高，使交流伺服系统开始逐渐取代直流伺服系统。近几年来，有p m s m 、三 相逆变器、光电码盘和d s p 控制单元组成的永磁式交流伺服系统是伺服系统的 研究热点。 交流永磁同步电动机以其结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数 高，转子无发热问题，有大的过载能力，小的转动惯量和小的转矩脉动等特点， 给驱动器设计者们提供了无穷的机会和挑战。永磁同步伺服系统成为当代高性 能伺服系统的主要发展方向，其特点是高位置分辨率，高定位精度，宽调速范 围，低速稳定运行，无爬行现象，力矩波动小，响应速度快，峰值转矩高，过 载能力强，能承受频繁起停、制动和正反转，电机无电刷，可靠性高，可工作 于恶劣的环境【2 】【3 】【4 】【5 】【6 】。 由于具有上述优点，永磁同步电机在以下领域得到广泛的应用【7 】【8 】： ( 1 ) 高精度位置伺服控制，包括点位控制和连续轨迹控制； 第1 章绪论 ( 2 ) 需要频繁调速，并要求低速且稳速运行的场合： ( 3 ) 需要张力调节和恒张力控制的场合。 典型的用途有电动注塑机、电动机车、电梯、数控机床、印刷机械、纺织 机械和工业缝纫机等9 1 1 1 0 l 。 1 2 交流伺服技术的发展 伺服控制应用于工业控制已有半个多世纪。作为一门综合性技术，它随着 电机制造技术、传感器、电力半导体器件、微处理器件和控制技术水平的提高 而不断发展。 1 2 1 电机制造技术 个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民 经济的各个领域以及人们的日常生活。电机( 本文指电动机) 主要有同步电动 机、异步电动机和直流电动机三种。电动机作为伺服系统的执行元件，其特性 对于构建高性能伺服系统具有极其重要的意义。由于直流电动机具有运行效率 高和调速性能好等诸多优点，因此从诞生之日起就一直受到人们的关注，并且 在工业生产和生活中得到极为广泛的应用。但是，随着生产技术的不断发展， 直流拖动的薄弱环节逐渐显示出来。 随着高性能永磁材料的采用和产业化、电机设计方法的优化和改进、控制 策略和算法的提高，交流伺服电动机的性价比己经有了很大的提高。交流伺服 电机主要有感应电动机和永磁同步电动机两种。感应电动机( i m ) ，特别是鼠笼 型异步电动机一直是传统驱动系统的执行元件，其结构简单、价格便宜、效率 较高。但存在着散热和参数容易波动等问题。按照电枢绕组所流过电流的形式 不同，永磁同步电动机可分为方波驱动永磁同步电机( b l d c m ) 和正弦波驱动 永磁同步电机( p m s m ) 。永磁同步电机价格相对感应电机要贵，但由于采用了高 性能永磁材料，因此有着较高的效率和较小的体积，且构造简单、速度准确恒 定、工作可靠，在交流伺服系统中应用广泛。现在永磁同步电机正继续沿着以 下几个方面发展： ( 1 ) 探索最佳永磁磁场和合理选择永磁材料； ( 2 ) 扩大生产规模，降低成本，扩大应用范围； ( 3 ) 采用数字化控制 2 第1 章绪论 1 2 2 传感器技术 传感器技术是信息时代的关键技术之一，它是获取准确可靠信息的重要手 段。高性能伺服控制系统是带有反馈的闭环控制系统，这就需要传感器实时、 准确检测反映系统工作各个物理量的信息，并反馈给伺服控制器，使之与输入 的命令进行比较，控制器根据这些反馈信息，做出决定、发布命令、指示驱动 器和执行电机下步的动作。从交流伺服的工作状态来看，至少需要提供有能 检测转子位置和电流的传感器】。 位置检测的精度直接影响到伺服系统的定位精度，对于采用矢量控制的永 磁同步伺服系统，位置检测还直接影响坐标变换的精度。实际应用的位置传感 器有光电编码器和无刷旋转变压器。光电编码器的特点是数据处理电路简单， 价格便宜，噪声容限较大( 因为是数字信号) ，容易实现高分辨率，检测精度高； 其缺点是对于机械振动以及烟雾尘埃等恶劣条件很敏感，不耐冲击及振动，容 易受温度变化影响。旋转变压器传送的是低频的正弦波信号，结构坚固耐用， 不怕振动冲击，可在高温下工作，具有很强的适应环境的能力，可以通过电路 来改变其分辨率；其缺点是需要专用的检测和转换芯片，成本较高，处理电路 复杂，温度特性不好。光栅传感器以其低惯量、低噪声、高精度和高分辨率在 数字测速中正得到不断的应用，其缺点是成本太高。实际应用较多的是带有较 简单磁极定位功能的增量式光电编码器。 电流反馈环节主要是抗电网电压扰动和提高系统的电流跟踪速度，电流检 测可以采用电阻采样法、电流互感器法和霍尔传感器法。电阻采样法线路简单、 无延迟；但精度受温度影响较大，而且缺乏隔离，适用于低压小电流电路。电 流互感器法是利用变压器原理，方法简单；但有一定的延迟滞后、精度稍差， 适用于高压大电流的场合。霍尔元件检测法是利用霍尔效应，把电流产生的磁 信号转换为电信号，其优点是可以实现隔离，而且精度较好。实际应用中一般 采用无接触式的电流霍尔传感器采样电流定子电流。 未来伺服控制用的传感器将向以下两个方向发展： ( 1 ) 分辨率较低、小型化、成本低的传感器； ( 2 ) 分辨率很高、同时具有多种功能的传感器。 1 2 3 电力电子技术 电力电子技术是信息流与物质能量流之间的重要纽带，尽管当前信息技术 和微电子技术正引领着新技术的发展潮流，如果没有电力电子变换，则信息就 只能是信息，不可能真正用来控制生产。在大功率电力电子装置中，功率器件 第1 章绪论 对整个装置的性能、体积、重量和价格的影响非常大。一般来说，功率电子学 的发展是以功率器件按的进步作为标志的1 1 2 。 伺服控制器所采用的功率器件的发展，经历了从整流二极管、晶闸管、g t o 、 g t r 、p - m o s f e t 、i g b t ，到现在高性能伺服系统中主要采用的职能功率模块 ( i p m ) 。 i p m 是采用微电子技术和先进的制造工艺，把智能功率集成电路与微电子 器件及外围功率器件组装成一体，能实现智能功率控制的商品化部件。其优点 是： ( 1 ) 开关速度快，驱动电流小，控制驱动更为简单； ( 2 ) 内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过电流和短路电流，能对功 率芯片给与足够的保护，故障频率大大降低； ( 3 ) 由于在器件内部电源电路和驱动电路的配线设计上做到优化，所以浪 涌电压、门极振荡、噪声引起的干扰等问题能有效得到控制； ( 4 ) 保护功能较为丰富，如电流保护、电压保护、温度保护一应俱全，随 着技术的进步，保护功能将日臻完善； ( 5 ) i p m 的售价己逐渐接近i g b t 。而采用i p m 后的开关电源容量、驱动 功率容量的减小和器件的节省以及综合性能提高等因素后，在许多场合其性价 比已高过i g b t ，有很好的经济性。 现在，电力电子技术正处于高速的发展阶段，新的器件和变换技术正在不 断涌现出来。 1 2 4 微处理器技术 徼处理器是交流伺服系统的核心，机型的选择往往直接影响系统的控制功 能和效果。适用于交流伺服系统的微处理器通常有单片微型计算机( 简称单片 机) 和数字信号处理器( d s p ) 两种。一般来说，单片机是面向控制的，在片内 集成了较多的i o 接口和外围部件，但运算速度比较慢：d s p 是面向快速信号处 理的。运算速度比同一时期的单片机要块1 至2 个数量级，但价格相对昂贵。 为了满足实际需要，单片机和d s p 都在沿着扩大集成度、增加位数、加快速度、 提高数据和信号处理能力、扩展功能、降低成本的方向发展。控制用d s p 芯片 是传统d s p 与单片机相结合的产物，它既具有传统d s p 的高速处理器内核，又 集成了类似于单片机的丰富外设资源。与传统d s p 相比，它具有适合于控制应 用的外围模块，更丰富的内置r a m 和f l a s h 存储器，更强的中断处理能力；与 单片机相比，它具有更快的处理速度，适合于电机控制的高端应用场合 1 3j 【1 4 】。 经过近几年的发展，d s p 芯片已取代单片机成为伺服控制领域的主流控制 第1 章绪论 芯片。目前，d s p 芯片的主要供应商有t i 公司、a d 公司、m o t o r o l a 公司等。 1 3 本课题的研究意义 本项目的研究旨在为新型数字电机的研究提供先进的实验平台，为电机产 品全数字化控制提供技术支撑。 ( 1 ) 本项目借助于m a t l a b d s p 集成开发环境的支撑，支持概念设计、 系统建模、数字仿真、代码自动生成、实时运行、参数整定、性能分析的无缝 联接，从而有利于提高科研成果的质量，大大缩短科研进程的周期。 ( 2 ) 本项目利用m a t l a b d s p 集成开发环境，筛选并集成现有的科研成果， 为设计新型数字电机探索全新模式的实现途径。 ( 3 ) 设计并实验验证基于d s p 的p m s m 位置伺服控制系统控制算法，为 设计高性能伺服电机寻求解决方案。 1 4 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 的可视化编程环境，数字仿真研究高性能 p m s m 位置伺服控制系统： ( 2 ) 基于模块的p m s m 控制系统可视化描述的d s p 代码自动生成策略的 研究； ( 3 ) 基于m a t l a b d s p 实时控制实验平台，探索p m s m 位置伺服控制系 统的在线实验调试技术； ( 4 ) 基于m a t l a b d s p 集成开发环境，实现算法设计、系统建模、计算 机数字仿真、d s p 代码自动生成、被控对象联机调试、系统性能指标评估的无 缝联接，筛选现有研究成果中适合d s p 实现的控制算法。 第2 章永磁同步电机磁场定向控制理论的研究 2永磁同步电机磁场定向控制理论的研究 永磁同步伺服电动机( p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r ，简称p m s m ) 是从绕线式转子同步伺服电动机发展而来的。它用强抗退磁的永磁转子代替了 绕线式转子，因而淘汰了易出故障的绕线式转子同步伺服电动机的电刷，克服 了交流同步伺服电动机的致命弱点，同时它兼有体积小、重量轻、低惯性、效 率高、转子无发热问题的特点。因此它一经出现，便在高性能的伺服系统中得 到了广泛地应用，例如工业机器人、数控机床、柔性制造系统、各种自动化设 备等领域【”】。 2 1 永磁同步电动机的结构 永磁同步电动机本体是由定子和转子两大部分组成【4 】。 永磁同步电动机的定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢 冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分 组成。其定子和异步电动机的定子结构基本相同。空间上三相对称绕组通入时 间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速为 f n ， 以。= 旦坚，f 为定子电流频率，p ，为电动机极对数。 p 。 永磁同步电动机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由磁极 铁心、永磁磁钢及磁轭等部分组成。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通 以三相对称的正弦波交流电时，则产生旋转的磁场。两种磁场相互作用产生电 磁力，推动转子旋转。如果能改变定子三相电源的频率和相位，就可以改变转 子的转速和位置。 永磁同步电动机按转子结构可以分为两类：一类是凸极式永磁同步电动机， 另一类是隐极式永磁同步电动机。它们的根本不同在于转子磁极所在的位置， 凸极式永磁同步电动机转子磁极是凸起在轴上的，而隐极式永磁同步电动机的 转子磁极是内置在轴内的。凸极式转子具有明显的磁极，钉子和转子之间的气 隙是不均匀的，因此其磁路与转子的位置有关。 永磁同步电动机根据磁性材料的不同类型可有各种不同的结构设计。目前 一般采用稀土永磁材料作磁钢( 一般都是具有很高的剩余磁通密度( 0 9 t ) 和很 第2 章永磁同步电机磁场定向控制理论的研究 大的矫顽力) 。稀土永磁材料的另一个特点是它的磁导率与空气磁导率相仿，对 于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以很大程度上的减少电枢 反应。 永磁同步电机的转子采用永久磁铁励磁，目前常使用稀土永磁材料。由于 转子磁钢的几种形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波 ( 方波) 两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种： 一种是正弦波形；另一种为梯形波( 方波) ，这样就造成两种同步电动机在原理、 模型以及控制方法上有所不同，为了区别由他们组成的永磁同步电动机，一般 把产生正弦波磁场的永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动机( p m s m ) ；而 由梯形波( 方波) 产生磁场的永磁同步电动机称为梯形波型( 方波) 永磁同步 电动机，由于其原理与控制方式上基本与直流电动机系统类似，所以又称无刷 直流电动机( b l d c m ) 。 2 2 机械角度和电角度 电机控制涉及两个角度：机械角度和电角度。机械角度是转子实际位置对 应的角度，转子旋转一周为3 6 0 度机械角度。电角度是转子旋转磁场的角度， 它与磁极对数成正比。机械角度与电角度的关系可用下面的公式表示： 晓= 巳+ p 包 e 。 p 电角度 机械角度 转子磁极对数 由于角度与角速度成导数关系，所以上述关系又可以写成电角速度与机械 角速度的关系： 吧= ( - - 0 m 木p 哆一一一电角速度 机械角速度 第2 章永磁同步电机磁场定向控制理论的研究 2 3 矢量控制概述 2 3 1 矢量控制思想 矢量变换控制( 或简称为矢量控制) 就是以电机真实结构物理模型建立起 来的系统数学模型为基础，经过一系列矢量变换( 三相一两相变换、矢量旋转 变换、包括直角坐标极坐标变换，或系统分析中的主对角变换、角位解耦变换、 实部与虚部分离变换，匝数折算变换等) ，将原来数学模型变换成公共坐标系统 中的等效正交两相模型，通过对公共坐标系统中相关矢量( 如电流或磁链等) 各分量的独立控制( 给出控制指令值) ，最后利用矢量反变换获得三相坐标系中 的控制量( 如电流或电压) 的大小，实现控制。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然是落实到对定 子电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各个物理量，包括电压、电流、 电动势、磁动势等等都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、 控制和计算都不是很方便，因此，需要借助于坐标变换使得各个物理量从静止 坐标系转换到同步旋转坐标系，然后站在同步旋转坐标系上进行观察，电动机 的各个空间矢量都变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和 被控矢量的各个分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需要的被控矢量的 各个分量值，即直流给定量。按照这些给定量进行实时控制，就可以达到直流 电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因 此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述 的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控 制，使其实际值等于给定值【j “。 2 3 2 矢量控制中的坐标变换 矢量控制中所用的坐标系有两种，一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系。 基于三相定子的三相绕组构成的三项定子a b c 坐标系和由固定在a 轴上的d 轴和与之垂直的b 轴所组成的两相定子a b 坐标系均为静止坐标系。而d 轴固 定在转子轴上的d - q 垂直坐标系和m 轴固定在定向磁链上的m t 定向坐标系均 为旋转坐标系。 以下对各坐标轴之间的电流转换公式总结如下： ( 1 ) 口一坐标系转换到d g 坐标系 9 第2 章永磁同步电机磁场定向控制理论的研究 ( 2 ) d - q 坐标系转换到口一坐标系 ( 3 ) 口一坐标系转换到口一6 一c 坐标系 _ ( 4 ) 口一b 一。坐标系转换到口一坐标系 1 0 1 3 2 2 一土打 2 2 ( 5 ) d - g 坐标系转换到口一6 一c 坐标系 。仁三石 l 3 j r 。2 、 一8 1 n l d 一了丌j ( 6 ) 口一6 一c 坐标系转换到d - q 坐标系 s i n 0 (朝p s i n i 护一 一s i n i 目一 上面六个公式是电流在各个坐标系之间的转换，电压的转换与电流的转换 相似的，这里不再做具体的阐述。 、，00 舢础 一 c口口 宝m = 00 、， 00 ，l 、， 口曰口 s o口旧；3 出 c 一 ，l = 、 0 0 ，l “纠 b i i i 卜 。一：括一： 一 一 ， 、 压恬 匕 压怄 i i 、，i0咕 ， “_ = 叫u liiii几 ) 、 ：一拓2_l， 舢 ，ll n | 宝 “ 口帕 宝矗 ， 一 、 厅怄 = 、，l，匕 、匕 、 2 3 2 3 丌 丌 2 3 2 3 一 + 口p p s s s 0 0 o 压悟 = 、 0b ，l o 第2 章永磁同步电机磁场定向控制理论的研究 2 4 永磁同步电机转子磁场定向矢量控制 永磁同步伺服电动机的模型是一个多变量、非线性、强耦合系统。为了实 现转矩线性化控制，就必须要对转矩的控制参数实现解耦。磁场定向控制是一 种常用的解耦控制方法【1 5 l 。 磁场定向控制实际上是将。出同步旋转坐标系放在转子上，随转子同步旋 转。其d 轴( 直轴) 与转子的磁场方向重合( 定向) ，q 轴( 交轴) 逆时针超前 d 轴9 0 。电角度，如图l 所示 图1 ( 图中转子的磁极对数为1 ) 表示了转子磁场定向后，定子三相不动坐 标系彳、口、c 与转子同步旋转坐标系d 由的位置关系。定子电流矢量f 。在o 由 坐标系上的投影f d 、f a 可以通过上一节介绍的对i a 、i b 、f 。的c l a r k e 变换( 3 2 变 换) 和p a r k 变换( 交直变换) 求得，因此i d 、f a 是直流量。 图1 永磁同步电动机定子a b c 坐标系与转子o d q 坐标系的关系 三相永磁同步伺服电动机的转矩方程为 = p ( i 口一i d ) 2 p e f i g 一( 厶一岛) i a i g 】 ( 1 ) 、一一定子磁链在d 、q 轴的分量； 辨转子磁钢在定子上的耦合磁链，它只在d 轴上存在； p 转子的磁极对数； 幻、l 永磁同步电动机d 、q 轴的主电感； 式( 1 ) 说明了转矩由两项组成，括号中的第一项是由三相旋转磁场和永磁磁 场相互作用所产生的电磁转矩；第二项是由凸极效应引起的磁阻转矩。 对于嵌入式转子，l d ”符号表示输出点，每个输入模块都有一个“ ” 符号表示输入点。只需在一个模块的输出点处按下鼠标左键，拖动鼠标至另一 个模块的输入点释放鼠标键，则s i m u l i n k 就自动地将两个模块连接起来。也可 以先用鼠标单击一个模块，然后按下c t r l 键，再单击另一个模块，建立两个模 块的连接。 4 2 2 永磁同步电机数字仿真模型图 图8 为完成的p m s m 数字仿真模型图，图9 是对图8 的封装。 图8 p m s m 数字仿真模型图 图9 p m s m 数字仿真模型图 第4 章系统系统建模及数字仿真 4 2 3 系统软启动的研究 软启动问题：电动机软启动是从电动机“硬启动”而来的。硬启动就是直 接启动，电动机直接启动其冲击电流很大，通常是电机额定电流的3 5 倍，甚至 更大，这样会引起电动机发热、加速电动机的绝缘老化等一些问题，从而给电 机本身的制作工艺、结构都带来了许多受到制约的问题。比如电机的轴很粗， 就是因为过去没有软启动，硬启动突如其来的过载5 - 6 倍的起动电流所带给电机 的起动冲击转矩，会把电机轴扭断的，这就是电机轴设计得很粗的原因之一。 对于小功率的电机，直接启动尽管电流很大，启动时的冲击转矩对电机而言很 大，但对机械的强度抗冲击性还是可以承受的。对于大功率的电机就有问题了， 启动时所造成的过载冲击，电机的强度与容量设计都是很棘手的，而且造成很 大的附加成本。 软启动可减小电动机硬启动( 即直接启动) 引起的电网电压降，使之不影 响共网其它设备的正常运行，可减小电动机的冲击电流，可减小硬启动带来的 机械冲力，冲力加速传动机械( 轴、啮合齿轮等) 的磨损，减小电磁干扰，软 启动使电动机可以起停自如，减少空转，提高作业率，有节能作用。 图1 0软启动模块图 第4 章系统系统建横及数字仿真 4 2 4p i d 模块介绍 p i d 控制模块结构图如图1 1 所示 图1 l软启动模块图 该模块用防积分饱和修正来实现3 2 位数字p i d 控制器，它的输入端包括参 考输入( r e f ) 和反馈输入( f d b ) ，输出端是饱和p i d 输出，下面的微分方程描述p i d 控制器在饱和环节前的输出： u 删( f ) = u p ( f ) + u ( f ) + u d ( ，) 这里的u 删是p i d 控制器饱和前的输出，是比例项，v 是具有饱和修正 的积分项，是微分项。 比例项为： u ，( f ) = k 。p ( f ) 式中，k 。是p i d 控制器的比例增益，p o ) 是参考输入与反馈输入之间的误 差。 具有饱和修正的积分项为： 叭垆争如) 出+ 蜒( 砸) 一”) 式中，k 。是p i d 控制器的积分修正增益。 微分项为： 卟坼掣 式中，乃是p i d 控制器的微分时间。对于离散形式，微分增益定义为 第4 章系统系统建横及数字仿真 k d = 乃t ，积分增益定义为k ，= r r , ，其中t 是采样周期，z 是p i d 控制器的 积分时间。 当输出u 在线性范围内，p ( f ) 为0 ，修正输入为0 ，故输出【，就为输入 u 。当输入不在“。和“。之间时，修正输出p 。不等于0 ，乘七c 后，用以修正 输出。 4 2 5 模块参数的设定 双击要设定参数的模块，弹出模块参数设定对话框，如图1 2 图1 2模块参数设定对话框 输入参数后，点o k 保存。 这样重复下去直到把每个模块的参数都设定好。 4 2 6 启动仿真 模块参数设定好后就可以启动仿真过程了。最简单的方法是按下s i m u l i n k 工具栏下的“启动仿真”按钮，如图1 3 。或者选择菜单s i m u l a t i o ns t a r t 。 图1 3 启动仿真按钮 第4 章系统系统建横及数字仿真 仿真过程中如果出现错误，系统会显示错误信息。根据错误信息对模型及 其参数进行修正。直到没有错误信息出现。仿真运行的过程中可以用示波器观 察任何一个模块的波形。如果需要对参数进行修改，可以点击“停止仿真”按 钮，然后修改参数，修改完了再启动仿真。如此重复，直到得到满意的仿真结 果。 4 3m a t l a b 仿真结果 p m s m 建模仿真系统采用双闭环控制方案：外环为转速环是由p i d 调节器 构成，内环是电流环，采用的是矢量控制。根据模块化的思想，将系统设计框 图中的控制系统分割为各个功能独立的子模块，图8 即为p m s m 数字建模仿真 的整体控制框图。其中主要包括：p m s m 数学模型、矢量控制模块、坐标变换 模块、电流p i d 控制模块以及速度控制模块，通过这些功能模块的有机整合， 就可在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建出p m s m 控制系统的仿真模型并实现双闭环的控 制算法。 基于建立的p m s m 控制系统的仿真模型，作者对该模型进行了p m s m 双闭 环控制系统的仿真实验。p m s m 电机参数设置为： 表1 电机运行状态参数 ( a ) 转速转矩参数 时间( t ) oo 5 1 0 1 51 82 2 2 6 转速( n ) 2 0 03 0 01 0 05 01 2 01 8 0 2 8 0 转矩( t ) 5281 01 21 6 1 0 图1 4 为仿真结果曲线。 4 4 仿真结果分析 从永磁同步电机f o c 数字仿真结果可以得出以下结论： ( 1 ) 电机在启动阶段，转速保持恒加速状态，当达到设定速度时，速度基本 保持平稳，波动较小； ( 2 ) 由于采用了闭环控制结构，负载转矩的变化所引起的扰动得到有效的补 偿，因此转速保持平稳： 第4 章系统系统建模及数字仿真 ( 3 ) 直流母线电压只有在启动时有一定的脉冲，在调速过程中均保持平稳态 势； ( 4 ) 定子驱动电流的频率和幅值的调制由f o c s v p w m 实现，基本满足调速 性能指标要求。 图1 4仿真曲线 第5 章d s p 代码自动生成技术 5 1 引言 5 d s p 代码自动生成技术 随着d s p 处理性能的飞速提高，以及用户要求产品的研制周期越来越短， d s p 的设计内容越来越侧重于软件方面。一方面，强大的通用化硬件平台为实 现实时信号处理的软件化提供了性能保障，使许多d s p 设计人员摆脱了硬件设 计、配置的困扰，同时也帮助许多纯算法研究人员能轻松地进入d s p 设计领域。 另一方面，d s p 的开发设计环境更加完善，即使要调试d s p 程序代码，也可以 脱离d s p 硬件电路板。 5 2 一种新的数字开发模 j1 、不能实现的或不正确的需求 票球不可行的系统说明文档 组荐蓁薹霁翥霎喜 ：j 孙不能实现的或错误的设计 组件接口说明文档、 叶 详细设计、t 白匕舟埘m 一 测试计划il 、“” 组件设计及模块测试、 1软硬件实现 原型系统及测试计划 测试中发现的设计错误 测试、验证i - 、现场故障或产品问题 开发产品的生产系统、，j产品试验 图15传统开发过程 传统的数字产品的开发过程经历问题，任务提出、系统设计、详细设计、软 件和硬件实现、测试验证、产品试验阶段。各个阶段可以采用不同的工具，不 同工作阶段信息传递的介质通常是文档。这种开发模式中，相邻阶段之间的沟 第5 章d s p 代码自动生成技术 通是易于实现的，但是跨越阶段的协调是困难的、费解的、甚至可能是灾难性 的，见图1 5 。 为了实现从概念、建模、编码、调试、性能分析及调节，直至产品测试全 过程的无缝连接的理念，基于m a t l a b c c s 的系统全数字控制开发模式应运而 生，见图1 6 。本课题所做的实验性研究正是对这种全新模式的一种尝试。 系统设计 ， 图1 6螺旋式设计过程 、 利用m a t l a b 、s i m u l i n k 、s i m p o w e r s y s t e m 、r e a l - t i m ew o r k s p a c e 、e m b e d d e d t a r g e tf o rt h et it m s 3 2 0 c 2 0 0 0 工具箱和t i 公司的开发工具c c si d e 实现d s p 代码的自动生成，完全实现了d s p 设计到实施的无缝集成。见图1 7 e m b e d d e dt a r g e ti n t e g r a t e ss i m u l i n k 。a n dm a t l a b 。w i t h e x p r e s s d s p ”t o o l sa n dc 2 0 0 0 1c o n t r o l l e r s 图1 7m a t l a b c c s d s p 框架 第5 章d s p 代码自动生成技术 1 8 。 使用这一新颖、高效的d s p 代码开发流程，极大地缩短了开发周期，见图 传统开发模式 产品发行 图1 8 两种开发模式的比较 5 3d s p 集成开发环境c c s 简介 c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 代码调试器是一种针对标准t m s 3 2 0 调试接1 ：3 的集成开发环境l d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) ，由t i 公司在1 9 9 9 年推出，是目前最优秀、最流行的d s p 开发软件之一。 c c s 提供了非常良好的用户界面，面向窗口，具有菜单、对话框式接口， 具备丰富的图形图标，辅之以完整地可即时访问的在线帮助，使开发人员不必 记忆复杂命令，就能够轻松地掌握和使用c c s 集成开发系统。 c c s 主要包含以下功能： 集成可视化代码编辑界面，可直接编写c 、汇编、h 文件、c m d 文件等 集成代码生成工具，包括汇编器、优化c 编译器、连接器等等 基本调试工具，如装入执行代码( o u t 文件) ，查看寄存器窗口，存储器 窗口，反汇编窗口，变量窗口等，支持c 源代码级调试。 支持多d s p 调试。 断点工具。包括硬件断点、数据空怕l 读写断点，条件断点( 使用g e l 编 写表达式) 等等。 探针工具( p r o b ep o i n t