（电机与电器专业论文）基于dsp2812的永磁同步伺服系统的研究.pdf

、 - 、 。j r e s e s y n c h r o i ，彳 l ， 。 j 承诺书 i i i iii ii ii ii ii iiiii ii 叶y 1 811210 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注 和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 f 扫描等复制手段保存、汇唰学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：圣叁 日 期：兰生：! ：! 星 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 伺服系统在工业控制和家用电器等领域的应用越来越广泛。永磁同步电机由于其优越的控 制性能，从而越来越多地应用到交流伺服控制领域。基于d s p 全数字永磁同步交流伺服系统已 经成为伺服控制系统发展的趋势。 首先，本文介绍伺服系统的发展背景、研究现状以及发展趋势。在d q 0 坐标系下建立永磁 同步电机的数学模型，分析空间矢量脉宽调制原理及其具体实现方法。 其次，介绍整个伺服系统的传递函数模型，以及针对电流、速度和位置三环所进行的设计 和动静态性能的分析，并在m a t l a b s i m u l i n k 下进行仿真验证。速度环调节采用滑模变结 构p i 控制，提高了系统的动态响应性能，抗干扰能力增强。应用增量式光电编码器完成了电机 初始定位，可实现无抖动、启动运行平滑的效果。同时运用锁相环原理完成了永磁同步电机在 超低速下的速度检测。 最后，介绍了系统软硬件设计和实现方法。对系统进行调试，给出了主要实验波形。实验 结果验证了上述理论和仿真分析的正确性，系统具有良好的动静态特性，并为进一步深入研究 该伺服系统奠定了基础。 关键词：永磁同步电机，空间电压矢量，滑模变结构，d s p ，锁相环 m a t h e m a t i c a lm o d e lo fp m s mu n d e rd q oc o o r d i n a t e si sf o u n d e d a n a l y s e so fs p a c ev e c t o rp u l s e w i d t hm o d u l a t i o na n di t ss p e c i f i cr e a l i z a t i o nm e t h o d s e c o n d , d e s c r i b e st h et r a n s f e rf u n c t i o nm o d e l so fs e r v os y s t e m a sw e l la sc u r r e n t ，v e l o c i t ya n d p o s i t i o na r ed e s i g n e db yc l o s e d - l o o p ，a n a l y s e do fs t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a n ds i m u l a t e d i n m a t l a b s i m u l i n i cf o rt h es p e e dl o o pu s e ss l i d i n gv a r i a b l es t r u c t u r ep ic o n t r o lt oi m p r o v et h e d y n a m i cr e s p o n s eo ft h es y s t e m a n de n h a n c ea n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t y a p p l y i n c r e m e n t a l p h o t o e l e c t r i ce n c o d c rt od e t e c t et h ei n i t i a lp o s i t i o no ft h em o t o r i tc a nb ea c h i e v e dw i t h o u tj i t t e r , s t a r t t or u ns m o o t h l y a p p l yt h ep r i n c i p l eo fp h a s e l o c k e dl o o pt os p e e dd e t e c t i o no fp m s mu n d e rt h e u l t r a - l o w s p e e d l a s t l y , t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o nm e t h o d so nt h ew h o l es e r v os y s t e m sh a r d w a r ea n ds o r w a r e a r ei n t r o d u c e d r e s u l t so b t a i n e db yd e b u g g i n gt h es y s t e mi n d i c a t et h a tt h es y s t e mc a na c h i e v eg o o d d y n a m i ca n ds t a t i cd r i v ep e r f o r m a n c e t h er e s u l t sn o to n l yc o n f n mt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r ya n d s i m u l a t i o na n a l y s i s ，b u ta l s oa r eb e n e f i c i a lt of u r t h e rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n k e yw o r d 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 a c ev o l t a g ev e c t o r , s l i d i n gv a r i a b l es t r u c t u r e ， d s p , p l l i i 产? 鲁 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 交流伺服电机1 1 2 交流伺服系统各部分的发展一1 l - 3 国内外交流伺服系统研究现状3 1 4 交流伺服系统的发展方向4 1 5 课题的研究意义和本文的研究内容5 1 5 1 课题的研究意义。5 1 5 2 本文的研究内容一6 第二章永磁同步电机的数学模型和空间电压矢量脉宽调制7 2 1 引言7 2 2 永磁同步电机的数学模型。7 2 2 1p m s m 的基本方程。7 2 2 2 坐标变换一8 2 2 3p m s m 在a q o 坐标系下的数学模型1 0 2 3 永磁同步电机的矢量控制技术和控制策略1 l 2 3 1 矢量控制技术1 l 2 3 2p m s m 的矢量控制策略11 2 4 空间电压矢量脉宽调制1 2 2 4 1 电压矢量和磁链矢量的关系1 3 2 4 2 基本空间电压矢量1 3 2 4 3s ) w m 调制原理1 5 2 4 4s v p w m 与s p w m 比较1 8 2 5 本章小结1 8 第三章永磁同步伺服系统的设计与仿真。2 0 3 1 引言2 0 3 2 永磁同步伺服系统的频域模型2 0 3 2 1 电流环模型2 0 3 2 2 速度环模型2 2 3 2 3 位置环模型2 3 i i i 基于d s p 2 8 1 2 的永磁同步伺服系统的研究 3 3 永磁同步电机矢量控制系统的仿真2 4 3 3 1 速度环的仿真2 4 3 3 2 位置环的仿真2 5 3 4 滑模变结构基本原理2 6 3 4 1 滑模变结构基本原理2 6 3 4 2p m s m 伺服系统速度环的滑模变结构p i 设计2 8 3 4 3 系统仿真结果3 0 3 5本章小结3 1 第四章永磁同步伺服系统硬件设计3 3 4 1 引言3 3 4 2 伺服系统的硬件框图3 3 4 3 主功率电路3 4 4 4d s p 主控单元3 4 4 4 1d s p 2 8 1 2 芯片。3 4 4 - 4 - 2 开发环境简介3 5 4 4 3 运算控制单元3 6 4 5 采样调理电路3 8 4 5 1 电压采样调理电路3 8 4 5 2 电流采样调理电路3 8 4 5 3 光电码盘信号调理电路3 9 4 6 保护电路一3 9 4 6 1d m 功率保护电路3 9 4 6 2 母线电压保护4 0 4 7 辅助电源4 0 4 8本章小结4 l 第五章永磁同步伺服系统软件设计4 2 5 1引言4 2 5 2系统软件总体结构4 2 5 3转子初始定位4 3 5 3 1 初始定位原理4 3 5 2 2 初始定位过程4 4 5 2 3z 信号在初始定位中的影响4 5 5 4 角度计算4 6 i 、j 南京航空航天大学硕士学位论文 5 5 锁相环测速4 6 5 5 1 常用速度检测方法4 6 5 5 2 锁相环测速4 7 5 5 3 误差分析4 8 5 6 本章小结4 9 第六章实验结果及分析。5 0 6 1 引言5 0 6 2 测试：平台。5 0 6 3 速度环实验5 l 6 3 1 空载速度阶跃响应实验。5l 6 3 2 负载速度阶跃响应实验。5 2 6 3 3 正反转运行实验。5 2 6 3 4 突加突卸负载实验5 3 6 3 5 基于锁相环低速实验5 3 6 4位置环实验5 4 6 5 初始定位实验5 5 6 6 本章小结5 5 第七章总结与展望。5 6 7 1 工作总结5 6 7 2 后续工作和展望5 6 参考文献5 7 j 8 | 谢6 1 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 2 附录6 3 v 基于d s p 2 8 1 2 的永磁同步伺服系统的研究 图表清单 图2 1 三相永磁同步电机示意图7 图2 2 各坐标系之间的关系图9 图2 3 永磁同步电机在! 兰竺坐标系下的等效模型1 0 图2 4 永磁同步电机矢量控制系统框图1 2 图2 5 电压空间矢量1 3 图2 6 三相逆变桥电路。1 4 图2 7 基本空间电压矢量1 4 图2 8 电压空间矢量的线形组合1 5 图2 9 第3 扇区的七段式p w i v i 波形。1 7 图3 1 电流环动态结构图2 0 图3 2 简化后的电流环动态结构图。2 l 图3 3 电流环i 型系统的动态结构图2 l 图3 4 速度环的动态结构图2 2 图3 5 理想空载的速度环动态结构图2 3 图3 6 速度环i i 型系统的动态结构图2 3 图3 7 位置环动态结构图2 3 图3 8 交流永磁同步电机伺服系统矢量控制仿真结构图2 4 图3 9 系统突加额定负载时的仿真波形。2 5 图3 1 0 系统位置环的仿真波形2 6 图3 1 l 二阶系统的状态轨迹2 7 图3 1 2 速度环滑模变结构调节器结构图2 9 图3 1 3 滑模变结构p i 控制框图3 0 图3 1 4 滑模变结构p i 控制3 0 图3 1 5p i 控制3l 图3 1 6 滑模变结构p i 控制3 1 图3 1 7p i 控制3 1 图4 1 系统硬件总体框图3 3 图4 2d s p 2 8 1 2 数字信号控制器结构图3 5 图4 3d s p 2 81 2 数字控制器最小系统3 6 v l 一 ) 一 ( 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 4d s p 供电电路3 7 图4 5d s p 时钟电路3 7 图4 6d s pj t a g 电路3 7 图4 7 母线电压采集调理3 8 图4 8 相电流采集调理。3 9 图4 9 光电码盘的a 、b 、z 信号和整形电路3 9 图4 1 0 口m 功率保护电路4 0 图4 1 1 母线电压保护4 0 图5 1 主程序流程图4 2 图5 2 定时器t l 下溢中断服务子程序流程图。4 3 图5 3s v p w m 子程序流程图4 3 图5 4 初始定位流程图4 5 图5 5t 2 c n t 的计数方式4 6 图5 6 软件锁相环示意图4 7 图5 7 带低通滤波器的锁相环测速原理图4 8 图6 1 伺服系统测试平台5 0 图6 2 测功机结构图5l 图6 3 电涡流测功机实物图5l 图6 4 转速转矩测试仪实物图5 1 图6 5p i 控制5 2 图6 6 滑模变结构p i 控制5 2 图6 7p i 控制5 2 图6 8 滑模变结构p i 控制5 2 图6 9 空载正反转。5 3 图6 1 0 负载正反转5 3 图6 1 l 加载实验5 3 图6 1 2 减载实验5 3 图6 1 3 锁相环低速实验5 4 图6 1 4 位置环实验。5 4 图6 1 5 初始定位实验。5 5 表2 1 相邻基本空间电压矢量作用时间16 表4 1l v 2 8 p 的主要参数3 8 i 基于d s p 2 8 1 2 的永磁同步伺服系统的研究 母线电压采样3 8 l a h 2 5 - n p 的主要参数3 8 表4 4 母线电压保护4 0 表4 5 保护逻辑4 0 表6 1 永磁同步电机主要参数5 0 表6 2 定位过程。5 5 v i j l o 南京航空航天大学硕士学位论文 一、缩略词与名称 基本缩略词 名称 p m s m 永磁同步电机 d s p 数字信号处理器 a s r速度调节器 s v p w m 空间矢量脉宽调制 二、基本符号与名称 基本符号名称 e 反电势 j 电流幅值 稚 电压瞬时值 工 电感 x 电抗 妒 磁链 r 转矩 ( ， 角频率 护 角度 t 时间 三、主要下标符号及意义 下标符号 彳、曰、c ， 以 意义 三相 负载 速度 注释表 基本缩略词 b l d c a c r a p r p m 基本符号 p l r m f 圣 j t v p k 下标符号 f d b 阿 p u l s e 名称 无刷直流电机 电流调节器 位置调节器 智能功率模块 名称 电机极对数 电流瞬时值 电阻 互感 磁势 磁通量 机械转动惯量 匝数 微分算子 系数 意义 反馈值 给定值 位置 基于d s p 2 8 1 2 的永磁同步伺服系统的研究 x j t ， l 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 交流伺服电机 在交流伺服传动领域，伺服系统执行元件有三种主要形式，分别是感应电动机、无刷直流 电动机( b l d c ) 和永磁同步电动机( p m s m ) 。 永磁同步电动机与感应电动机相比较，具有以下特点：转子没有损耗，具有更高的效率： 电机体积较小；由永磁材料产生气隙磁通，功率因素较高；在同样输出功率下，所需整流器和 逆变器容量较小；电机具有较小的转动惯量，快速响应能力好；性价比高；低速性能好。而在 感应电动机中，转子电流产生磁通( 对应于励磁磁通) 的大小是变化的，且不和定子产生的磁 场正交，与定子磁场的相位关系和电机的负载有关。因此，感应电动机的矢量控制比较复杂。 而永磁同步电动机的励磁磁通是由永磁体产生，其大小不变。在矢量控制情况下，励磁磁场和 电枢电流有着固定的相位关系，因而控制比较简单。 永磁同步电动机与无刷直流电动机相比较，b l d c 具有控制简单、成本低、检测装置简单 等优点。但基于其原理上的固有缺陷，b l d c 存在转矩脉动较大、铁心附加损耗大的缺点，从 而限制了由b l d c 构成的伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合的应用。p m s m 具有 比b l d c 伺服电动机更为优越的性能，尤其是在低速或直接驱动场合。加之永磁材料技术及控 制技术等的飞速发展，p m s m 性价比得到了进一步的提高，使得以p m s m 作为执行元件构成 的交流伺服系统，逐步成为现代伺服驱动系统的主流( 主要是中小容量高性能伺服驱动领域) 。 因此，在高精度、宽调速范围的伺服驱动应用中，永磁同步电机所构成的伺服系统正在发 挥着重要的作用。伴随着各相关技术的发展，交流永磁同步电机伺服系统将会开拓更为广泛的 应用领域，能够实现高速、高精度、高稳定度、快速响应、高效节能的运动控制n 。1 。 1 2 交流伺服系统各部分的发展 在变频电源出现以前，中小功率的调速系统中很少采用同步电动机。这主要是因为同步电 动机不能在电网电压下自行起动，静止的转子磁极在旋转磁场的作用下，平均转矩为零。尽管 知道变频电源可以解决同步电动机的起动和调速，但在2 0 世纪7 0 年代以前，变频电源是无法 得到的装置，实现同步电动机调速系统的工业应用是极其困难的。科学技术的发展改变了上述 的情况，从而推动了的发展与应用，主要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 高性能永磁材料的发展哺1 ： 永磁材料现有铝镍钴、铁氧体和稀土永磁体三大类。其中稀土永磁铁又分为第一代钐钴l ： 5 ，第二代钐钴2 ：1 7 和第三代钕铁硼。 的研究 价格较高。8 0 年代初出现了钕铁硼稀土永磁材料，它有较高的剩磁矫顽力和磁能积，这些特点 特别适合在电机中使用。当时的不足是温度系数大，居里点低，容易氧化生锈而需要涂覆处理。 近年来经过不断的改进提高，钕铁硼永磁材料的最高工作温度已可达到1 8 0 度，一般也可以到 1 5 0 度，已足以满足绝大多数电机的使用要求。 在同步电机中使用永磁体的好处是简化了结构，消除了转子的滑环、电刷、实现了无刷结 构，缩小了转子体积，同时由于省去了励磁直流电源，也消除了励磁损耗和发热。绝大多数中 小功率的同步电动机已采用永磁式结构。 ( 2 ) 电力电子技术的发展m 1 ： 电力电子技术是弱电与被控强电之间的桥梁和功率变换的接口。自1 9 5 8 年世界上第一个功 率半导体开关晶闸管发明以来，电力电子元件已经历了第一代半控式晶闸管，第二代有自关断 能力的半导体器件( 大功率晶体管g t r 、可关断晶闸管g t o 、功率场效应管m o s f e t ) 和第 三代复合型场控器件( 绝缘栅功率品体管i g b t 、静电感应式晶体管s i t 、m o s 控制的晶体管 m c t 等) ，直至9 0 年代出现的第四代功率集成电路口m 。半导体开关器件性能不断提高，容量 迅速增大，成本大大降低，控制电路日趋完善，极大的推动了各类电机控制的发展。7 0 年代出 现了通用变频器的系列产品，可将工频电源转换为频率连续可调的变频电源，这就为包括永磁 同步电动机在内的交流电机的变频调速创造了条件。 对于目前的永磁同步电动机，高性能电力半导体开关器件组成的逆变器电路是其控制系统 必不可少的功率环节。因此严格的讲，永磁同步伺服系统是一个电动机控制系统，属于自控式 变频同步电动机调速系统。 ( 3 ) 微处理器和计算机技术的发展 微处理器和计算机技术不仅是高新电子信息产业的核心，同时也为传统产业的创新提供了 物质基础。它们的飞速发展有力地促进了电机控制技术的发展。最初的电机控制系统大都是采 用分立元件的模拟电路，体积大、可靠性低、抗干扰能力差、成本高。而采用微处理器和专用 集成电路，实现了数字控制，提高了可靠性和抗干扰能力，同时也使得各种复杂控制方法的应 用成为可能。 数字信号处理器( d s p ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 在电机控制系统中的应用就是这种 发展的成果，也反映了今后发展的趋势。与单片机相比，d s p 具有较高的集成度，运算速度快， 存储器容量大。它采用哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，程序总线和数据总线分离，同 时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取指、译码、操作采取多级流水线， 2 、 j 南京航空航天大学硕士学位论文 可以方便地实现多次修改，而且集成度非常大，一片含有几万、几十万个等效门，所以单片就 可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路，从而简化系统的设计， 提高系统的可靠性。 计算机技术的发展，使得运动控制系统的网络化、信息化和绿色化成为了可能。借助于信 息网络技术，电机控制系统也将不只是一个孤立的系统，可以和其他相关系统一起规划和设计， 实现系统整体控制的优化。 1 3国内外交流伺服系统研究现状 交流伺服控制系统的研究国外开始于7 0 年代，8 0 年代进入实用阶段，n 9 0 年代技术趋于成 熟。国外一些著名的公司，如日本的安川、富士通、松下、美国的a b b 公司、科尔摩根公司、 德国的西门子公司、韩国的三星公司等不断推出交流伺服驱动产品。高端伺服驱动市场几乎是 外国公司一统天下的局面睁川。 我国从7 0 年代开始跟踪开发交流伺服技术，主要研究力量集中在高等院校和科研单位，以 军工、宇航卫星为主要应用方向，不考虑成本因素，主要研究机构是北京机床所、西安微电机 研究所、中科院沈阳自动化所等。9 0 年代之后开始进入工业领域，直到2 0 0 0 年，国产伺服仍停 留在小批量、高价格、应用面狭窄的状态，技术水平和可靠性难以满足工业需要。2 0 0 0 年之后， 随着中国变成世界工厂、制造业的快速发展为交流伺服提供了越来越大的市场空间，国内单位 开始推出自己品牌的交流伺服产品。目前国内主要的伺服品牌或厂家有和利时电机、华中数控、 广数、南京埃斯顿、兰州电机厂等。其中华中数控、广数等主要集中在数控机床领域。 艾尔默( e l m o ) 公司最新的微型数字伺服驱动器w h i s t l e 系列。这些火柴盒大小的驱动器尺 寸虽仅为：5 e m x 4 6 c m 1 5 c m ，但却能提供5 0 0 w 的连续功率( 或1 0 0 0 w 的峰值功率) ，为当 今市场上最高功率密度与智能的伺服驱动器。相对应的，国内只有和利时电机公司推出了类似 的智能数字伺服控制器：蜂鸟系列，该驱动器接受2 4 v 4 8 v d c 输入，可以提供2 5 0 w 的连续功 率( n s o o w 的峰值功率) ，尺寸为l o c m x 8 c m x 2 c m ，功率密度和w h i s t l e 相比有差距。 施奈德电气( s c h n e i d e re l e c t r i c ) 的智能、集成电机与控制器产品( i c l a ) 主要有以下三个 电机版本：步进电机、永磁同步电机与无刷直流电机。i d a ( 来源于“集成、闭环、执行器”的 首字母缩写) 将电机、位置控制、功率电子与反馈集成在一个紧凑单元中。这种一体化设计的 思路在美国的a n i m a t i c s 等公司身上也体现得很明显，来自德国的a m k 公司也有类似的产品。这 是真正的机电一体化产品，为设计者带来了一系列的工程挑战，包括电磁兼容、热控制、元器 件小型化、特殊的结构设计等。而在国内，还没有厂商推出具有自主知识产权的产品。 包米勒( b a u m u l l e r ) 公司提供的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机，拥有高达9 8 的效率和很低的噪音。直接驱动型高力矩伺服电机，可以在1 0 0 - - 一3 0 0 r p m 范围内输出1 3 5 0 0 n m 。 在国内，和利时电机公司在其海豚系列低压无刷伺服电机系列中提供了类似的带集成行星齿轮 3 基于d s p 2 8 1 2 的永磁同步伺服系统的研究 减速器的产品，深圳步进公司也可以提供带减速器的步进伺服电机。在直接驱动力矩电机市场， 成都精密电机厂可以提供定制化的电机组件，但是需要客户另外加装反馈装置和第三方驱动器。 艾默生控制技术( e m e r s o nc o n t r o lt e c h n i q u e s ) 公司的u m d r i v e 驱动器覆盖功率范围从0 5 5 6 7 5 k w ，变换不同的控制软件可以驱动异步电机、永磁同步伺服电机和无刷直流电机。额定输 出功率为0 2 5 - - - 1 1 k w 的可变速度驱动器( v s d ) ，适合在潜在爆燃性气体中工作；而额定输出 功率为0 5 5 - - - 4 0 0 k w 的f l s d 驱动器，则能在i i b 类或c 区1 类2 分类气体中工作。相对应的，国 内伺服驱动器厂商的产品功率范围多在1 0 k w 以下，而且没有特殊防护等级的商品化产品面世。 这方面国内外的差距很大，也是未来国内伺服厂商差异化竞争的方向。 1 4 交流伺服系统的发展方向 ( 1 ) 全数字化控制 高速的微处理器和数字信号处理器为伺服系统的全数字化奠定了基础。微电子器件集成度 越来越高，将更多的外设封装在一起，开发周期更短。在整个系统设计中，软件尽可能地取代 了硬件的工作，所有控制调节器由软件完成，直接输出逻辑电平型的脉宽调制( p w m ) 信号来 驱动功率器件。因此相同的硬件可以针对不同的对象进行控制，数字电路温漂小、参数影响小、 稳定性高。 ( 2 ) 现代控制理论的引入n 2 侧 交流电机矢量控制技术的提出，明显改善了它的调速性能。然而，传统的矢量控制技术依 赖于电动机的模型和参数，而模型和参数在电动机运行过程中是变化的，这就使得电机的矢量 控制无法达到理论上的性能指标，满足不了现代伺服驱动系统的应用要求。现代控制理论的各 种技术能够使系统在模型或者参数变化时保持良好的控制性能。 自适应控制技术是指在一定的数学模型确定的算法下可以在系统运行情况变更时辨识系统 有关参数，修改系统运行程序，从而改善系统在控制对象和运行条件发生变化时的控制性能。 仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够在系统参数发生变化的情况下保持良好的控制性能。 但是，该控制算法计算量较大，需要高速数据处理器。 滑模变结构控制是调整反馈控制系统的结构，使它的状态向量通过开关平面时发生变化， 系统的状态向量被约束在开关面的领域内滑动。系统的动态品质由开关面的参数决定，与系统 的参数、扰动无关，具有很好的鲁棒控制性，在永磁同步电动机调速系统有成功的应用。但是 它本质上是一种开关控制，在系统中不可避免会带来抖动，因而影响了它的应用。 电动机在运行过程中其参数是变化的，通过自适应观测器、卡尔曼滤波器、龙贝格观测器 等辨识技术对系统进行控制，也能提高电动机系统控制的性能与可靠性。 随着人工智能技术的发展，智能控制已经成为现代控制的重要分支，智能化电气传动控制 也成为目前电气传动的重要发展方向，开辟了电气传动技术新纪元。人工智能的专家系统、模 4 南京航空航天大学硕士学位论文 糊控制、神经网络等在电动机传动系统中的应用与研究已经取得了可喜成果。 ( 3 ) 无速度传感器技术防3 ” 高性能的交流伺服系统都需要实现转速的闭环控制，所需的转速反馈信号来自与电机转轴 同轴相连的速度传感器。目前广泛使用的有光电编码器和旋转变压器。光电编码器是一种通过 光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，由光栅盘和光电检测装 置组成。旋转变压器由定子铁心与线圈，转子铁心与线圈以及转子输出变压器组成，它所配用 的r d ( 旋转变压器轴角数字转换器) 检测转子两个绕组输出电压振幅比，从而求得旋转变 压器的转子角位置和速度。高精度速度传感器的安装，增加了对系统的维护要求，不仅成本增 加，而且对环境的适应能力变差，使应用场合受到一定的限制。因此无速度传感器技术成为了 伺服系统中一个研究的热点问题。目前，取得电机转速的方法有：利用电机的谐波电势求得转 速：利用电机数学模型或电机的电磁特性构造出电机转子位置的估算方法；利用自适应控制理 论，选择合适的参考与可调模型，借助于自适应算法辨识电机的转速等。 ( 4 ) 网络化 将现场总线和工业以太网技术、甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中，已经成为欧洲 和美国厂商的常用做法。现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点就是如何 适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性、同步性的要求。随着国内对大规模分布式控 制装置的需求上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急。 ( 5 ) 从故障诊断到预测性维护 随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术( 问题发生的时候判断原因并 采取措施避免故障扩大化) 已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通过 i n t e r n e t 及时了解重要技术参数的动态趋势，并采取预防性措施。比如：关注电流的升高，负载 变化时评估尖峰电流，外壳或铁芯温度升高时监视温度传感器，以及对电流波形发生的任何畸 变保持警惕。 1 5 课题的研究意义和本文的研究内容 1 5 1 课题的研究意义 高性能交流伺服系统对控制策略的要求可以概括为：系统具有快速的动态响应和高的动静 态精度，而且对参数的变化和外部扰动具有不敏感性。针对这点要求，本系统速度环采用滑模 变结构p i 控制，在既能满足系统快速响应的同时减小超调，抗干扰能力增强。为实现伺服系统 的精确控制，需要准确检测出电机转子的位置，以实现磁场定向和速度控制。本文应用增量式 光电编码器完成了电机初始定位，可实现无抖动、启动运行平滑的效果。在高性能交流伺服应 用领域，调速比一般都在l ：5 0 0 0 甚至l ：1 0 0 0 0 以上，经常要求电机平稳运行在低速甚至超低 5 基于d s p 2 8 1 2 的永磁同步伺服系统的研究 速下而不出现抖动、爬行等现象。因此研究电机在低速乃至超低速下的转速检测和控制问题具 有重要意义。本文运用锁相环原理完成了永磁同步电机在超低速下的高精度检测。 1 5 2 本文的研究内容 本文在吸取和借鉴国内外研究成果的基础上，针对永磁同步伺服系统的要求展开。本系统 基于空间矢量控制原理( s 、伊w m ) ，采用d s p + c p l d 的控制结构。主要内容安排如下： 第一章：介绍伺服系统的发展背景、研究现状、发展趋势以及本文研究的主要内容。 第二章：在由0 坐标系下建立永磁同步电机的数学模型，分析空间矢量脉宽调制原理及其 实现方法。 第三章：主要介绍了整个伺服系统的传递函数模型，以及针对电流、速度和位置三闭环所 进行的设计和动静态性能的分析。速度环采用滑模变结构p i 控制，提高了系统的动态响应性能， 抗干扰能力增强，并在m a = i i 。a b s 讧u l 姗【下进行仿真验证。 第四章：介绍系统硬件实验平台的研制，论述主要由d s p + c p l d 组成的控制单元，主功率 电路和调理保护电路的设计。 第五章：介绍系统的软件设计，给出总体软件框图，并阐述电机初始定位、锁相环测速等 子程序。 第六章：给出系统的部分实验波形，对实验结果进行分析。 第七章：总结本文的主要工作，并对下一步的工作进行展望。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章永磁同步电机的数学模型和空间电压矢量脉宽调制 2 1引言 永磁同步电机是交流伺服系统的执行机构。由永磁同步电机的电磁关系可知，对于这样一 个高阶、非线性、强耦合的多变量系统直接进行分析求解是极其复杂的。为了方便研究和分析 需要建立一个合适的永磁同步电机动态数学模型。本章通过坐标变换的方法，模拟直流电机进 行解耦控制，使永磁同步电动机的控制性能达到了和直流电动机相媲美的水平n 引。 空间电压矢量脉宽调制( s ，w m ) 实际上是对应于永磁同步电机三相电压逆变器的一种 特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合。这种开关触发顺序和组合将在电机定子线圈中产生三 相对称的波形失真较小的正弦波电流。随着微处理器的发展，空间电压矢量脉宽调制方法已经 成为电机控制中广泛应用的调制技术。它具有易数字化实现，直流电压利用率高，谐波含量低 等显著优点口 明。 2 2 永磁同步电机的数学模型 2 2 1p m s m 的基本方程 永磁同步电机的定子有a 、b 、c 三相对称绕组，转子上安装有永磁体，定子和转子通过 气隙磁场存在电磁耦合关系。为了简化永磁同步电机的数学模型，做如下假设1 ： ( 1 ) 忽略磁路饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗，认为磁路是线性的； ( 2 ) 定子绕组三相对称，各相绕组的轴线在空间上互差1 2 0 。电角度； ( 3 ) 相绕组中感应磁通势波形为正弦； ( 4 ) 转子上