（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的全数字传动系统研究与开发.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 abs tract t h e d i s s e rt a t i o n p r e s e n t s a s c h e m e o f f u l l d i g i t a l a c d r i v e r s y s t e m b a s e d o n d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) . i t s m a i n c o n t e n t i s a s f o l l o w s . f r o m t h e p o i n t o f m o t o r u n i q u e c o n t r o l t h e o r y , t h e e s s e n c e a n d t h e k e y o f t h e m o t o r c o n t r o l a r e r e v e a l e d , a n d a n u n i q u e t o r q u e c o n t r o l m o d e l i s e s t a b l i s h e d . t h e p r i n c i p l e a n d i m p l e m e n t a t i o n o f t h e a c f i e l d - o r i e n t e d c o n t r o l a r e a n a l y z e d t o o b t a i n a t h e o ry f o r s c h e m e o f a c d i g i t a l u n i q u e c o n t r o l . b a s e d o n t h e d e s i g n p r i n c i p l e - o f s t a n d a r d i z a t i o n a n d u n i o n , a s c h e m e o f f u l l d ig i t a l a c d r iv e r s y s t e m b a s e d o n d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) i s s t u d i e d a n d a c h i e v e d . a s t u d y p l a t f o r m w i t h p l e n t i f u l h a r d w a r e a n d s o ft w a r e h a s b e e n d e v e l o p e d . s o m e s p e c i a l p r o b l e m s i n d ig i t a l c o n t r o l a n d t h e f a c t o r s i n f l u e n c i n g t h e c o n t r o l p e r f o r m a n c e a r e f u l l y d i s c u s s e d i n t h e d i s s e r t a t i o n . a n i m p r o v e d s i n u s o i d t a b l e a n d a d i g i t a l c o m p e n s a t i o n m e t h o d o f c u r r e n t f l o a t a r e p r e s e n t e d a n d h a v e b e e n a p p l i e d i n a d i g i t a l s e r v o s y s t e m o f c a r v i n g m a c h i n e w i t h d e s i r e d p e r f o r m a n c e s o b t a i n e d . n o r m a l i z e i s u s e d i n s t u d y i n o r d e r t o s i m p l i f y t h e c a l c u l a t i o n a n d m o d i f i c a t i o n o f p a r a m e t e r s a n d t o g e t h i g h e r c a l c u l a t i o n s p e e d a n d c o n t r o l p r e c i s i o n . t h e k e y o f t h e f u l l d i g i t a l p wm s p e e d r e g u l a t i o n s y s t e m i s h o w t o o b t a i n t h e p w m s i g n a ls o n - l i n e . n o r m a l l y t h e r e a r e t w o a l g o r i t h m s o f p wm w a v e , i .e . t h e t r a d i t i o n a l s p w m m e t h o d a n d t h e l a t e s t s v p wm m e t h o d . t h e s e t w o m e t h o d s h a v e b e e n a n a l y z e d a n d c o m p a r e d i n t h e p a p e r . t h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e s p w m i s s u p e r i o r t o t h e p w m i n m a n y r e s p e c t s , s u c h a s t h e c u r r e n t h a r m o n i c w a s t a g e a n d d c v o lt a g e u s a g e . a l s o t h e d e a d - b a n d i s p r o g r a m m a b l e p r o v i d e d u s i n g d s p t o i m p l e m e n t t h e s p wm. b a s e d o n t h e p l a t f o r m w e d e v e l o p e d , t h e d i g i t a l s e rv o s y s t e m i s d e s i g n e d b y m e a n s o f t h e p r o j e c t s c h e m e . t h e d e s i g n m e a n s a r e p r o v e d b y t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s . i n o r d e r t o s i m p l i f y t h e p r e s e tt i n g a n d m o d i f i c a t i o n o f p a r a m e t e r s o f d i ff e r e n t c o n t r o l o b j e c t s , t w o c o m m u n i c a t io n s y s t e m s h a v e b e e n d e v e lo p e d ; o n e is f o r p c , t h e o t h e r f o r o p e r a t in g p a n e l . t h e y m a k e t h e s y s t e m m o r e c o n v e n i e n t t o m o n i t o r a n d u s e . r e c e n t l y m a n y s c h o l a r s a r e e n g a g e d i n t h e s t u d y o f s p e e d - s e n s o r l e s s . t h e k e y i s h o w t o o b t a i n t h e r o t a t e s p e e d o n - l i n e w i t h h i g h p r e c i s i o n a n d s p e e d . t h e d i s s e r t a t i o n a l s o s t u d i e s t h e m o d e l - r e f e r e n c e s e l f - a d a p t i v e m e t h o d , v a r i a b le s t r u c t u r e s l i d e m o d e l ( v s s ) m e t h o d a n d e x t e n d e d k a l m a n f i l t e r m e t h o d . t h e f e a s i b i l i t y o f t h e s e n s o r l e s s d r iv e r s y s t e m b a s e d o n d s p i s p r o v e d . i t p r o v i d e s a f o u n d a t i o n f o r t h e f u r t h e r r e s e a r c h . k e y w o r d s : a c s e r v o v e c t o r s y s t e m d s p f o c f u l l d i g i t a l c o n t r o l s p a c e v o l t a g e s p e e d - s e n s o r l e s s 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章 绪论 1 . 1 引言 在现代的可控电气传动系统中，儿乎无例外地要用电力电子变换器，为传动电机提 供可控的直流或交流电源，并成为用弱电控制强电的媒介。在弱电的控制装置中，也儿 乎都采用微处理器数字控制。因此，微处理器一电力电子变换器一电动机便成为现代可 控电气传动系统的典型构成。 电气传动系统的控制技术将随以 下 三个方面的发展而继续发展 a . 交流伺服电动机; b . 功率半导体变流装置;c . 微处理器及自动控制技术。 本章从数字化控制、电力电子变换、自动控制策略二个方面进行论述，并展望其前 景。 1 . 2 交流伺服系统数字化与微处理器 1 . 2 . 1 交流伺服系统的发展与数字化控制的优点 随着微电子技术的快速发展，各种集成电路芯片不断涌现，芯片的性能不断提高， 使得伺服系统控制器的实现方式也发生了根本改变。从早期的模拟控制发展到后来的数 模混合控制和数字控制，特别是进入八十年代后，因为微电子技术的快速发展，电路的 集成度越来越高 ( 目 前己经达到了 。 . 1 3 u m的水平) ，对伺服系统产生了很重要的影响， 交流伺服系统的控制方式迅速向微机控制方向发展，并由硬件伺服转向软件伺服，智能 化的软件伺服将成为伺服控制的一个发展趋势。 伺服系统控制器的实现方式在数字控制中也在由硬件方式向着软件方式发展:在软 件方式中也是从伺服系统的外环向内环、进而向接近电动机环路的更深层发展。 目前，伺服系统的数字控制大都是采用硬件与软件相结合的控制方式，其中软件控 制方式一般是利用微机实现的。这是因为基于微机实现的数字伺服控制器与模拟伺服控 制器相比，具有下列优点: ( 1 ) 能明显地降低控制器硬件成本。 根据目前微电子技术的发展趋势， 速度更快、 功能更新的新一代微处理机不断涌现， 硬件费用会变得 百 民 便宜。体积小、重 量轻、耗能少是它们的共同优点。 ( 2 ) 可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时间 ( m t b f ) 大大长于分立元件电子电 路。 ( 3 ) 数字电路温度漂移小，也不存在参数的影响，稳定性好。 ( 4 ) 硬件电路易标准化。 在电路集成过程中采用了一些屏蔽措施， 可以避免电力 电子电路中过大的瞬态电流、 电压引起的电磁干扰问题， 因此可靠性比较高。 ( 5 ) 采用微处理机的数字控制， 使信息的双向传递能力大大增强， 容易和上位系 统机联运，可随时改变控制参数。 ( 6 ) 可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路， 其中软件可以模块化设 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法:以满足不同的用途。软件模 块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。 ( 7 ) 提高了信息存贮、 监控、 诊断以及分级控制的能力， 使伺服系统更趋于智能化。 ( 8 ) 随着微机芯片运算速度和存贮器容量的不断提高， 性能优异但算法复杂的控 制策略有了实现的基础; 1 . 2 . 2 微处理器的分类与发展概况 适用 于伺服系统控制的微机可分为微处理器( m i c r o p r o c e s s o r ) 、单片机 ( m i c r o - c o n t r o l l e r ) 和数字信号处理器( d ig i t a l s ig n a l p r o c e s s o r ) 二种。 一般来说， 单片机是面 向控制的， 在片内集成了较多的 1 / 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快1 到2 个数量级， 但1 / o接口 和外围部件较 少， 价格也相对昂贵。为了满足实际需要，微处理器、单片机和数字信号处理器本身也在 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。 伺服系统控制器采用微处理器的数字控制方式，大体经历三个阶段0 5 . 1 8 1 . 第一个阶段，伺服系统的控制器主要采用具有单一数据处理功能的微处理器 ( mi c r o p r o c e s s o r ) . 以i n t e l 公司的芯片为例，i n t e l 公司最早开发成功的微处理器是四位芯片i n t e l 4 0 0 4 , 接着推出了八位微处理器 i n t e 1 8 0 0 8 , 1 9 7 4年研制成功的八位微处理器 i n t e 1 8 0 8 0开始应 用于电力传动控制系统，它曾经是工业控制系统中应用非常广泛的一种微处理器。1 9 7 6 年推的i n t e 1 8 0 8 5 微处理器也是八位， 但集成度和性能已经有了提高; 到了 1 9 7 8 年以后， i n t e l 8 0 8 6 等通用十六位微处理器问 世， 它们在计算速度、 数据处理能力方面有了很大的 提高，具备了一定的快速实时控制能力，由此构成的直流传动系统的性能也得到了比较 大的改善1 1 9 ,2 0 1 ，并且这类十六位微处理器芯片在交流传动系统中的应用也取得了成功。 从此，微处理在电力传动控制系统、特别是在直流传动控制领域中得到了广泛应用。但 是在应用过程中，这种通用型的微处理器在硬件资源上比较馈乏，必须辅以大量的外围 接口电路，才能构成实时控制系统，因而使用不方便，所组成的控制系统体积较大。 在这个时期，微处理器存在处理速度慢、硬件配置不齐备等不足，致使系统数字化 的程度相当有限、控制精度不高。即使在高性能直流伺服系统中，一般也只用微机实现 位置控制器。系统的内环则仍采用模拟控制。它们在高性能交直流传动控制系统中的应 用受到限制。 第二个阶段，伺服系统主要采用单片微型计算机( m i c r o - c o n t r o l l e r ) 和数字信号处理 器( d s p ) , 典型代表是 i n t e l 公司在 1 9 7 6 年推出世界标准的8 0 4 8 ( m c s - 4 8 )单片机，1 9 8 0 年 和 1 9 8 3 年相继推出的m c s - 5 1 系列和m c s - % 系列单片机， 其集成度越来越高， 配置十 分齐全。特别是 m c s - % 系列十六位单片机中取消了累加器，其运算处理速度大幅度提 高， 并且具有丰富的软硬件资源， 较大的提高。 特别是8 0 c 1 % 系列， 它是在 8 0 9 6 b h的 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 基础上发展起来的，它采用c h m o s - 1 1 1 7 _ 艺，使性能又有了很大的提高，其主要特点是 12 1 ,2 2 1 : 消除了累加器的“ 瓶颈” 现象;内 部分频电 路由三分频改为二分频， 最高时钟频 率为 1 6 m h z ; 指令执行速度明显提高， 具有非常快的中断响应速度( 几乎是8 0 9 7 b h的两 倍) ; 有十六种中断矢量和二十八个中断源， 采用低功耗和空闲工作方式。 因此， 更适合 快速的运动控制，并能取得良 好的控制性能。1 9 9 1 年，i n t e l 公司又推出了8 0 c 1 9 6 mc 单片机，同以往的器件相比，它又增加了可直接输入光电码盘信号的端子，可以更方便 地它己充分考虑到实时控制的要求，具备了对系统控制的适应能力。因此，mc s - % 系 列单片机在交、直流传统系统中得到了成功应用，使系统的性能和数字化程度得到了提 高。 采用mc s - % 系列中的8 0 9 7 单片机能够实现直流伺服系统的全数字控制， 并能获得 很高的性能指标。虽然八位和十六位的单片机都得到了广泛的应用，但价格的不断 卜 降 和性能的增强， 使人们更加趋向选择十六位的单片机作为电气传动控制系统的c p u . 1 9 8 5 年和 1 9 8 ， 年， i n t e l公司又分别推出了9 6 系列增强型8 0 9 6 b h以及性能更强的 8 0 c 1 9 6 系列十六位单片机。使芯片在功能和速度提高的同时，可靠性和抗干扰性也有检测出电 动机的位置信号。 由于 8 0 c 1 9 6单片机具有这些显著优点，使之更适合于快速的运动控制。用它对交 流伺服系统进行控制，同时实现位置环和速度环的微机软件控制是完全可行的，并能使 系统获得良 好的性能。但是，应用现有的单片机实现高性能交流伺服系统的全数字控制 是困难的，其主要问题是单片机的运算处理速度仍然满足不了系统对电流控制提出的快 速性要求。因此，目 前应用高性能十六位单片机控制的交流伺服系统基本上仍采用数字 模拟混合控制方式，即位置环和速度环的控制及其旋转坐标变换等由单片机执行其软件 实现，电流环的控制一般由模拟电路完成。 八十年代末九十年代初，为了使交流伺服系统得到响应速度更快、实时性更强的数 字式电流控制，也广泛地采用了数字信号处理器( d s p ) ，如t m s 3 2 0 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u p d 7 7 2 0 系列等等。d s p是一种高速的微处理器， 其最大的特点是运算速度非常快，它比目 前的 1 6 / 3 2位微处理器和单片机的运算速度至 少快一个数量级。因此，具有很强运算处理能力的d s p 能够满足电流环的实时控制的高 要求12 3 1 。当 采用d s p 构成全数字交流伺服系统时， 其所有控制功能可以由 软件实现， 故有利于提高系统的可靠性，降低系统的成本，并且可以采用先进的现代控制策略，获 得更高的控制性能，完成数据存储、故障诊断、故障冗余等功能，使 交流伺服系统更趋 于智能化。 八十年代末期， f a n u c 、 安川公司、 三菱、富士电机等都有了基于d s p实现 的高 性能交流主轴和伺服进给系 统的产品 12 4 - 2 6 1 , d s p 与单片机相比 的不足之处在于d s p 只是一个通用型的运算机器，它最初是作为数字信号和音频信号的高速处理而开发的， 因此作为一般的运动控制器使用时， 通常需要很多的外围硬件电路来支持， 如定时计数器 电路、a / d转换器电路、异步通讯电路以及高速的可编程静态 r a m 和数据存储器等， 而且d s p的指令系统不是面向控制对象和控制过程的，亦即指令执行控制的效率较低， 有时一个简单的外部硬件操作，就需要很多条指令才能实现。但是，这些不足随着新型 d s ?的出现已被逐步克服。 新型d s p不但更快， 而且允许容量更大的程序和数据存贮器， 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 配置了更多的硬件，如计时器、通讯口等。作为全球最大的 d s p生产厂商, t i公司的 t ms 3 2 0 d s p已经从第一代发展到第四代， 主要是在提高速度和精度、 扩大功能和增加容 量上发展。其中的t ms 3 2 0 3 2 d s 寻址可达 1 2 8 k的存贮空间，并提供了串行输入口，增 加了并行输出口，指令功能也更强: 1 9 8 6 年t i 推出的第二代 d s p - - - t ms 3 2 0 c 2 5 指令 周期已达 1 0 0 n s ,具有 3 2 位 a l u和累加器，片内r o m和 r a m容量也大大增加，使用 更为方便: 1 9 8 7 年t i 公司又推出了1 u m c m o s 1 艺的第三代器件t m s 3 2 0 c 3 0 ， 指令周 期达到6 0 n s ，具有3 2 位浮点运算能力，并采用多总线结构，大大缓解了i / o瓶颈问题， 另外该器件具有片内乘法器和3 2 位片内r o m和r a m, 并配备了一定的硬件接口电路: 1 9 8 8 年后， t e x a s 仪器公司还推出t ms 3 2 0 3 0 和t m s 3 2 0 c 3 0 所: t i 公司1 9 9 2 年新推出 的 t ms 3 2 0 c 4 0和其后不久问世的 t ms 3 2 0 c 5 0在不同程度上进一步缩短了指令周期 ( t m s 3 2 0 c 4 0 为4 0 - 5 0 u s , t m s 3 2 0 c 5 0 为3 5 u s ) ，并设置了更为复杂的功能。 总之，芯片上包括越来越多的复杂功能，如:浮点处理，完善的中断结构，提高自 诊断能力，更强的软件功能和 i / o接口能力等。它将为交流伺服系统全数字化控制开辟 一条新途径。 第三个阶段。九十年代的新一代达到具有单片机特点的数字信号处理器1 1 8 - 2 7 1 目前，真正能实现交流伺服系统电流环的数字控制、并能使其获得高性能的微机是 具有单片机特点的d s p 。 其典型的器件有m o t o l o r a 公司的5 6 0 0 0 系列旧 立公司的s h 7 0 0 0 系列、a d公司的a d s p 2 1 0 0 系列和t i 公司的t ms 3 2 0 x 2 4 x系列。 1 9 9 7 年t i 公司推出了面向电 机控制领域的d s p 芯片一一t m s 3 2 0 c 2 4 0 ( f 2 4 0 ) 芯片， 虽然其内核( d s p c o r e ) 可归类于较早的定点d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 x x系列， 但是它所具备 的一些新特性使其在电机数字控制领域具有极大的优势，甚至一度被推为 “ 电机数字控 制中的首选芯片” 。 它和其它厂商推出的一些主要竟争芯片的性能对比见下表。由表可知， t m s 3 2 0 f 2 4 0 一方面具有 d s p固有的优点， 运算速度儿乎是同类竟争产品中最快的， 有助于提高系统性 能; 另一方面它又有着传统单片机固有的优点， 集成了儿乎所有电机控制所需要的外部设 备， 有助于减小系统体积， 降低系统成本。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 表 卜 l : ) l 大半导体生产商面向电机控制的微处理器主要性能一览表 厂家型 号 romr amf l as h 乘法 时间 p w m 通道数 输入捕 获单元 t o位 a/ d 通道 t i tm s 3 2 0 f 2 4 0 05 4 4字 1 6 k字 5 0 n s1 241 6 mo t o r o l a5 6 0 0 5 5k 246it 5 1 2 * 2 4 b i t04 0 n s500 ad a d sp2 100 3 k字2 k字05 0 n s807 s gs - th o rn s on 8 8 c1 6 60 2 k字3 2 k字6 0 0 n s1 61 61 0 i n t e l8 0 2 9 6 s a02 . 5 k字08 0 n s740 hi t a c h is h7 0 3 46 4 k字4 k字0l o o n s2 348 因为f 2 4 0 芯片极高的运算速度( 执行速度达2 0 mi p s ) ， 几乎所有的指令都可在5 0 n s 的单周期内完成，而且f 2 4 0 具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的结构特点， 同时还具有单片电机控制应用方案所需的外设功能o ( f 2 4 0 采用亚 微米c m o s 制造i 艺， 使功耗极低: 此外，还具有儿种降低功耗的省电方式。 ) 如此高的性能可以对非常复杂的 控制算法进行实时运算，如自 适应控制和卡尔曼滤波等。作为系统管理器，d s p必须具 备强大的片内1 / o和其它外设功能. f 2 4 0 片内的事件管理器与其它任何一种d s p 都不同， 面向应用优化的外设单元和高性能d s p内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、 高效的先进控制技术。在该事件管理器中包括特殊的 p wm产生功能，特殊的附加功能 包括可编程的死区功能和空间矢量 p wm状态机，后者可为三相电机在功率晶体管开关 机制中提供了迄今为止最高的功效。 三个独立的向上/ 下计数器， 每一个都有属于它们自 己的比较寄存器， 可以支持产生多达 1 2 路的非对称的和对称的p wm波形。 四路捕获输 入中的两路可以直接连至光电编码器的正交编码脉冲信号。此外片内还集成了两个 1 0 位a / d转换模块及一个串口通讯模块( s c i ) ， 使得由c 2 4 0构成的控制系统具有结构简单， 可靠性高等优点，因而在电机数字控制领域中得到了广泛的应用。 基于微机的伺服系统数字控制也因微机本身性能有限而存在一些问题， 主要表现在: ( i)模拟量离散化时受分辨率的限制会产生量化误差， 从而降低了实际信号的复 现性，影响了 控制精度要减少量化误差则必须增加a / d . d / a变换的位数; ( 2 ) 系统参数、限幅值的实时调整没有模拟控制中方便; ( 3 ) 微处理器的处理速度有限。 因为对于专用的硬件控制， 信号处理是同步进行 的，延迟时间可以忽略不计。而微处理器处理信号是以串行的方式进行，因 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 而需要较长的时间。要完成儿个任务时，时间以分时方式分配，进一步减慢 了对信号的处理速度， 导致系统的采样周期可能不满足系统控制的实时性要 求，故对伺服控制系统的实时性有一定的限制，在闭环控制中，严重时，这 一延迟甚至可有引起系统不稳定; ( 4 ) 伺服系统的数字化程度和性能受微处理器性能的制约， 如果要求高性能、 高 精度和快速响应，则会使系统价格非常贵。 随着微处理器芯片本身性能的不断提高，以及价格的不断下降，上述的不足将会逐 步得到改善和克服。 毫无疑问，由微机控制的交流伺服系统的性能还会随着微机本身性能的改善不断提 高， 其数字化程度也会逐渐加深。 在微处理器、 单片机和数字信号处理器这三种微机中， d s p以其卓越的速度优势， 使之在交流伺服系统的数字控制中显得尤为突出。 可以预侧， 随着 d s p 价格的降低和性能的完善，它将取代大多数交流伺服系统控制中的模拟电路、 微处理器和单片机，实现交流伺服系统的全数字控制。采用大规模集成电路和微处理器 为主的交流伺服系统全数字化控制，将是未来伺服技术发展的主流。 1 . 3电力电子变换技术 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 技术正领导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 能真正用来控制物质生产。在大功率电力电子装置中，功率器件对整个装置的性能、体 积 、 重 量 和 价 格 的 影 响 非 常 大 12 8 1 。 一 般 来 说 ， 功 率 电 子 学 的 发 展 是 以 功 率 器 件 的 进 步 为标志的。 功率电力电子器件的发 展历程， 可以 分为三个阶段12 9 - 3 2 1 - 第一代电力电子器件的主要特点是门极不可关断。其代表器件是晶闸管，它是一种 相控类型器件。 第二代电力电子器件的主要特点是双极型全控器件。 其代表性器件是g t r , g t o和 s i t . 第三代器件的主要特点是采用 mo s门极控制和集成化。其代表性器件是功率 m o s f e t . i g b t 和i p m 1 3 4 -3 7 1 . 现在， 电力电子技术的发展正处于壮年期， 新的器件和变换技术仍在不断涌现出来。 现代的电力电子变换装置中，p wm 变压变频技术是目 前主要采用的变换器控制技 术，常用的p wm控制技术有: ( 1 )基于正弦波对三角波脉宽调制的s p wm控制; ( 2 )基于消除指定次数谐波的h e p w m控制; ( 3 )基于电流滞环跟踪的c h p w m控制: ( 4 )电 压空间矢量控制( 即磁链轨迹跟踪控制) s v p w m控制。 在以上 4种 p wm 变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第 3 种以输出正弦波电流为控制目 标， 第4 种则以被控电机的算法简单， 因此目前应用最厂 一 。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 4现代传动系统的自 动控制策略3 8 - 4 2 1 交流电气传动控制中比较典型的是定子变压变频控制和绕线型电机转子变压变频控 制。为了取代直流调速，提高控制性能并降低成本，各种变压变频控制策略得到了很大 的发展， 新的控制策略不断涌现，目前， 交流调速系统实用的控制方法主要有以f 四种: 1 . 4 . 1 转速开环恒压频比 控制即4 / f = 常数控制 这是最简单的变压变频控制策略，v / f = 常数控制作为交流电动机最简单的一种控制 方 法， 特别 适用于 通用 变频 器 14 3 1 1 . 4 . 2 基于稳态模型的转速闭环转差频率控制即滑差频率控制 从异步电机稳态模型可以证明，当稳态气隙磁通恒定时，电磁转矩近似与转差频率 c o , 成正比，如果能保持稳态转子全磁链恒定，则转矩准确地与转差频率口 ， 成正比，因 此控制田 ， 就相当于 控制转矩 然而， 滑差频率 控制这种方法只是依据稳态模型的， 仅仅 引入了速度闭环，未能实施对瞬时转矩的闭环控制，还得不到很理想的动态控制性能。 系统性能较v / f = 常数控制没有实质性进展。 1 . 4 . 3 基于动态模型按转子磁链定向的矢r控制 真正实现瞬时转矩控制的方法是磁场定向控制 ( 又称矢量控制) 。它运用现代电机 坐标变换理论，把交流异步电动机等效为直流电机进行控制，此项技术使得交流调速系 统在性能上达到了直流调速系统的水平。目 前矢量控制技术已广泛应用于造纸、纺织、 轧钢、 机床和机器人等领域14 7 ,4 3 1磁场定向 控制的实现方法有两种: 磁通直接反馈型( 也 称直接检测型)和磁通前馈型 ( 也称滑差频率控制型) 。前者是由 b l a s c h k e提出的，由 于实现了磁链的闭环控制，在理论上具有比较好的基本控制特性，然而磁通观测器容易 受到电动机参数变化的影响，尤其是在低速时，一般需要进行电压补偿。目前这种直接 检测型控制方法仍在研究中，实用化尚需时日。实用中较为常见的是滑差频率矢量控制 技术，由于它没有实现直接磁通的闭环控制，无需检测出磁链，因而容易实现，但是其 控制器的设计在某种程度上依赖于电机参数，为了减少控制上对参数的敏感性，已经提 出了很多参数辨识、参数补偿和参数自 适应方案，有些收到了良好的效果。然而在理论 上，矢量控制是否真正解祸，仍是学术界讨论的热点。 1 . 4 . 4 基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制 前节已经指出，直接采用转矩反馈的内环控制可以抑制磁链变化对转矩的影响，近 似地实现转速与磁链解祸，直接转矩控制系统正是突出了这一特色，与此同时，还获得 了转矩的快速动态响应。直接转矩控制( d t c ) 是继矢量控制后的又一种力矩闭环控制方 法。它克服了坐标旋转变换和解祸运算的复杂性，直接对转矩进行控制，与矢量控制相 比， d t c直接着眼于转矩控制， 省掉了解祸控制所需的复杂旋转坐标变换和线性调节器， 另外，d t c采用开关状态表查询方式确定开关状态，使控制结构大为简化。其缺点是， 输出转矩有脉动，特别是低速性能不理想，在低速时，定子电压降对磁通观测影响较严 重， 使系统的低速性能难以保证。 限制了系统的调速范围。 如何提高d t c控制方案的低 速性能是值得深入探讨的理论及实践课题。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 竺 竺 竺 竺 ， 竺 二 二 竺 三 二 竺 竺 巴 竺 竺 竺 竺 巴 竺 竺 竺 竺 竺 竺 竺 竺 竺 1 . 4 . 5同步电机交流传动系统的控制策略 对于同步电机来说，其特点就是转速与电源频率严格同步，因此，其调速方法也只 能有变压变频调速。其控制策略也就是异步电机控制策略的一种特例。在电机轴上安装 一个简单的机构，随时显示转子上磁极的位置，采用它发出的转子位置信号来控制变频 器的换相。 常用的同步电机传动系统的控制策略基本上都是仿照异步电机控制实现的，但应看 到，目前针对同步电机的控制策略研究还不如对异步电机控制的研究那样深入和充分。 1 . 4 . 6无速度传感器矢2控制技术 高动态性能的交流传动系统都需要转速闭环控制，所需要的转速反馈信号来自与电 机同轴的速度传感器。为了获得准确而且可靠的转速信号，速度传感器必须经过精确的 安装和妥善的维护。高精度的速度传感器对系统维护性能和对环境的适应性较差，在条 件不好的工业现场上常常不易做到。因而在应用上受到一定限制。此外，在低速时要获 得准确无干扰的转速信号也并非易事。因此， 取消速度传感器而仍能获得良 好的控制性 能，便成为众所瞩目的研究与开发课题。无速度传感器矢量控制的实现，促进了容易实 现的开环控制和矢量控制动态性能相当的理想调速系统的诞生。目前，己有若干品种的 无速度传感器矢量控制通用变频器问世，但研究工作仍在继续进行。 无速度传感器调速技术的关键在于转速信息的获取，转速估计的精度直接决定了调 速系统的性能 在无速度传感器控制系统中，可以 通过容易测量的定子电压与电流等信 号间接求得转速。常用的方法有: ( 1 ) 利用电机模型推导出转速方程式，从而计算转速: ( 2 ) 利用电机模型计算转差频率，进行补偿; ( 3 ) 根据模型参考自 适应控制理论， 选择合适的参考模型和可调整模型， 利用自 适应 算 法 辨识转 速， 或同 时 辨识w ， 和田 ， ; ( 4 ) 利用其它辨识或估计的方法求得转速: ( 5 ) 利用电机的齿谐波电势计算转速，等等。 具体的 分析表明， 无速度传感器直接矢量控制在电 机运行稳定性方面 优于 无速度传 感器间接矢量控制，因此一般采用直接矢量控制构成无速度传感器调 速系统. 但是， 无论哪一种方法， 都难以 保证很高的精度和很好的低速性能， 要获得很准确 的动态转速更加困难。目 前 无速 度传感器矢量控制研究中 存在的主要问 题在于低速性和 速 度控 制精度问 题由 于 直接矢量 控制中 磁 通参考 值由 定 子端电 压、电 流计算 得到， 因 此降 低低速极限 存在着困 难， 它 源于 低速 磁通观 测器初 始状态的 积分器零 漂处 理时的困 难和低速定子电 阻变化带来的不 便，目 前实用的无速度传感器通用变频器只能实现一般 的 动态性能，调 速范围不过l : 1 0 左右。 拓宽 低速速限 是一个鱼待解决的问 题。 另外， 为 提高速度控制梢度， 二次阻抗的补偿也显得十分重要。总 之此项课题是一个复杂的理 论和实践课题，值得作进一步的探讨。 1 . 5现代控制理论在交流调速系统中的应用 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 . 5 . 1 非线性控制 从本质上看，交流电机是一个非线性多变量系统，应该在非线性控制理论的基础上 研究其控制策略，才能真正揭示问题的本质。 近年来，由于电力电子变频器性能的改善， 更由于 微处理器能力的增强， 因此借助于高速高性能数字信号处理器( d s p ) , 微处理器和 专用集成电路( a s i c ) 的支持，实现较复杂的控制算法已 不成问 题，因此交流电 机的各种 非线性控制策略已成为研究工作者的热门课题。在这方面，已经取得的成果有:非线性 反 馈解祸与 精确线性化控制， 基于 无源性( p a s s iv it y ) 的能量成型( e n e r g y - s h a p i n g ) 非线性控 制， 基于 逐步后推( b a c k - s t e p p i n g ) 设计方法的非 线性控制等等。 虽然在理论上成果累累， 但由于它们的共同基础是己知参数的 龟机模型，参数的变化仍不可避免地要影响控制系 统的鲁棒性，因而至今尚未形成能够取代已有控制系统的实用的新型系统。不过，理论 研究还是有助于认清控制系统的本质的，例如，通过非线性反馈解祸控制的研究，有助 于理解矢量控制和直接转矩控制的本质，并澄清其解藕性质。 1 . 5 . 2 自适应控制 既然电机变化是影响控制系统鲁棒性的主要因素，能够克服参数变化影响的各种自 适应控制便成为研究工作的重要课题。主要的自 适应方法有模型参考自 适应控制和参数 辨识自 校正控制，以及各种非线性自 适应控制。但是，不论哪一种方法，辨识和校正本 身都要有一个过程。对于因温度变化影响电阻变化这类较慢的参数变化来说，还能够起 校正作用:对于因集肤效应引起的电阻变化、因饱和作用产生的电感变化等等，就不一 定来得及产生很好的动态性能了。由于控制响应速度较慢，往往难以满足调速系统的实 时性要求。 1 . 5 . 3 滑模变结构控制 滑模变结构控制也是一种自适应的非线性控制，其主要特点是，根据被调量的偏差 及其导数，有目的地使系统沿着设计好的 “ 滑动模态”的轨迹运动，与被控对象的参数 和扰动无关，因而使系统具有很强的鲁棒性。这种控制策略不需要任何在线辨识，所以 很容易实现。其主要优点在于滑动模态( s m ) 对于任何系统摄动及外部干扰具有 “ 完全自 适应性” ，能够用它解决十分复杂系统的镇定问题，比如在矢量控制系统中应用 s mv s 控制能够提高系统对转子参数变化的鲁棒性，但是它本质上是一种开关控制，在系统中 不可避免地带来 “ 抖动”问题，只能设法削弱抖动，抖动问题的消除是不可能的，这就 限制了它的实际应用。人们提出了众多的抑制抖动的方法，有些在消除抖动的同时也消 除了s mv s 方法的抗摄动性，有些虽能保持其抗摄动性，但控制响应随之变慢，如何有 效地削弱抖动仍是一个难题。 1 . 5 . 4 智能控制 正如前面所述，在经典的和各种近代的控制理论基础上提出的控制策略都有一个共 同的问题，即控制算法依赖于电机的模型，当模型受到参数变化和扰动作用的影响改变 时，如何进行有效的控制，使系统仍能保持优良的动静态性能，便是困扰设计者的一大 课题。近年来受到控制界十分重视的智能控制，由于它能摆脱对控制对象模型的依赖， 便成为研究与应用的热点。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 从上述分析可以看出，对于交流传动的控制策略，还有许多问题尚待研究和开发( 包 括异步电机和同步电机控制) ，现列举如下: ( 1 ) 算法简单但有较高动态性能的新型控制策略; ( 2 ) 能抑制参数变化和扰动的新型非线性控制策略: ( 3 ) 具有智能控制方法的新型电气传动控制策略及其分析与设计理论; ( 4 ) 高动态性能的无速度传感器或位置传感器控制策略: 1 . 6 全文安排及主要内容 随着高性能微处理器的诞生，伺服系统正向小型化、标准化、高性能、智能化方向发 展。 本文对基于面向电机控制的数字信号处理器d s p的全数字交流伺服系统的统一化设 计方法进行了研究。全文主要内容如下: 交流电机数字控制统一设计的理论基础在于电机的统一理论与交流电机的矢量控制 原理。本文第二章从电机统一控制理论出发，揭示电机控制的实质与关键，建立了统一 的转矩控制模型。利用矢量控制方法，探讨统一设计的控制结构和实现方法。 交流电机控制策略的实现是靠各种方法产生的脉宽调制信号。本文第三章对交流控 制系统中常用的两种脉宽调制方法 ( 规则采样法s p wm和空间矢量法s v p wm) 加以介 绍。在谐波性能指标、母线电压利用率及实现方法上进行了理论分析和仿真研究。为交 流电机控制系统p wm策略的选取提供依据。 基于规范化设计、统一化设计原则，本文第四章对数字信号处理器d s p 的资源进行 了深入的应用研究， 设计了基于d s p的交流伺服系统的统一控制的硬件电路。 在对各个 组成部分电路详细介绍的基础上，对 d s p实现死区时间的方法进行了深入的研究。 在分析数字控制特点的基础上，本文第五章从简化数字运算、便于参数修改出发， 对控制变量表达形式及信号处理方式进行了研究，提出了标么值表述方法。在分析影响 控制性能的因素的基础上，提出了局部在