基于DSP的全数字永磁同步电机伺服系统研究_图文

1、广东工业大学硕士学位论文基于DSP的全数字永磁同步电机伺服系统研究姓名：吕健申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：程韬波20080501摘要摘要伺服驱动技术经过了直流伺服装置、直流无刷伺服装置和交流永磁同步伺服驱动装置三个阶段。随着现代制造业规模化生产对加工设备提出了高速度、高精度、高效率的要求，交流永磁同步伺服驱动装置具有高响应、免维护（无炭刷、换向器等磨损元部件）、高可靠性等特点。它采用微处理技术、大功率高性能半导体功率器件技术、电机永磁材料制造工艺和具有较好的性能价格比，不仅在数控机床，机器人，航空航天等领域具有广阔的前景和实用价值，而且正日益进军纺织业，成为未来工业缝纫机

2、实现机电一体化，数字化的重要技术手段之一。本文针对数字化永磁同步电机伺服系统展开研究，全文主要分为四大部分，其主要内容如下：一、建立永磁同步电机伺服控制系统的总体架构，分析了电机的结构及数学模型，阐述了空间矢量脉宽调制（简称）技术的理论基础及其波形的产生机制。二、永磁同步电机伺服系统硬件平台的设计，系统以公司的高性能控制芯片为控制核心，以公司的功率驱动器和只组成了高耐压值、较好稳定性的功率变换和驱动电路。应用增量式光电编码器实现转子位置精确定位，并得到速度反馈值；应用霍尔电流传感器实现电流反馈。系统集成度高，方便实现数字化控制。三、永磁同步电机伺服系统软件平台设计，将整个软件系统进行了模块化设

3、计，这样有利于对整个软件系统进行组织与管理；重点阐述了（空间矢量）算法的实现方案；设计了电流环和速度环的全数字调节器，给出了速度和位置反馈的计算方法。四、在系统软硬件基础上，对伺服系统进行实验调试，实验调试包括对伺服系统进行的建模仿真和实际设计的系统调试两部分，给出仿真和实验波形，对实验结果及在实验过程中出现的问题进行了对比分析和讨论，并给出了解决方案。最后本文总结了整个系统的开发工作，提出了系统需要继续完善的地方，作为后续研究工作的参考。关键词：永磁同步电机；伺服；空间矢量广东工业人学工学硕士学位论文，（），（），），（），；（），、，；，：；独创性声明独创性声明秉承学校严谨的学风与优良的科

4、学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。论文作者签字：健秭叱孑年月；日第一章绪论第二章绪论课题研究背景伺服系统的发展经历了从液压、气动到电气的过程，而电气伺服系统包括伺服电机、反馈装置和控制器。

5、在世纪年代，最早是直流电机作为主要执行部件，在年代以后，交流伺服电机的性价比不断提高，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机【】。控制器的功能是完成伺服系统的闭环控制，包括力矩、速度和位置等。我们通常说的伺服驱动器已经包括了控制器的基本功能和功率放大部分。虽然采用功率步进电机直接驱动的开环伺服系统曾经在年代的所谓经济型数控领域获得广泛使用，但是迅速被交流伺服所取代；进入世纪，交流伺服系统越来越成熟，市场呈现快速多元化发展，国内外众多品牌进入市场竞争。目前交流伺服技术已成为工业自动化的支撑性技术之一。随着电力电子技术及控制理论，微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是

6、智能功率集成模块（）和高速数字信号处理器（）的应用，使交流伺服系统模块化和全数字化的实现成为可能，大大提高了系统的柔性、精度和控制性能。基于的全数字化、高性能的（永磁同步电机）伺服系统已经成为关注和研究的热点。对于发展高性能交流伺服系统来说，由于在一定条件下，作为“硬形式存在的伺服电机、逆变器以相应反馈检测装置等性能的提高受到许多客观因数的制约；而以“软形式”存在的控制策略具有较大的柔性，近年来随着控制理论新的发展，尤其智能控制的兴起和不断成熟，加之计算机技术、微电子技术的迅猛发展，使得基于智能控制的先进控制策略和基于传统控制理论的传统控制策略的“集成”得以实现，并为其实际应用奠定了物质基础【

7、：】。而伺服电机自身是具有一定的非线性、强耦合性及时变性的“系统”，同时伺服对象也存在较强的不确定性和非线性，加之系统运行时受到不同程度的干扰，因此按常规控制策略很难满足高性能伺服系统的控制要求。为此，如何结合控制理论新的发展，引进一些先进的“复合型控制策略”以改进“控制器”性能是当前发展高性能交流伺服系统的一个主要“突破口。广东工业大学学硕十学位论文国内外研究现状及分析伺服系统的相关技术，一直随着用户的需求而不断发展。电动机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化、造就了各种各样的配置。就电动机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等，驱动器可以采用各种功率电子元件，传感

8、和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔元件甚至是无传感器技术，控制技术从采用单片机开始，一直到采用高性能和各种可编程模块，以及现代控制理论的实用化等等【，。在这里我们主要选取国内外一流厂商及其先进的技术来进行对比说明。国外伺服系统发展情况国外的一些大型厂商在交流伺服系统的相关技术研发上面十分重视，它们的水平代表了当前的国际水平。贝加莱（）工业自动化公司推出的驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供到个伺服轴控制，并集成了一个的辅助电源模块，为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护【钔。其他特性包括通过空气，油或水进行冷却的模块化设计

9、，通过一个能量再生系统确保环境的安全性。在国内，我们还没有看到有厂商进行类似的模块式设计，并在产品中融入机器安全概念。艾默生控制技术（）公司展出了及其它交、直流驱动器产品。驱动器覆盖功率范围从，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。额定输出功率为的型集成可变速度电机与可变速度驱动器（），具有闭环矢量与分布式（）两个版本。值得注意的是适合在潜在爆燃性气体中工作的系统（）。而额定输出功率为、一的驱动器，则据称能在类或区类分类气体中工作。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

10、差异化竞争的方向。公司展出了驱动技术。的发展路线图显示，将于年出现的“公共工业协议（）运动应用协议”，有望无第一章绪论缝同步在同一系统中运行的多轴伺服与变频驱动器中。在适合运动控制的工业协议方面，我们还看到的，的，下面的开发的，的，还有久负盛名的已经发展到。这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去。在国内，甚至这样的中低端总线也没有变成伺服驱动器的标准配置，采用高性能实时现场总线的商品化驱动器还没有出现。这一方面是因为我们的伺服基本性能还没有达到相应的水准，另一方面也是因为市场还没有发育到这个程度。可喜的是，我们已经看到一些单位进行了有益的研发实践，一方面消

11、化国外的先进技术，一方面尝试推出自己的总线标准。和利时电机预计在自己的下一代伺服产品中集成多种可选的通讯模块，其中包括、和，还有和利时电机和北航联合开发的（用于多轴同步运动控制的总线），基于蓝牙无线通讯的模块也在研发中。中科院沈阳高档数控研发中心等个别单位也研发了自己的运动控制总线协议。施奈德电气（）这次展出的型伺服控制器具有和变频器一样外形，目标是低成本应用。实际上，利用变频器的批量生产能力推出低端伺服，已经成为一些厂商的竞争手段。该公司旗下的品牌在其展台上随处可见。其智能、集成电机与控制器产品（）主要有以下三个电机版本：步进电机、交流伺服电机与三相无刷直流电机。（来源于“集成、闭环、执行器

12、”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等公司身上也体现得很明显，来自德国的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。在国内，没有见到有厂商推出自主知识产权的产品。包米勒（）公司提供的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机，拥有高达的效率和很低的噪音；直接驱动型高力矩伺服电机，可以在范围内输出】。国内伺服系统发展情况我国在世纪年代初期通过引进、消化、吸收国外先进技术，又在国广东工业人学工学硕：学位论文家“七五”、“八五”、“九五”期间对伺服驱动技术进

13、行重大科技攻关，取得了一定成果。华中科技大学是我国自主创新的伺服驱动技术的发源地之一。“八五”期间，华中科技大学的自控系和电力系分别开始了伺服驱动的研发工作。年，自控系与华中数控合作，共同研制基于单片机的模拟数字混合式（电流环是模拟量）交流伺服驱动和主轴驱动（系），后来又开发了基于的全数字交流伺服驱动装置（）并投入大批量生产。到目前为止已累计生产销售多台，被评为国家攻关重大成果和国家重点新产品。华中科技大学电力系与广州数控、上海开通数控合作，研制的伺服驱动技术也已实现产业化。北京航天数控公司生产的系列全数字伺服控制单元和系列全数字主轴控制单元、北京凯奇数控设备成套有限公司生产的全数字伺服控制单

14、元和全数字主轴控制单元及电机也已经得到了大规模应用，进给伺服功率范日，一，主轴伺服功率范围，可以满足企业实际需要。北京时光科技公司自主研发的“全数字化交流伺服控制技术”，采用位微处理器为基础的系统级芯片和智能化功率器件，成功实现了对三相交流异步电机（鼠笼式电动机）的高精度伺服控制。基于此项技术研制生产的系列伺服控制器可通过编程方式，灵活、准确地对电机的位置、转速、加速度和输出转矩实现高精度控制，其产品能广泛应用于机床、电梯、包装机械、印刷机械、塑料机械、搬运机械、电动车及自动化生产线等各种领域，用户反映良好。从年开始，我国的经济型数控系统从配用步进驱动装置，开始大规模改用伺服驱动装置。中国人自

15、主创新的伺服驱动技术为促使我国数控系统产业的升级，立下了汗马功劳，伺服驱动产业也取得了很大进步【】。交流伺服系统的发展趋势伺服系统的发展紧密地与伺服电机，微处理器，控制理论，电力电子器件，等发展相联系着，根据目前国内外的研制及使用主要向以下两个方向发展：全数字化全数字化是未来伺服驱动技术发展的必然趋势。随着微电子制造工艺的日益第一章绪论完善，采用新型高速微处理器，特别是数字信号处理籼技术，使运算速度呈几何级数上升。伺服驱动内部的三环控制（位置环速度环电流环）数字化是保证伺服驱动高响应、高性能和高可靠性的重要前提。伺服驱动所有的控制运算，都可由其内部的完成，达到了伺服环路高速实时控制的要求。一些

16、产品还将电机控制的外围电路与内核集成于一体，一些新的控制算法速度前馈、加速度前馈、低通滤波、凹陷滤波等得以实现。高性能表现为高精度、高动态响应、高刚性、高过载能力、高可靠性、高电磁兼容性、高电网适应能力、高性价比。电子电力技术的发展，使得伺服系统主电路功率元件的开关频率由一提高到以上，大功率绝缘栅门双极性晶体管（）和智能控制功率模块（）等先进器件的采用，大大减少了伺服驱动器输出回路的功耗，提高了系统的响应速度和平稳性，降低了运行噪音。这些不仅为交流伺服全数字化、高速度、高精度奠定了基础，还使得交流伺服系统趋于小型化【】。课题研究的目的和意义数字交流伺服系统广泛的应用于数控机床、机器人、印刷、包

17、装、食品、纺织、航空航天以及变频器等众多领域中。随着各个领域的飞速发展，对伺服系统的要求也日益严格，不同的应用环境对伺服系统的性能要求也不尽相同。随着纺织、制衣工业的规模化发展，工业缝纫机发展迅猛。而传统的工业缝纫机，主轴驱动大多采用离合器电机，其它功能都靠机械配合或人工完成，存在效率低，体积大，调速范围窄，位置控制难，造成缝纫机的功能单一，自动化程度低。为此，年代开始，国外开始研究工业缝纫机用交流伺服电动机系统。在此基础上完成其它自动功能。年以来，德国的杜克普阿德勒（）、日本的重机（）、日本的三菱（）、日本的兄弟（）等均已推出了其相应产品，将交流伺服电动机运用到各类工业缝纫机中，实现了工业缝

18、纫机的电子化、数字化，并以每年的递增速度替代原有的离合器电机等传统电机。为了推进纺织、服装产业的进一步发展，研究高性能的电机伺服系统势在必行。广东工业大学工学硕：学位论文作为纺织、服装行业来说，对于工业缝纫机伺服系统又提出了许多特殊的要求：节能、环保、高速、高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力。全数字控制因其自身高可靠性己成为伺服控制的发展方向。高性能微处理器和功率电子器件的发展为伺服控制的全数字化实现提供了条件。因此，机电一体化、数字化成为工业缝纫机发展的主流方向。我国目前也有多家单位正在研究机电一体化、数字化工业缝纫机，还处于样机试制和小批量生产阶段。从缝纫机的性能要求和市场发展方向来看，永

19、磁同步电机伺服系统起着至关重要的作用，是电气系统中技术难度最高的部分，是开发缝纫机电气系统的突破口，它的成功开发可将其技术演化到其它种类的电机和驱动器上，起到事半功倍的效果】。本文的主要研究任务是针对高精度永磁伺服驱动控制器，设计一种基于高性能控制策略的全数字化的位置伺服系统。要解决的关键问题是：（）低噪声，抗干扰性强的高性能驱动系统的实现；（）全数字调节器的设计。通过设计出合适的位置调节器，实现对永磁同步电机进行精确定位，使定位精度，定位速度，位置响应等指标都能满足伺服控制的要求。课题研究的内容本文的主要安排如下：（）第一章是绪论，主要阐述了课题的研究背景、国内外研究现状、发展趋势和及本课题

20、要研究的目的、内容和要解决的关键问题。（）第二章阐述了永磁同步电机数字伺服控制系统的设计思路，包括矢量控制系统的总体架构、永磁同步电机的结构及数学模型、空间矢量脉宽调制（简称）技术的理论基础及其波形的产生机制。（）第三章是关于系统硬件实验平台的构建，论述了基于数字伺服控制系统的设计和制作，包括硬件设计总体架构、控制板、驱动板、辅助电源以及保护、检测以及采样电路等各单元的设计。（）第四章详细介绍了系统的软件设计的原理及实现，包括高精度位置控制器的控制策略及实现，转子位置、转速检测，转子磁链初始位置检测，并给出相第一章绪论应程序流程图，从而实现对永磁同步电机进行精确定位。数字化实现电压空间矢量（）

21、变频控制策略是整个软件设计的关键和难点所在。（）第五章对整个伺服系统进行实验调试，并给出仿真和实验波形，最后对实验结果及在实验过程中出现的问题进行了分析和探讨，并给出了解决方案。（）第六章总结了本文的工作，并对下一步的工作进行了展望。广东丁业大学学硕上学位论文第二章永磁同步电机数字伺服控制系统设计思路引言高性能的永磁同步电机伺服系统需要现代控制理论的支撑，目前对交流电机最为实用的、准确的控制方法是空间矢量控制。而矢量控制需要精确的电机数学模型及空间矢量控制实现的原理。为此，本章首先建立永磁同步电机矢量控制系统框图，并分析其工作的原理；然后对其中模块的数学模型及其实现的过程进行详细的阐述。永磁同

22、步电机矢量控制系统总体架构永磁同步电机矢量控制系统框图如图所示：图永磁同步电机矢量控制系统框图从图可知，永磁同步电机位置交流伺服系统矢量控制由下面几部分组成：）转子磁极位置检测和速度计算模块；）速度环，电流环控制器；）坐标变换模块；）模块；）整流和逆变模块。其控制过程如下：速度指令信号与检测到的转子速度信号相比较，经速度控制器的调节，输出指令信号，作轴电流控制器给定信号，轴电流控制器的给定信号为副。电流采样得到的三相定子电流，厶，通过变换化为口一坐第二章永磁同步电机数字伺服控制系统设计思路标系两相电流屯，通过变换后，化为旋转坐标系的电流值，分别是轴和轴电流调节器的反馈输入。轴和轴电流的给定和反

23、馈之间的偏差分别输入到轴和轴的电流控制器，经过控制器的调节后输出电压，甜。，再经过逆变换分别化为坐标系轴电压，矗，调制模块输出六路，驱动产生频率和幅值可变的三相正弦电流输入电机。按转子磁链定向电机矢量控制系统需要提供电机转子的位置信号或速度信号。目前的系统一般使用光电编码器来得到转子磁极位置信息和速度信息。对于永磁同步电机，的大小和相位就取决于屯和。也即，矢量控制是通过对两个电流分量的分别控制实现的。根据电机方程所确定的电磁关系，一定的转矩和转速对应于一定的屯和，通过对这两个电流的控制，使实际的屯和。跟踪相应的给定值，便实现了对电机转矩和转速的控制】。这种电流矢量控制方法对电动机稳态运行和瞬态

24、运行的控制都是适用的。而且由于位于，轴的电流分量相互正交，使对转矩的控制和对磁场的控制实现了解耦，因此便于实现各种先进的控制策略。对于永磁同步电机，转子磁通位置与转子机械位置相同，这样通过检测转子实际位置就可以得知电机转子磁链位置，从而使永磁同步电机的矢量控制比起异步电机的矢量控制大大简化。当易时，从电机端看，永磁同步电机相当于一台他励直流电机【】。定子电流中只有轴分量，且定子磁动势空间矢量与永磁体磁场空间矢量正交，在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩。以上是矢量控制系统具体原理的分析，接下来的部分将根据结构框图分析电机的结构、建立电机的数学模型、介绍变换、变换的基本原理以及空间矢量实现过

25、程。永磁同步电机数学模型的建立永磁同步电机的结构和工作原理永磁同步伺服电机的定子和饶线式的定子基本相同。但可根据转子结构可分为凸极式和嵌入式两类。凸极式转子是将永磁铁安装在转子轴的表面，如图广东工业人学工学硕士学位论文（）。因为永磁材料的磁导率十分接近空气中的磁导率，所以在交轴（轴）、直轴（轴）上的电感基本相同。嵌入式转子则是将永久磁铁嵌入到转子轴的内部，如图（），因此交流的电感大于直轴的电感。并且，除了电磁转矩外，还有磁阻转轴存在。一轴，（）凸极式图永磁电机转子结构（两对磁极）（）嵌入式为了使永磁同步伺服电机具有正弦波感应电动势波形，其转子磁钢形状呈抛物线状，使其气隙中产生的磁通密度尽量呈正

26、弦分布；定子电枢绕组采用短距分布式绕组，能最大限度地消除谐波磁动势。永磁体转子产生恒定的电磁场。当定子通以三相对称的下弦波交流电时，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。因此，对三相永磁同步伺服电机的控制也和异步电机控制相似，采用矢量控制。在永磁伺服电机的转子上通常要安装一个位置传感器，用来测量转子的位置。这样通过检测转子的实际位置就可以得到转子的磁通位置，从而使永磁同步电机的失量控制比异步电机矢量控制简单【孔。永磁同步电机数学模型为了得出永磁同步电机的数学模型必须对电机作出如下假设：（）忽略铁心饱和；（）忽

27、略电机绕组漏感；（）转子上没有阻尼绕组；第一二章永磁同步电机数字伺服控制系统设计思路（）永磁材料的电导率为零；（）不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的；（）定子相绕组的感应电动势为正弦波，定子绕组的电流在气隙中只产生正弦分步的磁势，忽略磁场的高次谐波；图是永磁同步电机模型，图中标出了定子每相绕组中电流的正方向。将正向电流流经一相绕组时产生的正弦磁动势波轴线定义为该相绕组的轴线，如图中的轴为绕组轴线，并将它作为空间坐标的参考轴线。永磁同步电机在坐标系的数学模型描述如下：轴图永磁同步电机模型定子电压方程：等也愿屯（）誓坶愿磁链方程：（），（）（）电磁转矩方程：乙。（口一）。，一一）口删。【口一口（

28、，一】口（）机械运动方程：，警乙一瓦（）广东工业人学工学硕士学位论文电机状态方程：巨一【，一一，己，三一尺三，三，固，讣了瓦（），其中，一电压；电流；甲一磁链；坐标系上的等效电枢电感；一定子绕组的电阻；坐标系旋转角频率；一永磁体产生的磁链，可由。求取，。为空载反电动势，其值为每相绕组反电动势有效值的倍，即；转动惯量；一转子机械角速度；尺一阻力系数；乙一输出电磁转矩；疋一负载转矩；成一磁极对数【】。坐标系及其变换定子坐标系和坐标系三相交流电机定子中有三相绕组，其轴线分别为、，彼此互差，构成一个三相坐标系，参见图。某矢量在三个坐标轴上的投影分别为、，代表了该矢量在三个绕组中的分量，如果是定子电流矢

29、量，则、分别为三个绕组中的电流分量。数学上，平面矢量可用两相直角坐标系来描述，所以在定子坐标系中又定义了一个两相直角坐标系叫坐标系，它的轴与轴重合，轴超前【轴，也绘于图中，、为矢量在【坐标轴上的投影【】。图定子坐标系第二章永磁同步电机数字伺服控制系统设计思路转子坐标系和旋转坐标系转子坐标系固定在转子上，其中平面直角坐标系的轴位于转子轴线上，轴超前轴。从广义上来说，坐标系通常称作旋转坐标系。三个坐标系之间的关系如图所示。坐标系、叶坐标系及坐标系的变换关系如下（以电流为例）：芝。一幽茎，乏乙。一筇兰，芝砀一由芝，乙，由信二主宴男；。（乃，），部埘埘。，：们却由一口（）“广东工业人学工学硕上学位论文

30、变换变换是将三相平面坐标系两相平面直角坐标系筇转换。定子绕组拘变换式和转子绕组筢变换式是一样的，只是绕组相对于转子的速度是不同的。通过图和公式（）可知变换式为：卧郾二“一劾【一一眩乙逆变换为：黔一（）一鱼变换在转子上，轴超前轴度，转子轴领先于定子相电气角度，且相绕组方向与【轴一致，从图公式（）可知变换式【】：，乏。；。乡芝转子磁场矢量控制原理磁场定向矢量控制原理（）眩，三相永磁同步伺服电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。转子磁场定向（）控制是一种常用的解耦控制方法。第一二章永磁同步电机数字伺服控制系统设计思路图永磁同步电机定子坐

31、标系与转子坐标系的关系转子磁场定向控制实际上是将同步旋转坐标系放在转子上，随转子同步旋转。其轴（直轴）与转子的磁场方向重合（定向），轴（交轴）逆时针超前轴。电角度，将定子电流，在一个，坐标系中分解，其中轴对应着转子轴，转子转动方向和轴垂直。通过电流空间矢量的坐标变换后，永磁同步电机转矩表示为：，疋伊，叼（厶一）叼】（）其中竹为励磁与电枢合成磁通，分别为定子在轴和轴的电流分量，刀为极对数，厶和幺分别为轴和轴的电感。当在基速以下恒转矩运行区中，采用定子电流矢量位于轴，无轴分量的控制方式，使定子电流全部用于产生转矩，因此转矩方程变为：。作（）由于永磁同步电机转子为永磁结构，使缈，为常数，因此电机转矩

32、只与定子电流的幅值成正比，只要保持。与轴垂直，就可以像直流电机控制一样，通过调整直流量屯来控制转矩，实现了矢量的解耦控制。只要在逆变器中控制好定子电流的幅值，就会得到满意的转矩控制特性。空间矢量脉宽调制原理（）空间矢量脉宽调制的英文全称为，实际上对应于交流感应电机或永磁同步电机中的三相电压源逆变器的功率器件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广东工业人学工学硕士学位论文组合将在定子线圈中产生三相互差电角度的波形失真较小的正弦波电流。实践和理论都可以证明，与直接的正弦波脉宽调制技术（）技术相比，在输出电压或电机线圈中的电流中都将产生更少的谐波，提高了对电压源逆变器直流供电

33、电源的利用效率。基本电压空间矢量图是一个典型的电压型逆变器【阍。利用这种逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合，以及开关时间的调整，以保证电压空间矢量圆形运行轨迹为目标，就可以产生谐波较少的、且直流电源电压利用率较高的输出。图中，圪，圪，圪是逆变器的电压输出，鸟到是个功率晶体管，它们为）。骇，和个功率晶体管的开关状态，即，和为或为的状态，将决定圪，圪，圪三相输出电压的波形情况。逆变桥输出的线电压矢量【圪。吃、相电压矢量圪圪圪和开关变量矢量口的之间的关系可以用下面的两个式子表示：酐硼第二章永磁同步电机数伺服控制系统设计思路昏：，式中吃是电压源逆变器的直流供电电压，或者称为总线电压。晓不难看出，因为

34、开关变量矢量口】有个不同的组合植（，只能取输出的相电压和线电压也有种对应的组合。开关变量矢量【口】与输出的线电表功率晶体管的开关状态和与之对应的输出线电压的关系锄（一在该表中、表示个输出的相电压，、表示个输出的线电压。在（，）坐标系中与输出的三相线电压相对应的分量可以由下面的等式表示：（）（）（删）上面的等式也可以用矩阵形式表示：广东业大学学硕：学位论文吃一一三了（）巫一生由于逆变桥中，功率晶体管的开关状态的组合一共只有个，则对应于开关变量矢量口在（口，）坐标系中的吃、也只有有限种组合，吃、是空间矢量分解得到的子轴分量，它们的对应关系如表所列。口、圪口被称为基本空间矢量的（口，）轴分量，每个基

35、本空间矢量与合适的功率晶体管的开关命令信号组合（，）相对应。被功率晶体管的开关组合所决定的个基本的空间矢量如图所示。表开关变量矢量与其对应的空间矢量、（口，）子轴分量的关系表吃砜。觚娟一西一。（）（）一口图基本的空间矢量与对应的（，）示意图第二章永磁同步电机数字伺服控制系统设计思路相对时间、乞的计算线性时间组合的电压空间矢量，是砀倍的玑倍的玑的矢量和，即卯矿印矽土其中，砀是吒，作用的时间。由图，根据三角形的正弦定理有。，（）（）硭士一上目。（）由式（）和式（）解得等嘶（。）（）乞老轴硼（）图电压空司矢量的线性组合式中，砀矿可事先确定；佰可由曲线确定；可由输出正弦电压角频率国和砀的乘积确定。因此

36、，当已知两相邻的基本电压空间矢量和后，就可以根据式（）、（）确定时间和乞。扇区的确定确定吒位于哪个扇区是非常重要的，因为只有知道，位于哪个扇区，我们才能知道用哪一对相邻的基本电压空间矢量去合成。一般广东业大学学硕十学位论文而言，可以用的（口，）轴分量虬和来表示矢量本身，则可以把个参考量巧、和巧用玑和来表示，其关系式如下：圪：掣表所示。表与扇区数的对应关系砭：掣虬（）（）（）定义个变量，。如果，贝，否则；如果圪，贝，否则；如果，豇，否。设木木，则与扇区数的对应关系如第扇区即为基本空间矢量、氓。包围的扇区，第扇区即为基本空间矢量、：。包围的扇区，第扇区即为基本空间。、。包围的扇区。到此为止，如果已

37、经知道参考电压矢量或其在（口，）坐标系中的（口，）轴分量虬、口，就以根据上面的推导计算出与对应的两个基本空间矢量的作用时间相对调，期的比例、，又知道要求的调制周期，则就可以确定空间矢量分别的作用时间互、，再加上前面其他的一些推导，就可以很方便地利用实现算法了【】。本章小结本章从建立永磁同步电机矢量控制系统入手，介绍了永磁同步电机的结构及数学模型，坐标系变换；系统地论述了基于转子磁场定向的矢量控制原理（），空间矢量脉宽调制原理（），并通过两者的比较，突出地展现了的优势所在。以上所有工作为接下来的系统软、硬件设计以及仿真和实验奠定了基础。第三章伺服系统的硬件设计第三章伺服系统的硬件设计引言随着速度

38、更快、功能更新的新一代微处理器不断涌现，特别是具有高速性能的数字信号处理器的出现，使伺服系统的全数字化成为可能。数字系统相比模拟系统有着巨大的优势。没有了零漂，元件数目大大减少，软件升级也非常简单。无论是（直流无刷电机），或是感应电动机构成的伺服系统，均可以采用统一的硬件设计。这就使得伺服驱动器有了较为广泛的通用性，针对不同的控制对象，只需移植相应的软件即可，这也是数字伺服系统的一个很大的优点。上一章对永磁同步电机的控制原理进行了深入分析，在此基础上，本章将详细论述永磁同步电机全数字伺服系统硬件部分的设计。系统硬件的总体架构图为系统硬件结构框图。硬件电路主要包括电源电路、功率驱动电路、主控电路

39、。主控电路以为核心，外围电路包括：调试仿真接口电路、外围存储器扩展电路、串行通信及接口电路、数模转换电路、键盘显示电路等。功率驱动电路包括逆变器主电路，电流检测电路，位置速度检测电路、过流、过压保护电路等。电源电路为系统提供多路不同等级的直流电源及电源间相互隔离处理。图伺服系统硬件框图广东工业大学学硕十学位论文主控电路控制器概述系列是家族中最新、功能强大的芯片，其中是最具有革命性的产品，是当今世界上集成度较高、性能较强的运动控制芯片，将的高速运算能力和面向电机的高效控制能力集于一体，特别适合于三相异步电动机、永磁同步电机的高性能控制。它与现存控制器芯片代码兼容的同时，芯片具有处理脾厶匕月，更好（）、外设集成度更高、程序存储器更大、转换速度更快等优点，是电机数字化控制的升级产品。基于的全数字伺服系统，充分利用其丰富的周边接口，使系统的结构大为简化；具有良好的动、静态性能，且在外界参数大范围变化的情况下表现出很强的鲁棒性。其主要特点如下：（）两个事件管理器模块和，为开发者提供完整的、高效的马达控制方案，提供所有的和，可以控制所有类型的电机；（）采用高性能静态技术，使得供电电压降为，减少了控制器的损耗；的执行速度使得指令周期缩短到，从而提高了控制器的