基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统的研究

1、山东大学硕士学位论文基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统的研究姓名：李德和申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王松20090508山尔人学硕十学位论文摘要随着微处理器技术、电力电子技术和永磁材料制造工艺的发展，由于永磁同步电机（）自身的结构和运行特点，伺服系统在工农业生产和航天等领域的应用越来越广泛。本论文从多个方面对伺服系统进行了较为全面的研究。本文首先介绍了课题的研究背景及意义，伺服系统及相关技术的发展概况。为了建立的数学模型，本文先介绍了和变换，在认真分析电机的结构和运行特点的情况下，对电机进行了合理的假设，建立了电机的数学模型。在深入探讨了的各种矢量控制方法的基础上，本

2、文建立了基于。的转子磁场定向矢量控制方案，并在介绍了空间矢量脉宽调制（）原理后，用程序实现了。同时，设计了三环调节器。考虑到电机低速运行时的特殊情况，本文又介绍了几种影响电机低速运行性能的因素，并总结和改进了在这些因素下提高电机低速性能的措施和方法。最后，给出了仿真实验结果图，证明了模糊控制的有效性。在硬件上，本文采用了以公司的为核心的控制电路。本文在设计的系统硬件总体设计结构框图的基础上，采用在上编写的功能模块输出信号来启动模块，将三相不控整流模块产生的直流电压逆变成三相交流信号来驱动电机。考虑到电机运行及安全的需要，本文同时设计了转速、转子位置以及定子电流等的信号检测电路，软起动、过压欠压

3、、过流等的保护电路，电源电路，通信接口和操作面板电路。在软件上，本文采用编程实现对电机的控制，用的转子磁场定向矢量控制方法来实现对电机的解耦，用控制实现对位置和电流的调节，用模糊一控制对速度的调节，用调制策略实现对逆变器的控制。此外，为了人机交换，本文还设计了操作面板。在以上工作的基础上，本文也做了大量的实验，实验结果表明了该方案的有效性，是一种较为理想的控制方案。关键字：永磁同步电动机；伺服系统；聃山东人学硕：学位论文，（），；（），（），山尔人学硕十学位论文，：；原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包

4、含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：李堡要！日关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：童叠皇堑导师签名：羔五日期：兰竺§！旦壁日山尔人学硕十学偷论文第一章绪论课题的研究背景及意义

5、自从上世纪第二次世界大战后，美国将伺服驱动技术用于工业生产以来，伺服技术已经广泛应用于工业、农业、航天航空等领域，随着微电子、计算机、电力电子、电动机制造技术以及新型材料等科学技术的飞速发展，特别是随着控制理论研究的不断深入，以交流伺服电动机为控制对象的交流伺服系统已经在诸如机电一体化、工业机器人、柔性制造系统、数控机床等许多高科技领域中得到了广泛的应用。由于伺服系统能够方便而有效的利用能源，因而它逐渐成为工业传动系统的主流，也成为当前研究的重要领域，而全数字控制方式又使伺服系统具有了功能多样化、高精度、高可靠性、智能化、网络化等特征，还为新型控制理论和方法的应用提供了相应的平台¨叫

6、。现阶段市场上常见的全数字交流伺服系统，多为国外产品，如日本的安川和三菱，德国的西门子等，不论从驱动能力还是应用范围，都已具备了完整的产品系列。国内的也有诸如华中数控等的公司开发出同类产品，不过无论从性能上还是功能上都与国外产品存在较大差异，所以目前我国的需求严重依靠进口，这也制约了我国相关领域的发展啼川。本文研究的课题来源于山东大学威海分校与山东省威海华控电工有限公司的大学共建项目高性能全数字交流永磁同步电机伺服控制系统的研制。通过该系统的研制，最终实现对永磁同步电机的位置、速度、转矩的精确控制，同时实现人机对话，即可以给伺服驱动器发送指令、修改内部的控制参数，又可以实时显示运行过程。本课题

7、的研究成功将会使数控机床的控制性能得到较大的提高，并为日后的先进控制算法及应用提供了相应的平台。伺服技术的发展概述自从年第二次世界大战结束后，美国首先将伺服技术用于工业生产以来，已经历了余年的发展，伺服技术作为综合性技术，它是伴随着控制山东人学硕十学位论文论、半导体、微电子、伺服机械制造和电力电子等技术的应用而发展起来的，它们的发展为伺服技术的骑进提供了肥沃的土壤¨叫。在伺服技术发展的早期，伺服系统主要采用电液传动和步进电机方式，它们具有惯性小，反应灵敏，刚性好等特点，所以占据了主导地位。但这种方式工艺要求高，价格贵，噪声大，渗漏等故障较突出，维护困难，不能实现高性能的控制。因此在年

8、代由于功率晶体管和品体管脉冲调制驱动装置的出现，直流伺服传动具备了调速范围宽，转向特性好；输出扭矩大，过载能力强，控制灵活方便等特点，得到广泛普及，在伺服领域占据了统治地位。而它自身所固有的缺点：运转产生的大量热量使转子绕组端子目的电阻增大，增大了电机的机械时间常数，使性能变坏；换向产生的火花，对防油、防尘要求严格，大大地限制应用环境，易磨损，不易高速化等等，也迫使人们一直探索着取代直流伺服系统的新型伺服装置。进人年代后，基于矢量控制理论、功率电力电子器件和微处理器发展起来的现代交流伺服系统，以其过负荷能力强，瞬时转矩大，体积小，转动惯量低，耐高速，耐频繁制动，不受环境影响、可靠性高、无需维护

9、等特点，适应了时代的要求，因而得到了非常迅速的发展，十年代未期，交流伺服系统应用逐渐超过了直流伺服系统。如今，只、美、德等西方国家已经开发出商品化的一系列的交流伺服系统产品并且其应用领域涉及数控机床，工业机器人等要求精密控制的场合。交流伺服系统的分类按照伺服系统的处理信号、驱动电机等的不同，可以将其分为如下几类晦儿们：按伺服系统调节理论，伺服系统可分为开环、半闭环和闭环系统。开环系统就是输出没有反馈到系统的输入信号中，即没有检测反馈环节：半闭环和全闭环系统有检测反馈环节，两者的差别是半闭环系统是问接测量系统输出量而全闭环是直接测量。开环系统没有检测反馈信号，无法补偿误差，因而其精度差；半闭环和

10、全闭环系统，可根据检测的反馈信号与指令信号的比较结果来进行控制，有较高的控制精度，不过由于半闭环系统的部分信号没有补偿因此其精度低于全闭环系统。按伺服系统处理信号的不同方式，可以分为模拟伺服、全数字伺服。模拟伺山尔人学硕学位沦文服系统全部采用模拟元器件构成，系统的控制信号、中间信号和输出信号也都是模拟信号。它的优点就是抗干扰能力比较强，一般没有数字伺服系统那样因峰值噪声而可能产生误动作，系统稳定。不过，模拟伺服系统也有其固有的缺点：对微弱信号难以实现分离；受到检测元件和放大器件精度的限制，难以进一步提升精度；不能实现复杂算法。全数字伺服系统的控制和调节均采用数字技术，即：它的输入指令和反馈信号

11、都采用逻辑电平信号而不是模拟电平信号。它的优点是：精度高，可以实现复杂的控制策略的研究和实验。按伺服系统驱动电动机的不同，主要分为：感应式异步电动机交流伺服系统、永磁同步电动机交流伺服系统。由于感应式异步电动机结构坚固，制造容易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，其伺服系统代表了将来伺服技术的方向。但由于该系统采用矢量变换控制，相对永磁同步电动机伺服系统来说控制比较复杂，而且电机低速运行时还存在着效率低，发热严重等有待克服的问题，目前并没得到广泛应用。永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要

12、求。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前已成为交流伺服系统的主流。根据永磁体励磁磁场在定子绕组中感应出的电动势波形，交流永磁电动机主要分为两类，一类是相感应电动势波形为梯形波的无刷直流电动机（，简称），另一类是相感应电动势波形为正弦波的三相永磁同步电动机（，简称）。工作原理类似于有刷直流电机，不同之处在于它用电子开关电路和转子位置传感器取代了有刷直流电动机的换向器和电刷，实现了电机的无刷化。其缺点是在低速运行时有较明显的波动，无法实现高精度控制。和在转子结构上基本相同，一般多为面装式，也可以是插入式，但还可以采用内装式，而却很少采用这种结构

13、。多为集中和整距绕组，而多为短距和分布式绕组。下表给出了两者间的比较：表为异步电机和永磁同步电机性能的比较，表卜是无刷直流电机和永磁同步电机性能的比较。山尔人学硕十学位论文类别驱动方式伺服控制器性能受限凼素弱磁控制优点缺点效率环境影响表异步电机和永磁同步电机性能比较匹异步电机正弦波更复杂绕组、转子的温升容易运行速度高，转矩输出大，不需要维修，高速时可恒定功率输出控制复杂，参数受温升影响大低小永磁同步电机方波或正弦波复杂绕组温升、永磁体去磁难体积小，重量轻，输出转矩大，功率密度高控制复杂，弱磁控制难一一局小表无刷直流电机和永磁同步电机性能比较类别转矩功率调速范围定子纹波电流损耗反馈方式内容无刷直

14、流电机高高较窄较大大每隔度检测一次永磁同步电机低低宽小小连续检测上表给出了异步电机和永磁同步电机、以及永磁同步电机间的特点和比较，由表我们可知：对于性能要求不是很高的情况下，选用比较合适，而对于高性能的伺服，应优先考虑交流伺服系统的构成通常，交流伺服控制系统通过位置转速检测单元检测电动机的转子位置及转速信号，通过电流传感器检测三相电流信号，同时检测母线电压及给定转速，这些信号经过处理后在微处理器上进行运算，结果作为的输入，经单元输出驱动信号到功率驱动单元的电力电子装置完成对电动机的控制，其基本结构如下图卜所示：。山尔人学硕十学位论文图交流伺服系统基本结构从上图我们可以看出，典型的伺服系统基本结

15、构是具有位置、速度和电流控交流伺服电机电机作为交流伺服系统的执行元件，交流伺服电机应尽可能以准确、快速的能和制动性能：（）宽广的调速范围，即要求伺服电机的转速能够随控制电压的改变能在宽广的范围内连续调节等们。功率驱动单元功率驱动单元主要采取电力电子装置，对供电电源进行各种变换，通过功率交流伺服系统中，功率驱动单元通常采用基于全桥不控整流和三相电压型逆器件集于体的集成功率模块（）。在电机控制中，电力电子器件是实现弱电到强电控制的关键，随着新型可关断器件的实用化，新一代的集成功率模块由于其高可靠性的驱动，具有开关速度快，驱动电流小；快速检测过电流和短路电流；有效控制浪涌电压、门极振荡、噪声引起的干

16、扰的特点逐渐被大量应用于伺服驱动系统。检测单元信号的检测是交流伺服系统电机控制的关键技术之，要实现高性能的控制效果，必须实时精确的检测出电机的定子电流、转速、转子位置等重要信息，由制的三环结构。除控制单元之外，系统还包括电机功率驱动单元、位置转速反馈单元及电流反馈单元等，下面我们简要介绍各相关单元。动作完成系统运动指令要求的任务。所以，交流伺服电机应具备以下基本条件：（）体积小、重量轻、大转矩输出；（）低惯性；（）转矩脉动小；（）良好的控制性肌信号控制逆变器开关器件的导通与关断来控制电机的运转。当前，在中小变器的拓扑结构，而功率器件则多采用将保护电路、驱动电路和功率山东人学硕学位论文其构成的系

17、统闭环直接关系到系统的静态动态特性。目前常用的位置传感器主要有高分辨率的旋转变压器和光电编码器等，转速信息可以通过对位置信息进行微分运算得到，所以位置传感器也可作为速度传感器。永磁同步电机的三相定子电流般采用霍尔效应电流传感器进行检测。控制单元位置环对整个系统的动静态性能具有不可而喻的重要影响，产生电机的速度指令并使电机准确定位和跟踪；速度环可以提高系统抗负载扰动的能力，产生电流指令使电机的实际转速与指令值保持一致；电流环具有改造内环控制对象，提高系统的快速性，同时可以限制最大电流，保证系统的安全运行，实现了电机绕组电流实时、准确地跟踪电流参考信号。现代交流伺服系统采用微处理器进行全数字化控制

18、，使伺服系统控制进入智能化阶段，其中以其高速计算能力和特殊的硬件结构成为伺服控制系统中的主流处理器引。通过数字控制，可以排除模拟电路的非线性误差、调整误差以及温度漂移等因素的影响，大大提高伺服系统的性能。交流伺服系统的控制策略控制策略主要包括交流电机的控制技术和调节器的控制策略。电机的控制策略高性能伺服系统需要伺服电机具有良好的调速性能，而基于异步电机的恒定的控制方法由于只控制了电机的磁通却对电机的转矩无能为力，无法获得良好的动态性能，随着应用要求的不断提高，该方法已越来越难以适应现实应用。目前对于电机的控制策略，比较成熟的有矢量控制和直接转矩控制儿。矢量控制年，德国西门子公司的提出的矢量控制

19、理论使交流电机控制理论第一次有了质的突破。其基本思想是通过坐标变换将交流电机等效为直流电机，然后借用直流电机的理论来设计交流系统。具体步骤是以转子磁链这一旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，山尔人学硕十学位论文然后分别对其进行独立控制，从而获得直流电机那样良好的动态特性。矢量控制是实现交流电机高性能控制的重要手段，也是永磁同步电动机调速系统的理论基础。由于矢量控制方法在实现时要进行复杂的坐标变换，运算量较大，并且需要准确的转子磁链以及电机的精确模型，因而对电机的参数依赖性很大，难以保证完

20、全解耦，使控制效果有所打折。但是高性能的和高精度的光电码盘转速传感器的出现，改善了这一矛盾，能够获得较好的动态性能。直接转矩控制年，德国鲁尔大学的教授首先提出了直接转矩控制理论，它是一种主要针对异步电动机的新的控制方法。该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机转矩进行直接控制，从而省略了矢量旋转变换等复杂的变换和计算，它采用了定子磁链的定向方式，只要借助于离散的两点式调节产生信号，并直接对电机的磁链和转矩进行控制引。这种砰一砰控制方式可以获得快的动态转矩响应，避免了转子参数变化对控制的影响。但它会引起转矩脉动，带积分环节的电压型磁链模型在低速时误差大，这都影响系统的低速性能，

21、是近年来直接转矩控制的热点之一。调节器的控制策略伺服系统的典型控制方式是加前馈控制，但基于电机而构建的数学模型具有高阶、非线性、强耦合特性，同时交流伺服系统存在非线性和不确定因素，常规的方式无法获得高品质的控制。参数的时变性质和负载的大范围变化是影响系统控制性能的两大主要因素。所以，高性能的控制策略可以说成是：具有快的动态响应和高的动、静态精度，同时还要对系统参数的变化和扰动不敏感基于现代控制理论的控制。自适应控制需要的关于模型和扰动的先验知识比较少，在系统的运行过程中需要不断地提取有关模型的信息，使控制策略根据新的信息来进行自动调整，是克服参数变化影响的有力手段。现在应用于控制的自适应方法有

22、模型参考自适应、参数辨识自校正控制及其新发展的各种非线性自适应控制。但所有这些方法都存在两个问题：一是数学模型和运算繁琐，使控制系统复杂化：二是辨识和校正山东人学硕十学位论文都需要一个过程，因此实时性不好。世纪年代初，前苏联学者欧曼扬诺夫（）、犹金（）和依特克斯（）等人开始研究变结构控制系统。滑模变结构控制的主要特点在于其控制的不连续性，具有一种使系统的“结构”随时变化的开关特性，依据系统的状态使系统的“结构”按照阶跃有目的地变化。当滑动模态发生时，系统被强制在开关平面附近滑动，因而滑模控制对系统耦合、外部扰动、参数时变等因素均不敏感，表现出良好的鲁棒性，并且滑模变结构控制不需要任何在线辨识，

23、很容易实现。但是滑模变结构控制在本质上的不连续开关特性使得系统存在“抖动”问题，主要原因是：（）对于实际的滑模变结构控制系统，其控制力不会如理论上无穷大，而总是有限的，从而使系统的加速度有限。（）系统的惯性、切换开关时间、空问滞后等误差，特别是对于计算机的采样系统，当采样时间较大时，形成“准滑模”等，这些问题将会对滑模变结构控制的应用带来诸多的困难¨。基于智能控制思想的控制智能控制理论“刀是自动控制学科发展的一个里程碑，与传统的经典理论相比有其独到之处。首先，它极大地摆脱了数学模型对控制的影响，按实际效果进行控制；其次，它具有了人脑思维的非线性；最后，它能根据当前状态切换控制器的结构

24、，用变结构的方法改善系统的性能。在复杂系统中，智能控制还具有分层信息处理和决策的功能。模糊控制是利用模糊集合来刻画人们日常所使用的概念中的模糊性，使控制器能更逼真地熟练模仿操作人员和专家的控制经验与方法，它包括精确量的模糊化、模糊推理、模糊判决三部分。过去，模糊控制主要用于比较复杂的慢响应系统，随着微处理器性能的提高，算法的改进，模糊控制也越多的应用于快速响应的系统。模糊控制的特点是：控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。控制系统的鲁棒性强，适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及大纯滞后等问题。以语言变量代替常规的数学变量，易于形成专家

25、的“知识。控制推理采用“不精确推理（），推理过程模仿人的思维过程。由于介入了人类的经验，因而能够处理复杂甚至“病态系统。不过，值得一题的是单纯的使用简单的模糊控制器并不能得到令人满意的系统性能，因此，常常与其它控制方法相结合例。山东人学硕十学何论文人工神经网络是由若干人工神经元以一定连接形式连接而成的复杂的互连系统。神经网络控制的基本思想是将计算函数嵌入到物理网络中，计算过程的每一个基本操作都存在相对应的连接，在处理信息内容时，修改网络的结构及运行规则。神经网络具有对数据的分布存储、并行处理能力；容错能力；自学习、自组织能力以及来自于非线性动力学特性的神经计算能力，正是以上的特点决定了神经网络

26、控制是设计高度智能化伺服系统的一种很有前途的方法之一啪。上述各种控制策略既有各自的自身优点，也存在一些不足。因此，用“复合控制策略”来克服单一控制策略的不足，提高整个系统的性能，满足各种应用场合的需要，已成为当前的研究热点。相关技术的发展电力电子技术自从年世界上第一个晶闸管发明以来，电力电子器件就向着大功率、高速、高电压、集成化、智能化方向迅猛发展。近几年出现的集成门极换向晶闸管（）已取代门极可关断晶闸管（）成为大功率高压变频器的主流器件，而在中小型功率交流调速系统中场控器件绝缘栅双极晶体管（）占据主导地位。此外，将微电子集成电路与电力电子器件组合形成的功率集成电路（）和智能功率模块（）等也已

27、经广泛应用于中小型功率变频调速系统乜。在交流调速系统中，广泛地应用控制技术。从控制思想上，主要有正弦波调制（）、电流跟踪型删、空间矢量调制（）等。其中，是一种新型的技术，它是以“磁链跟踪控制”为目标，能明显减少逆变器输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗，还具有线性范围宽、调制比高、易于数字实现等优点。微处理器技术要实现优良的控制策略必须有优良的控制器作为物质基础，电机控制专用芯片和可编程逻辑器件（、等）的不断更新，简化了控制系统的硬件结构，提高了系统的可靠性和抗干扰能力，同时也使得各种复杂控制方法的实际应用成山东人学硕学位论文为可能。¨川引。具有很高的集成度，运算速度快，存储容量大，一

28、般可以在一个周期内完成一条指令，具有流水线技术和硬件乘法器，控制电机的专用一般都有捕获电路、波生成电路，所以具有强大的处理能力。的的特点如下：位定点数字信号处理器，主频达，采用改进哈佛总线结构，响应中断快，运算能力强，并具有丰富的片内外设，包括通道转换器、两个增强型的事件管理模块、片内锁相坏、数字输入输出接口、串行通信接口、串行外设接口、总线模块以及看门狗电路。目前已经有比较成熟的电机控制专用产品，如美国德州、美国模拟器件（）公司、英特尔公司、摩托罗拉公司（）公司等产品。同时，随着技术的发展，的集成度越来越高，而价格和相关开发工具的价格却不断降低，促进了器件在伺服系统中的应用。可编程逻辑器件集

29、成度非常高，一般都可做到几十万个逻辑门，能方便的实现集成电路和分立元件组成的电路。同时，可编程逻辑器件可通过软件方便地修改，实现功能升级。永磁同步电机驱动技术的发展趋势目前国内外交流伺服系统研究都向着数字化、智能化、集成化、网络化的方向发展¨：高性能全数字化的伺服系统是当今交流伺服系统发展的趋势。数字化克服了模拟控制系统电路功能单一，参数离散性大，控制精度不高的缺点，同时不存在模拟器件的特性漂移和偏差，具有体积小，抗干扰能力强，可靠性高，功耗低。数字系统的控制逻辑由软件来实现，可以实现许多复杂的控制，具有自诊断能力，极大的增强了伺服系统设计和使用的灵活性。高性能的数字信号处理器的出现

30、使伺服系统的全数字化成为可能。伺服系统向智能化的方向发展。智能化一方面体现在系统具有很强的状态自诊断、故障保护和信息显示功能；另一方面体现在先进的控制策略和控制算法。在控制策略上除常规控制外，开始转向应用现代控制理论和智能控制，各种高性能的智能控制器可实现伺服系统参数自检测和控制器参数在线自整定功能山尔人学硕十学位论文等。今后很长段时间内控制策略的研究将会主要围绕以下几个方面展丌：研究具有较高动态性能，能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰，且算法简单的新型控制策略；研究具有智能控制方法的新型控制策略及其分析、设计理论；研究高性能的无速度传感器控制策略。集成化一体化也是伺服控制系统的发展方向。

31、由于新型丌关器件的发展，伺服系统主回路可以向高电压、大电容、小型化方向发展。电流检测单元、位置检测单元等被集成为检测单元与控制系统、驱动单元共同作为一个整体实现伺服驱动。而美国提出的电力电子积木概念受到人们越来越多的关注，所谓电力电子积木就是分布式可重利用和重配置、模块化、标准化电力电子系统硬件结构，构建适合于不同应用的通用控制器，这种结构基本克服了传统设计存在的缺点，同时将控制和通信标准化，实现电力电子的“即插即用”。伺服系统也向着具有完善通讯功能的方向发展。在独立完成伺服控制同时，需要保持与上位机的联系，实时接收控制指令并报告系统当前工作状况。特别是在现代化的生产过程中，所有控制设备都是以

32、网络形式连接的，可以实现远距离的调速及控制参数的设定等。伺服系统通讯功能的实现和提高进一步完善了高级别、分布式的工业控制、管理网络的功能。论文主要内容及论文结构数控机床近年来在国民经济生活中的应用日益广泛，对伺服驱动器的要求也越来越高。本文以大学共建项目高性能全数字交流永磁同步电机伺服驱动器的研制为依托，对永磁同步电机的结构、数学模型、控制策略以及控制系统的软、硬件的设计等方面进行较为全面的分析与探讨，并进行了相应的实验。整个论文的结构安排如下：第一章阐述了本课题的目的和意义，介绍了交流伺服系统的发展、结构组成，同时阐述了永磁同步电机驱动技术的发展趋势。第二章分析了永磁同步电机的结构特点、数学

33、模型、介绍了矢量控制原理及其实现方法。总结了几种影响电机低速性能因素的方法，用的仿真功能做了相关实验。第三章首先对永磁同步电机驱动器进行了功能规划，在此基础上给出了系统山尔人学硕十学位论文总体方案设计及其硬件实现的详细分析和设计。第四章对整个系统的软件结构和程序设计进行了分析，并对控制软件的程序框架、流程、重要子程序的实现进行了分析和论述。第五章对课题做了全面的总结，并指出了有待继续深入研究的一些问题。山尔人学硕十学位论文第二章永磁同步电机的控制原理及实现永磁同步电机作为目前应用最多的一种高性能交流伺服电机，按照永磁体在转子上位置的不同，可以分为隐极式和凸极式。由于凸极的转子磁路结构具有不对称

34、性，产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，易于弱磁扩速，广泛用于动态性能高的永磁同步电机口。永磁同步电机的数学模型永磁同步电动机利用定子三相交流电流与永磁转子的磁场互相作用所产生的电磁转矩带动电动机转子转动。电机转速、频率及极对数的关系如下口：盟基其中：以表示同步转速，厂为定子电流频率，刀，是永磁同步电动机的极对数。由上式可以看出，转速与定子电流频率成正比，与电机的极对数成反比。对于具体的电机，可以通过改变定子电流频率来调整电机转速。为了实现电机数学模型的解耦，常用的坐标系及其关系如图所示。口图永磁同步电机各坐标系及其对应关系坐标变换矢量变换是简化交流电机模型复杂性的重要数学方法，

35、是交流电机矢量控制的基础。在建立永磁同步电机数学模型之前，我们先简要介绍一下两种常用的坐山尔人学硕十学位论文标变换，即：变换和变换。其具体内容如下：变换在交流电机三相对称绕组中，通过三相对称电流可以在电机气隙中产生空间旋转的磁场。在功率不变的条件下，按照磁动势相等的原则¨，三相对称绕组产生的空间旋转磁场可以用两相对称绕组来等效，三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换则建立了在磁动势不变情况下，三相绕组和两相绕组电压、电流和磁动势之间的关系。从图所示的坐标系和筇坐标系，我们可以看出两坐标系的、口轴共轴。当磁动势相等时，则在筇坐标轴上的分量与两相在该轴上的值必定对应相等。设三相系统每项绕组

36、的有效匝数为，两相的为。考虑到实际情况，我们加上零轴矢量，有以上我们可以推出如下矩阵：冶鱼一笪（）轨一！一白以一心鱼一鱼，是三相坐标系到两相坐标系的变换矩阵。：豳由于为正交矩阵，转置与其逆矩阵相等，即：易裂，所以我们可以得出：瓮信，万山东人学硕士学位论文将上式带入式变换矩阵中，有：一三一！铲居鱼一鱼（）万万忑由茄，则可推出：的逆矩阵，即：两相坐标系到三相坐标系的变换矩阵，其表达式如下所示：。忑压亏压一三忑（）压一三一了忑变换从图，我们也可以看出两相静止坐标系筇和旋转坐标系的对应关系，由此，我们推出如下关系：口（）础舢潮牡口。口，是两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵。同变换一样，我们可以得

37、到，：，其矩阵如下所示：吖拈口二劣：，眈）吣口苫矽：山尔人学硕十学何论文模型建立的基本方程包括电动机的运动方程、物理方程和转矩方程等，这些方程是永磁同步电动机数学模型的基础。控制对象的数学模型应当能够准确地反应被控系统地静态和动态特性，数学模型的准确程度是控制系统性能好坏的关键。在不影响控制性能的情况下，为了简化分析的复杂性，结合所用电机的特点，我们给出以下假设啪硎：）定子三相绕组对称，均匀，型连接；）反电动势正弦；）铁磁部分磁路线性，不计饱和、剩磁、涡流、磁滞损耗等影响；）转子无阻尼绕组，永磁体无阻尼作用。则在上述假定情况下，按照图我们建立了在静止坐标系下的物理方程，如下式所示：，足。其中：

38、为定子绕组工端的电压瞬时值；愿为定子电枢相电阻；为定子绕组相电流瞬时值；，为微分算子；口（）虬为磁链瞬时值，（，）。磁链方程为：掣。乒七：吮乇毛（一等）吩”。（一等）吩防）其中：为定子绕组的自感系数，为定子绕组问的互感系数，（口，）；为转子轴线与轴夹角的电角度；吩为转子磁链。转矩方程为：互二野卜。，（一争埘纠）山东入学硕十学位论文其中：乃为永磁同步电动机的电磁转矩。由上述公式可知，在的静止坐标系中，电机参数与转子位置有关，是含有时变系数的微分方程组，这正是系统非线性的根源所在。基于以上原因，在实践中，人们常常依据定子或转子磁场建立新的坐标系，以消除非线性带来的复杂性。三相定子交流电其主要作用就

39、是产生一个旋转的磁场，从这个角度来看，可以用一个两相系统来等效，因为两相相位正交对称绕组通以两相相位相差。的交流电时，也能产生旋转磁场。在永磁同步电机中，建立固定于转子的参考坐标，取磁极轴线为轴，顺着旋转方向超前。为轴，以相绕组轴线为参考轴线，轴与参考轴间的角度为。坐标系下的数学模型是分析和设计永磁同步电动机控制系统最有效的工具。在坐标系下定子电压方程为：卜足叫（）【缈式中：、为定子电压矢量在坐标系下两轴上的分量；、为定子电流矢量在、轴上的分量；、虬为定子磁链在、轴上的分量；为转子角频率。根据交流同步电机的双反应理论，我们可以推出电机定子各相自感和相间互感的计算公式，从而可以得到磁链方程，其表

40、达式如下：【赳州（）其中：乙、为电感在、轴上的等效值，该值可用如下表达式表示：厶励占助二厶助占如其中：为定子绕组的漏感，它仅和漏磁场分布情况及磁路性质有关；为定子绕组直轴电枢反应电感，正比于直轴磁导；是定子绕组交轴电枢反应山东人学硕十学位论文电感，正比于交轴磁导。根据机电能量转换和电机统一理论，可知电磁转矩方程为：气号刀（一乞）吾【蜥（厶一）（）转子机械运动方程：，鲁码¨一昙，永磁同步电机的矢量控制方法沼由上一节，我们知道电磁转矩方程由两项构成，一项为永磁同步电动机的永磁转矩，另一项为磁阻转矩。矢量控制下对永磁同步电动机的控制可以看作是对上述两项的控制，而归根到底是对二者电流的控制，

41、根据电流的不同组合，通常可以将矢量控制分为：最大转矩电流比控制、恒磁链控制、弱磁控制、最大输出功率控制、控制、控制等控制方法晒。最大转矩电流比控制最大转矩电流控制是在电动机输出给定转矩时，控制定子电流最小的电流控制方法，也称单位电流输出最大转矩控制。核心思想是寻求、轴电流的最有组合，使得给定转矩下的定子电流幅值最小。该方法在满足电动机输出力矩的条件下定子电流最小，减小了电动机损耗，有利于逆变器开关器件工作，能够降低成本。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制方法可以改善电动机的高速性能。但其缺点是随着输出转矩的增大，功率因数下降较快。恒磁链控制恒磁链控制是通过控制定子交、直轴上的电流，使电动机全

42、磁通在定子绕组中产生的磁链织，始终保持恒定，并且与转子磁链，相等的控制方法。这种方法在功率因数较高的条件下，定程度上提高了电机的最大输出转矩，但仍存在最大输出力矩的限制。弱磁控制当电机电压达到逆变器所能输出的电压极限后，如果需要继续提高转速，则必须通过调节与轴电流来实现。减小轴去磁电流分量或增加轴电流分量，山东人学硕学位论文都可以达到弱磁效果。但通常情况下，我们常采用增加去磁电流的方法来实现弱磁增速。基速往上的弱磁调速，最简单的实现方法是利用电枢反应削弱永久励磁，也就是控制定子电流的直轴分量，使其起到去磁作用。但采用该方法的永磁同步电动机在弱磁恒功率区运行的效果较差，所以只能短期运行。控制控制

43、的本质是实现、轴电流解耦，使定子电流中只有交轴分量。对进行分析，我们知道其有以下作用：增减磁通；对铜耗的影响；对定子端电压的影响。而对转矩所起的作用并不重要，如果能够控制恒为零，则电机定子电流只有轴分量，电机转矩也只有基本转矩分量，很自然地实现了电磁转矩的线性化解耦控制，使得永磁同步电机具有和直流电机一样的控制特性。该方法具有控制简单，转矩性能好，调速范围宽，单位定子电流可获得最大转矩，从而能够有效降低铜损，提高电机效率，适用于高性能的控制场合。但伴随着负载增加，定子电流增大，定子反电动势随之增大使得定子电压升高，同时定子电压与轴夹角增大导致功率因数降低，因此要求逆变器有足够大的容量。控制（控

44、制的核心思想是使电动机的功率因数恒为，即定子电流矢量与电压矢量方向重合，此时定子电流以及电压与电动机励磁电势夹角相同，逆变器的容量得到充分的利用。由于永磁同步电动机的转子励磁无法调节，在控制下当负载变化时，电枢绕组的总磁链不为定值，无法保持电枢电流与转矩的线性关系。同时，此种方式下由于退磁系数大，也导致了电机的电磁转矩、功率因数和效率下降。以上各种控制方法各有千秋，适用于不同的运行场合。本课题选择屯的控制方案相对于其他方法而言简单易行，具有相应的优良特性，使得电机的调速更容易实现。山东人学硕十学位论文空间矢量脉宽调制（）原理及实现原理作为电力电子装置的核心技术，空问矢量脉宽调制（）由于具有较低

45、的高次谐波和电压利用率高等优点，所以越来越受到人们的重视，也被广泛地用于的控制。电压空间矢量，它以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基础，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能池。将逆变器和电动机看作一个整体，以使电动机获得幅值恒定的圆形磁场（即正弦磁通）为目的，用八个基本电压矢量合成期望的电压矢量来确定逆变器功率器件的开关状态，并依据电机磁链和电压的关系，从而实现对电动机恒磁通变压变频的调速控制。图所示为典型的逆变器结构图，由于图中逆变器上、下桥臂的开关状态每一时刻只有一个，所以只需要用上桥臂的开关状态就足以描述逆变器的工作状态。如果分别用、代表开关器件的导通和截止，则三组器件可以有中组合方式，也就是我们所说的个基本电压空间矢量。例如，当相上桥臂导通，、相下桥臂导通时，开关状态可记为（），此时圪、圪，则定子电压空间矢量的幅值为。由个基本电压空间矢量构成的矢量图如图所示蠲：图逆变器结构图山乃人学硕学位论文（），、山。刁、段图基本电压空同矢重图引入“一个开关时间周期内的平均电压空间矢量”的概念，并设法使平均电压空间矢量等于期望的电压空间矢量。空间电压矢量法是通过选取同一扇区相邻的两个非零矢量和相应的零矢量来合成一个等效的空问旋转电压矢量，下面以扇区为例来说明：首先，我们用邻近的两个基本矢量、匕和零矢量合成参考