数字化永磁同步电机伺服驱动器研究

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摘要随着现代化工业的不断发展，伺服系统在许多系统的应用日益广泛，对其性能的要求也越来越高。由于永磁同步电机伺服系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度伺服与位置伺服控制，因此永磁同步电机控制系统的研究己成为数控机床伺服系统研究的重点之一。本文围绕数字化永磁同步电机伺服驱动器展开研究，全文主要分为四个部分，主要内容如下：一、描述了永磁同步电机的数学模型以及磁场定向的矢量控制原理，并简要地叙述了永磁同步电机的弱磁控制。二、在系统的硬件设计上，使用TMs320LF2407DsP数字信号处理芯片，并辅以瓜公司的专用交流伺服控制芯片ⅡtMCK201和智能功率pM模块组成交流伺服系统并详细介绍该系统的硬件设计。最后还使用了DsP内嵌的cAN(控制器局域网)模块和SCI(串行通信接口)模块实现DsP之间的通信，为以后使交流伺服控制系统具有网络化功能奠定基础。三、详细介绍了系统软件的各个模块功能，包括DSP内部资源分配，数据的规格化处理；调节器的设计、控制策略及实现；转子磁极位置检测；通信等多个模块，从而实现对永磁同步电机的定位控制。而对位置环的控制算法以及工程实现则是整个软件设计的关键和难点所在。四、在软硬件设计的基础上，对伺服系统进行实验调试，调试包括计算机仿真与实际系统实验两大部分：在仿真中主要是运用Matlab／simulink建立了永磁同步电机矢量控制系统仿真模型，并给出仿真实验波型；而在实际系统调试中进行了一系列实验并给出实验结果；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讨论，并给出解决方案。实验证明该系统可以满足伺服系统的基本要求，对伺服控制系统的设计具有参考意义，并为后续研究奠定基础。关键词：永磁同步电机，伺服，DsP，mMcK201，位置控制 三至三些奎兰三耋璧圭兰堡塞兰Abs打actA10ngwiththeunceasingdeVelopmentofmodemizedindustry’theservosystemiswjdespreadjnmanysys把ms’applicationsdaybyday'thehi曲erperfornlatlceoftheservosystemisrcqllired．ThePMSMServosystemcallacllievetheperformancesofhighaccuracy，highdynafnicperfbrtIlance，wide—scopespeedIegulatedororientationcontml，sothestudyofField0rientatedComrol(FOC)systemofPMSMhasbecomeoneofthekeydirectionsinthestlldyofdigital—controlledmachinetoolservosystem．ThispaperresearchontheDi百tizationPMSMServoDriver，themaincontentsare：usingtheMatlab／SimulinktobuildthesimulationmodelofthePMSMFOCSe“osystembasedonthemathematicalmodelofPMSMandtheprincipleofFOC．hlthisfoundation，theautllordesigntt】ed培italservosystembasedontheTMS320LF2407DSPandthemotion—controIIC：瓜MCK201，achievingtheaimoflocatingthe丘eldorientationofthePMSMpreciselyFunhe肿ore，theau血orrelaizesthecommunicationusingtheCANcontroUerenlbeddedintheDSPtoamongtheD驻Thisp叩erdcscdbesrealizationsoftwareoftheservosystemdetailyIncluding：thedesigⅡoftheregulatoLthecontmlstrategyandtherealization；implementofroterinitializtionposmontoDSP，andsoon．hlthewholeprocessofsoftware(Iesigning，thecontrolarithmencoftheorientation—loopandtheprojectrealizationarethekeyanddimculties．Throu曲debugthisserVosystema11dexperimentonit，provingmattllissystemcaIlsatisfythebasicrequestsoftheserVosystem．A11theworkint|lispaperclarifiestheprinciples，methodsandperfbHIlancesofthePMSMFOCsystem，whichhasthereferencesignificaIlcefbfstudyingthePMSMFOcsystemandenhancingthesystem’sperfo咖ancehencefonh．Key、阳rds：PMSM，Servo，DSP’ⅡtMCK201，PositioncontfolⅡ 第一章绪论1．1伺服系统概述弟一早三；百T匕伺服技术是跟踪与定位控制技术，是机电一体化技术的重要组成部分，它广泛地应用于数控机床、工业机器人等自动化装备中。随着现代工业生产规模的不断扩大，各个行业对电伺服系统的需求日益增大，并对其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驱动系统是工业先进国家竟相努力的目标，有着十分重要的现实意义。伺服系统的发展与伺服电动机的发展紧密相联。永磁同步伺服电机w与直流电机相比较，具有无机械换向器和电刷、体积小、运行可靠、易实现高速、环境适应能力强等优点。与感应电机相比较，具有：无转子损耗、体积小、效率高、气隙磁密与功率因素高、转动惯量小等优点，以及在同样输出功率下所需整流器和逆变器的容量较小，控制简单。1．1．1国内生产现状我国稀土资源丰富，稀土资源占全世界的80％以上。1984年7月我国成为世界上第三个能研制和生产第三代稀土钕铁硼永磁材料的国家，为我国永磁电机的生产制造与快速发展奠定了良好基础。我国具有自主知识产权的全数字式伺服驱动器约于90年代开始规模化生产制造。华中数控Hsv系列全数字交流伺服电机驱动单元具有良好的性能。广州数控设备有限公司DA98A系列交流伺服系统调速比为1：5000。虽然国产伺服驱动控制器比进口的要便宜得多，但是作为国内主要数控系统生产厂家，如广州数控、华中数控、航天数控系统有限公司、高档数控国家工程研究中心等，其高端产品往往要采用国外的交流伺服系统，主要是国产伺服驱动控制器在高速和高精等控制特性方面，与日本的FANuC、三菱、松下、富士以及德国的西门子等国外先进产品相比，还存在着显著差距。 广东工业大学工学硕士学位论文1．1．2技术发展趋势伺服电机控箭系统时发展趋势是永磁同步电机将会取代原有直流有刷伺服电机和步进电机。因为永磁同步电机相对其他形式的电机有着显著的优势m：(1)永磁同步电机在基速以下不需要励磁电流，在稳定运行时没有转子电阻损耗，可以显著提高功率因数；(2)永磁同步电动机不设电刷和滑环，因此结梅简单，使用方便，可靠性高；(3)永磁同步电动机转子结构多样，结构灵活，而且不同的转子结构往往带来自身性能上的特点，因而永磁同步电动机可根据使用需要选择不同的转子结构形式。而且在相同功率下，永磁同步电动机在比其他形式电动机具有更小的体积。伺服系统的发展紧密地与伺服电机，微处理器，控制理论，电力电子功率变换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三个方向发展：l、全数字化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器不段涌现，硬件费用成本会变低。体积小重量轻，能耗少是他们共同的优点；数字电路温度漂移小，不存在参数的影响，稳定性好；采用微挺理器的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位机通信，并可随时改变控制参数；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计，以满足不同的用途。而且软件模块化可以方便地进行增加，更改和删减，能明显地降低控制器硬件成本。2、高性能控制高性能控制策略广泛应用于交流伺服系统。基于常规控制理论设计的电机控制系统存在缺陷和不足：传统控制器的设计通常需要被控对象有非常精确的数学模型，而永磁电机是一个非线性多变量系统，难以精确地确定其数学模型，按照近似模型得到的最优控制在实际上往往不能保证最优，受建模动态，非线性及其他一些不可预见参数变化的影响，有时甚至会引起控制品质严重下降，鲁棒性得不到保证。所以有必要采用高性能的控制策略，在控制策略上，永磁同步电动机伺服系统主要采用矢量控制方法。尽管矢量控制使交流讽速系统的性能有了较大的提高，但是还有许多领域有 第一章绪论待研究：(1)磁通的准确估计或观测：(2)无速度传感器的控制方法：(3)电机参数的在线辨识m；(4)极低转速包括零转速下的电机控制m；(5)电压重构与死区补偿策略m。3、网络化控制随着微处理器的发展，使数字控制器简单而又灵活，同时为联网提供了可能。网络技术将驱动部分、运动控制以及计算机通过网络连接，构成了系统的网络化和智能化。通过网络使控制器及各种传动设备作为一个节点连到现场总线或工业控制网上，实现集中的或分散的生产过程实时监控；可以进行高速数据传输与多机互联，可以实现一体化管理，使机械调整和故障检测更加简单可靠。1．2课题研究的目的和意义数字交流伺服系统在许多高科技领域上都得到了广泛的应用，如数控机床、机器人、包装设备、雷达、军用武器随动系统、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。尤其在精密数控机床、机器人及雷达等系统中，对伺服系统又提出了许多特殊的要求：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已成为伺服控制的发展方向，而高性能微处理器DSP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。本课题的主要研究任务是针对数控机床伺服驱动控制器，设计出一种基于DsP控制策略的位置伺服驱动系统。要解决的关键问题包括：驱动系统的实现，调节器的设计等，从而实现对永磁同步电机的定位控制。1．3课题研究的内容本文分六个章节系统地阐述了所从事的课题研究工作，各章内容安排如下：(1)第一章绪论主要阐述了伺服系统的概况、发展趋势和国内研究状况以及本课题要研究的目的和要解决的问题。 广东T业大学工学硕士学位论文(2)第二章描述了永磁同步电机的数学模型以及磁场定向的矢量控制原理，最后简要地叙述了永磁同步电机的弱磁控制。(3)第三章是关于系统硬件的设计，论述了交流伺服控制系统的设计和制作，包括硬件设计总体架构、DSP控制电路、驱动电路、控制电源以及保护、采样电路等各单元的设计。最后还利用DSP内嵌的cAN(控制器局域网)模块和SCI(串行通信接口)模块实现DSP之间的通信，为以后使交流伺服控制系统具有网络化功能奠定基础。(4)第四章详细介绍了系统的软件设计的原理及实现，包括DsP初始化，中断服务程序，位置控制器的控制策略及实现，DsP与IRMcK201的通信实现以及基于DSP的CAN总线通信等各模块，并给出相应程序流程图，从而实现对永磁同步电机进行定位控制。而对位置环的控制算法以及工程实现则是整个软件设计的关键和难点所在。(5)第五章介绍了采用复合式光电编码器并结合DsP实现对永磁同步电机转子磁极位置检测。详细介绍了其检测原理和软件实现。通过以上方法可以准确地检测出永磁同步电机转子磁极位置，使电机能正常启动及运转。(6)第六章系统仿真与系统实验包括计算机仿真与实际系统实验两大部分e在铸真中主要是运用Matlab，simuliIlk建立了永磁同步电机矢量控制系统仿真模型，并给出仿真实验波型；而在实际系统调试中进行实验，同时给出实验结果，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讨论，并给出了解决方案。在文章最后总结了本文所做的工作，并对下一步工作进行了展望。作为交流伺服系统发展的一种重要趋势，永磁同步电动机伺服系统的研究愈益受到人们的重视。同其它伺服系统相比，永磁同步电动机伺服系统在性能和结构设计上有其独特之处，为此我国必须加大该领域的科研与开发的力度。4 第二章永磁同步电机的矢量控制原理本章首先建立永磁同步电机的数学模型，在此基础上详细论述了基于转予磁场定向的矢量控制原理，并给出了永磁同步电机的矢量控制系统框图，最后阐述了永磁同步电机的弱磁控制。2．1永磁同步电机数学模型永磁同步电机是由电励磁同步电动机发展而来，它用永磁体励磁方式取代了电励磁方式，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，永磁体转子产生恒定的电磁场。而定子与电磁式同步电机基本相同，仍要求输入三相对称正弦电流。同时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口J：(1)忽略铁心饱和；(2)忽略电机绕组漏感；(3)转子上没有阻尼绕组；(4)永磁材料的电导率为零；(5)不计涡流和磁滞损耗，认为磁路是线性的；(6)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2．1是永磁同步电机的示意模型，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A轴为as．as’，并将它作为空间坐标的参考轴线。永磁同步电机在d—q坐标系的数学模型描述如下： 广东工业大学工学硕士学位论文定子电压方程图2．1永磁同步电机模型Fig．2-1PMSMmodel％=警一q％+足屯(2—1)圹等+q％+R‘(2-2)其中，u一电压；卜电流；V一磁链；L—dq坐标系上的等效电枢电感：姹一定子绕组酶电阻；婢一dq坐标系旋转角频率；d，q一下标，分别表示定子d，q轴分量。磁链方程：％=乙‘+¨(2—3)yg=Lgj日(2—4)电磁转矩方程：乙?‘虬‘一％‘’(2．5)2p。[y，‘+(乙一‘)‘‘‘]¨一永磁体产生的磁链，可由％=e。，国求取，‰为空载反电动势，其值为每相绕组反电动势有效值的√j倍，即e。=√i‰，p。一磁极对数，I。一输出电磁转矩。机械运动方程：‘，罢=乙一L吨Q(2_6)J一转动惯量；Q一转子机械角速度；％一阻力系数：瓦一负载转矩。 第二章永磁同步电机的矢量控制原理a．b—c坐标系变量和d．q坐标系变量之间的转换关系如下所示：||]=[器黝嚣：黝恫[；]=缸荔口著孑二z；)3)署；兹3)3，][|]电机状态方程m：瞿一R|LNP毋?一ⅣP叮，一R，Lok．|JO02．2转子磁场定向矢量控制原理+1，￡OO1，LO讣(2．7)(2—8)0o1k(2—9)一了lo2．2．1磁场定向控制原理由式(2．9)可以看出，三相永磁同步伺服电机的模型是一个多变量、非线性、强耦合的状态方程，电磁转矩不能实现线性化控制，也就无法获得高控制性能。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。1971年，德国学者B1ascllke和Hasse提出了交流电动机的矢量理论，采用矢量控制技术可以使交流调速获得直流调速同样优良的控制性能。其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律，在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使得两个分量互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制，从原理和特性上就和直流电动机相似了。因此矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，最终实旌仍然是落实到对定子电流(交流量)的控制上。转子磁场定向(FOc)控制是一种常用的解耦控制方法。OL，妒，P，Ⅳ口O一一● 广东工业大学工学硕士学位论文图2．2永磁同步电机定子A-B-C坐标系与转子o-d-q坐标系的关系Fig．2-2RelationtostatorA·B·Caxisandrotoro-d-qaxisofPMSM转子磁场定向控制实际上是将D砌同步旋转坐标系放在转子上，随转子同步旋转。其h轴(直轴)与转子的磁场方向重合(定向)，口轴(交轴)逆时针超前h轴90。电角度，将定子电流f。在一个d，q坐标系中分解，其中d轴对应着转子轴，转子转动方向和d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：t=n，[伊，f。+(厶一‘)f“f。】(2一lo)其中妒r为励磁与电枢合成磁通，岛，k分别为定子在d轴和鼋轴的电流分量，n。为极对数，L和厶分别为口轴和d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日轴，无d轴分量的控制方式，使定予电流全部用于产生转矩，因此转矩方程变为：丁=n。×妒，ב(2—11)由于永磁同步电机转子为永磁结构，使妒，为常数，因此电机转矩只与定子电流的幅值成正比，只要保持f，与d轴垂直，就可以像直流电机控制一样，通过调整直流量f，。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。永磁同步电机矢量控制系统框图如图2—3所示： 第二章永磁同步电机的矢量控制原理图2．3永磁同步电机矢量控制系统框图Fig．2-3PMSMvectorcontrolblockdiagram从图2—3可知，永磁同步电机矢量控制系统主要由下面几部分组成：1)转子磁极位置检测和速度计算模块；2)速度，电流调节器；3)坐标变换模块；4)SvPwM模块；5)整流和逆变模块；6)电压，电流采样模块。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e指令信号，作q轴电流控制器给定信号，d轴电流控制器的给定信号为O。电流采样得到的三相定子电流L，，。，，，通过clark变换化为甜一∥坐标系两相电流‘，‘，通过Park变换后，化为d—q旋转坐标系的电流值‘，屯，分别是d轴和q轴电流调节器的反馈输入。d轴和q轴电流的给定和反馈之间的偏差分别输入到d轴和q轴的电流控制器，经过控制器的调节后输出电压％，％，再经过Park逆变换分别化为q—B坐标系轴电压“。，M8，调制sVPwM模块输出六路PwM，驱动IGBT产生频率和幅值可变的三相正弦电流输入电机。从图2．3可看出基于转子磁场定向的永磁同步电机矢量控制系统需要提供电机转子的位置信号o。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，t的大小和相位就取决于‘和f。。也即，矢量控制是通过对两个电流分量的分别控制来实现的。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t，通过对这两个电流的控制，使实际的‘和f。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运行的 广东工业大学工学硕士学位论文控制都是适用的¨-，。而且由于位于d，q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，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‘=O时，永磁同步电机相当于一台他励直流电机。定子电流中只有q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。2．2．2永磁同步电机的弱磁控制当电动机超过其基速以上运行时，因永磁转子的励磁磁链为常数，所以电机的感应电动势随电机转速的增加而增加，同时电动机的端电压也随之增加。但端电压要受逆变器最高电压的限制。通过削弱磁场的办法可以在保持端电压不变的情况下提高转速，这种控制方法称为弱磁控制m。这是在基速以上进行调速时经常采用的方法。f∥f。两个直流量各有不同的作用，i。用于产生转矩；‘用于产生磁场。当i。为负值时起去磁(弱磁)作用。‘越大去磁作用越强。因为电机的定子电流也受限制，所以在弱磁控制中，增大屯的同时f。自动降低。减小f。的结果是减小了输出转矩，因此在弱磁控制时的电机机械特性表现为恒功率特性，而在基速以下调速时仍然是恒转矩特性。实现弱磁控制有多种方式，常用的是采用直轴电流负反馈补偿控制的方法m，。因为电压达极限值时，迫使定子电流跟踪其指令值所需的电压差减小至零，逆变器的电流控制器开始饱和，定子中的直轴电流分量匕与其指令值的偏差明显增大，因此在控制中必须增加直轴电流负反馈环节。2．3小结本章从永磁同步电机的数学模型入手，系统地论述了基于转子磁场定向的矢量控制原理，并给出了永磁同步电机的矢量控制系统框图，及简要的阐述了电机的弱磁控制。为接下来的软硬件设计以及仿真实验奠定基础。lO 第三章伺服系统硬件设计随着速度更快、功能更新的新一代微处理器不断涌现，特别是数字信号处理器DSP的出现，使伺服系统的全数字化成为可能。不论是由永磁同步电机或是异步电机构成的伺服系统，均可以采用统一的硬件设计，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特点。下面将详细论述数字永磁同步电机伺服系统的硬件设计。3．1硬件设计总体架构基于TMS320LF2407DSP，运动控制芯片IRMCK20l及IPM为核心组建的交流伺服控制系统的原理框图如图3一l所示：图3-lDsP+IRMCK20l+IPM的数字交流伺服系统原理框图Fig．3-1DSP+IRMCK201+IPMdigitalACservOsystemblockdiagram此交流伺服系统主要由五部分组成：永磁同步电动机，电源模块，驱动与逆变电路模块，速度与位置检测电路模块以及控制电路模块。控制电 广东工业大学工学硕士学位论文路模块包括核心控制芯片TMS320LF2407和辅助专用运动控制芯片IRMCK201，人机界面和基于SCI和CAN总线通讯模块四大部分；驱动与逆变电路模块包括逆变器主电路，电压，电流采样电路，过压／欠压保护、上电限流保护与制动电路等。3．2控制电路设计3．2．1TMS320LF2407DSP控制器概述TMS320LF2407是集成度较高、性能较强的运动控制芯片，将DsP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的高性能控制。它与现存24xDSP控制器芯片代码兼容的同时，该芯片具有处理性能更好(30MIPs)、外设集成度更高、程序存储器更大、～D转换速度更快等优点，是电机数字化控制的升级产品。其主要特点如下m，：(1)两个事件管理器模块EvA和EvB，为开发者提供完整的、高效的马达控制方案，提供所有的PwM和IO，可以控制所有类型的电机：(2)采用高性能静态CMOS技本，使提供电电压降为3．3V，减少了控制器的损耗：30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns，从而提高了控制器的实时控制能力；(3)片内有高达32K×16位的Flash程序存储器；高达2．5K字×16位的数据，程序RAM；544字节双端口RAM(DARAM)；2K字的单口RAM(SARAM)；(4)可扩展的外部存储器总共具有192K×16位的空间，分别为64K字程序存储器空间、64K字的数据存储空间和64K字的I，O空间；(5)lO位ADC转换器，其特性为：最小转换时间为500ns、8个或16个多路复用的输入通道，采集时间和转换时间分开，提高了采样率和输入阻抗，并且支持自动顺序采样，不需CPu干预；(6)CAN总线控制器可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点提供良好的通讯，特别适用于工业现场和汽车等强噪声和恶劣的环境中：(7)5个外部中断(两个驱动保护、复位和两个可屏蔽中断)。2407的内部结构功能框图如图3．2所示。 第三章伺服系统硬件设计图3．2TMs320LF2407功能框图Fig．3-2TMS320LF2407functiondiagram3．2．2DsP外围电路设计1、人机界面接口模块人机界面模块包括数码管显示器和键盘输入两部分。其中显示器用来实时显示电机转速；键盘的功能包括设置电机转速大小，正，反转，加，减速，起动，停止以及和上位机通信等多种功能设置。通过此人机界面模块，可以更方便地对电机进行监控。由于TMs320LF2407片内拥有丰富的数字I，O口，因此显示电路采用4位共阳七段数码管的静态显示方式，显示电路硬件原理图如图3—3所示。静态1’ 广东工业大学工学硕士学位论文显示比起动态显示的优点是不必占用cPu运行时的资源，一旦刷新之后就能够保持，直至下一次数据到来。显示驱动器采用带三态缓冲输出的8位锁存器74LS373，每位数码管的段选线(a—dp)分别与锁存器的8个输出端相连，锁存器的8个输入端则连接到LF2407DsP的I／O口(IOPE0—10PE7)，此外，每个锁存器的状态控制引脚分别与LF2407DsP的一个I，O口相连作为数据传输的控制信号。图3．34位数码管静态显示硬件原理图Fig．3-34LEDstaticdisplaydiagram在键盘设计方面，根据实际要求并考虑到DSP的1，o资源比较丰富，因此采用独立式按键。即每个按键单独占有一根I，0口线，每根I／O口线的工作状态不会影响其它I，O口线的工作状态。本系统设计设计了八个按键来实现不同的功能。具体包括设置电机转速大小，正，反转，加／减速，起动，停止以及和上位机通讯等多种设置，每个按键分别通过lOK的上拉电阻与DSP的数字I，O口相连，具体的硬件原理图如图3—4所示。14 第三章伺服系统硬件设计图3-4键盘硬件设计原理图Fig．3-4Keydesignerdjagram此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻保证了按键断开时I，o口线有确定的高电平。在消抖动方面主要采用软件消抖。在第一次检测到有键按下时，执行一段延时20毫秒的子程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，从而消除了抖动的影响。2、通讯接口模块由于RS232通讯距离短，而且只能进行点对点通讯，不能直接组成多点通讯网络。CAN总线是一种串行数据通信协议，被广泛应用于网络化测量技术中，利用将RS232通讯转换成CAN通讯网络，实现了建立远程通讯网络。整个通讯网络实时性好、可靠性高、传输距离远、应用灵活。CAN总线即控制器局域网m·，是目前应用最广的现场总线国际标准之一。cAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，可以实现较高通讯速率、高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误，以保证实时通讯的可靠性。此外，cAN总线具有很远的数据传输距离和高速的数据传输速率(高达1Mbps)，当信号传输距离达到5Km时，CAN总线仍可提供高达10Kbps的数据传输速率。TMs320LF2407DsP同时内嵌了cAN和scI模块，为实现把Rs232通讯网络转换成CAN通讯网络提供了极大的方便。CAN模块是一个16位的 广东工业大学工学硕士学位论文外设模块。它完全支持cAN2．0B协议¨6·；可工作在标准模式和扩展模式；支持数据帧和远程帧；数据收发采用邮箱方式；有可编程位定时器；可对中断配置编程：可编程实现总线唤醒功能；能自动回复远程请求；有完备的错误诊断功能；可进行自i贝!}试；有自动重发功能。而邮箱方式是TI公司CAN控制器的一大特点，它们把一个RAM空间(48x16)分为六个邮箱，每个占4x16)位的存储空间，每个邮箱都由寄存器控制。而scI(串行通信接口)模块支持cPu与其它使用标准格式的异步外设之间的数字通信，通过Rs一232接口可以方便地进行DSP之间或与PC机之间的异步通信。只要把上述两模块综合地运用起来，就可以方便地实现RS232与CAN的协议转换。Rs232总线与CAN总线通信协议转换单元的原理框图如图3—5所示：螺蹰Z《U母3巧耐持鼢与eANj爵静转换单元的原理框母Fig．3-5RS232andCANcommunicationconvertdiagramRs232电平转换采用TI公司的RS232电平转换芯片，它可以把输入的+3．3v电源电压变换成为Rs232输出电平所需要的±10v电压。该电路采用了符合Rs一232标准的驱动芯片MAx3232进行串行通讯。MAx3232芯片功耗低，集成度高，+3．3v供电，具有两个接收和发送通道。由于TMs320LF2407采用+3．3v供电，所以在MAx3232与TMS320LF2407之间不须要加电平转换电路。cAN收发器也直接采用+3．3v供电的cAN收发器sN65HVD230，它是驱动CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的差动发送和接收功能。由于TI公司的SN65HvD230是提供+3．3v供电，同时由于LF2407也是使用3’3伏供电，因此也不须要做电平转换。整个接口电路简单，可靠性高。作为上位机的Pc通过其串行接口发送数据，产生Rs232电平信号，由电平转换电路将RS232电平信号转换成TTL，CMOS电平信号，并传到DSP的SCI 第三章伺服系统硬件设计模块中，并由该模块将收到的数据打包、转换后，通过DSP的CAN模块、cAN收发器发送至cAN总线上。挂在cAN总线上的下位机节点收到数据后，根据命令做出相应动作，然后返回信息经原路发送至PC机。RS232与CAN总线通信协议转换的具体实现电路如图3．6所示。H卜}一ll口】“l』一l耐j∞||●』lL儿—上』专习；网：胃商』了13舅孽钎{；o止幽o止—刖_______——图3．6RS232总线与CAN总线通信协议转换的硬件原理图Fig．3·6RS232andCANcommunicatjonconverthardwarediagram3．3驱动控制芯片IRMCK201IRMCK201是一种高性能的交流伺服电机控制芯片。IRMCK20l的一个突出优点是不需要编写复杂的控制算法，运动控制算法全部通过硬件实现，并允许用户根据具体的应用需求而配置不同算法，它适用于永磁同步电机和交流感应电机。通过利用IRMcK201，可以组建高性能的交流伺服系统，并且能够大大简化硬件系统设计并使成本减至最少¨8，。目前由IRMCK201组成的交流伺服系统能适用于数控机床、机器人、包装设备、航空航天以及变频器等众多领域中。JRMcK2叭含有用于控制三相电流的电流环和基于编码器位置反馈接口的速度环：提供了多种与外部主机通信方式，可以通过RS232、SPI接口或8位并行接口来配置和监控系统的运行，方便地与其它单片机或DsP进行通信，也可以独立运行而不需要外部主机参与控制，其运行参数通过外部EEPROM来保存，上电自动从EEPROM中读取参数。RS232通信方式可以通过硬件选择，Rs232接口允许Pc直接对其进行寄存器的配置修改及状态读17 广东工业大学工学硕士学位论文取，通信波特率可以通过外部引脚来选择。在SPI接口方式中，芯片处于从方式，通信最高时钟可达8MHz，可以实现与主机高速通信。不同通信方式通常都处于激活状态，可以相互切换但不能同时运行。IRMCK201芯片内部结构w如图3—7所示：图3-7IRMCK201芯片内部结构图Fig．3-7IRMCK20linsideframediagram电机三相电流避避鲋2变换与矢量旋转变换被分解为产生磁通岳辱励磁电流分量J。和产生转矩的转矩电流，。分量，这两个分量分别进入独立的比例积分放大电路进行运算。芯片可以启用或禁止速度闭环控制，启用速度闭环控制时，通过改变给定速度值，给定速度值与反馈速度之间相互比较将产生速度偏差。基于这个偏差，速度调节器产生一个对应的转矩电流，。。当速度闭环控制禁止时，可以直接改变转矩电流，。。。电流控制器产生输出电压【，。和％(在旋转坐标系d，目)，再经过PARK逆变换分别化为n—B坐标系轴电压U口和U。，然后经过SVPwM模块计算后输出六路PwM信号，驱动电机运转。此外mMcK20l芯片还提供了丰富的外围接口，包扩：主机通信接口；传感器接口；编码器接口；串行存储器以及离散I，O接口等。mMCK201基本功能模块框图如图3—8所示： I器篓嚣§警嚣—专剖渊I位电辩接口p——～熬．降e—f瑟两t辩S232腿S辛22．K===o、I竺==sPI和并豁口)lI目M(jK20I0——一杂鹌器接。。擞郴期睁耸伺J靛拱!制芯片、ll。。<拿—刊。”n转擐携q啦掣麓罗M寥=司—剖豪蓁纂擎接口p——’’图3-8IRMcK20l基本功能模块框图Fig．3-8IRMCK201functionmodeldiagramIRMCK201还具有A，D转换信号接口，直流母线电压反馈及过压制动控制接口。可以通过～D接口输入模拟参考电压来改变输出转速或输出转矩。同时芯片具有PwM输出，通过简单低通滤波可以作为D，A信号输出。图3-9给出了DSP的数字I／O口与IRMCK201并行口连接以及与编码器接口原理框图。图3-9DSP与IRMCK201并行口以及编码器接口原理框图Fig．3·9ParanelandEncodeInterfacediagramofDSPandIRMCK201在图3-9中，瓜McK201芯片上的引脚信号HPA、HPscN、HPWEN、HPOEN引脚分别表示数据／地址选通信号，片选信号，并行口读，写信号以及输出使能信号。通过对这四个信号的控制同时配合并行口数据通信格式就可以方便和快速地与外部主机进行通信。 广东工业大学工学硕士学位论文3．4功率驱动电路设计3．4．1逆变器电路驱动与逆变电路使用的是Ⅲ公司的PM模块瓜AMxl6UP60A，它除了将所有的高压功率晶体管和关联驱动器电子线路集成在一个小型绝缘封装外，还具有保护功能，以确保操作安全以及系统可靠。此外，它还能够由一个+15Vdc电源来提供工作电压，以便进一步简化其在电机驱动应用中的使用。该高压三相驱动器IC的一些突出的优点如下：用于自举操作的可变通道溶许负瞬变电压；宽栅极驱动电压范围(10～20V)；用于所有通道的欠压闭锁功能；用于全部6个驱动器的过流关断功能；所有的通道都具有匹配的传播延迟；交叉传导保护逻辑电路；旨在实现抗噪声的低栅极驱动器；备有可编程外部延迟以实现自动故障清除。该模块采用了一个集成热敏电阻温度传感器(用于提供过热和过流保护)。此外该模块还具有适合于先进电流检测技术的低侧发射极输出引脚，该技术利用每个电机相位上的外部分流来对电流进行连续监视并实现短路检铡和保护。用于高侧驱动器部分的集成自举三极管加上一个用于晶体管和驱动器IC的单+15V电源进一步简化了该电源模块的使用。由于该IPM采用的是不需要负电源来完全关断器件的正栅极驱动型IGBT，所以只需采用单极性电源便足够了。IRAMxl6uP60A模块内部结构如图3．10所示。该模块所用IGBT的另一个颇具吸引力的特点是对于器件接通及关断提供更加优良的栅极控制。为了保持高效率，IGBT开关能耗被维持在最低状态。当Ic=5A，v，，=400v和温度为25℃时，逆变器的总开关能耗(接通和关断损耗之和)为225uJ。在相似的条件下，温度为100℃时的开关能耗被维持在低至310uJ的水平上。该省位模块能够承受高达600v的电压。它采用了一个单片高压驱动器IC，从而使得所需的外部元件大为减少。这种片上集成度显著减少了模块内部的布线及互连通路的数量，从而大大降低了寄生损耗，并进一步提升三相逆变器的效率。 量三量堡矍至竺矍竺兰苎+l螂垤峰V附唧垤tU蚓V啦ⅥV髓V弛砒V釉村删t托臻Z牲嘏3蜊1删2U牲3糯忡B图3．10IPM模块IRAMxl6uP60A内部结构图Fig．3·10IPMmodelIRAMXl6U60Ainsideframediagram2 广车工业大学工学硕士学位论文3．4．2电流／电压采样电路1、电流采样电路伺服系统的电流采样电路使用的是IR2175高压Ic电流传感器。同传统的霍尔电流传感器相比，IR2175有如下特点：低温漂；数字PwM输出，简化了接口电路；勿需线性光耦及A，D转换器。IR2175线性电流传感芯片作用是将电流信号从伺服电机的高端驱动电路转换到低端驱动电路，这样电流信号就能够被以地为参考的控制电路来进行处理了。在伺服电机相电路中串联一个取样电阻，随着电机相电流的变化，取样电阻上面产生一个很小的交流电压信号作为IR2175电流传感器IC的输入。IR2175的摄大输入电压为+260mV，因此，过载电流流过取样电阻时所产生电压应为260mV(例如：对于10A的过载电流，取样电阻应为26mQ)。在IR2175的高端电路中，交流输入信号被转换成载频为130kHz的PwM信号，经过电平转换，PwM信号被转换成了以地为参考点的信号。对于信号的处理可以用滤波器滤掉载波信号从而重构模拟电流信号或者直接和低端数字控制电路进行接口，并用软件来计算电流，本系统采用后者来实现的。图3．11电流采样传感器IR2175硬件原理图Fjg．3-llCurrentsamplesensorIR2175diagramm2175与各模块连接的硬件原理如图3—1l所示，由于PO引脚是一个PwM输出脚，这意味着它很容易和工作电压从3_3V到15v的控制电路进行连接。但PO引脚上需要接一个上拉电阻(上拉电阻的大小根据与PO所连接电 第三章伺服系统硬件设计路的输入电流的不同而进行选择，其典型值为1—10Q)。在实际系统中，由于经过传感器出来的电流信号有高次偕波及其它干扰信号，因此必需要设计滤波器把高次偕波及其它干扰信号抑制掉。结合实际情况考虑，本文设计了带有电压跟随的二阶低通滤波器，具体原理图如图3—12所示。图3-12二阶低通滤波器设计原理图Fig．3-12twoorderlow-passnlterdesigndiagram在上图中，二阶低通滤波器参数选则及计算一般按照以下公式Rc：l，(2×石×，0)(3—1)上式，0表示低通滤波器的截止频率。在本设计中取电阻R=10KQ，C1=O．1u，C2=0．05u。因此计算出滤波器的截止频率，0为224Hz。经过上述的设计后，从滤波器出来的信号基本上是不含有高次偕波及其它干扰源的电流信号，这个信号通过后级电路放大及限幅处理后使电压幅值限定在0—3V内再进入DSP进行处理。2、电压采样电路直流母线电压检测电路的设计采用差动放大电路，其目的是有效地消除共模干扰，电路如图3一13所示。直流母线电压u。的范围在O一400V，因此首先对u“进行分压与滤波，然后再利用差分运算放大芯片TL2374和输出滤波电路，传送至输出端u。。。。差动放大电路的静态增益为：u。。。=u却×i五五j乏‰(3—2) 广东工业大学工学硕士学位论文图3．13直流母线电压检测电路原理图Fig．3-13VoltagedetectdiagramtoDC—BUS该电路配合多路复用器，采样保持电路及A，D转换器把母线电压信号送进IRMcK20I内进行计算，并实时检测直流母线电压是否过高，当过压发生时，立即激活IRMcK20l内部的错误锁存器，切断所有信号，并以相应的指示灯作为报警信号。3．4．3编码器接口电路IRMCK2叭带有编码器接口电路，可以方便地组成一个全闭环伺服控制系统。它可以与多种编码器接口，脉冲数可以从200～lO000个／转，脉冲频率可以达到1MHz。编码器接口具有相互正交的ENA、ENB编码器信号及z脉冲标志信号接口。同时还具有三路HALL信号输入，这三路信号既独立使用也可以复用。系统上电时可以通过三路HALL信号及z脉冲位置估算编码器初始值。本系统使用的编码器是带有A、B、z和u、V、w六路信号，其中A、B、Z又各自分成A±、B±、z±两种信号，通过利用差分收发器Ds3486把上述各信号分别转换成单路输出，再连接到IRMcK201编码器接口弓}脚ENA、ENB和ENz上，这样能有效地抑制共模干扰信号。具体的硬件接口连接图如图3．14所示。 叁三茎堡矍至篓矍丝兰兰图3．14编码器硬件接口原理图Fig．3-14EncoderInterfacediagram3．4．4保护与制动电路在主回路设计时，必须考虑制动保护、起动限流保护、过电压与欠电压保护。图3．15主回路原理框图Fig．3·15Maincircuitdiagram在图3．15中，由于主回路采用二极管整流桥产生直流电源，不可能将制动时电动机产生的能量回馈到电网，因此采用能耗制动方式。当泵升电压达到一定值时，由DSP输出PwM脉冲信号触发Ql导通，使电动机制动 广东工业大学工学硕士学位论文时产生的能量消耗在制动电阻R0上。此外为了限制上电瞬间冲击电流过大而容易使整流桥造成损坏，因此在主回路设计时使整流桥和滤波电容之间串入热敏电阻Rl，电路如图3-15所示，上电电流首先经热敏电阻限流，延迟数秒后，继电器触点闭合，短接热敏电阻，从而起限流作用。对于过压与欠压保护，都是通过检测直流母线电压，送DSP做判限处理，若电压高于或低于直流母线电压限值，则DsP停止PwM输出同时给出报警信号。其原理如图3—16所示，当母线电压正常时，经电压采样后，udc大于基准电压值uin，并经比较器和三极管Q2输出低电平信号，继电器线圈吸合，触点闭合把热敏电阻短接，主回路工作正常。当主回路发生欠压时，通过对母线电压采样后，Udc小于基准电压值Uin，经比较器和三极管Q2后输出高电平信号使继电器线圈不吸合，触点断开，使主回路的电流流经热敏电阻，在短时间内把主回路断开，主回路不工作并向DSP发送高电平过压报警信号停止PwM输出，从而起到欠压保护作用。当主回路发生过压时，其原理与上述类似。{种朋图3．16垒压检测原理框图Fjg．3-16oVerVoltagedetectdiagram3．4．5驱动电路的隔离IPM门极驱动电路原理如图3—17所示，它实现对IRMcK201的PwM输出信号与IPM的光电隔离，并实现驱动和电平转换功能。光耦采用 第三章伺服系统硬件设计HCPL一2631，这是一种快速光耦，供电电压为5V。{图3．17IPM门极驱动电路Fig．3-17IPMgatedriVercircuitdiagram3．5控制电源设计对于整个系统而言，需要多路不同电压等级的直流电源，如DSP控制板和驱动控制芯片IRMCK201需要：+5V、+3．3V电源，与光电编码器、电压采样、光电隔离等电路共用；IPM逆变器需要一路+15V，与电流传感器、故障检测等电路共用。本系统采用开关稳压电源作为控制电源供电，其电路原理如图3一18所示。本设计选择由集成控制芯片UC3842构成反激式变换器Ⅲ，，UC3842是基于电流控制的专用芯片，具有电压调整率高、外围元件少、工作频率高、起动电流小的特点。其输出电流为lA，能直接驱动双极型晶体管，特别适用于20～80w的小功率开关电源。控制电源用变压器获得多组电压输出，供给三相逆变器各功率开关元件驱动与PWM系统控制使用。开关电源的开关元件一般均选用功率场效应管，并依据输入最高电压时输出最大电流的要求来确定其电压与电流的等级，且预留有1．5～2倍的电压和2～3倍的电流裕量。开关元件的电压u，。通常可按经验公式m，选择：U。D=Ud一，(1一p)(3—3)式中％一一输入端的最大电压；p—PwM的占空比。开关元件的电流按高频变压器一次绕组的最大电流来确定。在本设计中，最大输入电压为单相峰值电压，取p=0．5，故选用耐压900v、电流3A的场效应 广东工业大学工学硕士学位论文管(实际使用的开关原件是mFBG30，其最大电流和耐压值分别为3A，1000v)。为了保证开关元件在快速开关过程中不产生过大的尖峰电压，须用RcD缓冲电路来抑制。缓冲电路二极管选用快速恢复或超快速恢复二极管。本设计中变压器的二次绕组分别提供四组电压：电压+5v、电流500mA；电压+3‘3V、电流1500mA；电压+15V、电流100mA；电压+5v、电流500rnA。由以上设定条件可知，变压器的输出功率为P=5×O．5+3．3×1．5+15×O．1+5×O．5=11．45(矸7)(3—4)考虑效率及留有一定裕量，实际选用功率为20w。本开关电源选用EEl9磁心，其磁心有效横切面积为O．2cm2，磁芯间隙为3．6小结本章论述了永磁同步电机伺服系统的硬件设计，该系统使用了TMS320LF2407型DSP数字信号处理芯片，并辅以IR公司的专用交流伺服控制芯片IRMcK20l和智能功率IPM模块瓜AMxl6uP60A组成交流伺服控制系绕。本章详组描述了该系彰瀚硬件设计，包括硬件设计总体架梅、DsP控制电路、功率驱动电路、控制电源以及保护、采样电路等各单元的设计。最后还利用DsP内嵌的cAN(控制器局域网)模块和scI(串行通信接口)模块实现DSP之间的通信，为以后使交流伺服控制系统具有网络化功能奠定基础。以上所有工作为接下来的实验调试打下了基础。 第三章伺服系统硬件设计j日■：口目uH∞∞j；0‘■0-E00∞一●nt一禹，o名驴配鳓蜒妒剃帅—移铷。％档‰。名。雀 广东工业大学工学硕士学位论文第四章伺服系统软件设计本控制系统使用的软件平台是TI公司的集成编译环境ccs，使用汇编语言进行编程，并采用模块化的编程设计思想，以便管理和修改，下面对调节器设计和系统软件的各个功能模块进行详细的介绍，并给出相应程序流程图。4．1调节器设计及控制策略4．1．1数字PI调节器的DSP实现方法在电机的闭环控制中，调节器一般采用PI调节器。常规的模拟PI控制系统原理框图见图4—2。该系统由模拟PI调节器和被控对象组成m。图中，r(f)是给定值，)，(f)实系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差g(f)。已(f)=r(r)一y(f)(4．1)P(f)作为PI调节器的输入，“(f)作为PI调节器的输出和被控对象的输入。所以模拟PI控制器的控制规律为：m，邓小∽+寺№州饥c4彩式中，足，为比例系数，L为积分常数。图禾2PI控制系统原理图Fig．4-2AnalogPIcontrolsy咖mblock比例调节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数， 第四章伺服系统软件设计比例系数越大，控制越强，但过大会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。积分调节的作用是消除静态误差。但它也会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。采用DSP对电机进行控制时，使用的是数字PI调节器，而不是模拟PI调节器，也就是说用程序取代PI模拟电路，用软件取代硬件。将式(4．2)离散化处理就可以得到数字PI调节器的算法：“t2置，瞳x+；；_妻e，，+“。ca—s，或“t=KP‰+Ⅸ，∑P，+“。(4-4’式中：t为采样序号，k：o，l，2，⋯；“。为第≈次采样时刻的输出值；吼为第々次采样时刻输入的偏差值；K，为积分系数，足，=Ⅳ，，一；‰为开始进行PI控制时的原始初值。用式(4_4)计算PI调节器的输出M。比较繁杂，可将其进一步变化。令第女次采样时刻的输出值增量为：△“t=“t一“I—l=KP(Pt一已t—1)+丁X，P^(4—5)所以“k=“H+KP0t一已±一1)+ZKfe女(4—6)或‰=“^一l+世I％+K2‰一I(4-7)式中，“。为第t一1次采样时刻的输出值；％一，为第^一1次采样时刻输入的偏差值；墨，K2为积分系数，Kt=KP+瑙，；K2=一KP。用式(4—5)或(4—6)就可以通过有限次数的乘法和加法快速地计算出PI的输出H。。以下是用DSP汇编语言实现式(4-7)计算‰的程序代码：LTMPYLACCSUBSACLLACCEK；丁=吼一lK2：K2是Q12格式GⅣE；给定值MEASuRE：减反馈值EK；保存偏差P。UK，12；“f—lL11AEK；ACC=“t—l+K2已I—lMPYK1：K1是Q12格式；P=置^APAC；ACC=Ht—l+Kl吼+髟2已女一lSACHUK，4；保存 广东工业大学工学硕士学位论文4．1．2位置调节器设计伺服系统与普通的调速系统有着紧密联系但又有明显不同。一般的调速系统希望有足够的调速范围，精度以及快、平、稳的启、制动性能。而位置伺服系统一般是以足够的位置控制精度(定位精度)和足够快的跟综速度来作为它的主要控制目标，特别是在数控机床位置进给控制中，数控机床的精度和速度等技术指标往往取决于伺服系统，为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，绝对不允许出现位置超调。而本系统主要是应用在数控机床上，因此位置控制器对位置进给伺服系统非常重要。位置环的作用是通过给定的脉冲指令使电机准确定位，并且电机的转速与位置完全由给定脉冲的频率和个数来决定。通过设定的目标位置与电机的实际位置相比较，利用其偏差通过位置调节器来产生电机的速度指令。1、带比例控制的位置调节器设计由于在大多数位置伺服特别是在数控机床位置进给控制中，为了加工出光滑的零件表面。绝对不允许出现位置超调，面采用“比倒裂”位置讽节器可以较容易地达到上述要求，因此大多数位置伺服控制都采用这种方法。一般的设计方法是把位置环设计成纯比例调节。其作用是对偏差瞬间作出快速反应，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。但在本实际系统中由于反馈脉冲数是由连接在电机轴上的复合式编码器给出，而在软件实现时，DSP的计数器会在电机每转完一圈后就会自动清零，若按照传统的纯比例调节，则随着圈数的增多，会影响其定位精度。考虑到以上情况并结合本文结合实际，把位置环设计成比例调节器进行控制，同时对给定脉冲指令做修正。即要把给定脉冲与当前反馈脉冲数之差作为修正后的给定脉冲，并同时把此给定脉冲作为下一次脉冲给定指令修正计算的给定脉冲。这样经过修正处理后，就避免了随圈数增多因DsP计数器清零而引起的误差，从而保证定位精度。这种方法在软件上是很容易实现。位置环的输出经过速度限幅后进入速度调节器，具体的位置环控制框图如图4—3所示。通过调节比例增益，可以保证系统对位置响应的无超调，但通常这会降低系统的动态响应速度。 第四章伺服系统软件设计输入辣冲图4．3伺服位置环控制的控制框图Fi昏4·3PositionPIcontmIblock从图4—3可看出，经过脉冲指令给定修正计算后，其修正值o’在进入比例调节器运算的同时作为下一次脉冲给定指令修正计算的给定脉冲与当前反馈脉冲数。相减，而不是o’与。相减，就避免了因DSP计数器清零而引起的误差。图4．4是采用了比例型位置环调节器进行仿真的给定脉冲输入与电机转速仿真曲线关系。’然茹，飞了；≤￡蛳诗{增^／《瓣建簿醺翳簿．’醺；／、妻鍪麴k处于每蓬杖鑫鲶定辟i牛、自札俸【7螽辩持也、北l、啦]＼f■E％口__H≮《#目H■《■■■∞＆目￡∞图44位置控制的给定脉冲仿真曲线关系Hg．4-4P惦i60nc帅tmlSiInuUnkcurvebIock仿真图中给定的指令脉冲输入是阶跃信号，对于实际系统应该是斜波给定输入。从图中可看出，可看出电机转速曲线与给定指令脉冲曲线有跟随误差，这是因为当采用比例型的位置调节器控制时，其比例增益K。与给定输入的跟随误差成反比。要减小跟随误差就要增大K，，但是增大K，的同时要影响到伺服系统的动态性能，K，越大，系统的稳定性越差。因此设置K。的大小要同时兼顾两方面的要求。因此，采用比例型的位置调节器控制，其跟随误差是无法完全消除的。从以上仿真可看出在位置伺服系统中，当给定位置与反馈位置相等时，速度 广东工业大学工学硕士学位论文环输出为零，电机停转；当给定位置与反馈位置不等时，驱动电机转动，直到实际位置达到给定位置。然而在实际系统中，稳态误差产生还与编码器的分辨率和位置环的开环增益有关。编码器分辨率高时，转子旋转一圈内发出的脉冲数越多，单个脉冲表示转子角位移越小，因此可以检测到越小的转子角度的变化。当位置环增益越大，对转子角位移量的放大作用越强，使输入到速度控制器的值越大，定位精度越高，但容易造成系统不稳定；反之当位置环增益若太小，虽然编码器已经探测到转子的微小角位移，但在比例型位置控制器情况下，输出到速度控制器的速度指令值小得无法驱动电机去跟踪给定位置而引起误差。所以在保持系统稳定前提下，编码器分辨率越高，位置环的增益越大，定位精度越高。2、前馈控制的位置调节器除了采用较为通用的比例控制作为位置调节器外，在一些高档的数控系统中，还采用了前馈控制和预测控制等方法来改善系统的性能，这里以进给伺服系统为例对前馈控制作简单介绍m-。图4-3进给伺服系统结构Fig．4-3FeedServoSystemb10ck进给伺服系统结构如图4—3所示。图中位置控制器相当于一个比例环节，其比例系数是K。。位置控制器输出是数字量，必须经过D，A转换后才能控制调速单元，D，A也相当于一个比例环节，比例系数是K。。从位置环的角度看，调速单元可等效为一惯性环节H“瓦j+1)，其中咒为贯性时间常数；‰为调速单元的放大倍数。位置检测环节也可看作是一个比例环节，其比例系数是K，。在采用前馈控制的进给伺服系统中，其动态结构图如图4-4所示， 第四章伺服系统软件设计图4·4前馈控制进给伺月＆系统动态结构图Fi94-4Forw丑rdcom阳IFcedServoS”temD哼namicblock其中F(s)表示前馈控制环节，其闭环传递函数G，(s)为：G。(。)：墨!丝!!!&!±!!兰!墨!±!!!塑(4—8)1+世P置。Ky世，／j(瓦J+1)若令川垆器硎上捐简骗G如卜亡‘4剐上式表明，位置伺服系统可以用一个比例环节来表示。但事实上这是很难实现，因为从F(s)的表达式可以看出，若要将G，(s)简化成比例环节，需要引入输入信号的一阶和二阶导数，实现起来很困难。简单可行的办法是只引入R(f)的一阶导数。令F(s)=j，(置，K．置。)，这就是前馈环节的传递函数。因此引入前馈环节，(s)的目的就是要对系统的跟随误差进行补偿，从而大大减小跟随误差m，。4．2DSP系统配置及初始化4．2．1定点DsP的数据格式处理由于1Ms320LF2407是一个定点DsP，为了保证运算的精度，在调节器和控制算法中会涉及到大量的浮点运算，因此要对系统的参数进行规格化处理。例如对于某个系统变量K=3．999，可以用一个字来表示一3F硎，其中高4位为整数部分，低12位为小数部分，最高位为符号位，这样的表示方法称为Q12格式。其精度为l，2”=0．00024；414。实质上，Q。格式是将一个数放大了2。倍，然后舍去了剩余小数，形成一个全是整数的替代数。这样，这个数才可以进行能够保证一定精度的定点运算。在 广东工业大学工学硕士学位论文最初设计时，～般的原则是先估计一个数的变化范围，然后再去设计这个数的精度表示，如果精度不够，可以用扩大数的位数方法来弥补，最终给出一个满意的Q格式数据。Q格式数据间的运算遵循以下原则：加减运算必须保证参与运算的数据是相同的Q格式；不同Q格式的数可以进行乘运算，例如Q．格式的数乘Q。格式的数，运算结果的数为Q。+。；若Q。格式的数除以Q。格式的数，运算结果为Q。一。。4．2．2DSP初始化配置及中断服务程序在DsP系统的控制软件中，充分利用了DsP丰富的软、硬件资源，并依据模块化的编程设计思想，将系统软件按功能分为2部分：主程序及两个中断服务程序，其中中断程序包括定时器下溢中断ⅢT2与捕获中断ⅢT3。系统在每次复位后首先执行初始化程序，实现对DsP内部各功能模块工作模式的设定和初始状态的检测以及对程序中各参数初始化，在完成上述工作后，同时当外部中断条件满足时，系统执行中断服务子程序。电机的主要控制策略由定时器下溢中断子程序来执行。主程序流程如图4—5所示，主程序是系统控制软件在完成初始化之后进入的一段循环执行韵程序。当橙钡口到外部中断时，系统马上进入中断服务子程序。图4-5主程序流程图Fig．4-5MainproFamnowchart36 电机控制策略在NT2定时器下溢中断子程序中实现。下溢中断程序是整个伺服控制程序的核心，包括实现SvPwM计算、坐标变换计算、速度，电流调节器计算、位置调节器控制计算等众多功能。mT3捕获中断服务程序实现转子磁极初始位置检测。控制软件通过在初始化程序中设置事件管理器的相关寄存器，就可以在允许中断触发后，每隔一定的时间间隔来中断主程序的执行，从而执行一次中断子程序。该时间间隔通常与PwM的调制频率相关，本文研制的系统，调制频率为20kHz，因此定时中断程序执行的时间间隔为50us。这样通过对定时器中断子程序的循环执行，即通过对矢量控制算法及各功能模块的循环执行，就实现了对电机的控制。定时器下溢中断子程序流程图如图4—6所示。图4-6：定时器下溢中断子程序流程图ng．4-6TimerTIunnowinterruptnowchartcAN总线与SCI通信的软件设计主要包括了DSP系统初始化，SCI初始化，SCI发送接收数据，CAN初始化，CAN发送接收数据请求，对于CAN模块的具体配置和使用将在4．4节做详细的介绍。DsP系统初始化设计主要是为了使DsP进入正常的工作状态，scI模块初始化包括以下几大部分：把相对应的I，0口配置成具有SCI的特殊功能；时钟模式的选定；波特率选择；发送接收数据长度选择：内部相对应的时钟使能。所有设置都是通过相对应的scI控制寄存器实现的。 广东工业大学工学硕士学位论文4．3DSP与IRMCK201通信的软件设计在取MCK201提供与外部主机通信的三种方式m呻，利用8位并行接口进行传输是最快的，而且并行接口几乎与所有的微控制器，DsP相兼容。只要配合正确的读写时序和通信协议，即可以进行通信，并且整个操作过程都是只需要对相应的寄存器进行读写操作，省去了编写大量复杂程序的麻烦。下面给出并行接口通信格式和读写时序图。地址字节数据字节1数据字节⋯数据字节NHPA=lHPA爿0HPA=oHPA=O表4．2：并行数据通信格式Tab．4．2Para¨eldatac伽nmunicationf0咖at图4-7：并行口写时序图图4．s：并行口读时序图F．g．4·7Parallelwritecon69ureblockFig．4·8Parallelreadcon厅gIIreblock其中HPCSN、HPwEN、HPOEN引脚分别表示片选信号，并行口读，写信号以及输出使能信号直接控制读写操作。从图4．7和4—8可看出，通过对这三个信号的控制同时配合并行口通信格式就可以方便和快速地与外部主机进行通信。在进行写操作时，HPwEN变低同时HPOEN置高，直到传送完一个数据。而在进行读操作时，HPwEN必需变高同时HPOEN置低。每次传送完一个数据时，必须加上一段几个毫秒的延时程序，以确保数据能准确无误地接收和发送。由于取MCK201内部的控制状态寄存器映射为128个地址空间，因此只要读写时序配置正确，然后利用DsP把相应的地址和数据写或读到mMCK201对应的寄存器中，系统就可以运行，软件不需要编写大量复杂程序。图4—9给出对芯片IRMCK20l其中一个寄存器进行写操作的完整流程图。 篁塑耋堡!!垂垒鍪些堡茎图4-9寄存器写操作流程图Fj昏4·9re殍sterwriteco姆rebIock下面给出了用DSP对瓜MCK20l上其中一个寄存器(编码器最大值寄存器)进行写操作的完整代码：LDP#DPPF2SPLK样0同FFEH，PADATDⅡt：SCN=1＆OEN=l&WEN=0&HPA=1SPLK加FF03H．PBDArDⅡ己SPLK拌0FFFFH，PADArDⅡt；SCN=1，寄存器地址(03H)发送完毕CALLDELAY1MSSPLK加F17FAH，PADArD卫R；HPA=oSPLK搬)FF27H．PBDATD瓜；对寄存器写数据(高8位)SPLK加FFF2H．PADArDm；SCN=0，开始发送CALLDELAY—lMS：延时1MS；SCN=l。发送完毕39SPLK加FFFFH．PADA：ID【R；寄存器高8位数据发送完毕CALLDELAY—lMS：延时1MS；开始准备发送低8位数据SPLK舯FFFAH，PADA：rDⅡt：HPA=：oSPLK{}oFFOFH．PBDATDⅡ己；对寄存器写数据(低8位)SPLK加FFF2H．PADATDⅡt；SCN=O，开始发送CALLDELAY_1MSSPLK踟F]既7FH．PADATDⅡt：SCN=1，低8位数据发送完毕CALLDELAY—lMS 广东工业大学工学硕士学位论文对于读操作，只需把片选信号HP、)l，EN变低，而把输出使能信号HPOEN置高即可。除了利用2407的I／o口来模拟瓜MCK20l并行口的读写时序，还可以直接使用24J07的数据线D7一DO以及wR，RD，Is等控制信号与并行口进行数据读写，效果完全一致。4．4CAN总线通信的软件实现一次完整的通信过程由PC机发起，PC将要发送的数据送到DSP的ScI模块，将数据帧接收下来，并将该数据帧转换为符合cAN总线协议的数据帧并送到CAN模块，最后通过cAN总线发送到指定下位机节点。下位机节点在接收到命令后，对命令进行解释、执行，并组织相应的返回数据帧通过CAN总线向PC发送。返回的数据帧也首先到达DSP的CAN模块，接收下位机节点的返回数据帧，然后对返回数据帧进行处理、打包，最后通过DSP的SCI模块向Pc机发送。该软件设计由初始化程序、串行接收中断程序和发送子程序、cAN接收中断程序和发送子程序5部分组成。初始化程序包括SCI和cAN模块初始化和DsP系统初始化三郭分。其申sel模块初始化_己在前面做了说明，而cAN模块初始化包括相关∞口，位定时器的设置以及邮箱的相关配置。图4．10给出CAN模块初始化流程图：图4-10cAN模块初始化流程图Fig．4-10CANmodeIinitialblock40 第四章伺服系统软件设计图4—1l列出了数据的发送与接收请求的配置流程图。图4·11数据发送请求和数据接收配置流程图Fig．4-11Datasendandreceivecon69Ilreblock下面着重介绍使CAN总线正常通讯的条件，因为cAN总线正常通讯的条件是整个协议转换的重点同时也是难点。若要使CAN总线正常通讯，必须要使所有的接点同时激活总线。因为根据CAN协议Ⅲ，，CAN总线信号使用差分电压传送，两条信号线被称为‘℃AN—H”和‘℃AN—L”，静态时均是2．5V左右，此时状态表示为逻辑“l”，也可以叫做“隐性”。用cAN—H比CAN—L高表示逻辑“o’’，称为“显形”，此时，通常电压值为：CAN—H=3．5V和CAN—L=1．5V。而在CAN总线中传送的数据帧由7个不同的位场组成，其中有一个位场叫做应答场。应答场长度为2个位，包含应答间隙和应答界定符，在应答场里，发送站发送两个“隐性”位。当接收器正确地接收到有效的报文，接收器就会在应答间隙期间向发送器发送一“显性”的位以示应答m，。因此连在CAN总线上的所有接点都必须对总线进行发送请求(不论该接点只管接收还是只管发送)，即同时激活总线，使各自节点都能对相对应的发送器进行应答，以确认对方存在总线上，并随时准各发送或接收数据。只要把这点设置好，cAN总线就可以正常地工作。以下是CAN模块初始化和对总线进行发送请求(即激活CAN总线)的原代码：CAND4rr4LDP挣0e2h !；』至三些查茎三茎堡圭兰篁竺圣SPLK抖00000H，CANMRLDP}}DP—PF3SPLK加FFFFH，CAN一Ⅱ琅；清全部中断标志：I|litialBCRsPLK加000H，MDER；禁止使能所有邮箱SPLK撑1000H，MCR；改变配置请求位为lWAⅡ’：BⅡ’GSR，#oBHBCNDWAⅡ’，NTCSPLK加003H，BCR2；波特率=lMSPLK加OBlH，BCRlSPLK样OFFFFH，MSGⅡ)4LSPLK梓1234，NⅢX4ASPLK}}5678，MBX4BSPLK撑0000H，MBX4CSPLK袢D00【)H，N【BX4DSPLK挣017FFFH．MSGIDlH；初始化邮箱值4和标识符SPLK加FFFFH．MSGIDlLSPLK#0008H．MSGCTRLl4．5小结SPLK#0000H，MCR；改变配置请求位为0WArrl：BrrGSR．#oBHBCNDwAITl，TC；进入邮箱配置模式：hlitialbox4andboxlLDP柏e2h；使能邮箱4和1SPLK#0000H，MDERSPLK}f0100H，MCRLDP#Oe4h：初始化邮箱值4和标识符SPLK加FFFFH，LAMo_HSPLK加FFFFH，LAM0-LSPLK#0008H．MSGCTRL4SPLK籼12H．MDER；邮箱配置结束，使能发送邮箱4和接收邮箱lSPLK加000H，MCR；使CAN控制器处于正常工作模式U)P柏e2h；装载数据页指针SPLK#00FOH，TCR；对邮箱4进行发送请求本章在上一章论述的硬件基础上，对系统软件的各个模块功能进行详细的介绍，包括DsP初始化，中断服务程序，数字PI调节器设计、位置调节器控制策略，DSP与IRMCK20l的通信实现以及基于DSP的CAN总线通信等各模块，并给出相应程序流程图。经过本章详细的软件分析，为下面的实验调试打下了基础。 第五章转子磁极位置检测永磁同步电机控制系统的关键技术之一是转子磁极位置的检测，只有检测出转子实际空间位置(绝对位置)后，控制系统才能决定通电方式、控制模式及输出电流的频率和相位，以保证永磁同步电机的正常工作。在本系统设计中，主要采用了复合式光电编码器并通过DSP实现对永磁同步电机的转子磁极位置的检测。5．1基于复合式光电编码器的转子磁极粗定位原理系统采用了复合式光电编码器与电机同轴连接，它是一种带有简单磁极定位功能的增量式光电编码器，它输出两组信息：一组是三路彼此相差120度且占空比为O．5的三路脉冲信号U、v、w，用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组完全与增量式光电编码器相同，输出三路方波脉冲A、B和z。A、B两路脉冲相位差90度，这样可以方便地判断转向，z脉冲每转一圈就发一个脉冲，用于基准点定位。u、v、w信号用于永磁同步伺服系统转子磁极的初始定位。值得注意的是，复合式光电编码器的极对数要与电机的极对数一致，极对数为N的编码器，转子旋转一周u、v、w信号就相应发出N个方波脉冲。用u，V，w相信号确定永磁同步电机转子磁极初始位置的原理如图5—1所示。_}定千皿擎瞧Ⅱ鼍饵簿键l妒≮≯≮沪≮-批卜誉甏荽露。‘二’。!麓箩■。⋯”’。j≮y≯。’⋯。’；≮≯。囊．挈．网：．—=卫．『=0一童粤≮源。鼬．1．曦]；黑]；匿1I司d随葡甄朗、ji医l习．iE习二∑E||Ⅲ噩艟霰孙l盔。2形图5．1编码器U，V，w输出和电机定子A，B相反电动势波形Fig．5-lWaveofEncoderU，V，Ⅵ7outputandmotorback-electm咖tiVeforce图5—1中横轴表示转子转过的机械角度，第一行正弦波是匀速旋转时电机定43 广东工业大学工学硕士学位论文子A相和B相绕组产生的感应电动势，第2，3，4行分别是编码器u、v，w相发出的脉冲。显然这为一个四对极的永磁交流电机，因为在转子转过一圈的时间里，发出四个正弦波形，U、V、w相均发出四个方波脉冲。根据U、V、W相的电平高低的组合就可知道转子的区间范围。由图可知，U，V，w相电平高低组合与转子角位置关系如表5—1所示。O一6060一120120一180180—240240一300300一360U10OV01OW1O0l1表5．1u，v，w相电平高低组合与转子角位置关系Tab_5-1RdationbetweenU，V，Wvoltagecombinationandrotor’sposition复合式光电编码器的u、v、W相三位信号，可以把转子位置确定在一个60度电角度的范围里。当u、v、w读数在101，则我们取其角度为o-60区间的中间位置，即30度，这样，转子的估计位置误差不会超过30度电角度。矢量控制是施加的定子磁链矢量超前转子磁极位置90度时力矩最大。用U、v、w相定位曲于育±3D度罱度误差，所以发出的磁链矢量超前磁极位置不一定刚好是90度，而是在60—120的区间里，这样产生的力矩不是最大，但可以启动电机。在电机初始上电时，由u、v、w的状态就可以判定电机转子所处空间位置的相应区间n”。5．2基于DSP的转子位置检测实现利用DsP对同步电机进行转子位置检测包括两方面：启动时初始角判定和启动后初始角的精确定位。DSP与编码器接口原理图如图3．9所示。当电机初始上电时，也就是z脉冲到来之前，通过检测10PFl一IOPF3的电平信号来读取编码器u、V、w的状态，查表便可大致获得转子磁极的初始角度范围，若取其中问值，则有±30度的误差。当启动以后，再由z脉冲来获得电机准确的转子初始角。由于z脉冲是电机转一圈才发一个(以定子A相为参考)，但编码器安装后，z脉冲发出的位置是固定、精确的，是一个绝对的机械角度。只要电机第一转正常启动，当碰到Z脉冲 第五章转子磁极位置检测到来时，则立刻产生捕获中断，在捕获中断程序里，把z脉冲出现的精确位置作为电机初始角，同时脉冲计数器清零，重新对A、B脉冲计数，此时计数器的值表示相对角度。则电角度。为：口=岛+△口(5—1)上式中，氏为z脉冲对应电机定子A相的精确位置。△口为计数器值对应的相对角度。以后再用此电角度。去进行电机控制的一系列变换。此时的电角度。与编码器u、V、w的状态没有任何关系，也就是说编码器u、v、w的状态只是在系统上电时使用，并且只用了一次。基于DsP实现转子磁极位置检测流程图如图5—2所示：5．3小结熏穗序捕获中新根务程序l着躜轫始亿l+从bD口IoPFl．10PF3读取镶妈器u、v、喊R态●壹襄估算出转予初始位{呈并以此为韵始角起动电机‘l等待中断l(开始)‘保护现场与关中断+计数器2潦零÷蠢薪廖魂是日重器2●椿餐现璃与开中断0：返回)图5-2转子位置检测的DsP实现流程Fi昏5—2ImplementofroterpositiontoDSP本章主要论述了采用复合式光电编码器并结合DsP实现对永磁同步电机转子磁极位置检测。详细介绍了其检测原理和软件实现。通过以上方法可以准确地检测出永磁同步电机转子磁极位置，使电机能正常启动及运转。 广东工业大学工学硕士学位论文第六章系统仿真与系统实验本章主要介绍了永磁同步电机的计算机仿真与实际系统实验两大部分：其中计算机仿真主要是在第二章永磁同步电机数学模型及磁场定向控制原理的分析基础上，运用Matlab，Simulink建立了永磁同步电机矢量控制系统仿真，并给出仿真实验波型：而实际系统实验主要是结合第三、四章的软硬件设计基础上进行一系列的实验，给出了实验结果并对实验结果进行了分析。6．1计算仿真实验在现有的各种控制系统仿真软件中，Matlab是非常优秀并得到广泛应用的一个。在其中的Simulillk软件包中，已经有一个专门用于电力系统仿真的工具包PowersystemBlocksetLibrary，其中提供了仿真所需的各种电力系统部件的仿真模块和很多系统仿真模型。本文的仿真工作就是基于这个软件环境进行。6．1．1基于PMSM的矢量控制系统仿真sVPwM(电压空间矢量脉宽调制)实际上就是对三相电压型逆变器桥臂上下功率开关的状态控制。三相桥式电压型逆变器共有23=8种电压矢量m。如果定义上桥臂导通时表为“l”，下桥臂导通时表为“0”，则由三个桥臂不同的开关状态组合给出的八个基本电压空间矢量可表示为：“ooO”、“100”、“110”、“010”、“011”、“001”、“101”、“1ll”，其中“000”、“111”为零矢量。它们在静止旺一B斤坐标系下分布关系如图6·l所示，两零矢量位于原点，六个长度都为1片％。非零Yj电压空间矢量相隔60。角展开构成六个扇区，端点相连构成一个正六边形。设想在某小段时间内，为了输出得到旋转的空间矢量U。，，就可以按照线性组合的方法，通过对其所在的扇区的相邻两个电压空间矢量切换作用来等效，从而实现对圆形旋转磁链的逼近。简单说，磁链的轨迹是交替使用不同的电压空间矢量得到的H。 第六章系统仿真与系统实验p0图6一l基本电压空间矢量Fig．6-1VoltageSpa∞VectorbaseStatesVPwM控制实现的方法有很多，如线性组合法、三段逼近法、比较判断法等w。其中线性组合法凭借其算法简单精确，便于数字化实现，得到了广泛的采用。线性组合法对SVPwM波形的实现按“劈零”方式的不同，目前应用较广的有软件编程实现的七段式与硬件实现的五段式两种方式。本文将就五段式SVPwM波形实现方法阐述分析，并进行Matlab仿真实现。线性组合法中五段式SVPwM波形的实现主要包括如下三方面工作：扇区判断，作用时间计算及SVPwM波形的产生。l、扇区判断判断u。位于哪个扇区是选择哪一对相邻的基本电压矢量去合成它的前提。根据不同形式的输出参考电压的给定，判断的方法也不尽相同。这里介绍矢量控制系统较常见的u。护u。。田形式给定u。时的判断方法m。先定义‰=UⅢ。nl=U衄，dsin60。一U叫坩sin30。(6—1)n2=叫Ⅲ口sin60。一U。msin30。再按式(5．2)计算s值：S=4s劬(n2)+25瞎"(n1)+j咖(no)(6—2)式中：J辔n(z)是符号函数，如果工>O则5培n(z)=1；反之则为O。然后，根据S值查表6．1，即可确定扇区号。47 广东工业大学工学硕士学位论文、ls|123’456，赢区重焉O32。重罨表6．1s值与扇区的对应关系Tab．6-1RelationtoSandSector根据以上扇区判断方法的数学模型，在Matlab，Simulink环境下用模块搭建扇区判断仿真模型如图6—2所示。图6-2扇区判断仿真模型图Fig．6-2SectorJudgeSimulationModuIe2、作甩时阊计算在等效的原则下根据线性组合法的思想，图6一l中位于O扇区的u。，在周期瓦时间内的作用效果等价于u。作用正时间与u60作用疋时间的效果之和。由此可计算其两边基本电压矢量作用时间为(以u。。、u。。形式给出)：，=正=半瓦(面。。一u删)，％(6—3)正=√2瓦Ⅳ训，％(6—4)同理可以推导出U。，在其它扇区相邻电压矢量的作用时间。归结如下：令X=妇p。m8|V。l，=譬瓦(旭一㈨／％(6_5)z：孚驰帆一删帆可得u。，在不同扇区相邻电压矢量作用时间赋值表，如表6—2所示。 第六章系统仿真与系统实验崩区号j0+疆2|34．5TI涩V嚣Z．V-X％XZ。V-X垲Y表6．2作用时间赋值表Tab．6-2TimeRoIeTable同理可搭建作用时间X、Y、Z的计算仿真模型，如图6．3所示。图6-3作用时间x、Y、z计算仿真模型图Fig．6-3髓meRoleX'Y，ZC咖putedSimulationModuIe一般正+疋瓦时，即出现过调制，在图6一l中表现为输出旋转矢量u。端点超出基本电压空间矢量端点所构成的正六边形。此时做如下处理，取正’2li}i，《2疋i孚i，在保证输出参考电压相位正确的前提下，给出最大的电压矢量输出，即把u。端点拉到正六边形边上变成u二，。3、SVPwM波形的生成通过以上两项工作，知道了哪对基本电压矢量需要调制输出及其各自的作用时间，就可以对svPwM波形生成进行实现。sVPwM波形的调制用一定的周期(t)和幅度(t，2)的等效时间三角波去调制两个时间切换点正，2，E，2，一旦某个切换时间点跟三角波的值相等，就改变PwM波形的状态，从而生成中间段为零矢量，相邻两个基本电压矢量均分两边作用输出的五段式sVPwM波形。这样的调制方法波形对称，输出电压中的谐波少：此外通过适当地选择零矢量插入，使得逆变器状态切换每次只需切 广东工业大学工学硕上学位论文换一相桥臂的功率开关器件，降低了开关频率，减少了开关损耗，从而较好地体现了SvPwM技术的优越性。实际应用中，五段式svPwM波形的调制还要考虑电机的正反转，正转(逆时针)时sVPwM波形中状态切换顺序为q_÷u二口一÷‰，U。_÷q《口。U，反转(顺时针)时切换顺序为U。。-÷玑_÷‰，U。_÷q_÷u。埘。本文以正转为例，各扇区开关状态切换顺序如表6—3所示。扇区。一啼一曲2～-净3一磅{⋯啼5一·÷0空同矢薰467《462o2623’32量IqI3l575154o4量础6_l状al1Il1l0O0l0l0O∞00D0l1Oi0l态变bol1d}lol1l1loIo1o9o量cn0lOdO0O0O1lOl101l1lO0l，表6_3各扇区开关状态切换顺序表Tab．6．3Sectoron．O仃StatueChart图64svPwM波形生成仿真模型图F．g．6-4SVPwMwavefomsimlllationModule根此以上计算搭建SvPwM波形生成仿真模型，如图6-4所示(以0扇区为例)，并根据SvPWM线性组合五段式波形调制方法，把以上各模型图互相进行连接，并将主要模块进行封装，得到SvPwM仿真模型图，如图6—5所示。最后把它放入永磁同步电机矢量控制系统中进行应用仿真。 第六章系统仿真与系统实验图6．5svPwM仿真实现模型Fig．6-5RealjtyofsVPwMModuIesjmII】aaon在上述基础上再根据第二章永磁同步电机矢量控制系统框图所建立的各个模块的输入输出关系，运用Matlab／simulink可以准确地建立基于磁场定向的永磁同步电机矢量控制系统仿真模型。整个仿真模型主要包括几大模块：转子磁极位置检测和速度计算模块；速度环，电流环控制器i坐标变换模块；SVPwM模块；整流和逆变模块。选择电流作为控制变量的原因是因为在磁场定向控制时，电磁转矩和磁通解耦后直接受控于定子电流的转矩分量和磁链分量，通过控制电流就可以有效地控制转矩和磁链m。电机参数为定子电阻：2．875欧姆；交，直轴电感：Ld卸．0085H，Lq=0．0085H；转动惯量：O．0008Ⅳ．M．s2：极对数：4；永磁体磁通：O．175wb。仿真模弛是用离散定步长的算法，仿真步长le一6秒，电流环和速度环的采样频率均为5KHz，PwM载波周期10KHz，直流电压3llV。图6—6中是永磁同步电机双闭环矢量控制仿真模型的系统框图。 三查三些奎兰三兰堡圭兰堡竺兰52。鬣蛾蘩喊{i霉黪藩鏊甏镌盼∽瓣I=|l|霪⋯黪黛霞擎慧@簿嗡m嚣甏漾@豁黪蘑薰l臼|1{骶㈣㈣捺黪舔r苕i匝 第六章系统仿真与系统实验6．1．2仿真实验结果1、电流、转速、转矩响应8^-。l，"?‘。。“jil{豳隧隧艇!il瓤．}}o。_}i≯i!{、_。-i“_II。2I、一臻孤隰嘲豳麟瓣慰蕊溺嗣圈隔!目圈雕—圈隧鞫瞄_．__M_■嘲}．≯lIE曩”⋯j-i翰”6l———硼豳豳u曩圈_*———B臻曩重量锄麓懑嬲隧雹戮懑飘翻鬣嘲墨曩圈煳目 广东工业大学工学硕士学位论文2、线电压波形和空间合成电压矢量所在扇区的变换在仿真时给定速度为240rad，s，图6-8显示了相应的电机AB线电压仿真波形和合成电压矢量所在扇区的变换。可见空间电压矢量依次转过Ⅲ，I，v，IV，VI，Ⅱ扇区，合成电压矢量逆时钟旋转，与预期结果一致。“国亩：8线龟鹾渡j茁写否菇遣压英蕲茬禹蠢菱瓦⋯⋯⋯’⋯⋯一矾g·6．8EmulationwaV邙。哪oflineVoltageandcomposedvoltagechange6．2系统实验6．2．1实验系统介绍本实验平台所用到的交流伺服电机参数如下：额定输出功率：750w：额定电源电压：220V；额定转速：3000rpm；额定转矩：2．387Nm；最高转速：3600rpm；转矩系数：0．556NIll，A；转子惯量：O．000246Kgmn2；电机极对数：4；传感器：2500PPR；电枢线电阻：3．297Q：额定线电流：3．577A。实验过程中分别记录了电机在不同转速下的电流、转速波形(空载运行)．6．2．2系统实验结果实验系统中，PwM频率为20kHz，死区时间为3¨s，速度环的输出限幅值为额定电流的1．5倍，电流环的输出限幅为额定电压的1．2倍。电机分别在100 第六章系统仿真与系统实验rpm、200rpm、1000rpm、2000Ipm且速度调节器参数设置为：kp。=100，k诘150；电流调节器参数设置为：kpI-200，kiI_100时的起动一停止过程的转速曲线分别如图6—9至图6一12所示。从图所示的实验波形可看出当电机空载运行时，系统可迅速达到稳态，超调及稳态误差都很小，实验结果表明本系统设计合理，具有良好的动静态性能。设置皿信源圃一≮．M蕾{‰储存圃TDS210·1305：522006-1-18图6-9100rpm起动—停止曲线Fig．6-9100rpmstart-st叩curve设置皿{j信源，{皿&f／：、．瞄储存圈TDS210·12：38：092006-1-18图6-1110∞rpm起动—停止曲线Fig．6·111000rpmstart-stopcurve设置』圈L信瀵衄，。、鼬fj。＼口储存圈丁DS210．13：03：482006．1．18图6-lO2∞rpm起动一停止曲线Fig．6-lO200rpmstamstopcurve设置皿}{信j潭__‘t|I衄嘣{|叠j＼储存圈TDS210-3：41：142006-1一'9图6-1220∞rpm起动一停止曲线Fig．6-1220∞rpmstan．stopcurve伺服机在5—50Hz处于稳态时的相电流波形曲线分别如图6．13至图6—16所示。速度调节器与电流调节器参数设置均与上相同。 J一东工业大学工学硕士学位论文设置盟信滹圃．。；专≯冬7专：≯。专≯、。M置储存圈TDS210．21：03：032006．1．18图6．135Hz时的相电流波形F．g．6·13pha蛐curr朗tof5Hz设置盈信潭皿，，}卿j1，》Ilj}1j“7·1}嘣置储存Ref^图TDS210．20：56：312006．1．18图6．1540Hz时的相电流波形Fi昏6-15ph舾ecurrent0f40Hz6．3小结设置皿信滤^衄}{-‘≯}‘}}{-，‘0{。tmf蜀V储存!；颥TDS210-21：01：262006．1-18图6．1410Hz时的相电流波形Fig．6-14ph嬲ecur阳ntof10Ik没置皿信滹皿?j3：|辑弋?≯?I{’jII{’。N看储存船f^圈TDS210-21：08：312006-1．18图6．165眦Iz时的相电流波形Fig．6-16phasecurrentof50Hz仿真和实测波形基本上可以验证实验的正确性，从实测波型可看出电流波形有畸变，产生失真，并且在转速和频率越低时电流波形畸变和失真得越严重，产生这种原因是由多方面的因数造成的。例如IGBT等器件的死区是逆变器的非线性原因之一，它会导致电流波形畸变，使控制能力变差；经SVPwM计算后输出的PWM信号含有高次偕波，也会导致电流波形畸变；电流控制存在有相位滞后等原因，这也是今后要努力解决并要作出进一步的改进。本章分别从速度环、电流环进行测试并得到相对应的波形。从仿真和实测波形可以得出该系统从各项功能上基本上符合伺服系统的基本要求，为后续的研究奠定基础。 总结和展望1、对本文工作的总结数字交流伺服系统在许多高科技领域上都得到了广泛的应用，如数控机床、机器人、包装设备、雷达、军用武器随动系统、变频器等众多领域中。同其它伺服系统相比，永磁同步电动机伺服系统在性能和结构设计上有其独特之处，以永磁同步电机为执行单元的交流伺服系统逐渐地成为伺服系统发展的主流。本文基于以上的背景，对数字永磁同步电动机伺服驱动控系统作了以下几个方面的研究工作：(1)描述了永磁同步电机的数学模型以及磁场定向的矢量控制原理，并简要地叙述了永磁同步电机的弱磁控制。(2)关于系统硬件的研制，论述了交流伺服控制系统的设计和制作，包括硬件设计总体架构、DsP控制电路、功率驱动电路、控制电源以及采样、保护电路等各单元的设计。最后还利用DsP内嵌的CAN(控制器局域网)模块和SCI(串行通信接口)模块实现DsP之间的通信，为以后使交流伺服控制系统具有网络化功能奠定基础。(3)详细介绍了系统软件设计的原理及实现，包括DSP初始化，中断服务程序，调节器设计、控制策略及实现，转子磁极位置检测，DSP与瓜McK20l的通信实现以及基于DSP的CAN总线通信等各模块，并给出相应程序流程图，从而实现对永磁同步电机进行定位控制。而对位置环的控制算法以及工程实现则是整个软件设计的关键和难点所在。(4)对伺服系统进行实验调试，调试包括计算机仿真与实际系统实验两大部分：在仿真中主要是运用Matlab，simulink建立了永磁同步电机矢量控制系统仿真模型，并给出仿真实验波型；而在实际系统调试中进行一系列的实验，给出了实验结果；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讨论，并给出了解决方案。2、对进一步工作的展望 广东工业大学工学硕士学位论文目前，国内外都已经出现了较为成熟的全数字交流伺服驱动器产品，而本人对于伺服系统的研究还处于起步阶段，总结本文所做的工作，还有不少地方值得进一步的研究和改善：一、本文设计的硬件实验平台有待进一步改善。例如在控制芯片上采用TI公司c2000系列中的最新产品F2812。该芯片有着LF2407的一切功能，但其主频却是150MHz，其运算速度是LF2407的三倍多，而且F2812比起LF2407扩展了更丰富的外设和接口，可以使系统硬件设计得更加精简，灵活。二、在进行转子磁链初始位置检测时，其控制方法受制于不同型号的编码器，由于编码器的存在增加了永磁同步电动机伺服系统的价格和体积，降低了其可靠性，限制了其应用环境。因此对无传感器永磁同步电动机伺服系统的研究将可能作为伺服系统的一种重要发展趋势。三、更高性能的控制策略研究，如直接转矩控制。随着交流电机控制理论不断发展，各种控制策略和控制算法也日益复杂。扩展卡尔曼滤波、FFT、状态观测器、自适应控制、人工神经网络等等均应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。四、在位置控制器的控制策略及实耻，通常使用比例调节或比例加前馈调节的策略进行控制，但在一些高精度位置控制环境下该控制策略可能显得有些不足，因此研究一种更新的位置控制策略成为今后伺服控制的一个主要课题。 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