【正文】 服系統(tǒng)，這種伺服系統(tǒng)在簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床、普通機(jī)械、辦公自動(dòng)化設(shè)備、家用電器、計(jì)算機(jī)外設(shè)以及對(duì)性能要求不高的工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 2)數(shù)字化 交流伺服系統(tǒng)由以硬件模擬電子器件為主，轉(zhuǎn)向采用數(shù)字電路、微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器等，實(shí)現(xiàn)半數(shù)字化、全數(shù)字化。 DSP 的出現(xiàn)為伺服系統(tǒng)的全數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)。全數(shù)字化的突出特點(diǎn)是軟件伺服，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的柔性。具體來(lái)說(shuō)，全數(shù)字伺服系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn) : a) 能明顯地降低控制器硬件成本 。根據(jù)目前微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，速度更快、功能更新的微處理器不斷涌現(xiàn)，硬件費(fèi) 用會(huì)變得很便宜。體積小、重量輕、能耗小是其共同的優(yōu)點(diǎn)。 b) 數(shù)字電路溫度漂移小，也不存在參數(shù)的影響，穩(wěn)定性好。 c) 硬件電路采用了集成電路和大規(guī)模集成電路，可靠性比較高。 d) 易于通用化，可以設(shè)計(jì)適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一硬件電路，而軟件 可 以模塊化設(shè)計(jì)，以構(gòu)成適用于不同應(yīng)用對(duì)象的控制算法，滿足不同的用途。 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 10 e) 采用微處理器的數(shù)字控制，使信息雙向傳遞能力大大增強(qiáng)，提高分級(jí)控制能力， 使系統(tǒng)趨于智能化。 3)智能化 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展應(yīng)用彌補(bǔ)了經(jīng)典控制理論對(duì)時(shí)變、非線性、隨機(jī)性系統(tǒng)無(wú)能為力的缺陷，對(duì)不確定、非線性等復(fù)雜問(wèn)題，提出了自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)、魯棒控制等控制策略。這些控制方法大大提高了系統(tǒng)的魯棒性，與經(jīng)典控制理論結(jié)合起來(lái)，已被廠泛采用。但是，以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的控制策略仍在一定程度上依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并不能從根本上解決復(fù)雜和不確定性系統(tǒng)的控制問(wèn)題。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程的迅速發(fā)展，微機(jī)的廣泛使用，使得許多控制算法和直覺(jué)推理得以實(shí)現(xiàn)，人工智能的發(fā)展不僅使人們進(jìn)一步深化了對(duì)智能活動(dòng)的機(jī)理認(rèn)識(shí)，而且為人們用計(jì) 算機(jī)更有效地表達(dá)和利用知識(shí)開(kāi)辟了新途徑。專家系統(tǒng)、模糊集合、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論的發(fā)展為智能科學(xué)提供了數(shù)學(xué)工具。從神經(jīng)生理學(xué)、仿生生理學(xué)角度對(duì)人腦結(jié)構(gòu)模型、功能模型的研究，從認(rèn)知心理學(xué)對(duì)人類智力活動(dòng)心理過(guò)程和特征的研究，以及智能機(jī)器人等高技術(shù)的工程實(shí)踐，都從不同側(cè)面促進(jìn)了智能科學(xué)的發(fā)展，也給自動(dòng)化學(xué)科注入了新的思想和活力，為智能控制的實(shí)踐應(yīng)用奠定了必要的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。 4)網(wǎng)絡(luò)化 控制與網(wǎng)絡(luò)，這兩種技術(shù)的發(fā)展是并行的，同時(shí)又是交叉的，體現(xiàn)在兩個(gè)方面 : 一方面，將控制技術(shù)應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域 。另一方面，將網(wǎng)絡(luò)控制技 術(shù)應(yīng)用到控制領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)體現(xiàn)了自動(dòng)控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的學(xué)科的交叉。 網(wǎng)絡(luò)控制是指本地計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端的生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視和控制。能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制的計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。 20世紀(jì) 60年代計(jì)算機(jī)開(kāi)始進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域，從最初的直接數(shù)字控制 (DDC)發(fā)展到集中式控制 :70年代末集散控制系統(tǒng) (DCS)開(kāi)始進(jìn)入控制領(lǐng)域 。到 90年代，出現(xiàn)了以各種現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用為特點(diǎn)的分布式控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是 90年代興起的一種先進(jìn)的工業(yè)技術(shù) ,它將當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)通信與管理的概念引入工業(yè)控制領(lǐng)域 .它是控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三者的結(jié)合。它完全適應(yīng)了目前工業(yè)界對(duì)數(shù)字通信和自動(dòng)控制的需求，而且可使控制河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 11 網(wǎng)絡(luò)與 Inter網(wǎng)絡(luò)相連構(gòu)成不同層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，代表了今后工業(yè)控制體系發(fā)展的一個(gè)方向。比較有代表性的現(xiàn)場(chǎng)總線如 :CAN,Profibus、 Lon works以及基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 FF等以其高度的實(shí)時(shí)性、可靠性和靈活性正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 設(shè)計(jì)的背景、意義 通過(guò)上一節(jié)對(duì)伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，交流化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是今后伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。 交流調(diào)速中，永磁同步電機(jī) 在醫(yī)療器械、儀器儀表、化工輕紡以及家用電器等方面正得到日益廣泛的應(yīng)用，并且成為新一代的航空，航天和航海用電機(jī)，加上我國(guó)又是永磁材料的生產(chǎn)大國(guó)。所以，在我國(guó)永磁電機(jī)的應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。 伺服系統(tǒng)向著全數(shù)字化的方向發(fā)展，而高性能 DSP器件的出現(xiàn)為其奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。從國(guó)內(nèi)外最新的發(fā)展情況來(lái)看，國(guó)外很多公司都已推出了基于 DSP的成型的全數(shù)字交流伺服產(chǎn)品，象國(guó)內(nèi)引進(jìn)較多的日本松下、安川等交流伺服系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)的控制界也己掀起了利用 DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)的熱潮。 通訊接口是伺服技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容，在很大程度 上決定著伺服系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)在的伺服系統(tǒng)大多采用 RS232/485協(xié)議進(jìn)行串行通訊，受限于協(xié)議及硬件電路，這種系統(tǒng)不能滿足高精度、實(shí)時(shí)性的要求并且不易構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用很好的解決了這些問(wèn)題。提高了系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性與靈活性。 另外，采用高性能控制策略的控制系統(tǒng)具有很好自適應(yīng)能力和抗干擾能力，能夠在參數(shù)時(shí)變及干擾等惡劣的工況下保證系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。克服了基于常規(guī)控制理論設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)存在的缺陷和不足。 國(guó)外在伺服技術(shù)的研究與應(yīng)用上遙遙領(lǐng)先于我國(guó)。日本及 歐美一些國(guó)家于 20世紀(jì) 80年代初已經(jīng)推出了一系列商品化的高性能全數(shù)字化交流電機(jī)控制系統(tǒng)和產(chǎn)品。我國(guó)在 80年代末著手研究和引進(jìn)交流伺服系統(tǒng)，但至今全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化步伐仍然緩慢，研究開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)已是迫在眉睫之事 . 本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一種基于 DSP和 CAN總線技術(shù)的高性能全數(shù)字化伺河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 12 服系統(tǒng) .采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制方式對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度和位置控制。 本次設(shè)計(jì)的主要工作 本次設(shè)計(jì)的主要工作包括 : 1. 對(duì)永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了探討，分析了空間矢量脈寬調(diào)制的DSP實(shí)現(xiàn)方法。 2. 對(duì)控制器局域網(wǎng) (CAN)總線技術(shù)在伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了討論。包括通訊協(xié)議的分析及接口電路的硬件實(shí)現(xiàn)。 3. 基于電機(jī)控制專用 DSP控制器 TMS32OLF2407，本設(shè)計(jì)在參考前人研究成果的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套帶有 CAN接口的全數(shù)字交流永磁伺服系統(tǒng)。包括 DSP控制器的軟硬件設(shè)計(jì)。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 第二章 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 本章將簡(jiǎn)要介紹永磁同步電機(jī)的主要類型，并以正弦交流電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，從三相永磁同步電機(jī)在三相坐標(biāo)系中的模型出發(fā)，討論永磁同步電機(jī)的基本電 磁關(guān)系，討論其在三相靜止坐標(biāo)系 (ABC)靜止坐標(biāo)系 (α β )和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 (dq)中的電壓、電流及磁鏈方程之間的關(guān)系。為進(jìn)行矢量控制，重點(diǎn)討論了永磁同步電機(jī)在 dq坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型，給出了 id=0時(shí)電機(jī)的等效電路。 這些電磁約束對(duì)了解永磁同步電機(jī)的原理、分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和研究高性能控制決策提供了理論基礎(chǔ)。然而，要想組成真正的矢量控制系統(tǒng)，還必須從電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型出發(fā)，找到各個(gè)物理量之間的關(guān)系，特別是定子和轉(zhuǎn)子電流相互作用而產(chǎn)生的磁通和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，在定向坐標(biāo)系上實(shí)現(xiàn)各量的控制和調(diào)節(jié)。 永磁同 步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)本體是由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。永磁同步電機(jī)的定子指的是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的不動(dòng)部分，主要是由硅鋼沖片、三相對(duì)稱同分布在它們槽中的繞組、固定鐵心用的機(jī)殼以及端蓋等部分組成。其定子和異步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相同?？臻g上三相對(duì)稱繞組通入時(shí)間上對(duì)稱的三相電流就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 mpfn 600? , 其中 ,f為定子電流頻率 ,pm為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù) 永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的部分，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，是用磁體取代普通同步機(jī)的勵(lì)磁繞組，從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷。永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永 久磁鐵勵(lì)磁，目前常使用稀土永磁材料。由于轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在空間的分布可分為正弦波和梯形波 (方波 )兩種。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在定子上產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形也有兩種 : 一種是正弦波形 。另一種為梯形波 (方波 )，這樣就造成兩種同步電動(dòng)機(jī)在原理、模型以及控制方法上有所不同，為了區(qū)別由它們組成的永磁同步電動(dòng)機(jī)，一般把產(chǎn)生正弦波磁場(chǎng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)稱為正弦波型永磁同步電動(dòng)機(jī) (PMSW):而由梯形波 (方波 )產(chǎn)生磁場(chǎng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)稱為梯形波 (方波 )型永磁同步電動(dòng)機(jī)，由于其原理與控制方式上基本與直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 類似，所以又稱無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī) (BLDCM )。 河南機(jī)電高等專科學(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 14 永磁同步電機(jī)按照驅(qū)動(dòng)電流波形劃分可以分為兩類 : 一類是正弦波電流驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī) 。另一類是梯形波 (方波 )電流驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。采用何種驅(qū)動(dòng)電流波形取決于轉(zhuǎn)子磁通在氣隙中的分布，最終目的是使得定子磁通和轉(zhuǎn)子磁通相互作用能夠產(chǎn)生平滑轉(zhuǎn)矩 (電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小 )。由永磁同步電機(jī)的矩角特性可知，要想使永磁同步電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須滿足矩角保持在 0與δ max之間，即通入定子電流的角頻率與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角頻率一致，而且由定子與轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的兩磁場(chǎng)應(yīng)保持一定的角度。這樣才可 以有效的避免永磁同步電機(jī)在旋轉(zhuǎn)起來(lái)以后的失步問(wèn)題，保證了永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。 根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上安裝位置的不同， PMSW轉(zhuǎn)子可分為三類 :表面式、嵌入式和內(nèi)埋式。一般 PMSW多采用前兩種形式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。 對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制，通常有兩種方式。一種是針對(duì)電流控制的滯環(huán)控制，一種是采用電壓控制。前者以前主要在模擬控制中予以采用，響應(yīng)快速。后者的理論基礎(chǔ)是空間矢量 PWM控制，提高了逆變器的電壓輸出能力，保持恒定的開(kāi)關(guān)頻率，適合數(shù)字控制。圖 21給出了電壓控制的原理圖。 圖 21 永磁同步電機(jī)電壓控制方式原理圖 以上詳細(xì)說(shuō)明了永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為下面的介紹永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型提供結(jié)構(gòu)方面的基礎(chǔ)。 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 由于交流電機(jī)是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，定轉(zhuǎn)子電感系數(shù)隨轉(zhuǎn)子位置的變化而變化。電機(jī)的數(shù)學(xué)模型中含有時(shí)變參數(shù)，給分析和計(jì)算帶來(lái)困難。利用坐標(biāo)變換可將電感系數(shù)變換成常數(shù)，消除時(shí)變參數(shù)，使以實(shí)際變量描述的電機(jī)非線性方程變換成由替代變量描述的線性方程式，使得運(yùn)算分析簡(jiǎn)化。 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 旋轉(zhuǎn)電機(jī)常用坐標(biāo)有以下三類 1)坐標(biāo)軸線放在定子上的三相靜止坐標(biāo)系 ABC。 2)坐標(biāo)軸線放在定子上的兩相靜止坐標(biāo)系α173。β 。 3)坐標(biāo)軸線在轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系 dq。 三種坐標(biāo)系間的關(guān)系如圖 22所示 : 圖 22 各坐標(biāo)系之間的關(guān)系如下 (以電流為例，電壓與磁鏈的轉(zhuǎn)換與此相同 )： c o s si nsi n c o sc o s si nsi n c o sdqd aqiiiii ii i? ??????????? ? ????? ???? ???? ?????? ???? ??????? ??????? ????坐 標(biāo) 與 坐 標(biāo) 轉(zhuǎn) 換 關(guān) 系d q 231112233022iiiii??? ? ??????????? ??? ???? ???? ?????????B坐 標(biāo) 與 A B C 坐 標(biāo) 的 轉(zhuǎn) 換 關(guān) 系A(chǔ)C 河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校畢業(yè) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 16 102 1 33 2 21322aiiiii ??????????? ???? ???????? ??????????BAC 22c os c os c os333222si n si n si n33c os si n2 2 2c os si n3 3 32c os3dqiiiiiiii??? ? ? ???? ? ????????????? ? ? ???? ? ? ?????? ? ? ??? ??? ??????????? ? ? ?????? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??????? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?????????BB坐 標(biāo) 與 A B C 坐 標(biāo) 的 轉(zhuǎn) 換 關(guān) 系d qACAC2si n3dqii????????????????? ? ?????? ? ?? ? ??? 為了便于進(jìn)行矢量控制，克服靜止坐標(biāo)系下電壓方程是周期性時(shí)變系數(shù)微分方程的缺點(diǎn)，通常采用旋轉(zhuǎn)的 dq坐標(biāo)系推導(dǎo)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 dq坐標(biāo)軸由直軸 (d軸 )和交軸 (q軸 )組成，該坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)軸取在轉(zhuǎn)子上，從 ABC到 dq坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是實(shí)數(shù)到實(shí)數(shù)的變換。由于 dq坐標(biāo)系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，則電機(jī)定、轉(zhuǎn)子各量在 d軸、 q軸上的投影值是恒定的。在 ABC坐標(biāo)系下。定轉(zhuǎn)子繞組間的互感和定子各繞組間自感都是轉(zhuǎn)角 ?