【文章內容簡介】 絡化。 在當今信息社會，需要設備間可以進行大量的數據參數傳遞和遠程控制，以滿足社會網絡化進步的要求。同樣，伺服控制系統也希望具有高性能的數據傳輸能力。在現今的伺服控制器的設計時，都會加入一定的數據傳輸接口，實現設備之間的數據傳輸。甚至加入網口，實現遠程數據的發(fā)送和接受。 (4)模塊化 模塊化，使得伺服控制系統本身趨于簡單化和可維護化，對于伺服控制系統的使用方來說，模塊化，可以使得設備的安裝和調試趨于簡單，設備維護時， 只需要更換損壞的模塊，而不需要對整個系統進行修理，縮短了維護時間，減少了維護成本。對研發(fā)方來說，模塊化使系統的保密性和安全性得以加強 錯誤 !未找到引用源。 。 伺服控制系統的反饋回路的精度對系統的控制精度影響巨大，而反饋回路的精度取決于傳感器的精度。隨著材料技術的發(fā)展和傳感器的不斷改進創(chuàng)新，伺服控制系統的各反饋環(huán)節(jié)也在不斷有新的測量方式產生，使伺服控制系統適應各種工作環(huán)境的需求。同時，在工業(yè)制造工藝的不斷精細化下，傳感器的精度也在不斷升高，成本卻在不斷降低，使得高性能傳感器可以在更多的伺 服控制領域得以應用。 綜上所述，伺服控制系統的發(fā)展方向是在滿足工業(yè)控制對系統的苛刻要求下，不斷的追求更加低廉的成本，更加平穩(wěn)的可靠性，更加少的維修率，不斷的簡化控制系統的構造，而且要提高伺服控制系統的環(huán)境適應能力，增強在惡劣環(huán)境下工作的可靠性。同時增加伺服控制系統的遠程通信能力，提升系統的可升級性能和遠程控制性能 [10]。 本文所作的工作 本課題主要基于 TMS320LF2407 芯片對永磁同步電動機伺服系統進行了設計。本文分析了永磁同步電動機的工作原理和數學模型，控制過程和實現方法，進行了系統硬件的研究 和設計，實現了基于 TI 公司的 DSP 對永磁同步電機伺服系江蘇大學本科學位論文 7 統的矢量控制。本文分五個章節(jié)系統地闡述了所從事的課題研究工作，各章內容安排如下 : 第一章介紹了伺服控制系統的歷史和、國內外研究現狀以及發(fā)展的前景。 第二章介紹了電機控制的一些基礎知識。 第三章詳細介紹了交流伺服電機運動控制系統主控制器 TMS320LF2407 DSP。 第四章首先 給出了硬件電路整體結構 ，然后按模塊對各部分組成電路進行具體介紹，主要包括：核心總體最小電路，驅動電路設計，供電系統、保護電路、信號檢測及接口電路等。 第五章給出了 總結和展望。 江蘇大學本科學位論文 8 第二章 永磁同步電機控制理論 錯誤 !未找到引用源。 永磁同步電機的數學模型必須能夠準確反映出被控系統的靜態(tài)和動態(tài)特性，因此數學模型的好壞是控制系統性能準確度的關鍵所在。為了簡化分析過程，可以忽略一些影響較小的參數，需作如下假設 [12]： (1)忽略磁路渦流、飽和和磁組效應 ； (2)忽略空間諧波，設三相繞組是對稱的，且其產生的磁動勢按正弦規(guī)律分布 ； (3)假設三相供電電壓是平衡的 ； 永磁同步電機的基本 方程 機械角度和電角度是在電機控制建模過程中會涉及到的兩個概念。機械角度就是我們平時認為的實際位置對應的角度，眾所周知，轉子旋轉一周為 360 度機械角度。電角度則是與極對數成正比的轉子旋轉磁場的角度。電角度可由機械角度和極對數推算出來 ： pm????? () 式中 ： 錯誤 !未找到引用源。 為電角度， 錯誤 !未找到引用源。 為機械角度。 永磁同步電動機利用定子三相交流電流與永磁轉子的磁場互相作用所產生的電磁轉矩帶動電動機轉子轉動。由電機知識知道，電機轉速、頻率及極對數的關系如下 ： pf60n? () 式中 ： n 為同步轉速， f 為定子電流頻率。 圖 為有代表性的三相、二極的凸極式永磁同步電機等效結構示意圖。 江蘇大學本科學位論文 9 圖 三相兩極永磁同步電機結構簡圖 由上圖以及數學常識可知，永磁同步電機定子電壓方程如下 ： 錯誤 !未找到引用源。 () 式中 ： 錯誤 !未找到引用源。 為每相繞組電阻， 錯誤 !未找到引用源。 為三相繞組匝鏈的磁鏈。 磁鏈方程為 錯誤 !未找到引用源。 () 由于 三相繞組每相間的互感是對稱的互為 120 度，則有 ： 錯誤 !未找到引用源。 () () 式中 :錯誤 !未找到引用源。 為自感， 錯誤 !未找到引用源。 為互感， 錯誤 !未找到引用源。 為漏磁通。 另外，永磁磁通對定子側產生的磁鏈為 : 錯誤 !未找到引用源。 () 由電機 Y 型接法，三相電流滿足 ： 錯誤 !未找到引用源。 +錯誤 !未找到引用源。 +錯誤 !未找到引用源。 =0 將式 ()、 ()、 () 代入式 ()中， 得磁鏈方程為 錯誤 !未找到引用源。 () 江蘇大學本科學位論文 10 式中 錯誤 !未找到引用源。 把式 ()代入式 ()中可得 電壓方程為 : 錯誤 !未找到引用源。 () 坐標變換后的 PMSM 模型 坐標變換，就是用一組新的變量代替方程中原來的那組變量。本永磁同步機控制系統用旋轉坐標系代替原來的靜止坐標系 [13]。 本文中永磁同步電機的矢量控制目的是為了改善本系統的控制性能，而達到通過對定子電流 (交流量 )的控制來控制系統的目的。很顯然，永磁同步電機定子側都是交流物理量，其空間矢量按照永磁同步電機的同步轉速旋轉，對這些交流量的控制調節(jié)以及計算都不會很 方便。因此，本系統進行了坐標變換，使難以控制的交流量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標系而達到很好的控制性能。如果從同步旋轉坐標系進行觀察，我們只要控制同步電機的靜止矢量就可以很好的控制永磁同步電機的交流量。 (l)三相定子坐標系 (A， B， C 坐標系 ) 分別以互差 120 度空間電角度的三相交流電機繞組 A， B， C 為軸線，這樣就能形成了一個 A 錯誤 !未找到引用源。 B?C三相坐標系。 (2)兩相定子坐標系 (錯誤 !未找到引用源。 ?錯誤 !未找到引用源。 坐標系 ) 由圖 可以看出， 錯誤 !未找到引用源。 ?錯誤 !未找到引用源。 坐標系是靜止坐標系。為了更好的實現矢量變換的目的，我們設 錯誤 !未找到引用源。 軸逆時針超前 錯誤 !未找到引用源。 軸 90 度空間電角度，而 錯誤 !未找到引用源。 軸和三相定子坐標系的 A 軸重合。 其結構如圖 所示 : 江蘇大學本科學位論文 11 圖 三相和兩組繞組各相的磁勢圖 (1)Clark 變換 Clarke 也叫 3/2 變換，是用定子兩相坐標系 ( 錯誤 !未找到引用源。 ?錯誤 !未找到引用源。 軸系 )的旋轉矢量代替三相定子坐標系 (A?B?C 軸系 )，其反變換叫做 Clarke 逆變換 [14]。 根據矢量坐標變換原則，兩者的磁動勢應該完全等效，即合成磁勢矢量分別在兩個坐標系坐標軸上的投影相等。 錯誤 !未找到引用源。 () 錯誤 !未找到引用源。 () 因此： 錯誤 !未找到引用源。 () 其中： 錯誤 !未找到引用源。 是三相坐標系變換到二相坐標系的變換陣。 由功率不變的變換原則，且 錯誤 !未找到 引用源。 =E (單位陣 )，得： () 因此， Clarke 變換式為 錯誤 !未找到引用源。 () 其逆變換為 江蘇大學本科學位論文 12 錯誤 !未找到引用源。 () (2)Park 變換 Park 變換是用兩相旋轉直角坐標系替代兩相靜止直角坐標系的轉換。圖 中表示的是定子電流矢量 錯誤 !未找到引用源。 在 錯誤 !未找到引用源。 ?錯誤 !未找到引用源。 靜止坐標系與旋轉坐標系上的投影。圖中， 錯誤 !未找到引用源。 軸與錯誤 !未找到引用源。 軸的夾角為 錯誤 !未找到引用源。 (錯誤 !未找到引用源。 是初始角 )，且 d?q 坐標系是以角速度 錯誤 !未找到引用源。 速度在旋轉，由于 d?q 坐標系是旋轉的， 錯誤 !未找到引用源。 隨時間在變化，因此 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 。 圖 定子電流矢量在固定坐標系和旋轉坐標系上的投影圖 由圖 可知： 錯誤 !未找到引用源。 () 錯誤 !未找到引用源。 () 由上式可得： 錯誤 !未找到引用源。 () 錯誤 !未找到引用源。 () 上式可寫成矩陣形式： 錯誤 !未找到引用源。 () 由式 ()和 ()得 0ABC 坐標系到兩相 0dq 旋轉坐標系的變換矩陣 () 江蘇大學本科學位論文 13 其逆矩陣為： 錯誤 !未找到引用源。 () 最終我們可求得電壓轉換矩陣： 錯誤 !未找到引用源。 () 前面己經提到，分析永磁同步電機性能最常用的方法就是利用其 dq0 坐標系方程。然而， PMSM 運轉時其定子和轉子處于相對運動狀態(tài)之中，永磁磁極與定子繞組，定子繞組與繞組之間的相互影響，導致 PMSM 內部的電磁關系十分復雜，再加上磁路飽和等非線性因素，給建立電機的精確數學模型帶來了很大困難。為了得到簡化的 PMSM 數學模型，通常作如下假設： (1)認為磁路是線性的，可以用疊加原理進行分析。忽略磁路飽和、磁滯和渦流的影響 ； (2)當定子通入三相對稱正弦波電流時，氣隙中只產生正弦分布的磁勢而沒有高次諧波 ； (3)永磁磁極在氣隙中產生的磁勢為正弦分布，也無高次諧波，即定子的空載電勢為正弦波 ； (4)轉子無阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。 根據 上述 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 坐標變換，即可推得三相繞組永磁同步電機在 dq 旋轉坐標系的數學模型如下 ： 定子電壓方程為 ： 錯誤 !未找到引用源。 () 式中 ： 錯誤 !未找到引用源。 分別為 d 軸和 q 軸上的等效電樞電壓分量 定子磁鏈方程為 ： 錯誤 !未找到引用源。 () 式中， 錯誤 !未找到引用源。 分別為 d 軸和 q 軸的等效磁鏈 。 錯誤 !未找到引用源。分別為 d 軸和 q 軸上 的等效電樞電感分量 輸出轉矩方程為 ： 錯誤 !未找到引用源。 () 機械運動方程 ： 江蘇大學本科學位論文 14 錯誤 !未找到引用源。 Ω () 式中， J ? 轉動慣量 。Ω 一轉子機械角速度 ； 錯誤 !未找到引用源。 一阻力系數 ；錯誤 !未找到引用源。 一負載轉矩 電機狀態(tài)方程 ： 錯誤 !未找到引用源。 () 矢量控制中定子電流被分解為相互正交的勵磁和轉矩兩個分量，其中代表定子電流勵磁分量的與磁鏈同方向，代表定子電流轉矩分量的與磁鏈方向正交。具體來說，矢量控制的核心思想是將電機的三相電流、電壓、磁鏈經坐標變換變到以轉子磁鏈定向的兩相參考坐標系。 矢量控制的目的在于構造直流電機的調速效果，即維持勵磁電流不變，通過控制電樞電流來控制電機的轉矩，從而使系統獲得與直流調速一樣 的動態(tài)特性。 由上面永磁同步電機數學模型可知， d?q 坐標系下 PMSM 的電磁轉矩公式為 ： ))((T qdqdqfn iiLLip ??? ?? () 對于插入式和內裝式轉子結構，由于直軸磁路上有永磁體，所以 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 ，磁阻轉矩與兩電感差值成正比。對于面裝式轉子結構，因此 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 不存在磁阻轉矩。此時轉矩方程變?yōu)?： qfn iP?? ?T