【文章內(nèi)容簡介】 絡(luò)化。 在當(dāng)今信息社會，需要設(shè)備間可以進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞和遠(yuǎn)程控制，以滿足社會網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)步的要求。同樣，伺服控制系統(tǒng)也希望具有高性能的數(shù)據(jù)傳輸能力。在現(xiàn)今的伺服控制器的設(shè)計時，都會加入一定的數(shù)據(jù)傳輸接口，實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。甚至加入網(wǎng)口，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受。 (4)模塊化 模塊化，使得伺服控制系統(tǒng)本身趨于簡單化和可維護(hù)化，對于伺服控制系統(tǒng)的使用方來說，模塊化，可以使得設(shè)備的安裝和調(diào)試趨于簡單，設(shè)備維護(hù)時， 只需要更換損壞的模塊，而不需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行修理，縮短了維護(hù)時間，減少了維護(hù)成本。對研發(fā)方來說，模塊化使系統(tǒng)的保密性和安全性得以加強(qiáng) 錯誤 !未找到引用源。 。 伺服控制系統(tǒng)的反饋回路的精度對系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展和傳感器的不斷改進(jìn)創(chuàng)新，伺服控制系統(tǒng)的各反饋環(huán)節(jié)也在不斷有新的測量方式產(chǎn)生，使伺服控制系統(tǒng)適應(yīng)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(xì)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(lǐng)域得以應(yīng)用。 綜上所述，伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展方向是在滿足工業(yè)控制對系統(tǒng)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(tǒng)的構(gòu)造，而且要提高伺服控制系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力，增強(qiáng)在惡劣環(huán)境下工作的可靠性。同時增加伺服控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信能力，提升系統(tǒng)的可升級性能和遠(yuǎn)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(jī)伺服系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。本文分析了永磁同步電動機(jī)的工作原理和數(shù)學(xué)模型，控制過程和實現(xiàn)方法，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件的研究 和設(shè)計，實現(xiàn)了基于 TI 公司的 DSP 對永磁同步電機(jī)伺服系江蘇大學(xué)本科學(xué)位論文 7 統(tǒng)的矢量控制。本文分五個章節(jié)系統(tǒng)地闡述了所從事的課題研究工作，各章內(nèi)容安排如下 : 第一章介紹了伺服控制系統(tǒng)的歷史和、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及發(fā)展的前景。 第二章介紹了電機(jī)控制的一些基礎(chǔ)知識。 第三章詳細(xì)介紹了交流伺服電機(jī)運動控制系統(tǒng)主控制器 TMS320LF2407 DSP。 第四章首先 給出了硬件電路整體結(jié)構(gòu) ，然后按模塊對各部分組成電路進(jìn)行具體介紹，主要包括：核心總體最小電路，驅(qū)動電路設(shè)計，供電系統(tǒng)、保護(hù)電路、信號檢測及接口電路等。 第五章給出了 總結(jié)和展望。 江蘇大學(xué)本科學(xué)位論文 8 第二章 永磁同步電機(jī)控制理論 錯誤 !未找到引用源。 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型必須能夠準(zhǔn)確反映出被控系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)特性，因此數(shù)學(xué)模型的好壞是控制系統(tǒng)性能準(zhǔn)確度的關(guān)鍵所在。為了簡化分析過程，可以忽略一些影響較小的參數(shù)，需作如下假設(shè) [12]： (1)忽略磁路渦流、飽和和磁組效應(yīng) ； (2)忽略空間諧波，設(shè)三相繞組是對稱的，且其產(chǎn)生的磁動勢按正弦規(guī)律分布 ； (3)假設(shè)三相供電電壓是平衡的 ； 永磁同步電機(jī)的基本 方程 機(jī)械角度和電角度是在電機(jī)控制建模過程中會涉及到的兩個概念。機(jī)械角度就是我們平時認(rèn)為的實際位置對應(yīng)的角度，眾所周知，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周為 360 度機(jī)械角度。電角度則是與極對數(shù)成正比的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的角度。電角度可由機(jī)械角度和極對數(shù)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(jī)械角度。 永磁同步電動機(jī)利用定子三相交流電流與永磁轉(zhuǎn)子的磁場互相作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩帶動電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由電機(jī)知識知道，電機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率及極對數(shù)的關(guān)系如下 ： pf60n? () 式中 ： n 為同步轉(zhuǎn)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(jī)等效結(jié)構(gòu)示意圖。 江蘇大學(xué)本科學(xué)位論文 9 圖 三相兩極永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 由上圖以及數(shù)學(xué)常識可知，永磁同步電機(jī)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(cè)產(chǎn)生的磁鏈為 : 錯誤 !未找到引用源。 () 由電機(jī) 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(xué)本科學(xué)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(biāo)變換后的 PMSM 模型 坐標(biāo)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(jī)控制系統(tǒng)用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系代替原來的靜止坐標(biāo)系 [13]。 本文中永磁同步電機(jī)的矢量控制目的是為了改善本系統(tǒng)的控制性能，而達(dá)到通過對定子電流 (交流量 )的控制來控制系統(tǒng)的目的。很顯然，永磁同步電機(jī)定子側(cè)都是交流物理量，其空間矢量按照永磁同步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，對這些交流量的控制調(diào)節(jié)以及計算都不會很 方便。因此，本系統(tǒng)進(jìn)行了坐標(biāo)變換，使難以控制的交流量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系而達(dá)到很好的控制性能。如果從同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行觀察，我們只要控制同步電機(jī)的靜止矢量就可以很好的控制永磁同步電機(jī)的交流量。 (l)三相定子坐標(biāo)系 (A， B， C 坐標(biāo)系 ) 分別以互差 120 度空間電角度的三相交流電機(jī)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(biāo)系。 (2)兩相定子坐標(biāo)系 (錯誤 !未找到引用源。 ?錯誤 !未找到引用源。 坐標(biāo)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(biāo)系是靜止坐標(biāo)系。為了更好的實現(xiàn)矢量變換的目的，我們設(shè) 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(biāo)系的 A 軸重合。 其結(jié)構(gòu)如圖 所示 : 江蘇大學(xué)本科學(xué)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(biāo)系 ( 錯誤 !未找到引用源。 ?錯誤 !未找到引用源。 軸系 )的旋轉(zhuǎn)矢量代替三相定子坐標(biāo)系 (A?B?C 軸系 )，其反變換叫做 Clarke 逆變換 [14]。 根據(jù)矢量坐標(biāo)變換原則，兩者的磁動勢應(yīng)該完全等效，即合成磁勢矢量分別在兩個坐標(biāo)系坐標(biāo)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(biāo)系變換到二相坐標(biāo)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(xué)本科學(xué)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(zhuǎn)直角坐標(biāo)系替代兩相靜止直角坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)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(biāo)系與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(biāo)系是以角速度 錯誤 !未找到引用源。 速度在旋轉(zhuǎn)，由于 d?q 坐標(biāo)系是旋轉(zhuǎn)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(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)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(biāo)系到兩相 0dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣 () 江蘇大學(xué)本科學(xué)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(zhuǎn)換矩陣： 錯誤 !未找到引用源。 () 前面己經(jīng)提到，分析永磁同步電機(jī)性能最常用的方法就是利用其 dq0 坐標(biāo)系方程。然而， PMSM 運轉(zhuǎn)時其定子和轉(zhuǎn)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(dǎo)致 PMSM 內(nèi)部的電磁關(guān)系十分復(fù)雜，再加上磁路飽和等非線性因素，給建立電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型帶來了很大困難。為了得到簡化的 PMSM 數(shù)學(xué)模型，通常作如下假設(shè)： (1)認(rèn)為磁路是線性的，可以用疊加原理進(jìn)行分析。忽略磁路飽和、磁滯和渦流的影響 ； (2)當(dāng)定子通入三相對稱正弦波電流時，氣隙中只產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)子無阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。 根據(jù) 上述 錯誤 !未找到引用源。 和 錯誤 !未找到引用源。 坐標(biāo)變換，即可推得三相繞組永磁同步電機(jī)在 dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)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(zhuǎn)矩方程為 ： 錯誤 !未找到引用源。 () 機(jī)械運動方程 ： 江蘇大學(xué)本科學(xué)位論文 14 錯誤 !未找到引用源。 Ω () 式中， J ? 轉(zhuǎn)動慣量 。Ω 一轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度 ； 錯誤 !未找到引用源。 一阻力系數(shù) ；錯誤 !未找到引用源。 一負(fù)載轉(zhuǎn)矩 電機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)的三相電流、電壓、磁鏈經(jīng)坐標(biāo)變換變到以轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相參考坐標(biāo)系。 矢量控制的目的在于構(gòu)造直流電機(jī)的調(diào)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(jī)的轉(zhuǎn)矩，從而使系統(tǒng)獲得與直流調(diào)速一樣 的動態(tài)特性。 由上面永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型可知， d?q 坐標(biāo)系下 PMSM 的電磁轉(zhuǎn)矩公式為 ： ))((T qdqdqfn iiLLip ??? ?? () 對于插入式和內(nèi)裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)矩與兩電感差值成正比。對于面裝式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，因此 錯誤 !未找到引用源。 =錯誤 !未找到引用源。 不存在磁阻轉(zhuǎn)矩。此時轉(zhuǎn)矩方程變?yōu)?： qfn iP?? ?T