【正文】 數(shù)字化 交流伺服系統(tǒng)由以硬件模擬電子器件為主，轉向采用數(shù)字電路、微處理器、數(shù)字信號處理器等，實現(xiàn)半數(shù)字化、全數(shù)字化。全數(shù)字化的突出特點是軟件伺服，從而大大增強了系統(tǒng)的柔性。根據(jù)目前微電子技術的發(fā)展趨勢，速度更快、功能更新的微處理器不斷涌現(xiàn)，硬件費 用會變得很便宜。 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。 d) 易于通用化，可以設計適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一硬件電路，而軟件 可 以模塊化設計，以構成適用于不同應用對象的控制算法，滿足不同的用途。 3)智能化 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展應用彌補了經典控制理論對時變、非線性、隨機性系統(tǒng)無能為力的缺陷，對不確定、非線性等復雜問題，提出了自適應、變結構、魯棒控制等控制策略。但是，以現(xiàn)代控制理論為基礎的控制策略仍在一定程度上依賴于被控對象的數(shù)學模型，并不能從根本上解決復雜和不確定性系統(tǒng)的控制問題。專家系統(tǒng)、模糊集合、人工神經網(wǎng)絡等理論的發(fā)展為智能科學提供了數(shù)學工具。 4)網(wǎng)絡化 控制與網(wǎng)絡，這兩種技術的發(fā)展是并行的，同時又是交叉的，體現(xiàn)在兩個方面 : 一方面，將控制技術應用到網(wǎng)絡領域 。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的出現(xiàn)體現(xiàn)了自動控制技術與計算機網(wǎng)絡技術的學科的交叉。能夠實現(xiàn)遠程控制的計算機軟硬件系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。到 90年代，出現(xiàn)了以各種現(xiàn)場總線的應用為特點的分布式控制系統(tǒng)。它完全適應了目前工業(yè)界對數(shù)字通信和自動控制的需求，而且可使控制河南機電高等專科學校畢業(yè) 設計說明書 11 網(wǎng)絡與 Inter網(wǎng)絡相連構成不同層次的復雜網(wǎng)絡，代表了今后工業(yè)控制體系發(fā)展的一個方向。 設計的背景、意義 通過上一節(jié)對伺服系統(tǒng)發(fā)展趨勢的總結可以發(fā)現(xiàn)，交流化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化是今后伺服系統(tǒng)的發(fā)展方向。所以，在我國永磁電機的應用有著廣闊的發(fā)展前景。從國內外最新的發(fā)展情況來看，國外很多公司都已推出了基于 DSP的成型的全數(shù)字交流伺服產品，象國內引進較多的日本松下、安川等交流伺服系統(tǒng)。 通訊接口是伺服技術的一個重要內容，在很大程度 上決定著伺服系統(tǒng)的性能?，F(xiàn)場總線技術的迅猛發(fā)展及其在伺服系統(tǒng)中的應用很好的解決了這些問題。 另外，采用高性能控制策略的控制系統(tǒng)具有很好自適應能力和抗干擾能力，能夠在參數(shù)時變及干擾等惡劣的工況下保證系統(tǒng)良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。 國外在伺服技術的研究與應用上遙遙領先于我國。我國在 80年代末著手研究和引進交流伺服系統(tǒng)，但至今全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的國產化步伐仍然緩慢，研究開發(fā)國產的數(shù)字交流伺服系統(tǒng)已是迫在眉睫之事 . 本次設計的主要任務是設計一種基于 DSP和 CAN總線技術的高性能全數(shù)字化伺河南機電高等?？茖W校畢業(yè) 設計說明書 12 服系統(tǒng) .采用電流、轉速雙閉環(huán)控制方式對永磁同步電動機進行速度和位置控制。 2. 對控制器局域網(wǎng) (CAN)總線技術在伺服系統(tǒng)中的應用進行了討論。 3. 基于電機控制專用 DSP控制器 TMS32OLF2407，本設計在參考前人研究成果的基礎上開發(fā)了一套帶有 CAN接口的全數(shù)字交流永磁伺服系統(tǒng)。 河南機電高等?？茖W校畢業(yè) 設計說明書 13 第二章 永磁同步電機結構及其數(shù)學模型 本章將簡要介紹永磁同步電機的主要類型，并以正弦交流電流驅動的永磁同步電機為研究對象，從三相永磁同步電機在三相坐標系中的模型出發(fā)，討論永磁同步電機的基本電 磁關系，討論其在三相靜止坐標系 (ABC)靜止坐標系 (α β )和旋轉坐標系 (dq)中的電壓、電流及磁鏈方程之間的關系。 這些電磁約束對了解永磁同步電機的原理、分析其運動規(guī)律和研究高性能控制決策提供了理論基礎。 永磁同 步電機的結構 永磁同步電機本體是由定子和轉子兩大部分組成。其定子和異步電動機的定子結構基本相同。 mpfn 600? , 其中 ,f為定子電流頻率 ,pm為電動機極對數(shù) 永磁同步電機的轉子是指電動機在運行時可以轉動的部分，在轉子結構上，是用磁體取代普通同步機的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷。由于轉子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉子磁場在空間的分布可分為正弦波和梯形波 (方波 )兩種。另一種為梯形波 (方波 )，這樣就造成兩種同步電動機在原理、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機，一般把產生正弦波磁場的永磁同步電動機稱為正弦波型永磁同步電動機 (PMSW):而由梯形波 (方波 )產生磁場的永磁同步電動機稱為梯形波 (方波 )型永磁同步電動機，由于其原理與控制方式上基本與直流電動機系統(tǒng) 類似，所以又稱無刷直流電動機 (BLDCM )。另一類是梯形波 (方波 )電流驅動永磁同步電機。由永磁同步電機的矩角特性可知，要想使永磁同步電機連續(xù)運轉，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子的旋轉角頻率一致，而且由定子與轉子所產生的兩磁場應保持一定的角度。 根據(jù)永磁體在轉子上安裝位置的不同， PMSW轉子可分為三類 :表面式、嵌入式和內埋式。 對于永磁同步電動機的控制，通常有兩種方式。前者以前主要在模擬控制中予以采用，響應快速。圖 21給出了電壓控制的原理圖。 永磁同步電機的數(shù)學模型 由于交流電機是一個多變量、非線性、強耦合系統(tǒng)，定轉子電感系數(shù)隨轉子位置的變化而變化。利用坐標變換可將電感系數(shù)變換成常數(shù)，消除時變參數(shù)，使以實際變量描述的電機非線性方程變換成由替代變量描述的線性方程式，使得運算分析簡化。 2)坐標軸線放在定子上的兩相靜止坐標系α173。 3)坐標軸線在轉子上隨轉子一起旋轉的坐標系 dq。 dq坐標軸由直軸 (d軸 )和交軸 (q軸 )組成，該坐標系統(tǒng)的坐標軸取在轉子上，從 ABC到 dq坐標系統(tǒng)的轉換是實數(shù)到實數(shù)的變換。在 ABC坐標系下。 由于永磁同步電動機具有正弦形的反電動勢波形，其定子電壓、定子電流也應該為正弦波。 在認為旋轉坐標系的旋轉角頻率與轉子旋轉角頻率一致，并且當 d軸與轉子主磁通方向一致時，將定子磁鏈方程式代入定子電壓方程式就得到永磁同步電機轉子磁通定向的電壓回路方程式： 0dds d qd S q fqqiR P L LL R P L i? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?V V 同時得到轉矩方程為： ? ? ? ?e m d q m f q d q d qT p i p i L L i i??? ? ? ? ? ??? 其中 Pm為電機的結構常數(shù)。 在基速以下恒轉矩運行區(qū)中，采用轉子磁鏈定向的永磁同步電動機定子電流矢量位于 q軸，無 d軸分量，即定子電流全部用來產生轉矩，此時永磁同步電動機的電壓方程可寫為 : 河南機電高等專科學校畢業(yè) 設計說明書 18 0 0ds d qd S q qq rqe r qeiR P L LL R P L iiiTiT T BW r J PW r? ? ??? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ???? ????? ? ? ??????? ? ?其 中電 磁 轉 矩 方 程 為機 械 方 程 如 下V V 其中 J為轉動慣量， B為粘滯摩擦系數(shù)； 通過電機在旋轉坐標系 d， q中的數(shù)學模型可以看 出 : 1) 在旋轉坐標系 dq軸中的變量都為直流變量，并且由轉矩方程式可以看出電機的輸出轉矩與電流 iq。 2) 在旋轉坐標系 dq軸上的繞組中，如果分別通入直流電流 id、 iq。 事實上， d， q軸線圈的漏感相差不大，近似相等。 圖 24永磁同步電機系統(tǒng)框圖 以此為基礎構成的速度、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)永磁同步電動機調速系統(tǒng)如圖 25所示 : 永磁同步電機矢量控制原理與電壓空間矢量控制 矢量控制原理 矢量控制的基本思想是在普通的三相交流電動機上設法模擬直流電動機轉矩控制的規(guī)律，在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成為產生磁通的勵磁電流分量和產河南機電高等?？茖W校畢業(yè) 設計說明書 20 生轉矩的轉矩電流分量，并使得兩個分量互相垂直，彼此獨立，然后分別進行調節(jié)。 矢量控制的目的是為了改善轉矩控制性能，而最終實施仍然是落實到對定子電流 (交流量 )的控制上。因此，需要借助于坐標變換 ,使得各個物理量從靜止坐標系轉換到同步旋轉坐標系，然后，站在同步旋轉坐標系上進行觀察，電動機的各個空間矢量都變成了靜止矢量 ,在同步坐標系上的各個空間矢量就都變成了直流量，可以根據(jù)轉矩公式的幾種形式，找到轉矩和被控矢量的各個分量之間的關系，實時的計算出轉矩控制所需要的被控矢量的各個分量值，即直流給定量。由于這些直流給定量在物理上是不存在的，是虛構的，因此，還 必須再經過坐標的逆變換過程，從旋轉坐標系回到靜止坐標系，把上述的直流給定量變換成實際的交流給定量，在三相定子坐標系上對交流量進行控制，使其實際值等于給定值。永磁同步電機矢量控制的實質就是通過對定子電流的控制來實現(xiàn)交流永磁同步電動的的轉矩控制。在控制系統(tǒng)只要控制 iq大小就能控制轉速，實現(xiàn)矢量控制。電動機感應電壓也跟著提高，但是又要受到與電機端相連的逆變器的電壓上限的限制，所以必須進行弱磁升速。永磁同步電機矢量控制很容易實現(xiàn)，只要使實際的 id,iq與給定的 id,iq相等，也就滿足了實際控制的要求。又因為 dq坐標系是定在電機轉子上的旋轉坐河南機電高等專科學校畢業(yè) 設計說明書 21 標系，所以要實現(xiàn)坐標變化必須在控制中實時檢測電機轉子的位置。 由圖可知，永磁同步電機電流速度雙閉環(huán)交流伺服系統(tǒng)矢量控制有下面幾部分組成 : 1．速度檢測模塊。 3．坐標變換模塊。 5．整流和逆變模塊。同時經過坐標變換，定子 反饋的三相電流變 id,iq，通過電流控制器使 id=0, iq與給定的 iq相等，電流控制器的輸出為 d， q軸的電壓經坐標變化變?yōu)棣?,β電壓，通過 SVPWM模塊輸出六路 PWM驅動 IGBT，產生可變頻率和幅值的三相正弦電流輸入電機定子?？臻g矢量 PWM與傳統(tǒng)的正弦 PWM波不同，它是從電動機的角度出發(fā)，著眼于如何使電機獲得圓形理想磁鏈圓，使逆變器注入定子的電流形成的磁場必須實時追蹤轉子磁場，并且兩磁 場實時保持正交以實現(xiàn)永磁電機交流伺服系統(tǒng)的矢量河南機電高等專科學校畢業(yè) 設計說明書 22 控制。設直流側中點的 O作為參考點，則上管導通時輸出電壓為 2dU ，下管導通時輸出電壓為 2dU 圖 27三相電力逆變器 由 Park變換定義的電壓空間矢量為 : 2232 ()3,a b cjUreabc?? ? ? ? ??? ? ?? ? ??式 中 ：分 別 表 示 逆 變 器 的 三 相 上 橋 臂 的 開 關 狀 態(tài) (218 按上式定義的電壓空間 矢量，逆變器可以輸出圖 28所示的八個電壓空間矢量，他們分別對應逆變器的八個開關模式。其它六個矢量稱為有效矢量 . 有效矢量長度均為 23dU 。反過來，一個這樣的空間矢量在三相空間 A、 B、 C軸上的投影是三相對稱的正弦變量，且矢量的模長等于各相正弦 量的峰值。為獲得旋轉的電壓空間矢量，只有利用各矢量的作用時間的不同來等效的合成所需要的矢量。以第三扇區(qū)為例，用最近的兩個相鄰有效矢量 U4， U6和零矢量合成參考矢量 Uref，等效矢量按伏秒平衡原則合成。 在此 : 河南機電高等?？茖W校畢業(yè) 設計說明書 24 ? ?? ?? ?? ?464621032 1 33 2 2|| || c os si n2 182 1 3|| || c os si n3 3 3ddr e f r e fd d r e fU U jU U JU U jT U T j U U j?????????? ?????????? ? ? ?????將 上 式 代 入 得 ：由等式兩邊實部和虛部相等得 : 460 4 633c os si n | | | | /223 si n | | | | /r e f dr e f dT U T UT U T UT T T T????????????? ? ? 隨著參考電壓空間矢量 Uref可的長度增加，輸出電壓的基電壓幅值也線性增加，T4,T6也線性加大， TO逐漸減小，但是，要使合成矢量在線性區(qū)內就必須滿足下列等式 : 46T T T?? 為使波形對稱，把每個矢量的作用時間都一分為二，同時把零矢量時 間等分給兩個零矢量 Uo和 U7。這樣即可以提高直流電壓的利用率，又可以降低逆變器輸出的諧波含量。. 3 0 , 1 , 0 。2 4 .aaaUb U U B Bc U U C CN A B C???? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ?如 果 則 否 則如 果 則 否 則如 果 則 否 則 扇 區(qū) 為 ：AA (2)計算 X,Y,Z和 T1,T2 T1,T2不同扇區(qū)內相鄰向量的作用時間。 表 21T1,T2賦值表 扇區(qū)號 錯