【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的研究

分類號 學(xué)校代碼 10495 學(xué) 號 0515023004 武漢科技學(xué)院 碩 士 學(xué) 位 論 文 全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的研究 作者姓名： 歐治國 指導(dǎo)教師： 吳世林 副教授 學(xué)科門類： 工學(xué) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計及理論 研究方向： 數(shù)字化設(shè)計 完成日期 ： 二零零 七 年六 月 . E. C y U 007 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的 成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 簽字日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解 武漢科技學(xué)院 有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。特授權(quán) 武漢科技學(xué)院 可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編 以供查閱和借閱。同意學(xué)校向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 （保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明） 學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 論文題目：全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的研究 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計及理論 碩 士 生： 歐治國 指導(dǎo)老師： 吳世林 摘 要 伺服技術(shù)是機(jī)電一體化技術(shù)的重要關(guān)鍵技術(shù)，它廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、航空航天器、電動汽車 、家用電器等多種領(lǐng)域的產(chǎn)品中。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對伺服設(shè)備的性能也提出了越來越高的要求，因此，研制高性能、高可靠性的交流伺服系統(tǒng)有著十分重要的現(xiàn)實意義。 本文在介紹了永磁同步 電動機(jī) 矢量控制 理論的基礎(chǔ)上，給出了一套用于機(jī)床進(jìn)給軸驅(qū)動的全數(shù)字伺服系統(tǒng)的設(shè)計 方案。 首先， 論文 引述了永磁同步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析了模型的數(shù)學(xué)方程。接著，對空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)原理進(jìn)行了闡述，著重論述了 電動機(jī)調(diào)速原理 。然后，論文詳細(xì)分析了磁場定向控制方法，特別強(qiáng)調(diào)了該控制方法的解耦性能。在電動機(jī)控制理論分析基礎(chǔ)上， 給出了 以數(shù)字信號處理器 (核心的 伺服驅(qū)動系統(tǒng)組成。論文首先 對 伺服控制數(shù)字電路， 電動機(jī) 相電流反饋電路和轉(zhuǎn)子位置檢測與轉(zhuǎn)速檢測電路， 功率 開關(guān) 電源及 動電路， 主電路及其 功率 保護(hù)電路 進(jìn)行 了詳細(xì)地 分析 。 然后 重點 介紹了 磁場定向控制算法的軟件實現(xiàn)， 伺服狀態(tài)監(jiān)測及 其它獨(dú)立 功能模塊 軟件設(shè)計 思路及程序流程 等內(nèi)容 。數(shù)字信號處理器的應(yīng)用增強(qiáng)了交流伺服系統(tǒng)的適應(yīng)性 ， 在滿足高精度、高可靠性伺服系統(tǒng)要求的同時，還實現(xiàn)了 系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu) 優(yōu)化 。 論文設(shè)計了一個基于高速數(shù)字信號處理器的 交流伺服控制 系統(tǒng)硬件平臺，利用這個硬件平臺 實現(xiàn)了磁場定向控制算法，并 完成了 系統(tǒng) 調(diào)試 。文中給出了 系統(tǒng) 開發(fā)和 系統(tǒng) 集成的整個流程 ，最后對產(chǎn)品 性能測試數(shù)據(jù) 進(jìn)行了分析。產(chǎn)品測試結(jié)果表明，所設(shè)計的伺服系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。 關(guān)鍵詞： 全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)； 永磁同步 電動機(jī) ；數(shù)字信號處理器； 磁場定向控制 研究類型： 應(yīng)用研究 C s a of is in C of it is to C on of a of C At it of it of of s it of OCs of of of of is At of as of s of s PMs of it in OC SP of of C C A C SP in OC on of in of at C C 錄 I 目 錄 1 緒 論 . 1 1 1 全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的研究意義 . 1 1. 2 交流伺服控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展?fàn)顩r及分析 . 2 流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 . 2 流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 . 4 1 3 課題來源及本人的主要研究內(nèi)容 . 5 2 數(shù)學(xué)模型及矢量控制理論 . 7 2 1 引言 . 7 2 2 交流同步伺服電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 . 7 2. 3 矢量控制理論 . 9 言 . 9 間矢量坐標(biāo)變換 . 9 量控制基本思想與實現(xiàn) . 12 量控制模型與調(diào)速原理 . 13 2 4 本章小結(jié) . 18 3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 . 19 3 1 概述 . 19 3 2 控制電路設(shè)計 . 20 圍電路設(shè)計 . 20 鐘電路設(shè)計 . 21 儲器電路設(shè)計 . 21 源和復(fù)位電路設(shè)計 . 23 口電路設(shè)計 . 23 訊接口電路設(shè)計 . 24 圍電路設(shè)計 . 25 3 功率電路設(shè)計 . 28 目錄 保護(hù)電路設(shè)計 . 28 關(guān)電源設(shè)計 . 29 動電路 . 29 計原則 . 30 3 3 本章小結(jié) . 31 4 件設(shè)計 . 32 4 1 概述 . 32 4 2 主程序模塊 . 32 . 32 . 32 部存儲器資源分配 . 34 4 3 中斷處理模塊 . 35 . 35 饋量檢測 . 37 制器設(shè)計 . 37 間矢量的坐標(biāo)系變換 . 37 間矢量 . 38 4 4 伺服單軸模塊 . 43 . 43 軸程序編輯 . 44 軸功能函數(shù) . 46 序流程圖 . 47 4 5 串口通訊模塊 . 50 述 . 50 C 發(fā)往伺服的數(shù)據(jù)定義 . 50 服發(fā)往 數(shù)據(jù)定義 . 51 序流程圖 . 51 4 6 本章小結(jié) . 54 5 系統(tǒng)測試 . 55 5 1 系統(tǒng)性能 . 55 服單元整體性能 . 55 服單元功能與接口 . 57 服單元應(yīng)用 . 59 目錄 2 性能測試 . 60 置測試 . 60 度測試 . 61 量測試 . 61 5 3 本章小結(jié) . 62 6 結(jié) 論 . 63 致 謝 . 64 參考文獻(xiàn) . 65 附 錄 . 68 主要符號表 主要符號表 字信號處理器 場定向控制 間矢量脈沖寬度調(diào)制 雜可編程邏輯器件 子設(shè)計自動化 磁同步電動機(jī) C 流無刷電動機(jī) AC 交流伺服系統(tǒng) 刷電路板 能功率模塊 du， d， q 軸電壓分量 d，q d， q 軸的磁鏈 微分算子 電角速度，其中 為轉(zhuǎn)子電角度 R 定子相電阻 d， q 軸電流分量 dL， 電動機(jī)直交軸 (d， q)主電感 f 永磁轉(zhuǎn)子的磁通，常數(shù) 電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 電動機(jī)極對數(shù) 機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 J 永磁轉(zhuǎn)子和機(jī)械負(fù)載總的轉(zhuǎn)動慣量 r 轉(zhuǎn)子磁鋼在定子上的耦合磁鏈 定子電流直交軸分量 定子電壓矢量 d、 q 軸分量 轉(zhuǎn)子角頻率 為電動機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù) 2 電動機(jī)系統(tǒng)飛輪轉(zhuǎn)矩 J 轉(zhuǎn)動慣量） 電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 23為電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)比例系數(shù) 三相線電壓 1 緒論 1 1 緒論 1 1 全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的研究意義 伺服驅(qū)動系統(tǒng)是將預(yù)定的控制方案和控制指令轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N期望的機(jī)械運(yùn)動，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩、速度和位置等各種控制。交流伺服控制系統(tǒng)克服了直流伺服系 統(tǒng)的 電動機(jī) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 系 統(tǒng)維護(hù)困難；電流換向器限制 電動機(jī) 容 量、 電壓、速度和使用場合；電樞在轉(zhuǎn)子上，效率低、散熱差等弱點，廣泛 應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、航空航天、精密伺服系統(tǒng)、高精度自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域 1。而這些領(lǐng)域的技術(shù)水平關(guān)系到一個國家整體工業(yè)競爭力，是一個國家爭奪技術(shù)優(yōu)勢的重要領(lǐng)域。隨著功率電子技術(shù)，微電子技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步，以交流伺服 電動機(jī) 為執(zhí)行 電動機(jī) 的交流伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)由于其種種突出優(yōu)點，逐漸替代了直流伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)。 我國由于裝備行業(yè)的起步較晚，技術(shù)研發(fā)的條件和基礎(chǔ)也較差，長期以來裝備行業(yè)主要依靠進(jìn)口。顯然，裝備行業(yè)的受制于人與經(jīng)濟(jì) 的高速發(fā)展已經(jīng)成為急需解決的矛盾，因而怎樣高效實現(xiàn)引進(jìn)來和走出去，盡快追趕發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)水平，成為我國裝備行業(yè)共同努力的方向和奮斗的目標(biāo)。在國家的重視和政策引導(dǎo)下，我國在裝備行業(yè)已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，目前正呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的良好態(tài)勢，很多產(chǎn)品已經(jīng)得到了市場的認(rèn)可和廣泛的應(yīng)用，雖然產(chǎn)品和國外同類產(chǎn)品還有一定的差距，但依靠價格、人工和服務(wù)優(yōu)勢，還是取得了不錯的成果。只要國內(nèi)裝備行業(yè)能積極學(xué)習(xí)國外的技術(shù)，銳意進(jìn)取，努力提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，相信在裝備行業(yè)一定能大有作為。 隨著工業(yè)控制的不斷發(fā)展，對交流伺服控制系統(tǒng)提出 了全數(shù)字化，高智能化，微型化，高性能以及低成本的要求；同時，現(xiàn)代控制理論的發(fā)展提出了各種新型控制方案和算法；永磁材料性能的提高，計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用以及微電子技術(shù)與工藝的發(fā)展，使伺服控制技術(shù)得到飛速的發(fā)展。應(yīng)該可以看到的是，高性能、集成化、微型化的全數(shù)字控制系統(tǒng)是交流伺服控制系統(tǒng)的大勢所趨。 本課題基于高性能 數(shù)字信號處理器 (制芯片結(jié)合復(fù)雜可編程邏輯器件 用矢量控制理論 (空間矢量脈寬調(diào)制方式 (控制策略，結(jié)合現(xiàn)代 研制高性能集成化的全數(shù)字交流伺 服驅(qū)動控制系統(tǒng)為工程背景展開。具有十分重要的意義。 (1) 簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能。應(yīng)用高性能 制芯片實現(xiàn)了 制器、 制器，電流 節(jié)器、速度 節(jié)器、位置 節(jié)器，單軸運(yùn)動1 緒論 2 控制模塊，故障監(jiān)控與保護(hù)，串口通訊模塊，不同型號 電動機(jī) 參數(shù)適配等各種伺服控制模塊，大大縮小了系統(tǒng)的體積。由于所有算法都 由高速 理芯片 實現(xiàn)，使電流環(huán)采樣頻率達(dá)到 12度環(huán)與位置環(huán)采樣頻率達(dá) 3種集成化的設(shè)計對傳統(tǒng)的數(shù)字電路進(jìn)行大幅度的優(yōu)化，從而使整個伺服控制系統(tǒng)的性能達(dá)到一個新的 高度。 (2) 可實現(xiàn)靈活的控制算法，擴(kuò)展性強(qiáng)，智能化水平高。本控制器采用模塊化的設(shè)計方法，可靈活優(yōu)化控制算法，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。該控制器適用于多種正弦波永磁同步 電動機(jī) 型號的驅(qū)動，可采用增量式或絕對式碼盤，具備了較高的智能化水平。 (3) 減小控制器硬件的體積，縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期。各種控制算法都在單片 制芯片中實現(xiàn)，減少了元器件的數(shù)量，縮小了 面積；由于采用了自上向下設(shè)計和基于模塊化的設(shè)計方法，軟件和硬件的設(shè)計可以同時進(jìn)行，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期。用 件設(shè)計與仿真所獲得的以軟件形式體現(xiàn)的 地址譯碼和 I/O 擴(kuò)展，可直接下載到 可實現(xiàn)靈活修改，又可簡化電路、降低成本。 1. 2 交流伺服控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展?fàn)顩r及分析 流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 八十年代中后期，由于微電子技術(shù)的進(jìn)步，各種新型高頻的全控開關(guān)器件如 及以 高頻大功率開關(guān)器件 為基礎(chǔ)的智能功率集成 模塊 （ 等紛紛誕生，使得電力電子學(xué)科取得了飛速發(fā)展。而各種高速實時微處理器特別是數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，更使得現(xiàn)代控制理論和智能控制中較為復(fù)雜的算法在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用得以實現(xiàn)。隨著能源危機(jī) 的日益凸現(xiàn)，人們越來越認(rèn)識到合理、高效地使用電能的重要性。而電力電子技術(shù)這門融合微電子學(xué)、控制理論、計算機(jī)技術(shù)、 電動機(jī) 學(xué)等多種學(xué)科的高新技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)外熱門的研究學(xué)科。而作為電力電子技術(shù)發(fā)展水平標(biāo)志的交流 電動機(jī) 調(diào)速領(lǐng)域，由于交流調(diào)速系統(tǒng)自身具有的非線性、參數(shù)變化的不可預(yù)測性等原因使得控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，一直是電力電子技術(shù)研究人員最為關(guān)注的領(lǐng)域?？梢赃@么說， 電動機(jī) 調(diào)速控制性能的每一次提高，都代表著電力電子技術(shù)應(yīng)用的一次巨大進(jìn)步 2。近二十年來，由于先進(jìn)的控制方法如異步 電動機(jī) 磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制在交流調(diào)速中的應(yīng)用，以及高速微處理器特別是 出現(xiàn)，使得交流調(diào)速系統(tǒng)的性能有了很大的提高，而逐步發(fā)展的交流調(diào)速全數(shù)字化控制系統(tǒng)性能 也日趨 穩(wěn)定。交流調(diào)速系統(tǒng)最為廣泛使用的磁場定向控制 （ 方法，以其解耦性能好，動態(tài)響應(yīng)快的顯著特點在高性能的調(diào)速應(yīng)用場合（比如電梯控制、數(shù)控機(jī)床，電力機(jī)車牽引等）占有主導(dǎo)地位。而后期出現(xiàn)的直接轉(zhuǎn)矩控制方式以其控制方式的簡單、優(yōu)越的力矩響應(yīng)性能也越來越受到人們的重視?？v觀磁場定向控制的發(fā)展過程，經(jīng)歷了直接磁場1 緒論 3 定向控制到間接磁場定向控制 （也即轉(zhuǎn)差頻率磁場定向控制），從有速度傳感器控制到無速度傳感器控制，其控制方法也從初始的磁通觀測器發(fā)展到現(xiàn)在的自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。近幾年來，由于高速數(shù)字信號處理器 的工程應(yīng)用，磁場定向控制所謂的坐標(biāo)變換復(fù)雜，計算量大的缺點得到根本解決 。而九十年代出現(xiàn)的被仿真證明具有極高性能的高次諧波注入法、擴(kuò)展的卡爾曼濾波算法等新型轉(zhuǎn)子磁通位置觀測方法，由于涉及到大量復(fù)雜的矩陣乘法運(yùn)算原先都無法實時實現(xiàn)，如今都可以利用一片或者多片 以實現(xiàn)，這大大促進(jìn)了磁場定向控制的發(fā)展。而磁場定向控制 的精髓 基于解耦控制思想，近來被廣泛應(yīng)用在諸如四象限變流器、無功補(bǔ)償器 (領(lǐng)域，顯示了極大的生命力。磁場定向控制 是產(chǎn)品設(shè)計中廣泛采用的控制方法， 也是學(xué)術(shù)界 研究的熱點 3。 為了滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對高性能交流伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的進(jìn)一步要求，國內(nèi)外的相關(guān)研究工作正圍繞以下幾個方面展開。 (1) 應(yīng)用矢量控制技術(shù)及現(xiàn)代控制理論 交流 電動機(jī) 是一個多變量、非線形的被控制對象，過去的電壓 /頻率恒定控制都是從電動機(jī) 穩(wěn)態(tài)方程出發(fā)研究其控制特性，其動態(tài)性能均不太理想。 1971 年 人提出的交流 電動 機(jī) 磁場定向控制思想，用矢量變換的方法研究 電動機(jī) 的動態(tài)控制過程，實現(xiàn)了交流 電動機(jī) 磁通和轉(zhuǎn)矩的重構(gòu)和解耦控制。為了解決系統(tǒng)復(fù)雜性和控制精度之間的矛盾，提出了直接轉(zhuǎn)矩控制、電壓定向控制和定子磁場 定向控制，逐漸形成了一套比較完整的矢量控制理論體系。特別是隨著高速處理芯片 應(yīng)用于實時控制后，使得模糊控制，神經(jīng)控制，自學(xué)習(xí)專家系統(tǒng)等智能控制理論得到了應(yīng)用。 (2) 采用新型電力電子器件和脈寬調(diào)制控制技術(shù) 交流伺服控制系統(tǒng)性能的改善與使用優(yōu)良電氣特性的電力半導(dǎo)體器件有著直接關(guān)系。電力半導(dǎo)體器件的性能直接決定著整個電力電子系 統(tǒng)的性能、成本和體積。目前，電力電子器件正在向高壓、大功率、高頻化、組合化和智能化方向發(fā)展。尤其是新的可關(guān)斷器件的實用化，使高頻化 術(shù)成為可能。另外，為了提高整機(jī)的可靠性，集驅(qū)動、保護(hù)、功率變換于一體的智能功率模塊 泛應(yīng)用，從而為高性能的交流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了物質(zhì)保證。 (3) 計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的應(yīng)用 隨著微電子技術(shù)與工藝的發(fā)展，數(shù)字信號處理芯片的集成規(guī)模，運(yùn)算能力和可靠性得到了很大提高，因而數(shù)字信號處理器廣泛應(yīng)用于高性能伺服控制系統(tǒng)中，取代了以前的模擬器件控制系統(tǒng)。 (4) 開發(fā)新 型 電動機(jī) 和無機(jī)械傳感器技術(shù) 新型永磁材料的迅速發(fā)展，使在小功率運(yùn)動控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的永磁同步 電動機(jī)得到發(fā)展。無速度傳感器交流調(diào)速系統(tǒng)由于便于維護(hù)、成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點也1 緒論 4 得到了快速發(fā)展。 目前，國外最新推出的高性能交流伺服系統(tǒng)幾乎全都實現(xiàn)了全數(shù)字化，它們有美國的 公司，日本的安川、富士、三菱、松下等公司，德國的西門子、 公司，英國的 司，西班牙的 們都采用了 16 位或 32 位高速數(shù)字信號處理器，有的采 用了運(yùn)算速度更快的片。目前我國交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品也逐漸向全數(shù)字化方向發(fā)展，如廣州數(shù)控的流伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)都采用高性能高速數(shù)字信號處理芯片 (為控制核心，實現(xiàn)了全數(shù)字化，但國內(nèi)全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的發(fā)展尚未成熟。轉(zhuǎn)子磁場定向控制技術(shù)；位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)全數(shù)字控制技術(shù)；實時位置和速度計算技術(shù)；交流伺服系統(tǒng)自適應(yīng)控制技術(shù)； 境下參數(shù)設(shè)定、監(jiān)控和顯示技術(shù)；各類診斷和保護(hù)技術(shù)等是全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)的技術(shù)難點所在。 流伺服控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 早期的伺服驅(qū)動控制系統(tǒng) 的硬件構(gòu)造一般采用雙 統(tǒng)，其主要應(yīng)用于直流伺服驅(qū)動器上，隨著電力電子技術(shù)和高速數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，出現(xiàn)了 用 高速運(yùn)算功能進(jìn)行實時的計算和控制，利用 行靈活地址譯碼和 I/O 擴(kuò)展。隨著高性能數(shù)字信號處理器運(yùn)算性能和集成度的提高，交流伺服系統(tǒng)體積不斷縮小，功能不斷完善，性能不斷提高。 全數(shù)字化、微型化、高性能化和智能化將是交流伺服控制系統(tǒng)今后發(fā)展的必然趨勢。隨著新型電力電子器件向高壓、大功率、高頻化、組合化和智能化方向的發(fā)展以及功率變換技術(shù)和傳動控制技 術(shù)的確立，以及用于控制的 電子設(shè)備的高速化、低價格化，使得交流傳動控制技術(shù)不斷應(yīng)用新的控制理論而取得了飛躍發(fā)展，在擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域和提高性能等方面都有長足的進(jìn)步 6。其發(fā)展趨勢有以下幾點： (1) 全數(shù)字化 伺服系統(tǒng)硬件由模擬電路向以微處理器單片微型計算機(jī)控制為核心部分的數(shù)字電路方向發(fā)展，微處理器由 8 位至 16 位再至 32 位，數(shù)字信號處理芯片 得全數(shù)字化伺服控制系統(tǒng)成為可能。 (2) 微型化 伺服系統(tǒng)的逆變器從采用雙極性大功率晶體管 型功率集成 模塊 （ 方向發(fā)展。不僅方便了使用，提高了可靠性，而且縮小了體積。復(fù)雜可編程邏輯器件 現(xiàn)場可編程場柵陣列 實現(xiàn)交流伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的微型化提供了硬件支持。此外， 電動機(jī) 永磁材料由鐵氧體向釹鐵硼永磁材料發(fā)展，使 電動機(jī) 的體積減小。使整個交流伺服系統(tǒng)不斷的向微型化發(fā)展。 1 緒論 5 (3) 高性能化 近些年來，國際上對無傳感器矢量控制研究 的日漸深入 ，使之有了長足的發(fā)展。但是其性能卻比有傳感器系統(tǒng)差，尚處在研究階段，有待于實用化。該方式需要很多復(fù)雜計算。此外，由于采用了位數(shù)更高、速度更快的微處理器，使得最新 控制理論在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用有了硬件基礎(chǔ)。負(fù)荷轉(zhuǎn)矩觀測、自適應(yīng)、滑模變結(jié)構(gòu)、狀態(tài)反饋、模糊控制等最新控制理論正被應(yīng)用到交流伺服系統(tǒng)中來，以期提高系統(tǒng)的性能。 (4) 智能化 近年來，國內(nèi)外關(guān)于智能控制的研究十分活躍。智能控制就是將人工智能與控制理論結(jié)合起來，完成一定的控制功能，主要是應(yīng)用專家系統(tǒng)、模糊邏輯及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論來實現(xiàn)自學(xué)習(xí)或自組織控制。因而，實現(xiàn)智能控制有三條途徑，即基于專家系統(tǒng)的專家控制；基于模糊集合理論的模糊控制；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)控制。其中，專家控制擅于使用邏輯性知識，模糊控制能對模糊信 息處理和決策，神經(jīng)控制更符合人的直覺式思維過程。目前智能控制主要應(yīng)用于過程控制領(lǐng)域，將其應(yīng)用于交流伺服 電動機(jī) 控制系統(tǒng)的研究還剛剛開始。 1 3 課題來源及本人的主要研究內(nèi)容 為了 民族數(shù)控產(chǎn)業(yè)的崛起和發(fā)展， 增強(qiáng)我國民族數(shù)控產(chǎn)業(yè) 在數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動領(lǐng)域的研發(fā)實力和市場化推廣能力。本課題來自研發(fā)高性能全數(shù)字交流伺服 驅(qū)動單元產(chǎn)品 。由于采用全數(shù)字控制系統(tǒng)，性能要求較高，集成功能較多，所以軟件的成本較高，調(diào)試較復(fù)雜。 本人在在項目開發(fā)中主要承擔(dān)軟件開發(fā)任務(wù)，因而對系統(tǒng)整體方案設(shè)計和硬件開發(fā)設(shè)計只作介紹 性描述 ，重點是對軟件 流程和實現(xiàn)作詳細(xì)闡述。最后對產(chǎn)品性能測試和分析作簡單結(jié)論。 本文 共分為 五 章， 詳細(xì) 地介紹了 一種全數(shù)字交流 伺服控制 單元 的設(shè)計思路、硬軟件設(shè)計、產(chǎn)品開發(fā)與性能測試結(jié)果。主要內(nèi)容如下 ： 第一章 查閱 相關(guān) 資料 和技術(shù)文檔 ，分析交流伺服控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，確立產(chǎn)品實現(xiàn)方案。 第二章從永磁同步 電動機(jī) 的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，深入地分析同步 電動機(jī) 的磁場定向控制方法，使用矢量控制實現(xiàn) 電動機(jī) 的解耦控制。 第三章介紹了交流伺服控制系統(tǒng)的硬件組成，較為詳細(xì) 地 介紹了各模塊電路的設(shè)計和特點。 第四章通過對軟件設(shè)計的流程圖和軟件功能模塊 的介紹，詳細(xì) 地 闡述了系統(tǒng)中工作量最大的軟件設(shè)計部分。 1 緒論 6 第五章對實際產(chǎn)品進(jìn)行了簡單的應(yīng)用說明和性能測試，并對產(chǎn)品測試結(jié)果作了簡單分析。 第六章對論文作出結(jié)論，并對下一步研究方向作出展望。2 數(shù)學(xué)模型及矢量控制理論 7 2 數(shù)學(xué)模型及矢量控制理論 2 1 引言 電動機(jī) 是一個復(fù)雜的電氣、電磁和機(jī)械系統(tǒng)。較早期一般采用直流 電動機(jī) 伺服系統(tǒng)，由于其存在的一些固有缺點，己逐漸被交流伺服 電動機(jī) 所取代。交流伺服 電動機(jī) 分為同步伺服 電動機(jī) 和異步伺服 電動機(jī) 。三相永磁同步伺服 電動機(jī) 由于功率密度大，轉(zhuǎn)矩 /慣量比大，容易制動以及較適合低速時恒轉(zhuǎn)矩速度控制等優(yōu)點，成為 目前應(yīng)用最多的高性能交流伺服 電動機(jī) 系統(tǒng) 20。三相永磁同步伺服 電動機(jī) 與三相異步伺服 電動機(jī) 相比，具有以下優(yōu)點： (1) 由于沒有籠形轉(zhuǎn)子，具有較低慣性，轉(zhuǎn) 矩 脈動小，轉(zhuǎn) 矩 響應(yīng)快，動態(tài)性能好。 (2) 無轉(zhuǎn)子損耗，所以效率較高。 (3) 異步 電動機(jī) 需定子勵磁電流，而永磁同步 電動機(jī) 具有永磁轉(zhuǎn)子。 (4) 異步 電動機(jī) 控制相對更加復(fù)雜。 (5) 電動機(jī) 功率密度較高 。 (6) 異步 電動機(jī) 有轉(zhuǎn)子損耗，轉(zhuǎn)子發(fā)熱，永磁同步 電動機(jī) 無轉(zhuǎn)子發(fā)熱問題。 作為機(jī)床進(jìn)給軸驅(qū)動 系統(tǒng) ，永磁同步 電動機(jī) 以其可實現(xiàn)高精度控制和良好的動、靜態(tài)性能，是普遍采用的較為理想的驅(qū)動系統(tǒng)。矢量控制的成功實 施，使交流 電動機(jī) 的機(jī)械特性和調(diào)速性能達(dá)到與直流 電動機(jī) 相媲美的程度，從而使交流伺服控制系統(tǒng)在伺服控制領(lǐng)域全方位處于優(yōu)勢地位。下面從永磁同步 電動機(jī) 的數(shù)學(xué)模型入手，然后對磁場定向控制方法的矢量控制原理進(jìn)行較深入 地 分析。 2 2 交流同步伺服 電動機(jī) 的數(shù)學(xué)模型 三相永磁同步 電動機(jī) 是目前應(yīng)用最多的高性能的交流伺服 電動機(jī) 。根據(jù)輸入電流的不同，分為方波永磁同步 電動機(jī) ，也稱為無刷直流 電動機(jī) (C ；正弦波永磁同步 電動機(jī) ，即通常所說的永磁同步 電動機(jī) ( 。以下只分析永磁同步 電動機(jī) 的數(shù)學(xué)模型。 三相永磁同步 電動機(jī) 的結(jié)構(gòu)如圖 示。使用稀土永磁材料做磁鋼，形狀呈拋物線形，在氣隙中產(chǎn)生的磁通密度盡量呈正弦形分布。三相對稱定子電樞繞組采用段距分布式繞組，能有效消除諧波磁動勢，定子繞組通以對稱交流電才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，具有正弦波的反電動勢波形。 2 數(shù)學(xué)模型及矢量控制理論 8 圖 三相永磁同步 電動機(jī) 的結(jié)構(gòu) 三相永磁同步伺服 電動機(jī) 模型是一個多變量、非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)。模型分析時，為簡化問題，對 電動機(jī) 系統(tǒng)模型 的理想化假定如下： (1) 電動 機(jī) 定、轉(zhuǎn)子三相繞組完全對稱； (2) 定轉(zhuǎn)子表面光滑，無齒糟效應(yīng)； (3) 電動機(jī) 氣隙磁動勢在空間呈正弦分布； (4) 鐵心中的渦流飽和磁滯損耗忽略不計。 下面直接給出 數(shù)學(xué)模型如下，具體推導(dǎo)過程可參考 20 和 24。 (1) 定子電壓方程式： 式 （ 式中 du， d， q 軸電壓分量； d，q d， q 軸的磁鏈； 微分算子； 電角速度，其中 為轉(zhuǎn)子電角度； R 定子相電阻； di， d， q 軸電流分量。 (2) 定子磁鏈方程式： 式 （ 式中 dL， d， q 軸電感； f 永磁轉(zhuǎn)子的磁通，常數(shù)。 (3) 電磁轉(zhuǎn)矩： )( 式 （ 2 數(shù)學(xué)模型及矢量控制理論 9 式中 電動機(jī) 的電磁轉(zhuǎn)矩； 電動機(jī) 極對數(shù) 。 (4) 運(yùn)動方程： 式 （ 式中 機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ； J 永磁轉(zhuǎn)子 和機(jī)械負(fù)載總 的 轉(zhuǎn)動慣量 。 2. 3 矢量控制理論 言 1971 年，德國的 人提出了 交流 電動機(jī) 磁場定向控制的思想，從理論上解決了交流 電動機(jī) 轉(zhuǎn) 矩 的高性能控制問題。其基本思想是在普通的三相交流 電動機(jī) 上設(shè)法模擬直流 電動機(jī) 轉(zhuǎn) 矩 控制的規(guī)律，在磁場定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵磁電流分量 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量 使兩分量相互垂直，彼此獨(dú)立，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，交流 電動機(jī) 的轉(zhuǎn)矩控制，從原理和特性上就與直流 電動機(jī) 相似了。矢量控制的關(guān)鍵是對電流矢量的幅值和空間位置（頻率和相位）的控制，目的是改善轉(zhuǎn)矩控制性能，最終控制對象就是控制定子電流。 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn) 矩 線性化控制，就必須要對轉(zhuǎn) 矩 的控制 參數(shù)實現(xiàn)解耦，矢量控制算法有多種形式，磁場定向矢量控制方案是最常用的有效解耦控制方式。它基于三個主要內(nèi)容：電動機(jī) 的電流空間矢量、電壓空間矢量；速度和時間相關(guān)的三相坐標(biāo)系變換為速度與時間無關(guān)的兩相坐標(biāo)系和有效的脈寬調(diào)制方式的產(chǎn)生。磁場定向矢量方案克服了傳統(tǒng)交流電動機(jī) 控制的缺點，獲得了更高的靜態(tài)和動態(tài)性能。 間矢量坐標(biāo)變換 由于定子側(cè)各物理量（電壓、電流、電動勢、磁動勢）都是交流量，其空間矢量在空間上以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)、控制和計算均不方便，因此，需借助坐標(biāo)變換，使物理量從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐 標(biāo)系，站在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系觀察， 電動機(jī) 各空間矢量都成了停止矢量，在同步坐標(biāo)系上都成