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1、河南机电高等专科学校毕业设计说明书 第一章 绪论随着我过经济的迅速发展,作为是“世界工厂”之称的中国,制造也迎来了发展的春天,然 而,自主创新能力的不足,工业基础的薄弱,特别是制造业人才的缺乏都成为影响和制约我 过工业快速发展的瓶颈, 这些也是我国是制造大国却不是制造强国的原因, 商务部长薄熙来 曾说过我们需要出口几百万件衣服才能买得起一架波音客机, 我们的总理温家宝也多次强调 发展制造业, 发展职业教育的急迫性和重要性。 国家也为职业教育提供了大量的资金及优惠 政策以鼓励其发展,作为祖国未来的建设者,我们肩负着振兴祖国工业,追赶先进的重任, 我相信,我们制造业将在我们这一代人身上发展壮大并逐
2、步缩小与欧美日发达国家的差距。 泵在机械产品中是很重要而且应用很广泛的一种零部件,诸如汽油泵、变频泵、液压泵、潜 水泵、隔膜泵、转向助力泵、双作用叶片泵等,起作用是其他部件所不能取代的,故而选择 与泵密切相关的泵盖作为设计的主题, 在本次的设计过程中查阅了大量相关的工艺方面的书 籍资料, 综合比较选择最好的设计方案, 在完成此次设计任务中得到老师及同学们的大力帮 助,在此想他们表示衷心的感谢。 由于个人水平有限和经验的不足,加之资料不够全面,设计中难免存在错误和缺陷,还望读 者给予指点更正。1.1.1 零件的作用题目所给定的零件是液压油泵的泵盖。属于盖体类零件,它和其他零件一起装配液压泵的一个
3、腔体结构用来储存,输入分配液压油。工作中,零件内表面要受到液压力的冲击,因此对零件的刚度有一定的要求,零件的A面要与其他零件相配合的表面,要有一定的尺寸精度和形位精度。1.1.2 零件的工艺分析该零件图主要由平面、外轮廓、孔系、凸台、腰槽等组成。 其中孔的表面粗糙度要求比较高,该工件材料为硬铝(LY12),切削性能好,从图上要求看出,加工部分分别为椭圆形和方形凸台、腰形槽和 30H7的孔。其中凸台轮廓曲线为非圆曲线,需要用宏指令(参数)编程处理,30mm的孔由于精度要求高,可以采用钻扩粗镗半精镗精镗的加工方法。在加工过程中要保证表面粗糙度要求。也要提高装夹高度,并且要满足垂直度和平行度要求。选
4、择加工机床由于加工部位多,需要多种刀具,换刀次数较多,因此选用立式三坐标数控铣加工中心较为合适。工件装夹用平口虎钳装夹工件。(2)选择加工方法上下表面的粗糙度可选择“粗铣精铣”方案。要注意孔加工方法的选择:孔加工前为了便于钻头引正,先用中心钻加工中心孔,然后再钻孔。内孔表面的加工方案在很大程度上取决于内孔表面本身的尺寸精度和粗糙度。对于精度较高、粗糙度值较小的表面,一般不能加工到规定尺寸而要划分加工阶段逐步进行。(3)确定装夹方案该零件毛坯的外行比较规则,在加工上下表面、台阶面及空系时,选用平口虎钳夹紧。铣削外轮廓时,要选好定位方式(4)确定加工顺序及走刀路线 按照“基面先行、先面后孔、先粗后
5、精”的原则确定加工顺序。(5)刀具选择 零件上下表面采用端铣刀加工,根据侧吃刀量选择端铣刀直径,使铣刀工作时有合理的切入/切出角;且铣刀直径应尽量包容工件整个加工宽度,以提高加工精度和效率,并见减小相邻两次进给之间的接刀痕迹。台阶面及其轮廓采用立铣刀加工,铣刀半径只受轮廓最小曲率半径限制。孔加工各工步的刀具直径根据加工余量忽然孔径确定。(6)切削用量选择选择主轴转速与进给速度时,先查切削用量手册,确定切削速度与每齿进给量,然后计算主轴转速与进给速度(7)拟定数控铣削加工工序卡片为了更好的指导编程和加工操作,把该零件的加工顺序、所用刀具和切削用量等参数编入泵盖零件数控加工工序卡片中。单位名称mm
6、产品名称或代号零件名称零件图号xxx泵盖xxx工序号程序编号夹具名称使用设备车间xxxxxx平口虎钳加工中心xxx工步号 工 步内 容 刀具号 刀 具规 格主 轴转 速进 给速 度切 深1粗铣凸台T022080016042精铣凸台T022011001760.53 打中心孔T0312014005054钻孔T04350060305钻孔T0513200603067精铣腰槽T062814001700.58粗镗孔T0725-3820060389半精镗孔T0725-38200603810精镗孔T0725-3830040381.1.3 刀具和切削用量的选择产品名称或代号零件名称平面零件零件图号图号序号刀具号
7、刀具规格名称数量加工表面备注1T0220的高速立铣刀1凸台2T03120的高速立铣刀(或键槽铣刀)1打中心孔3T043的高速钢中心锯1钻孔 4T0513的高速钢麻花钻1粗铣腰槽5T0628的高速钢麻花钻1精铣腰槽6T0725-38的高速钢镗孔刀1镗孔编制审核批准共页第 页伺服驱动器的发展除了直接与伺服电动机的发展相适应外,主要依赖于电力电子器件、微电子技术的发展。电力电子器件是组成大功率电子装置的核心,对整个装置的性能、体积、重量和价格的影响非常大。第一代电力电子器件的代表是门极不可关断的晶闸管(SCR),由它构成的变流装置用于早期的直流伺服系统中,存在响应慢和低速脉动大的缺点。第二代的代表是
8、双极性全控器件大功率晶体管(GTR)及其模块化结构,广泛应用于直流电动机、交流电动机的驱动中,在中小容量的范围内取代了晶闸管的地位。但GTR存在门极控制电流大、高频开关损耗大、二次击穿的缺点,致使驱动电路复杂,装置体积大,效率低。第三代电力电子器件的主要特点是电压门极控制,驱动的平均功率小,其代表器件为IGBT,它集中了MOSFET和GTR的优点,既有MOSFET高输入阻抗、高速开关特性,又具有GTR大电流密度、低导通压降的特性。IGBT电力电子器件发展至今,性能更趋优良,容量不断提高,己经成为伺服驱动器的首选功率开关器件,使伺服驱动器PWM开关频率提高到10KHZ以上,从而实现了伺服驱动器的
9、高频化,提高了系统的响应速度,而且对降低电动机噪声、减小转矩脉动极为有利,在性能上获得较大的改善。电力电子器件的应用难点在于设计合理的驱动和保护电路,新一代的智能功率模块(IPM)是集功率器件IGBT、驱动电路、检测电路和保护电路于一体,实现过流、短路、过热、欠压保护,模块包含三相桥逆变器,从而使装置体积缩小,可靠性提高。1.1.4 DSP在交流伺服系统中的应用微处理器的应用把伺服驱动器推向数字化的发展新阶段,使伺服驱动器的实现手段发生了根本性变化。80年代初,伺服系统开始使用Z80等通用型微处理器,并辅以相当数量的外围接口电路构成实时控制系统。Intel公司1987年推出8OC196系列单片
10、机,在功能和速度提高的同时,抗干扰及可靠性也有可较大提高,能满足数模混合型伺服驱动器的要求,实现位置、速度的数字控制。由于伺服系统应用广泛,国外公司还推出一些专用微处理器,有Intel的8O196MC系列、NEC的PD783系列和日立的SH7000系列,它们都具有带死区功能的三相PWM发生器、光电编码器输入接口、A/D转换器、丰富的I/O和中断资源。这类微处理器基本上满足高性能交流伺服驱动的需要,但由于市场的原因,价格比较昂贵。九十年代初,DSP开始在交流伺服系统中出现,主要有TI公司的TMS320系列、MOTOROLA公司的68000系列以及NEC公司的PD7720系列等等。DSP是一种高速
11、的微处理器,其最大特点就是运算速度非常快,它比目前的16/32位微处理器的运算速度至少快一个数量级,而且它内部也集成了足够丰富的外设模块。因此,具有很强运算处理能力的DSP能满足电流环的实时控制的高要求。近年来,各种集成化的单片DSP的性能越来越完善,软件和开发工具也越来越多,越来越好,价格却大幅度下滑。目前低端产品已接近单片机的价格水平,且具有更高的性能价格比,从而使得DSP器件及技术更容易使用,价格也能够为广大用户接受。越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能,DSP器件取代高档单片机的时机己经成熟。而且随着DSP在各行各业中的广泛普及,专业人才方面的供需矛盾也会很快解决。 与
12、单片机相比DSP器件具有以下优点:l) DSP具有更高的集成度,更快的CPU,更大容量的存储器,内置有波特率发生器和FIFO(First In First Out)缓冲器。提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成CAN控制器及A/D和采样/保持电路,可提供PWM(Pulse-WidthModulation)输出。此外,有的片内集成了CAN控制器,为伺服系统进行实时通讯并进一步构成分布式控制系统提供了条件。2) DSP器件为精简指令系统计算机(RISC)器件,大多数指令都能在一个指令周期内完成,并且通过并行处理技术,使一个指令周期内可完成多条指令。DSP采用改进的哈佛结构,具有独立的程序和
13、数据存储空间,允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器,增强的多级流水线,使DSP器件具有高速的数据运算能力。而单片机多为复杂指令系统计算机(CISC),多数指令要2-3个指令周期来完成。单片机采用冯.诺依曼结构,程序和数据在同一空间存取,同一时刻只能单独访问指令或数据。ALU只能做加法,乘法需要由软件来实现,因此占用较多的指令周期,也就是说速度比较慢。所以,结构上的差异使DSP器件比16位单片机单指令执行时间快8-10倍,完成一次乘加运算快16-30倍。简单地说,就是DSP器件运算功能强,而单片机的事务处理能力强。己的实力,推出电机控制器专用DSP-TMS320LF24Ox。新的TMS3
14、20LF240x DSP采用T320C2x16位定点DSP内核,处理速度达每秒3000万条(30MIPS),集成了两个电机控制事件管理器,后者的特点是可以最佳方式实现对电机转向的电子控制。该器件利用TI的可重用DSP核心技术,显示出TI 的特殊能力 通过在单一芯片上集成一个DSP核及其数字和混合信号外设件,制造出面向各种应用的DSP方案。TMS32OLF240x是专门用于数字电机控制器的专用DSP系列,可支持电机的转向、指令的产生、控制算法的处理、数据交流和系统监控等功能。集成化DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多因素加在一起,就可提供一个单芯片式数字电机控制方案。采用
15、基于DSP的电机专用集成电路的另一个好处是,可以降低对传感器等外围器件的要求。通过复杂的算法达到同样的控制性能,降低成本,可靠性高,有利于专利技术的保密。1.2 伺服系统发展趋势根据目前国内外的研究及使用状况,可归纳出以下几种发展趋势:1)交流化从伺服电动机的比较可以看出,交流伺服系统的优势明显,随着微电子技术的迅速发展,新一代高性能微处理器的不断推出,可以预见,在不远的将来交流伺服系统将最终取代直流伺服系统。交流伺服系统又有两大发展方向: 一个方向是向高性能的全数字化、智能化软件伺服的方向发展,这就交流伺服系统的发展主流,代表其发展的水平和主导方向,以满足高精度数控机床、机器人、特种加工装备
16、精细进给的需要。与此相反,另一个方向是使用简单、低成本、少维护的交流伺服系统,这种伺服系统在简易数控机床、普通机械、办公自动化设备、家用电器、计算机外设以及对性能要求不高的工业运动控制等领域得到了广泛的应用。2)数字化交流伺服系统由以硬件模拟电子器件为主,转向采用数字电路、微处理器、数字信号处理器等,实现半数字化、全数字化。DSP 的出现为伺服系统的全数字化奠定了基础。全数字化的突出特点是软件伺服,从而大大增强了系统的柔性。具体来说,全数字伺服系统具有以下的优点:a) 能明显地降低控制器硬件成本。根据目前微电子技术的发展趋势,速度更快、功能更新的微处理器不断涌现,硬件费 用会变得很便宜。体积小
17、、重量轻、能耗小是其共同的优点。 b) 数字电路温度漂移小,也不存在参数的影响,稳定性好。c) 硬件电路采用了集成电路和大规模集成电路,可靠性比较高。d) 易于通用化,可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路,而软件 可 以模块化设计,以构成适用于不同应用对象的控制算法,满足不同的用途。e) 采用微处理器的数字控制,使信息双向传递能力大大增强,提高分级控制能力, 使系统趋于智能化。3)智能化现代控制理论的发展应用弥补了经典控制理论对时变、非线性、随机性系统无能为力的缺陷,对不确定、非线性等复杂问题,提出了自适应、变结构、鲁棒控制等控制策略。这些控制方法大大提高了系统的鲁棒性,与经典控制理论
18、结合起来,已被厂泛采用。但是,以现代控制理论为基础的控制策略仍在一定程度上依赖于被控对象的数学模型,并不能从根本上解决复杂和不确定性系统的控制问题。计算机科学与工程的迅速发展,微机的广泛使用,使得许多控制算法和直觉推理得以实现,人工智能的发展不仅使人们进一步深化了对智能活动的机理认识,而且为人们用计算机更有效地表达和利用知识开辟了新途径。专家系统、模糊集合、人工神经网络等理论的发展为智能科学提供了数学工具。从神经生理学、仿生生理学角度对人脑结构模型、功能模型的研究,从认知心理学对人类智力活动心理过程和特征的研究,以及智能机器人等高技术的工程实践,都从不同侧面促进了智能科学的发展,也给自动化学科
19、注入了新的思想和活力,为智能控制的实践应用奠定了必要的理论和技术基础。4)网络化控制与网络,这两种技术的发展是并行的,同时又是交叉的,体现在两个方面: 一方面,将控制技术应用到网络领域;另一方面,将网络控制技术应用到控制领域。网络控制系统的出现体现了自动控制技术与计算机网络技术的学科的交叉。网络控制是指本地计算机通过网络系统,实现对远端的生产过程的监视和控制。能够实现远程控制的计算机软硬件系统称为网络控制系统。 20世纪60年代计算机开始进入工业控制领域,从最初的直接数字控制(DDC)发展到集中式控制:70年代末集散控制系统(DCS)开始进入控制领域;到90年代,出现了以各种现场总线的应用为特
20、点的分布式控制系统。现场总线技术是90年代兴起的一种先进的工业技术,它将当今网络通信与管理的概念引入工业控制领域.它是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合。它完全适应了目前工业界对数字通信和自动控制的需求,而且可使控制网络与Internet网络相连构成不同层次的复杂网络,代表了今后工业控制体系发展的一个方向。比较有代表性的现场总线如:CAN,Profibus、Lon works以及基金会现场总线FF等以其高度的实时性、可靠性和灵活性正得到越来越广泛的应用。1.3 设计的背景、意义通过上一节对伺服系统发展趋势的总结可以发现,交流化、数字化、网络化、智能化是今后伺服系统的发展方向。交流
21、调速中,永磁同步电机在医疗器械、仪器仪表、化工轻纺以及家用电器等方面正得到日益广泛的应用,并且成为新一代的航空,航天和航海用电机,加上我国又是永磁材料的生产大国。所以,在我国永磁电机的应用有着广阔的发展前景。伺服系统向着全数字化的方向发展,而高性能DSP器件的出现为其奠定了坚实的基础。从国内外最新的发展情况来看,国外很多公司都已推出了基于DSP的成型的全数字交流伺服产品,象国内引进较多的日本松下、安川等交流伺服系统。目前,国内的控制界也己掀起了利用DSP来实现交流伺服系统的热潮。通讯接口是伺服技术的一个重要内容,在很大程度上决定着伺服系统的性能。现在的伺服系统大多采用RS232/485协议进行
22、串行通讯,受限于协议及硬件电路,这种系统不能满足高精度、实时性的要求并且不易构成分布式控制系统。现场总线技术的迅猛发展及其在伺服系统中的应用很好的解决了这些问题。提高了系统的可靠性、实时性与灵活性。另外,采用高性能控制策略的控制系统具有很好自适应能力和抗干扰能力,能够在参数时变及干扰等恶劣的工况下保证系统良好的动态和稳态性能。克服了基于常规控制理论设计的电机控制系统存在的缺陷和不足。国外在伺服技术的研究与应用上遥遥领先于我国。日本及欧美一些国家于20世纪80年代初已经推出了一系列商品化的高性能全数字化交流电机控制系统和产品。我国在80年代末着手研究和引进交流伺服系统,但至今全数字式交流伺服系统
23、的国产化步伐仍然缓慢,研究开发国产的数字交流伺服系统已是迫在眉睫之事.本次设计的主要任务是设计一种基于DSP和CAN总线技术的高性能全数字化伺服系统.采用电流、转速双闭环控制方式对永磁同步电动机进行速度和位置控制。1.4 本次设计的主要工作本次设计的主要工作包括:1. 对永磁同步电机的结构及其数学模型进行了探讨,分析了空间矢量脉宽调制的DSP实现方法。2. 对控制器局域网(CAN)总线技术在伺服系统中的应用进行了讨论。包括通讯协议的分析及接口电路的硬件实现。3. 基于电机控制专用DSP控制器-TMS32OLF2407,本设计在参考前人研究成果的基础上开发了一套带有CAN接口的全数字交流永磁伺服
24、系统。包括DSP控制器的软硬件设计。 第二章 永磁同步电机结构及其数学模型本章将简要介绍永磁同步电机的主要类型,并以正弦交流电流驱动的永磁同步电机为研究对象,从三相永磁同步电机在三相坐标系中的模型出发,讨论永磁同步电机的基本电磁关系,讨论其在三相静止坐标系(A-B-C)静止坐标系(-)和旋转坐标系(d-q)中的电压、电流及磁链方程之间的关系。为进行矢量控制,重点讨论了永磁同步电机在d-q坐标系中的数学模型,给出了id=0时电机的等效电路。这些电磁约束对了解永磁同步电机的原理、分析其运动规律和研究高性能控制决策提供了理论基础。然而,要想组成真正的矢量控制系统,还必须从电机的动态数学模型出发,找到
25、各个物理量之间的关系,特别是定子和转子电流相互作用而产生的磁通和转矩之间的关系,在定向坐标系上实现各量的控制和调节。2.1 永磁同步电机的结构永磁同步电机本体是由定子和转子两大部分组成。永磁同步电机的定子指的是电动机在运行时的不动部分,主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。其定子和异步电动机的定子结构基本相同。空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场。 , 其中,f为定子电流频率,pm为电动机极对数永磁同步电机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分,在转子结构上,是用磁体取代普通同步机的励磁绕组,从而省去了励磁线圈、滑环
26、和电刷。永磁同步电动机的转子采用永久磁铁励磁,目前常使用稀土永磁材料。由于转子磁钢的几何形状不同,使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波(方波)两种。因此,当转子旋转时,在定子上产生的反电动势波形也有两种: 一种是正弦波形;另一种为梯形波(方波),这样就造成两种同步电动机在原理、模型以及控制方法上有所不同,为了区别由它们组成的永磁同步电动机,一般把产生正弦波磁场的永磁同步电动机称为正弦波型永磁同步电动机(PMSW):而由梯形波(方波)产生磁场的永磁同步电动机称为梯形波(方波)型永磁同步电动机,由于其原理与控制方式上基本与直流电动机系统类似,所以又称无刷直流电动机(BLDCM )。永磁同步
27、电机按照驱动电流波形划分可以分为两类: 一类是正弦波电流驱动的永磁同步电机;另一类是梯形波(方波)电流驱动永磁同步电机。采用何种驱动电流波形取决于转子磁通在气隙中的分布,最终目的是使得定子磁通和转子磁通相互作用能够产生平滑转矩(电机在稳定运行时转矩脉动最小)。由永磁同步电机的矩角特性可知,要想使永磁同步电机连续运转,必须满足矩角保持在0与max之间,即通入定子电流的角频率与转子的旋转角频率一致,而且由定子与转子所产生的两磁场应保持一定的角度。这样才可以有效的避免永磁同步电机在旋转起来以后的失步问题,保证了永磁同步电动机运行的稳定性和安全性。根据永磁体在转子上安装位置的不同,PMSW转子可分为三
28、类:表面式、嵌入式和内埋式。一般PMSW多采用前两种形式的转子结构。对于永磁同步电动机的控制,通常有两种方式。一种是针对电流控制的滞环控制,一种是采用电压控制。前者以前主要在模拟控制中予以采用,响应快速。后者的理论基础是空间矢量PWM控制,提高了逆变器的电压输出能力,保持恒定的开关频率,适合数字控制。图2-1给出了电压控制的原理图。 图2-1 永磁同步电机电压控制方式原理图以上详细说明了永磁同步电机的结构特点,为下面的介绍永磁同步电机的数学模型提供结构方面的基础。2.2 永磁同步电机的数学模型由于交流电机是一个多变量、非线性、强耦合系统,定转子电感系数随转子位置的变化而变化。电机的数学模型中含
29、有时变参数,给分析和计算带来困难。利用坐标变换可将电感系数变换成常数,消除时变参数,使以实际变量描述的电机非线性方程变换成由替代变量描述的线性方程式,使得运算分析简化。旋转电机常用坐标有以下三类1)坐标轴线放在定子上的三相静止坐标系A-B-C;2)坐标轴线放在定子上的两相静止坐标系;3)坐标轴线在转子上随转子一起旋转的坐标系d-q。三种坐标系间的关系如图2-2所示: 图2-2各坐标系之间的关系如下(以电流为例,电压与磁链的转换与此相同):为了便于进行矢量控制,克服静止坐标系下电压方程是周期性时变系数微分方程的缺点,通常采用旋转的d-q坐标系推导电机的数学模型。d-q坐标轴由直轴(d轴)和交轴(
30、q轴)组成,该坐标系统的坐标轴取在转子上,从A-B-C到d-q坐标系统的转换是实数到实数的变换。由于d-q坐标系统与转子一起旋转,则电机定、转子各量在d轴、q轴上的投影值是恒定的。在A-B-C坐标系下。定转子绕组间的互感和定子各绕组间自感都是转角的函数,变换成d-q坐标系统后,等效d,q轴绕组的自感和互感均为常数,求解和分析较为方便。由于永磁同步电动机具有正弦形的反电动势波形,其定子电压、定子电流也应该为正弦波。假设电动机是线性的,参数不随温度等变化,忽略磁滞、涡流损耗,转子无阻尼绕组,那么基于旋转坐标系d,q中的永磁同步电动机定子磁链方程为:根据在两相绕组中,旋转坐标系下的永磁同步电机定子电
31、压矢量方程式整理出永磁同步电动机在d,q轴上两个分量的定子电压方程式: 其中Vq,Vd为定子电压矢量的d,q轴分量.为转子电角速度。在认为旋转坐标系的旋转角频率与转子旋转角频率一致,并且当d轴与转子主磁通方向一致时,将定子磁链方程式代入定子电压方程式就得到永磁同步电机转子磁通定向的电压回路方程式: 同时得到转矩方程为:其中Pm为电机的结构常数。有上面的推导可以看出,永磁同步电动机的电磁转矩基本上取决于定子d轴电流分量和q轴电流分量.在永磁同步电动机中,由于转子磁链恒定不变,所以都是采用转子磁链定向方式来控制永磁同步电动机的。在基速以下恒转矩运行区中,采用转子磁链定向的永磁同步电动机定子电流矢量
32、位于q轴,无d轴分量,即定子电流全部用来产生转矩,此时永磁同步电动机的电压方程可写为: 其中J为转动惯量,B为粘滞摩擦系数;通过电机在旋转坐标系d,q中的数学模型可以看出:1) 在旋转坐标系d-q轴中的变量都为直流变量,并且由转矩方程式可以看出电机的输出转矩与电流iq;呈线性关系,只需控制iq的大小就可以控制电机的输出转矩了。2) 在旋转坐标系d-q轴上的绕组中,如果分别通入直流电流id、iq。同样可以产生旋转磁势,并且由可以知道电流id、iq为互差90度的正弦量,其角频率与d,q轴的旋转角频率一致。事实上,d,q轴线圈的漏感相差不大,近似相等。因此,电感参数可以由下式表示:其中,纵为d,q轴
33、线圈的漏感,Lmd和Lmq分别为d和q轴线圈的自感.假设if为等效励磁电流,则永磁同步电动机的电压方程如下式且其等效电路如图2-3所示: 图2-3 永磁同步电机d/q轴电压等效电路图2-4给出了常用的采用iq=0矢量控制时,以电压Vq为输入,转子速度为输出的交流永磁同步电动机系统框图。图2-4永磁同步电机系统框图以此为基础构成的速度、电流双闭环系统永磁同步电动机调速系统如图2-5所示:2.3 永磁同步电机矢量控制原理与电压空间矢量控制2.3.1 矢量控制原理 矢量控制的基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律,在磁场定向坐标上,将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量
34、和产生转矩的转矩电流分量,并使得两个分量互相垂直,彼此独立,然后分别进行调节。这样交流电动机的转矩控制,从原理和特性上就和直流电动机相似了。矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能,而最终实施仍然是落实到对定子电流(交流量)的控制上。由于在定子侧的各个物理量,包括电压、电流、电动势、磁动势等等,都是交流量,其空间矢量在空间以同步转速旋转,调节、控制和计算都不是很方便。因此,需要借助于坐标变换,使得各个物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,然后,站在同步旋转坐标系上进行观察,电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量,在同步坐标系上的各个空间矢量就都变成了直流量,可以根据转矩公式的几种形式,找到转矩和被
35、控矢量的各个分量之间的关系,实时的计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值,即直流给定量。按照这些给定量进行实时控制,就可以达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是不存在的,是虚构的,因此,还必须再经过坐标的逆变换过程,从旋转坐标系回到静止坐标系,把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量,在三相定子坐标系上对交流量进行控制,使其实际值等于给定值。由永磁同步电机的数学模型的分析可知:定子电流在d,q轴上的分量决定电磁转矩的大小。永磁同步电机矢量控制的实质就是通过对定子电流的控制来实现交流永磁同步电动的的转矩控制。转速在基速以下时,在定子电流给定的情况下,控制id=0可以更有效的产
36、生转矩,这时电磁转矩:,电磁转矩就随着iq的变化而变化。在控制系统只要控制iq大小就能控制转速,实现矢量控制。然而转速在基速以上时,因为永久磁铁的励磁磁链为常数,电动机感应电动势随着电机转速成正比例增加。电动机感应电压也跟着提高,但是又要受到与电机端相连的逆变器的电压上限的限制,所以必须进行弱磁升速。通过控制id来控制磁链,通过控制iq来控制转速,实现矢量控制。永磁同步电机矢量控制很容易实现,只要使实际的id,iq与给定的id,iq相等,也就满足了实际控制的要求。在实际控制中,向电机定子注入的和从定子检测的电流都不是id,iq,而是三相电流,所以必须进行坐标变化。又因为d-q坐标系是定在电机转
37、子上的旋转坐标系,所以要实现坐标变化必须在控制中实时检测电机转子的位置。下图是永磁同步电机的矢量控制原理图。由图可知,永磁同步电机电流速度双闭环交流伺服系统矢量控制有下面几部分组成:1速度检测模块。2速度环,电流环控制器。3坐标变换模块。4SVPWM模块。5整流和逆变模块。控制过程为:速度给定信号与检测到的转子速度相比较,经速度控制器的调节,输出iq指令信号(电流控制器的给定信号)。同时经过坐标变换,定子反馈的三相电流变id,iq,通过电流控制器使id=0, iq与给定的iq相等,电流控制器的输出为d,q轴的电压经坐标变化变为,电压,通过SVPWM模块输出六路PWM驱动IGBT,产生可变频率和
38、幅值的三相正弦电流输入电机定子。2.3.2 空间矢量脉宽调制原理空间矢量PWM波是一个由三相功率逆变器六个功率开关元件的特定开关模式产生的脉宽调制波。空间矢量PWM与传统的正弦PWM波不同,它是从电动机的角度出发,着眼于如何使电机获得圆形理想磁链圆,使逆变器注入定子的电流形成的磁场必须实时追踪转子磁场,并且两磁场实时保持正交以实现永磁电机交流伺服系统的矢量控制。空间矢量脉宽调制技术,不仅使得电机转矩脉动降低,电流波形畸变减少,而且与常规的SPWM技术相比直流电压利用率有很大的提高,并且易于实现数字化.下图是三相电力逆变器。设直流侧中点的O作为参考点,则上管导通时输出电压为,下管导通时输出电压为
39、-图2-7三相电力逆变器由Park变换定义的电压空间矢量为: (2-18 按上式定义的电压空间矢量,逆变器可以输出图2-8所示的八个电压空间矢量,他们分别对应逆变器的八个开关模式。(000)和(111)对应输出的电压空间矢量为零,我们把这两个电压空间矢量称为零矢量。其它六个矢量称为有效矢量. 有效矢量长度均为。 图2-8电压空间矢量定义众所周知,对称的三相正弦变量按(2-18) 式合成,将得到一个幅度固定的匀速旋转的空间矢量。反过来,一个这样的空间矢量在三相空间A、B、C轴上的投影是三相对称的正弦变量,且矢量的模长等于各相正弦量的峰值。由于变换器的实际所能产生的矢量(有效矢量和零矢量)有限,不
40、可能输出角度连续变化的空间矢量。为获得旋转的电压空间矢量,只有利用各矢量的作用时间的不同来等效的合成所需要的矢量。一个正弦周期内发出的合成矢量越多,意味着开关频率越高。以第三扇区为例,用最近的两个相邻有效矢量U4,U6和零矢量合成参考矢量Uref,等效矢量按伏秒平衡原则合成。于是有:(2-19) 式(2-19) 的意义是,矢量Uref可在T时间内所产生的积分效果与U4,U6和零矢量分别在T4,T6和TO时间内的积分和效果相同。在此:零矢量只是补足T4,T6以外的时间,它对矢量的合成不产生影响。由等式两边实部和虚部相等得:随着参考电压空间矢量Uref可的长度增加,输出电压的基电压幅值也线性增加,
41、T4,T6也线性加大,TO逐渐减小,但是,要使合成矢量在线性区内就必须满足下列等式:为使波形对称,把每个矢量的作用时间都一分为二,同时把零矢量时间等分给两个零矢量Uo和U7。产生的开关序列为:如下图所示。这样即可以提高直流电压的利用率,又可以降低逆变器输出的谐波含量。则(2-18)式可以表示为: 图2-9 SVPWM信号图2.3.3 空间矢量脉宽调制实现根据以上的电压空间矢量调制原理,SVPWM信号的实时调制计算步骤归纳如下:(1)判断合成矢量Urcf所处扇区通过分析Ua和UB的关系,可得到如下的规律:(2)计算X,Y,Z和T1,T2T1,T2-不同扇区内相邻向量的作用时间。T1,T2值的计算
42、可归纳为下面三个值的计算.定义: 在不同的扇区内T1,T2按表1赋值。 表2-1T1,T2赋值表扇区号IIIIIIIVVVIT1ZY-Z-XX-YT2Y-XXZ-Y-Z上表可以在向量图中得到验证。T1,T2 赋值后,还要对其进行饱和判断。(3) 计算电压空间矢量切换点TCm1,TCm2,TCm3定义: Ta=T-T4-T6/4Tb=Ta十T1/2Tc=Tb +T2/2则在不同的扇区内TCm1,TCm2,TCm3根据下表进行赋值: 表2-2切换点赋值表TCm1,TCm2,TCm3扇区号IIIIIIIVVVITcm1TbTaTaTcTcTbTcm2TaTcTbTbTaTcTcm3TcTbTcTaT
43、bTaTcm1,Tcm2,Tcm3基于的控制系统中,作为全比较寄存器的值,通过与定时器计数寄存器的值进行比较来产生PWM。 第三章 控制系统硬件设计 本系统提供的硬件设计以TMS320LF2407为控制核心。TMS320LF2407芯片是有较高性能价格比的一种定点DSP芯片。该芯片的低成本、低功耗、高性能的处理能力对电机的数字化控制非常有效。可以适用于多种控制策略。采用了IGBT CPV363M4K模块组成逆变桥来实现功率主回路直流到交流的逆变。控制系统的硬件构成见图3-1 图3-1系统硬件结构图主要包括:TMS320LF2407微处理器及其外围电路,主要负责控制策略和算法的实现,产生PWM信
44、号、响应速度反馈等工作;以CAN模块负责与上位机进行通讯,通过总线接收对电机的控制信息;JTAG接口电路为仿真器与微机的接口电路,便于系统进行在线调试。此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能;检测电路采用了价格较低的电阻器和价格较高但性能好的电磁隔离式霍尔传感器两套电路来检测永磁同步电机的相电流ia, ib,送入DSP进行A/D转换并作相应处理,实现控制算法;PWM输出通过光耦传输,使得传递PWM控制信号时控制电路与功率电路隔离;电源模块将开关电源提供的+5V电压变换为+3.3V,为系统供电。TMS320LF2407 DSP 是TI 公司C2000系列DSP 中的一款高性能芯片。具有以下几个方面
45、的特点:(1)资源丰富具有多达41个的通用、双向数字I/O引脚;两个事件管理器EVA和EVB 包含了4个通用定时器、6个比较单元、6个捕获单元、12路PWM输出电路和4路正交编码脉冲电路;串行外设接口模块SPI 可实现TMS320LF2407与其它SPI 接口芯片之间的数据交换;串行通信模块SCI 和CAN 控制器可实现TMS320LF2407与PC 机之间的数据交换;可变周期的看门狗定时器和基于锁相环的时钟模块提高了系统的适应性;片内2.5K字的RAM单元可以存放程序运行过程中的大量参数而无需外扩数据RAM 32 通过DSP内核将这六个中断源加以扩展 可使每一个中断源同时挂接几个外部中断源 使得DSP 能够处理的外设硬件中断将近50个 具有很强的事件处理能力。(2)数据处理能力强且运算速度快 TMS320LF2407采用改进的哈佛结构,片内有六条独立、并行的数据和地址总线,极大地提高了系统的数据吞吐能力;32位的累加器、16位的硬件乘法器和输入、输出数据移位寄存器相结合能快速地完成复杂的数值运算;丰富的指令集系统、
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