基于矢量控制的永磁同步交流伺服电机控制系统技术文件.doc.doc
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1、基于矢量控制的永磁同步交流伺服电机控制系统 电子信息工程系 电子信息科学与技术专业 胡柏和 指导教师 林益平摘要:本文详细介绍了永磁同步交流电机的矢量控制理论,并根据矢量控制理论运用DSP实现了对永磁同步交流伺服电机的电流速度和位置的三闭环控制,最后给出实验结果及其分析关键词:永磁同步交流伺服电机;矢量控制;SVPWM;TMS320F28121引言近年来,采用全数字控制方法,以永磁交流电机为控制对象的全数字交流伺服系统正在逐渐取代以直流电机为控制对象的直流伺服系统和采用模拟控制技术的模拟式交流伺服系统全数字交流伺服系统采用矢量控制方法,可实现优良的控制品质利用高速的数字信号处理器TMS320F
2、2812可实现对交流电机运行的位置速度和电机电枢电流的高精度控制2矢量控制2.1 矢量控制理论的提出1971年,由德国Blaschke等人首先提出了交流电动机的矢量控制(Transvector Contrl)理论,从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题其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,将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量,并使两分量互相垂直,彼此独立,然后分别进行调节这样,交流电动机的转矩控制,从原理和特性上就与直流电动机相似了因此,矢量控制的关键仍是对电流矢量的幅值和空间位置的控制矢量控制的目的是为了改善转
3、矩控制性能,而最终实施仍然是落实在对定子电流(交流量)的控制上由于在定子侧的各物理量(电压电流电动势磁动势)都是交流量,其空间矢量在空间上以同步旋转,调节控制和计算均不方便因此,需借助于坐标变换,使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系,站在同步旋转的坐标系上观察,电动机的各空间矢量都变成了停止矢量,在同步坐标系上的各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,找到转矩和被控矢量的各分量之间的关系,实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值直流给定量按这些给定量实时控制,就能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虚构的,因此,还必须在经过坐标的逆变换过程,从
4、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2.2 矢量控制中的坐标变换考虑通常的三相绕组,在空间位置上互差rad机械角度,设在三相绕组中通以三相对称电流,在相位上互差rad电角度,产生的合成磁场具有以下特点:(1) 随着时间的推移,合成磁场的轴线在旋转,电流交变一个周期,磁场也将旋转一周(2) 在旋转过程中,合成磁场强度不变,故称圆形旋转磁场考虑两相对称绕组,其在空间位置上互相“垂直”,互差rad电角度;两相交变电流在相位上互差rad电角度将两相对称电流通入两相对称绕组,产生的合成磁场将具有与三相旋转磁场同样的特
5、性如果在旋转体上放置2个匝数相等互相垂直的直线绕组和,如图2.1所示图2.1 两相直流旋转绕组示意图则当2个绕组内分别通入直流电流和时,它们的合成磁场仍然是恒定恒定磁场如果调节任何一个直流电流(或),则合成磁场的磁场强度也得到了调整当旋转时,两绕组同时以同步转速旋转,合成磁动势产生的合成磁通也会旋转,此恒定磁场将子空间形成一个机械旋转磁场,它与前面介绍的三相两相绕组产生的磁场完全可以等效当观察者站到铁心上和绕组一起旋转时,看到的将是2个通以直流的相互垂直的固定绕组如果采取补偿措施补偿掉绕组产生的磁动势,电动机的主磁通只由绕组产生,并和成正比而绕组中电流和磁场作用将产生旋转,其大小只与电流成正比
6、,这与直流电动机转矩产生的原理非常相似从直流电动机外部看,定转子通的均是直流电,如站在转子上看,定转子的磁动势均在空间旋转,其旋转速度等于转子转速,方向与转子旋转方向相反如果上述三种旋转磁场完全相同(磁极对数相同磁场强度相等转速一样),则认为这时的三相磁场系统两相磁场系统和旋转直流磁场系统是等效的因此,这三种旋转磁场之间,就可以互相进行等效变换矢量控制中,电动机的变量,如电压电流电动势磁通等,均由空间矢量来描述,并通过建立电动机的动态数学模型,得到各物理量之间的实时关系通过坐标变换,在定向坐标系上实现各物理量的控制和调节矢量控制中所用的坐标系有两种,一种是静止坐标系,一种是旋转坐标系基于三相定
7、子的三相绕组构成的三相定子坐标系和由固定在轴上的轴和与之垂直的轴所组成的两相定子坐标系均为静止坐标系而轴固定在转子轴线上的垂直坐标系和轴固定在定向磁链上的定向坐标系均为旋转坐标系2.2.1三相定子坐标系与两相定子坐标系之间的变换一个旋转矢量从三相定子坐标系变换到两相定子坐标系,称为Clarke变换,也叫做3/2变换,其矩阵形式为式(2-1): 其原理示意图如1.2所示图2.2 CLARKE变换示意图其逆变换,即Clarke逆变换或2/3变换矩阵式为式(2-2): 2.2.2 垂直坐标系与定向坐标系之间的变换 一个旋转矢量从垂直坐标系变换到定向坐标系,称为Park变换,也叫做交/直变换,其矩阵形
8、式为式(2-3):其变换原理图如图2.3所示图2.3 PARK变换示意图其逆变换,即Park逆变换或直/交变换的矩阵形式为式(2-4):其变换原理图如图2.4所示图2.4 PARK逆变换示意图2.3 矢量控制的基本思路与实现通过以上的讨论,可以将一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统,以两相系统作过渡,互相进行等效变换,所以,如果将变频器的给定信号变换成类似于直流电动机磁场系统的控制信号,就是说,假想有2个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上,2个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号和转矩电流信号,并且把和作为基本控制信号,则通过等效变换,可以得到与基本控制信号和等
9、效的三相交流控制信号,进而去控制逆变电路对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据,由可以等效成两个互相垂直的直流信号,反馈到给定控制部分,用以修正基本控制信号和进行控制时,可以和直流电动机一样,使其中一个磁场电流信号()不变,而控制另一个磁场电流信号(),从而获得与直流电动机类似的性能可以得到矢量控制的基本框图(如图2.5所示),控制器将给定信号分解成在两相旋转坐标系下的互相垂直且独立的直流信号和然后通过Park逆变换将其分别转换成两相电流信号和,再经Clarke逆变换,得到三相交流控制信号,进而去控制逆变桥电流反馈用于反映负载的状况,使直流信号中的转矩分量能随负载而变,从而模拟出类似于直流
10、电动机的工作状况速度反馈用于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异,并使之以合适的速度进行校正,从而提高了系统的动态性能图2.5 矢量控制原理框图2.4 空间矢量PWM的实现 空间矢量脉宽调制(SVPWM)的英文全称为Space Vector Pulse Width Modulation,实际上对应永磁同步电机或交流感应电动机中的三相电压源逆变器的功率器件的一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小地结合,这种开关触发顺序和组合将在定子线圈中产生三相互差120电角度的波形失真较小的正弦电流实践和理论都可以证明,与直接的正弦脉宽调制(SPWM)技术相比,SVPWM在输出电压或电机线圈中的电流中都将产生更
11、少的谐波,提高了对电源逆变器直流供电电源的利用效率以下是一种典型的三相电压源逆变器的结构,如图2.6所示图2.6 三相电源逆变结构图中,是逆变器的电压输出,到是6个功率晶体管,它们分别被a, a,b,b,c,c这6个控制信号所控制当逆变桥上半部分的个功率晶体管开通时,即ab或c为1时,其下半部份相对的功率晶体管被关闭(ab或C为0)所以ab和C为0或为1的状态,将决定VaVbVc 三相输出电压的波形情况逆变桥输出的线电压矢量相电压矢量和开关变量矢量的之间的关系可以用式子(2-5)和(2-6)表示:式中: Vdc-电压源逆变器的直流供电电压从中不难看出,因为开关变量矢量a,b,c有8个不同的组合
12、值,即逆变桥上半部分的3个功率晶体管的开关状态有8种不同的组合,故其输出的相电压和线电压有8种对应的组合开关变量矢量abc与输出的线电压和相电压的对应关系见表1表 1 功率晶体管的开关状态和与之对应的输出线电压和相电压的关系 表1中表示3个输出的相电压,表示3个输出的线电压在坐标系中,输出的三相线电压可以用下面等式(2-7)和(2-8)表示:由于逆变桥中,功率晶体管的开关状态的组合一共只有8个,则对应于开关变量矢量在坐标系中的也只有有限种组合是空间矢量分解得到的子轴分量,它们的对应关系如表2所列表2开关变量矢量与其对应的空间矢量子轴分量的关系图2.7 基本空间矢量与对应(c,b,a) 示意图表
13、2中被称为基本空间矢量的轴分量,每个基本空间矢量与合适的功率晶体管的开关命令信号组合相对应被功率晶体管的开关组合所决定的8个基本的空间矢量如图2.7所示空间矢量PWM技术的目的是通过与基本的空间矢量对应的开关状态的组合得到一个给定的定子参考电压矢量参考电压矢量用它的轴分量和表示图2.8表示参考电压矢量与之对应的轴分量和和基本空间矢量和的对应关系 图2.8 和以及的对应关系图在图2.8中,表示和的轴分量之和,表示和的轴分量之和,结合表2可知基本空间矢量的幅值都为,故有如下的等式(2-10):在图2.8所示的情况中,参考电压空间矢量位于被基本空间矢量所包围的扇区中,因此可以用和两个矢量来表示于是有
14、如下等式(2-11):在上式中和分别是在周期时间中基本空间矢量各自作用的时间,是矢量的作用时间,和可以由式(2-12)计算:从前面的表述不难看出,所有的基本空间矢量的幅值都为,如果他们取相对于最大的相电压(最大线电压为,则最大的相电压为)的标么值,则空间矢量的幅值变成,即经过归一化后的空间矢量的幅值=,代入式(2-12)得:在(2-13)和(2-14)两式中和表示矢量相对于最大的相电压归一化后的轴分量,=-是0矢量的作用时间取与周期的相对值有如下等式(2-15)和(2-16):同理,如果位于被基本空间矢量所包围的扇区中,=,矢量作用时间的相对值可以被表示为:在等式(2-17)和(2-18)中,
15、是空间矢量在周期中的作用时间如果定义如下式的达3个变量:在上面的式子中,矢量位于被基于空间矢量所包围的扇区(即扇区0),则可得=,=;在第二例中,矢量位于被基于空间矢量所包围的扇区(即扇区1),则=,=同理,当位于被其它的空间矢量所包围的扇区中,相应的和也可以用或表示,它们的对应关系如表3所示已知一个矢量,如果要利用上表计算和,则必须知道所在的扇区当电机正转时,只需把现在电机的直轴所在的电角度加上,就是交轴所在的位置(即所在的电角度)再通过简单的判断就知道所在的扇区;同理,在电机反转时,把直轴角度减就是交轴的角度,用同样的方法就可以判断的位置到此为止,如果已知参考电压矢量或其在坐标系中的轴分量
16、和,就可以根据上面的推导计算出与对应的两个基本空间矢量的作用时间相对SVPWM调制周期的比例,如果知道了,又知道要求的SVPWM的调制周期T,则就可以确定空间矢量分别的作用时间,再加上前面其它的一些推导,就可以很方便地利用TMS320F2812实现SVPWM算法了3 伺服控制器的软件设计3.1 系统软件的整体结构框图及其说明本系统的软件结构如图3.1 图3.1 系统软件的整体结构框图如图3.1所示,整个伺服电机驱动器由串行SCI接口作为指令输入,通过模式选择程序,选择位置控制模式和速度控制模式,其中位置控制模式是由SCI输入指令位置来完成,当电机定位完成以后,驱动器就会通过SCI返回定位完成信
17、息;速度控制模式有两种形式选择:一种是通过SCI通讯来输入速度信号;另一种是由外部模拟电压来作为速度控制信号当输入位置控制信号,信号回首先输入位置环,位置环输出速度信号,速度环对输入速度信号进行PI调节,输出Q轴参考电流,D轴的参考电流始终保持为0,然后在分别对两电流作PI调节,得到两相运动的电流信号,接着通过逆PARK变换,变换成两相静止的电流信号,静止的电流信号通过SVPWM模块产生出六路PWM控制功率逆变器驱动电机 安装在U相和V相的电流传感器负责,检测U相和V相的电流,得到Iu和Iv,通过CLARKE变换静止的两相电流,再通过PARK变换把静止的两相电流转换成运动的两相反馈电流,分别送
18、到电流环里运算安装再电机尾部的光电码盘,负责测量速度作为速度环的返馈速度和提供PARK变换和PARK逆变换所需要的电角度通过位置计算就可以测量电机现在所转过的位置,从而反馈给位置环运算3.2 系统程序的框图及其说明 3.2.1主程序由系统初始化和死循环组成 主程序的作用是对系统程序的初始化,并且设立死循环程序作为液晶显示和按键扫描,等待中断程序的产生主程序框图,如图3.2所示:图3.2主程序框图3.2.2 外部中断XINT1程序外部中断程序的作用是检测光电码盘的零位置信号,从而对电机的电角度位置从新校正其程序框图,如图3.3所示图3.3 外部中断XINT1程序框图3.2.3 定时器3周期中断程
19、序定时器3周期中断程序的作用是处理电机转速及转向位置环运算和速度环运算其框图如图3.4所示图3.4 定时器3周期中断程序框图3.2.4 定时器1下溢中断:定时器下溢中断的作用是: 对U相和V相电流的检测 对所检测到的电流IU和IV进行CLARKE变换 PARK变换 Q轴电流环运算 D轴电流环运算 逆PARK变换 SVPWM的产生程序框图,如图3.5所示图3.5 定时器1下溢中断框图3.2.5 SCI串行通讯接收中断SCI串行通讯接收中断主要的作用是:通过所接收到的字符信息判断出发送方所发送的位置命令和速度命令,从而选择位置控制模式还是速度控制模式其程序框图,如图3.6所示图3.6 SCI串行通
20、讯接收中断框图3.3 利用TMS320F2812实现SVPWM算法 3.3.1 生空间矢量PWM波形的寄存器设置TMS320F2812的每个事件管理器EV模块具有操作十分简化的对称空间矢量PWM波形产生的内置硬件电路为了输出空间矢量PWM波形,只需要设置以下寄存器设置ACTRx寄存器用来定义比较输出引脚的输出方式设置COMCONx寄存器来使能比较操作和空间矢量PWM模式,并且把CMPRx的重载入条件设置下溢将通用定时器1或2,4或5设置成连续增/减计数模式,并启动定时器而后,用户需确定在二维(,)坐标系下输入到电机的电压Uout ,并分解Uout 为 Ualfa 和 Ubeta ,以确定每个P
21、WM周期的以下参数 两个相邻矢量,Ux 和 Ux+60 (通过确定 Uout 所在的扇区数就可以达到此要求)根据SVPWM的调制周期 T 计算两个基本的空间矢量和0矢量分别的作用时间T1 T2 和T0 将相应于Ux 的开启方式写入到ACTRX , 1412位中,并将1写入ACTRX ,15中,或者将Ux+60 的开启方式写入ACTRX ,1412,并将0写入ACTRX ,15中将T1 /2的值写入到CMPR1或CMPR4寄存器,将(T1 + T2)/2的值写入到CMPR2或CMPR5寄存器3.3.2 空间矢量PWM的硬件工作原理为完成一个空间矢量PWM周期,每个事件管理EV模块的空间矢量PWM
22、硬件工作如下在每个周期的开始,将PWM输出置成由ACTRX , 1412设置的新方式Uy ,此称为第1类输出方式在增计数期间,当CMPR1或CMPR4和通用定时器1或3发生第一次匹配时,如果ACTRX ,15为0,则将PWM输出开启到方式Uy+60 ;如果ACTRX ,15为1,则将PWM输出开启到方式Uy-60 (U0-60 = U300 ,U360+60 = U60 ),此称为第2类输出方式在增计数期间,当CMPR2或CMPR5和通用定时器1或3发生第1 次匹配时,即计数器达到(T1 + T2)/2时,将PWM输出开启至方式000或111它们与第2类输出方式之间只有1位的差别在减计数期间,
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