DSP的永磁同步电机伺服控制系统的研究.pdf

基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统的研究 摘 要 当前，交流传动已经成为主要的传动方式，永磁同步电机由于其优越的控制 性能被越来越多地应用到交流伺服控制领域。因此，研究基于DSP的永磁同步 电机交流伺服系统，具有重要的现实意义。 本文首先介绍了永磁同步电机伺服系统的发展概况，然后对永磁同步电机 的数学模型、工作原理以及矢量控制在永磁同步电机上的应用进行了说明。分 析了永磁同步电机矢量控制的原理和特点，选取了采用基于‘=o转子磁场定向 的方案，确立了基于矢量控制P^ISM三闭环调节的伺服控制系统的实施方案。文 中给出了伺服系统的设计及伺服控制中的一些控制策略，并进行了仿真验证， 验证了整个系统设计的正确性。 在理论和仿真分析的基础上，本文完成了整个伺服系统的软硬件设计。 关键词：永磁同步电机，矢量控制，MATLAB／Simulink，DSP，伺服系统 第一章 绪论 1．1引言 随着科学技术的飞速发展特别是电机制造与控制技术的飞速发展，再加上大 规模集成电路、半导体功率器件和微处理器技术的进步，使得伺服控制系统得 到了广泛的应用。永磁同步电机以其结构简单、体积小、重量轻、效率高、功 率因数高，转子无发热问题，有大的过载能力llJ，小的转动惯量和小的转矩脉 动等特点，给驱动器设计者们提供了无穷的机会和挑战。永磁同步伺服系统成 为当代高性能伺服系统的主要发展方向，其特点是高位置分辨率，高定位精度， 宽调速范围，低速稳定运行，无爬行现象，力矩波动小，响应速度快，峰值转 矩高，过载能力强，能承受频繁起停、制动和正反转，电机无电刷，可靠性高， 可工作于恶劣的环境l”。 由于有上述优点和高性能，永磁同步电机在以下领域得到了广泛的应用【3J (1)高精度位置伺服控制，包括点位控制和连续轨迹控制； (2)需要频繁调速，并要求低速且稳速运行的场合； (3)需要张力调节和恒张力控制的场合。 典型用途有电动注塑机、电动机车、电梯、数控机床、印刷机械、纺织机械 和工业缝纫机等[41。 1．2交流伺服控制系统发展现状及其主要趋势 过去，由于直流电机调速控制简单，具有良好的调速性能和起、制动性能， 变流装置容量小，能方便、经济地在大范围内平滑调速，因而直流电机广泛应 用于各种伺服驱动系统，高性能电控伺服系统绝大多数采用直流伺服技术。但 是，另一方面由于直流电机结构复杂，成本高，存在电刷和机械换向器，维护 困难，可靠性差，使用环境受到限制，限制了直流电机向高转速、高电压、大 容量方向发展。而交流电机相对而言结构简单，坚固耐用，运行可靠，便于维 修，价格便宜，于是人们就开始进行大量的交流调速技术的研究。1971年，德 国学者Blaschke提出了对交流电机进行矢量控制的思想，它的出现对交流电机 控制技术的研究具有划时代的意义，在理论上解决了交流电机的转矩控制问题。 通过按转子磁场定向构成的矢量变换控制系统，实现了定子电流的励磁分量与 转矩分量间的解耦，从而达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的，这样 就可将一台三相交流电机等效为直流电机来控制，可使交流电机的动、静态控 制性能完全可以和直流系统相媲美。与此同时，大功率晶体管(OTR)、可关断晶 能控制导通又能控制关断的全控型快速电力电子器件相继问世，且正向大功率 化、高频化、模块化、智能化方向发展。电力电子技术和现代电机控制理论的 突破性进展，70年代末期进入了伺服技术的交流化时代，相继开发出各种类型 的交流伺服系统，广泛应用于工业生产的各个领域，出现了交流伺服系统逐步 取代直流伺服系统的发展趋势。 交流伺服系统按其采用的驱动电动机的类型来分，主要有两大类永磁同步 (SM型)电动机交流伺服系统和感应式异步(IM型)电动机交流伺服系统。 永磁交流伺服电动机具有高转矩／重量比、低转动惯量、易散热、效率高、 可靠性高、易于维护保养、与直流伺服电动机相比在相同功率下具有较小的重 量和体积等优点。永磁同步电动机交流伺服系统在技术上已经成熟，具备了十 分优良的低速性能，并可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了 高性能伺服驱动的要求。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低， 其在工业生产自动化领域中的应用将越来越广泛，目前己成为交流伺服系统的 主流。 感应式异步电动机交流伺服系统由于感应式异步电动机结构坚固，制造容 易，价格低廉，因而具有很好的发展前景，代表了将