基于自抗扰控制器永磁同步电机伺服系统控制策略的研究及实现

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中文摘要永磁同步电机具有功率因数高、效率高、结构简单、价格合适等优点，广泛应用于数控机床领域，然而永磁同步电机是一个非线性、强耦合、参数摄动的多变量系统，对于伺服系统控制策略要求较高。自抗扰控制器是一种新型的非线性控制器，由非线性跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性误差反馈控制律组成，综合了经典PID控制器不依赖于控制对象具体模型的优点以及现代控制理论的设计方法。本论文将自抗扰控制器引入永磁同步电机伺服系统控制策略，能够有效提高控制系统动静态性能以及抗扰动能力。首先，研究了基于自抗扰控制器的永磁同步电机矢量控制策略。对于由坐标系下的永磁同步电机数学模型进行分析，从而得出系统中存在非线性、强耦合、参数摄动等扰动因素的本质原因；在此基础上设计基于自抗扰控制器的永磁同步电机矢量控制策略，即可实时观测出上述扰动因素并进行补偿控制。仿真以及实验验证了控制策略的有效性。其次，将扩张状态观测器和非线性跟踪微分器引入永磁同步电机无机械传感器矢量控制。由于筇坐标系下的永磁同步电机模型中含有转子位置以及转速信息的不确定项结构简单，因此选择筇坐标系下的电机模型作为研究对象；将模型中含有转子位置以及转速的不确定项扩张成为新的状态变量，应用扩张状态观测器和非线性跟踪微分器进行精确估计，在此基础上即可实现永磁同步电机无机械传感器矢量控制。仿真以及实验验证了控制策略的有效性。然后，考虑到定子磁链以及转速观测是实现永磁同步电机无机械传感器直接转矩控制的关键，因此研究了通过扩张状态观测器实现的定子磁链以及转速观测。由由坐标系下的永磁同步电机定子电流方程推导出定子磁链方程，这是实现精确观测的重要前提；将含有定子磁链以及转速的不确定项扩张成为新的状态变量，使用扩张状态观测器实现定子磁链以及转速的精确观测，在此基础上即可进行永磁同步电机无机械传感器直接转矩控制。仿真以及实验验证了控制策略的有效性。最后，介绍了自行研制的八轴运动控制卡的硬件设计、底层软件封装等工作；基于八轴运动控制卡搭建了电机伺服系统，并将其应用于本实验室所研发的开放式数控机床，从而验证了本文所提出的基于自抗扰控制器的永磁同步电机伺服系统控制策略的有效性。关键词：永磁同步电机；矢量控制；无机械传感器；直接转矩控制；自抗扰控制器 ABSTRACTPemanentmagnetsynchronousserVocontrolsyStemiswidelyusedinopenCNCmaChine．HoweVer，peml锄entmagnetsynchronousmotorisanonlinear，strongcoupling，multi—parameterperturbationVariablesyStem，sodemandingforthecon仃olstrategy．1nthispapertheresearchmethodsbasedontheVectorcon仃olstIIategy，nomechanicalsensorlessVectorcontmls仃ategy，directtorquecon仃ol蛐rategyarestudied，册dADRCis印pliedtoimprovethesystenperfom锄ce．ThenaDSP．basedmulti·aXismotioncontrolcardisbuiltaS柚experimentalpla住)n11．Thesimulation锄dexperiment0npenIlanentmagnetsynchronousservoSystemcon仃ols仃ategyareverifiedinthisbasis．ThePMSMVectorcontroltIleo巧isanalysed，锄dacontrol蛐g)，basedonpemanentmagnctsynchronousmotorisin仃oducedtothecontml鼬rategy．Fir观astrateg)，basedonADRCisproposedtoeStimated锄dcompensatedthedisturbances．Second，aDSP-basedmulti-觚ismotioncontrolcardisdesigned．Simulation卸dexperimentalresultsshowthattheVectorcontrolsyStemissimple，柚dwillimprovethestabili吼robu咖essandadap协bil时inthesystemsignific锄tly．nePMSMsensorlessVectorcon仃0ltheo叫isanalysed，andacon仃ols仃ategybasedonpennanentmagnetsynchronousmotorisin仃oducedtothecontrol蛐gy．Therotorpositionandspeedwillbeestimatedby粕ESOandaNTD，卸d也eaccurateclosed·loopcon仃01willbeachieVedonthisbasis．SimuIationandexperimentalresultsshowthatthecontrolSystemissimple，andwillgiVefast，accuratepositioncon仃．0lresults．1mePMSMdirecttorquecontroltheo叫is觚alysed，andacontroIstrategybasedonpe咖anentmagnetsynchronousmotorisin仃oducedtothecontrols仃ategy．Inthismethod，theStatorfluxischosenasstateVariables，锄dtheuncenaincomponentincludingtherotorspeedisextendedintoanewst；lteVariable．Thenthe蚴ltornuxandspeedc粕beobtainedbyESOtimely．Simulation锄dexperimentalresultsshowthatthenewcon们lstrategiesimproVethesystemdyn砌ic、Staticperfbmlance粕drObustnesssignificantly．InordertoVeri矽theeff．ectiVenessofthecontrolstrategyforpemanentmagnetSynchronousserVo，thepaperdeVelopedaDSP-basedmulti-aXismotioncontrolcard anddescribedthesystemhardware锄dsom^，arearchitecture，implementedonthisbasis，t11eefI’ectiVecontmlofpe彻anentmagnetSynchronouscurrent．1(e!ywords：PMSM；Vectorcontrol；sensor．1ess；dirccttorquecontrol；ADRC 第一章绪论1．1研究背景及意义数控技术是用数字信息对机械运动及加工过程进行控制的技术【1-2】，它综合了计算机、现代控制、传感检测、机械制造等多项技术于一体，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用，是先进制造技术的核心【缸7】。随着计算机技术的发展，数控系统正处于由封闭式体系结构向开放式体系结构转变的重大变革【8以11。开放式数控系统对于伺服系统性能提出了更高的要求，要求伺服系统既要具有高性能的软硬件结构，又要具有高性能的控制策略和控制算法【16．18】o永磁同步电机具有功率因数高、效率高、结构简单、价格合适等优点，广泛应用于数控机床领域ll二uJ。然而永磁同步电机是一个非线性、强耦合、参数摄动的多变量系统，因此将高效的运动控制器与新型的控制策略相结合就成为了提高永磁同步伺服系统性能的有效途径。硬件水平的提升能够显著改善伺服系统控制性能，软件设计是硬件设计的有效补充，而控制策略作为软件的核心可以在不增加硬件成本的基础上弥补硬件条件的不足。1．2数控技术的发展历史以及发展趋势1952年美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制出了世界上首台三坐标数控铣床，这是数控技术产生以及制造业新时代来临的重要标志119-201。近年来随着微电子技术、计算机技术的不断提高，数控技术也有了突飞猛进的发展。数控技术的发展大致经过了以下四个阶段【2l垅】：(1)硬件数控阶段本阶段数控系统仅仅能够通过硬件逻辑电路实现一些简单的功能，因此功能简单、可靠性差，实现过程复杂，实际应用有限。(2)计算机数控系统的发展和完善阶段1970年美国展出了以小型计算机为主处理器的计算机数控系统，这标志着计算机数控系统时代的到来。1974年首款以微处理器芯片为主处理器的计算机数控系统面世。80年代初计算机数控系统的功能进一步完善，尤其是软件技术方面以及体系结构方面都有了突破性的进．展，数控产品也逐渐系列化、标准化。 天津大学博士学位论文(3)高速高精计算机数控系统的开发与应用阶段1986年三菱电机公司首次将32位CPU应用于计算机数控系统。32位CPU以其强大的数据处理能力有效提高了数控系统性能，因此广泛应用于数控系统。(4)基于个人计算机的开放式计算机数控系统的开发与应用阶段1994年美国首先推出了基于个人计算机的开放式计算机数控系统，由于个人计算机的引入明显改善了数控系统的软硬件技术，并为实现数控系统的开放式、网络化提供了强有力的保证，因此基于个人计算机的开放式计算机数控系统已经逐渐成为数控系统的主流。‘数控技术的广泛应用不但推动制造业发生了革命性的进步，同时也在国民生产的众多领域产生着重要的作用。近年来数控技术的发展呈现以下几方面趋势f23-25】：(1)性能方面的发展趋势数控系统的性能方面呈现出高速度高精确度高效率、柔性化系统结构、多轴控制以及复杂制造工艺、智能化控制等趋势；(2)功能方面的发展趋势数控系统的功能方面呈现出人机交互图形化、科学计算可视化以及虚拟制造、插补以及补偿方式多样化、PLC控制集成化、多媒体技术应用等趋势；(3)体系结构方面的发展趋势数控系统的性能方面呈现出集成化、模块化、网络化、开放式等发展趋势。．1．3研究现状开放式数控系统对于伺服系统性能提出了更高的要求，为了实现高速度、高精度的伺服系统，不但需要提高运动控制器的软硬件功能，而且需要研究更先进的控制策略【2良3¨。因此本节介绍了运动控制器、永磁同步伺服系统控制策略、自抗扰控制器的研究现状。1．3．1运动控制器的研究现状运动控制器是数控系统的核心，能够根据上位机发出的指令信号有效控制数控机床的运行动作【3玉361。随着开放式数控系统逐渐成为数控系统的主流，开放式运动控制器已经应用于越来越广泛的领域，因此对于高性能运动控制器的研究具有重要意义【3¨11。目前常见的运动控制器主要可以分为以下三类f42‘45】：(1)主处理器是单片机或者微处理器的运动控制器，这类运动控制器效率较低、精度较低，一般是用于一些对于加工精度要求不高的应用场合。(2)主处理芯片是专用芯片的运动控制器，这类运动控制器具有结构简单的优2 第一章绪论点，但是主要输出脉冲信号，同时只能运行于开环工作模式。因此控制精度不高，·般适用于单轴系统，而不适用于多轴联动系统。(3)主处理芯片是DsP的开放式运动控制器，这类开放式运动控制器采用“PC+运动控制器”的工作模式，综合了PC的高效信息处理能力以及DSP的高速运算能力，具有良好的控制性能。开放式运动控制器能够实现多轴运动控制、闭环控制、实时插补运算、复杂运动轨迹规划等多种功能，因此广泛应用于多种领域。目前国外众多的研究机构以及企业都展开了基于DsP的运动控制器的研究，并且取得了显著的成绩【4¨91。美国DeltaTau公司研发出一种基于DSP的八轴运动控制器，能够独立实现多轴控制、伺服、插补运算以及PLC控制等等多种功能。美国国家仪器研制出PCI．7344、PⅪ．7334等一系列的多轴控制器，能够满足多种运动控制场合。德国MoVTEC公司针对步进电机和数字伺服电机研发出专用的四轴运动控制器，能够实现插补计算等多项功能。国内还没有形成完善的运动控制器生产体系，相应的底层软件开发工作还处于起步阶段，因此用户进行二次开发时难度较大并且通用性不强。国内清华大学、哈尔滨工业大学等一些高校已经展开了基于DsP的运动控制器的研究，不过开发的以四轴以内的专用系统为主。深圳市摩信科技有限公司研发出2．8轴的开放式运动控制器，具有较高的控制性能。此外力鼎科技有限公司研发出MC系列运动控制器，固高科技有限公司研发出GT_400运动控制器，顺康数码科技有限公司研发出MC6014A运动控制器，均取得了显著的成绩，但是产品性能距离国外差距仍然较大。1．3．2永磁同步电机控制策略的研究现状矢量控制策略和直接转矩控制策略是目前交流永磁同步伺服系统中应用最广泛的两种控制策略【50。581，因此本节重点讨论这两种控制策略的研究现状。1．3．2．1矢量控制矢量控制理论是20世纪70年代初德国西门子公司的工程师FeIixBlaschke在发表的论文《异步电机矢量变换控制的磁场定向原理》和美国PCCu咖锄与AAClark在申请的专利《感应电机定子电压的坐标变换》中提出的【5峨】。这种控制方法以坐标变换为基础，模仿直流电机的控制方法对交流电机进行控制，通过检测交流电机转子磁通的位置实现对于定子电流及电压的控制。矢量控制理论的出现显著提高了交流伺服系统的动静态性能，标志着交流电机控制理论的一个质的飞跃f6妯卯。永磁同步电机矢量控制的基本思想是通过坐标变换将定子电流矢量分解成 天津大学博士学位论文为同步旋转坐标系内相互垂直的励磁分量(产生磁通)和转矩分量(产生转矩)，对其进行独立的解耦控制即可实现励磁磁场以及转矩的有效控制【66西9】。由于永磁同步电机转子磁通位置与转子实际位置相同，因此通过检测转子实际位置即可获得转子磁通位置，极大的简化了计算过程。高性能永磁同步电机控制系统一般采用闭环控制策略，因此需要获得电机转子位置及转速信息。位置或转速信息通常是采用在转子轴上安装机械传感器来获得的，然而高精度机械传感器造价昂贵，同时使系统结构变得更加复杂，因此无机械传感器控制方法近年来得到了越来越多的关注【弛71】。目前无传感器控制技术总体上还处于研究和开发阶段，进一步加大和拓宽无传感器控制技术的应用还有许多理论和技术需要解决。矢量控制具有动态性能高、精度高、调速范围宽的特点，能够获得与直流电机特性相媲美的交流电机特性，发展至今已经成为高性能伺服系统的首选控制策略，在数控机床领域具有广阔的应用前景。但是矢量控制需要复杂的旋转坐标变换，同时其控制精度受到参数变化影响较大，因此有待进一步改进【协741。1．3．2．2直接转矩控制直接转矩控制是19世纪80年代德国鲁尔大学M．Depenbrock教授和日本学者I．Takahashi同期提出的异步电机控制方法【『75】。这种控制方法采用定子磁场定向，根据转矩和磁链的输出信息以及磁链位置信息选择合适的电压空间矢量，从而达到对于电磁转矩以及定子磁链的直接控制。永磁同步电机直接转矩控制的基本思想与异步电机相同，通过直接控制定子磁链瞬时旋转方向和旋转速度来改变定子磁链对转子磁链的瞬时转差速度，在此基础上选择合适的定子电压空间矢量即可实现电机转矩和转矩增长率的直接控制。永磁同步电机直接转矩控制采用了定子磁场定向的方法直接控制电磁转矩和定子磁链，所以不需要获取转子位置信息，但是必须提前获取转子初始位置信息。直接转矩控制避免了旋转坐标变换等复杂的变换，具有结构简单、响应速度快、动静态性能良好、鲁棒性强等优点，因此受到了广泛的关注【络801。然而永磁同步电机中存在永磁磁场，因此使用零电压矢量时无法像异步电机一样控制转矩瞬时发生变化，只能够通过反电压矢量进行辅助控制，但是反电压矢量的引入将导致转矩以及磁链的波动从而影响系统控制性能。永磁同步电机直接转矩控制的实际应用中更是存在转子磁链难以观测、非线性振荡无法避免，参数摄动等问题，因此对于微处理器要求较高，有待进一步研究。1．3．2．3两种控制策略的比较永磁同步电机矢量控制和直接转矩控制的本质在于对转矩的控制，基本结构4 第一章绪论都是对于转矩和磁链分别进行解耦控制，并且具有良好的控制性能。目前众多学者对于矢量控制和直接转矩展开了同步研究，并对两种策略的动静态性能及实施方案作出了分析与比较【81．跏：①矢量控制首先对于定子电流转矩分量以及励磁分量进行解耦，在此基础上进行这两个分量的独立控制，因此动态性能一般，但是调速范围较宽；直接转矩控制对于转矩以及磁链进行“砰砰”控制，但是转矩脉动导致低速性能变差，因此调速范围有限，但是动态性能较好。②矢量控制存在电流环，因此电机过载能力强，起动性能良好；直接转矩控制不存在电流环，因此过载能力不强，起动性能较差。⑨矢量控制每个采样周期都进行一次计算，逆变器开关频率固定，因此定子磁链轨迹以及定子电流输出波形比较标准，转矩脉动较小：直接转矩控制不是每个采样周期都进行一次计算，逆变器开关频率时变，因此定子磁链轨迹以及定子电流输出波形不标准，转矩脉动较大。④矢量控制中定子磁场与转子磁场垂直，定子电流励磁分量为零，因此转矩调节是线性一个线性过程，电机效率较高；直接转矩控制中定子磁场与转子磁场不垂直，定子电流励磁分量不为零，因此转矩调节是一个非线性过程，电机效率较低。由上述分析可知永磁同步电机矢量控制策略发展的已经相当成熟，而永磁同步电动机直接转矩控制策略发展的还不算成熟，因此有待进一步研究。1．3．3自抗扰控制器的研究现状自抗扰控制器【8孓86】是中科院韩京清研究员提出的一种新型非线性控制器，这种控制器基于非线性PID控制器发展而来，结合了经典PID控制不依赖于对象精确模型的优点以及现代控制理论完善的控制系统分析方法，并解决了经典PlD控制快速性与超调之间的矛盾以及现代控制理论依赖于控制对象模型的局限，因此具有广阔的应用前景。自抗扰控制器由扩张状态观测器、跟踪微分器和非线性反馈控制律三部分组成，具有不依赖于被控对象精确模型、动静态性能良好、抗扰动能力强的优点，广泛应用于众多非线性控制领域。自抗扰控制器已经在电力电子系统领域、伺服系统领域、励磁控制领域、混沌系统领域、抗震减震系统领域等众多领域中得到理论以及实际两方面的研究与应用f87．咖，应用于交流电机伺服领域也取得了显著效果。夏长亮等19l】将自抗扰控制器应用于无刷直流电机系统控制，控制系统对于直流电机模型具有良好的动态性能和鲁棒性；冯光等【92】将自抗扰控制器应用于高性能异步电机调速系统控制，苏位峰掣93】将自抗扰控制器应用于异步电机的矢量控制，控制系统对于一部电机具有良好的控制性能；孙凯等【94】将自抗扰控制器应用于永磁同步电机位置控制， 天津大学博士学位论文刘志刚等f95】将自抗扰控制器应用于永磁同步电机模型辨识与补偿控制。上述文献均取得了显著的效果。1．4论文主要研究内容本论文在国家自然科学基金项目(50975193)、国家科技重大专项项目(2009Zx04014．101．05)、天津市科技计划项目(08ZCKFGX02300)等多个科研项目的资助下，基于实验室研发项目从新型控制策略与高效运动控制卡相结合的角度出发进行研究。一方面设计基于自抗扰控制器的永磁同步电机控制策略，从而解决了永磁同步电机的非线性和不确定性问题；另一方面研制基于DsP的八轴运动控制卡，并在此基础上进行了永磁同步电机控制策略的仿真与实验验证。主要研究内容如下：设计一种基于自抗扰控制器的永磁同步伺服系统矢量控制策略。本控制策略根据永磁同步电机三环串联结构设计由三个一阶自抗扰控制器构成的矢量控制器，由外及内依次进行位置环、速度环、位置环控制器的研究。设计一种基于自抗扰控制器的永磁同步伺服系统无机械传感器矢量控制策略。本控制策略通过基于扩张状态观测器及非线性跟踪微分器的观测器实时估计电机转子位置及转速，在此基础上实现了伺服系统的精确矢量控制。设计一种基于自抗扰控制器的永磁同步伺服系统直接转矩控制策略。本策略选取定子磁链作为状态变量并将包含转速信息的不确定项扩张成为新的状态变量，采用扩张状态观测器实时估计定子磁链及转速，在此基础上实现了伺服系统的精确直接转矩控制。研制基于DSP的八轴运动控制卡，阐述了系统硬件及软件结构。上述工作为交流永磁同步伺服系统控制策略的研究提供了重要的实验条件。6 第二章永磁同步电机以及自抗扰控制器数学模型2．1引言永磁同步电机矢量控制以及直接转矩控制均是基于永磁同步电机数学模型展开的，因此设计这两种控制策略之前需要深入了解永磁同步电机数学模型的结构以及性质，并根据实际设计需要选择合适的坐标系以及数学模型形式，在此基础上才能够进行简洁高效的控制策略设计。自抗扰控制器是基于非线性PID控制器得到的一种新型非线性控制，综合了经典PID控制器不依赖于对象精确模型的优点以及现代控制理论的分析方法，应用于永磁同步电机控制策略时能够有效提高控制系统的动静态性能以及鲁棒性。本章首先介绍了永磁同步电机数学模型及其标么值形式，这是理论上设计实现永磁同步电机控制策略以及应用中实现永磁同步电机控制算法的重要前提；其次介绍了自抗扰控制器的数学模型，并引入第二类李亚普诺夫函数对二阶自抗扰控制器的稳定性进行分析，在此基础上讨论了自抗扰控制器的参数整定问题。2．1永磁同步电机数学模型永磁同步电机是一个非线性、强耦合、参数摄动的多变量系统，电源电压以及电流中往往含有大量谐波成分，此外对于永磁同步电机的伺服是一个暂态过程，因此分析交流永磁同步伺服系统特性时，通常从电机微分方程角度进行研究。2．1．1永磁同步电机基本方程永磁同步电机通常采用三相对称定子绕组，且彼此之间在空间互差120。电角度，当定子上通以三相对称的正弦交流电时将产生旋转磁场【盼9引。在分析电机运行方式时，作如下假设：l、忽略铁心饱和效应；2、气隙磁场呈正弦分布；3、不计磁滞、涡流和导电材料集肤效应的影响；4、气隙分布均匀，磁回路与转子的位置无关。 天津大学博士学位论文图2．1永磁同步电机等效模型图2．1是永磁同步电机等效模型，由此可以得到永磁同步电机定子口、6、c三相绕组的电压方程【99】：(2-1)其中“。、％、“。为定子绕组端电压瞬时值；屯、‘、‘为定子绕组相电流瞬时值；％、％、％为定子绕组相电流瞬时值：足为定子电枢相电阻；p为微分算子。永磁体磁链方程为：虬=乞屯+虬‘+^九。‘+cos秒吩Vb=M04+wb+M0c+￡os％=M∞‘+Mc6‘+厶‘+cos．2刀口一——3．4万6『一——3∥，(2—2)yr其中￡代表定子绕组自感：M代表为定子绕组之间的互感：纷代表转子磁链；p代表转子轴线与口轴的夹角。根据相互原则，如下几组互感系数分别相等：电磁转矩方程为：M曲=Mk，M4c=M。，Mk=McbQ∞3粥批嬲+．％．％．k尼足足=d6C“，●●●●●●●』、●●●●●●●～ 第二章永磁同步电机以及自抗扰控制器数学模型p％吩卜％蜘(秒一豺删n(秒一剀c2川运动方程为：t一置=，丢％(2-5)式中互为永磁同步电机的负载转矩，-厂为转动惯量，q为转子角速度。由上述公式可以看出磁链方程中包含一系列随着转子位置发生变化的电感参数，使得求解含有时变系数的微分方程组相当困难。通过坐标变换能够将这些方程组变成常系数微分方程组，实现简化求解过程的目的。2．1．2同步旋转坐标系下的永磁同步电机数学模型两相旋转砌坐标系中d、g轴随转子一起旋转，同时d轴与转子磁极轴线重合【100-1021。其示意图如图2．2所示。I|bisZI∥‘一一Zd图2-2筇坐标系到由坐标系之间的变换关系图中乞、‘是定子电流口、∥轴分量，易、‘是定子d、g轴分量；q是转子旋转角速度；％是转子磁场幅值。电流岛、‘与电流之、毛、‘之间存在如下转换关系：易=詈[tc。s秒+如c。s(秒一120)+tcos(乡+12。”)]‘=一詈[之sin目+毛sin(秒一120。)+之sin(秒+12。)]9(2-6)(2—7) 天津大学博士学位论文乇=三(‘+乇+t)相应的电流易、‘与屯、‘、fc之间的逆变换关系如下：屯=如+岛cos矽一‘sin口‘=乇+屯cos(口一120。)一‘sin(口一120。)乇=如+屯cos(口+120“)一‘sin(目+120’)通过Park变换即可得到三相静止坐标系下的电压方程：I％=R屯+p％一国％l“口=足fg+p％+仞％(2·8)(2—9)(2-10)(2一11)(2-12)式中％、“口分别是定子电压d、g轴分量；毛、‘分别是定子电流d、g轴分量；％、％分别是定子磁链d、g轴分量：缈是转子角频率。永磁体磁链方程为：游荔嘶(2-13)其中厶、厶是d、g轴等效电感，它们均是与转子角位置p无关的参数。电磁转矩方程为：互=詈～(％‘一％‘)=詈甩，[吩‘+(厶一厶)‘‘](2-14)，等码h—B剖(2·15)式中互为负载转矩，．厂为转动惯量，占为阻尼系数。由上述方程可知由坐标系中的变量均为直流变量，从而电机数学模型将变成常系数方程组。此时电磁转矩与电流‘之间呈线性关系，通过调节‘即可实现电磁转矩的有效控制。可见采用旋转由坐标系将简化分析过程，因此在永磁同步电机控制理论中起着重要作用。lO 第二章永磁同步电机以及自抗扰控制器数学模型／2．1．3永磁同步电机数学模型的标么值形式旋转由坐标系中的变量均为直流变量，从而电机数学模型将变成常系数方程组。此时电磁转矩与电流‘之间呈线性关系，通过调节‘即可实现电磁转矩的有效控制。可见采用旋转由坐标系将简化分析过程，因此在永磁同步电机控制理论中起着重要作用。然而实际应用中基于永磁同步电机数学模型设计自抗扰控制器算法时，由于DsP的离散控制周期很短，参数属和属取值最高达到100000数量级，因此算法实现过程非常复杂，需要采用标么值对永磁同步电机数学模型进行简化【1091。标么值是各物理量实际值与基值的比值，因此使用标么值时首先需要确定基值，永磁同步电机中一般将定子各变量的额定值取为基值；其次通过计算得到永磁同步电机电压方程、电流方程等基本方程的标么值形式；再次画出带有静止元件的等值电路，即可建立概念清晰、模型简化的永磁同步电机标么值数学模型，从而有效实现自抗扰控制器算法。永磁同步电机定子相关的各变量基值一般选取为额定值，具体取值过程如下：，％=子(2一16)lfd5‰：争=盟(2．17)U襁6峰诬6rKld=予(2-18)』ldJ邑。d：争=警(2-19)式(2-16)～(2-19)中k、％声、‰占分别是定子绕组电流基值、电压基值以及磁链基值，，珂J、U彤6、y彤占分别是定子绕组电流基值、电压基值以及磁链基值，‘d万、Ud占、妖d声分别是定子绕组电流基值、电压基值以及磁链基值；砀、％、K。一、K删分别是定子绕组的电流基值以及磁链基值与转子绕组相应基值的比值。确定永磁同步电机各个变量基值之后即可得到各个变量相应的标么值，在此基础上即可得到用标么值表示的、互感系数可逆且为恒值的永磁同步电机数学模型，进一步就可以画出相应的带有静止元件的等值电路。这种情况下永磁同步电机定子纵轴磁链方程、励磁绕组电压方程和纵轴阻尼绕组电压方程表达式为： 天津大学博士学位论文一xdx耐xad等I=l-％OX铡+等X1钟～x、埘¨等定子横轴磁链方程以及横轴阻尼绕组电压方程表达式为：州二二墨坶](2-20)(2—21)基于式(2．20)以及式(2．21)即可得到定子纵轴运算等值电路以及定子横轴运算等值电路。相应的电磁转矩表达式为：Z=‘％一‘％(2—22)通过上述一系列变换使得永磁同步电机数学模型结构大为简化。在此基础上即可通过高速DsP实现自抗扰控制器算法。2．2自抗扰控制器模型分析自抗扰控制器是中科院韩京清研究院提出的一种观测加补偿的非线性控制器，它基于经典PID控制理论以及现代控制理论而提出，具有不依赖于控制对象的精确数学模型的优点。自抗扰控制器能够实时观测控制系统“内外扰动"并进行补偿，具有良好的动静态性能以及抗干扰能力，对于形如式(2—23)的非线性不确定对象具有良好的控制效果。J，o’=厂(y，夕’，．．∥㈣’，f)+w(f)+60“(2-23)式中厂(y，J，：⋯，y‘州’，f)为未知函数，w(f)为未知外扰，y与“分别为测量输出与控制输入。自抗扰控制器由非线性跟踪微分器(NTD)、扩张状态观测器(ESO)和非线性12 第二章永磁同步电机以及自抗扰控制器数学模型反馈控制律(NLSEF)三部分组成，以扩张状态观测器作为核心实时观测出系统“内外扰动”，在此基础上进行非线性反馈控制即可达到良好的控制效果。将其应用于交流永磁同步伺服系统控制策略中能够有效解决系统非线性、不确定、强耦合、转矩扰动等诸多问题。自抗扰控制器结构见图2．3。2．2．1非线性跟踪微分器图2-3自抗扰控制器结构图实际应用中经常需要从噪声很大的环境中有效提取连续信号及其微分信号，目前主要采用线性滤波器以及线性微分器进行信号提取，然而这些方法受到噪声干扰影响较大同时结构较复杂，因此无法有效满足工程上的需要。非线性跟踪微分器将非线性方法引入微分器设计之中，根据参考输入和受控对象的限制安排过渡过程并提供这个过程的各阶导数，能够有效减小系统初始误差，并解决系统响应快速性和超调之间的矛盾。二阶最速离散跟踪微分器表达式如下：乃=乃口，z(而一％，恐，，．，J11)五(七+1)=五(尼)+慨(后)恐(后+1)=屯(七)+Jj!l历(2-24)式中％为输入信号，五为％的跟踪信号，恐可以近似认为％的微分信号。离散系统最速综合函数乃口，z(五，屯，％，，．，．j1)方程如下： 天津大学博士学位论文d2砌，do2，ldy=五～．+帆，口o=网fjc2+掣咖(y)，咖瓯啊2t恐+云，lyI墨d。‘2-25)历口刀：一，．{詈，I口-l≤dIs研(口)，⋯>d式(2．26)中参数，．是速度因子，决定跟踪速度的快慢；^是滤波因子，决定滤波的效果。选择适当大的参数即可得到输入信号％及其微分信号吃的精确跟踪，有效解决快速性与超调之间的矛盾问题以及振颤问题，具有良好的幅频以及相频特性。2．2．2扩张状态观测器扩张状态观测器是自抗扰控制器的关键环节，它采用非光滑结构观测出控制对象的所有状态的同时还能观测出系统的“内外扰动”，在此基础上即可将原系统转换成为线性确定的系统。对于式(2．24)所示的受到外扰影响的N阶不确定性系统，将系统内外扰动视作新的状态变量％+l，即可将其扩张成为如下系统：I+60“(2·26)其中孝(f)是未知函数，对于式(24)的扩张系统构造式(2·27)所示的扩张状态观测器，即可实现系统未知部分的有效观测。f三l=z2一层q1毛：％。一孱知心以掣万)却(2-27)【三肿。=一屈“丘z(q，口。，万)其中力，(q，口，万)的表达式如下：14恐k《=“．五；．％．％r●●●●●●●，，●●●●●●●L 第二章永磁同步电机以及自抗扰控制器数学模型㈣4J柳(q)，川>万∥“∥万卜1嘉，川≤万Q乏8’【万1-4’r1I一。扩张状态观测器与扰动变换率有关，由于实际应用中总扰动毛+。是有界的，其导数f也通常是有界的，因此通过调整扩张状态观测器各个参数即可实现未知总扰动‘+。的实时观测，具有较强的动静态性能及鲁棒性。通过扩张状态观测器实时观测出“内外扰动”的影响，对其进行有效补偿即可将原系统转换成为线性积分串联型系统，在此基础上即可实现精确控制。2．2．3非线性状态误差反馈非线性误差反馈律采用误差的非光滑反馈形式取代经典PID中线性反馈形式，从而实现了“大误差小增益，小误差大增益”的数学拟合，是一种结构简单、动静态性能良好、鲁棒性以及将控制效率高的控制策略。考虑系统(2—24)，将式(2．28)的最后一项代入式(2-27)可得：工”=％+l+60“令“=(‰一孙。)／60，那么式(2·29)变为：(2．29)(2-30)由上式可知这是一个线性串联结构系统，采用经由力，函数构成的非线性误差反馈控制律进行调节：“。=∑屈知，(q，q，万)(2-31)其中q、属和万均是控制器参数，非线性状态误差反馈控制律使用非光滑反馈丘，函数能够明显减小系统稳态误差，同时避免了稳态高频颤振。适当选取参数％、屈和万，即可实现准确、高效的控制。恐‰b毯刮硝．五；．吒y，，●●●●●●●●f1●●●●●●【 天津大学博士学位论文2．3二阶自抗扰控制器的稳定性以及参数整定研究自抗扰控制器的稳定性主要决定于扩张状态观测器，由于使用微分方程描述的扩张状态观测器的轨线与初值关系密切，但是实际应用过程中初值往往出现较大的误差以及干扰，因此研究二阶自抗扰控制器的稳定性只有重要意义。实际设计自抗扰控制器时只有依据稳定性原则选择合适的控制器参数，才能够保证控制器的整体性能。扩张状态观测器是自抗扰控制器的核心，扩张状态观测器的参数整定是自抗扰控制器参数整定的重点。然而扩张状态观测器具有非光滑非线性的结构并且难以求出其解的具体表达式，因此需要在不具体求解方程的情况下判断其稳定性。李亚普诺夫针对运动稳定性问题提出两种方法：级数展开法以及构造李亚普诺夫函数方法。李亚普诺夫第二方法通过构造一个李亚普诺夫函数(v函数)，根据V函数及其导数即可直接判断模型的稳定性，所以已经成为解决运动稳定性问题的基本方法【106】。许多特殊类型的非线性系统的李亚普诺夫函数都是按照线性系统的李亚普诺夫函数类似构造出的，因此针对二阶扩张状态观测器的误差模型使用类比法找出相应线性系统的李亚普诺夫函数矿(z)，然后对二阶扩张状态观测器的误差模型选取类似李亚普诺夫函数，在此基础上即可有效解决这个非线性系统的稳定性问题，据此也可以确定稳定参数。采用李亚普诺夫第二方法对二阶扩张状态观测器的误差模型进行稳定性分析之前，首先描述以下定理：定理l：对于实二次型矿(五，毛⋯毛)=x7艘，其中彳是实对称的，下列条件等价：(1)y(而，恐⋯‘)是正定的；(1)存在一个非奇异矩阵C，使得CrC=4：(1)彳的特征值均大于零；(1)川的所有顺序主子式只均大于零，彳大于零：定理2：对于实二次型矿(‘，毛⋯矗)=石r趔，其中么是实对称的，下列条件等价：(1)矿(五，恐⋯吒)是半正定的；(2)存在一个可逆矩阵C，使得C‘彳C=(3)彳的特征值大于或等于零：西畋：●以16，其中Z≥0； 第二章永磁同步电机以及自抗扰控制器数学模型(4)川的所有主子式只均大于或等于零：(5)彳是一个半正定矩阵；针对非线性二阶扩张状态观测器误差模型找出相应线性系统的李亚普诺夫函数矿(石)，在此基础上即可找出类似的原非线性系统的李亚普诺夫函数。由式(2．27)、(2．28)相减可以得到非线性二阶扩张状态观测器误差模型表达式：I岛=吃一届q【岛=孝一屈知，(Pl，口，万)(2—32)其中f是有界的不确定函数蚓<磊。这个非线性系统对应的线性系统表达式为：佳算心式(2-34)存在负的特征根的条件是：届>0，yO，功角增量△万和转矩增量△丁变化趋势一致。由于永磁同步电机转子磁链幅值基本恒定，因此只要保持定子磁链幅值I虬I也是恒定的，在此基础上调整定子磁链的旋转速度以及旋转方向就能够获得比较大的转矩增量△万，从而实现转矩的迅速改变。Uk|2Ujc|2图5-l电压源型逆变器供电时的永磁同步电机电原理图图5．1是电压源型逆变器供电时的永磁同步电机电原理图，图中三个开关信 第五章永磁同步电机直接转矩控制研究号E、&、&表示系统中全部六个开关器件的通断状态，则不同开关状态下逆变器输出电压空间矢量可表示为：屹(疋，最，≮)=詈％(疋+毛∥”．+疋∥3)(5-6)其中％是直流电压，疋、最、疋是功率开关管的状态，当S=1时甜，被连接到％上，此时电压％=％：当S=0时“，连接到地线上，此时电压“，=0。这样就能够得到逆变器输出的八个空间电压矢量，它们均由开关状态表示，其中％～“。是有效矢量，lfo、”，是零矢量。通过这八个空间电压矢量去控制定子磁链大小及其运动方向，即可实现电磁转矩动态控制。，，I．％(110)D10)＼777。＼．／％(ooo)，一～图5-2基本空间电压矢量图5．2．2DTC中的磁链和转矩控制根据电机统一原理，定子磁链可以表示为电枢反电势的积分：虬=．c(虬一尺t)df+％式中‰为定子初始磁链，当忽略定子电阻时方程离散化为如下形式：△虬=虮(如)一虬(毛)≈z‘△f(5—7)(5·8)由式(5．8)可以看出定子磁链速度与空间电压矢量幅值相同，定子磁链方向与空间电压矢量方向一致，因此通过控制空间电压即可保持定子磁链幅值近似恒定。 天津大学博士学位论文图5．3空间磁链扇区划分图图5．3是空间磁链扇区划分图，由图中可以看出为了便于空间电压矢量的选择，通常将矢量平面划分为所示的鼠、幺、B、只、珐、戗六个扇区，每个扇区占60。空间位置角。控制系统中磁链、转矩实际值与给定值之差经过滞环控制器即可得到0或l的控制信号，为了保持定子磁链幅值近似恒定，选择电压矢量时需要综合考虑当前磁链幅值与转矩的要求。永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制操作流程如图5．4所示。图5-4永磁同步电机DTC的实施流程图 第五章永磁同步电机直接转矩控制研究5．2．3永磁同步电机定子磁链观测方法定子磁链的准确观测是影响永磁同步电机直接转矩控制系统性能的关键因素，由于直接转矩控制理论最早是针对异步电机提出的，因此关于异步电机定子磁链观测的研究较多，这些方法都值得永磁同步电机借鉴。目前异步电机直接转矩控制方法中应用比较广泛的主要有以下几种【1排125】：(1)直接计算方法这种方法基于异步电机的数学模型，可以基于定子磁链方程、转子磁链方程进行计算，也可以基于定子电流方程、定子磁链方程进行计算，也可以基于定子磁链方程、转子电流方程进行计算，在此基础上直接计算出定子磁链。根据式叩两相静止坐标系和由旋转坐标系下的变量关系可推导出：秒：arct锄兰曰4=％一R屯一厶p乞+q‘(厶一厶)占=—坳+R0+幺p移+q‘(厶一厶)(5-9)(5．10)(5．11)这样转子磁链矢量空间位置角护可以用电机端电压、电流和转速来表示。定子磁链矢量在由坐标系下的分量为：妒d=Ldit+m却f％=厶‘经过矢量旋转变换器即可求出定子磁链：‰=譬掣～以十a⋯【厶‘+∥r)彳一厶‘占‰2—]袁尹V以十D(5-12)(5．13)(5·14)(5．15)这种方法结构简单、响应速度快，但是这种方法依赖电机参数较多，同时是一种开环估计方法，因此精确度及鲁棒性不高。(2)各种观测器方法状态观测器的实质是状态重构，即根据原系统中能够直接获得的变量构造一 天津大学博士学位论文个新系统，通过新系统即可获得原系统的未知状态变量的信息。目前众多学者对观测器方法展开了研究，扩展卡尔曼滤波器方法是一种常见的观测器方法，其计算过程如下：第一步预测：气k一。=气一啦j。+巧(t一唯．．，‰一。)丑k一，=丑一班．。+(心一啦一。+E一啦．。F7)+，+幺(5．16)(5-17)其中F是梯度矩阵，丁是采样周期，Q是w(f)的协方差矩阵。经过预测即可得到Ⅷ一。和‰一第二步修正：孙=娜一。+墨(K一魄¨)‰2‰一-一K职k一-(5．18)(5-19)其中Ⅳ为变换矩阵；瓦为滤波器的增益矩阵。经过修正即可调整预测过程中得到的‰一。和丑¨，从而得到娜和‰。经过以上两步过程，最终得到定子磁链估计值：‰=％¨+(材啦。一Ri)r‰=‰_l+(“肛，一Ri)r(5．20)(5．21)扩展卡尔曼滤波器算法具有良好的动静态性能，但是结构复杂，计算量非常大。此外基于扩展龙伯格观测器的方法、基于电机定子电流误差的观测方法等许多观测器方法都已经应用于定子磁链观测，并且取得了显著的成绩，但是这一类方法具有依赖于电机精确模型、系统复杂等等问题，因此仍然有待进一步改进。(3)反电势积分方法反电势积分方法只依赖于定子电阻，因此实现起来比较简单。但是这种方法用到了纯积分环节，因此受到电压测量值、电流测量值误差、定子电阻摄动的影响较大；此外这种方法的低速运行性能下降。5．3基于扩张状态观测器的永磁同步电机直接转矩控制永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制是一种直接控制定子磁链及转矩 第五章永磁同步电机直接转矩控制研究的方法，因此定子磁链的准确观测是实现控制系统运行的关键，这体现在以下几方面：①磁链控制的需要，磁链观测不准确时将导致转矩脉动增大。速度波动；②转矩控制的需要，磁链观测不准确时将造成转矩估算误差；⑨无传感器控制的需要，磁链观测不准确时将造成速度估算误差。使用传统的方法基于定子电压、电流信号进行永磁同步电机转子位置及转速估计，受到电流误差、磁链误差以及转矩脉动的影响较大，因而存在噪声较大、精确度较低等等问题。因此设计观测器时需要考虑到消除电流、磁链以及转矩中谐波成分的影响。5．3．1基于扩张状态观测器的定子磁链及转速观测器旋转坐标系下永磁同步电机定子磁链数学模型为：p讣尺．一手qL足一q一言叫％纠∞2，其中足、工为定子电阻、电感；"为转子永磁体磁链；q为转子角速度；％、“。为定子d、g轴电压；％、％为定子磁链，定子磁链方程为：VdILid+中r甲q-Liq(5-23)(5—24)系统中实际观测量是定子电压和电流，待估状态是定子磁链，因此选取输入变量u=[蚴％]r、输出变量】，=[屯‘]r、状态变量五=[％％]r。这样即可将式(5—22)写成标准多输入多输出状态方程：f墨=厂(五)+60V【y=^(墨)其中厂(五)、2jb以及五(五)的表达式如下，59(5·25) 天津大学博士学位论文厂(五)=一鲁％+q％+鲁"一q％一譬％(5—26)(5-27)(5—28)为了设计观测器，将非线性项厂(五)分解成为线性部分Z(五)以及非线性部分厶(五)之和：厂(墨)=Z(墨)+正(五)肥卜铘：)¨钿肥啪翻(5-29)(5-30)(5-31)其中正(五)中包含转速缉信息，因此将／：(五)作为系统己知部分，将五(五)作为系统未知部分并扩张成为新的状态变量五：置=正(墨)=[乃(f)％(f)]7’记立=孝，则可将式(5．25)扩张成线性控制系统：f墨=z(五)t砭+60u{置=孝ly=Ill(五)(5-32)(5-33)基于式(5·33)构造式(5-34)所示的扩张状态观测器，即可得到状态变量墨、五的实时观测值。”O●一L一，X=●一三％=墨，JI、矗 第五章永磁同步电机直接转矩控制研究％=Zl一五，P=矿一y=圭％之=Z2一届d磊(Z1)+60u(5．34)2：=一屈知，(P，口，万)．矿=矗(Z1)由式(5-34)即可得到定子磁链的实时观测值Zl=[疵唬]7，以及扩张状态变量的实时观测值Z2=瞳岛]7。基于zl和z2就能够实时估计出转速；永磁同步电机定子磁链及转速观测器结构见图5．5。图5．5基于扩张状态观测器的定子磁链及转速观测器结构图5．3．2永磁同步电机直接转矩控制系统(5—35)由于永磁同步电机直接转矩控制是基于静止坐标系对磁链和转矩进行控制，因此将％、％通过Clark变换就得到了筇静止定子两相坐标系中的定子磁链虼、％：61(5—36)．生．％一=．％一．％=．q1●●●●J％％—．．。．．．．．．．．．．L1●●●J9秒．磊|宝一目矽?锄—．．．．．．．．．。．．．．L=1●●●j虼％—．．．．。．．．．．．．．．．L 天津大学博士学位论文在此基础上即可得到定子磁链幅值虬，磁链角位置目和转矩Z观测值：虬2、／虻+％J，'(5—37)(5-38)(5·39)图5．6是永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制系统框图，这是一个转速与转矩双闭环控制系统。转矩环中通过基于扩张状态观测器的观测器获得电机定子磁链的观测值，将定子磁链及转矩给定值和观测值之间的误差通过滞环控制器即可实现定子磁链及转矩的准确控制。转速环中通过基于扩张状态观测器的观测器获得电机转速的观测值q，将转速给定值国‘和观测值q之间的误差通过一个二阶自抗扰控制器即可得到转矩参考值，。图5．6基于扩张状态观测器的永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制系统永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制系统中速度环控制非常重要，良好的速度环控制能够有效抑制电流环及速度环中的不确定扰动，从而提高系统整体性能。然而速度环受到转动惯量、负载力矩等许多不确定扰动因素的影响，因此速度环控制器设计中的主要问题是如何消除参数摄动以及不确定扰动对速度控制的影响。选取输入量“=C、输出量y=缈、状态变量五=∞，即可得到标准形式的永磁同步电机速度环状态方程：％一儿．似，¨一U少a，t．，幽．咖K，口甜少=r八玑己=C 第五章永磁同步电机直接转矩控制研究{爹二：‘’’+60Ⅳ其中厂(五)与60的表达式如下，m)=一号毛号乏60=等％。(5-40)(5—41)(5—42)由式(5-40)可以看出g轴电枢电流‘、负载转矩互以及转动惯量，的变化都对速度环起着扰动作用，极大地影响了控制系统性能。将厂(而)视作系统“内部扰动”，并将系统“内外扰动”的总和作为系统未知部分并扩张成为新的状态变量屯：恐可(_)记岛=善，则可将式(5-40)扩张成线性控制系统：睁舡(5．43)(5硝)式中恐是不确定性项并且难以确定其具体的函数形式，针对这个问题从自抗扰控制器的理论出发不去辨识恐本身特性，只要能够获取恐随时间变化的量就可以了。构造式(5·45)至(5．48)所示的自抗扰控制器即可得到状态变量．xl、恐的实时观测值并补偿系统“内外扰动”的影响，在此基础上实现速度环的精确控制。①非线性跟踪微分器f乃=乃口刀(u—v，％，而)h=乃(5-45)式中v是转速给定值，通过非线性跟踪微分器为转速给定值安排过渡过程能够有效减小系统初始误差并解决系统响应快速性和超调之间的矛盾，从而实现快速、准确、无超调的速度环控制。 天津大学博士学位论文②扩张状态观测器(5—46)式(5-46)中z。是转速的实时观测值，乞是扩张状态变量恐的实时观测值。通过扩张状态观测器自动检测系统模型及“内外扰动”的实时作用并给予补偿，即可将原系统转化为线性积分串联型对象进行控制，从而避免不确定性扰动因素的影响，提高伺服系统的抗扰动能力。③非线性误差反馈r}q2vl一毛1‰=孱力，(q，％，万)【‰=孱力，(q，％，万)(5—47)通过非线性状态误差反馈控制律的作用，采用非光滑反馈方式实现“小误差大增益，大误差小增益”的非线性控制提高了系统的动态性能和鲁棒性。④扰动补偿过程“=击(旷乞)(5-48)使用自抗扰控制器能够有效减小定子电流、干摩擦以及齿槽效应导致的转速波动，从而实现速度环的准确控制，速度环控制器结构如图5．7所示。图5．7转速环自抗扰控制器5．3．3永磁同步电机定子电阻的校正矢量解耦控制算法是基于电机参数恒定为前提的，实际上受电机绕组齿槽效t■r址以绣疡y唱伽一．：∞翠一 第五章永磁同步电机商接转矩控制研究应、永磁体磁场高次谐波、温度变化等因素影响，电机永磁体磁链、电机绕组电阻和电感值都不是一个固定值，实际的电机是一个时变系统。这些参数的波动必然会影响到电机的速度平稳性和位置跟随精度。电机定子电阻R是影响定子磁链观测精度的一个重要参数，电阻变化将导致定子磁链及转矩观测值与实际值产生较大误差，在此基础上计算出的定子磁链位置误差将导致电压空间矢量选择错误，因此永磁同步电机无传感器矢量控制系统中R的准确观测非常重要。然而定子电阻在电机运行过程中随电机温度的变化而改变，目前学者们已经展开一些定子电阻估计的研究，但是尚缺乏有效的方针以及实验验证【13卜1321。参考文献[81】提出的直接转矩控制系统定子电阻观测方法，基于磁链观测值痧。，通过定子磁链给定值和实际值之间的误差估算出定子电阻变化。当系统中电阻值恒定时，可由以下方程得到定子磁链观测值沙。，：‰=R％一足(‘+以)p+虬。(5-49)考虑定子电阻的变化时，可由以下方程得到定子磁链实际值‰：∥二=R％一(足+d咫)(‘+以)眵+l虬。(5-50)由方程(5-49)、(5-50)可以得到定子磁链实际值与观测值之间的误差：d虬=沙二一∥二=，岔R(‘+以矽(5-51)由(549)～(5．51)可得定子电阻变化：捉。南丢(训(5·52)由式(5-52)可知定子磁链实际值与观测值之间的误差d虬决定于定子电阻变化氓，因此根据d虮即可计算出皿。图5—8是定子电阻补偿器结构框图，整个系统由一个非线性跟踪微分器和一个基于PI控制器的定子电阻变化观测器构成【133‘1341。 天津大学博士学位论文，’’．d妒s虮ct融d虮。NTDdt。。KP刁文7≮y7瓦【d虬】。阳±，7＼<▲^，巩(后)‰＼．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．⋯．．．．⋯．．一，’图5．8定子电阻补偿器结构框图将定子磁链实际值与观测之间的误差通过低通滤波后输入定子电阻变化估计器即可得到定子电阻变化氓，由妪与前一时刻定子电阻观测值足(七一1)相加即可得到此时刻定子电阻观测值足(七)。采用定子电阻补偿器的永磁同步电机直接转矩控制系统框图如图5．9所示。图5-9采用定子电阻补偿器的永磁同步电机直接转矩控制系统5．4系统仿真及实验为了验证上述基于扩张状态观测器的定子磁链及转速检测原理的正确性和可行性，本节使用自行设计的DSP运动控制卡对永磁同步电机进行无机械传感器直接转矩控制实验，并通过仿真软件包Simulink平台进行了仿真。由于扩张状态观测器的性能受到观测器参数影响很大，因此首先依据韩京清等提出的参数选择原则选择口、万、届和履的初值，选取参数口=0．5，万=0．01；由于参数屏．、孱，取值过大，使用DSP实现时引入标么值的方法选取屈=12，历=1。 第五章永磁同步电机直接转矩控制研究5．4．1系统SIⅫⅡ，INK仿真第一步，电机在0．1s时空载起动，运行于2000rpm。图5．10为空载时的定子电流及磁链响应曲线，图5．11为空载时的定转速响应曲线，从图可看出定子磁链波形接近正弦曲线；转速估计波动在预计范围之内，满足设计要求。采用这种新型磁链观测器的系统不但能稳定运行，而且保持了DTC转矩响应迅速的优点。，、《、-一。NO-4O．23≥、-一0氧0．2O．4Z口Z∥＼／两⋯蕊一隔⋯蕊⋯／＼＼／w险陵O2．557．510Time(s)(a)定子电流响应曲线巾筐i、IV6．一O2．557-5lOTillle(s)(b)定子磁链响应曲线图5．10空载时的定子电流及磁链响应曲线42O之4 天津大学博士学位论文图5—11空载时的转速响应曲线第二步，控制电机空载启动，运行于600r／min，在仁2s时施加负载。图5．12、图5—13分别为突加负载时的定子电流、磁链以及转速响应曲线，由图中可以看出采用基于自抗扰控制器的无机械传感器直接转矩控制策略时，突加负载后系统恢复到稳态的时间较短，并且脉动较小，控制系统具有较高的可靠性及鲁棒性。4●Z口Z∥‘I／“7俪佩又月√＼／心／他＼、／0走Time(s)(a)定子电流响应曲线y口％I，．怜瓣!卯．』l二，厂3f!f／＼＼‘㈨／√＼I、f、人1．922．12．22．3TiIIle(s)(b)定子磁链响应曲线图5．12突加负载时的定子电流及磁链响应曲线68¨眈。舭一D芭慕 第五章永磁同步电机直接转矩控制研究会。蚕3≈5．4．2系统实验Time(s)图5．13突加负载时的转速响应曲线为了验证所设计的基于自抗扰控制器的永磁同步伺服系统直接转矩控制策略的有效性，进行系统实验。第一步，电机在0．1s时空载起动，运行于600r／min。图5．14、图5．15分别为空载时的磁链响应曲线以及转速响应曲线，由图可看出反馈信号波形光滑稳定，谐波成分较少，据此估计的定子磁链精确度较高；转速响应非常迅速，转速估计值虽然有波动，但是误差在O．5％以内。可见系统极大地改善了电流、磁链和转矩稳态性能。j纥坳^^I、?㈨腓m们八＼『／＼＼)(||!／＼V八VO0．10．20．3Time(s)图5．14空载时的定子磁链响应曲线69一毒嗲_) 天津大学博士学位论文图5-15空载时的转速响应曲线第二步，控制电机空载启动，在仁2s时施加负载。从图5．16可以看出突加负载的时候转速仅有较小的波动，系统对于负载转矩扰动具有较强的抗扰动性能。5．5本章小结篁{、一，惫Ld—．．、么冬。．氏——、qf哆矿必y+实际转速+观测转速1．82．02．22．42．62．83．0Time(s)图5一16突加负载时的转速响应曲线定子磁链以及转速估计是实现永磁同步电机无机械传感器直接转矩控制策略的关键。本章首先选择由坐标系下的永磁同步电机定子磁链方程进行研究，由于定子磁链方程避免了定子电流方程可能导致的错误解，同时模型中包含定子磁链以及转速的不确定项结构简单，因此是实现精确估计的重要前提；其次将模型中包含定子磁链以及转速信息的不确定项扩展成为新的状态变0昀∞弱{}；弘乾 第五章永磁同步电机商接转矩控制研究量，并设计二阶扩张状态观测器实时提取出定子磁链以及转速信息；在此基础上即可实现永磁同步电机无机械传感器直接转矩控制系统；最后在计算机上进行了MATLAB仿真，并使用自行研制的基于DSP的八轴运动控制卡进行了实验研究。仿真以及实验结果表明基于扩张状态观测器的永磁同步电机无机械传感器直接转矩控制系统具有较强的动静态性能及鲁棒性。 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现第六章基于DsP的永磁同步电机伺服系统的实现6．1引言本课题组自主设计并实现了数控机床系统——．TDNC．SX。TDNC．SX数控系统是一个完整的开放式数控系统，具有系统自身的完整性以及系统功能的开放性。此系统采用AI洲+DSP的架构，具有很高的加工精度和人性化的操作界面。课题组依据ARM和DSP的各自特点，对两者进行了分工：其中AIW负责“人机交互界面(MMI)”及上层的逻辑控制；DSP作为电机运动控制系统的核心，处理与电机运行相关的算法，控制及响应电机外围的电路。在此系统中ARM和DSP能够各自发挥各自的长处，弥补对方短处，使得系统具有良好的经济性、精确性和易操作性。本论文作者承担了机床系统中运动控制卡的硬件设计、底层软件封装等工作，该运动控制卡以DSP为核心并具有丰富的外围扩展接口，是电机运行控制的核心以及电机控制策略的主要承载体。所以本章重点介绍以DSP为核心的永磁同步电机运动控制卡，首先介绍数控机床平台的设计思路，其次详细分析了以DSP为核心的运动控制卡的硬件设计以及主要底层软件构件和程序封装，最后基于运动控制卡搭建了电机伺服系统，并将其应用于本实验室所研发的开放式数控机床，从而验证了本文所提出的基于自抗扰控制器的控制策略的有效性。6．2设计思想数控技术产生于20世纪50年代，自其诞生之日起，随着半导体电子器件和和软件技术的迅猛发展，在短短的大约60年中，数控技术有了日新月异的变化，从最早的电子管时代变身为当前微处理器时代。本数控机床系统TDNC．Sx采用8轴联动的结构，从控制器角度可以分为ARM方和DSP方，系统结构如图6．1所示。AIW和DSP都属于嵌入式系统，但两者有着各自的特色：ARM具有较强的逻辑控制能力，并且具有丰富的外围接口，如屏幕、网络、键盘等接口，所以其适合用于MMl的控制和处理上层控制逻辑；DSP具有非常强的数据运算能力，其采用流水线和哈佛总线结构，并且具有多个独立的处理单元和乘加处理器，所以将伺服算法等与运算相关的内容利用DSP来实现。 、天津大学博士学位论文图6-l自主设计的数控机床TDNC．SX的系统架构运动控制卡是数控机床中对电机运行控制的核心【13孓136】。设计本运动控制卡时为了满足今后的发展，同时考虑借助此平台开展广泛的控制策略实验，所以对本运动控制卡的设计提出了以下要求：1)功能完备性。作为实验平台此运动控制卡必须具备丰富的硬件资源，以实现多种控制策略的实验，例如本运动控制卡需要具有编码器反馈模块，以实现对有位置反馈的控制策略进行研究；同时也有具有定子电压、电流的反馈模块，便于实现无位置传感器的控制策略。2)可靠性。运动控制卡的可靠和稳定是利用其进行实验的必备前提。这里的可靠性包括两个方面，一是硬件的可靠性，要求从架构设计到芯片选型都必须充分考虑可靠和稳定；二是软件的可靠性，要求软件中要有必要的保护机制和监测机制，系统在出现故障时首先要告警，并对某些故障能够“自愈”。3)可扩展性。为了满足将来对运动控制卡的要求，本系统需要将部分总线和接口预留出来，以方便未来的功能扩展。同时，系统硬件中需大量采用FPGA、CPLD等可编程逻辑器件。以便于日后对其功能和接口的调整。4)可维护性。此运动控制卡必须采用模块化的设计理念，并将各功能块的硬件和软件进行模块化处理。若将来某模块发生故障或需要升级，可以直接进行替换。74 第六章基于DsP的永磁同步电机伺服系统的实现6．3运动控制卡硬件平台设计6．3．1硬件总体设计6．3．1．1以DSP为伺服策略运行平台当前用于驱动电机的交流驱动系统的全面数字化已成为技术的主流，由于控制算法愈益复杂，控制系统对CPU的运算能力的要求也在日益提高，传统的8位或16位的单片机已经无法胜任，新的控制系统常常以数字信号处理器(DSP)为控制核心。同时随着半导体技术和产业的发展，DsP的成本在不断降低，性能在不断提高，这也大大促进了DSP在工控领域的广泛应用。由于过去DSP主要用于通信信号和音、视频信号处理方面，缺少与工控设备的接口。近年来各大半导体厂商意识到DSP在工控领域的广阔发展前景，也针对工控领域的需求设计和生产了多种带有常用工控接口的DSP芯片，例如：MoToRoLA公司的DSP56F800系列、ADI公司的ADMC系列、TI公司的TMS320F240X和TMS320F28xX系列等。这些DSP通常都在片内集成了高精度的AD转换器、PwM单元、积分解码电路、通用lO管脚等以满足工控领域的需求。运动控制卡以DSP为控制核心，为了使得运动控制卡满足完备性、可靠性、可扩展性、可维护性的设计要求，又在其外围扩展了电子手轮接口、DA波形输出接口、编码器反馈接口、上位机通信接口等，其系统结构如图6．2所示。图6．2伺服系统的结构简图6．3．1．2数控系统的控制方式数控系统的控制方式从总体上可以分为闭环控制和半闭环控制两种。两者都 天津大学博士学位论文是对位移量进行检测，但不同的是检测对象处于不同的环节上。两者的区别见表6．1。表6一l闭环控制和半闭环控制的区别及优缺点闭环控制半闭环控制反馈量工作台的实际位移进给丝杠轴端的角位移量或电机的旋转角度反馈量中包含电机旋转误差、进给丝杠的拉值包括电机旋转的误差、位置的误差信息压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼感测器误差，不包括传动系统和传递间隙等误差因素的误差反馈量的测量在工作台上安装位置检测器，利用编码器等测量进给丝杠轴方式测量工作台在不同方向上的实端的角位移量或电机的旋转角际位移度测量难易较难较容易位移的测量精较精确，易受感测器安装精度较精确度限制控制精度较高，可以修正电机及传动系适中，只修正电机的旋转误差，统多种误差无法补偿传动链中的误差本运动控制卡采用半闭环位置控制形式，驱动单元中内置了电流环、速度环和位置环。三个环的基本功能如下：≯电流环：限制电机运转时的最大电流，防止扭矩饱和情况的发生，保证运行的稳定性。》速度环：增强系统抗负载扰动的能力，抑制速度波动。>位置环：位于伺服驱动单元外部，由编码器将丝杠旋转位置反馈给运动控制板上，构成了半闭环控制。这种半闭环控制结构通过调节电机旋转来间接控制丝杠和工作台，其速度和精度都优于开环伺服而低于全闭环伺服，其复杂性和产品成本远低于全闭环方式，性能价格比高。图6．3是半闭环位置控制的结构示意图。76 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现图6·3运动控制卡半闭环位置控制结构示意图6．3．2DSP选型及硬件设计6．3．2．1DSP的选型本运动控制卡的DSP选为TI公司的TMS320F28335(以下简称28335)，其是11公司最新的适用于工控领域的浮点型DSP。此前在工控领域广泛应用，也较为经典的TMS3202812等芯片都属于定点型DSP。定点与浮点是对数据表示形式的不同定义：定点型的数据表示方法比较直观，每个bit具有其相应的权重，整个数的数值大小即为各个bit与对应权重相乘后的累加和。例如，十进制的4变换为二进制为100。浮点表示法类似于科学计数法，用Ⅳ=M×2￡的形式表示，其中M称为尾数，E称为阶码。在同等位宽的前提下(例如16或32位)，浮点较定点的优势在于：l、浮点能够表示的数的范围大，2、浮点表示法的计算精度高，且计算时无需将小数点进行对齐，也可以不考虑运算溢出问题。本运动控制卡在设计时，为了保证多轴间插补运算的精度，故采用浮点型DsP。6．3．2．2DSP及外围基本电路的设计28335的运行需要一些外围的基本电路支持。比如电源、时钟、JTAG接口等等。由于很多电路较为简单如时钟和JTAG接口等，只需按照芯片手册的推荐设计来配置即可，故不在这里赘述，本小节只介绍一些自主设计的电源部分需要两组电压供电，分别为33V和1．8V，本电路采用了TPs73HD318芯片分别由5V的电源变换得到两组电压，其供电能力满足28335在全速运行时的要求。电路如图6．4所示。同时为了保证供电的稳定，在DSP的供电引脚上增加了去耦电容。 天津大学博士学位论文U131NCI峪T1282NC27‘GND一31GNDN℃26425一B1．+5V5厄N1FBl，SET6m1OUTl24l7INloUTl銎i8NC瓜Sr222GND9NC2l1102GNDNC20+5V一11IEN签匿NSE219一B5．112IN20砚18I13D轮OFr217TNC16141主NCNc。rPS73珏D318图甜28335的供电电路为了使得DSP在运算中，有更多的内存在储存临时的数据，提高程序运行效率，在设计中为其扩展了256K×16bit的静态RAM(Is6lLV25616)。其电路如图6．5所示。A01^0IJ。O7D0／A12A1I_018Dl／鱼239D2／。A34^0I—0210D3／A45A3I，03A518A4lJl0413D4／A619A5I．I。514D5／。A720A6IJID615D6／A821A7I』0716D7／丘922A8IlIog29D2／’A1023A9110930D9／All24A10IJ|。1031D10／A1225A11IJ。1132D11／Ai326A12I_l|。1235D12／A1427A13lJ。1336D13／A1542A14IJ。1437D14／。鱼1643A15IJ|。1538D15／A16NC28A1744A173．3V妃!E6铭S宾^M碍VCC_叮B加●矿—]oNDVCC儿卫34GNDJOE41RDj12GND，WlE17WE1iIS6lLv25616图6．5为DSP扩展的静态RAM由于此运动控制卡中，DsP的外围接口丰富，且不同接口需分配在DsP不同的地址空间中，以便于DSP访问，因此本系统需要地址译码电路。在设计中，78、、、、、、、、、、、、、、、、、、 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现为了实现灵活的地址译码，也考虑到系统未来的可扩展性和可维护性，本电路采用CPLD完成地址译码工作。具体电路中，将28335的高位地址线A14．A17，以及区段选择线)(ZCS0，xZCS6和XZCS7连接到CPLD上，经过CPLD的译码得到对静态RAM、DA、编码器等众多接口的使能信号。由于此CPLD内还具有其他功能模块，且其引脚众多，受论文篇幅所限在此无需给出具体电路，图6．6是译码电路的示意。谭rA15码lA16输JA17入1霉【懑6．3．3DA波形输出模块CPLDSRAMCS．DRAMCSlDACSlDALDACLlOCSICoDERCSIli正ALTl】、4ERCSJ图6．6DSP地址译码模块译码输出信号DA即数模转换器，本运动控制卡利用DA产生控制电机驱动器的电压信号。在芯片的选型时有两点考虑：第一、DA电路的输出精度直接影响伺服的性能，故需选用转换位数较多的芯片，以保障能够精密地调节输出电压。第二、由于本运动控制卡为多轴联动系统，故希望在一片DA中集成多路输出，这种模式下的输出信号一致性优于多片DA芯片的模式，但需要保证一个DA内的多路输出信号可以同时输出。根据以上的选型要求，本运动控制卡最终选择了Tl公司的DAC7724。此芯片具有12位转换精度，输出的最小电压分辨率为0．00488v；其内部包含8路输出，且可通过信号线实现8路同步输出。图6．7给出了此芯片的内部逻辑。 天津大学博士学位论文AOA1R历cSV。DvccVREFh丽；靖面丽vR巩‰图6-7DAC芯片的内部逻辑图VomVouTc由图中可见，DA芯片内部包括8个DAC(数模转换器)，输入的12位数据信号通过A0、Al两路地址信号来选通8个DAC。此DA芯片包括双层数据缓冲，输入的数据首先被写入到lnputRegistcr，待将8路的数据全部写入，通过控制以MC信号，可以使得8路数据同步导入DACRcgiSter，并且8路DAC同时工作，使得8路模拟信号同步输出。本伺服电路所设计DA模块硬件实际电路如图6．8所示。U14《匿IQ；12iI；堕垒壁迪IQ；!望J△堡§翌图6．8DA转换电路 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现根据DA芯片DAC7724的芯片手册，该电路中的模拟部分输入电压为士15V，数字部分电源输入电压为+5V，同时提供两个参考电压主lOV。此士10v信号分别由士15V经两片AD587变换得到，电路如图6．9所示。AD587l’。。’。。。。。_‘。。’。。一}11PNR{ⅥN11P{11pVOUTGNDTRIM【．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一AD587JQC56叫挫葡vATPNRⅥNTPVOUTGNDTRIM图6．9利用AD587得到DA参考电压AD5S7JQND为稳定输出的模拟信号，并且增大信号的驱动能力，在每路输出的模拟信号VOUTA、VOUTB、VOUTC、VOUTD后都接一个不具备放大功能的正相跟随器(利用运算放大器搭建)。电路如图6．10所示。6．3．4编码器反馈模块图6．10DA输出后的正相跟随器。为了满足设计要求中的完备性原则，本运动控制卡配有完善的编码器反馈模块。该模块能够同时处理8个轴，每轴3路(A，B，Z)反馈信号，能够通过配置既支持差分输入，又支持单端输入。编码器信号进入本运动控制卡中，先经过一个差分转单端的信号处理芯片AM26LS32ACN，其输入的负信号可以在GND和输入负信号之间选择。所以此电路可以通过配置支持差分和单端输入。电路如图6．11所示。81奄一 天津大学博士学位论文@Ⅱ'l■、G、℃C16+S、’"、’鬻．[卜工GR3jr—．1(’HAl2lA1Y3(’HAlP11上二fI。f’H土ll1BjCIlIBlR13jr．—1：二O1．1lBj-Ir—1f‘Iml62A嚣【lu3#—号：丑}工‘P二fI。(1HBl。『R13E：：·■I34二Bll('l壬ZlS6——Ⅵj广](1H二llO3A3YP二O。(’HZl9FHcadcr3x2一¨3B．IA．4Y13叩lj4BGND8GNDAKl26LS32AeN图6．1l编码器反馈的双端转单端信号处理电路由于本运动控制卡需要同时处理多路编码器反馈信号，且要求实时性好，故采用FPGA实现译码。经双端到单端的变换，输出信号直接送入FPGA。FPGA处理后的译码结果暂存在FPGA内部开辟的寄存器中，可以由DsP在任意时刻读取。6．3．5与上位机通信模块本系统采用双口RAM来实现上位机(ARM)与下位机(DsP)之间的通讯，此种方式能够实现大吞吐量的数据交换，且在通信协议及格式上具有很大的自由度。尤其在上、下位机都采用DMA方式读写数据时，通信所占用的CPU资源较少。本电路所选用的双口RAM芯片为CY7C025AV，是一款高性能、高速8Kxl6bit的双口RAM芯片，其具有两套相互独立的地址线、数据线和控制线，可作为16位双口RAM单独使用，也可进行位扩展，将数据线扩展到32位甚至更宽。该芯片允许两个CPU同时读取任何存储单元，但不允许同时写或者一读一写同一地址单元，否则会出错。为防止此类错误发生，此双口RAM引入了多种机制来实现其两侧CPU的顺利读写。其中最常用的两种方式是：中断方式和旗语方式。中断逻辑又称为“信箱方式”，在双口RAM芯片的存储空间中，1FFF作为右侧端口的中断信箱，lFFE作为左侧端口的中断信箱，两侧的CPU可以读双方的中断信箱，但只能相互写对方的中断信箱。假设左侧CPU对右侧的中断信箱产生写入动作，则右侧的引脚肼砭会变为低电平，产生一个对右侧CPu的中断信号。若右侧CPu读己方的中断信箱，则会清除自己的中断信号，但读对方的中断信箱不会清除中断信号。同样，右侧cPu的相应操作也会对左侧产生同样的中断。双口RAM信箱的中断逻辑真值表如表6．2。根据此表，双方CPU通过 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现读写信箱内容可中断对方CPU，以提示对方申请或释放对双口l认M的读写，也可清除自身的中断。表6．2中断逻辑真值表左边端口功能R／睨C玩咀4。～4：工刀嘎置位右端中断LXlFFFX复位右端中断X置位左端中断XL复位左端中断XLlFFEH右边端口功能R}wRCERoER氐R—A2RIl、jTR置位右端中断XL复位右端中断XLlFFFH置位左端中断LXlFFEX复位左端中断X双口RAM芯片还有一套防止出错的措施，旗语通信逻辑。该双口RAM将内部存储空间分为8块(每块1K×16bit)，同时配置了独立于RAM的8个旗语锁存器用来标识此8个区域是否处于独占模式。旗语锁存器的信号为低电平有效，一端申请某一I认M区域使用权时，应向其写入O，释放时则写入l。例如：左侧端口要申请对区域2进行独占模式的读写，则应先向锁存器2中写入0，然后读取锁存器中内容，若读回值应为0，则表示申请成功，然后可以进入左侧的独占模式；若读回值为l，则说明右侧已经向锁存器中写入了O，并正在使用右端的独占模式，所以申请失败。确认申请失败后可以继续申请，也可以先去执行其他任务，并随机延时后再次申请。当右边CPU使用完相应区段后，应及时退出独占模式，即向锁存器中写入l，释放控制权，此时左端就可以申请了。锁存器是由地址位A。~A，来选择8个锁存器，并由数据位的取来读写。为了避免旗语逻辑的锁存器地址与双口RAM阵列向混淆，常常将8个锁存器分配独立的CPU地址空间。在本系统设计时，考虑到在应用中会采用集中传输数据的方式，即一侧CPU连续写入一段内容，而另一侧CPU稍后连续读取此段内容，本系统采用旗语逻辑来实现CPU间的通信。同时保留中断的硬件连接，在某方CPu发生误操作时，以中断方式提示CPU。此两套防冲突方式同时应用，能够保证本系统在上、下位机通信中出现错误的几率极小。 天津大学博士学位论文6．3．6手轮模块在机床的实际应用中，可允许用户手动设置各坐标轴的初始位置，或者手动调整机床的各个轴，故本运动控制卡加入了手轮模块以实现手动调节。手轮的旋转角度信息将通过机械编码器采集，并传输给运动控制卡。为了兼容双端输入和单端输入的编码器，本系统对手轮编码器的输入信号采用了可配置的方式，实际电路如图6．12所示。图中的HWA十和HWA．分别为手轮编码器的输入信号，INA+与烈A．分别为配置后的输出信号，当联通配置电路中E1的2、3两个引脚，可以实现INA．由HWA．产生，即实现了编码器的双端输入，当联通El的1、2引脚，INA坝0直接下拉到GND，实现编码器的单端输入。EJaND图6．12手轮编码器输入信号配置电路配置后的手轮编码器信号将通过芯片AM26LS32ACN实现双端到单端的变换(与前文的编码器反馈模块的电路相同，故不再给出电路图)，然后直接送入到28335的QEP单元进行译码。6．4运动控制卡软件底层封装设计运动控制卡中的软件与硬件配合，才能实现对电机的精准控制。本系统的软件包括：主函数、控制策略的实现和各个硬件功能模块的驱动程序三大部分。其中控制策略已经在本论文的三、四、五章进行了详细的分析，故不在此赘述。本小节主要介绍DSP内的主函数和几个主要的驱动程序封装。6．4．1DSP主函数的介绍DSP内的主函数程序负责各个模块的初始化并处理各种中断，能够将各功能模块有序地组织起来实现一定的功能。该主函数程序采用时间片驱动和中断驱动相兼容的运行模式，即首先设定定时器，使其在以固定周期中断CPU，在无外 第六章基于DsP的永磁同步电机伺服系统的实现部中断(除计时器中断)的情况下，CPU在每次定时中断后将执行当前任务队列里的一项任务；若出现外部中断，则CPU停止当前的任务，然后去执行外部中断服务程序。整体的程序流程图如图6．13所示。图6．13DSP主函数流程图采用此种运行模式，有两个优点，第一，按照时间片运行任务，使编码器反馈、DA控制等任务周期性地运转，保证对电机等外围设备及时地控制和相应；第二，利用外部中断机制保证CPU能够实时处理外围电路产生的中断，确保CPU的实时性。6．4．2双口I认M模块软件封装如前文介绍，ARM和DSP之间是通过双口RAM来进行数据交换的。当两 天津大学博士学位论文组总线同时访问一个地址时，通过片内的旗语逻辑和忙逻辑来控制，防止读写冲突。本小节介绍此通信过程在DSP方的程序实现，为方便表述，记旗语信号为SEMR，中断信号为BUSY。本系统选用的双口RAM芯片是8K×16位的，程序中将双口RAM分成了8个区，每个区的空间为lK。在DsP主动对双口RAM内某一个区进行读写操作时，采用旗语逻辑来实现防冲突。旗语信号为SEMR信号，其为低电平有效，写入“0”表示申请控制权，写入“1”表示释放控制权。每次读写前，先查询该区的使用权，向一区的SEMR信号中写入“0”，然后读出，如果是“0”，说明可以使用，开始对双口RAM进行操作，并写入对方中断邮箱；如果读出是“1”，说明对方在使用，等待或进行其他操作，并不时地询问双口RAM是否被释放。其程序运行流程如图6．17所示。厂翮f开始1尘申请信号量SEMR=O乏岛岁SEMR是否为O／>一Y网I写嚣入l释放信号量SEMR=1写入对方中断DR—ARM—MAILBOX21延时(、．兰!)图6．14DsP对双口RAM内分区进行读写的软件流程图 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现本软件对双口RAM读、写操作分别封装为双口RAM—wRITE二SECTION和双口RAM—READLSECTlON两个函数。两函数中包括了对旗语信号的判断，对双口RAM读写等功能。由此，通过两函数对上层屏蔽了读写中的细节，为上层程序完成双口RAM读写提供了便利。两函数的声明见图6．15。DRAMWRITE_SECTION(ch盯SectionN啪，肋RAM的区段号(0—7}wordDataLeng廿l，／／数据的长度(O一3FF)唪、vordWriceDa泖t，／／待写入数据的指针DRAMREAD．-SECTlON(charSectionN啪，∥DRAMf|，J区段号fO一7)+wordIkadDatapt，∥读入缓冲区的指针)图6．15DsP对双口RAM内分区进行读写的程序封装函数当A1w完成双口RAM中一块区域读写后，会中断DsP；或者当发生读写冲突时，DsP同样会被中断，此时DsP的中断服务程序需要先判断中断的来源，然后进行相应的操作。其程序的流程图如图6．16所示。图6-16DSP相应双口RAM中断的服务程序流程图87 天津大学博士学位论文6．4．3手轮模块程序封装DSP28335具有QEP(正交编码脉冲)单元，能够实现对编码器输出信号直接译码。手轮模块正是连接到此单元来实现DSP对手轮的位置测量。28335具有两套EV事件管理器——EVA和EⅦ，即可支持两个手轮(X轴和Y轴)的同时输入。这里以一个手轮为例(X轴)，介绍其软件程序封装。手轮的A、B脉冲信号经过双端转单端处理后，分别接到28335的QEPl和QEP2引脚，经DSP内部解码逻辑单元产生计数时钟脉冲CLK和方向信号DIR，其中cLK脉冲的频率是A、B脉冲序列频率的4倍。具体脉冲信号的时序如图6．17。l厂]厂]厂]厂]厂厂]厂]厂]厂]厂一nf1几门门nn门一门n几几几nnr厂——一图6．17手轮模块脉冲信号时序QEPlQEP2CLK定时器2对脉冲信号CLK进行计数，计数的增、减由DIR信号决定，QEP电路的时间基准由GPT2提供。因为CLK的频率是脉冲信号的4倍，手轮上每转一个格，定时器计数增加(或减少)4，可以通过DSP内部计算得出实际的旋转格数。使用DsP内置的QEP电路对编码器的输出信号进行处理，可以减少外围电路，降低系统复杂度，也减少了可能出现的误差与干扰，增强了系统的稳定性和可靠性。设计中采用通用定时器T1的定时中断来定时读取手轮的计数和方向。手轮模块的QEP电路功能程序流程图如图6．18。 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现开始通用定时器Tl周期定时中断进入Tl中断服务程序读取T2的计数器T2CNT和方向DIR赋T2计数器T2CNT初值中断标志寄存器复位中断屏蔽寄存器复位(、．竺!，)图6．18手轮模块程序流程图6．5基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现为了验证基于自抗扰控制器的永磁同步电机伺服系统控制策略的有效性，基于自行研制的八轴运动控制卡搭建了电机伺服系统，并将其应用于本实验室所研发的开放式数控机床。本实验室的TDNC．Sx系列数控系统的高端产品中应用了DSP技术开发高性能的NCMP控制板。该控制板上的主控CPU由DSP代替了MCU，并配有多路DA和编码器接口，专用于实现闭环控制。本数控机床系统TDNC．SX采用8轴联动的结构，从控制器角度可以分为ARM方和DsP方，系统结构如图6．19所示。ARM和DSP都属于嵌入式系统，但两者有着各自的特色：ARM具有较强的逻辑控制能力，并且具有丰富的外围接口，如屏幕、网络、键盘等接口，所以其适合用于MMl的控制和处理上层控制逻辑；DsP具有非常强的数据运算能力，其采用流水线和哈佛总线结构，并且具有多个独立的处理单 天津大学博士学位论文元和乘加处理器，所以将伺服算法等与运算相关的内容利用DSP来实现。图6-19自主设计的数控机床TDNC．SX的系统架构DSP控制器除了具备通用CPU和MCU的一般功能外，还针对数字信号处理作了特别优化，如采用饱和算法、乘积累加运算、同余寻址方式、深层流水线等技术提高信号处理的数据运算速度。正因为如此，对于数控系统中的伺服、插补等高吞吐量的固定模式算法可以应用DSP处理器的上述特性，实现高性能的运动控制系统。应用FPGA技术也可以实现数字信号处理，而且通常比DSP速度要快。但由于FPGA属于通用芯片，其逻辑资源与DSP相比相对有限。因此，在基于ARM、DsP和FPGA的数控系统中，FPGA芯片可应用于对实时性要求最高的实时控制上，或作为DSP的辅助处理器；DSP可实现数控流水线中伺服、插补、运动学正／逆解等数控系统中吞吐量大、计算格式固定且具有一定复杂性的实时算法；AJ洲运行通用操作系统，实现资源管理，人机界面，网络通信等功能，以及数控流水线中译码、速度规划、管理调度等逻辑操作和分支处理较多的复杂弱实时任务。本实验室的TDNC．SX系列数控系统的高端产品中应用了DSP技术开发高性能的NCMP控制板。其架构和前述的基于ARM和FPGA的系统基本一致，主要区别在于该控制板上的主控CPU由DSP代替了MCU，并配有多路DA和编码器接口，专用于实现闭环控制。由于NCM控制固件使用标准ANSlC语言编写，很容易移植到DSP系统上，并完全支持相同的NCM指令集。这样上位机ARM的控制软件也可以只在做少量更改的情况下，支持基于DSP和FPGA的NCMP控制板进行高性能运动控制。在本文的第四章中就曾应用其进行了线段转角轮廓误差实验，在该实验中使用DSP实现了位置、速度双闭环的实时多轴联动运动控制。图6．20中中间的电路板是研发阶段的NCMP控制板，其主控芯片为DSP； 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现右侧的电路板为电机驱动板。图6-20基于DSP的运动控制卡图6-2l为电机及其驱动器的照片。本论文选用的是松下的电机，型号为MSMD042P1U，额定功率400瓦，图6-21电机及驱动器的实物照片图6—22给出了应用TDNC．SX系统的机床照片。该机床为一个加工中心，内部可实现八轴联动。 天津大学博士学位论文图6-22采用TDNC．SX系统所生产的机床图6．23是应用本文所提出的控制策略加工出的模型照片。由图中可以看出将基于自抗扰控制器的永磁同步电机控制策略应用于模型加工中，能够快速准确的加工出符合设计要求的产品。6．6本章小结图6．23加工的模型实物图本章首先介绍了基于DSP的电机运动控制卡的硬件平台设计和主要软件程序底层封装设计。在硬件设计的介绍中从DSP选型到其外围电路都给出了主要的设计思路和电路原理图；在软件设计的介绍中对具有创新性的软件模块进行了介绍，并给出了程序流程图。可见该设计贯彻了完备性、可靠性、可扩展性和可维护性设计要求，各模块功能明确，接口清晰。其次为了验证基于自抗扰控制器的永磁同步电机伺服系统控制策略的有效性，搭建了基于自行研制的八轴运动控制卡的永磁同步电机伺服系统，并将其应 第六章基于DSP的永磁同步电机伺服系统的实现用于本实验室所研发的开放式数控机床，由加工出的模型可以看出应用本文所提出的基于白抗扰控制器的控制策略能够快速、准确的加工出符合设计需要的模型。 第七章总结与展望7．1全文总结第七章总结和展望本文以高性能永磁同步电机矢量控制调速系统为研究对象，针对该系统中的一些关键问题，诸如转子磁链观测转速和电流控制转速辨识以及转子电阻辨识等，从理论分析、计算机仿真和样机实验三个方面进行了深入研究，取得了以下一些结论：l、研究了基于自抗扰控制器的永磁同步电机矢量控制系统设计方法。首先对于匈坐标系下的永磁同步电机数学模型进行分析，得出永磁同步电机中存在非线性、强耦合、参数摄动等扰动因素的本质原因；其次设计了一种基于自抗扰控制器的永磁同步电机矢量控制策略，重点阐述了基于自抗扰控制器的电流环控制器的设计过程。仿真以及实验研究结果表明基于自抗扰控制器的矢量控制策略有效解决了线性控制系统快速性与超调之间的矛盾，因此具有良好的动静态性能以及抗扰动能力。2、为了实现永磁同步电机转子位置以及转速的精确估计，首先选择筇坐标系进行研究，这是实现精确估计的重要前提条件；其次将筇坐标系下的永磁同步电机数学模型中包含转子位置及转速信息的不确定项扩张成为新的状态变量，并通过由扩张状态观测器及非线性跟踪微分器组成的观测器实时观测出电机转子位置及转速；再次基于已经观测出的转子位置以及转速信息，设计了基于二阶自抗扰控制器的永磁同步电机伺服系统。仿真以及实验结果表明基于扩张状态观测器以及非线性跟踪微分器的永磁同步电机无机械传感器位置控制系统结构简单，控制快速、准确、无超调，对于外扰具有较强的鲁棒性。3、永磁同步电机定子磁链以及转速的精确估计是实现永磁同步电机无机械传感器直接转矩控制策略的关键。首先选择砌坐标系进行研究，并由由坐标系下的定子电流方程推导出定子磁链方程；其次将由坐标系下永磁同步电机定子磁链方程中包含定子磁链以及转速信息的不确定项扩展成为新的状态变量，并实际合适的扩张状态观测器实时提取出定子磁链以及转速，在此基础上即可实现精确的永磁同步电机直接转矩控制；仿真以及实验结果表明基于扩张状态观测器的永磁同步电机无机械传感器直接转矩控制系统具有较强的动静态性能及鲁棒性。4、研制了基于DSP的八轴运动控制卡，并阐述了系统硬件及软件结构。在此基 天津大学博士学位论文础上实现了永磁同步电流的有效控制，并验证了上述交流永磁同步伺服策略的有效性。7．2未来工作展望目前对嵌入式数控系统的开发和嵌入组合智能控制算法的研究已经国内各大高校研究的重点，但大多局限于理论研究，真正的基于组合智能控制策略的嵌入式数控系统的多轴联动产品还非常少，前景仍然十分广阔。本文对今后的科研设想如下：(1)基于现有的转子初始位置定位方案，研究永磁同步电机转子位置初始定位的的控制策略。(2)对于永磁同步电机无传感器直接转矩控制策略的研究目前还处于定子磁链以及转速观测阶段，应当进一步完善永磁同步电机直接转矩控制系统研究。(3)进一步改进基于DsP的八轴运动控制卡的软硬件设计，提高其控制精度以及控制速度，从而实现更多的控制功能。 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发表论文和参加科研情况说明发表论文：[1]LiuQing，WangTai—yong，DongJing-chuan，JiangYong—xiang，LiBo，ApplicationsofpositioncontrollerforCNCmachinesbasedonstateobserverandcrosscoupledcontr011er，CMCE2010，V01．2，(EI：20105013486577)[2]刘清，王太勇，董靖川，刘清建，李勃，基于ES0及NTD的PMSM无机械传感器位置控制，中国机械工程，已录用[3]刘清，王太勇，董靖川，刘清建，李勃，基于自抗扰控制器的PMSM矢量控制系统设计与实现，电子技术应用，已录用【4】刘清，王太勇，董靖川，刘清建，李勃，基于ESO的永磁同步电机直接转矩控制，电工电能新技术，已录用参加科研情况：【l】基于在机监测与智能维护的复杂制造系统状态辨识与精度测控理论与方法(国家自然科学基金项目，编号：50975193)。【2】数控机床故障预警诊断技术及基于功能部件的可重构监测诊断系统(国家科技重大专项，编号：2009zx04014．101．05)。【3】激光现场修复同制造机器人系统(天津市科技计划项目，编号：08ZCKFGX02300)。 致谢本论文的工作是在我的导师王太勇教授的悉心指导下完成的，王太勇教授从事科研的能力和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来王老师对我的关心和指导。董靖川师兄悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在科研上和项目上给予了我很大的关心和帮助，在此向董靖川师兄表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，蒋永翔师姐、荀婧玢师妹以及杨建英对我的科研工作提供了热情帮助与大力支持，在此向她们表达真诚的感谢。还要感谢组里的每位同学：支劲章、乔治峰、丁彦玉、唐志远、凌祥贵、赵亮、李勃、李伟、王鑫，感谢大家对我的支持。最后还要感激班上的李楠、孙涛、郭涛、杜兵，感谢他们带给我许多的帮助。我要特别感谢我的爱人李琨，感谢他对我学习、科研、生活方面的关心与照顾，尤其在我完成毕业论文期间，给予了我极大的支持和鼓励。我也特别感谢爸爸妈妈公公婆婆，感谢他们一直以来对我的默默支持、理解和关爱。没有他们作为我的坚强后盾，我无法专心、顺利地完成博士学业。