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1、三相永磁同步伺服 电动机的控制,伺 服 系 统,第 7 章,内容提要,第一节 三相永磁同步伺服电动机及 其数学模型 第二节 三相永磁同步伺服电动机的 控制策略第三节 速度反馈信号的检测和处理 第四节 伺服电动机转子初始位置的 检测 第五节 交流伺服系统的电子齿轮功能,AC伺服电动机,原位校准设备2014年6月,引 言,近年来，采用数字控制技术，以稀土永磁正弦波伺服电动机（PMSM）为控制对象的全数字交流伺服系统正逐渐取代了以直流伺服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。数字式交流伺服系统不仅其控制性能是以往的模拟式伺服系统和直流伺服系统所无法比拟的，而且更所具有的
2、一系列新的功能，如电子齿轮功能、自动辩识电动机参数的功能、自动整定调节器控制参数功能、自动诊断故障的功能等等。,引 言,数字式交流伺服系统在数控机床，机器人等领域里已经获得了广泛的应用。数字式交流伺服系统，是制造业实现自动化和信息化的基础构件。研究数字式交流伺服系统包括研究其速度控制、位置控制以及辅助功能三个方面的问题，本课程介绍数字式交流伺服系统的工作原理及相关产品使用手册。,第 7 章,第一节三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,三相永磁交流伺服电动机 三相电压型逆变电路,A,X,B,Y,C,Z,第一节三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,第一节三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,右图为三相永
3、磁同步伺服电动机的结构模型。A、B、C为定子上的三个线圈绕组，各绕组的位置在空间上差120，形成旋转磁场。转子为永磁体，将d轴固定在转子磁链r的方向上，建立随转子一同旋转的dq坐标系，便可以确立电动机的数学模型。,第一节三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,对静止坐标系上的电枢电压瞬时值UA、UB、UC和电枢电流瞬时值iA、iB、iC进行旋转变换，可得dq坐标系上电压瞬时值Ud、Uq和电枢电流瞬时值id、iq：(7-1)式中：A相绕组轴线相对d轴的电角度。,第一节三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,三相永磁同步伺服电动机在dq坐标系下的数学模型：式中：Ud、Uqdq坐标系上的电枢电压分量；id、
4、iq dq坐标系上的电枢电流分量;,第一节三相永磁同步伺服电动机及其数学模型,Ld、Lq dq坐标系上的等效电枢电感;d、q dq坐标系上的定子磁链分量；R定子绕组的内阻；r dq坐标系的旋转角频率;r永久磁铁对应的转子磁链；p微分算子；Te输出电磁转矩；np三相永磁同步伺服电动机的磁极对数。,第 7 章,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,dq坐标系上得到的三相永磁同步伺服电动机的矢量如图7-2所示。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,在上图中a是电动机定子磁链，0是电动机中总的磁链，显然由于定子磁链的存在，使得总磁链偏离了d轴，这就是电枢反
5、应。电枢反应主要是由定子电流的q轴分量iq引起的。定子电流的d轴分量id相当于励磁电流。关于对id的控制，在不同的实际应用场合下一般有两种控制策略,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,1.控制id=0以实现最大转矩输出：目前大多数的交流伺服电动机用于进给驱动，电动机工作于其额定转速以下，属于恒转矩调速方式。在这类应用场合，追求的是在一定的定子电流幅值下能够输出最大的转矩，因此最佳的控制方式是使定子电流与d轴正交，与q轴重合，也就是要保持id=0。在这种控制方式下，其转矩表达式为。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,2.控制id0以达到弱磁升速的目的从图7-2中可以看出，当id0时，其
6、作用是去磁，抵消转子磁场。,图7-2三相永磁同步电动机矢量图,q,d,id,iq,Laid,Laiq,1,0,1,a,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,在有些应用场合，希望电动机的转速超过其额定值。在额定转速以上不能靠提高逆变器输出电压的办法来升速，只能靠控制id为负值的办法来实现。由于id的去磁作用，使总的磁场减弱，从而在保持电压不变的情况下实现了弱磁升速。应当指出的是，电动机的相电流有一定的限制，当id负向增加后，必须相应减小iq，以保持相电流幅值的不变。在上面介绍的两种控制方式中，id=0的控制方式是最常用的方式，下面主要介绍这种控制方式。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,
7、图7-3是三相永磁同步电动机交流伺服系统的框图。在这个结构框图中包括了位置环、速度环和电流环，在本章里只分析速度和电流控制的基本原理。图7-3所示的控制系统采用id=0的控制方式。ASR表示速度调节器。在dq坐标系中，速度调节器的输出信号可以作为定子电流q轴分量的给定，将电动机定子电流的d轴分量设定为为零(保证电流产生的定子旋转磁场与电动机的转子磁场正交)。ACRq和ACRd分别是控制电流q轴分量和d轴分量的电流调节器调节器。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,图7-3 三相永磁同步电动机交流伺服系统结构框图,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,这里介绍三种实现数字式空间矢量脉冲宽度
8、调制的方法，第一种是常规的SPWM法；第二种是用软件来实现电压空间矢量脉冲宽度调制的方法；第三种是通过查表的方式，主要由硬件来实现空间电压矢量脉冲宽度调制的方法。分别介绍如下：1.常规的SPWM方法在图7-3中表示的就是常规的SPWM方法，根据转子位置信号，将dq坐标系中的电压给定信号Uq和Ud,旋转变换到A、B、C三相坐标系下，形成电压控制信号Ua、Ub、Uc，以此作为调制信号，对三角载波信号进行调制，就可形成SPWM信号。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,2用软件实现空间电压矢量脉冲宽度调制（SVPWM）用软件实现空间电压矢量脉宽调制的方法也是一种通常使用的方法，这种方法的优越性在
9、于其控制精度比较高。首先确定要求输出的电压空间矢量的幅值和方向角，才能进行SVPWM运算。在三相永磁交流伺服电动机控制系统中，可以通过闭环的实时计算来获得电压空间矢量的幅值Ur和方向角：,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,式中：r转子转角；dq坐标系下的电压矢量方 向角；,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,3基于硬件的数字式空间矢量脉冲宽度调制近来，大规模可编程逻辑器件（FPGA、EPLD）在交流伺服系统中得到了应用，出现了主要基于硬件逻辑电路的数字式脉宽调制方法，主要介绍这种方法。伺服系统采用电压型三相逆变器，如图7-4。逆变器输出电压矢量V。根据6个主开关管的不同开关状态,可以
10、得到了6个基本电压矢量V0、V1、V6、V7，其中V0、V7是零矢量，V1V6是非零矢量，如图7-5所示。任意角度的电压矢量,可以由以上的基本电压矢量的线性组合而得到。在这里，我们关心的是在以下六个角度上的电压矢量：V12位于30的方向上；V23位于90的方向上；V34位于150的方向上；V45位于210的方向上；V56位于270的方向上；V61位于330的方向上。如图7-5所示。称这6个电压矢量为组合电压矢量。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,A B CV1:1 0 0V2:1 1 0V3:0 1 0V4:0 1 1V5:0 0 1V6:1 0 1V7:1 1 1V0:0 0 0,第
11、二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,对应于电压矢量V12的三相输出电压PWM波形如图7-6所示。V12在扇区I内，介于基本矢量V1和V2之间，由V1和V2线性合成，只要V1和V2的作用时间相等，就可合成在30方向上的矢量V12，零矢量作用的时间决定了输出电压的幅值。,图7-6 对应于电压矢量V12的三相输出 电压PWM波形,A,B,C,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,图7-7采用硬件数字式脉宽调制器的交流伺服系统的结构图7-7表示采用硬件数字式脉宽调制器的交流伺服系统的结构，ASR表示速度调节器。在d-q坐标系中，速度调节器的输出信号作为定子电
12、流q轴分量的给定，定子电流d轴分量的给定为零。ACRq和ACRd分别是控制电流q轴分量和d轴分量的调节器，ACRq和ACRd都是常规的线性PI调节器。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,图7-7 采用硬件数字式脉宽调制器的交流伺服系统的结构,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,设电压逆变器的输出电压矢量v在d轴和q轴的分量分别是ud和 uq，电流矢量I在d轴和q轴的分量分别是id和iq。有学者根据对永磁同步伺服电机数学模型的分析，以及通过实验的验证，已经得出了下面的重要结论：当ud 0 时，id增加；当ud 0 时，iq增加；当uq 0时，iq减小。在系统运行的过程中，在某一时刻，定
13、子电流的两个分量究竟是应该增加还是应该减小，进一步的，应将增加多少或者减小多少，这些信息都包含在电流调节器ACRq和ACRd的输出信号UQ和UD中。因此，我们可以根据UQ和UD来选择逆变器的输出电压矢量V在d轴的分量和q轴的分量。进一步，再根据电机转子的瞬间位置，就可确定逆变器在瞬间的开关状态。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,为确定UQ和UD的极性，设置了两个三值比较器CM1和CM2，三值比较器的特性如图7-8所示。CM1和CM2的输出信号分别是QX和DX。是在比较器当中设定的误差范围，当输入信号的绝对值在误差范围以内时，比较器的输出信号QX（DX）为零，当输入信号为正，且超出了误差
14、范围时，比较器输出为。当输入信号为负，且超出了误差范围时，比较器的输出为。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,根据QX和DX的值，以及电机转子的位置，来选择电压矢量，下面首先介绍选择电压矢量的规则。表7-1给出了所有扇区内的电压矢量的选取方案。在图7-5中，12个非电压矢量将空间分成了12个扇区，每个扇区由相邻的电压矢量确定。现在假定电机的转子正处于第1号扇区，其相邻的两个电压矢量是V1和V12。这时，如果DX=1且QX=1,则说明我们应当选取的电压矢量在d轴和q轴的投影都应在为正，这时选择V2是恰当的；如果DX=1且QX=0，则说明我们应当选取的电压矢量在d轴的投影应为正，而在q轴的投
15、影应当为零，这时选择V1是恰当的。,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,第二节三相永磁同步伺服电动机的控制策略,上面根据图7-5的描述，分析了当电机的转子位于第号扇区内时，选取定子电压矢量的方法。同样，当电机的转子位于其它扇区内时，可以依次递推地选取定子电压矢量。控制非零电压矢量的作用强度，是通过在非零电压矢量作用时间内间隔地插入零矢量来完成的，控制零矢量作用时间所占的比例，就控制了前面所说的“作用强度”。若取得d轴电流调节器的输出信号和q轴电流调节器的输出信号的绝对值，使从调制器输出的PWM信号的正脉冲宽度与电流调节器输出信号的大小成正比(即调节占空比)。当PWM信号为低电平时，插入零矢
16、量，就可控制非零电压矢量的“作用强度”。,小结,建立了三相永磁同步伺服电机（PMSM）在D-Q轴下的数学模型Id=0实现最大转矩输出Id0实现弱磁升速三种实现数字式电压空间矢量的方法SPWM、软件法、硬件法（FPGA、EPLD）,课程总结,第 7 章,第三节速度反馈信号的检测和处理,第三节速度反馈信号的反馈和处理,在数字式交流伺服系统中，一般可采用增量式光电脉冲编码器或绝对式光电脉冲编码器或旋转变压器来检测位置和速度信号，但在目前采用增量式光电脉冲编码器较为普遍。根据增量式光电脉冲编码器的输出信号来获取电动机的速度反馈信息，是一个重要的技术问题，常用的测速方法有M法、T法和M/T法，最近有学者
17、又提出了“锁相跟踪测速”的方法。,第三节速度反馈信号的反馈和处理,锁相测速方法：最近有学者提出了一种全新的锁相测速方法，采用这种方法，无论电机高速运行还是低速运行，都可以获得一个始终跟随电机转速值的14位的并行的测速结果，测速周期短，测量精度高。测速单元与伺服系统的主CPU并行地工作。锁相测速环节的基本结构如图7-9所示。,Dout,Dout,fd,P-,P+,Q2,Q1,第三节速度反馈信号的反馈和处理,脉冲相位变换1,脉冲相位变换2,鉴相器,脉冲测宽控制运算 TJQ,锁存输出,数控振荡器 DCO,时钟,测速脉冲fe,图7-9 锁相测速环节的基本结构,f-,第三节速度反馈信号的反馈和处理,1)
18、脉冲相变换器 脉冲相位变换器的原理如图7-10所示。Q是输出相位信号，f是输入的光电脉冲编码器信号，clock是时钟脉冲，clock的频率大大高于f的频率。Clock反相后，经过同步环节对输入的光电脉冲信号f进行同步，得到了与cp_ 同步的脉冲f_。,图 7-10 相位变换器,第三节速度反馈信号的反馈和处理,2)鉴相器在图5-9中，“脉冲相位变换器1”和“脉冲相位变换器2”有着完全相同的结构，它们输出的相位信号Q1和Q2之间的相位差由鉴相器鉴得。如果Q1的相位超前于Q2 的相位，相位差由P+脉冲的宽度表示，反之，相位差由P-脉冲的宽度表示。3)脉冲测宽、控制运算环节在图5-9中，“脉冲测宽、控
19、制运算”环节TJQ相当于锁相环测速环路中的“调节器”，主要完成两项工作。其一，要根据鉴相器的输出P+或P-,测算出Q1与Q2的相位差。其二，要对相位差进行“调节运算”，进而得出输出的并行数据Dout,这个并行数据用来控制后面的“数字控制振荡器DCO”的振荡频率，当Q1和 Q2锁定是，Dout正比于光电脉冲f的频率，也就是正比与电动机的转速。,第三节速度反馈信号的反馈和处理,图7-11 锁相测速环节的动态结构图,第 7 章,第四节伺服电动机转子初始位置的检测,第四节伺服电动机转子初始位置的检测,从前面的分析中已经知道，稀土永磁正弦波电动机（PMSM）交流伺服系统采用了转子定向的矢量控制方式，必须
20、实时地测出电动机转子的位置角才能确定dq坐标系。过去，一般采用绝对式光电脉冲编码器或旋转变压器作为位置检测元件，其原因就在于绝对式光电脉冲编码器和旋转变压器都能够实时地测出转子的绝对位置。只有测出了转子的绝对位置，系统才能计算出定子电流指令的相位，从而保证定子磁场和转子磁场正交。,第四节伺服电动机转子初始位置的检测,但是，无论是绝对式光电脉冲编码器或是旋转变压器都有其缺陷。绝对式光电脉冲编码器价格昂贵，分辨率远不如增量式光电脉冲编码器。旋转变压器从本质上说是一种模拟式位置检测元件，需要复杂的数字轴角变换电路，而且其检测精度也远不及增量式光电脉冲编码器。所以，近年来一般大多采用增量式光电脉冲编码
21、器作为正弦波永磁同步电机的转子位置检测元件。,第四节伺服电动机转子初始位置的检测,采用增量式光电脉冲编码器作为正弦波永磁同步电机的转子位置检测元件，必须要在系统刚上电时就测得电机转子的精确的初始位置，这样才能在以后的过程中随时得到转子的正确的位置，这是问题的关键所在。在控制系统刚刚通电，电动机尚未运行时，系统就应首先进行测量转子初始位置的工作。这个过程中，根据伺服系统的工作要求，在寻找初始位置的过程中，转子只允许有很微小的抖动，并且很快回归原位。具体工作过程可由图7-12简单说明。,第四节伺服电动机转子初始位置的检测,简单地说，测量转子初始位置的过程就是定子电流矢量渐近地靠近转子，直至与其重合
22、的过程。在这个过程中，在一开始，定子电流矢量的相位角是任意取定的，但最终定子电流矢量将趋向转子的位置。前面介绍过,正弦波电机在连续运行时,为了得到最大的电磁转矩,定子电流矢量与转子是正交的,而在初始定位的过程中,二者要趋于重合。在这一点上，初始定位过程和连续运行过程确实有很大的不同。对于电流环来说，在连续正常运行时，d轴的给定值应该为零，这保证了定子电流矢量和转子趋于正交。而q轴电流的给定值由速度调节器的输出值提供，由此可以控制转矩的大小。,第四节伺服电动机转子初始位置的检测,与连续运行时情况不同，在初始定位的过程中，实际上是不断地在d轴电流的给定端加上“扰动信号”，其大小应该保证定子电流矢量
23、的作用强度，在“扰动信号”的作用下，转子离开原来的位置，在位置控制器的作用下，又回到原来的位置。控制初始定位过程的电路结构如图7-13。,第四节伺服电动机转子初始位置的检测,图7-13 控制初始定位过程的电路结构,第 7 章,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,数字交流伺服系统具有位置控制的功能，上位控制机向伺服系统发出位置指令脉冲。指令脉冲序列包含了两方面的信息，一是指明电机运行的位移，二是指名电机运行的方向。通常指令脉冲单位是0.001mm或0.01mm等，而伺服系统的位置反馈脉冲当量由检测器（如光电脉冲编码器等）的分辨率，以及电机每转对应的机械位移量等决定
24、。当指令脉冲单位与位置反馈脉冲当量二者不一致时，就可使用电子齿轮使二者完全匹配。使用了电子齿轮功能，可以任意决定一个输入脉冲所相当的电机位移量。发出指令脉冲的上位控制装置无须关注机械减速比和编码器脉冲数就可以进行控制。图7-14是具有电子齿轮功能的伺服系统的结构。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,图7-14 具有电子齿轮功能的伺服系统,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,在图7-14中，机械传动机构的螺距为W，指令脉冲当量为L，光电脉冲编码器每转脉冲数为P，一般电机轴与传动丝杠是直接相连的，这样就可以确定位置反馈脉冲当量M：上式右边的4P是考虑到一般在采用光电脉冲编码器作为位置反馈元件时，都对
25、其输出脉冲进行4倍频处理。从上面的分析可以知道，指令脉冲当量L，与反馈脉冲当量M不一定相等，这就需要通过指令脉冲的倍率系数A/B来建立二者的对应关系。具体的计算公式为：,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,根据一个指令脉冲的位置当量和反馈脉冲的位置当量，可以确定电子齿轮的倍率系数。在上式中A和B必须为整数，A/B称为电子齿轮的齿数比。其中A和B都可以单独设置，其范围一般在1 65535之间。就目前的全数字伺服系统而言，齿数比要满足下面的限制条件：电子齿轮功能可以在位置环中实现，也可以在位置环以外用一个独立的环节来实现，两中方式的基本原理是一样。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,这里介绍一种实用
26、电子齿轮环节，该电子齿轮环节是在一个单独的微处理器控制下工作的，电子齿轮的工作原理可以由图7-15简单地表示。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,所有的外围电路都集中在可编程逻辑器件中。整个电子齿轮环节由CPU和可编程逻辑器件构成。下面介绍工作原理。通常由控制指令装置发送到伺服系统的位置指令脉冲由以下三种形式1方向信号+脉冲序列；2CCW脉冲序列+CW脉冲序列；3正交两相脉冲序列。这三种不同的形式的指令脉冲都包含了两方面的信息，一是电机运行的距离，二是电机运行的方向。这三种不同的指令脉冲输入方式都是全数字伺服系统所可以接收的，可以由用户自行设定。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,“输入脉冲处
27、理电路”的主要作用：是将上述三种不同的脉冲输入方式转换成统一的方式，一般是选择“CCW脉冲序列+CW脉冲序列”为统一的脉冲方式。如果原始的输入指令脉冲采用两相正交脉冲的输入方式，则“输入脉冲处理电路”还具有对输入指令脉冲进行4倍频的功能。指令脉冲经处理后得到了统一的形式（CW脉冲序列+CCW脉冲序列），可逆计数器1对指令CW脉冲和CCW脉冲进行可逆计数。同时，可逆计数器2对电子齿轮的输出脉冲Pulse+和Pulse-进行可逆计数。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,微处理器定时中断，分别读取计数器1和计数器2的数，然后对其清零。在第n次中断时，从计数器1中读到的数是Dn，从计数器2中读到的数是
28、DFn，经过计算可以得到跟随误差En：上式中的A和B，就构成了电子齿轮的齿数比。微处理器对跟随误差进行比例运算，或着进行比例积分运算，以得到输出频率的控制量FC（n）。如果采用比例运算,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,如果采用比例积分运算：其中，K1,K22,K21是设定在微处理器中的常数，设定这些常数要保证电子齿轮的闭环控制的稳定性。由微处理器输出的FCn是带符号的16位并行数据,采用原码。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,“数字控制频率发生器”接收微处理器发出的频率控制量FC，将其转化为脉冲序列Pulse+和Pulse-。脉冲序列Pulse+和Pulse 在形式上类似于“CW脉冲序列+
29、CCW脉冲序列”，FC的最高位FC15为符号位，FC15的极性决定了输出脉冲是Pulse+或Pulse。输出脉冲的频率与FC成正比。由于FC的字长为16位,所以脉冲频率的精确度可以得到保证。利用和编程逻辑器件的高速度和大容量的特性，“数字控制频率发生器”得以实现，其电路原理如图7-16所示。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,如前面所述可知，电子齿轮控制环节是一个微处理器控制的闭环控制环节。但只要微处理器的采样频率足够高，用分析连续系统的方法来分析电子齿轮控制环节就是合理的，图7-17是电子齿轮环节的动态结构。图7-17中的积分环节表示可逆计数器对输入频率和反
30、馈频率的累积作用。如果采用比例控制，电子齿轮环节是一个型环节；如果采用比例积分控制，电子齿轮环节就是一个型环节。下面讨论电子齿轮输出脉冲信号对输入指令脉冲的跟随性能。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,1）电子齿轮输出脉冲频率对输入脉冲频率的跟随若输入指令脉冲的频率为恒定，则电子齿轮的输出脉冲频率对输入指令脉冲的频率无误差跟随；若输入指令脉冲的频率随时间线性变化，则须采用比例积分控制，才可以无差跟随这一输入频率。下式表达了输入指令脉冲频率Fin和电子齿轮环节输出脉冲频率Fout之间的关系。,第五节交流伺服系统的电子齿轮功能,2）电子齿轮输出脉冲个数对输入脉冲个数的跟随无论电子齿轮环节采用比例控制算法或比例积分控制算法，在跟踪过程的终点，脉冲数的误差为零。但是在跟随过程中，如果存在脉冲数的跟随误差依然会带来一些问题。若向伺服系统发出指令脉冲的上位机是一台数控装置，数控装置通过插补向多台伺服系统发出指令脉冲以控制多坐标轴的轨迹联动，那么伺服系统中电子齿轮环节在运行过程当中所产生的跟随误差，将带来总的联动运行轨迹的误差。如果电子齿轮环节采用比例控制算法，则电子齿轮输出脉冲数相对于其输入脉冲数存在着跟随误差，跟随误差的大小与比例控制系数K1成反比。如需彻底克服脉冲数的跟随误差，应采用比例积分算法，或引入输入脉冲数的前馈，采用复合控制的方法。,
