多轴同步伺服控制系统研究.pdf

所带来的缺陷，使得基于开放式、标准化的解决方案具备分布、开放、互联、可靠等特点但是，不同的公司之间开发的现场总线标准不统一，相互之间不能提供基于现场控制层到管理层的全面集成化的控制体系，并且现场总线较低的通讯速率也不能满足交流伺服系统越来越大的数据交换量的要求【2引目前，对于有同步伺服控制需求的通讯协议有SERCOS(Serial Real．time Communication Specification，串行实时通讯协议)和EtherCAT(工业以太网现场总线)等，没有同步要求的，则选择余地很大SERCOS协议是工业领域中实时数据通讯协议的国际标准，专门应用于在工业机械电气设备的控制单元与数字伺服装置之间实现串行实时数据通讯它全面而严格的定义了物理层、数据链路层以及数据交换的报文结构等内容，并给出了大量数据结构和过程命令，可用于操作控制单元、伺服装置及相关机械设备1990年，德国一些著名的数控系统和伺服系统制造商，如SIEMENS、INDRAMAT、BOSCH、AMK，以及一些重要的科研机构共同发起成立了SERCOS协会，目的是要在德国建立一个统一的计算机数字控制单元与数字伺服装置之间的接口标准，从而保证遵循此标准开发出的相关设备具有良好的互换性。

1992年，该标准被提议为德国和国际标准DIN／IEC 44，并于1995年被批准为国际标准IEC 61491从此，SERCOS协议被欧洲各国及美国和日本的数控系统和伺服系统制造商广泛接受，开发和生产符合该协议的产品，应用领域也从最初的数控机床扩大到各类数控机械我国全国工业机械电气系统标准化技术委员会制定了与SERCOS国标标准对应的国家标准《GB厂r 18473．2001工业机械电气设备控制与驱动装置间实时串行通讯数据链路》，由国家质量监督检验检疫总局于2001年10月24日发布，2002年4月1日起施行17][29]EtherCAT是开放的实时以太网络通讯协议EtherCAT拥有杰出的通讯性能，接线非常简单，并对其它协议开放传统的现场总线系统已达到了极限，而EtherCAT则突破建立了新的技术标准——30 ps内可以更新1000个I／O数据，可选择双绞线或光纤，并利用以太网和因特网技术实现垂直优化集成使用EtherCAT，可以用简单的线型拓扑结构替代昂贵的星型以太网拓扑结构，无需昂贵的基础组件EtherCAT还可以使用传统的交换机连接方式，以集成其它的以太网设备其它的实时以太网方案需要与控制器进行特殊连接，而EtherCAT只需要价格低廉的标准以太网卡(NIC)便可实现【l。

丌EtherCAT拥有多种机制，支持主站到从站、从站到从站以及主站到主站之间的通讯它实现了安全功能，采用技术可行且经济实用的方法，使以太网技术可以向下延伸至I／O级EtherCAT功能优越，可以完全兼容以太网，可将因特网技术嵌入到简单设备中，并2最大化地利用了以太网所提供的巨大带宽，是一种实时性能优越且成本低廉的网络技术171本文设计一种新型的伺服通讯协议，使之满足多轴同步伺服系统对于通讯性能的要求，在下一章有详细介绍1．2本文研究的内容本课题设计并实现了一个多轴同步伺服控制系统首先，设计实现了一个以TMS320F28035为控制器的独立的同步电机伺服子系统；然后，在以太网通讯协议的基础上进行了一定的扩展和优化，提出了适用于高精度同步要求的EtherPSP(EthemetPulse．Synchronized Protoc01)同步脉冲通讯协议应用该协议，多个独立的伺服子系统可以连接成一个高精度的同步网络，即多轴同步伺服控制系统；此外，还设计实现了应用于该系统的人机交互子系统和上位机软件控制子系统本文分为以下几个部分：第一章简述交流伺服系统的研究背景和发展历程，并对全文做了简要的整体概述。

第二章详细阐述了独立的同步电机伺服子系统的设计和实现，包括同步电机的伺服控制理论、硬件设计、软件设计和结果分析第三章详细阐述了以太网脉冲同步协议(Ethemet Pulse．Synchronized Protocol，EtherPSP)的设计和实现，包括基本原理、硬件设计、软件设计和性能分析第四章详细阐述了人机交互和上位机软件控制子系统的设计和实现第五章对研究生期间科研工作做了详细深入的总结，并指出了课题今后的发展方向32永磁同步电机伺服子系统设计2．1引言本章设计实现了一个独立的永磁同步电机伺服系统该系统以1"1(Texas Instruments，德州仪器)公司的Piccolo系列定点DSP(Digital Signal Processor)TMS320F28035为控制器，以光电编码器采集电机转子位置信号，采用SVPWM(Space Vector Pulse WidthModulation，空间矢量电压脉宽调制)策略，控制一台1．2KW的8极永磁同步电机，实现电流、速度和位置三闭环控制，达到良好的控制性能为了测试后续的多轴同步特性，建立2套伺服子系统，分别驱动1．2KW和5．5KW的电机。

它们的控制算法结构相同，参数不同其中电流、速度和位置调节器的参数按电机和负载进行参数优化系统总体结构如下图所示：图2．1永磁同步电机伺服系统总体结构图本章将会对各个模块和系统的设计实现过程做详细的介绍4则永磁同步电机三相绕组的电压方程式可表示为：pM pM¨]l 吩cose l忍+儿pM№l+pI吩cos(O一27r／3)l(2．1)pM 足+pL,JLcJ 【∥／eos(O+27r／3)J仨 =W，寺R3，=砒+足‘(2．2)=Wc七Nc由式错误!未找到引用源和错误!未找到引用源可得电机磁链方程式：[荔]=[妻兰参]f-L乏i,J]+『Lw吩，cc名os(o；：+2#／，33))]c2．·，其中“为定子绕组相电压，Rs为定子每相绕组电阻，乞毛‘为定子绕组相电流，厶为定子每相绕组的自感，M为定子每相绕组的互感，P为微分算子(P=dldt)，妙，为永磁磁极与定子绕组交链的最大磁链，0为转子位置角，即转子d轴与口相轴线的夹角2．2．2永磁同步电机在筇坐标系统中的状态方程式克拉克(Clarke)换定义了电机的各个状态量从静止三相abc坐标系到静止两相筇坐tp彳彳岬∥∥匙—．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．L=r一●●●●●●●●●J如绋纵标系的变换方式。

筇坐标系的口轴线与定子口相轴线重合，口轴超前∥轴90则abc坐标系到筇坐标系的坐标变换为：阱k昏， 2lCl施2二j1…1 12 2o鱼一鱼2 21．．．．1．．．．．1．2 2o笪一巫2 2『．六]I以l (2．2)训(2．3)同理，定义正k为定子静止筇两相坐标系统到三相abc坐标系统的坐标变换矩阵，对式错误!未找到引用源与(2．1)进行变换，可得定子静止两相坐标系统下的电压方程和磁链方程为：阱叱H翻 (2．4)翰=k匠笔]c也盼+k匕：9：'；嚣cos0二；；]眨5，通过克拉克变换，其定子磁链方程和电压方程的系数矩阵仍然与转子位置角有关，必须进行进一步变换2．2．3永磁同步电机在由坐标系统中的状态方程帕克(Park)燹抉足义J电机的各个状态重从足亍静止闭相筇坐标糸到转亍廷动闭相dq坐标系的变换方式dq坐标系与转子保持同速旋转筇坐标系到dq坐标系的坐标变换为：阡‰嘲汜6，‰=瞄黝旺7，据此，可得永磁同步电机转子砌坐标下的电压方程式与磁链方程式与为：卧足Ⅲ台w扎匕地卜册嗍(2剐盼一删嘶嘲汜9，可见，在转子由坐标系统下，电机的状态量实现了角度的成功解耦，简化了分析计算2．2．4永磁同步电机的电磁转矩方程式与状态方程式永磁同步电机电磁转矩方程式为：疋：寻坼(％‘一％‘)=寻坼[吩‘+(厶一厶)弛](2．10)疋=亏坼(％‘一％‘)=亏坼【-吩‘+(厶一厶)弛j(2．10)永磁同步电机机械运动方程式为：z。

五2专脾旺…其状态方程为：f屯]p削2Rs ∞rLqLd Ld一竺＆一里Lq Lq州一斟1 ．——OLdo土‘式中：以为转子磁极对数；％％为定子磁链在d、留轴的分量；野为永磁磁极与定子绕组交链的最大磁链；厶厶为三相永磁同步电机d、g轴的主电感在转子由坐标系统下，状态方程中已经不含有转子位置角，实现了控制量的成功解耦，因此本文在构建三相永磁同步电机控制模型时，采用转子由坐标系统下的数学模型进行分析2．2．5永磁同步电机伺服控制原理【6】【8】由式(2．10)可知，对于确定的永磁同步电机，由于吩基本不变，其转矩取决于屯、7‘当屯=o时，电磁转矩将完全由‘决定，即所有的定子电流完全用来产生电磁转矩这种控制方法称为‘=0控制策略如果屯能够恒定的维持在零值，那么电机的永磁体产生的磁场将不会受到激磁或退磁效应的影响，从而保持∥，恒定，电磁转矩将与定子电流产生转矩分量乞成正比关系，使得永磁同步电机获得与直流电机相媲美的控制性能本文采用电流、速度和位置三闭环的控制策略实现对永磁同步电机的伺服控制系统包括定子电流检测、转子位置检测、电流PI调节器、速度PI调节器、PI位置调节器、克拉克变换、帕克变换、帕克反变换，SVPWM生成器等功能控制模块。

系统原理图如图2．2所示：图错误!未找到引用源．2永磁同步电机伺服控制系统原理图安装在电机上的光电编码器检测电机转子位置，控制器依此计算出电机转子的机械角度、电角度和速度值机械角度作为电机的位置反馈，经过位置PID调节后作为速度PID调节器的输入，产生乞电流调节器的给定值电流互感器检测A、B两相电流，计算出的ABC三相电流值进行克拉克变换和帕克变换，得到毛和‘的反馈值易和‘分别与给定值进行电流PID调节，计算出dq轴的参考电压，再经过反帕克变换，由SVPWM生成器产生六路PWM脉冲触发信号，从而实现对电机的三闭环控制2．3永磁同步电机伺服子系统硬件设计该系统的硬件主要由以下几个模块构成：整流模块、功率逆变模块、信号调理模块、8控制器模块、信号检测模块和永磁同步电机构成，如图2．3所示：一浏…块 骇獭隰瞬畛 矿 功率模块瓤隧嘲嘲攀鳓蜊理信号调理 覆蟹等么 陟} 模块 uv电压}噜VW电嘏镌蕊懑嘲一’控制器模块5 V么信曩!模块；k产黝洌j．…／缀燃黝隅嘲 溜、＼＼／／／飞 电流检测、位置检汀图2．3永磁同步电机伺服控制系统硬件结构图该永磁同步电机的额定功率为1．2KW，4对极，额定电流为5A，额定转速为3000转／分(Rpm)。

系统以两相220V交流电作为功率输入，经过整流板全桥整流和电容滤波后，产生直流母线电压功率板以EIG公司的SPM20G601H智能功率模块为基础，搭配开关电源，提供其他控制板的5V电压和SPM(Smart Power Module，智能功率模块)的15V控制电压DSP核心板是系统的控制核心，根据信号检测板采样的电机电流信号和光电编码器检测的速度位置信号，按照图2．2所示的控制策略，产生相应的六路PWM信号送入信号调理板信号调理板将PWM进行整形为形状更加完美的方波，并完成由3．3V到5V的隔离转换，将处理后的六路PWM触发信号送入功率板功率板将PWM信号进行光耦隔离，驱动SPM运行，并将错误信号反馈回信号调理板功率板SPM输出的UVW三相电压直接控制电机运行2．3．1整流模块图2．4整流板原理图9整流模块原理图如图2．4所示系统通电时，开关S1处于断开状态，电容C开始充电PTC(Positive TemperatureCoefficient，正温度系数)热敏电阻和电阻R串联在电路中，用于防止电容充电电流过大当电容C充电完成时，闭合开关Sl，继电器导通，PTC热敏电阻和电阻R被短路，整流器输出的直流电压直接接到电容的两端，整流模块开始正常的工作状态，输出稳定的310V直流母线电压。

在进行测试实验时，S1开关手动控制实际应用系统中，S1将由DSP控制在软启动后控制S1闭合其中，整流器采用IR(Internati。