采用USB和DSP技术的全数字伺服控制器的研究与开发

全数字伺服控制器

山东大学

硕士学位论文

采用USB和DSP技术的全数字伺服控制器的研究与开发

姓名：蔡春伟

申请学位级别：硕士

专业：控制理论与控制工程

指导教师：张东亮

20040510

全数字伺服控制器

山东大学硕士学位论文

摘要

随着科学技术的发展，高性能交流伺服系统在导航系统、雷达天线、数控机床、机器人等领域得到了广泛的应用。目前国外很多公司已经推出了成型的全数字交流伺服系统产品，但数字交流伺服系统的国产化步伐缓慢，我国的交流伺服技术面临的形势异常严峻。数字信号处理（ＤＳＰ）技术的发展为伺服系统性能的提高奠定了基础；同时，永磁同步电机更适用于高性能的运动控制场合，因此，基于ＤＳＰ的永磁电机数字交流伺服系统已成为高性能伺服技术的重要发展方向，是当前的一大研究热点。

本文首先讨论了伺服系统的国内外现状与发展，并指出本课题的研究意义和主要研究内容。

在深入研究了永磁同步电机的数学模型、等效电路的基础上，本文对磁场定向控制和空间矢量控制做了系统的研究，并给出了磁场定向控制和空间矢量控制的ＤＳＰ实现方法。

通过研究世界ＤＳＰ芯片市场，选用了美国ＴＩ公司专门为数字运动和电机控制推出的ＤＳＰ控制器ＴＭＳ３２０Ｆ２４３来实现交流伺服系统。然后给出了系统的硬件电路设计，包括主回路、驱动电路、存储器扩展、电流和速度检测电路的硬件设计。采用了价格较低的电阻器来检测永磁同步电机的三相电流，采用了ＩＧＢＴＣＰＶ３６３Ｍ４Ｋ模块组成逆变桥来实现功率主回路直流到交流的逆变。提出了永磁同步电机的磁场定向实现方案以及交流伺服系统的全闭环软件实现方案。闭环程序由主程序和中断服务程序组成，在中断服务程序中进行电流环和速度环的调节。实验表明：双闭环的永磁数字交流伺服系统拥有很高的速度和位置控制性能。

随着开放式数控和数字伺服的发展，高速的通讯接口越来越重要。本文在研究了常用ＲＳ２３２／４８５通讯接口和控制网络现场总线ＣＡＮ的基础上，探讨了ＵＳＢ接口在伺服技术中的应用，为数字伺服系统采用高速串行总线与主控制器实时通讯打下了基础。提出了运动控制系统新的实现方法，以省去运动控制卡，解决中高档数控的关键问题，并研究了通讯协议、硬件电路与软件设计。最后系统研究了数字伺服系统的ＰＩＤ控制及其改进算法控制策略。采用最新

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人工智能理论，探讨了伺服系统单神经元自适应ＰＩＤ控制理论与实时控制方法，解决了伺服系统参数的在线调整和自适应问题。

本文的重点部分是：基于ＤＳＰ的控制器的硬件设计与实现，控制器的ＵＳＢ接口丌发以及闭环控制系统软件的实现。采用了软件集成丌发环境ＣＣ（ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒ）进行了软件编程，并通过中泰康的ＤＳＰ硬件仿真器与Ｔｅｃｈｎｏｓｏｆｆ开发系统进行了硬件调试。

关键！词：交流伺服系统；数字信号处理器（ＤＳＰ）；永磁同步电机：矢量控制；１Ｉ

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ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈｉｇｈ

ａｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡＣｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈＮａｖｉｇａｔｉｏｎ，ＲａｄａｒＳｙｓｔｅｍ，

ｓｅｒｖｏＮｕｍｅｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅ，Ｒｏｂｏｔｉｃｓｅｔｃ．ＴｈｅｆｕｌｌｙｄｉｇｉｔａｌＡＣ

ａｂｒｏａｄ，ｂｕｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓａｐｐｅａｒｅｄａｔａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔｏｆｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ

ｓｅｒｖｏＡＣｓｃｒｖｏｓｙｓｔｅｍｉｓｓｌｏｗｈｏｍｅ．ＩｔｉｓｈｉｇｈｌｙｕｒｇｅｎｔｔＯｄｅｖｅｌｏｐｄｉｇｉｔａｌｓｙｓｔｅｍｄｏｍｅｓｔｉｃ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｉｇｉｔａｌ

ＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ，ｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ｐｒｏｖｉｄｅｓｇｏｏｄｂａｓｅｆｏｒｈｉ【ｇｈ

ａｎｄｔｈｅＤＳＰ—ｂａｓｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡＣＰＭＳＭＡＣＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍｈａｓｂｅｃｏｍｅｔｈｅｍａｊｏｒｔｒｅｎｄｏｆＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍｓ

Ｉｎｔ１１ｅｆｉｒｓｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｔｈｅｓｔａｔｕｓａｎｄｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅｏｆＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍｓａｂｒ。ａｄａｎｄａｔｈｏｍｅｉｓ

ｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔ

ｏｎｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｏｎＢａｓｅｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙｄｅｅｐｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅＰＭＳＭ’Ｓｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌ

ｏｎａｎｄｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｒｅｓｅａｒｃｈ

Ｃｏｎｔｒ０１）ａｎｄＳＶＰＷＭ（Ｓｐａｃｅ

ｐａｐｅｒＶｅｃｔｏｒＰｕｌｓｅｔｈｅＦＯＣ（ＦｉｅｌｄＯｒｉｅｎｔｅｄｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎｔｈｉｓＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）ｉｓ

ＡｆｔｅｒｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｗｏｒｌｄＤＳＰｍａｒｋｅｔ，ｗｅｃｈｏｓｅｔｈｅＴＭＳ３２０Ｆ２４３ｍａｄｅｂｙＴＩｔｏ

ｓｏｌｉｄｂａｓｅｆｏｒｈｉｇｈｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅＡＣＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡＣ

ＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｈａｒｄｗａｒｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｏｆＤＳＰ—ｂａｓｅｄＡＣＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍｉｓｇｉｖｅｎｉｎｔｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅｐｏｗｅｒｂｏａｒｄ，ｄｒｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ｅｘｔｅｎｄｅｄｍｅｍｏｒｙ，ｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｐｅｅｄｌｏｏｐｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｃｈｅａｐｒｅｓｉｓｔｏｒｓａｒｅ

ＰＭＳＭ，ａｎｄｔｈｅＩＧＢＴｕｓｅｄｔｏｓｅｎｓｅｔｈｅｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｓｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅＣＰＶ３６３Ｍ４Ｋｍｏｄｕｌｅｉｓｕｓｅｄｔｏ

ｉｎＤｌｅｍｅｎｔｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒ．ＴｈｅＦｉｅｌｄＯｒｉｅｎｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌＳｃｈｅｍｅｏｆＰＭＳＭａｎｄｔｈｅ

ｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍｏｆＡＣＳｅｒｖｏｓｏｆｔｗａｒｅＳｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｅｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｃｌｏｓｅｄ．１００ｐ

ａｎｄＩｎｔｅｒｒｕｐｔＳｅｒｖｉｃｅＲｏｕｔｉｎｅａｒｅｇｉｖｅｎａｔｌａｓｔ．ＴｈｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓｏｆＣｕｒｒｅｎｔＬｏｏｐａｎｄ

ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＳｐｅｅｄＬｏｏｐａｒｅｄｏｎｅｉｎｔｈｅＩｎｔｅｒｒｕｐｔＳｅｒｖｉｃｅＲｏｕｔｉｎｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ

ｉｎｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓＳｅｒｖｏｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｇｏｏｄｔｗｏ．１００ｐＳｙｓｔｅｍ

ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｉｇｉｔａｌｓｅｒｖｏｓｙｓｔｅｍａｎｄＣＮＣ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒ０１），ｔｈｅｈｉｇｈ．ｓｐｅｅｄｓｅｒｉａｌｎｅｔｗｏｒｋｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｈａｓｂｅｃｏｍｅｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅＩＩＩ

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ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｌＲＳ２３２／４８５ｓｅｒｉａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａ

ｓｅｒｖｏＮｅｔｗｏｒｋｆｉｅｌｄｂｕｓ（ＣＡＮ）．ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｄｉｇｉｔａｌ

ＳｅｒｉａｌａｎｄＣＮＣｏｆｔｈｅＵｎｉｖｅｒｓａｌｏｆｒｅａｌ．ｔｉｍｅＢｕｓ（ＵＳＢ）ｉｓｐｒｏｂｅｄ，ｐｒｏｖｉｄｅｓｓｏｌｉｄｂａｓｅｆｏｒｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＡＣＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍａｎｄｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，Ａｎｏｖｅｌｎｅｔｗｏｒｋｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｆｏｒｏｐｅｎｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＳｏｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｂｏａｒｄｏｆｔｈｅｍｅｄｉｕｍａｎｄｈｉｇｈｇｒａｄｅＮＣ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒ０１）ｓｙｓｔｅｍｓｏｍｉｔｔｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅａｌｓｏｈａｖｅｃａｎｂｅｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．

ＴｈｅｄｉｇｉｔａｌＰＩＤａｎｄｉｔｓｉｍｐｒｏｖｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｉｎａｄｅｅｐｇｏｉｎｇｗａｙ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｒｅａｌ—ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｎｅｕｒｏｎａｄａｐｔｉｖｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｎｅｗａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｕｓｔｈｅ

ｓｏｌｖｅｄ．

ＴｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｏｆｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅＡＣｓｅｒｖｏｓｅｌｆ－ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔａｎｄａｄａｐｔｉｖｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｓｅｒｖｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎＤＳＰ，ｉｎｃｌｕｄｅｓｔｈｅＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｎｄｔｈｅｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐｓｏｆｔｗａｒｅｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ

ｐａｐｅｏａｒｅｔｈｅｅｍｐｈａｓｅｓｏｆｔｈｉｓ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＣ

Ｃｏｎｔｒｏｌ；ＳｅｒｖｏＳｙｓｔｅｍ；ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）；ＰＭＳＭ；Ｖｅｃｔｏｒ

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原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：越垒导师签名：——日

关于学位论文使用授权的声明期：２ＱＱ垒：垒：２Ｑ

本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。

（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名：赫壁导师签名：数幺也日期：

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１绪论

随着微电子、计算机、电力电子、电机制造技术以及新型材料的飞速发展，交流调速理论以及新型控制理论研究的不断深入，数字交流伺服系统特别是永磁交流伺服系统在机电一体化、机器人、柔性制造系统、汽车、电子办公自动化等高科技领域中占据了日益重要的地位，也成为研究与应用的重要领域。匐”“。１．１伺服技术的现状与发展

“伺服系统”是一种典型的自动控制系统，它以物体的位置、方位、姿态等作为被控量，所以又称为“位置控制系统”，在国际上较多采用“运动控制”这一名词。

伺服系统由伺服控制器和伺服电机两部分组成。目前，国内的伺服系统主要采用步进电机和直流电机。由于步进电机伺服系统属于开环系统，结构简单、成本低，在国内的中小型数控机床上仍大量使用；而普通直流电机由于通过调节励磁电流和电枢电流，可以很容易的实现对转矩的控制，特别是在要求伺服驱动四象限运行和快速响应的场合，直流电机一直占主导地位。

在国外，伺服系统在经历了开环的步进电机伺服系统、直流伺服系统两个阶段之后，已进入了“交流伺服系统”阶段。这是由于交流电动机具有结构简单、坚固耐用的特点：而且随着电力电子器件的小型化和高性能化，以及计算机技术的迅速发展，过去在技术上难以实现的交流电机控制问题都已迎刃而解；特别是新控制策略矢量控制的应用，使得交流电机的性能取得了长足的发展，具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态性能及四象限运行等良好的技术性能，其动、静态性能完全可以与直流电动机相媲美，从而使交流伺服系统取得了主导地位。

交流伺服有模拟式和数字式之分，即硬件伺服和软件伺服。模拟式伺服单元一般工作速度很快，系统的频率可以做得很宽，这使系统具有快速的动态响应性能和很宽的调速范围；缺点是难于实现复杂的控制方法，并且器件多，体积大，不易调试，还存在着“零点漂移”等问题。数字式伺服单元的优点是用软件编程，易于实现复杂的算法，而且柔性好，有时几种控制方法之间的改变只需改变软件即可实现，而不需做硬件上的改动，硬件电路一般比较简单，可以设计得相当紧凑。由于参数的设定和调节可通过软件来实现，所以具有高度可重复性。

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早期的伺服单元全是模拟式，但在目前，国外大都采用数字一模拟混合或全数字式，而国内数字交流伺服尚处于探索阶段，还没有做到真正商品化。

目前，在中小功率范围内，高性能的交流伺服系统主要采用异步电机和永磁同步电机两种。一般来说，异步电机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用要求低的场合：而永磁同步电机则在精度要求高、容量较小的场合得到了广泛的应用。

永磁同步电机又分为两种：矩形波电流驱动的永磁电机，即无刷直流电机（ＢＬＤＣ）和正弦波电流驱动的永磁电机即永磁同步电机（ＰＭＳＭ）。其中，ＢＬＤＣ的功率密度高，系统成本较低，但低速转矩脉动大，高速时矩形波电流发生畸变，并引起转矩下降，所以一般用于低速、性能要求不高的场合：而ＰＭＳＭ的体积小，重量轻，效率高，冷却要求低，功率密度高，低速下可以满出力运行，过载能力强，响应速度快，从而在数控机床进给伺服、机器人驱动等高性能的运动控制领域获得了广泛的应用。另外，永磁同步电机所采用的永磁材料，目前已从铁氧体发展到具有高居里点的钐钻（ＳｍＣｏ）和高矫顽力、高磁能积、相对价格较低的钕铁硼（ＮｄＦｅＢ）等新型高磁能材料，使电机具有更好的性能价格比。１．２课题的背景、意义

“交流伺服系统”由于克服了直流电机控制系统难以维护和难以实现高速驱动等缺点，近年来发展很快。其突出优点是：电机制造成本低，结构简单，维护容易，可以实现高压大功率及高速驱动，适宜在恶劣条件下工作，系统成本将不断下降，并能获得和直流电机控制系统相媲美或更好的控制性能

欧美及日本在２０世纪８０年代初已经推出了一系列商品化的高性能全数字化交流电机控制系统和产品。

我国在８０年代末着手研究和引进交流伺服系统，但至今全数字式交流伺服系统的国产化步伐仍然缓慢，我国的交流伺服技术面临的形势异常严竣，研究开发国产的数字交流伺服系统已是迫在眉睫之事。

采用永磁同步电机的交流伺服系统是目前高性能伺服的发展方向。永磁同步电机是多变量、强耦合的非线性系统，转矩控制要困难得多，并且要求控制系统具有很强的实时性。因而控制系统的计算芯片应该具有较快的计算速度：同时，

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控制算法的复杂化也提出了这方面的要求。

目前，国内的永磁交流伺服系统主要采用单片机来实现，由于单片机的速度和功能有限，使得伺服系统的性能受到一定的限制。主要表现为：电流环和速度环的采样周期较长，降低了系统的调节频率，系统的动态性能下降；另外，由于单片机不能产生空间矢量ＰＷＭ信号，因此，采用单片机来实现目前流行的ＳＶＰＷＭ技术要困难得多。

数字信号处理器（ＤＳＰ）技术的发展为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持，为高性能伺服系统的实现奠定了基础。由于ＤＳＰ采用了多总线的哈佛结构、专用的硬件乘法器（一个周期内完成乘法和加法两种运算）、多级流水线操作和专用的ＤＳＰ指令等方法使其获得了高速并行处理能力，能够实时地完成复杂的控制算法，所以，ＤＳＰ已成为高性能处理器的首选器件。

为此，我们选用了ＤＳＰ控制器来实现交流伺服控制系统。由于ＤＳＰ具有极高的速度，这可以大大缩短电流环和速度环的采样周期，提高系统的调节频率，从而提高系统的动态性能；另外，ＤＳＰ具有丰富的硬件资源，如专门为逆变和电机控制设计的事件管理器，可以方便地产生高性能的ＳＶＰＷＭ信号，因此，控制系统的硬件结构将大大简化，并可大大提高系统的可靠性。

从最新的文献报道看，国外很多公司都己推出了基于ＤＳＰ的成型的全数字交流伺服产品，国内引进较多的是日本松下、安川的交流伺服系统。目前，国内的控制界也已掀起了利用ＤＳＰ来实现交流伺服系统的热潮，但还处于起步阶段。

现场总线技术的迅猛发展促进交流伺服技术向着数字化、网络化发展。由于在数字加工、机器人控制等方面需要多轴控制，因此在控制机（ＰＣ）和伺服驱动器之间的通讯越来越重要。现在通讯协议大多用ＲＳ２３２／４８５和现场总线如ＣＡＮ．ＢＵＳ、ＰＲＯＦＩＢＵＳ、ＬｏｎＷｏｒｋｓ等，由于受其本身速度和硬件限制，并不能完全满足要求。ＵＳＢ则具有高速性，而且ＰＣ机本身就带有ＵＳＢ接口，应用方便。

基于ＤＳＰ的永磁数字交流伺服系统，由于高性能的ＤＳＰ控制器为提高系统的性能奠定了坚实的基础，已成为当前的一大研究热点。我们根据山东省中青年科学家基金项目“采用ＵＳＢ总线的新型智能数字交流伺服系统关键技术研究与开发”等，选择这一方向作为研究课题。

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１．３本课题完成的主要工作

本文主要在永磁同步电动机伺服控制方面做了如下研究工作：

１．对永磁同步电机（ＰＭＳＭ）的数学模型、等效电路及矢量控制理沦进行了研

究。

２，对交流伺服控制系统的智能控制策略、伺服系统的通讯接口进行了研究。３．基于电机控制专用ＤＳＰ控制器－－ＴＭＳ３２０Ｆ２４３，本文研制开发了一套带有ＵＳＢ接口的全数字交流永磁伺服系统。

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２．永磁同步电动机的数学模型及其矢量控制

本章对永磁同步电动机的结构、种类进行了介绍，给出了其数学模型及等效电路。进一步，讨论了永磁同步电动机ｉａ＝０（磁场定向控制）和电压矢量控制原理和实现方法。

２．１永磁同步电动机的结构和种类

永磁同步电动机与普通同步机在定子结构上是一致的，由三相绕组及铁心构成，且电枢绕组通常为星型连接。在转子结构上，是用磁体取代普通同步机的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷。与普通电机相比，ＰＭＳＭ还必须装有转予位置检测器，用来检测转子磁极位置，从而对电枢电流进行控制达到控制ＰＭＳＭ的目的。为保证系统精度及运行质量，多采用旋转变压器或光电码盘作为ＰＭＳＭ的转子位置检测器，与ＰＭＳＭ转予同轴连接【”。

根据永磁体在转子上安装位置的不同，ＰＭＳＭ转子可分为三类：表面式、嵌入式和内埋式。前两种结构转子直径较小，从而降低了转动惯量，若将永磁体直接粘在转轴上还可获得低电感，有利于电机动态性能的改善，一般ＰＭＳＭ多采用这两种形式的转子结构。内埋式转子是将永磁体装于转子铁心内部，它的机械强度高，磁路气隙小，适于弱磁控制。

对于永磁同步电动机的控制，通常有两种方式。～种是针对电流控制的滞环控制，一种是采用电压控制。前者以前主要在模拟控制中予以采用，响应快速。后者的理论基础是空间矢量ＰＷＭ控制，提高了逆变器的电压输出能力，保持恒定的开关频率，适合数字控制。随着微处理器运算速度的提高和包括ＡｆＤ、Ｄ／Ａ等在内的片内集成电路的快速发展，二者都有了新的发展ｆ８１。

图２．１、图２—２给出了电流控制方式的示意图。

其中：

Ｉｆ。＝ｉ。ｃｏｓ（９０。＋０）＝一｛。ｓｉｎ０

｛屯＝一ｉ，ｓｉｎ（０—１２０。）

ｌｆ。＝一ｆ，ｓｉｎ（０＋１２０。）

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竺铲图２．１

（ａ）昔通滞环

图２．２电流控制方武原理图电流（ｂ）锯齿渡比较电流控制比较器类型

图２－３给出了电压控制方式的示意图。

匾２．３电压控制方式原理图

２．２永磁同步电动机的数学模型和等效电路

¨门二转子磁链矢量和转子磁极位置一致，永磁同步电动机经常采用的是ｄｑ转子坐标系或ａｂ静止坐标系。前者按照转子磁场定向，后者与定子磁场一致。图！一４给出了永磁同步电动机的矢量图［１２】。

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ｄ

Ｃ

图２—４ＰＭＳＭ矢量圈

我们作出如下假设：定子绕组Ｙ型连接；定予磁场呈正弦分布，不考虑谐波及饱和；忽略涡流和磁滞损耗；转子无阻尼绕组。则基于转子坐标系（ｄｑ轴系）的永磁同步电动机的电压、磁链和电磁转矩方程为㈣‘１９】：

ｖｄ＝Ｒ。ｉｄ＋ｐ掣ｄ一疗｛，。（２—１）

Ｖ口＝Ｒ。ｆ目＋ｐ甲日＋洲ｄ

掣ｄ＝Ｌｄｉｄ＋甲，（２—２）（２—３）

（２—４）掣ｑ＝Ｌｑｉ口

ｔ２１ ５”Ｐ（掣ｄ‘目一■７ｄ）（２—５）

＝１．５ｎｐ［甲，ｉｇ一（三日一上ｄ）ｉｄｉ４】

机械方程如下：

瓦＝一＋Ｂｗ，＋巾ｗ，（２－－６）

其中

Ⅶ、ｖ口为由轴定子电压；ｉｄ、ｉｇ为由轴定子电流；甲矿￥。为由轴定子磁链；幻，Ｌｑ为由轴定子电感：甲，为转子上的永磁体产生的磁势；Ｊ为转动惯量，Ｂ为摩擦系数：ｚ＝一，刃，为转子电角速度；Ｐ＝％ｔ为微分算子；坳为极对数。

如图２－４所示，电动机定子电流在ｄ轴和ｑ轴上的分量还可表示为式（２－７），７

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ｘ，３应的电磁转矩可以表示为式（２—８），这也是我们会经常用到的表示形式。

＼ｉｄ＝－－ｉ。ｓｉｎ８

１ｏ一，ｃｏｓｆｌ．

Ｔｅ＝１．Ｓｎ，（■ｔｃｏｓｆｌ＋÷（‘－Ｌｄ）ｉ，２ｓｉｎ２ｆ１）

其中厶为定子电流合成矢量；∥为矗超前ｑ轴的角度。＠一７）（２—８）

另外一种常用的坐标系是静止两相坐标系（Ｑ归系），对应的电压和转矩方程

ｌ弘叩阶心≯Ｒ，‰印㈦ｉ＋吼ｃｓｉｎｏｓ曰］，＋础印¨，ｊ…。ｉＩＩＶ，ｊｃｚ吲“”

（２—１０）

（２—１１）％。Ｊ（Ｖ。一Ｒ，‘）ａｔ％＝』（Ｖｐ一尺；ｉ口）ｄｒ

瓦２１．５ｎＰ（Ｋｉ口一甲口ｉｏ）（２—１２）其中：Ｖ。、Ｖｐ为够轴定子电压；屯、０为够轴定子电流；咒、甲。为够轴定子磁链：０为转子位置角。

ＬＤ。（Ｌ＋上ｇ）／２，Ｌ１２（Ｌｄ－－Ｌ。）／２；

Ｌ。＝Ｌｏ＋Ｌｌｃｏｓ２８，￡卢＝Ｌｏ—Ｌ】ｃｏｓ２０，Ｌ甜＝Ｌｌｓｉｎ２８。

对于表面式永磁同步电动机，凸极率（ｐ＝Ｌ。／Ｌｄ）Ｐ＝１，式（２—９）可以简

［：；］＝［Ｒ。乞ｐ￡５旯。０￡，］［乏］＋ｗｑ，，。［－∞ｓｉ。ｎ毋Ｏ］（２－－１３）其中，厶：上ｇ＝屯。。如坐标系、ｑ８坐标系及ａｂｃＡ。Ａ。ｉ＂系的变换关系如下：即ｉ＝ａ＆＇－ｄｑ…ｌｅ牡捌沪，。，

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，２Ｉｃｏｓ／９ｅｏｓ（ｅ一２ｒｃ／３）ｃｏｓ（ａ十２ｎ－／３）１

１“’由３｛ｓｉｎ０ｓｉｎ（口一２ｒｅ，３）ｓｉｎ（Ｏ＋２万，３）ｌ

，—１／２—１／２

Ｌｋ一卵２引０一压／２朽／２ｌ’２｛１ｌ

ｒｃｎｓｆ９ｓｉｎ臼１

％一由２Ｉ“ｎ臼ｃ砌１。

以上变换以电流为例，电压、磁链等同理。

事实上，由轴线圈的漏感相差不大，近似相等。因此，电感参数可以由下式表示：

Ｌｄ＝Ｌ。。＋Ｌ。ｄ（２—１５）Ｌｑ＝Ｌ。。＋Ｌ。。（２—１６）其中，Ｌ。。为由轴线圈的漏感，Ｌｍｄ和￡ｗ分别为嘶轴线圈的自感。

假设驴为等效励磁电流（扩＝甲ｆ／Ｌ。。），则永磁同步电动机的电压方程如下式且其等效电路如图２－－５所示：

ｖｄ＝Ｒ，ｆｄ＋ｐ（Ｌｄｉｄ＋上。ｄｉ，）一乩ｇｉｑ（２—１７）ｖｑ＝Ｒ；ｆ目＋皿ｇｉｇ＋础ｄｉｄ＋越。ｄｉ，（２—１８）

毗ｔ？４咄Ｊｏ＋砭．．＿ｏｒ

（ａ）ｄ轴（ｂ）ｑ轴

图２．５永磁同步电动机ｄｑ轴电压等效电路

图２－－６给出了常用的采用幻＝Ｏ的矢量控制时，以电压ｖ宁为输入，转子速度为输出的交流永磁同步电动机系统框图。

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图２．６永磁同步电动机系统框图

以此为基础构成的速度、电流双闭环系统永磁同步电动机｛岗速系统如图２—７所示：

图２．７永磁同步电动机驱动系统框图

２．３永磁同步电动机的矢量控制

２．３．１ＰＭＳＭ的磁场定向控制（Ｆ．Ｏ．Ｃ）

由式（２—５）可以得到：

Ｌ＝Ｉ，５ｎｐ［甲，ｉｑ一（Ｐ一１）Ｌｄｉａｉ。］

其中：（２—１９）

凸极率Ｐ＝Ｌ。／厶

永磁转距ｎ，为：

Ｌ，２１．５＂，■ｉｑ

磁｜ｉ｜：ｌ转距Ｔ，为：（２—２０）■＝一１．５ｎｐ（Ｐ—Ｉ）Ｌ，ｊ．，ｆｑ（２—２１）