伺服系统驱动器设计及控制算法研究

II
北京理工大学硕士学位论文
目录
第 1 章 绪论 .................................................. 1
1.1 本论文研究的目的和意义 .......................................... 1 1.2 伺服系统驱动与控制技术发展概况 .................................. 1 1.2.1 电机的发展 ............................................... 1 1.2.2 伺服电机驱动器的发展 ..................................... 2 1.2.3 电机控制策略的发展 ....................................... 3 1.3 伺服系统低速研究现状 ............................................ 4 1.3.1 影响伺服系统低速性能的因素分析 ........................... 4 1.3.2 伺服系统摩擦补偿方法的研究 ............................... 5 1.4 论文研究内容和章节安排 .......................................... 7
伺 服 系 统 驱 动 器 设 计 及 控 制 算 法 研 究
北 京 理 工 大 学
研究成果声明
本人郑重声明： 所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行 的研究工作获得的研究成果。 尽我所知， 文中除特别标注和致谢的地方外， 学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工 作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 特此申明。 签 名： 日期：
伺服系统驱动器设计及控制算法研究
柴临园
2016 年 01 月
中图分类号：TP273 UDC 分类号：621.3
伺服系统驱动器设计及控制算法研究
作 者 姓 名 学 院 名 称 指 导 教 师 答辩委员会主席 申 请 学 位 学 科 专 业 学位授予单位 论文答辩日期
柴临园 自动化学院 姚分喜副教授 任雪梅教授 工学硕士 控制科学与工程 北京理工大学 2016 年 01 月
签
名：
日Fra Baidu bibliotek： 日期：
导师签名：
北京理工大学硕士学位论文
摘要
电机制造工艺、电力电子技术与现代控制理论的发展，使得以永磁同步电机 （PMSM） 为执行机构的伺服系统得到了广泛应用。 提高 PMSM 在低速控制领域的应 用对于国防、民用均有很大的意义。伺服系统在低速下的稳定性能是影响伺服系统应 用的关键因素之一。针对此问题，本文先介绍了伺服系统相关技术的发展以及低速研 究的概况，分析了永磁同步电机的结构和控制原理，并结合坐标系的变换推导出永磁 同步电机在各个坐标系下的数学模型，然后设计出硬件电路并在此基础上进行控制算 法研究。 伺服系统驱动器硬件以森创公司的 60CB020C 款电机为被控对象，设计了以 TI 公司的 TMS320F28335 为核心的控制板和以国际整流器公司的 IRAMS06UP60B 为核 心的功率板。采用 CCS3.3 作为开发环境设计驱动器软件控制部分，编写了以主程序、 矢量控制中断服务程序、保护中断程序以及 eQEP 中断服务程序为主要内容的磁场定 向控制程序。并对搭建的硬件平台分模块、有步骤地进行测试。 针对伺服系统测量方式和 PWM 控制方式中存在的问题进行了分析。首先，硬件 测量方法方面， 针对低速运行过程以及低速到中高速的切换过程， 采用了 M/T 法混合 测速法；其次，研究了空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）控制中存在的死区问题， 并对死区进行了补偿。实验结果表明系统的稳态误差有一定程度的减少。 对于永磁同步电机低速运行时存在的摩擦扰动和负载扰动问题，首先分析了摩擦 的影响以及摩擦模型的选择；其次，分别设计了摩擦观测器和负载观测器，并提出了 一种带摩擦观测器和负载扰动观测器的滑模控制方法。仿真和实验结果表明该方法对 摩擦和负载进行了有效地补偿，提高了系统的跟踪精度和抗干扰能力。
Linyuan Chai School of Automation A.P. Fenxi Yao Prof. Xuemei Ren Master of Engineering Control Science and Engineering Beijing Institute of Technology January, 2016
The Driver Design and Control Algorithm Research of PMSM Servo System
Candidate Name: School or Department: Faculty Mentor: Chair, Thesis Committee: Degree Applied: Major: Degree by: The Date of Defence:
关键词：永磁同步电机；矢量控制；低速性能；摩擦；滑模控制
I
北京理工大学硕士学位论文
Abstract
Along with the development of motors’ manufacturing process, power electronic technology and modern control theory, servo system using PMSM as actuator has been applied widely. The stability of servo system at low speed is one of the key factors influencing the application of servo system. This paper revolves around this problem. Firstly, the development of the related technology of servo system and the general situation of the research in low-speed field is introduced. Then, the structure and operating principles of PMSM is analyzed. Furthermore, the mathematical models of PMSM in various coordinates are deduced combined of coordinate transformation. Finally, the servo system is designed and realized to study the control algorithm. Syntron’s 60CB020C motor is chosen as the controlled object, and the controller module is designed based on TI’s TMS320F28335, while the power module is designed based on IR’s IRAMS06UP60B. The software of the rotor flux field-oriented vector control (FOC) contains main module, FOC interrupt service module, protection interrupt module and eQEP interrupt module. Two shortcomings of the hardware design and control algorithm are improved. In order to improve the low speed performance, the paper proposes two strategies. In the method of speed measurement, an M/T mixed method is designed to adjust the error in the switch of low speed and mid-high speed. The dead-time problem in the SVPWM control is researched and a compensation strategy is proposed. The result of the experiment shows that the steady-state error is reduced effectively. The disturbance of friction and load torque always exists in the servo system, especially in the low speed system. Friction’s effect and model is introduced in this paper, and a sliding mode control algorithm with both friction observer and load disturbance observer is proposed to eliminate the effect of the nonlinear disturbance. The simulation and experimental results show that this method can compensate the torque and improve the tracking precision and the performance of anti-jamming of the low-speed servo system effectively. Key Words: PMSM; vector control; low speed performance; friction; sliding mode control
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第 2 章 伺服系统结构及控制原理 ................................ 9
2.1 永磁同步电机的结构和工作原理 .................................... 9 2.2 永磁同步电机数学模型 ........................................... 11 2.2.1 空间坐标系定义及变换 .................................... 11 2.2.2 永磁同步电机数学模型 .................................... 13 2.2.2 永磁同步电机机械运动方程 ................................ 16 2.3 SVPWM 控制技术 ................................................. 16 2.4 本章小结 ....................................................... 18