交流伺服电机的速度控制

1 伺服控制报告 永磁交流同步伺服电机的速度控制 机自73组员： 张乐 07011061 张强 07011061 李祚 07011061 刘晓宇 07011061 陈建伟 07011061 1 目录 永磁交流同步伺服电机的速度控制 . 1 1 伺服系统简介 . 1 2 绪论. 1 3 总体方案设计 . 1 3.1 控制单元 . 2 3.2 位置反馈装置 . 2 3.3 功率驱动单元 . 2 4 系统硬件设计 . 2 4.1 控制模块 . 2 4.2 驱动模块 . 3 5 系统软件设计 . 4 5.1 定时器中断服务程序 . 5 5.2 转子位置及速度计算程序 . 6 5.3 AD 转换及数据处理程序 7 5.4 驱动故障保护程序 . 8 6 系统数学模型及仿真 . 9 7 系统控制策略的选择 . 11 7.1 电流内环 P 调节器的分析与设计 . 11 7.2 电流环内各环节数学模型的建立 . 12 7.3 速度外环传统 PI 调节器的分析与设计 . 14 8 基于 LabWindows/CVI 的系统控制软件设计 17 8.1 关于 LabWindows/CVI 17 8.2 控制软件设计 . 18 8.3 发送任务 . 18 8.4 接收任务 . 19 8.5 用户交互任务 . 20 8.6 事件及其处理方法 . 20 9 设计小结 . 22 1 永磁交流同步伺服电机的速度控制 1 伺服系统简介 伺服控制用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统,又称随动系统。 在很多情况下， 伺服系统专指被控制量 （系统的输出量） 是机械位移或位移速度、 加速度的反馈控制系统， 其作用是使输出的机械位移 （或转角）准确地跟踪输入 的位移（或转角） 2 绪论 伺服电机属于一类控制电机， 分为直流伺服电机和交流伺服电机两种。 由于 交流伺服电机具有体积小、 重量轻、大转矩输出、低惯量和良好的控制性能等优 点，故被广泛地应用于自动控制系统和自动检 测系统中作为执行元件， 将控制电信号转换为转轴的机械转动。 由于伺服电 机定位精度相当高， 现代位置控制系统已越来越多地采用以交流伺服电机为主要 部件的位置控制系统，本文介绍永磁交流同步伺服电机的速度控制 3 总体方案设计 交流伺服系统一般包括上图所示几个部分：功率驱动单元、位置控制器、速度控 制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元及电流反馈单元等。由于本文主要进行 速度控制，因此将上图简化后得到本次设计结构如下： 速度 控制 功率 驱动 电机及 负载 码盘 位置反馈 S 2 3.1 控制单元 控制单元是整个交流伺服系统的核心， 包含着系统位置控制器、 速度控制器、 转矩和电流控制器。数字信号处理器(DSP)已被广泛应用于交流伺服系统，世界 各大芯片公司也推出了面向电机控制的专用DSP芯片。 3.2 位置反馈装置 位置反馈装置是交流伺服系统的重要组成部件， 选择的是否合理直接关系到 系统的静态及动态特性。目前常用的位置传感器主要有高分辨率的旋转变压器、 光电编码器、磁性编码器等元件。 3.3 功率驱动单元 功率驱动单元采用全桥不控整流， 三相电压型逆变器变频的Ac。 DC—AC结构。 逆变部分采用集成驱动电路、 保护电路积功率开关于一体的智能功率模块(IPM)， 开关频率可达20KHz。 实际工作时通过计算机上的控制元件向伺服系统发出指令， 伺服系统控制伺 服电机运动， 通过安装在转轴上的光电编码器测得电机的转动信息。 当电机转动 时，光电编码器随着转动，能够产生a 、b 两路脉冲信号，这两路信号相差90°相 位角， 由此可测出光电编码器转动方向与电机转速。 如果a 相脉冲比b 相脉冲超前 则电机正转，反之则电机反转。通过对这两路正交信号在一定时间内的计数，可 以计算出电机当前的转速。然后对预定值与测量值进行比较，将差值通过D ／A 转换器转换成电压信号输出给驱动器，从而实现对伺服电机的闭环控制。 4 系统硬件设计 系统硬件原理框图如图1 所示。 永磁同步电机伺服系统硬件平台主要由控制模块与驱动模块构成， 主要完成 以下功能： 4.1 控制模块 3 控制模块主要完成控制算法的实现。 控制模块通过AD转换和编码器电路获取 伺服系统的运行情况， 再根据给定和算法来计算出控制输出， 并完成输出。 此外， 当系统出现故障时， 控制模块要及时停止输出。 在本平台中控制模块还需要完成 系统运行数据的采集以及与上位机和数据采集模块的通讯工作。 4.2 驱动模块 驱动模块完成对永磁同步电机的驱动工作以及永磁同步电机伺服系统运行 信息的收集工作等。其主要功能如下： 1 、电机运行信息的收集 对于永磁同步电机伺服系统，系统所必须获取的系统信息为：三相电流、转 子位置、转子转速、控制目标位置等。其中，三相电流是永磁同步电机高性能控 制的必须数据。而转子转速通常是通过转子位置的差分获得。如果系统要完成位 置伺服控制，那么系统必须获取控制目标位置数据。一般情况下，控制电路与驱 动电路的模拟信号或者脉冲信号在电压标准方面存在差异。为此驱动电路部分需 要使用通过运算放大器或者光耦构建电路来完成信号变换。 2 、驱动电机与保护系统 驱动电路最重要的工作是根据控制电路的控制信号完成对永磁同步电机的 直接驱动。为防止驱动部分的干扰影响控制电路的稳定性。一般驱动电路的供电 与控制电路的供电是互相独立的。因此，电路之间需要使用高速光耦来完成信号 的隔离与准确传输。 此外， 在研究实验过程中， 一般无法保证算法不会出现问题。 因此， 研究用平台的驱动电路要求具有相较应用性平台更完善的保护功能。 所以， 我们需要设 计硬件电路来完成： 母线电压异常保护、 电流过流保护、 系统过温保护、 IPM 上下桥短路保护等功能。 伺服系统硬件电路设计： 出于设计的方便，使用了一些现成的模块。大致分为：伺服永磁同步电机、 驱动模块、控制模块、数据采集模块。 永磁同步伺服电机： 本设计采用伺服永磁同步电机主要参数 额定输出功率200W 额定转速3000rpm 最高转速3600rpm 额定转矩0 ．637N．m 峰值力矩( 瞬间) 1．911Ⅳ．朋 电枢线间绕组电阻12．4 Q 电枢线问绕组电感31．9mH 额定线电流( 有效值) 1．3A 额定线电压( 有效值) 119．8V 峰值电流( 有效值) 3．9A 速度位置传感器光学编码器(2500ppr) 本设计中驱动模块使用高压功率驱动板。它是集IPM、开关电源、高速光耦、 保护电路、吸收电路、外围接口、散热器于一体，采用国际标准工艺定制的全功 能逆变驱动器。具有以下特点： 1 、输入80“--260V AC／DC电源，最大峰值电流15A，输出功率为2KW左右， 4 更换 驱动模块最大可到5KW。 2 、采用IPM模块，具有过流，过热，欠压，过压，输出电流检测等完整的保 护 措施，PWM频率最高可达20K。 3 、内置60W大功率反激式开关电源，具有强劲的电流输出能力，使系统更趋 安 全。8 路隔离输出，基本满足所有客户的电源要求。 4 、高速光耦使用安捷伦高速光耦HCPL4504作电气隔离，隔离强度为15KV／ uS， 彻底保证弱电