全数字交流伺服电机自适应算法研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 5.1MB 87 页 15积分
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摘 要
随着电力电子技术以及先进控制理论的应用，永磁同步电机（PMSM）以其结
构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点在工业领域得到广泛应用，对
于PMSM 伺服控制系统的理论和研究成果不断涌现。近年来，继 DSP 之后，随着
对调速系统控制周期要求的不断提高，基于 FPGA 的伺服控制系统设计得到广泛
关注。目前大多数调速系统中，最常用的方法是在转子轴上安装光电编码器，作
为位置传感器，增加了系统的成本，并降低了系统的可靠性和耐用性。因此，在
一些特殊及控制精度要求不高的场合，无速度传感器控制技术得到广泛应用。
本文主要围绕无速度传感器技术在 FPGA 上的硬件化编程设计进行研究。首
先，文章的开始对 PMSM 进行数学模型，并在此基础上，讲述了直接转矩控制技
术的理论基础，以及对基于查找表和空间矢量调制的两种直接转矩控制实现方式
进行了详细分析。然后，提出了基于直接转矩控制技术的无位置传感器自适应控
制算法，并分别对模型参考自适应控制和滑模自适应控制策略进行了阐述。依据
自适应控制原理，在 Xilinx 公司的开发软件 System Generator 下对这两种无速度传
感器控制技术进行硬件化编程设计，并通过仿真验证算法的正确性和可靠性。最
后，本文给出了模拟部分的电路设计和相关器件的选用。
关键词：永磁同步电机，直接转矩控制，模型参考自适应，FPGA
ABSTRACT
With the rapid development of the power electronics and the application of
advanced control theories, Permanent magnet synchronous motor (PMSM) is an
attractive candidates for industry because of its sample structure and high efficiency,
with more and more new theoretical and application achievements on the PMSM servo
control system continuously appearing. In the recent years, with the improving
requirements of the system sample time, the servo control system based on FPGA has
been widely used following it based on DSP. At present, photoelectric encoder, as a
position sensor, install on the rotor, increasing the cost of the system and reducing the
system reliability. Therefore, speed sensorless control for PMSM will be widely used in
some special or low precision situation.
Speed sensorless control based on FPGA , used the hardware model of Xilinx
Blockset, was mainly proposed in this paper. At the first, the theory of direct torque
control technology based on the lookup table and space vector modulation for PMSM,
was introduced. Then, the speed sensorless control arose with the model reference
adaptive control and sliding mode adaptive control. According to the theory of speed
sensorless control, the hardware programming design is built in the system generator
and verified the algortithm by simulation. Finally, the analog part of the PCB board and
the devivces was introduced.
Key Words: Permanent Magnet Synchronous Motor, Direct Torque
Control, Model Reference Adaptive, FPGA
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题的背景和意义 ............................................................................................1
§1.1.1 永磁同步电机的结构和特点 ..................................................................1
§1.1.2 永磁同步电机的发展和研究历程 ..........................................................2
§1.2 永磁同步电机的控制策略 ................................................................................2
§1.2.1 永磁同步电机变压变频控制 ..................................................................3
§1.2.2 永磁同步电机矢量控制 ..........................................................................3
§1.2.3 永磁同步电机直接转矩控制 ..................................................................4
§1.3 永磁同步电机转矩直接控制的国内外研究现状 ............................................5
§1.3.1 低速转矩脉动的抑制 ..............................................................................5
§1.3.2 磁链观测的改进 ......................................................................................5
§1.3.3 无位置传感器技术的研究 ......................................................................7
§1.3.4 模型参考自适应方法 ..............................................................................7
§1.3.5 滑模变结构法 ..........................................................................................8
§1.4 小节 ....................................................................................................................8
第二章 永磁同步电机数学模型分析 .............................................................................9
§2.1 坐标变换 ...........................................................................................................9
§2.1.1 坐标系与 坐标系之间的变换 ......................................10
§2.1.2 坐标系与 坐标系之间的变换 .............................................11
§2.1.3 坐标系与 坐标系之间的变换 ...................................... 11
§2.1.4 坐标系与 坐标系之间的变换 ............................................. 12
§2.2 永磁同步电机的数学模型 .............................................................................12
§2.2.1 永磁同步电机在三相定子坐标系中模型 ............................................12
§2.2.2 永磁同步电机在 坐标系中的模型 ............................................. 14
§2.2.3 永磁同步电机在 坐标系中的模型 ..............................................14
§2.2.4 永磁同步电机在 坐标系中的模型 .............................................. 15
§2.3 本章小结 .........................................................................................................16
第三章 永磁同步电机直接转矩控制原理分析 .........................................................17
§3.1 永磁同步电机直接转矩控制的基本原理 ......................................................17
§3.1.1 引言 ........................................................................................................17
§3.1.2 永磁同步电机直接转矩控制的基本原理 ............................................17
§3.2 基于查找表的直接转矩控制原理 ..................................................................19
§3.2.1 空间电压矢量 ........................................................................................19
§3.2.2 转矩调节信号 和磁链调节信号 ....................................................... 22
§3.2.3 转矩计算和磁链区段的划分 ................................................................23
§3.2.4 开关表 ....................................................................................................25
§3.2.5 基于查找表的永磁同步电机直接转矩控制系统框图 ........................26
§3.3 基于空间矢量调制的直接转矩控制基本原理 ..............................................26
§3.3.1 空间矢量调制技术 ................................................................................27
§3.3.2 参考电压矢量所在扇区 N的判断 .......................................................29
§3.3.3 相邻两电压空间矢量的作用时间的计算 ............................................30
§3.3.4 计算 三相相应的开关时间 ...............32
§3.2.5 基于空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制系统框图 ............34
§3.4 小节 ..................................................................................................................34
第四章 模型参考自适应控制算法 .............................................................................36
§4.1 模型参考自适应控制的基本原理 ..................................................................36
§4.2 模型参考自适应方法 ......................................................................................37
§4.2.1 电流模型 ................................................................................................37
§4.2.2 磁链模型，电阻估计——交互式 ........................................................40
§4.3 基于查找表的直接转矩控制算法建模 ..........................................................43
§4.3.1 定子磁链模型 ........................................................................................43
§4.2.2 转矩估计模型 ........................................................................................44
§4.2.3 磁链幅值及定子位置估计模型 ............................................................44
§4.2.4 转矩调节信号及磁链调节信号实现模型 ............................................46
§4.2.5 转矩给定模型 ........................................................................................46
§4.2.6 区段判断实现模型 ................................................................................48
§4.2.7 查找表实现模型 ....................................................................................48
§4.4 电流模型参考自适应方法建模仿真 ..............................................................49
§4.4.1 并联可调模型的建模 ............................................................................49
§4.4.2 自适应律模型的建模 ............................................................................50
§4.4.3 电流模型的自适应建模仿真 ................................................................50
§4.5 交互式模型参考自适应方法建模仿真 ..........................................................52
§4.5.1 参考模型的建模 ....................................................................................52
§4.5.2 可调模型的建模 ....................................................................................52
§4.5.3 自适应模型的建模 ................................................................................52
§4.5.4 交互式模型参考自适应仿真 ................................................................53
第五章 滑模变结构自适应方法 .................................................................................56
§5.1 滑模变结构自适应控制的基本原理 ..............................................................56
§5.1.1 滑模变结构控制律 ................................................................................56
§5.1.2 基于瞬时功角检测的速度估算 ............................................................59
§5.2 滑模变结构自适应控制建模 ..........................................................................61
§5.2.1 求解反电动势算法建模 ........................................................................61
§5.2.2 F 矩阵建模 ......................................................................................... 61
§5.2.3 D 逆矩阵建模 .....................................................................................62
§5.2.4 滑模面建模 .........................................................................................62
§5.3 空间矢量调制建模 ..........................................................................................63
§5.3.1 判断扇区 N的算法建模 .......................................................................63
§5.3.2 相邻两电压空间矢量作用时间建模 ....................................................63
§5.3.3 各相作用时间建模 ................................................................................64
§5.4 仿真结果 ..........................................................................................................65
第六章 系统硬件设计 .................................................................................................67
§6.1 系统总体设计介绍 ..........................................................................................67
§6.2 FPGA 外围电路 .............................................................................................. 67
§6.2.1 编码器接口电路 ....................................................................................67
§6.2.2 电流检测电路 ........................................................................................69
§6.2.3 PWM 驱动电路 ..................................................................................... 70
§6.3 控制算法的硬件化实现 ..................................................................................70
§6.3.1 速度计算 ................................................................................................70
§6.3.2 电流计算 ................................................................................................72
§6.3.3 软硬件协同仿真 ...................................................................................76
第七章 总结 .................................................................................................................78
参考文献 .........................................................................................................................80
研究成果 .........................................................................................................................83
致谢 .................................................................................................................................84
第一章 绪论
1
第一章 绪论
近年来，随着电力电子技术、微电子技术、稀土永磁材料的迅速发展，及永
磁电机设计研发经验的成熟，永磁同步电机以其结构简单、体积小、调速范围宽、
低损耗、效率高等优点，在数控机床、工业机器人以及航空航天等国防、工农业
和日常生活中得到广泛应用。而伴随着永磁同步电机广泛的推广应用，使得在分
析和解决永磁同步电机调速和传动控制问题上的研究得到了广泛关注。
本章节主要介绍了永磁同步电机的结构特点以及其发展和研究历程，并对目
前常用的永磁同步电机控制策略的发展情况进行介绍和分析。此外，还重点介绍
了基于直接转矩控制策略的改进方案及其研究成果。
§1.1 课题的背景和意义
§1.1.1 永磁同步电机的结构和特点
永磁同步电机(PMSM ，Permanent Magnet Synchronous Motor)和异步电机一
样也是通过磁场来完成机电能量转化的，由绕线式同步电机发展而来。它采用永
磁体代替了电励磁绕组，由其来产生进行机电转换所需要的气隙磁场，从而省去
了励磁线圈、滑环和电刷，但保留了与绕线式同步电机基本相同的定子结构。永
磁同步电机由定子和转子两部分构成，其中定子主要包括电枢铁心和三相（或多
相）对称电枢绕组，且这些绕组嵌在铁心的槽中；而转子主要由永磁体、导磁轭
和转轴构成。
根据永磁同步电机具体结构、驱动电流波形和控制方式的不同，永磁同步电
机具有两种驱动模式：一种是方波电流驱动的永磁同步电机；另一种是正弦波电
流驱动的永磁同步电机。前者又被称为无刷直流电机，后者被称为永磁同步交流
伺服电机（简称为永磁同步电机）。根据电枢绕组结构型式的不同，又可以把永磁
同步电机分为整数槽绕组结构和分数槽绕组结构两种。根据转子上永磁体安装位
置的不同，可以把永磁同步电机分为表面永磁体同步电机、外嵌永磁体同步电机
和内嵌永磁体同步电机三种[1]。
与传统的异步电机相比，永磁同步电机在性能上具有以下优点[2]：
1） 节能效果明显。永磁同步电机转子是永磁体，而非电励磁绕组，因而没有励磁
损耗；且转子中无绕组，相应的也就没有转子铜耗；再者由于定转子同步旋转，
转子铁心中也没有铁耗。所以，与具有电励磁绕组的异步电机或者同步电机相
比，永磁同步电机的效率明显有较大提高。
全数字交流伺服电机自适应算法研究
2
2） 对由负载变化而引起的电机转矩的扰动，永磁同步电机具有较强的承受力，源
于其较硬的机械特性。
3） 由于转子是永磁体，而不是笼型结构，永磁同步电机具有较低的转动惯性，即
转矩惯性比较高。
4） 永磁同步电机的转速与电源频率，两者之间始终保持着准确的同步关系，这使
得通过控制电源频率就能达到控制电机转速的目的，控制系统比异步电机简单
容易。
§1.1.2 永磁同步电机的发展和研究历程
在电机产生之初，人们就考虑到由电磁作用来产生的电机旋转磁场，会带来
材料消耗大、功耗高、效率低等问题，并曾一度想要采用由永磁体产生的磁场代
替电磁磁场，但由于当时所能采用的永磁材料都是天然产生的，其磁场性能较低，
无法满足电机设计的要求。但随着科学技术的不断发展，人工合成的第一种永磁
材料，即铝镍钻合金，于上世纪 30 年代在美国贝尔实验室首次问世。该永磁材料
很好的满足了电机设计的要求，于是一台实用的永磁电机就此产生了。随后，铁
氧体永磁材料、稀土永磁材料和铵铁硼稀土永磁材料等高性能永磁材料不断的被
合成出来，使得永磁同步电机在设计性能上取得了巨大的发展。
近年来，随着高性能永磁材料技术、电力电子技术、微电子技术的飞速发展
以及矢量控制理论、自动控制理论的不断深入研究，永磁同步电机伺服控制系统
得到了迅速的发展。永磁同步电机结构简单、运行可靠，具有优越的调速性能，
并克服了直流伺服电动机的机械式换向器及电刷带来的一系列限制；而且其体积
小、重量轻、效率高、功率因数高、转动惯量小、过载能力强；与感应电机相比，
控制简单、不存在励磁损耗等问题，因而在高性能、高精度的伺服驱动控制等领
域具有广泛的应用前景[3]。
通常在永磁同步电机调速系统中，都是采用光电编码器或者旋转变压器等位
置传感器来检测转子的位置和速度，并作为系统控制的反馈环节。但这些传感器
装置安装在转子轴上，使得电缆连接和在电机维护方面存在众多问题，同时降低
了系统的可靠性。另外，这些传感器装置在恶劣环境下的工作应用存在很大的限
制。为此，在一些控制要求精度不高的情况下，基于无机械位置或者速度传感器
装置的永磁同步电机调速系统的设计研究成为主要课题。
§1.2 永磁同步电机的控制策略
从20 世纪 80 年代开始到现在，随着交流电动机调速系统的不断发展完善，
第一章 绪论
3
转矩扰动问题得到了很好的解决，使得交流电动机在农业、工业以及国防等领域
中获得了广泛的推广应用。目前，交流电动机电磁转矩高性能控制策略主要有三
种：变压变频控制、矢量控制和直接转矩控制。这三种控制策略同样也适用于永
磁同步电机控制系统。
§1.2.1 永磁同步电机变压变频控制
变压变频控制策略，即控制输入给电机的驱动电压和频率。该类控制系统从
实现变压变频的调节器中得到的所需的参考电压及其频率，再通过逆变器来产生
所需施加在电机定子绕组上的交变正弦电压，使得电机在指定的电压和参考频率
下运行。控制逆变器所采用的调节方式为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,
PWM）。
在采用变压变频控制方式来设计电机调速系统时，无需从电机端检测任何诸
如位置、速度或电流、电压等反馈信号。该类控制方式采用的是开环控制策略，
其最大特点是易于实现、价格低廉。也正是由于该类系统在设计中不需要引入速
度、位置或其它任何反馈信号，不能获得电机的实时工作状态，无法实现精确控
制，因而得不出最佳的电磁转矩。同时由于仅使用一个调节器对输入电压和磁链
进行调制，容易导致输入电压、频率信号与电机最终的转矩、转速响应之间通讯
速度降低，使电机的响应延迟。采用该类控制策略的驱动系统，一般来说适用于
风机、水泵之类负载型，且对动态响应性能要求不高、无需高精度控制的场合以
及需要超高速调速的电机控制类型[4]。
§1.2.2 永磁同步电机矢量控制
在高性能永磁同步电机调速系统中，矢量控制已成为主要采用的控制方法之
一。该策略的控制思想是于 1972 年由德国西门子公司的 Blaschke 等人提出的，它
首先被应用于感应电动机中，但又很快地就被移植到了同步电机上。
永磁同步电机矢量控制技术的基本思想是通过模拟直流电机的控制方式，即
模仿其磁场定向过程，来实现电机的调速控制。在该类控制系统中，永磁同步电
机的电磁转矩量的大小，与转子上永磁体所产生的磁链及流过定子绕组的电流成
正比。正是由于这种关系的存在，那么只要能够控制由永磁体所产生的磁链以及
通入定子绕组电流的大小，就可以达到控制电机电磁转矩的目的。然而电机速度
是由电机输出的转矩而决定的，所以这样也就到达了对电机转速的控制。矢量控
制系统需要知道永磁同步电机内部转子磁链矢量所在的实时空间角位置，然后使
用调制器合成一个电压空间矢量，来产生系统需要的磁链矢量。
在矢量控制系统中，通过安装在电机转子上的位置传感器或者光电编码器等
装置得到永磁同步电机转子所在的空间位置，由矢量控制器来产生电压、电流及
全数字交流伺服电机自适应算法研究
4
频率等各种所需的控制变量，再通过逆变器反馈到电机中，该过程中不是直接对
电磁转矩进行控制，而是通过控制电流间接实现的。矢量控制从理论上解决了对
交流电动机实现转矩的高性能控制问题，具有良好的转矩响应，并能达到高精度
的速度控制，在零速时可实现全负载，具有类似于直流电机的工作特性。但是为
了实现高性能的转矩和速度控制，需要知道电机内部转子磁链所在的空间位置，
这就要在电机转子上安装高精度的位置传感器或者光电编码器等装置，导致系统
硬件成本提高。同时，电机的坐标变换使得原本简单的交流结构变的复杂化。然
而，实际上转子磁链难以准确观测，受电机参数的影响较大，而电机参数在电机
长时间运行后会有很大波动，此外在模拟直流电动机控制过程中，由于使用矢量
旋转坐标变换的解耦运算较为复杂，使电机的实际控制效果难以达到理论分析的
结果[5]。
§1.2.3 永磁同步电机直接转矩控制
直接转矩控制是继矢量控制之后发展起来的又一高性能的交流电机控制策
略。从 1985 年德国的 Depenbrock 和1986 年日本的 TaKahashi 分别提出直接转矩
控制理论以来，在异步电动机调速系统中直接转矩控制技术得到广泛应用。与矢
量控制技术不同，自矢量控制技术提出并推广应用之后，很快就移植到永磁同步
电机控制系统中；而直接转矩控制自问世之后，却没有很快在永磁同步电机控制
系统中得到推广应用。直到 1996 年由英国的 French C 和Acamley P 发表了关于永
磁同步电机直接转矩控制的论文，1997 年由胡育文教授和汤立新博士提出永磁同
步电机直接转矩控制方案，直接转矩控制才开始在永磁同步电机控制系统中得到
应用[6]。
直接转矩控制的基本控制思路是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，
直接在定子磁链坐标系下分析电机的数学模型，并通过估算电机的磁链和转矩，
再与给定磁链和转矩作比较，最终实现对电机磁链及转矩输出的控制。从控制转
矩的角度出发，该方法强调的是对转矩的直接控制效果。通过采用离散的双位式
调节器（Band-Band 控制），实现估算转矩与定值转矩之间的比较，目的是将转矩
限制在一定范围内，在给定转矩附近波动，对于容差的大小是通过设置调节器的
上下限来控制的。采用直接转矩控制算法所产生的 PWM 脉宽调制信号，是对逆变
器的开关状态直接进行控制，从而获得高动态性能的转矩输出。其控制效果不依
赖于电机的数学模型，而是取决于转矩的实际状况。它在很大程度上解决了矢量
控制中存在的计算控制算法的复杂性、且易受电机参数变化的影响、实际性能难
以达到理论分析结果的一些重大问题。直接转矩控制技术一诞生，就以一种新颖
的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的静、动态性能得到学者们普遍的关注
摘要：

摘要随着电力电子技术以及先进控制理论的应用，永磁同步电机（PMSM）以其结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点在工业领域得到广泛应用，对于PMSM伺服控制系统的理论和研究成果不断涌现。近年来，继DSP之后，随着对调速系统控制周期要求的不断提高，基于FPGA的伺服控制系统设计得到广泛关注。目前大多数调速系统中，最常用的方法是在转子轴上安装光电编码器，作为位置传感器，增加了系统的成本，并降低了系统的可靠性和耐用性。因此，在一些特殊及控制精度要求不高的场合，无速度传感器控制技术得到广泛应用。本文主要围绕无速度传感器技术在FPGA上的硬件化编程设计进行研究。首先，文章的开始对PMSM进行数学模...

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