永磁同步电机伺服控制系统设计——位置反馈及逻辑控制(共53页)

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1、精选优质文档-倾情为你奉上河北联合大学轻工学院QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY毕业设计说明书设计题目：永磁同步电机伺服控制系统设计位置反馈及逻辑控制研究学生姓名：杨洋 学 号：5专业班级：08测控1班 学 部：信息科学与技术部指导教师：田晴 讲师 2012年5月23日专心-专注-专业摘 要随着电力电子、电机制造技术的飞速发展，交流调速理论以及新型智能控制理论研究的不断深入，永磁同步电机因具有体积小、重量轻、运行可靠、能量转换效率高、调速范围宽、动静态特性好等优点而被广泛应用于机电一体化、机器人、航空航天等高科技伺服领域中。因此，研究基于永磁同步

2、电机的伺服系统具有重要的现实意义1。本文首先对伺服控制系统的发展概述做了简要的介绍，明确了永磁同步电动机伺服控制系统的研究背景与意义。然后在分析了永磁同步电动机结构的基础上,详细介绍了永磁同步电动机的矢量控制策略，重点分析介绍了永磁同步电机伺服系统里边的位置反馈及逻辑控制。最后本文用protel软件制图并对其进行仿真，完成了对这个系统里位置反馈及逻辑控制的研究。关键词 永磁同步电机；位置反馈；逻辑控制；Protel软件AbstractWith the development of power electronics，the motor manufacturing technology and

3、the progress of theories of AC speed regulation system and novel control strategies，the Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)is widely used in electromechanical integration，robot and aviation territoryBecause of its good characteristics of small size light weight，reliable operation，hi。gh energy c

4、onversion efficiency，high speed wide range and good static and dynamic behavior ,etcTherefore ,studying PMSM Servo System is quite significantThis thesis introduces the general development situation of PMSM Servo System firstly,in which the background and significance are indicatedBased on analysis

5、of the structure of the PMSM，the mathematics models are set up at three coordinatesThe vector controlmethod of PMSM is analyzed in detail，introduced, focuses on the analysis of servo system of permanent magnet synchronous motor position feedback and control logic. Finally, by using the Protel softwa

6、re, mapping and its simulation, completed on the position feedback and logic control research.Keywords PMSM ；Position feedback; logic control； Protel Software目 录第1章 绪论1.1 永磁同步电机伺服控制系统研究的背景和意义由于永磁电动机具有结构简单、体积小、效率高、转矩电流比高、转动惯量低，易于散热及维护等显著优点，特别是随着新型的永磁材料的出现，永磁材料价格的下降以及材料磁性能的提高，在中小功率、高精度、高可靠性、宽调速范围的伺服系统

7、中，永磁同步电动机引起了众多研究与开发人员的青睐，其应用领域越来越宽广。当前，永磁电机在军事上的应用是占绝对优势的，几乎取代所有电磁电机。永磁电机在工、农、商、建筑、医药、旅游、金融业以及日常生活中的应用也越来越广2。 用在伺服系统领域的永磁电动机，按照电动机反电动势波形的不同分为两类：正弦波的永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM)和梯形波的无刷直流电动机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)。由于这两种电机的感应电动势波形分别为正弦波和方波，因此它们也被成为永磁无刷交流电动机和永磁无刷直流电动机。它们的共同点是定

8、子电流的通断受转子位置传感器控制，不同之处在于二者的磁场分布和反电动势波形。二者的优缺点比较如下：(1)在同样体积的条件下，PMSM比BLDCM重量要小15，材料利用率高；(2)PMSM通常采用矢量控制，控制算法复杂，控制器成本高，而BLDC控制方法和控制器结构简单；(3)PMSM必须使用高分辨率的转子位置传感器，而BLDCM转子位置传感器结构简单、成本低；(4)PMSM电流连续，铁心中附加损耗较小，而BLDCM定子磁场非连续旋转，造成铁心附加损耗增加；(5)PMSM只要保证各个向量均为正弦波，就可以消除转矩脉动，然而BLDCM不可能完全消除转矩脉动。PMSM最大的优势在于它的转子位置检测通常

9、使用旋转变压器或光电编码器，可更精确地获得瞬间转子位置信息。因而，凭借PMSM的控制精度和转矩的平稳性等控制性能都比BLDCM系统好，故其应用更广泛，主要用于机器人、数控机床、电梯控制等高性能驱动领域。可以预料，随着永磁材料和电动机转子制造价格的降低，以及驱动系统理论和实践应用的不断完善和提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到进一步的发展和应用，在某些场合会逐渐取代现有的普通绕线转子异步电动机及其驱动系统。数字控制器D/A矢量控制器永磁同步电机及其负数码盘信号处理板光电编码器工控机指令电机系统输出正是基于上述分析，本文以永磁同步电机伺服控制为研究对象，在剖析系统特点及控制要求的基础上，结合智

10、能控制理论，从系统的角度出发，围绕控制策略问题进行分析和研究，并作了一些理论上的探讨、分析、设计，通过仿真和实验对所提出的控制策略及对应算法进行验证。通过应用先进的智能控制策略改进改进传统控制器性能来提高永磁同步电机伺服系统的伺服性能，为发展高性能永磁同步电机伺服系统提供有益的技术资料，并为实际应用奠定了基础。图1.1 永磁同步电机伺服系统结构图1.2 国内外研究现状1.2.1国外现状永磁同步电动机伺服控制系统的研究和应用近年来正在成为电机领域的热点。国外基于永磁同步电动机的伺服系统的研究开始较早，如日本的FANUC、安川、富士通、松下，美国的AE公司、科尔摩根公司，德国的西门子公司，法国的E

11、BC公司，韩国三星公司等早在20世纪80年代就不断推出交流伺服驱动产品，伺服驱动市场几乎是外国公司一统天下的局面。1.2.2国内现状而国内在这方面起步较晚，但生产和应用规模也在快速增长。目前我国的华中科技大学、北京机床研究所、中科院沈阳自动化研究所等厂家单位开始研究并推出交流伺服系统，打破了外国公司完全垄断的格局，并且我国自主研制的永磁同步电动机伺服产品已经在自动化、家电、电子信息产业、航空航天和现代军事装备等领域迅速得到应用3。1.3码盘1.3.1码盘简介码盘 encoding disk 测量角位移的数字编码器。它具有分辨能力强、测量精度高和工作可靠等优点，是测量轴转角位置的一种最常用的位移

12、传感器。码盘分为绝对式编码器和增量编码器两种，前者能直接给出与角位置相对应的数字码；后者利用计算系统将旋转码盘产生的脉冲增量针对某个基准数进行加减以求得角位移。编码器（encoder）是将信号（如比特流）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备4。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，一电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将

13、采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。 从接近开关、光电开关到旋转编码器工业控制中的定位，接近开关、光电开关的应用已经相当成熟了，而且很好用。可是，随着工控的不断发展，又有了新的要求，这样，选用旋转编码器的应用优点就突出了：信息化：除了定位，控制室还可知道其具体位置；柔性化：定位可以在控制室柔性调整；现场安装的方便和

14、安全、长寿：拳头大小的一个旋转编码器，可以测量从几个到几十几百米的距离，n个工位，只要解决一个旋转编码器的安全安装问题，可以避免诸多接近开关、光电开关在现场机械安装麻烦，容易被撞坏和遭高温、水气困扰等问题。由于是光电码盘，无机械损耗，只要安装位置准确，其使用寿命往往很长。多功能化：除了定位，还可以远传当前位置，换算运动速度，对于变频器，步进电机等的应用尤为重要。经济化：对于多个控制工位，只需一个旋转编码器的成本，以及更主要的安装、维护、损耗成本降低，使用寿命增长，其经济化逐渐突显出来。如上所述优点，旋转编码器已经越来越广泛地被应用于各种工控场合。 从增量式编码器到绝对式编码器旋转增量式编码器以

15、转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法6。比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。这样的方法

16、对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零（开机后就要知道准确位置），于是就有了绝对编码器的出现。绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响7。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数

17、，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出，德国生产的绝对型编码器串行输出最常用的是SSI（同步串行输出）8。从单圈绝对式编码器到多圈绝对式编码器旋转单圈绝对式编码器，以转动中测量光码盘各道刻线，以获取唯一的编码，当转动超过360度时，编码又

18、回到原点，这样就不符合绝对编码唯一的原则，这样的编码器只能用于旋转范围360度以内的测量，称为单圈绝对式编码器。如果要测量旋转超过360度范围，就要用到多圈绝对式编码器。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度9。多圈式绝对

19、编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中。绝对型旋转编码器的机械安装使用：绝对型旋转编码器的机械安装有高速端安装、低速端安装、辅助机械装置安装等多种形式。高速端安装：安装于动力马达转轴端（或齿轮连接），此方法优点是分辨率高，由于多圈编码器有4096圈，马达转动圈数在此量程范围内，可充分用足量程而提高分辨率，缺点是运动物体通过减速齿轮后，来回程有齿轮间隙误差，一般用于单向高精度控制定位，例如轧钢的辊缝控制。另外编码器直接安装于高速端，马达抖动须较小，不然易损坏编码器10。低速端安装：安装于减速齿轮后，如卷扬钢丝绳卷筒的轴端或最后一节减速齿轮轴端，此方法已无齿轮来回程间隙，测

20、量较直接，精度较高，此方法一般测量长距离定位，例如各种提升设备，送料小车定位等。光学编码器功能特点 采用光电感应技术 表面贴装无引脚封装 提供两通道数字信号输出 计数频率：0100 KHz 电源电压DC5.0V、512V、1224V 工作温度：-10到70oC 编码分辨率：180 LPI 符合RoHS环保标准要求旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向11。图1.2 码盘

21、的实物图1.3.2增量式编码器增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。增量型编码器 (旋转型) 工作原理: 由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取,获得四组正弦波信号组合成A、B、C、D,每个正弦波相差90度相位差（相对于一个周波为360度），将C、D信号反向，叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代表零位参考位。 由于A、B两相相差90度，可通过比较A相在前还是B相

22、在前，以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲，可获得编码器的零位参考位。 编码器码盘的材料有玻璃、金属、塑料，玻璃码盘是在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性好，精度高，金属码盘直接以通和不通刻线，不易碎，但由于金属有一定的厚度，精度就有限制，其热稳定性就要比玻璃的差一个数量级，塑料码盘是经济型的，其成本低，但精度、热稳定性、寿命均要差一些12。 分辨率编码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率，也称解析分度、或直接称多少线，一般在每转分度510000线。 信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称

23、A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。 信号连接编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。 A、B、Z三相联接，用于带参考位修正的位置测量。 A、A-，B、B-，Z、Z-连接，由于带有对称负信号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0，衰减最小，抗干扰最佳，可传输较远的距离。 对于TTL的带有对称负信号输出的编码器，信号传输距离可达150米。 对于HTL的带有对称负信号

24、输出的编码器，信号传输距离可达300米。编码器常用的增量式旋转编码器为增量式光电编码器，增量式光电编码器的组成如图1.3所示，由带聚光镜的发光二极管(LED)、光栏板、光电码盘、光敏元件及信号处理电路组成。其中，光电码盘是在一块玻璃圆盘上镀上一层不透光的金属薄膜，然后在上面制成圆周等距的透光和不透光相间的条纹构成的，光栏板上具有和光电码盘相同的透光条纹。光电码盘也可由不锈钢薄片制成。当光电码盘旋转时，光线通过光栏板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光敏元件接收。光敏元件将光电信号转换成电脉冲信号。输出的电脉冲信号通常为A相、B相、Z相三相信号。信号形式如图1.4所示光电编码器的轴转动时A、B两相

25、脉冲相差90度相位角，根据A相或B相脉冲的数目可测出被测轴的角位移，脉冲的频率可测出被测轴的转速。根据A相、B相信号的相位关系可测出被测轴的转动方向。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转否则为反转。后续电路可利用A、B两相的90相位差进行细分处理（四倍频电路实现）。Z线为零脉冲线光电编码器每转一圈产生一个脉冲。被测轴的周向定位基准信号，被测轴的旋转圈数计数信号13。图1.3增量式光电编码器的组成图1.4电脉冲信号形式增量式码盘的规格及分辨率：规格增量式码盘的规格是指码盘每转一圈发出的脉冲数；现在市场上提供的规格从 36线/ 转 到10万线 /转 都有；选择：伺服系统要求的分辨率； 考虑

26、机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）设增量式码盘的规格为 n 线/转14。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法15。比如，打印机扫描仪的定位就是用的增

27、量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。增量式编码器特点： 增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辨率时，可利用 90 度相位差的 A、B 两路信号进行倍频或更换高分辨率编码器。1.3.3绝对式编码器绝对型旋转光电编码器，因其每一个位置绝对唯一、抗干扰、无需掉电记忆，已经越来越广泛地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。绝对编码器光码盘上有许多道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线编排，这样，在编码器的每一个位置

28、，通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的2进制编码（格雷码），这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由码盘的机械位置决定的，它不受停电、干扰的影响。绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。绝对式旋转编码器可直接将被测角度用数字代码表示出来，且每一个角度位置均有对应的测量代码，因此这种测量方式即使断电，只要再通电就能读岀被测轴的角度位置，即具有断电记忆力功能。绝对式光电码盘与接触式码盘结构相似，只是其中的黑白区域不表示导

29、电区和绝缘区，而是表示透光区和不透光区。其中黑的区域指不透光区，用“0”；白的区域指透光区，用“1”表示。如此，在任意角度都有“1”和“0”组成的二进制代码。另外，在每一码道上都有一组光敏元件，这样，不论码盘转到哪一角度位置，与之对应的各光敏元件受光的输出为“1”，不受光的输出为“0”，由此组成n 位二进制编码。图1.5码道光电码盘示意图绝对式码盘的规格及分辨率规格绝对式码盘的规格与码盘码道数 n 有关；现在市场上提供从 4道到 18道都有；选择伺服系统要求的分辨率；考虑机械传动系统的参数。分辨率（分辨角）设绝对式码盘的规格 n 道由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地

30、应用于工控定位中。绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出，德国生产的绝对型编码器串行输出最常用的是SSI（同步串行输出）。编码器生产厂家运用钟表齿轮机械的原理，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘（或多组齿轮，多组码盘），在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，这样的绝对编码器就称为多圈式绝对编码器，它同样是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。绝对式编码器较增量式具有许多

31、优点：角度坐标值从绝对编码盘中直接读出，不会有累积进程中的误计数；编码器本身具有机械式存储功能，即使因停电或其它原因造成坐标值清除，通电后，仍可找到原绝对坐标位置绝对式光电轴角编码器的缺点是制造工艺复杂，不易实现小型化。多圈编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富裕较多，这样在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，而大大简化了安装调试难度。多圈式绝对编码器在长度定位方面的优势明显，已经越来越多地应用于工控定位中15。1.4本文主要研究内容本课题主要研究的是Heidenhain RCN619绝对式编码器的ISA总线接口电路设计及实现，主要研究内容包括：(1) 分析了R

32、CN 619的数据读取方式，在此基础上指定了接口电路的总体方案。首先80C198首先发送一个读数指令，经差动编码后，送至RCN 619的时钟端；然后码盘开始以差动格雷码的形式返回数据，经串行和并行转换后，送至80C198；在单片机内部完成自然二进制转换后，送至74LS373的锁存器中；应用程序经计算机的地址总线发出读数指令后，分别选通锁存器，将数据经数据总线输入给应用程序。(2) 对计算机ISA总线接口电路进行了设计，主要包括地址总线和数据总线，数据读取的机制，80C198数据至74LS373锁存器。(3) 对80C198和码盘头部之间的接口电路进行了设计，主要包括，时钟信号电路，差动转换电路

33、，并行转换电路以及码制转换软件。(4) 结合winio库，编制了计算机读取Heidenhain RCN619码盘头部信号的程序，结果表明，接口电路设计正确。第2章 Heidenhain RCN 619 码盘接口电路的设计方案2.1 Heidenhain RCN 619码盘简介图2.1 Heidenhain RCN 619码盘如图2.1为Heidenhain RCN 619码盘实际图，码盘详细介绍如下可知码盘为单圈绝对式编码器，支持19位输出，额定电压为5V，格雷码输出。其主要引脚的工作方式：1脚接+5V，10脚接地，8脚接正时钟，9脚接负时钟，14、17脚接差动信号。本次设计时钟发射19个脉冲

34、信号，一个时钟周期发射一位脉冲数据信号，数据信号由低电平转换为高电平，其中半个时钟周期T1=0.45s，高电平转换为低电平的时间T2A;G=0, DIR=1, A-B;G=1, DIR=X, X=0或者1，输入和输出均为高阻态；高阻态的含意就是相当于没有这个芯片74LS245是8路3态 双向缓冲驱动,也叫做总线驱动门电路或线驱动。主要使用在数据的双向缓冲，原来常见于51的数据接口电路，比如，早期电路中，扩展了很多的8255/8155/8251/8253/573等芯片的时候，担心8031的数据驱动能力不足，就使用一片245作为数据缓冲电路，增强驱动能力；也常见与ISA卡的接口电路通过上述比较研究分析，本次设计我用了74LS245双向缓冲器图3.10 74LS244与245的引脚图表3-5 74LS245内部结构及真值表 图3.11 内部结构