编号
本科生毕业设计（论文）题目：智能伺服控制器的研究
物联网工程学院自动化专业
学号0704070223
学生姓名刘凯
指导教师于力革副教授
二〇一一年六月
设计总说明
设计总说明
随着现代化工业的快速发展，伺服系统的应用领域日益广泛．伺服系统在我国还属于技术含量较高的领域．目前主要应用在机床、工业机器人、印刷机械、包装机械、塑料机械和纺织机械等行业．20世纪末，国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本自主开发成功，然而，由于产业化滞后，产品的应用还依靠进口．由于交流伺服系统具有直流伺服系统不可比拟的优越性．因此，研究制造高性能、高可靠性的交流伺服控制系统具有非常重要的现实意义．
论文围绕运动与伺服控制技术，首先阐述了伺服系统的发展历程，并对交流伺服系统的分类、国内外发展现状以及发展趋势进行了综述．现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制．采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块也不足为奇．国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2～2.5年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，可见产品的生命周期越来越短．交流伺服系统的市场范围不断扩大，越来越多的取代机械传动、液压和气动传动系统．交流伺服不断取代直流．伺服交流伺服驱动器，将会朝着更人性化，更智能化的方向发展．
然后介绍伺服电机及伺服编码器的基本概念，并详细介绍了交流永磁同步电机的结构．按照“伺服”的概念，伺服电机并非单指某一类型的电机，只要是在伺服系统中能够满足任务所要求的精度、快速响应性以及抗干扰性，就可以称之为伺服电机．伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中，用作执行组件，把所收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出．分为直流和交流伺服电机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降．永磁同步电机是目前常用的一种伺服电机．永磁同步电机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要．因此．本文对永磁同步电机的结构及控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电机控制系统的各种控制策略发展方向．经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案．通常，控制电机为了能够达到伺服控制的性能要求，都需要具有位置/速度检测部件．光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器．这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成．根据刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种．
在对交流永磁同步电机(PMSM)的数学模型和控制理论研究的基础上，设计并开发了基于SH72434的交流伺服控制系统，此控制系统主要由SH72434和EPM3128A构成．然后详细阐述此伺服系统控制板电路、功率板电路、检测电路和保护电路等硬件结构．整个硬件结构可分为控制板、功率驱动板、LED显示板、永磁同步电机和编码器组成．控制板主要由SH72434、EPM3128A、输入输出通道、LED显示电路和转子位置/速度检测电路等组成．功率驱动板主要由逆变器主电路、电压/电流检测电路、故障保护电路、刹车控制电路和辅助电源电路等组成．逆变器主电路的主要作用是接收CPU发送的PWM波，并将之逆变来驱动电机转动．电压检测电路是用来检测主回路的实时电压，当侦测到的电压超过上限或低于
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下限时，CPU会关断PWM波形的输出，并报警．电流检测电路是用来检测模块输出的实时电流，当侦测到的电流超过上限或低于下限时，CPU同样会关断PWM波形的输出，并报警．在整个伺服系统中，考虑到不同芯片所需电源不同，必须通过变压器转换成不同的电源．
在硬件结构的基础上结合SH72434的结构提出了永磁同步电机的伺服控制算法，并给出部分软件的流程图，剖析软件结构．系统上电后，首先进行一系列初始化，初始化完成后，CPLD通过串行通信接收来自上位机的控制命令,转化为位置数字脉冲数,到CPU,然后根据实际电流进行电流环调节得出电压指令信号，最终通过PWM调制方式形成六路开关控制信号加到IPM的开关管上，控制逆变器输出到电机上的三相电压大小，实现对伺服电机的控制．为了更好的设计软件部分，下面介绍下SH72434的主要功能模块．软件部分将会依靠这些功能模块进行工作．SH72434提供了丰富的外围功能模块，在电机控制应用中主要用到ADC、SCI、GPIO、MTU2、PWM和BSC等模块，本文对部分模块进行详细的介绍．永磁同步电机伺服控制系统的程序由主程序模块、子程序模块和中断服务子程序模块组成．主程序主要完成实时性要求不高的功能，主程序一开始先执行系统初始化子程序，主要完成控制寄存器的初始化和相关参数变量初始值的设置，然后进入应用程序的循环程序，当中断到来时，响应并执行相应的中断服务子程序．系统初始化主要包括硬件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等功能．首先对定时器、PWM、数字测速的工作方式进行设定，然后设定I/O、通信接口及显示、键盘工作方式，接着对参数及变量进行初始化，最后返回到主程序．实时性要求较高的功能，通过用中断的方式来实现，由相应的中断源提出申请，CPU实时响应．
对结合软件硬件部分的设计做成的样品进行测试，并给出测试结果．首先测试控制器的工作性能，然后测试它的安全性能．通过实验表明，设计的控制器具有很好的性能．最后对本课题的研究工作做了总结，并提出了进一步的工作设想．
关键词：伺服系统；永磁同步电机；脉宽调制；编码器
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ABSTRACT
With the continuous development of modern industry, the servo system has been used in many more fields. Servo system in our country still belongs to the high technology content areas. Currently, it is mainly used in machine tools, industrial robots, packaging machinery, printing machinery, plastics machinery and textile machinery industries. The end of the 20th Century, the independent development of AC servo motors and digital servo drives success. However, due to the industrialization of lag, applications also rely on imports of the product. AC servo system has advantage over DC servo system, so it has very important significance to study on high performance and reliability of AC servo control system.
The paper focused on motion and servo control technology. The development of servo system was first given, and then, its classification, current situation and development trend are summarized. Modern AC servo system has gone from analog to digital transition. Digital control loops have become ubiquitous, such as commutation, current, speed and position control. Using new power semiconductor devices, high-performance DSP plus FPGA, and servo-specific modules is not surprising. The new power devices or modules every 2 to 2.5 years will be updated . The new software algorithms are changing. We can see the product life cycles are getting shorter. AC servo system is in place of mechanical transmission, hydraulic and pneumatic drive system. AC servo system is replacing the DC servo. Servo drives will be towards a more humane, more intelligent direction.
We introduced the basic concepts of Servo motor and servo encoder, and then gave details of the structure of PMSM. Accordance with the "server" concept, the servo motor is not a single type of motor, as long as the servo system to meet the tasks required accuracy, fast response and immunity, you can call it the servo motor. Servo motor, also known as the motor, the automatic control system that is used for the implementation of the component, the received signal into the motor shaft angular displacement or angular velocity output. DC and AC servo motor into two categories, the main feature is that when the signal voltage is zero, no rotation phenomenon, the speed increases as torque uniform decline. Permanent magnet synchronous motor is commonly used as a servo motor. Permanent magnet synchronous motor with a small, low loss, high efficiency, energy conservation and environmental protection in more and more attention today, the research is very necessary. So, in this paper, the structure and permanent magnet synchronous motor control strategies are reviewed, and introduced the permanent magnet synchronous motor control system of control strategy development. After a long study, the current AC motor control, and constant voltage-frequency ratio control, vector control, direct torque control scheme. Typically, the control servo motor controller in order to achieve performance the requirement, need to have a position / speed detection unit. Optical encoder is a photoelectric conversion to output shaft by a mechanical displacement into a pulse geometry or digital sensor. This is currently the most widely used sensors, optical encoder is a grating disk and the optical detection device components. According to the signal output method and form of scale can be divided into incremental, absolute and mixed.
On the basis of studying on the permanent magnet synchronous motor (PMSM) mathematical mode and the control theory; an AC servo control system based on SH72434 was designed. The control system was mainly composed of SH72434 and EPM3128A. The hardware
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structure of the servo system which includes the panel circuit, power board circuit, detection circuit and protection circuits were elaborated in detail. The hardware architecture can be divided into control panel, power driver board, LED display boards, permanent magnet synchronous motor and encoder components. The main control contain the SH72434, EPM3128A, input and output channels, LED display circuit and the rotor position / speed detection circuit. Power inverter driven mainly contain the main board circuit, the voltage / current detection circuit, fault protection circuit, the brake control circuit and auxiliary power circuit. Inverter main circuit's primary role is to receive CPU sends the PWM wave, and the inverter to drive the motor rotation. Voltage detection circuit is used to detect real-time main circuit voltage, when the detected voltage exceeds the upper or lower limit, CPU will shut down the PWM waveform output, and alarm. Current detection circuit is used to detect real-time module output current, when the detected current exceeds the upper or lower limit, CPU will also shut down the PWM waveform output, and alarm. In the servo system, taking into account the power required for the different chips is different must be converted to a different power transformer.
The software of the servo system on the basis of the structure of the hardware was designed. We gave part of the software flow chart and analyzed software architecture. System after the first series of initialization, initialization is complete, CPLD via a serial communications to receive control commands from the host computer, digital pulses into position, into the CPU, the actual current in current loop adjust the voltage command signals obtained, the final form by the PWM modulation switching control signals to the six-way switch on the IPM to control the inverter output to the motor phase voltage on the size, to achieve the servo motor control. In order to better design software portion here the main function modules under SH72434. Software components will depend on these modules work. SH72434 provides a wealth of peripheral modules, the main motor control applications used in ADC, SCI, GPIO, MTU2, PWM modules, and BSC, the paper part of the module in detail. Permanent magnet synchronous motor servo control system program from the main module, subroutine modules and interrupt service routines module. Main program completed less demanding real-time functions, the main program before the beginning of the implementation of the system initialization routine, the main control register initialization and completion of the relevant parameters of the initial value of the variable set, then enter the cycle of the application procedure When the interrupt arrives, the response and executing the corresponding interrupt service routine. System consist of hardware initialization settings for work, the system operating parameters and the initialization of variables and other functions. First timers, PWM, digital tachometer work to set, then set I / O, communication interface and display, keyboard work, and then initialize the parameters and variables, and finally return to the main program. Time-critical functions, by way of using interrupts to achieve by applying the corresponding interrupt source, CPU real-time response.
Test the sample which was made according to the design of the combination of software and hardware and give the test result. Test the performance of the proposed controller and then test its security. Results show that the proposed controller have good performance.
Finally, a summary of the research work is presented, and the further work prospect of this subject is given.
Keywords: Servo System; PMSM; PWM; Encoder
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第1章绪论 (1)
1.1课题研究的背景和意义 (1)
1.2伺服控制系统的特点 (1)
1.3国内外伺服系统研究的现状和发展趋势 (2)
1.3.1 国内外伺服系统研究的现状 (2)
1.3.2 交流伺服控制系统的发展趋势 (3)
1.4本文主要研究内容 (4)
第2章伺服电机及编码器 (5)
2.1伺服电机 (5)
2.1.1 伺服电机的工作原理 (5)
2.1.2 伺服电机的分类 (5)
2.1.3 交流永磁同步电机 (6)
2.2编码器 (10)
2.2.1 工作原理 (10)
2.2.2 分类 (10)
2.2.3 增量式编码器原理及算法 (11)
第3章伺服控制系统硬件电路设计 (13)
3.1硬件系统的总体结构 (13)
3.2控制板 (13)
3.2.1 SH72434 (13)
3.2.2 EPM3128A（CPLD）电路设计 (14)
3.3主板的硬件设计 (15)
3.3.1 智能功率模块PS21997 (15)
3.4其它辅助电路设计 (18)
3.4.1 电流检测电路 (18)
3.4.2 主线电压侦测电路 (18)
3.4.3 过流保护电路 (19)
3.4.4 过压保护电路 (20)
3.4.5 电源电路设计 (20)
3.5本章小结 (21)
第4章伺服控制系统的软件结构设计 (23)
4.1伺服系统的开发环境 (23)
4.1.1 软件开发环境 (23)
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4.1.2 编译器 (23)
4.1.3 仿真器 (24)
4.2SH72434主要功能模块 (25)
4.2.1 模数转换模块（ADC） (25)
4.2.2 通用输入输出口模块（GPIO） (25)
4.2.3 串行通讯接口模块（SCI） (26)
4.3控制系统的软件实现 (26)
4.3.1 主程序 (26)
4.3.2 初始化子程序 (27)
4.3.3 中断服务子程序 (27)
4.3.4 keypad显示程序 (29)
4.3.5 时钟设置程序 (30)
4.3.6 波特率的设置 (31)
4.3.7 SVPWM调制方式 (32)
4.4本章小结 (32)
第5章伺服控制系统实验及结果分析 (33)
5.1系统参数调试 (33)
5.2伺服系统实验 (33)
5.2.1 伺服系统的动态特性 (34)
5.2.2 伺服系统的保护功能 (35)
5.3本章小结 (40)
第6章结论与展望 (41)
6.1结论 (41)
6.2不足之处及未来展望 (41)
参考文献 (43)
致谢 (45)
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智能伺服控制器的研究
第1章绪论
随着自动控制理论的发展，到20世纪中期，伺服系统的理论与实践均趋于成熟，并广泛的运用于机械制造行业、冶金工业、航天工业、微电子行业、军事工业、运输行业、通信工程以及日常生活中．伺服系统的应用越来越广泛，大至控制1000kg级的巨型雷达天线，可及时准确地跟踪人造卫星的发射，小至用音圈电机来控制电视放像机的激光头，涉及国防、工业生产、交通运输及家庭生活，而且必将发展应用到更新的领域．
1.1 课题研究的背景和意义
伺服系统在我国还属于技术含量较高的领域，目前主要应用在机床、工业机器人、印刷机械、包装机械、塑料机械和纺织机械等行业．20世纪末，国产交流伺服电机及其全数字式伺服驱动器基本自主开发成功，然而，由于产业化滞后，产品的应用还依靠进口．目前，在交流伺服驱动系统中，普遍应用的交流永磁伺服电机有两大类：一类称为无刷直流电机（BLDC），另一类称为三相永磁同步电机（PMSM）．永磁同步电机的特点是用永磁体取代绕线式同步电机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷．永磁同步电机的定子与绕线式同步电机基本相同，要求输入定子的电流仍然是三相正弦的，所以称为三相永磁同步电机[1]．
随着现代电力电子技术、微电子技术及计算机技术等支撑技术的快速发展，以永磁同步电机作为执行机构的交流伺服驱动系统的发展得以极大的进步．然而伺服控制技术是决定交流伺服系统性能好坏的关键技术之一，是国外交流伺服技术封锁的主要部分．针对我国现有的技术水平，交流伺服系统还有很大的发展空间，特别是随着各种新型高速处理器的不断涌现，用于电机控制的各种方法也将日新月异，如何研制出一种高性能的交流伺服系统将具有重要的理论意义和实用价值[2]．
1.2伺服控制系统的特点
伺服系统之所以有广阔的发展前景，是因为其具备众多优点，其主要优点如下：
(1)精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制．
(2) 有多种反馈比较原理和方法：根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同．目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较三种．
(3) 高性能的伺服电机（简称伺服电机）：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中，要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩，要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在机械运动部分连接中尽量减少中间环节．
(4) 宽调速范围的速度调节系统（即速度伺服系统）：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可以看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移．数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统[3]．
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江南大学学士学位论文
1.3国内外伺服系统研究的现状和发展趋势
1.3.1 国内外伺服系统研究的现状
电机控制系统按照驱动电机的类型主要分为直流传动系统和交流传动系统．到了90 年代，交流伺服系统已经在许多场合取代了直流伺服系统，它的性能甚至超过了直流伺服系统，从而取代了直流伺服系统成为电力传动伺服系统的主体．如今在经济发达的国家，交流伺服系统的推广和应用速度相当快，己遍布冶金、电力、铁路等领域．交流伺服控制技术随着用户需求变化而不断发展．电机、驱动、传感和控制技术等关联技术的不断变化，造就了各种各样的交流伺服控制系统．就电机而言，可以采用盘式电机、无铁芯电机、直线电机、外转子电机等；驱动器可以采用各种功率电子组件；传感和反馈装置可以是不同精度、性能的编码器、旋变和霍尔组件，甚至是无传感器技术；控制技术从采用单片机开始，一直到采用高性能的DSP和各种可编程模块，以及现代控制理论的实用化等等．从2005年11月在德国纽伦堡举办的SPS/IPC/Drives 展览上可以看到世界范围内电气驱动、运动控制和相关软件的最新发展，其中交流伺服产品的亮点很多，代表了当前的国际水平．
（1）贝加莱（B&R）工业自动化公司推出的ACOPOSmulti驱动系统采用模块化的可扩展结构，每个轴模块可以提供一个或两个伺服轴控制，并集成了一个24V的DC辅助电源模块，该电源模块为驱动器、控制器和外围设备提供了一个到直流总线的链接，来获得开路、短路和过载保护．
（2）艾尔默（Elmo）公司展出了一系列伺服驱动器与控制器，包括最新的微型数字伺服驱动器Whistle．这些火柴盒大小的驱动器尺寸虽仅为：5×4.6×1.5cm，但却能提供0.5KW 的连续功率（或1KW 的峰值功率），为当今市场上最高功率密度与智能化的伺服驱动器．
（3）罗克韦尔（Rockwell Automation）公司展出了PowerFlex驱动技术．PowerFlex 的特点是运用最新的工业协议EtherNet/IP对同一系统中运行的多轴伺服与变频驱动器实现了无缝同步．这些通讯协议都为多轴实时同步控制提供了可能性，也被一些高端伺服驱动器集成进去．
（4）施耐德电气（Schneider Electric）的智能一体化驱动系统（IclA）具有三种电机特性——交流同步伺服电机、无刷直流电机和步进电机．IclA与传统伺服产品最大的不同是它将运动控制所需的所有部件：电源、通信接口、定位控制器、驱动器、电机和编码器集成在一个紧凑单元中，是真正的机电一体化产品，它为设计者带来了一系列．（5）包米勒（Baumuller）公司提供的带集成行星齿轮传动系的高性能伺服电机，拥有高达98％的效率和很低的噪音；直接驱动型高力矩伺服电机，可以在100～300rpm范围内输出13500N.m．在直接驱动力矩电机市场，成都精密电机厂可以提供定制化的电机组件，但是需要另外加装反馈装置和驱动器．
与国外发达国家相比，我国的交流伺服控制的研究起步较晚，80年代末开始研究和引进交流伺服控制技术．我国具有自主知识产权的全数字式伺服驱动器于90年代开始规模化生产制造．华中数控HSV系列全数字交流伺服电机驱动单元具有良好的性能．广州数控设
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智能伺服控制器的研究
备有限公司DA98A系列交流伺服系统调速比为1:5000；国内厂家北京和利时电机生产的全数字交流伺服驱动器通过键盘设置电子齿轮可以设置为1～9999，比例范围介于1～100之间．但是，作为交流伺服系统的上游厂商，国内主要数控系统生产厂家，其中包括华中数控、航天数控系统有限公司、高档数控国家工程研究中心、上海开通数控有限公司等，其高端产品往往要采用国外的交流伺服系统．虽然国内的产品比进口的要便宜得多，但从整体来看，我国无论从电机制造的材料工艺还是电机的控制、运行特性等方面，与国外都还存在差距[4]．
1.3.2 交流伺服控制系统的发展趋势
现代交流伺服系统，经历了从模拟到数字化的转变，数字控制环已经无处不在，比如换相、电流、速度和位置控制；采用新型功率半导体器件、高性能DSP加FPGA、以及伺服专用模块也不足为奇．国际厂商伺服产品每5年就会换代，新的功率器件或模块每2～2.5 年就会更新一次，新的软件算法则日新月异，可见产品的生命周期越来越短．总结国内外伺服厂商的技术路线和产品路线，可以看到以下一些最新发展趋势[5]．
（1）高性能化
高性能化主要包括：电机本身的高效率化，比如永磁材料性能的改进和更好的磁铁安装结构设计，采用无齿槽效应的高性能旋转电机、直线电机等；驱动系统的高效率化，比如逆变器驱动电路的优化，加减速运动的优化，利用再生制动和能量反馈，以及更好的冷却方式等；采用更高精度的编码器（每转百万脉冲级）和采样精度更高、速度更快的DSP，以及应用自适应、人工智能等各种现代控制策略，不断提高伺服系统的性能指标．（2）集成化和模块化
电机、反馈、控制、驱动和通讯的纵向一体化成为当前小功率伺服系统的一个发展方向．有时称这种集成了驱动和通讯的电机叫智能化电机（SmartMotor），有时也把集成了运动控制和通讯的驱动器叫智能化伺服驱动器．电机、驱动和控制的集成使三者从设计、制造到运行、维护都更紧密地融为一体，成为真正意义上的机电一体化产品．模块化是交流伺服系统发展的主流方式，模块化不仅指伺服驱动模块、电源模块、再生制动模块、通讯模块之间的组合方式，而且指伺服驱动器内部硬件和软件的模块化和可重用性．（3）通用化
通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下，可以方便地设置成V/F 控制、无速度传感器开环矢量控制、闭环磁通矢量控制、永磁无刷交流伺服电机控制以及再生单元等五种工作方式，适用于各种场合，可以驱动各种不同类型的电机，比如异步电机、永磁同步电机、无刷直流电机和步进电机等，也可以适应各种不同类型的传感器甚至无位置传感器．此外，还可以使用电机本身配置的反馈构成半闭环控制系统，也可以通过接口与外部的位置、速度或力矩传感器构成高精度全闭环控制系统．
（4）网络化
将现场总线和工业以太网技术，甚至无线网络技术集成到伺服驱动器当中，已经成为欧洲和美国厂商的常用做法．现代工业局域网发展的重要方向和各种总线标准竞争的焦点
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就是如何适应高性能运动控制对数据传输实时性、可靠性和同步性的要求．随着国内对大规模分布式控制装置需求的上升，高档数控系统的开发成功，网络化数字伺服的开发已经成为当务之急．
（5）智能化
现代交流伺服驱动器都具备参数记忆、故障自诊断和分析功能，绝大多数先进驱动器都具备负载惯量测定和自动增益调整功能，有的还可以自动辨识电机的参数，自动测定编码器零位，甚至能自动进行振动抑制．随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术，使得人们可以通过Internet及时了解重要技术参数的动态趋势[6]．
交流伺服系统的市场范围不断扩大，越来越多的取代机械传动、液压和气动传动系统．交流伺服不断取代直流伺服交流伺服驱动器，将会朝着更人性化，更智能化的方向发展．
1.4本文主要研究内容
本课题主要的研究目标是设计基于SH72434单片机的交流伺服控制系统．本论文分六个章节系统阐述了此课题的主要工作，各章节的具体内容安排如下：
第1章绪论主要阐述了本课题研究的背景和意义，阐述了交流伺服控制系统的特点，及其在国内外的发展现状及发展趋势．
第2章介绍伺服电机及编码器的相关知识．
第3章详细介绍了基于SH72434的伺服控制系统的硬件结构,并分别介绍控制板和功率板的组成电路,然后简单介绍了伺服系统的检测电路和保护电路．
第4章介绍了伺服控制系统的软件构成，阐述SH72434的软件开发环境．重点介绍了此控制系统的软件构成，给出了主程序和中断子程序的框架和其相应流程图．第5章对此交流伺服控制系统进行实验分析，然后是对所开发的伺服系统进行实验调试，实验表明此伺服系统具有较好的动静态性能，能达到相应控制精度．最后对本文研究内容进行总结，并对下一步工作进行了展望．
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智能伺服控制器的研究
第2章伺服电机及编码器
按照“伺服”的概念，伺服电机并非单指某一类型的电机，只要是在伺服系统中能够满足任务所要求的精度、快速响应性以及抗干扰性，就可以称之为伺服电机[7]．
2.1伺服电机
伺服电机又称执行电机，在自动控制系统中，用作执行组件，把所收到的电信号转换成电机轴上的角位移或角速度输出．分为直流和交流伺服电机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降[8]．
2.1.1 伺服电机的工作原理
伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm．
图2-1伺服电机
伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度．伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）[9]．
2.1.2 伺服电机的分类
长期以来，在要求调速性能较高的场合，一直占据主导地位的是应用直流电机的调速系统．但直流电机都存在一些固有的缺点，如电刷和换向器易磨损，需经常维护．换向器换向时会产生火花，使电机的最高速度受到限制，也使应用环境受到限制，而且直流电机结构复杂，制造困难，所用钢铁材料消耗大，制造成本高．而交流电机，特别是鼠笼式感应电机没有上述缺点，且转子惯量较直流电机小，使得动态响应更好．在同样体积下，交流电机输出功率可比直流电机提高10﹪～70﹪，此外，交流电机的容量可比直流电机造得大，达到更高的电压和转速．现代数控机床都倾向采用交流伺服驱动，交流伺服驱动已有取代直流伺服驱动之势．
分类和特点
（1）异步型交流伺服电机
异步型交流伺服电机指的是交流感应电机．它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电机．其结构简单，与同容量的直流电机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电机的1/3．缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流．因而令电网功率因数变坏．
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这种鼠笼转子的异步型交流伺服电机简称为异步型交流伺服电机，用IM表示．
（2）同步型交流伺服电机
同步型交流伺服电机虽较感应电机复杂，但比直流电机简单．它的定子与感应电机一样，都在定子上装有对称三相绕组．而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类．非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种．其中磁滞式和反应式同步电机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点．数控机床中多用永磁式同步电机．与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳．但永磁式同步电机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电机的1/5．它与异步电机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高．又因为没有电磁式同步电机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电机相同，而功率因数却大大高于异步电机，从而使永磁同步电机的体积比异步电机小些．这是因为在低速时，感应（异步）电机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电机主要尺寸是据视在功率而定的[10]．
2.1.3 交流永磁同步电机
以下我们具体介绍一种在伺服系统中较为常见的电机——永磁同步电机．
永磁同步电机的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的．正由于这样，同步电机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电机是一个容性负载．同步电机在结构上大致有两种：永磁同步电机的转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为正弦波和梯形波两种．因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形也有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波．这样就造成两种同步电机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电机系统类似，故称这种系统为无刷直流电机（BLDCM）调速系统[11]．
永磁同步电机转子磁路结构不同，则电机的运行特性、控制系统等也不同．根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电机主要可分为，表面式和内置式．在表面式永磁同步电机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体．这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等．因此这两种电机的性能有所不同[12]．
20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新．交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机．90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电机伺服驱动．交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异．永磁交流伺服电机同直流伺服电机比较，主要优点有：
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（1）无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低；
（2）定子绕组散热比较方便；
（3）惯量小，易于提高系统的快速性；
（4）适应于高速大力矩工作状态；
（5）同功率下有较小的体积和重量．
永磁同步电机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要．因此．这里对永磁同步电机的结构及控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电机控制系统的各种控制策略发展方向[13]．
永磁同步电机由定子、转子和端盖等部件组成，如图2-2所示．定子由定子铁心（由冲槽孔的硅钢叠压而成）、定子绕组（在铁心槽中嵌放三相绕组）构成．定子和普通感应电机基本相同，也是采用叠片结构以减小电机运行时的铁耗，为了减小电机的杂散损耗，定子绕组通常采用星形接法．转子通常由轴、永久磁钢及磁轭组成，其主要作用是在电机气隙内产生足够的磁场强度，与通电后的定子绕组互相作用产生转矩以驱动自身的旋转．转子铁心可以做成实心的，也可以用叠片叠压而成．利用永磁体产生的固定气隙磁通就可以设计各种高效率的永磁同步电机．
图2-2 永磁同步电机结构图
当永磁同步电机的定子通入三相交流电时，三相电流在定子绕组的电阻上产生电压降．由三相交流电产生的旋转电枢磁动势及建立的电枢磁场，一方面切割定子绕组，并在定子绕组中产生感应电动势；另一方面以电磁力拖动转子以同步转速旋转．电枢电流还会产生仅与定子绕组相交链的定子绕组漏磁通，并在定子绕组中产生感应漏电动势．此外，转子永磁体产生的磁场也以同步转速切割定子绕组．从而产生空载电动势．为了便于分析，在建立数学模型时，假设以下参数：
（1）忽略电机的铁心饱和；
（2）不计电机中的涡流和磁滞损耗；
（3）忽略电机绕组漏感；
（4）永磁材料的电导率为零；
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（5）定子和转子磁动势所产生的磁场沿定子内圆按正弦分布，即忽略磁场中所有的空间谐波；
（6）各相绕组对称，即各相绕组的匝数与电阻相同，各相轴线相互位移同样的电角度．
在分析同步电机的数学模型时，常采用两相同步旋转(d，q)坐标系和两相静止(α，β)坐标系．图1给出永磁同步电机在(d，q)旋转坐标系下的数学模型．
定子电压方程：
u d=R s i d＋pψd－ωeψq（2-1）
u q=R s i q＋pψq＋ωeψd（2-2）定子磁链方程：
ψd=L d i d＋ψf （2-3）
ψq=L q i q（2-4）电磁转矩方程：
T em=3/2Pn[ψf i q＋(L d－L q)i d i q] （2-5）电机的运动方程：
J(d wm/d t)=T em－T L（2-6）式中：u d，u q为d，q轴电压；
i d，i q为d，q轴电流；L d，L q为定子电感在d，q轴下的等效电感；
R s为定子电阻；
ωe为转子电角速度；
ψf为转子励磁磁场链过定子绕组的磁链；
p为微分算子；
P n为电机极对数；
ωm为转子机械转速；
J为转动惯量；
T L为负载转矩[14]．
任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的．直流电机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响．因此，长期以来，交流电机的转矩控制性能较差．经过长期研究，目前的交流电机控制有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等方案．
（1）恒压频比控制
恒压频比控制是一种开环控制．它根据系统的给定，利用空间矢量脉宽调制转化为期望的输出电压u out进行控制，使电机以一定的转速运转．在一些动态性能要求不高的场所，由于开环变压变频控制方式简单，至今仍普遍用于一般的调速系统中，但因其依据电机的稳态模型，无法获得理想的动态控制性能，因此必须依据电机的动态数学模型．永磁同步电机的动态数学模型为非线性、多变量，它含有ω与i d或i q的乘积项，因此要得到精确的动态控制性能，必须对ω和i d，i q解耦．近年来，研究各种非线性控制器用于解决永磁同步电
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机的非线性特性．
（2）矢量控制
高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案．自1971年德国西门子公司F.Blaschke提出矢量控制原理，该控制方案就倍受青睐．因此对其进行深入研究．
矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电机一样良好的动态特性．因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制．矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对i d，i q的控制．由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便．需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣[15]．
（3）直接转矩控制
矢量控制方案是一种有效的交流伺服电机控制方案．但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩．针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制(DTC)．该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点．DTC最早用于感应电机，1997年L Zhong 等人对DTC算法进行改造，将其用于永磁同步电机控制，目前已有相关的仿真和实验研究．DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制．在得到电机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电机进行DTC．它由永磁同步电机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成，其中u d，u q，i d，i q为静止(d，q)坐标系下电压、电流分量．虽然，对DTC的研究已取得了很大的进展，但在理论和实践上还不够成熟，例如：低速性能、带负载能力等，而且它对实时性要求高，计算量大[16]．
（4）解耦控制
永磁同步电机数学模型经坐标变换后，i d，i q之间仍存在耦合，不能实现对i d和i q的独立调节．若想使永磁同步电机获得良好的动、静态性能，就必须解决i d，i q的解耦问题．若能控制i d恒为0，则可简化永磁同步电机的状态方程式为：
此时，i d与i q无耦合关系，T e=npψf i q，独立调节i q可实现转矩的线性化．实现i d恒为0的解耦控制，可采用电压型解耦和电流型解耦．前者是一种完全解耦控制方案，可用于对i d，
i q的完全解耦，但实现较为复杂；后者是一种近似解耦控制方案，控制原理是：适当选取i d 环电流调节器的参数，使其具有相当的增益，并始终使控制器的参考输入指令i d*=0，可得到i d≈i d*=0，i q≈i q*=0，这样就获得了永磁同步电机的近似解耦．
虽然电流型解耦控制方案不能完全解耦，但仍是一种行之有效的控制方法，只要采取较好的处理方式，也能得到高精度的转矩控制．因此，工程上使用电流型解耦控制方案的
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较多．然而，电流型解耦控制只能实现电机电流和转速的静态解耦，若实现动态耦合会影响电机的控制精度．另外，电流型解耦控制通过使耦合项中的一项保持不变，会引入一个滞后的功率因数[17]．
2.2 编码器
通常，控制电机为了能够达到伺服控制的性能要求，都需要具有位置/速度检测部件．2.2.1 工作原理
光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器．这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成．光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔．由于光电码盘与电机同轴，电机旋转时，光栅盘与电机同速旋转，经发光二极管等电子组件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，其原理示意图如图2-3所示；通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电机的转速．此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90°的两路脉冲信号[18]．
图2-3 光电编码器原理示意图
2.2.2 分类
根据刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种．
（1）增量式编码器——增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90°，从而可方便的判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位．它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输．其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息．（2）绝对式编码器——绝对式编码器是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区树木是双倍关系，码盘上的码道数是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏组件，当码盘处于不同位置时，各光敏组件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数．这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读书一个固定的与位置相对应的数字码．显然，码道必须N条码道．目前国内已有16位的绝对编码器产品．
（3）混合式绝对编码器——混合式绝对编码器，它输出两组信息，一组信息用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则完全同增量式编码器的输出信息[19]．
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11 2.2.3 增量式编码器原理及算法
在旋转编码器的旋转轴上，装着刻有等间隔刻度的光栅板，与此想呼应的，在编码器框体上，装着刻有相同间隔刻度的固定光栅板．在这两块光栅板之间，设置有发光组件（发光二极管）和受光组件（光敏管）．发光组件发出的光，随着旋转轴旋转，被每个光栅所遮去的光亮，正好与转速成比例地发出明暗条纹．这种明暗条纹在受光组件上作为电气信号发出，经过波形整形，作为方波信号输出．一般这个输出的两个信号的相位，互相错开1/4光栅节距，旋转方向反转，该相位也相反，与带有可辨别方向电路之可逆计数器组合，可以对旋转量进行加减法计算．（结合图2-3看下图）
图2-4 增量式编码器信号
以下具体介绍编码器的算法．
图2-5 编码器接收信号
（1） M 算法——记录单位时间T c 内旋转编码器PLG 发出的脉冲数M 1，则
n = 60M 1
ZT C
（2-1） （2） T 算法——记录PLG 两个脉冲间的高频脉冲个数M 2，f 0为高频脉冲频率，则 n = 60f 0
Z M 2 （2-2）
（3） M/T 算法——M/T 法既检测Tc 时间内PLG 输出的脉冲个数M 1，又检测相同时
间间隔的高频时钟脉冲个数M 2．
n =
60M 1f 0ZM 2 （2-3）
接下来探讨下不同算法的测速精度
（1） 分辨率：测速方法对被测转速变化的分辨能力，用Q 表示．Q 越小，分辨能力越强．
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M 法分辨率：
Q =
60×(M 1+1)ZT C ? 60M 1ZT C = 60ZT C （2-4） T 法分辨率：
Q = 60f 0
Z （M 2?1）
? 60f 0Z M 2 = 60f 0ZM 2（M 2?1） （2-5） （2） 测速误差率：测量值与实际值的相对误差来表示 δ =
?n n ×100% （2-6）
越小，准确度越高． M 法误差率：在极端情况下对脉冲的测量会产生±1个转速脉冲的计数误差
δmax = 60M 1ZT C ? 60（M 1?1）ZT C 60M 1ZT C ×100% = 1M 1×100% （2-7）
速度较低时，因测量时间内的脉冲数变少，误差所占的比例会变大，所以M 法宜测量高速．
T 法误差率：在极端情况下对时间的测量会产生±1个时钟脉冲周期的误差
δmax = 60f 0Z （M 2?1） ? 60f 0ZM 260f 0ZM 2×100% = 1M 2?1×100% （2-8）
速度较高时，测得的周期较小，误差所占的比例变大，所以T 法宜测量低速．
M/T 法误差率：
δmax =
60M 1f 0Z （M 2?1） ? 60M 1f 0ZM 260M 1f 0ZM 2×100% = 1M 2?1×100% （2-9） 低速时趋向于T 法，高速时M 2较大，且在 M 1 次中最多丢失一个高频时钟脉冲，故误差率小[20]．