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        PMSM矢量控制在雕銑機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)*

        2014-02-11 03:46:45王小東王天雷
        機(jī)電工程技術(shù) 2014年12期
        關(guān)鍵詞:電樞同步電機(jī)伺服電機(jī)

        王小東,王天雷

        (1.廣東科杰機(jī)械自動(dòng)化有限公司,廣東江門 529030;2.五邑大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東江門 529020)

        PMSM矢量控制在雕銑機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)*

        王小東1,王天雷2

        (1.廣東科杰機(jī)械自動(dòng)化有限公司,廣東江門 529030;2.五邑大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東江門 529020)

        永磁同步交流伺服電機(jī)(PMSM)是數(shù)控雕銑機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件,其控制方法對(duì)伺服系統(tǒng)的性能起重要作用。建立了該類電機(jī)的數(shù)學(xué)模型并研究了矢量控制原理,并采用DSP控制器實(shí)現(xiàn)了伺服電機(jī)的電流、速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)并測(cè)試了該控制系統(tǒng)下電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流及轉(zhuǎn)角。最后對(duì)比了運(yùn)動(dòng)控制仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了該控制方法的可行性和準(zhǔn)確性,為該類電機(jī)的控制以及在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

        永磁同步伺服電機(jī);矢量控制;CCS

        雕銑機(jī)(CNC engraving and milling machine)既可以雕刻,也可銑削,是一種高效高精的數(shù)控機(jī)床,廣泛應(yīng)用于精密模具粗精加工一次完成,紫銅電極,鋁件產(chǎn)品批量加工,鞋模制造,鐘表眼鏡行業(yè)等。雕銑機(jī)性價(jià)比高,加工速度快,加工產(chǎn)品光潔度好,在機(jī)床加工業(yè)越來越占有重要地位。為保證雕銑機(jī)的加工精度,應(yīng)包含的特性有:自動(dòng)化程度高、加工精度高以及穩(wěn)定性好。在雕銑機(jī)中進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制性能決定了雕銑機(jī)的加工性能,因此,在雕銑機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)中的永磁同步伺服電機(jī)控制方法的選擇與實(shí)現(xiàn)會(huì)影響整個(gè)加工精度[1]。

        電機(jī)的矢量控制是目前應(yīng)用廣泛的控制方法。近幾年來,國內(nèi)外學(xué)者將空間矢量PWM控制技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)控制中,并取得了相當(dāng)?shù)某删?。同時(shí),隨著對(duì)PMSM控制技術(shù)要求的提高,矢量PWM控制系統(tǒng)成為首選控制方案[2]。為此提出一種控制性能良好的永磁同步伺服電機(jī)矢量控制系統(tǒng),并對(duì)永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量控制原理做了相關(guān)的研究,搭建了永磁同步電機(jī)矢量控制模型并對(duì)其進(jìn)行了編程仿真研究。

        1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

        為了實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)控制,需要先對(duì)其建立良好的數(shù)學(xué)模型。在DSP控制系統(tǒng)中采用d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型,因?yàn)檫@是矢量控制原理的根本。數(shù)學(xué)模型建立過程如下。

        1.1 永磁同步電機(jī)a-b-c坐標(biāo)系的建立

        首先建立a-b-c坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型見式(1):

        其中:Va,Vb,Vc為a,b,c相電樞電壓(V);ia,ib,ic分別為a,b,c相電樞電流(A);ea,eb,ec為由永磁體磁場(chǎng)分別在a,b,c相電樞中引起的電勢(shì);Ra為電樞繞組電阻(Ω);La′為電樞繞組的自感(H);Ma′為電樞繞組間的互感(H);P為微分因子(d/dt)。

        1.2 d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型

        設(shè)兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與三相靜止坐標(biāo)系的u軸的夾角為θ,則從三相靜止坐標(biāo)系u-v-w到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d-q的變換矩陣見式(2):

        在保證電機(jī)的磁勢(shì)和功率不變的情況下,利用Clarke和Park變換,把式(1)電壓方程變換到d-q坐標(biāo)系下,即可得到電樞電壓和電樞電流都是直流量的永磁同步電機(jī)的電壓方程式[3]。d-q坐標(biāo)系下的電壓方程如式(3)所示:

        其中 Vd,Vq為d-q軸電樞電壓(V);ω為旋轉(zhuǎn)角速度;id,iq為d-q軸電樞電流(A);Ld,Lq為d-q軸定子繞組自感。

        式(4)中: Laσ為定子繞組的漏感; La0為定子繞組自感的平均值;La2為定子繞組自感的二次諧波幅值。

        因此轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的主磁通在d軸繞組中引起的反電勢(shì)為0,而在q軸繞組中引起的反電勢(shì)是 ωψf,這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子只有d軸方向的磁通,而沒有q軸方向磁通的原因[4]。

        2 永磁交流伺服電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)

        直流電機(jī)的控制方式比較簡(jiǎn)單,這是由其模型所決定。勵(lì)磁磁場(chǎng)由勵(lì)磁電流產(chǎn)生,電樞磁場(chǎng)由電樞電流產(chǎn)生,可分開控制而不會(huì)相互影響。而永磁同步電機(jī)的模型復(fù)雜,非線性而且各個(gè)量之間相互耦合,永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)是不垂直的。因此,要通過矢量控制的方式經(jīng)坐標(biāo)變化來建立虛擬的坐標(biāo)系使得兩者相互垂直,這也正是矢量控制的本質(zhì)意義所在[5]。

        2.1 矢量控制的基本原理

        從永磁同步伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以看出,對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制最終歸結(jié)為對(duì)其交、直軸電流的控制。對(duì)永磁交流同步電機(jī)的矢量控制的方法主要有:id=0控制、最大轉(zhuǎn)矩控制、弱磁控制以及控制等,該矢量控制的方法的提出是對(duì)電機(jī)控制領(lǐng)域的一個(gè)巨大的創(chuàng)新。該控制方法是將定子電流分解成產(chǎn)生磁場(chǎng)的部分和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的部分,分解后,模擬直流電機(jī)的控制方法,對(duì)這兩個(gè)組件可以單獨(dú)控制[6]。矢量控制坐標(biāo)變換結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。

        圖1 永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖

        該伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的控制過程可表示為:由圖1所示的過程框圖看出,進(jìn)給速度給定信號(hào)與編碼器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速信號(hào)相比較,經(jīng)速度調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后,輸出轉(zhuǎn)矩電流分量指令信號(hào),而d軸的參考輸入電流為0,同時(shí)利用電流檢測(cè)器采集永磁電機(jī)的定子三相交變電流,然后經(jīng)CLARKE變換和PARK變換得q軸與d軸電流iq和 id,然后使、iq和、id相比較,并經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器的處理,得出d-q坐標(biāo)系下的直軸電壓u和交軸電壓u。再通過Park逆變換電路可得α-β坐標(biāo)系下的矢量電壓u和u,由該矢量電壓通過SVPWM模塊產(chǎn)生六路PWM驅(qū)動(dòng)控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)逆變器中的開關(guān)器件。由此產(chǎn)生頻率、幅值持續(xù)可變的三相正弦電流輸入到永磁同步電機(jī)定子電樞,從而實(shí)現(xiàn)完整的速度電流雙閉環(huán)的永磁同步電機(jī)矢量控制[7]。

        2.2 SVPWM產(chǎn)生原理

        三相橋式電壓型逆變器是工業(yè)上最常用的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖4是一個(gè)典型的電壓型PWM逆變電路。該逆變電路通過控制6個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)和順序的組合以及開關(guān)時(shí)間的調(diào)整來輸出電機(jī)所需要的電流[8]。以得到諧波含量少、直流電源電壓利用率高的輸出。

        圖2 三相橋式電壓型逆變電路

        如圖2所示中的Q1~Q6是6個(gè)功率開關(guān)管,用a、b、c分別代表了3個(gè)橋臂的開關(guān)狀態(tài)。規(guī)定:當(dāng)上橋臂開關(guān)管處于“開”狀態(tài)時(shí)(此時(shí)相應(yīng)下橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)),其開關(guān)狀態(tài)為“1”;當(dāng)下橋臂開關(guān)管為“開”狀態(tài)時(shí)(此時(shí)相應(yīng)上橋臂開關(guān)管必然是“關(guān)”狀態(tài)),則開關(guān)狀態(tài)為“0”。這3個(gè)橋臂只有“1”或“0”兩種狀態(tài),因此 a、b、c可形成 000、001、010、011、100、101、110、111共8種開關(guān)狀態(tài)。其中000和111開關(guān)狀態(tài)使逆變電路輸出電壓為零,所以稱這兩種開關(guān)狀態(tài)為零狀態(tài)[9],其八種狀態(tài)如表1所示。

        表1 矢量控制的開關(guān)導(dǎo)通8種狀態(tài)與相電壓和線電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系

        3 軟件模塊及控制代碼實(shí)現(xiàn)

        在伺服電機(jī)控制領(lǐng)域,各個(gè)DSP廠家都有相對(duì)應(yīng)的系列產(chǎn)品,例如TI公司的28x系列,F(xiàn)re?escale公司的56F80x系列等,綜合考慮控制方法所用時(shí)間和計(jì)算能力,位寬,浮點(diǎn)和定點(diǎn)等指標(biāo)滿足要求的情況下,選擇TI公司的C2000系列中的28335作為控制器并利用電機(jī)控制模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)仿真,其仿真電路見圖3所示。

        永磁同步伺服電機(jī)的控制程序是基于TI的DSP開發(fā)軟件CCS平臺(tái)編寫,以下是PWM控制信號(hào)輸出的一段程序:

        圖3 伺服電機(jī)軟件控制模塊圖

        OC1C輸出75%占空比

        通過以上程序,實(shí)現(xiàn)了3種占空比類型的PWM控制信號(hào)的輸出,在實(shí)際的程序應(yīng)用中,取得了比較好的控制效果。

        4 試驗(yàn)驗(yàn)證

        根據(jù)上述永磁同步伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,采用DSP控制器完成電機(jī)三相電流的控制,并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)電流,速度等的檢測(cè)。該項(xiàng)目采用的CCS(Code Composer Studio)是TI公司提供的DSP軟件開發(fā)環(huán)境,包含一整套用于開發(fā)和調(diào)試的工具。其中編譯器、源碼編輯器可實(shí)現(xiàn)源代碼的編寫和調(diào)試。而調(diào)試器、描述器、仿真器等均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化,該項(xiàng)目中對(duì)電機(jī)的啟停,加減速控制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),數(shù)據(jù)圖形描述如下。

        如圖4、5所示是電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和三相繞組電流的曲線,從圖4中可以看出電機(jī)從零速到500 r/min的啟動(dòng)時(shí)間約為1 s,轉(zhuǎn)速上升非常平滑,無過沖,并且預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速與實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)速基本一致。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的三種曲線的變化趨勢(shì)相同,轉(zhuǎn)角增加平穩(wěn)、運(yùn)行穩(wěn)定,啟動(dòng)性能良好。從圖5看出電機(jī)在啟動(dòng)過程中三相電流是正弦波形,諧波分量少,從而減少了諧波損耗,提高電機(jī)效率。

        圖4 電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)角圖

        圖5 啟動(dòng)時(shí)三相繞組電流波形圖

        如圖6、7是DSP控制下伺服電機(jī)在階躍響應(yīng)的轉(zhuǎn)速與電流曲線,由圖6可見,實(shí)際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相比有一段時(shí)間滯后和平滑上升階段,但響應(yīng)轉(zhuǎn)速平穩(wěn),且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)的波動(dòng)小,下部分曲線表示了電機(jī)的控制電流的變化,此時(shí)在轉(zhuǎn)速增加的時(shí)電流較大,穩(wěn)定電流較小且穩(wěn)定。圖7是DSP控制下伺服電機(jī)在階躍響應(yīng)下的電流曲線電流響應(yīng)曲線,可見電流給定曲線與響應(yīng)曲線非常接近,響應(yīng)時(shí)間短、無超調(diào)、電流響應(yīng)平穩(wěn),所以該DSP控制具有優(yōu)良的電流控制特性。

        圖6 基于階躍信號(hào)的速度控制

        圖7 階躍響應(yīng)下的電流曲線

        5 結(jié)論

        本文通過永磁同步伺服電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合,指出該類電機(jī)應(yīng)具有的性能特性。為此對(duì)其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了探討和計(jì)算研究,并在此數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用DSP控制技術(shù)對(duì)永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,通過電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了算法的可行性和準(zhǔn)確性,為今后電機(jī)應(yīng)用和控制提供了理論指導(dǎo)和參考數(shù)據(jù)。

        [1]談?dòng)?高速高精度雕銑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研制[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2004.

        [2]葉益明.雕銑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用集成研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2012.

        [3]敖杰.基于TMS320LF2406A的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

        [4]高梅,王忠慶.基于DSP的交流伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(5):149-150.

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        The PMSM Vector Control of Engraving and Milling Feeding System

        WANG Xiao-dong1,WANG Tian-lei2
        (1.Guangdong Kejie Machinery Automation Co.,Ltd.,Jiangmen529030,China;2.College of Information Engineering,Wuyi University,Jiangmen529020,China)

        As a key component of feed system of CNC engraving and milling machine, the performance of control method of the permanent magnet synchronous AC servo motor(PMSM)plays an important role in the servo system.The mathematical model of PMSM is established and the vector control principle is described in detail.The current and speed double closed loop control of the servo motor is realized by using the DSP controller.The motor speed,current and angle are tested in control system are tested.Finally,verify the feasibility and accuracy of this control method by contrasting the results of motion control simulation with results of experiment,and providing theoretical basis for the control of the motor and the application in the NC machine tool.

        permanent magnet synchronous motor;vector control;CCS

        TM341

        :A

        :1009-9492(2014)12-0042-05

        10.3969/j.issn.1009-9492.2014.12.010

        王小東,男,1981年生,內(nèi)蒙古赤峰人,碩士,工程師。研究領(lǐng)域:數(shù)控系統(tǒng)研究與開發(fā)。已發(fā)表論文5篇。

        (編輯:阮 毅)

        *廣東省重大科技專項(xiàng)(編號(hào):2010A080401003)

        2014-09-11

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