运动控制系统实验指导书.docx
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运动控制系统实验指导书
实验一异步电机矢量变换控制原理实验
一、实验目的:
1.了解异步电机转子磁场定向控制的原理结构框图及硬件构成
2.了解异步电机转子磁场位置检测电流模型法
3.了解异步电动机转子磁场定向控制原理中实现矢量变换的方法及意义
二、实验设备
序号
名称
备注
1
运动控制实验箱
天煌教仪
2
三相220V异步电动机
附1024增量式编码器
3
PC机
安装运动控制软件平台
4
存储示波器
选用
三、实验线路及原理
1.运动控制系统的硬件配置
图1-1运动控制系统硬件构成
图1-1为本系统的硬件配置框图。
THKDSP-1为运动控制实验箱,箱内装有DSP主控板(B1),功率驱动板(B2)及控制电源和功率模块板(B3)。
图1-2为DSP主控板的组成框图。
它包括DSP芯片;RAM芯片IC1、IC2;E2PROM存储器芯片IC3;用于RS232串行通信的接口芯片IC4以及MC-BUSI/O连接器J1、J2。
图1-2DSP主控板组成框图
图1-3为功率驱动板框图。
它包括电动机两相电流Ia,Ib(Iu、Iv)检测;直流母线电压Vdc检测电路;保护电路;PWM信号驱动电路。
图1-3功率驱动板电路结构框图
电源功率模块板包括﹢5V,±15V,+15V三组电源和由六个IGBT构成的逆变电路。
2.异步电动机转子磁场定向控制的原理
图1-4转子磁场定向控制原理框图
电机的相电流ia,ib检测之后,经过3/2变换(Park变换)和旋转变换后得到旋转变换坐标上的二个分量isd,isq,这两个分量分别与磁通参考值isdref和转矩参考值isqref比较之后送入电流和磁通调节器PI。
电流调节器的输出即为在旋转坐标上的电压分量参考值Udref和Uqref;此二分量经旋转逆变换和3/2变换(Park变换)之后得到定子三相电压的参考值Uaref,Ubref,Ucref。
根据Uaref,Ubref,Ucref产生三相逆变器的PWM驱动信号。
转子磁通的位置角θ则由电机的模型和电机速度反馈信号计算而得。
四、实验内容
1.熟悉运动控制的系统硬件构成
2.异步电机转子磁场定向控制(FOC)得输入信号测量,ia、ib和转子磁场位置角计算
3.电流信号的3/2变换(Park变换)及旋转变换
4.isd,isq波形观察,并与isdref,isqref作比较
五、预习要求
1.仔细阅读FOC控制原理的有关章节
2.3/2变换(Park变换)与旋转变换的计算公式
3.画出异步电机的电流模型框图及有关θ计算公式
4.画出电压、电流和转子磁通的空间向量及旋转坐标的d-q轴,静止坐标a-b-c、和α-β。
六、思考题
1.异步电机转子轴的位置角是否与转子磁场的d轴完全一致?
能否用转子轴位置来替代FOC中的θ角?
2.如何根据Uaref,Ubref,Ucref来产生三相逆变桥所需要的PWM信号?
3.异步电机的FOC控制中转子磁场的位置角计算中哪些参数最易受到温度的影响?
七、实验方法
1.熟悉运动控制软件开发平台的系统结构图和基本单元。
2.连接实验线路,检查无误后给控制电路通电(通电时先加控制电路电源,后加高压电源;断电时也应先断高压电源,后断控制电路电源),运行“MotionStudio”上位机软件,检查通讯是否成功(在软件状态栏中显示);如不成功请检查串口线和端口设置。
3.平台基本参数的设定。
其设定顺序为:
1)在上位机软件中通过依次选取下列选项:
“NewProject”→“Induction”→“Position”→“Acpm750”→“IM_Position_ACPM750”,建立新的运动控制应用。
2)FOC控制只需要电流环和速度环,在“Configuration”配置中将“MotionControlLoops”对话框中的“Position/Usercontrol”选中“no”选项以去除位置环。
关于各个对话框功能的说明见点击软件上“Help”按钮打开的帮助文档。
3)点击“Motor”按钮打开电机定义对话框,电机定义方法是:
在“Database”中选择“User”,在“Motor”项中输入并保存你所用电机的各种参数。
各参数说明见点击“Help”后的帮助文档。
4)点击“Amplifier”按钮打开对话框,在“Board”项中选择“ACPM750v3.3”,点击“VDCDetection”打开直流母线电压检测对话框,点击“Start”进行直流母线电压检测,并把检测结果保存。
点击“TestPhaseconnection”打开一个对话框进行电机相位连接测试,该测试主要是对A相、B相电流采样进行验证。
上述几个操作对话框的具体说明见相应的帮助。
5)点击“Sensors”打开位置传感器对话框,点击“Testconnections”打开编码器连接测试对话框,在这里你可以通过手动旋转电机轴来检查编码器连接的对错;点击“Detectnumberoflines”打开编码器相位连接测试,同时对编码器的线数进行估计。
具体说明见对话框相应的帮助。
6)点击“Controllers”打开控制器调节对话框,本实验采用了电流控制器和速度控制器,所以应分别对这两个控制器进行调节。
在本实验中可先对电流调节器以默认参数,速度调节器的Dump_S(阻尼系数)、IPSatS(积分饱和度)和PB_S(带宽)的值分别设定为1、5、50。
7)
点击“Motion”按钮打开运动控制顺序对话框,点击按钮或“Code”下的TML语言程序打开控制设置。
在设置中选择速度模式,并在“Time”、“Reference”编辑框中分别设定为1s,和1400rpm。
同时选中其他不必要的点按“Delete”键删除。
8)
各种参数设置完成后,按按钮进行程序下载并运行。
“MotionStudio”是DSP电机控制方面的一个功能十分强大的软件,可以进行各种运动控制
4.速度阶跃给定下的电机运行试验
5.平台记录仪功能与运行变量的记录和显示
1)电流速度闭环情况下记录ia、ib、ic波形
2)电流速度闭环情况下记录isd、isq波形
3)θ(THETA)
八、实验报告
1)画出FOC的原理框图
2)画出ia、ib、ic启动时电流波形
3)直流电机理想启动过程中的电枢电流和转速波形,并与所记录的速度阶跃给定下的isd、isq波形作比较。
4)根据所记录的ia、ib和θ(THETA)值,进行Park变换和旋转变换,计算出id、iq并与“loggerdata”中的数据id、iq进行比较,是否一致。
注意本应用软件中所用的2/3变换为Park变换,即:
实验二异步电机运动控制系统电流调节器参数设计
一、实验目的
1.了解运动控制系统电流控制器的系统结构框图和硬件组成
2.了解DSP实现数字式电流调节器
3.掌握电流调节器参数调节对系统性能的影响
二、实验设备
序号
名称
备注
1
运动控制实验箱
天煌教仪
2
三相220V异步电动机
附1024线增量编码器
3
PC机
安装上位机软件
4
数字示波器
选用
三、实验线路和原理
1、异步电动机电流调节器线路原理
在电流调节器的线路中需要两路16位的数字PI调节器去调整D轴和Q轴的电流的值。
图2-1异步电机电流调节器框图
由上图可以看出,所测量的两相电流Ia、Ib先经3/2变化和旋转变换后转化为旋转坐标上的两个分量Id、Iq。
图中的电流调节器为PI离散调节器,Id、Iq在电流调节器中和I*d、I*q参考比较,计算得到的参考电压U*d和U*q,U*d和U*q根据所提供的位置信息(Δθ)经逆变换后转换为提供给逆变器的相电压参考(U*a、U*b和U*c)。
根据这些参考电压,由DSP生成的PWM信号,经功率驱动级放大后输出调制波形电压。
2、电流调节器参数调节
在本实验中电流回路通过一个离散的PI调节器进行调节,其PI调节的传递函数为:
式中Kp为电流调节器比例系数,Ki为积分系数,Ts_C为电流环取样时间。
Kp、Ki的系数通过调整电流环回路电流动态响应曲线来获取(如图2-2所示),通常是由闭环回路所希望的动态性能来完成的。
图2-2电流控制回路结构图
在MotionChip芯片内部PI调节器的执行如图2-3所示:
图2-3MotionChip电流调节器执行原理
由图可以看出,调节器需要外部输入下列参数:
●I_ref:
参考电流,由下列三种方式产生:
参考发生器(电流/转矩模式)、速度调节器输出(配置了速度环)或位置/外部变量调节器输出(在位置模式且没有速度调节器),本实验直接由参考发生器产生,即Ib。
●I_fbk:
电流反馈,即Ia。
调节器在外部信号输入到参考信号输出之间还需要一系列参数,这些参数将由“MotionStudio”软件提供。
这些参数包括:
比例部分(KPI,SFTKPI)、积分部分(KII、SFTKII)和饱和系数SATI(SATIQ:
Q轴电流调节器;SATID:
D轴电流调节器)。
因此必须考虑输入的值(电流采样比例系数)和输出的值(电压采样比例系数)之间所需要的一些参数值(KPI,SFTKPI等等)以及调节器系数调整结果(Kp和Ki)。
下面是上述一些系数的计算关系,关系式中电流调节器的参数分别用Kp_crt和Ki_crt表示:
{
上式中Kif为电流采样比例系数,通过电流传感器获取其数值,具体计算公式为:
[bits/A]。
CGa为电流传感器的增益系数,系统中选用了LEM公司的HY5-P型的霍尔电流传感器,CGa为0.8。
SFTCRT为电流偏移量系数,通常设为默认值0;
由于DSP芯片不能输入负的电压值,电机相电流信号是一个正弦信号,时正时负,所以在硬件电路中将正弦信号的电位提高为2.5V。
对于大于2.5V
的电流信号,DSP将其判断为正的电流信号,对于小于2.5V的电流信号则判断为负的电流信号。
Kuf为电压采样比例系数,通过直流电压传感器进行采样,计算关系式为:
。
上式中Ugv=5/VdcMaxMeasurement[V/V]。
VdcMaxMeasurement为母线电压检测最大值,在“Amplifier”中设定。
Kp_C_real、Ki_C_real通过在“MotionStudio”中调整“Dump_C(阻尼系数)”、“PB_C(带宽)”的值来改变。
四、实验内容
1、熟悉运动控制电流调节器的硬件构成
2、电流调节器PI调节器参数对系统性能的影响
3、isd,isq波形观察,并与isdref,isqref作比较
五、预习要求
1、仔细阅读运动控制电流调节器的有关原理
2、电流调节器PI调节对系统性能的影响,工程中常用的闭环频率特性带宽和阻尼系数设计方法
3、Ia、Ib转换为Id、Iq的计算公式
六、思考题
1、理想电流调节器的Id、Iq动态响应波形是怎样的?
一般响应时间为多少?
2、在电流调节器参数整定时,如果电流的动态响应出现严重的超调,应改变哪一个参数?
3、在电流调节器参数整定时,如果电流响应时间太慢,应如何调整参数?
4、比较电流环与速度环的带宽大小。
七、实验方法
1、熟悉运动控制软件开发平台的系统结构图和基本单元。
2、连接实验线路,给控制电路供电(通电时先加控制电路电源,后加高压电源;断电时也应先断高压电源,后断控制电路电源),运行“MotionStudio”上位机软件,检查与硬件通讯是否成功(在软件状态栏中显示),如不成功请检查串口线和端口设置。
3、平台基本参数的设定。
其设定顺序为:
1)在上位机软件中通过依次选取下列选项:
“NewProject”→“Induction”→“Position”→“Acpm750”→“IM_Position_ACPM750”,建立新的运动控制应用。
2)在“Configuration”配置中将“MotionControlLoops”对话框中的“Currentcontrol”和“Speedcontrol”选中。
同时将“ExtendedsetofParameters”栏中选取“Yes”选项以打开电流调节器的调整。
将速度调节器选中是为了观察电流调节器参数的改变对电机运行的影响。
关于各个对话框功能的说明见点击软件上“Help”按钮打开的帮助文档。
3)点击“Motor”按钮打开电机定义对话框,电机定义方法是:
在“Database”中选择“User”,在“Motor”项中输入并保存你所用电机的各种参数。
各参数说明见点击“Help”后的帮助文档。
4)点击“Amplifier”按钮打开对话框,在“Board”项中选择“ACPM750v3.3”,点击“VDCDetection”打开直流母线电压检测对话框,点击“Start”进行直流母线电压检测,并把检测结果保存。
点击“TestPhaseconnection”打开一个对话框进行电机相位连接测试,该测试主要是对A相、B相电流采样进行验证。
上述几个操作对话框的具体说明见相应的帮助。
5)点击“Sensors”打开位置传感器对话框,点击“Testconnections”打开编码器连接测试对话框,在这里你可以通过手动旋转电机轴来检查编码器连接的对错;点击“Detectnumberoflines”打开编码器相位连接测试,同时对编码器的线数进行估计。
具体说明见对话框相应的帮助。
6)点击“Controllers”打开调节器调节对话框,本实验主要采用的是电流调节器。
图2-4电流调节器参数对话框
在电流调节器的调整中,首先点击“Tune”按钮,在弹出的对话框(图2-2)中点击“IdentificationResistanceandInductance”按钮打开电机定子阻抗检测对话框,该对话框对之前所输入的电机定子阻
图2-5电流调节器调整对话框
抗和机电时间常数的值进行验证。
调整电流调节器的阻尼系数(Dump_C)和带宽(PB_C)的值,从而软件根据所提供的阻尼系数和带宽的值自动计算出电流调节器调整所需要Kp、Ki的值。
点击“Test”按钮打开电流调节器调整测试对话框(图2-6),运行后可以在下面的波形记录仪上可以观察Uqref、Iqref和Iq的波形变化。
根据Iq的波形判断电流调节器的性能好坏。
关闭电流调节器调整测试对话框将弹出一个对话框(图2-7),该对话框询问是否打开转子时间常数和励磁电流等参数校验,确定运行后可对电机参数进行验证。
图2-6电流调节器测试对话框
图2-7电机参数校验
通过反复调整电流调节器的阻尼系数和带宽的值来使调节器达到最好的工作性能。
在速度调节器中将速度调节器调整中(点击“Tune”按钮进入)的对话框中将Dump_S(阻尼系数)、IPSatS(积分饱和度)和PB_S(带宽)的值分别设定为1、5、50。
7)
点击“Motion”按钮打开运动控制顺序对话框,点击按钮或“Code”下的TML语言程序打开控制设置(图2-8)。
在设置中选择速度模式,并在“Time”、“Reference”编辑框中进行设定。
如图2-7中所示,表示速度将在1秒钟内上升到1000rpm。
同时选中其他不必要的点按“Delete”键删除。
8)
各种参数设置完成后,按按钮进行程序下载并运行。
图2-8运动轮廓设置
由于本实验着重于电流调节器的参数设计,对于速度调节器的参数将在下一实验指出,本实验加上速度调节器是为了便于观察电流调节器的参数改变对电机运行的影响。
4.平台记录仪功能与运行变量的记录和显示
1)在电流调节器各种PI调节参数下记录电机运行时的ia、ib、ic波形
2)在电流调节器各种PI调节参数下记录电机运行时的isd、isq波形
八、实验报告
1.画出ia、ib、ic启动时电流波形。
2.直流电机理想启动过程中的电枢电流和转速波形,并与所记录的速度阶跃给定下的isd、isq波形作比较。
3.电流调节器参数调节时阻尼系数、带宽对系统的影响。
实验三异步电机运动控制系统速度调节器参数设计
一、实验目的
5.了解运动控制系统速度调节器的系统结构框图和硬件组成
6.了解DSP实现数字式速度调节器
7.掌握速度调节器参数调节对系统性能的影响
二、实验设备
序号
名称
备注
1
运动控制实验箱
天煌教仪
2
三相220V异步电动机
附1024线增量编码器
3
PC机
安装上位机软件
4
数字示波器
选用
三、实验线路和原理
1.异步电动机速度调节器线路原理
图3-1异步电机速度调节器框图
在一个闭环控制系统中,其设计的一般原则是:
从内环开始,一环一环地逐步向外扩展。
因此在本实验中也应从电流环入手,首先设计好电流环的参数,方法同实验二;然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计转速调节器。
由上图可以看出,在内部电流环中,所测量的两相电流Ia、Ib先经3/2变化和旋转变换后转化为旋转坐标上的两个分量Id、Iq。
同时Id、Iq在电流调节器中分别与I*d参考和I*q参考比较,计算得到的参考电压U*d和U*q,U*d和U*q根据所提供的位置信息(Δθ)经逆变换后转换为提供给逆变器的相电压参考(U*as、U*bs和U*cs)。
根据这些参考电压,由DSP生成PWM信号,经功率驱动级放大后输出调制波形电压。
而整个电流环作为外部速度环的一个环节来处理,对于一个速度闭环系统来说,需要一个用于检测速度的传感器,在本实验系统中采用了增量型旋转编码器,其工作原理是:
在编码器内部由有一个固定在底盘上的指示光栅和跟随主轴旋转的圆光栅,光线透过圆光栅和指示光栅的线纹,在光电元件上形成明暗交替变化的条纹,产生两组近似于正弦波的电流信号A和B,两者的相位相差90°,经放大、整形电路变成方波。
若A相超前于B相,对应电动机作正向旋转;若B相超前于A相,对应电动机作反向旋转。
图3-2编码器信号处理线路
速度调节器把编码器反馈回来的速度信号Ωm与程序所提供的参考信号Ω*m比较,产生提供给电流调节器的I*q参考信号。
同时编码器反馈回来的速度信号Ωm根据弱磁特性提供给电流调节器I*d参考信号。
2.速度调节器参数调节
在为电流调节器产生速度参考的速度调节器采用的是一个PI调节器,其PI调节的传递函数为:
式中Kp为速度调节器比例系数,Ki为积分系数,Ts_S为电流环取样时间。
Kp、Ki的系数通过调整闭环回路来获取(如图3-3所示),通常是由闭环回路所希望的动态性能来完成的。
图3-3速度控制回路结构图
图3-3展示了一种标准的控制结构,对于实际应用来说,速度调节器还可以根据运动控制系统机械特性,对一些前馈信息进行处理,如:
相关的加速度(受模型惯量影响)、相关的速度(受模型黏性摩擦影响)以及负载转矩(受模型负载转矩影响)。
其结构图如图3-4所示:
在DSP控制芯片内部速度PI调节器的执行如图3-4所示:
图3-4带前馈速度调节器结构图
在MotionChip芯片内部PI调节器的执行如图3-5所示:
图3-5MotionChip速度调节器执行原理
由图可以看出,调节器需要外部输入下列参数:
●speed_ref:
参考速度,由下列方式产生:
参考发生器(在速度模式)或位置/外部变量调节器输出(在位置/外部变量模式)。
●speed_fbk:
速度反馈,通过速度传感器反馈提供。
●acc_target:
目标加速度,由参考发生器提供。
●speed_target:
目标速度,由参考发生器提供。
●torque_load:
负载转矩,由负载转矩传感器提供。
同时输出下列参数:
●I_ref:
参考电流,电流调节器PI调节的参考输入。
在输入和输出之间还需要一些数字表达的参数:
比例部分(KPS、SFTKPS)、积分部分(KIS、SFTKIS、IMAXS)、前馈部分(KFFA、KFFS、KFFL、SFTKFF)和饱和系数(SATS)。
因此需要知道数字表达的参数(KPI、SFTKPI等)和调节器产生的系数(Kp、Ki等)之间的关系。
这些关系必须考虑输入比例系数(速度)和输出比例系数(电流)。
下面是相关系数的计算公式:
{
上式中Kif为电流采样比例系数,通过电流传感器获取其数值,具体计算公式为:
[bits/A]。
CGa为电流传感器的增益系数,系统中选用了LEM公司的HY5-P型的霍尔电流传感器,CGa为0.8。
SFTCRT为电流偏移量系数,通常设为默认值0;
Kvf为速度采样比例系数,通过速度传感器进行采样,其计算公式为:
在本实验系统采用脉冲编码器对速度进行估计,PS_resolution的值为脉冲编码器分辨率的4倍,Ts_S为速度环采样周期。
Kp_S_real、Ki_S_real通过在“MotionStudio”中调整“Dump_C(阻尼系数)”、“PB_C(带宽)”的值来改变。
四、实验内容
1.熟悉运动控制速度调节器的硬件构成
2.速度调节器PI调节对系统性能的影响
3.isd,isq波形观察,并与isdref,isqref作比较
五、预习要求
1.仔细阅读运动控制速度调节器的有关原理
2.速度调节器PI调节对系统性能的影响,工程中常用的闭环频率特性带宽和阻尼系数设计方法
3.增量式编码器的工作原理,速度测量误差与哪些因素有关
六、思考题
1.比较速度环和电流环的带宽大小
2.在速度调节器的参数整定时,如果电机出现振荡,应如何调整参数
3.在速度调节器的参数整定时,如果电机转速达不到预先设定的转速,应如何调整参数
4.理想速度调节器速度跟踪的时间一般是多少
七、实验方法
1.熟悉运动控制软件开发平台的系统结构图和基本单元。
2.连接实验线路,给控制电路供电(通电时先加控制电路电源,后加高压电源;断电时也应先断高压电源,后断控制电路电源),运行“MotionStudio”上位机软件,检查与硬件通讯是否成功(在软件状态栏中显示),如不成功请检查串口线和端口设置。
3.平台基本参数的设定。
其设定顺序为:
1)、在上位机软件中通过依次选取下列选项:
“NewProject”→“Induction”→“Position”→“Acpm750”→“IM_Position_ACPM750”,建立新的运动控制应用。
2)、在“Configuration”配置中将“MotionControlLoops”对话框中的“Currentcontrol”和“Speedcontrol”选中。
同时将“ExtendedsetofParameters”栏中选取“Yes”选项以打开电流调节器的调整。
关于各个对话框功能的说明见点击软件上“Help”按钮打开的帮助文档。
3)、点击“Motor”按钮打开电机定义对话框,电机定义方法是:
在“Database”中选择“User”,在“Motor”项中输入并保存你所用电机的各种参数。
各参数说明见点击“Help”后的帮助文档。
4)、点击“Amplifier”按钮打开对话框
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