基于FPGA的高精度交流伺服系统研究硕士研究生学位论文.doc

硕士学位论文基于FPGA的高精度交流伺服系统研究A Thesis Submitted in Partial of Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch on High Precision AC Servo System Based on FPGA Candidate:Zheng LuMajor:Electric Machine and ApparatusSupervisor:Prof. Huang ShenghuaHuazhong University of Science & TechnologyWuhan 430074, P.R.ChinaFeb., 2007独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日摘 要随着电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术的快速发展，交流伺服驱动技术取得了很大的进步。由于永磁同步电机有着电磁转矩纹波系数小、运行平稳、动态响应快、可靠性高等优点，在高精度、高性能要求的伺服驱动领域，永磁同步电机伺服系统已逐渐成为交流伺服的主流。本文首先介绍了伺服系统的概念和组成、发展和应用及基本要求，然后推导出永磁同步电机的数学模型，分析其空间矢量图及时间向量图，并根据实际情况提出了按励磁磁场定向的矢量控制方法。接着本文对单电源供电的线性放大电路进行了详细分析，给出了线性放大电路的接线方法和电路设计方法，和双电源供电放大电路作了比较，并给出了仿真波形和实验结果。在第四章，介绍了一种速度曲线生成的方法，并给出由matlab 7.0生成的曲线波形。然后结合实际使用的混合式光电编码器，介绍了位置检测的方法，并描述了三种基本的速度检测算法，指出了各方法适用的场合及优缺点。第五章介绍了Cyclone系列EP1C12Q240C8 FPGA芯片的结构特点，并根据实际系统对系统硬件设计作了详细的阐述。第六章介绍了FPGA的开发流程，详细描述了各模块的设计方法及思路，提出了一种基于FPGA的四倍频电路的实现方法，并用Quartus对各模块做了时序仿真，并给出仿真波形。最后用永磁同步电机对该系统做了实验，记录并分析了电压以及电流波形，且用用Quartus软件中的SignalTap直接测出了速度波形。关键词：伺服系统，永磁同步电机，矢量控制，线性放大，FPGAAbstractUnder the development of motor technology, modern power electronics, microelectronics technology, control technology and computer technology, AC servo drive technology has promoted great progress. As permanent magnet synchronous motor has the merits of low electromagnetic torque ripple coefficient, stable operation, rapid the dynamic response, high reliability, permanent magnet synchronous motor servo system has gradually become the mainstream of AC servo system in the high-precision, high-performance servo drive field. This paper introduced the conception, composition, development and application of the servo system, as well as the basic requirements of it. Then it derived a mathematical model of PMSM to analyze its time and space vector map. The magnetic field oriented vector control methods are promoted here in accordance with the actual situation.Then the paper supplied a detailed analysis of the single power supply amplified circuit, provided the method of the wiring and circuit design of linear amplifier, compared with the dual power supply amplification circuit, gave the waveform of the simulation and experimental results.In Chapter 4, a method of the formation of velocity curve was given. The methods of initial rotor position detection for PMSM using incremental encoder are discussed. Three basic algorithm of measuring speed is given, and Advantages and disadvantages of methods were indicated. Chapter 5 introduced the characteristic of structure of Cyclone series EP1C12Q240C8 FPGA. And it has provided a detailed description of the hardware design based on the actual system. Chapter 6 introduced the FPGA development process, described a detailed design method and idea of each module and proposed a four-frequency circuit designing method based on FPGA. Quartus II was utilized to simulate the timing of each module. And the simulation waveform was shown here.Finally, an experiment was carried out by PMSM, the voltage and current waveforms were recorded and analyzed. We also used the SignalTap II in Quartus II to measure the velocity waveform directly.Keywords : servo system, PMSM, vector control, linear amplification, FPGA目 录摘要IAbstractII1 绪论1.1交流伺服系统(1)1.2永磁同步电机(3)1.3本文研究的主要内容(6)2 同步电机矢量控制原理2.1 永磁同步电机数学模型(7)2.3 永磁同步电机控制策略(11)3 线性放大电路3.1 线性放大电路结构分析(15)3.2 单电源线性放大电路(17)4 位置检测和速度计算4.1速度曲线的生成(24)4.2 位置检测(27)4.3速度计算(29)5基于FPGA的高精度交流伺服系统硬件设计5.1 FPGA简介(31)5.2伺服系统结构框图(33)5.3系统硬件设计(34)6 基于Verilog HDL的FPGA设计6.1 FPGA开发流程和常用软件(38)6.2 Verilog HDL简介(40)6.3 FPGA设计(40)7 实验结果(47)全文总结(50)致谢(51)参考文献(52)附录 攻读硕士学位期间发表的论文(56)1 绪 论1.1 交流伺服系统1.1.1 伺服系统的概念及组成伺服系统是以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。伺服系统是自动控制系统的一个分支，它是伴随电的应用而发展起来的，最早出现于20世纪初。1934年第一次提出了伺服机构(servomechanism)这个词，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，并得到广泛应用。近几十年来在新技术革命的推动下，特别是伴随着微电子技术和计算机技术的飞速进步，伺服技术更是如虎添翼、突飞猛进。它的应用几乎遍及社会的各个领域1。从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。伺服系统方框图如下图所示：图1-1 伺服系统方框图一般闭环伺服系统为三环结构，即位置环、速度环和电流环。其中电流环为最内环，响应速度应最快，位置环为最外环，响应速度最慢。位置、速度和电流环均由调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。1.1.2 交流伺服系统的应用及发展伺服系统服务的对象种类繁多，如机器人手臂各关节的运动控制，仿型铣床与被加工工件之间相对运动轨迹的控制，跟踪雷达天线俯仰角、方位角的自动控制、电动控制阀门的位置控制、计算机的磁盘、光盘的驱动控制等，都需要伺服系统。伺服系统应成为所服务对象的有机组成部分，尽管各对象的机械结构、传动形式多种多样，对伺服系统的要求也有差别，但共同的一点是带动对象按需要的规律作机械运动2。自20世纪80年代后期以来，随着现代工业的快速发展，对作为工业设备的重要驱动源之一的伺服系统提出了越来越高的要求，研究和发展高性能交流伺服系统成为国内外同仁的共识。有些努力已经取得了很大的成果，“硬形式”上存在包括提高制作电机材料的性能，改进电机结构，提高逆变器和检测元件性能、精度等研究方向和努力。“软形式”上存在从控制策略的角度着手提高伺服系统性能的研究和探索。如采用“卡尔曼滤波法”估计转子转速和位置的“无速度传感器化”；采用高性能的永磁材料和加工技术改进PMSM转子结构和性能，以通过消除/削弱因齿槽转矩所造成的PMSM转矩脉动对系统性能的影响；采用基于现代控制理论为基础的具有将强鲁棒性的滑模控制策略以提高系统对参数摄动的自适应能力；在传统PID控制基础上进入非线性和自适应设计方法以提高系统对非线性负载类的调节和自适应能力；基于智能控制的电机参数和模型识别，以及负载特性识别。1.1.3 对伺服系统的基本要求工程上对伺服系统的技术要求很具体，由于系统所服务的对象不同、用途不同，因而对系统的要求也有差别。但可以将技术要求归纳成以下几个方面：1精度高。伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。2稳定性好。稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。3快速响应。快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。4调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。5低速大转矩。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制，在整个速度范围内都要保持这个转矩；主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制，具有足够大的输出功率。1.2 永磁同步电机近10年来，永磁同步动机性能快速提高，与感应电动机和普通同步电动机相比，其控制简单、良好的低速运行性能及较高的性价比等优点使得永磁无刷同步电动机逐渐成为交流伺服系统执行电动机的主流。尤其是在高精度、高性能要求的中小功率伺服领域。1.2.1 永磁同步电机的发展及应用美国GE公司早在五十年代就研制了一批数百瓦的永磁同步电动机，德国西门子公司自五十年代开始经过十年多，研究出各种不同用途、性能良好的永磁同步电动机，七十年代后期就生产出了30千瓦的电机。日本明电舍公司在六十年代后期就已有永磁同步电动机的系列产品供应。日立公司在七十年代就研制出高速的永磁同步电动机。我国自七十年代后期也陆续研制出多种结构的永磁同步电动机。目前，永磁电机的输出功率可以做到大至1000kw以上，小至毫瓦级，不仅覆盖了微、小及中型电机的功率范围，且延伸到了大功率领域。八十年代以来，永磁同步电机以其高转矩惯量比、高能量密度和高效率等优异性能，在中小容量范围内获得了广泛应用。当前，永磁电机在军事上的应用是绝对占优势的，几乎取代了所有电磁电机。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。如汽车电机现以永磁电机为主;数控和精密机床也大量应用永磁电机;信息产业中永磁电机的应用面广、类型多、量大;家用电器中永磁电机取代异步电机的地方也不少，如空调已开始用永磁直流无刷电动机带动空调压缩机和通风机，洗衣机用永磁直流无刷电动机带动洗衣桶旋转等。1.2.2 永磁同步电动机的分类按磁通分布的不同，永磁同步电机分为正弦波电流驱动的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor)和方波电流驱动永磁同步电机(Brushless DC Motor)。两者有很多相似之处：转子皆有磁钢，定子通以对称交流电才能产生转矩；它们之间最大的区别是：正弦波电流驱动的永磁同步电机(PMSM)具有正弦波的反电动势波形，而方波电流驱动永磁同步电机(BLDCM)具有梯形波的反电动势波形。因此，两种电动机在结构形式上也有区别，PMSM 的转子磁钢形状呈抛物线形，在气隙中产生的磁通密度尽量呈正弦形分布，定子电枢绕组采用短距式分布绕组，能最大限度地消除谐波磁动势；而BLDCM 的转子磁钢的形状呈弧形（瓦形），磁极下定转子气隙均匀，气隙磁通密度呈梯形分布，定子电枢绕组多采用整距集中式绕组4。按转子形状的不同，永磁同步电机可以分为两类:一类是突极式永磁同步电机，另一类是隐极式永磁同步电机。它们的根本不同在于转子磁极所在的位置，突极式永磁同步电机转子磁极是突起在轴上的，而隐极式永磁同步电机的转子磁极是内置在轴内的。突极式转子具有明显的磁极，定子和转子之间的气隙是不均匀的，因此其磁路与转子的位置有关。1.2.3 永磁同步电动机的结构与特点永磁同步电机本体是由定子和转子两大部分组成。定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称同分布在它们槽中的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。其定子和异步电动机的定子结构基本相同。空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场。转子是指电动机在运行时可以转动的部分，通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁磁钢等部分组成。磁极铁心由钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈N与S交替排列。转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身的运转。永磁同步电机的励磁磁场可视为恒定。永磁同步电动机根据磁性材料的不用类型可有各种不同的结构设计。目前一般采用稀土永磁材料做磁钢(一般都是具有很高的剩余磁通密度(0.9T)和很大的矫顽力)。稀土永磁材料的另一个特点是它的磁导率与空气磁导率相仿，对于径向结构的电动机交轴和直轴磁路磁阻都很大，可以很大程度上的减少电枢反应。虽然不同的永磁同步电机转子结构差异很大，但由于永磁材料的使用，使得永磁同步电动机有如下的特点：（1）电机电磁转矩纹波系数小，运行平稳，动态响应快，过载能力强。永磁同步电动机比异步电动机对电压和转矩的扰动具有更强的承受能力。异步电动机负载转矩发生变化时，要求电机的转差也跟随变化，即电机的转速发生相应的变化，但是系统转动部分的转动惯量阻碍电机转速的相应变化，从而降低了电机的响应频率。永磁同步电动机的负载转矩发生变化时，仅需要电机的功角适当改变，而转速维持在原来的同步速不变，转动部分的转动惯量不会影响电机转矩的快速响应。永磁同步电动机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的三倍以上，使得永磁同步电机非常适合在负载转矩变化较大的工作情况下运行3。（2）高功率因数、高效率。转子采用永磁体，无需励磁电流，提高了效率，而且同步电机的功率因数可以调节，甚至可以达到1。（3）体积小、重量轻。近些年随着高性能永磁材料的不断发展和应用，永磁同步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和重量都有较大的减少，使其适合应用在许多特殊的场合。（4）结构多样化，应用范围广。由于永磁同步电动机转子结构的多样化，衍生出许多特点和性能各异的品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动工具到高科技产品，几乎无所不在。（5）可靠性高。与直流电动机和电励磁同步电动机相比，没有电刷，结构简单，系统的可靠性高。1.3 本文研究的主要内容（1）介绍了交流伺服系统的概念及应用，分析永磁同步电机的基本结构，并导出其数学模型，介绍了永磁同步电机矢量控制的基本原理；（2）分析了单电源供电线性放大电路的性能特点，做了仿真并给出仿真结果和实验结果。（3）分析了如何生成速度曲线作为速度给定。（4）分析了位置检测的方法及转速计算方法。（5）介绍了基于FPGA的单芯片高精度卫星天线伺服系统（以下简称FPGA控制系统）的硬件和功能模块设计；（6）给出了试验的结果，并根据试验结果进行了分析。2 同步电机矢量控制原理2.1 永磁同步电机数学模型2.1.1 坐标变换电机坐标变换是研究电机动态性能及电机控制的强有力的工具。最常用的电机坐标系有三种，既静止的三相a、b、c系统，静止的、0系统和旋转的d、q、0系统。设不同绕组形式的电机每相绕组有效匝数相等，那么若磁势相等，磁势除以相同的匝数，则其综合矢量也就相等。因此就可以用综合电流矢量作为坐标变换的中间桥梁910。（1）静止的a、b、c系统与静止的、0系统的变换关系在a、b、c系统中，有 （2-1）在、0系统中，有 （2-2）式中：零序分量，该分量对旋转磁势无影响。 当把轴与轴取在同一轴线上时，比较（2-1）式与（2-2）式，令实部等于实部，虚部等于虚部，即可得 （2-3）式中变换矩阵下标的含义是静止三相到静止二相的变换。对求逆可得到，所以有 （2-4）当已知综合电流矢量而要求得各相绕组电流瞬时值时，只需把综合电流矢量在各绕组上投影即成，设与a轴的夹角为,有 （2-5） （2-6）对三相无中线星形接法或三角形接法的电机，这时式（2-4）、式（2-5）、式（2-6）中的都可省去。（2）静止的、0系统与旋转的d、q、0系统的变换关系设轴与之间的夹角为，则有： （2-7）根据式（2-2）与式（2-7）可得： （2-8） （2-9）若=0，则可略去项。（3）a、b、c系统与d、q、0系统的变换关系利用矩阵乘法，立即可求得： （2-10） （2-11）2.1.2 数学模型PMSM的定子和普通三相同步电动机的定子是相似的，转子上装有永久磁钢，定子和转子间通过气隙磁场耦合，由于电机定子与转子间有相对运动，而且三相永磁同步电机本身即是一个多变量、强耦合、非线性的系统，其数学模型比直流电机复杂的多。为了简化分析，在推导 PMSM 的数学模型时，作出以下假设：（1）忽略铁心饱和；（2）反电动势是正弦的，忽略高次谐波；（3）磁滞和涡流损耗不计；（4）转子上没有阻尼绕组，永磁体也没有阻尼作用。不考虑温度和频率变化对电机参数的影响。我们取永磁体基波磁场的方向为d铀，而q轴顺着旋转方向超前d轴电角度，建立旋转的d-q坐标系。图2-1是PMSM的简略模型图。在d-q坐标系下，电机的定子电压方程为： （2-12）磁链方程为： （2-13）其中、为d-q轴上的定子电压，、为d-q轴上的定子电流，、为d-q轴上的定子电感，为定子绕组电阻，为转子旋转的电角速度，为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链，、为d-q轴上的磁链分量，为微分算子。图2-1 PMSM简略结构图稳态运行时d轴和q轴的电流恒定，在d-q坐标系中有： （2-14）根据上一节的知识，转换到a、b、c坐标系下可得： （2-15）设综合电压矢量的大小为，综合电压矢量和d轴夹角为，则在d-q坐标系中有： （2-16）转换到A-B-C坐标系下面有： （2-17）输入总功率 （2-18）输出的电磁转矩可由下式求得： （2-19）将式（2-3）代入可得： （2-20）电机的运动方程为 （2-21）上面几式中，为电机极对数；为电磁转矩；为负载转矩；为电机及负载的转动惯量；为粘滞摩擦系数；为电机转子的机械角速度。根据式（2-14）和式（2-20），可求得： （2-22）对于凸装式转子永磁同步电动机，可以认为，于是电磁转矩为： （2-23）2.3 永磁同步电机控制策略2.3.1 同步电动机的空间矢量图与时间向量图为使分析问题时的重点突出，分析时假定：电动机为隐极电机，略去凸极效应；不计阻尼绕组的影响；略去定子绕组电阻，定子漏抗的影响。那么，2极同步电动机的空间矢量图如图2-2a)所示。图中的下标含义为：s定子，f励磁磁场，R合成；图中，除参考轴的符号标上了箭头外，其它所有空间矢量符号都没有再标箭头。励磁磁势沿磁极轴线轴方向，轴与轴的夹角为，定子磁势与的夹角为，气隙合成磁势，与、的夹角分别为、。定子综合电流矢量可以分解成与两个分量，在气隙合成磁势轴线上，为磁化分量；与垂直，为转矩分量10。图2-2 b) 画出了A相绕组的电流、电压与磁链的时间相量图。是对A相绕组的磁链相量，是电流相量。根据电机学原理，与的空间夹角就是时间相量与的夹角。A相绕组的感应电势超前于，且。在略去定子绕组电阻、漏抗时，有。与的夹角就是同步电动机的功率因数角。因此，可以在图2-2a)中把与的夹角标注成功率因数角。若能使，即0，则同步电动机的功率因数。从图2-2空间矢量图的矢量关系可得，电机的电磁转矩T为： （2-24） 图2-2 同步电动机的矢量图a) 空间矢量图b) A相的时间相量图2.3.2 同步电机矢量控制原理由于同步电动机励磁磁势的方向在转子磁极轴线轴上，的大小在永磁电动机中也是恒定不变的。根据上述表达式可知，只要能控制定子磁动势的大小及方向，就能控制电机的转矩T，从而实现对电机转速n的控制。在控制时，若把的大小与方向同时改变（或调节）则比较麻烦，且一般情况下也没有必要，因此通常把的方向对某根轴线固定成一个确定的值，而只改变()的大小来控制转矩，这就是同步电动机的磁场定向控制或矢量控制的设计思想10。当按d轴定向时，同步电动机的空间矢量图如图2-2所示。电机转矩表达式可进一步写成： （2-25） 图2-3按励磁轴线定向时永磁同步电动机的空间矢量图对于永磁同步电动机，因Ff恒定，故转矩T正比于的大小，在控制系统中由速度调节器输出的转矩指令就可以直接作为综合电流大小的指令。由此可得如下矢量控制方法：首先，当采用位置、速度和电流闭环控制时，通过速度环的速度调节器输出转矩指令，由于，所以指令可直接作为综合电流大小的数字指令；其次，利用可连续检测角度位置信号的位置传感器，测得励磁磁极轴线(d轴)与A相绕组轴线(a轴)之间的夹角，或者直接测得与a轴的夹角（）；再次，根据角的大小，把分解成三相绕组电流的指令、（这三个相电流指令是电流的瞬时值指令），如下式所示 （2-26）用角去实现、的分配过程，其实质是实现了对方向的控制；最后把大小和方向的数字指令，通过DA芯片转换和主电路的线性放大，使输出的三相电流、完全跟踪、，也就最终实现了对大小及方向控制的目的。其控制原理如图2-4所示。图2-4 控制系统原理图在此系统中，我们采用线性放大电路来代替三相PWM逆变器，以提高系统精度，后面一章将对线性放大电路的特点和主要性能做出详细的分析。3 线性放大电路永磁同步伺服电动机主要由转子和定子两大部分组成。在转子上装有永磁体，用以产生恒定磁场。转子上的永磁材料可以采用铁氧体或稀土永磁材料。高性能而价格适宜的永磁材料，为提高电动机的伺服性能和实用化提供了条件。电机定子绕组外加SPWM波电压产生三相正弦波电流形成圆形旋转磁场，驱动电机旋转。采用SPWM电压波驱动永磁同步伺服电动机，可以使控制器主电路功率器件工作在高频开关状态，具有系统效率高、功率密度高、输出功率大等优点。但SPWM波所造成的高次谐波对于高精密伺服系统仍有一定影响，因此在微型高精度伺服系统中采用线性功率放大器是一种可行的选择。线性放大器主电路具有输出波形谐波含量低、电磁兼容性好等优点，特别是在微小功率（100W）的电机驱动中有较大的优势。考虑到驱动伺服系统的转速精确度及电磁兼容性的要求，所以我们采用线性放大器主电路并加以合理设计的滤波电路，使系统的电磁兼容性满足要求。采用双电源供电的三相放大电路技术已经比较成熟，实现起来也比较简单，但是，有些用于航天级以及军用级的伺服系统，考虑到电源对系统的影响，要求线性放大电路中，供电电源只能用到±12V给运放供电以及+27V给功率放大器供电，那么就必须设计基于单电源功率放大器的三相放大电路。3.1 线性放大电路结构分析线性放大电路的示意图如图3-1所示，其中、分别表示三相电流的给定值，、分别表示三相电流的反馈值，两者相减之后分别通过三相的电流调节器进行调节，再经过线性功率放大电路（图中的K）之后作为定子电流直接输出到电机定子上。线性放大电路由两部分组成，一部分是电流闭环调节器，用来对电流实现P调节，另一部分是功率放大器，用来放大电压及电流，使得能够驱动电机，两部分都是用硬件来实现的2425。图3-1 线性放大主电路示意图 电流闭环调节器部分包括电流采样和电流调节器。电流采样根据功率放大部分供电电源的不同有不同的形式。如果功率放大部分采用的是双电源供电，电流可以直接通过采样电阻得到，电路的接线如图3-2所示。这时候控制电路、线性放大电路和电机是共地的。为了接入取样电阻，电机定子绕组要引出六个端子，分别为A、X、B、Y、C、Z，串入采样电阻之后接成星型，中性点再和控制电路、驱动电路的地接到一起。功率放大部分采用双电源供电时电流采样比较简单。图3-2 功率放大电路用双电源供电时的接线方法电流调节器一般采用比例调节。由于采用硬件来实现，电流环的响应很快，和速度环和位置环的时间常数相比电流环的时间常数基本上可以忽略，所以在分析速度环和位置环时我们可以认为电流环响应没有延时，这简化了控制环路的分析。功率放大部分用来放大电流信号，放大倍数要根据实际系统的要求来选取。功率放大电路一般选用功率运算放大器来实现，功率运算放大器要根据电压、电流、封装、功耗等要求来选取，还要考虑其供电方式（某些功率运算放大器不能采用单电源供电）。目前市场上有很多种功率运算放大器可供选择，如TI公司的OPA548、OPA549，Apex公司的PA92、PA95等。3.2 单电源线性放大电路3.2.1 电路设计单电源供电时，功率放大器输出的是单极性电压，为使得定子中流过双极性的三相电流，定子一端X、Y、Z直接在点机内部接成星型。在这种情况下，采样电阻不能直接通过采样电阻获得。我们将采样电阻与电机每相绕组串联，再将采样电阻两端的电压差通过差分电路放大，就能得到具体的电流数值。接线方式如图3-3所示。图3-3 功率放大电路用单电源供电时的接线方法(1) 差分放大电路差分放大电路如图3-4所示，其中I为定子电流，U为放大电路输出电压，为采样电阻，设计时我们取，可以得到： （3-1）图3-4 差分放大电路（2）P调节比较电路P调节比较电路比较简单，只用构造一个加法器即可，如图3-5所示。图中为反馈电流，为给定电流，为比较后的电压，其值为： （3-2）图3-5 P调节比较电路（3）电压偏移电路因为，均为双极性电压，所以也为双极性。而功率放大器采用单电源供电，它的输入电压必需为单极性，那么就需要对进行偏移，使之位于零点之上。偏移电路如图3-6所示，其中为偏移电压，作为功率放大器的输入。 （3-3）由于必须满足（为功率放大器晶体管开启电压），后面功率放大器才能在单电源下正常工作，所以应适当选取和的值，使得满足： （3-4）而其中为双极性电压，考虑到提供的电源电压只有+27V和±12V，这里我们取，那么偏移量的大小由的取值决定，越大，偏移量越小，越小，偏移量越大。偏移量过大会引起功率放大电路饱和失真，太小则无法满足式（3-4），单电源供电的功放将无法正常工作，。所以应当根据电路适当设置偏移量的大小。 图3-6 电压偏移电路（4）功率放大电路功率运放我们选用TI公司的OPA548T，它既可以采用双电源供电，也可以采用单电源供电。最大电压±30V，最大通过的连续电流3A，最大峰值电流5A。功率放大电路如图3-7所示，这是一个同相放大电路，易求得： （3-5）将（3-4）式代入可得： （3-6）可见，功放输出电压中包含一个单极性的偏移量。所以需如图3-3将定子接成星型，使得偏移量相互抵消。图3-7 功率放大电路3.2.2电路原理图及PSPICE仿真通过以上分析，该电路由四级放大电路组成，电路图如图3-8所示。图3-8 线性放大电路原理图根据图6所示电路搭建仿真模型，因为PCPISE元件库中没有元器件OPA548T，用OPA547代替。其功能和OPA548T基本相同，最大峰值电流为750mA。定子每相的阻抗用1欧的电阻和5毫亨的电感来代替，输入由正弦电压源给出。电压源幅值VAMPL设为1V，频率FREQ设为50，偏移量VOFF设为0，相位PASH分别设为-120，0，120。以R=1K代替输入电压和放大电路之间的阻抗。为便于分析，以上电路中设置，采样电阻设为0.4，限流电阻。仿真波形如下：（1）功率放大器输出电压波形如图3-9所示，可以看到，由于适当的偏移，没有产生任何失真。图3-9 功放