摘 要

随着工业自动化的不断发展，高性能的交流伺服系统发挥着越来越重要的作用，并且伺服控制网络化的趋势也越来越明显，传统的给定脉冲、数字I/O及模拟量的伺服控制方式已经不能满足某些工业场合的需求，比如控制器需要同时控制生产线上几百甚至上千个伺服驱动器，传统控制方式根本无法实现。带有网络化接口的伺服驱动器是未来伺服控制的发展方向。

本文基于以上背景，设计了一种带有EtherCAT接口的低压伺服驱动器，以低压永磁同步电动机为控制对象，对永磁同步电动机的数学模型和矢量控制理论进行了研究，选择=0的转速、电流双闭环矢量控制方案，使用电压利用率较高的SVPWM空间电压矢量调制方式。

伺服驱动器以英飞凌公司最新推出的集成片上EtherCAT从站模块的XMC4800微控制器为核心，将目前业界最先进的EtherCAT总线系统应用到伺服控制中，设计并研制了低压伺服驱动器样机，包括各部分硬件电路设计和软件编写。最终实现了对低压永磁同步电动机的转速闭环控制，得到了较好的调速效果，并且测试了EtherCAT接口，实现了伺服驱动器的网络化控制。

关键词：伺服控制；EtherCAT总线；永磁同步电动机；矢量控制

Abstract

Along with the industrial automation development, high performance AC servo system is playing a more and more important role. And the trend of servo control network is more and more obvious. The traditional servo control method of given pulse, digital IO and analog input can not meet the needs of some industrial occasions. For example, the controller needs to control a few hundred or even thousands of servo drives in the production line at the same time. The traditional control method can not be realized. Servo driver with network interface is the development direction of future servo control.

Based on the above background, a low voltage servo driver with EtherCAT interface is designed in this paper. Low voltage permanent magnet synchronous motor as control object, I study the mathematical model and vector control theory of PMSM.，and choose speed and current double closed-loop vector control scheme with =0.Space Vector PWM is used because of high voltage utilization.

Using the XMC4800 microcontroller with EtherCAT slave station as the core. In this paper, the most advanced EtherCAT bus system is applied to servo control system. I designed and developed a prototype of low voltage servo driver, Including the hardware circuit design and software design. The speed closed loop control for low voltage PMSM is finally realized. And obtain good speed regulation effect. And the EtherCAT interface is tested. Networked control of servo driver is realized.

Key Words：servo control；EtherCAT；PMSM；Vector control

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1永磁同步电动机驱动技术研究现状 2

1.2.2伺服驱动器网络化总线接口研究现状 3

1.3本文研究内容 4

第2章 低压永磁同步电机伺服控制基本理论 6

2.1永磁同步电机数学模型 6

2.1.1 永磁同步电动机实际三相轴系数学模型 6

2.1.2 坐标变换 8

2.1.3 旋转正交坐标系上的电机模型 9

2.2 按转子磁链定向的矢量控制系统 10

2.3 SVPWM基本原理 11

2.4 本章小结 13

第3章 低压伺服驱动器硬件设计 14

3.1低压伺服驱动器硬件整体设计方案 14

3.2 基于XMC4800的控制器部分设计 15

3.2.1 XMC4800最小系统设计 15

3.2.2 EtherCAT从站端口驱动电路 16

3.2.3 其他外围电路设计 17

3.3 驱动器辅助电源及功率变换电路 18

3.3.1 辅助电源设计 18

3.3.2 功率变换电路 19

3.4 三相定子电流及电动机反馈信号检测电路 20

3.4.1 定子电流采样放大电路 20

3.4.2 编码器和霍尔信号调理电路 22

3.5 本章小结 23

第4章 低压伺服驱动器软件设计 24

4.1 伺服驱动器软件整体设计方案 24

4.2 系统主程序设计 25

4.2.1 系统初始化与主循环 25

4.2.2 标幺值系统设计 27

4.3 矢量控制算法 27

4.3.1 PWM中断服务程序 27

4.3.2 SVPWM算法实现 30

4.4 EtherCAT从站驱动程序开发简介 33

4.5 本章小结 35

第5章 系统调试与结果 36

5.1 调试环境与测试方法 36

5.2 低压永磁同步电机空载调试 38

5.2.1 系统开环调试 38

5.2.2 系统闭环调试 39

5.3 EtherCAT主站与伺服驱动器通信测试 41

5.4 本章小结 42

第6章 总结 43

参考文献 44

附录A 45

致谢 47

第1章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

随着工业4.0时代的到来，工业生产自动化的程度越来越高，凡是对位置、速度和转矩的控制精度要求比较高的场合都会用到伺服驱动器，而交流伺服系统的性能现在已经达到了和直流伺服相媲美的程度，并且由于交流伺服电机没有电刷和换向器，因此工作可靠，不易损坏，维护和保养的成本低，同功率下体积和重量也比直流电机要小，所以交流伺服驱动器已经逐渐成为当代高性能伺服系统的发展方向。

交流伺服系统可以根据控制对象的不同分为两大类：以异步电动机为控制对象的交流伺服驱动系统和以同步电动机为控制对象的交流伺服驱动系统。近几十年来，随着永磁材料的发展、电力电子技术的进步和微控制器技术的不断突破，数字式交流永磁伺服驱动系统成为伺服系统的主流。交流永磁同步电机（PMSM）与无刷直流电机（BLDC）是目前两种应用最为广泛的永磁同步电机，虽然无刷直流电机具有控制简单，调速性能良好的优点，但是由于它是梯形波电流驱动，与PMSM的正弦波驱动相比，转矩脉动比较大，控制精度不高，所以交流永磁同步电动机（PMSM）得到更广泛的研究和应用^[1]。图1.1所示为两种常见的永磁交流伺服电机。