基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统研发

论文摘要

伺服控制是机电一体化技术的重要组成部分,它广泛地应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。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。在探讨了永磁同步电机的物理结构和工作原理的基础上,根据转子磁场定向理论,建立了永磁同步电机在直轴和交轴坐标系下的数学模型。然后,对永磁同步电机的各种矢量控制方案进行了分析,采用了直轴电流为零的控制策略。在研究了空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术和自适应反步( Adaptive Backstepping )控制技术的前提下,在Matlab7.1/Simulink环境下构建了永磁同步电机伺服控制系统的仿真模型,从理论上论证了所建立模型的正确性与控制方法的有效性。利用Freescale公司的DSP56F8346控制板为基础,完成了永磁同步电机控制器逆变器主电路、电压检测电路、电流检测电路、硬件保护电路、位置/速度检测电路以及刹车控制电路等设计,完成了永磁同步电机伺服控制系统硬件平台的设计与开发。然后提出了永磁同步电机的伺服控制算法,在DSP的集成开发环境CodeWarrior IDE下编写完成系统的软件设计,并结合硬件平台进行实验调试,实验结果进一步证明了本文提出的永磁同步电机伺服控制系统的控制模型和控制策略是合理有效的。最后对本课题的研究工作作了总结,并提出了进一步的工作设想。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 伺服系统的发展历程
• 1.2.2 交流伺服系统的分类
• 1.2.3 交流伺服系统的国内外发展现状
• 1.2.4 交流伺服系统的发展趋势
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 永磁同步电机及其控制方法研究
• 2.1 永磁同步电机的基本构成和工作原理
• 2.1.1 基本构成
• 2.1.2 工作原理
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.2.1 永磁同步电机的坐标变换
• 2.2.2 永磁同步电机在dq 坐标系下的数学模型
• 2.3 永磁同步电机的矢量控制
• 2.3.1 矢量控制基本原理
• 2.3.2 永磁同步电机的矢量控制方法
• 2.4 电压空间矢量脉宽调制
• 2.4.1 三相电压表达式
• 2.4.2 静态功率桥的应用
• 2.4.3 三相电压在 αβ 坐标系下的表达式
• 2.4.4 参考电压空间矢量的合成
• 2.4.5 扇区的判断
• 2.4.6 空间矢量脉宽调制的实现
• 2.5 自适应反步控制器设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 永磁同步电机伺服控制系统仿真研究
• 3.1 MATLAB/Simulink 简介
• 3.2 永磁同步电机伺服控制方案
• 3.3 SVPWM 控制系统仿真研究
• 3.3.1 SVPWM 控制系统仿真模型
• 3.3.2 仿真结果
• 3.4 自适应反步控制器仿真研究
• 3.4.1 自适应反步控制系统仿真模型
• 3.4.2 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 伺服控制系统硬件设计
• 4.1 硬件系统的总体结构
• 4.2 DSP 控制板
• 4.2.1 DSP 控制核心
• 4.2.2 DSP 外围电路
• 4.3 功率驱动板
• 4.3.1 逆变器主电路
• 4.3.2 电压/电流检测及保护电路
• 4.3.3 位置/速度检测电路
• 4.3.4 刹车控制电路
• 4.3.5 辅助电源系统
• 4.4 本章小结
• 第五章 伺服控制系统软件设计
• 5.1 软件开发环境简介
• 5.1.1 CodeWarrior IDE
• 5.1.2 Processor Expert 软件开发包
• 5.2 DSP56F8346 主要功能模块简介
• 5.2.1 模数转换模块（ADC）
• 5.2.2 通用输入输出口模块（GPIO）
• 5.2.3 脉宽调制模块（PWM）
• 5.2.4 积分解码器模块（DEC）
• 5.2.5 串行通讯接口模块（SCI）
• 5.2.6 四通道定时器模块（TMR）
• 5.3 控制系统的软件实现
• 5.3.1 主程序模块
• 5.3.2 模数转换中断模块
• 5.3.3 定时器中断模块
• 5.3.4 PWM 错误中断模块
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统实验与结果
• 6.1 系统实验设计
• 6.2 系统实验
• 6.3 实验结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 对本文工作的总结
• 7.2 对进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文