永磁同步电机伺服系统设计及应用研究

论文摘要

永磁同步电机采用高磁能积的永磁材料作为转子励磁,具有转矩高、体积小、结构紧凑、运行效率高以及调速性能好等优点,被广泛应用于家用电器及工业自动化伺服系统中。现代控制技术突飞猛进的发展促进了永磁同步电机伺服系统的快速发展,特别是数字信号处理器及电力电子技术的发展为高性能数字化系统的实现提供了条件,使得更高的跟踪响应性、精确性、可靠性、灵活性和系统鲁棒性成为了永磁同步电机伺服系统新的追求目标。据此,本文设计了一套数字化永磁同步电机伺服方案,以微芯dsPIC为主控器完成了控制器的设计开发工作,并根据工业产品需求将该系统应用到了实际系统的开发当中。本论文分析了永磁同步电机数学模型,并在MATLAB/Simulink中建立了包括矢量变换、空间矢量(SVPWM)生成和PI调节等模块在内的电机矢量控制仿真模型,验证了永磁同步电机的空间矢量控制及其双闭环调节算法。在仿真分析的基础上确定了一台550W永磁同步电机的伺服方案,应用微芯公司的dsPIC和三菱智能功率模块IPM分别作为主控器和逆变桥,设计并制作了包括开关电源、隔离电路、位置检测、电流检测和各种保护电路在内的驱动系统硬件平台。在该硬件平台的基础上,设计了以积分分离PI控制算法为调节器的id =0磁场定向控制软件实现方案。软件采用模块化编程思想,以C语言和汇编语言相结合的编程方式保证了软件灵活性和系统的实时性。整套伺服系统可靠性高、响应速度快、平稳性好、调速范围宽。最后将所设计的永磁同步电机伺服系统应用于工业平缝机的产品开发中。在分析了平缝机快速启/停、精确停针和自动化操作功能的工作特点后,补充完善了本套伺服系统的硬软件方案,开发了基于永磁同步电机的工业平缝机伺服控制系统。该系统实现了平缝机的快速启停、精确定位和较高的缝制效率和缝制质量。本文设计的永磁同步电机伺服系统经过实际应用,证明了所提方案的可靠性和可行性,具有很强的应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 永磁同步电机的发展概述
• 1.2 永磁同步电机伺服系统的结构及性能
• 1.2.1 永磁同步电机伺服系统的基本结构
• 1.2.2 永磁同步电机伺服系统的性能及特点
• 1.3 国内外永磁同步电机伺服技术的研究动态
• 1.4 本课题研究背景及主要研究内容
• 第二章 永磁同步电机矢量控制技术
• 2.1 永磁同步电机的分类和结构
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.2.1 自然坐标系（ABC）下的数学模型
• 2.2.2 永磁同步电机坐标变换原理
• 2.2.3 dq0 轴系下的数学模型
• 2.3 永磁同步电机矢量控制原理
• 2.3.1 矢量控制的基本思想
• d=0 控制'>2.3.2 永磁同步电机i_d=0 控制
• 2.4 空间矢量调制技术（SVPWM）
• 2.4.1 SVPWM 的基本原理
• 2.4.2 SVPWM 的实现算法
• 第三章 永磁同步电机伺服系统硬件设计
• 3.1 系统硬件总体方案
• 3.2 主控器简介
• 3.3 主功率电路设计
• 3.3.1 智能功率模块IPM 的应用
• 3.3.2 主回路保护电路设计
• 3.4 外围电路设计
• 3.4.1 电流检测电路设计
• 3.4.2 转子位置检测电路
• 3.5 辅助电源设计
• 3.6 硬件抗干扰技术
• 第四章 永磁同步电机伺服系统软件方案设计
• 4.1 软件结构设计
• 4.1.1 初始化程序模块
• 4.1.2 中断子程序模块
• 4.2 信号处理子程序模块
• 4.2.1 电流计算模块
• 4.2.2 位置速度计算模块
• 4.3 PI 调节模块
• 4.3.1 模拟PI 控制算法
• 4.3.2 数字PI 算法
• 4.4 软件抗干扰技术
• 第五章 系统仿真与实验测试
• 5.1 空间矢量控制仿真
• 5.1.1 MATLAB 仿真软件介绍
• 5.1.2 基于SVPWM 的仿真模型建立
• 5.1.3 仿真结果及分析
• 5.2 实验测试
• 5.2.1 驱动器硬件平台
• 5.2.2 系统电压电流测试
• 5.2.3 系统动态响应测试
• 第六章 伺服系统在工业平缝机中的应用
• 6.1 工业平缝机需求分析
• 6.1.1 工业缝纫机行业的发展状况
• 6.1.2 工业平缝机伺服特点及性能需求
• 6.2 平缝伺服系统的设计与开发
• 6.2.1 平缝机伺服系统方案设计
• 6.2.2 针位定位控制
• 6.2.3 电磁阀驱动设计
• 6.3 工业平缝机系统测试
• 6.3.1 启动时间测试
• 6.3.2 制动时间测试
• 6.3.3 停针精度测试
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻硕期间取得的成果