大功率数字化交流伺服系统研究

论文摘要

近年来随着电力电子技术、微电子技术、电机控制理论的发展,交流伺服系统在许多场合已经逐步取代了传统的直流传动系统。永磁同步电动机具有功率密度高,结构简单,噪声小、效率高以及非弱磁情况下调速范围大等优良特性,在对伺服系统精度要求高的场合得到了广泛的应用。因此,对面贴式永磁同步电机驱动系统的控制策略进行研究具有重要意义。首先,对面贴式永磁同步电动机的数学模型进行了分析,对各种控制方法进行了比较,最终确定了基于id=0转子磁场定向控制方法,在Matlab/Simulink仿真环境下建立了基于id=0转子磁场定向控制和空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)技术的位置环、速度环和电流环的三闭环系统仿真模型,仿真中电机的各个参数与实际电机参数相同,并对水磁同步电机矢量控制系统改进PI方法进行了研究,并进行了实验验证,实验结果和仿真结果一致,表明改进PI方法可有效改善系统的动静态性能。对系统在突加负载下的位置跟随和运行性能进行了仿真,仿真结果表明,永磁同步电机位置伺服系统响应速度较快,有很好的抗干扰性能。其次,对永磁同步电动机伺服控制系统进行软硬件平台的设计,硬件设计以Ti公司的TMS320F2812DSP为控制器核心,主功率电路采用三菱公司的IPM,设计了光耦隔离驱动电路,电流和母线电压检测电路,各种保护功能电路,串口通信电路。在CCS3.1环境下利用C语言对伺服控制系统进行软件设计,利用模块结构化的编程思想对伺服控制中各种功能模块进行了实现,并对电流滤波,零点补偿,转子位置校正等进行了详细的分析设计,对系统主程序和主中断程序的执行过程进行了详细的研究,并对定点DSP的编程和数据处理特点进行了详细研究。最后,对伺服控制系统的软硬件进行了调试,各功能模块工作正常,观察了系统开环和速度闭环时定子电流,线电压等波形,对电机起动、制动和反转时的暂态和稳态过程进行了分析,并对在不同开关频率下对伺服系统工作性能的影响进行了研究,对调试过程中出现的各种软硬件问题进行了深入的研究。实验结果证明了系统设计方案的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外发展现状及发展趋势
• 1.3 交流伺服系统的分类
• 1.4 永磁同步电动机伺服系统组成
• 1.4.1 永磁同步电机本体
• 1.4.2 控制模块
• 1.4.3 功率驱动模块
• 1.4.4 检测器单元
• 1.5 论文的主要内容
• 第2章 永磁同步电动机控制策略研究
• 2.1 永磁同步电机常用坐标系及坐标变换
• 2.2 面贴式永磁同步电机数学模型
• 2.3 而贴式永磁同步电动机控制策略选择
• 2.3.1 矢量控制
• 2.3.2 直接转矩控制
• 2.3.3 矢量控制和直接转矩控制比较
• d=0控制原理介绍'>2.3.4 i_d=0控制原理介绍
• d=0控制方法的实现'>2.3.5 i_d=0控制方法的实现
• 2.4 SPMSM初始位置检测原理
• 2.4.1 旋转变压器原理
• 2.4.2 复合式光电编码器原理
• 2.4.3 电机转子初始位置的确定
• 2.4.4 转速计算原理
• 2.5 本章小结
• 第3章 SPMSM位置伺服系统硬件电路设计
• 3.1 位置伺服系统硬件总体结构
• 3.2 IPM外围电路设计
• 3.3 控制电路设计
• 3.3.1 光耦隔离驱动电路
• 3.3.2 电流检测电路
• 3.3.3 位置和速度检测电路
• 3.3.4 母线电压检测电路
• 3.3.5 过压保护电路
• 3.3.6 制动回路设计
• 3.3.7 扩展模数转换器AD7656电路
• 3.3.8 串口通信电路
• 3.4 本章小结
• 第4章 SPMSM位置伺服系统软件设计
• 4.1 DSP编程特点介绍
• 4.1.1 TMS320F2812的定点数据类型介绍
• 4.1.2 模块化编程及相关数据处理
• 4.1.3 CMD文件的编写
• 4.2 永磁同步电机伺服控制系统控制流程图
• 4.2.1 主函数流程
• 4.2.2 主中断程序
• 4.2.3 电流滤波和零点补偿程序
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统仿真和实验结果分析
• 5.1 永磁同步电机矢量控制系统改进PI方法研究
• 5.1.1 基于SVPWM的永磁同步电机矢量控制系统
• 5.1.2 改进PI控制方法
• 5.1.3 系统建模
• 5.1.4 仿真和实验结果
• 5.2 系统软硬件调试
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 系统开环工作测试
• 5.3.2 速度闭环系统测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录