矢量控制永磁同步电机伺服系统的研究

论文摘要

电动机是电力传动机构的核心,是工业控制系统中非常重要的组成部分。永磁同步电动机具有结构简单、高效率、高功率密度等特点,结合先进的控制算法和处理芯片,永磁同步电动机伺服系统在许多领域得到广泛应用。首先,本文分析了永磁同步电动机的结构及特点,研究了永磁同步电动机的磁路参数,为建立永磁同步电动机的数学模型及进一步的控制方法打好了基础。在永磁同步电动机数学模型的基础上,结合矢量控制算法,介绍了矢量控制系统的实现方法,对各种控制方式做了深入的分析。永磁同步电动机矢量控制的基础是对电磁转矩的控制,而对电磁转矩的控制的基础是对电流的控制。本文对伺服控制系统的三个基本组成环节即：电流环、速度环和位置环,分别研究了各个环节的控制方法及实现。针对电流环使用了矢量控制的方法；针对速度环,介绍了一种混合式控制方法,实验表明该方法控制精度和速度基本满足伺服系统控制的要求。然后,本文对永磁同步电动机转子初始位置的检测方法和起动方法做了深入研究。首先,介绍了几种检测永磁同步电动机转子位置的方法,介绍了旋变磁场和微小位移两种方法。测试每个方法的得出的结果表明,以上方法都能满足电动机启动的精度要求。然后,介绍了编码器UVW起动和转子定位起动两种永磁同步电动机起动方法,实验表明,两种起动方式能满足伺服系统大多数情况的启动要求。最后,介绍了永磁同步电动机矢量控制系统的硬件电路和软件设计。本系统的硬件电路是以TI公司的TMS320F2808微处理芯片为核心,由驱动模块、A／D模块、保护模块及接口模块组成。最后给出了系统的电路图,分析了电路各个部分的组成和控制算法的编程实现。在实际的电流采样结果下给出了MATLAB仿真模型,系统实际控制效果基本达到预期目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 研究的内容
• 第2章 永磁同步电动机结构及参数分析
• 2.1 永磁同步电动机的特点
• 2.2 永磁同步电动机的结构
• 2.2.1 内置式转子结构
• 2.2.2 表面式转子结构
• 2.3 永磁同步电动机磁路分析
• 2.3.1 永磁电动机的等效磁路
• 2.3.2 等效磁路的计算方法
• 2.4 永磁电动机的电磁场数值计算
• 2.4.1 电磁场数值计算
• 2.4.2 有限元算法
• 2.5 本章小结
• 第3章 永磁同步电动机数学模型及控制方法
• 3.1 永磁同步电动机控制方法介绍
• 3.1.1 矢量控制和直接转矩控制方法
• 3.1.2 矢量控制和直接转矩控制的比较
• 3.2 永磁同步电动机的数学模型
• 3.3 永磁同步电动机矢量控制方法
• 3.3.1 矢量控制方法介绍
• 3.3.2 矢量控制的实现
• 3.4 SVPWM调制方法
• 3.4.1 SVPWM原理
• 3.4.2 SVPWM的实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 矢量控制系统的控制实现
• 4.1 永磁同步电动机速度环控制方法
• 4.1.1 测速方法介绍
• 4.1.2 永磁同步电动机速度环控制实现
• 4.2 永磁同步电动机转子初始位置检测
• 4.2.1 旋变磁场检测法
• 4.2.2 微小位移检测法
• 4.3 永磁同步电动机的起动方法
• 4.3.1 编码器UVW信号起动
• 4.3.2 转子定位起动
• 4.4 本章小结
• 第5章 永磁同步电动机矢量控制系统的实现与仿真
• 5.1 永磁同步电动机矢量控制系统的硬件设计
• 5.1.1 数字信号处理器
• 5.1.2 采样电路设计
• 5.1.3 保护电路设计
• 5.1.4 驱动电路设计
• 5.2 永磁同步电动机矢量控制系统的软件设计
• 5.2.1 主程序
• 5.2.3 控制程序
• 5.3 永磁同步电动机伺服系统的MATLAB仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的工作及总结
• 6.2 后续研究工作及展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢