基于FOC的高精度直线电机运动平台的控制系统研究与应用

论文摘要

上个世纪90年代中期以后,由于科学技术的日新月异,尤其是计算机技术、微电子技术、现代控制理论的发展,带来了电机本体及其相关学科的迅猛发展,使得电机的数字化控制替代传统的模拟控制成为未来电机发展的必然趋势。而直线驱动技术在精密定位领域中也得到了广泛的应用,特别是随着数控机床加工技术的发展,对具有高速、精密和快速反应能力的直线伺服进给技术（所谓的零传动方式）要求更加迫切。直线电机伺服系统与传统的“旋转电机+滚珠丝杠”进给方式相比,虽然消除了机械传动链所带来的一些不良影响,但却增加了电气电子控制上的难度。在要求高精度微进给的场合,必须站在更高的层次上,考虑更多的摄动与扰动等不确定因素对进给运动的影响,否则直线电机伺服系统将失去原来所希望的意义。因此,必须采用更有效的控制技术,诸如使用数字信号处理器（DSP）芯片、实现电压SPWM控制、电压空间矢量PWM（SVPWM）控制以及自适应控制、神经元控制、模糊控制这些现代的控制策略。用软件和微电子器件取代精度要求很高而又笨重的机械部件来获得更高性能,无论如何是值得的。本文面向高速高精密加工,基于磁场定向控制控制原理,对高精度直线电机平台进行研究,论文的主要内容包括;（1）讨论了永磁同步直线电机的数学模型,其中包括永磁同步直线电机电压方程、磁链方程、输出功率及推力方程、运动方程。（2）提出了直线电机运动平台的控制系统总体设计方案,其中包括总体磁场定向控制（FOC）、电流id=0控制、电压空间矢量控制（SVPWM）、三闭环（电流、速度、位置）控制。（3）进行了直线电机运动控制系统的硬件电路设计,其中包括;逆变器驱动接口模块保护电路、电流采样模块电路、故障检测及保护模块电路、键盘显示模块电路,并提出设计了外扩ADC模块电路,采用高精度外扩ADC以提高系统控制精度,即从原有La、Ib电流采样误差0.9%降为0.2%～0.3%;其中逆变器驱动接口模块保护电路的设计使用了逻辑门组合,却同时起到了放大和保护的双重作用,无论从考虑逆变器的保护还是从节约成本来看都具有不错的效果。（4）进行了直线电机运动控制系统的软件设计,其中包括;系统软件总体设计、空间电压矢量原理分析和其DSP实现、系统外部中断设计、上位机监控程序界面设计,而且提出了具有抗饱和积分效果的PID的参数设置方案,通过试验,其对降低系统振荡,减少系统调节时间具有明显作用,证明了方案的有效性和可行性。（5）在MATLAB/Simulink对永磁同步直线电机进行建模,并对整个控制系统进行建模和仿真,给出了定子三相电流波形、速度响应、速度跟随误差、转矩响应曲线图,并分析了仿真结果。针对不同的试验条件用所设计的控制系统对平台进行转速突变,负载突变控制试验,并对试验的结果进行了分析。（6）最后对整个论文进行了总结,并指出了论文的不足之处,对将来的课题的发展方向以及研究重点进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 直线电机概况
• 1.2.2 直线电机原理概述
• 1.2.3 直线电机的分类
• 1.2.4 永磁同步直线电机的特点与应用
• 1.2.5 永磁同步直线电机控制策略
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本章小结
• 第二章 永磁同步直线电机的数学模型
• 2.1 坐标变换
• 2.1.1 CLARKE变换
• 2.1.2 PARK变换
• 2.2 PMLSM的数学模型
• 2.2.1 永磁同步直线电机的电压方程
• 2.2.2 同步直线电机的磁链方程
• 2.2.3 输出功率及电磁推力
• 2.2.4 同步直线电机的运动方程
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统总体控制方案
• 3.1 磁场定向控制（FOC）的基本原理
• 3.2 FOC控制系统的构成
• 3.2.1 本课题采用的控制方案简介
• 3.2.2 电流闭环控制
• 3.2.3 速度闭环控制
• 3.2.4 位置闭环控制
• 3.3 FOC特点以及节能方面的应用
• 3.4 本章小结
• 第四章 控制系统硬件电路设计
• 4.1 系统硬件结构图
• 4.2 DSP芯片结构及特点
• 4.3 驱动电路设计
• 4.4 接口电路设计
• 4.4.1 逆变器驱动接口模块保护电路
• 4.4.2 电流采样模块电路
• 4.4.3 故障检测及保护模块电路
• 4.4.4 键盘显示模块电路
• 4.4.5 外扩ADC模块电路
• 4.5 本章小结
• 第五章 控制系统算法的软件设计
• 5.1 数的定标
• 5.2 软件设计总体介绍
• 5.2.1 空间电压矢量（SVPWM）
• 5.2.1.1 空间电压矢量（SVPWM）原理分析
• 5.2.1.2 三相功率逆变器
• 5.2.1.3 用基本空间矢量近似计算电机电压
• 5.2.1.4 扇区号的确定
• 5.2.1.5 SVPWM的DSP实现
• 5.2.2 系统外部中断设计
• 5.2.3 抗积分饱和的数字PID设计
• 5.2.4 上位机监控程序
• 5.3 本章小结
• 第六章 系统仿真与实验分析
• 6.1 仿真环境Matlab简介
• 6.2 FOC控制系统仿真模型
• 6.2.1 永磁同步直线电机模块
• 6.2.2 SVPWM模块
• 6.2.3 仿真结果
• 6.3 试验结果分析
• 6.3.1 永磁同步直线电机参数
• 6.3.2 实验结果与分析
• 6.4 本章小结
• 第七章总结与展望
• 附录
• 附录1 永磁同步直线电机实物照片
• 附录2 控制系统实物照片
• 附录3 系统接口电路硬件原理图
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢