基于直接转矩控制的永磁同步电机伺服系统研究

论文摘要

表贴式永磁同步电动机（SPMSM）具有转速与转矩特性线性度良好、低噪声、效率高、功率密度大、体积小、重量轻、低速性能好、力矩波动小、可靠性高以及非弱磁情况下调速范围大等优良特性,使其在各种电力拖动的场合广泛应用。因此,对表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,本文研究了永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型,并且在电机理论的基础上通过向量图的方法对表贴式永磁同步电机的各种工作状态进行了深入分析的前提下,深入研究了表贴式永磁同步电机的直接转矩控制策略,并且采用引进空间电压矢量调制技术的方法改进传统直接转矩存在的不足。在Matlab/Simulink仿真平台上建立了直接转矩控制（DTC）和基于电压空间矢量调制直接转矩控制（DTC-SVM）的系统仿真模型,在对仿真实验结果进行了对比分析的基础上,确定了控制系统采用基于DTC-SVM的控制策略的研究方案。其次,对表贴式永磁同步电机位置伺服控制系统进行了硬件和软件方面的设计。硬件电路以TMS320F2812芯片为控制核心,外围电路包括电流检测电路、过电流保护电路、过压保护电路、外部输入输出接口电路、IGBT驱动电路。并重点对硬件电路保护进行了设计。主电路电路采样大功率直流稳压电源直接供电。系统控制程序的编写采用模块化的编程结构,利用CCS3.1开发环境,采用C语言进行开发。程序由主程序和中断服务子程序构成,主体工作由中断服务程序完成,包括相电流检测、数据处理、采样滤波、零点补偿等。详细分析了各个程序模块的数据处理方法。最后,采用控制系统程序设计的步骤对系统进行了测试,并做出了实验结果分析。实验结果表明,本设计已经完成表贴式永磁同步电机位置伺服控制系统的软件和硬件设计。

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 论文的主要内容及结构安排
• 第2章 表贴式永磁同步电动机的研究
• 2.1 表贴式永磁同步电机（SPMSM）数学模型
• 2.1.1 两相旋转坐标系SPMSM 数学模型
• 2.1.2 两相静止坐标系SPMSM 数学模型
• 2.2 表贴式永磁同步电动机运行分析
• 2.2.1 永磁同步电机工作模式
• 2.2.2 SPMSM 位置伺服制动分析
• 2.3 表贴式永磁同步电机磁链观测器模型
• 2.3.1 电压积分型磁链观测器
• 2.3.2 基于转子位置检测的表贴式永磁同步电机磁链观测器
• 2.3.3 影响磁链观测的因素分析
• 2.3.4 永磁同步电机伺服控制磁链模型比较与选择
• 2.4 SPMSM 初始位置检测原理
• 2.4.1 U、V、W 信号初始定位原理
• 2.4.2 改进型U、V、W 信号初始位置检测
• 2.5 转速计算原理
• 2.6 本章小结
• 第3章 直接转矩控制仿真与DTC-SVM 控制仿真
• 3.1 永磁同步电机直接转矩控制原理
• 3.2 DTC-SVM 原理
• 3.3 永磁同步电机直接转矩控制的Matlab 仿真模型
• 3.4 DTC-SVM 控制系统的Matlab 仿真模型
• 3.5 仿真实验结果及其分析
• 3.5.1 基于传统直接转矩控制的永磁同步电机速度控制仿真
• 3.5.2 基于DTC-SVM 的永磁同步电机调速系统仿真
• 3.5.3 基于DTC-SVM 的永磁同步电机位置伺服系统仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 SPMSM 位置伺服系统硬件电路设计
• 4.1 位置伺服系统硬件总体结构
• 4.2 逆变主电路设计
• 4.3 控制电路设计
• 4.3.1 电流检测电路
• 4.3.2 位置和速度检测电路设计
• 4.3.3 过电流保护电路
• 4.3.4 过电压保护电路
• 4.3.5 母线电压检测电路
• 4.3.6 IR2110 驱动电路
• 4.3.7 扩展模数转换器AD7656 电路
• 4.3.8 串口通信电路
• 4.4 本章小结
• 第5章 SPMSM 位置伺服系统软件设计
• 5.1 SPMSM 位置伺服系统软件框图
• 5.2 程序模块化及相关数据处理
• 5.2.1 比例积分（PI）控制数据处理模块
• 5.2.2 ADC 模数转换数据处理模块
• 5.2.3 初始位置检测数据处理模块
• 5.2.4 位置和速度数据处理模块
• 5.2.5 磁链和转矩数据处理模块
• 5.2.6 定子电压空间矢量数据处理模块
• 5.2.7 SVPWM 信号占空比数据处理模块
• 5.2.8 SVPWM 信号调制模块
• 5.3 永磁同步电机伺服控制系统控制流程图
• 5.3.1 主函数main 流程图
• ISR'>5.3.2 主中断服务程序main_ISR
• 5.3.3 转子位置校正中断程序流程
• 5.3.4 时间采样中断服务程序流程
• 5.4 本章小结
• 第6章 硬件系统调试和实验结果分析
• 6.1 硬件电路调试
• 6.2 实验结果及分析
• 6.2.1 系统所有环路开环工作测试
• 6.2.2 速度和转矩闭环系统测试
• 6.2.3 位置、速度和转矩闭环工作
• 6.3 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