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电脑横机伺服系统研究与设计

2020-12-12阅读(366)

电脑横机伺服系统研究与设计

论文摘要

目前,电脑横机越来越受到纺织产业的青睐,在中国这样的纺织大国尤为明显。电脑横机生产国家主要有德国、日本、瑞士、中国,由于进口电脑横机价格昂贵,国产电脑横机在国内以及东南亚地区持续热销。电脑横机的普及正处于起步阶段,所以在国内外市场都还有很大的上升空间。在电脑横机拥有如此大的市场需求的前提下,虽然国产电脑横机产量日益提升,但是横机上某些关键技术和部件仍然靠从国外拷贝和引进,如主电机伺服控制器和摇床伺服控制器就依靠进口。为了进一步控制成本提高竞争力,研究出低成本、具有自主知识产权的横机专用伺服控制器成为了国内电脑横机厂商的迫切需求。本文以横机机头伺服电机控制器为例,介绍了一种适用于电脑横机的伺服控制器的实现方式。主要研究工作有：讨论了伺服控制的基本原理,以Clark和Park变换为基础,建立了永磁同步电机的数学模型,分析了PMSM的控制原理,研究了空间矢量SVPWM的原理和实现方式,确定了电机的控制方式。根据横机伺服系统的功能要求,进行了以DSP为核心处理器以及MCU为协处理器的硬件系统设计与实现。具体包括了硬件系统的总体结构以及系统电源电路、IGBT驱动电路、相电流检测电路、母线电压检测电路、CPU外围电路、脉冲输入捕获电路、相电流后级处理电路、串口通信、和各种输入输出电路等各部分模块电路的设计根据电机的控制方式,确定了电机的几种工作模式,用C语言完成了控制主程序和各类中断函数的设计,其具体涵盖了主处理器DSP的主程序设计、系统核心中断的设计、以及DSP部分其他重要模块的设计。同时也介绍了协处理器STM32的软件设计。针对目前永磁同步电机起始位置检测方法存在依赖精确的电流检测电路或需要复杂的建模和计算等难于实现的问题,本文提出了一种永磁同步电机的起始位置的新型检测方法,此方法具有简单易实现的优点。从实验的结果分析该方法具有较好的检测效果,检测过程中电机转子无明显抖动,检测结果准确,电机启动过程平稳。最后对各类实测数据进行了分析,从实验的角度分析了本系统设计的正确性和可靠性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题研究背景及意义
  • 1.1.1 横机的简单介绍
  • 1.1.2 电脑横机的市场需求背景
  • 1.1.3 电脑横机的国内外现状和发展趋势
  • 1.1.4 本课题的研究意义
  • 1.2 永磁同步电机伺服系统的研究现状与发展趋势
  • 1.2.1 交流永磁同步电机
  • 1.2.2 位置传感器
  • 1.2.3 控制平台
  • 1.2.4 永磁同步电机伺服系统的发展趋势
  • 1.3 本文主要工作和各章安排
  • 第二章 永磁同步电机的矢量控制原理与数学模型
  • 2.1 矢量控制基本思想
  • 2.2 坐标变换
  • 2.2.1 Clarke变换
  • 2.2.2 Park变换
  • 2.3 d-q坐标系中的永磁同步电机数学模型
  • 2.4 永磁同步电机的电压空间矢量控制
  • 2.4.1 空间电压矢量（SVPWM）和磁链的关系
  • 2.4.2 基本的电压空间矢量
  • 2.4.3 圆形磁场的获得
  • 2.5 永磁同步电机控制方式的确定
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 电脑横机伺服控制器的硬件设计
  • 3.1 硬件设计方案的确定
  • 3.2 硬件电路整体结构
  • 3.3 驱动板各部分电路模块设计
  • 3.3.1 系统电源部分设计
  • 3.3.2 主功率逆变电路
  • 3.3.3 上桥臂驱动电路
  • 3.3.4 下桥臂驱动电路
  • 3.3.5 相电流检测及过压检测
  • 3.3.6 上电保护及与主控板的接口
  • 3.4 主控板各部分电路模块设计
  • 3.4.1 DSP+MCU的控制结构
  • 3.4.2 相电流检测、过压检测信号的放大处理
  • 3.4.3 上位机指令信号输入
  • 3.4.4 电机编码盘信号输入
  • 3.4.5 串口通信、I/O接口及键盘显示电路
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 电脑横机伺服系统的软件设计
  • 4.1 电脑横机系统软件设计的主要任务
  • 4.2 DSP部分的软件设计
  • 4.2.1 DSP的主程序设计
  • 4.2.2 DSP系统主中断MAINISR的设计
  • 4.2.3 其他各中断模块设计
  • 4.2.4 ADC采样模块设计
  • 4.2.5 位置脉冲指令捕获模块设计
  • 4.3 采用PI调节器进行调节控制
  • 4.4 协处理器STM32的软件设计
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 PMSM转子起始位置检测的研究
  • 5.1 现有方法的比较
  • 5.2 电机转子结构与初始位置检测的关系
  • 5.3 特殊空间矢量
  • 5.4 检测步骤
  • 5.5 本章小结
  • 第六章 实验结果及分析
  • 6.1 实验平台
  • 6.2 输出的六路PWM实验波形分析
  • 6.3 下桥臂驱动中的短路保护实验分析
  • 6.3.1 正常工作时下桥臂驱动波形分析
  • 6.3.2 模拟IGBT短路时的下桥臂驱动波形分析
  • 6.4 过压控制实验结果
  • 6.5 相电流检测实验结果
  • 6.5.1 相电流波形分析
  • 6.5.2 HCPL-7840输出的差分电流波形分析
  • 6.5.3 经过放大器电路之后的波形分析
  • 6.6 电机初始位置检测时的实验数据分析
  • 6.6.1 电机自检
  • 6.6.2 启动过程初始位置检测
  • 6.6.3 电机启动过程电流波形分析
  • 6.7 本章小结
  • 第七章 总结与展望
  • 7.1 工作回顾总结
  • 7.2 不足与展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录
  • 详细摘要

    • 相关论文文献

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