永磁同步电机伺服系统的研究与实现

论文摘要

永磁同步电机伺服系统以其高速、高精度、高可靠性和较强的抗干扰能力及鲁棒性等特点,被广泛地应用在工业自动化领域中,成为伺服系统研究的新热点。本研究以建立一个永磁同步电机伺服系统研究用硬件平台为目标,对永磁同步电机伺服系统展开研究。本文以表装式永磁同步电机(SPMSM)为控制对象,主要研究矢量控制与直接转矩控制这两种主要的控制方法,并对矢量控制进行了较深入的研究。通过研究得知传统矢量控制方法在电流环方面存在的不足。对此,本文提出了通过设计合适的滑模变结构控制器替代传统的PI控制器来改进电流环性能。仿真实验结果表明该方法基本达到设计要求,提高了系统性能。在总结永磁同步电机伺服系统的发展与硬件要求,并充分考虑研究上需要的基础上,本文提出了永磁同步电机伺服系统研究用硬件平台的设计思路。并根据现有条件完成系统的设计方案,通过调试建立起一个初步的硬件平台。在建立起来的平台上,本人研究了矢量控制算法的实现。并采用C语言编写完成了系统主要模块如电流采样、位置估算、速度计算、矢量坐标变换、PI调节器、空间电压矢量脉宽调制(SVM)等程序模块,并最终实现了转速和电流双闭环的矢量控制。本文给出了系统主程序和PWM中断处理程序等流程图。研究过程中在该平台上进行了一系列实验,对实验过程中出现的问题进行了分析和讨论,从而在系统软硬件上进行针对性的改进。实验证明该系统可以满足伺服系统研究的要求,基本达到了设计要求。该研究对永磁同步电机伺服系统的后续研究工作奠定了基础,具有参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 伺服系统简介
• 1.2 永磁同步电动机伺服系统简介
• 1.3 永磁同步电机伺服系统的发展及研究动向
• 1.3.1 永磁同步电机伺服系统控制技术的发展
• 1.3.2 无传感控制技术
• 1.3.3 永磁同步电机伺服系统的研究动向
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 永磁同步电机数学模型及SVM技术
• 2.1 坐标系和坐标变换
• 2.1.1 永磁同步电机数学模型中常用的几种坐标系
• 2.1.2 常用的几种坐标系变换关系
• 2.2 永磁同步电机数学模型
• 2.3 SVM技术原理
• 2.3.1 基本电压空间矢量
• 2.3.2 空间电压矢量的形成
• 第三章 永磁同步电机的矢量控制
• 3.1 永磁同步电机的矢量控制基本思路
• 3.2 永磁同步电机的矢量控制
• 3.2.1 永磁同步电机矢量控制的常见控制策略
• d=0控制策略的永磁同步电机矢量控制'>3.2.2 基于i_d=0控制策略的永磁同步电机矢量控制
• d=0矢量控制的实现'>3.3 i_d=0矢量控制的实现
• 3.3.1 电流滞环控制
• 3.3.2 基于PI控制器与PWM方法的电流环
• d=0矢量控制的仿真'>3.4 i_d=0矢量控制的仿真
• 3.4.1 仿真模型及参数
• 3.4.2 仿真参数及结果分析
• 3.5 滑模变结构控制电流环
• 3.5.1 电流环滑模变结构控制器的设计
• 3.5.2 控制器鲁棒性分析
• 3.5.3 振动问题的改善
• 3.6 基于滑模变结构电流环的矢量控制的仿真
• 3.6.1 滑模变结构电流环模型
• 3.6.2 仿真参数及结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 永磁同步电机伺服系统研究用平台硬件设计
• 4.1 永磁同步电机伺服系统研究用平台的规划
• 4.2 永磁同步电机伺服系统算法研究的步骤
• 4.3 永磁同步电机伺服系统硬件电路设计
• 4.3.1 永磁同步伺服电机
• 4.3.2 驱动模块
• 4.3.3 控制模块
• 4.3.4 数据采集电路
• 4.3.5 位置传感器信号处理电路
• 4.3.6 PWMDAC电路
• 第五章 系统的软件实现
• 5.1 控制系统程序实现
• 5.1.1 控制系统主程序流程
• 5.1.2 定时器中断服务程序
• 5.1.3 转子位置及速度计算程序
• 5.1.4 AD转换及数据处理程序
• 5.1.5 驱动故障保护程序
• 5.1.6 离散PI的算法实现
• 5.1.7 SVM程序实现
• 5.2 数据采集模块程序实现
• 第六章 实验及数据分析
• 6.1 实验平台
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 实验相关测试结果
• 6.2.2 实验结果
• 工作总结与展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢