基于嵌入式操作系统μCOS的永磁同步电机控制系统的研究

论文摘要

近年来,随着电子半导体器件的不断发展,微控制器和数字信号处理器的成本不断下降,各种控制芯片被广泛地应用到工业自动化中的各领域里。并且,以汝铁硼为永磁体材料的高性能永磁同步电机的制造和控制技术发展极其迅速,特别是由于电力半导体材料的飞速发展,永磁同步电机初步取代了步进电机而成为了运动伺服控制发展的新方向。永磁同步电机组成的传动伺服系统作为一个实时的高性能的嵌入式系统,不可避免地要使用高性能的微控制器或数字信号处理器进行控制。而嵌入式操作系统不仅能够提高嵌入式系统的运行效率和稳定性,还能够降低软件开发的难度,在嵌入式系统领域得到了广泛的应用。本文首先建立了永磁同步电机在三相静止坐标系中的数学模型,根据矢量控制的理论,经过坐标变换得到了其在两相旋转坐标系下的数学模型,达到了对三相电流进行解耦的效果。选用磁场定向控制策略,该方法控制简单、计算量小且没有直轴电枢反应的去磁问题。采用混沌粒子群算法优化PI控制器的方法,解决其控制参数难以整定的问题。算法利用混沌理论对粒子群算法粒子的初始位置进行优化,使其能够在解空间内均匀分布,达到加快粒子群算法收敛速度的目的。基于永磁同步电机矢量控制系统模型,对系统的硬件进行了设计。出于可靠性的因素,选择μCOS操作系统作为本文控制系统的操作系统,该操作系统得到了受美国联邦航空管理局的认可的认证。基于μCOS操作系统的任务调度原理和中断管理原理,对永磁同步电机控制系统的软件部分进行了设计,并给出了软件设计的流程图。最后,通过构建其Matlab仿真模型实验验证了永磁同步电机控制系统的正确性,并搭建了实物实验平台,验证了上述控制理论和算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 永磁同步电机伺服系统的发展概况
• 1.2.1 永磁同步电机的发展概况
• 1.2.2 电机控制理论的发展
• 1.3 嵌入式操作系统发展概况
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 永磁同步电机矢量控制系统设计
• 2.1 永磁同步电机建模
• 2.2 永磁同步电机矢量控制建模
• 2.2.1 矢量控制及坐标变换模型
• 2.2.2 旋转坐标系下的模型
• 2.2.3 SVPWM模型
• 2.3 控制系统的设计及仿真验证
• 2.3.1 PI控制模块的设计
• 2.3.2 SVPWM模块设计
• 2.3.3 控制系统仿真验证
• 2.4 控制系统控制策略研究
• 2.4.1 混沌粒子群算法
• 2.4.2 混沌粒子群算法仿真验证
• 2.4.3 PI控制器的优化
• 2.4.4 S编写的优化PI控制器
• 2.4.5 PSOC优化PI的仿真验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 永磁同步电机矢量控制的硬件实现
• 3.1 永磁同步电机矢量控制硬件组成
• 3.2 电机控制部分
• 3.3.1 控制芯片串口转USB电路
• 3.3.2 电流检测电路
• 3.3.3 电压检测电路
• 3.3 电机及驱动部分
• 3.4 旋转变压器及其解码部分
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于嵌入式操作系统 μCOS的软件设计
• 4.1 嵌入式操作系统
• 4.2 μCOS-III操作系统
• 4.2.1 前后台系统
• 4.2.2 实时内核
• 4.2.3 μCOS-III中的任务管理
• 4.3 基于 μCOS-III的控制系统软件设计
• 4.3.1 电流与电压采样任务
• 4.3.2 PI控制器模块
• 4.3.3 SVPWM生成模块
• 4.3.4 矢量控制任务
• 4.4 本章小结
• 第5章 仿真及实验结果分析
• 5.1 电机控制系统的仿真
• 5.2 实验平台
• 5.3 实验结果
• 5.4 实验数据分析
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间获得的奖项