基于数字RDC的永磁同步电动机驱动控制系统的研究

论文摘要

在永磁同步电机的伺服驱动系统中,获得准确的转子磁极位置尤为重要,转子位置的检测精度直接影响到伺服系统的控制精度和性能。在众多种类的高精度位置传感器中,旋转变压器抗干扰能力强,工作可靠,能在各种复杂严酷的工作环境中稳定运行,其输出的模拟信号经过轴角变换器(RDC)解调和转换后可得到精度较高的数字位置信号。然而,传统的高精度专用RDC芯片具有价格昂贵、接口电路复杂和参数一旦设定无法在线更改等缺陷,且在某些情况下,检测的位置会带有原理性误差。为了简化永磁同步电动机驱动控制系统的结构,降低系统的成本,提高系统的控制精度和性能,本文构建了基于数字RDC的永磁同步电动机驱动控制系统,并进行了相关分析与研究工作。首先,论文析了旋转变压器的工作原理和鉴幅型、鉴相型两种测角方式。对反正切法和锁相环法这两种传统的数字RDC算法进行了研究。为了克服反正切法和锁相环法的原理性缺陷,提出了基于隆伯格观测器的数字RDC算法,有效提高了测角系统的抗干扰能力和动态、静态检测精度。其次,为了抑制测角系统中的高频干扰,提高转子位置的检测精度,论文对一阶低通滤波器和FIR滤波器的滤波性能,以及这两种滤波器相位滞后的计算方法和补偿方法进行了研究。为了消除传统滤波器相位滞后对角度检测的影响,本文根据扩展卡尔曼滤波器的原理,设计了一种没有幅值衰减和相位滞后的滤波器对系统的高频干扰进行抑制。再次,论文对测角系统设备误差的形式及其对位置检测的影响进行详细的分析,对设备误差在线检测和在线补偿的方法进行了讨论。最后,在深入分析了永磁同步电机数学模型及其矢量控制策略的基础上,提出了基于数字RDC的PMSM驱动控制系统的实现方案,并研究了一种在线检测电机相序和相位的方法。采用TMS320LF2407A DSP为核心,构建了控制系统的硬件平台,编写了软件程序,对论文所做的研究工作进行了实验验证和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 PMSM驱动控制系统的发展现状及趋势
• 1.2.1 转子位置检测技术的发展现状
• 1.2.2 PMSM驱动控制系统的发展趋势
• 1.3 RDC技术的发展现状和主要问题
• 1.3.1 传统RDC的主要问题
• 1.3.2 数字RDC技术的发展现状和关键问题分析
• 1.4 论文研究的主要内容及安排
• 第2章 数字RDC算法的研究
• 2.1 引言
• 2.2 旋转变压器的工作原理和测角方式
• 2.2.1 旋转变压器的工作原理
• 2.2.1 旋转变压器的测角方式
• 2.3 基于反正切和锁相环原理的数字RDC算法
• 2.3.1 反正切法实现数字RDC
• 2.3.2 锁相环法实现数字RDC
• 2.4 基于隆伯格观测器的数字RDC算法
• 2.4.1 隆伯格观测器的结构和原理
• 2.4.2 基于隆伯格观测器的数字RDC的构造
• 2.5 仿真分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 测角系统中高频干扰的抑制和设备误差的补偿
• 3.1 引言
• 3.2 利用一阶低通滤波器和FIR滤波器消除高频干扰
• 3.2.1 一阶低通滤波器的设计和相位补偿
• 3.2.2 FIR滤波器的设计和相位补偿
• 3.3 利用扩展卡尔曼滤波器原理消除高频干扰
• 3.3.1 扩展卡尔曼滤波器的结构和原理
• 3.3.2 基于扩展卡尔曼滤波原理的滤波器设计
• 3.4 设备误差的检测和补偿
• 3.4.1 设备误差的分析
• 3.4.2 设备误差的在线检测和补偿
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于数字RDC的PMSM驱动控制系统的设计与实现
• 4.1 引言
• 4.2 永磁同步电机的数学模型及其矢量控制
• 4.2.1 永磁同步电机的数学模型
• 4.2.2 永磁同步电机的矢量控制
• 4.3 基于数字RDC的PMSM驱动控制系统
• 4.3.1 基于数字RDC的PMSM矢量控制方案
• 4.3.2 控制系统初始相序和相位的检测
• 4.4 控制系统硬件平台的搭建
• 4.5 控制系统的软件设计
• 4.6 实验结果与分析
• 4.6.1 数字RDC算法的实验验证及分析
• 4.6.2 高频干扰抑制和设备误差补偿的实验验证及分析
• 4.6.3 相序与相位在线检测的实验结果及分析
• 4.6.4 基于数RDC的PMSM驱动控制系统运行结果
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 附录
• 致谢