基于DSP的电梯门机伺服控制系统设计与研究

论文摘要

可靠、安全、稳定一直是电梯产品设计生产的基本要求,并在此基础上朝着节能化、人性化、智能化的方向发展。电梯门开关的安全稳定是衡量电梯质量的重要因素之一。随着机械制造技术、电子技术和控制技术的发展,电梯门开关装置不断更新换代,电机及其驱动控制系统也在逐渐改进完善。相比于直流电机,交流异步电机具有制造简单、控制方便、稳定可靠,因而被广泛使用。许多学者和厂商针对交流异步电机提出了各种控制策略,使得电梯门机控制技术得到了迅速地发展。随着节能减耗的提出,永磁同步电机以其“绿色环保、节能减耗”的优点,开始被各大厂商所使用,成为了电梯门机新一代产品。基于永磁同步伺服电机的控制系统也将成为电梯门机发展的一大趋势。然而,我国在电梯行业起步较晚,控制技术相对薄弱,产品以“贴牌”为主,关键技术被国外厂商所掌握。因此,加紧电梯相关技术的研究具有重要的现实意义,特别是电梯门机的控制技术。研究一种基于永磁同步伺服电机的驱动控制策略,能有效提高控制系统的性能,节约能源,降低成本,因此具有极大的社会经济价值。本文在阅读了大量文献资料的基础上,研究了国内外电梯门机的控制策略,分析了永磁同步电机的结构、工作原理及其数学模型,设计了一款永磁同步电机伺服控制系统,采用基于粒子群算法的PID参数整定方法来控制电机运行速度,并提出了一种基于可变频率载波的谐波抑制策略,提高了系统稳定性,缩短了电机的速度响应时间,论文的主要工作及研究成果如下：分析了永磁同步伺服电机的结构性能、工作原理及其在三个坐标系下的数学模型,研究了SPWM的控制原理及实现方式,确定了电机的控制方式。根据整个系统的性能要求,开发了一套以TMS320F2808PZA DSP数字信号处理为核心控制芯片,以智能功率模块IRAMX16UP60A为功率驱动模块的永磁同步电机伺服驱动硬件系统,可用于驱动300W左右的电机,包括了主控制电路、电源电路、驱动电路、通信电路模块等。根据需要的电机的控制方式,软件实现了控制程序及中断程序的设计,包括系统初始化、SPWM控制以及其他重要模块的设计等。针对永磁同步电机转动过程中定子电流出现强干扰现象,提出了一种基于可变频率载波的谐波抑制策略,对谐波的抑制取得良好的效果,有效降低了高幅值谐波电流的干扰,提高了系统的稳定性。针对电机速度响应过慢的问题,提出了一种基于粒子群优化算法的PID控制参数自整定方法,有效地加快了电机的响应速度,提升了系统的整体性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 电梯门机控制系统的发展概况与主要趋势
• 1.1.1 电梯门机控制系统的发展概况
• 1.1.2 电梯门机控制系统的主要趋势
• 1.2 课题的研究背景、意义和工作重点
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 课题研究意义和工作重点
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 永磁同步电动机伺服系统理论
• 2.1 永磁同步电动机的结构及其工作原理
• 2.1.1 永磁同步伺服电机的基本组成
• 2.1.2 永磁同步伺服电机的工作原理
• 2.2 永磁同步电动机系统的数学模型
• 2.2.1 A、B、C三相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.2 α、β、o坐标系下的电机数学模型
• 2.2.3 d、q、o同步旋转坐标系下的电机数学模型
• 2.3 永磁同步电动机伺服控制系统策略
• 2.3.1 控制系统总体框图
• 2.3.2 SPWM的控制原理
• 2.3.3 瞬时无功功率理论
• 2.4 本章小结
• 第三章 电机转动伺服系统算法
• 3.1 粒子群算法
• 3.1.1 粒子群算法提出及发展
• 3.1.2 粒子群算法分析
• 3.2 基于粒子群算法的PID控制器参数整定
• 3.2.1 PID控制
• 3.2.2 基于粒子群算法的PID控制参数调节
• 3.3 谐波检测及抑制算法
• 3.3.1 基于瞬时无功理论的ip-iq谐波检测方法
• 3.3.2 谐波产生原因分析
• 3.3.3 谐波抑制算法
• 3.4 本章小结
• 第四章 电梯门机控制系统的硬件设计
• 4.1 硬件架构设计
• 4.2 功率主回路设计
• 4.2.1 IRAMX16UP60A模块介绍
• 4.2.2 功率主回路设计
• 4.3 电源设计
• 4.3.1 开关电源电路设计
• 4.3.2 稳压电源电路设计
• 4.4 主控制电路设计
• 4.4.1 TMS320F2808PZA芯片介绍
• 4.4.2 TMS320F2808PZA最小系统设计
• 4.5 系统保护电路设计
• 4.5.1 电压检测及保护电路
• 4.5.2 电流检测及保护电路
• 4.6 其余外围电路
• 4.6.1 通信模块设计（串口通信设计、JTAG通信设计）
• 4.6.2 编码盘电路设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 电梯门机伺服控制系统的软件设计
• 5.1 电梯门机伺服控制系统的软件总体设计
• 5.1.1 主程序及系统优化
• 5.1.2 中断服务程序
• 5.2 系统控制策略实现
• 5.2.1 SPWM控制算法在TMS320F2808PZA上的实现
• 5.2.2 粒子群算法优化速度PID控制参数的实现
• 5.3 本章小结
• 第六章 系统测试仿真及实验
• 6.1 电机谐波抑制策略仿真与分析
• 6.2 系统实验结果与分析
• 6.2.1 系统测试环境
• 6.2.2 系统测试实验结果及分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要