无刷直流力矩电机伺服驱动系统研究与设计

论文摘要

无刷直流力矩电机克服了直流电机的诸多缺陷,具有力矩系数大、过载能力强、散热条件好、没有换向火花、可靠性高、控制灵活等优点,近来在高精度伺服领域,特别是高精度伺服转台上得到了广泛应用。本文基于此背景展开了对无刷直流力矩电机伺服驱动系统的研究。首先,系统地阐述了无刷直流力矩电机伺服驱动系统的系统组成与运行原理。无刷直流力矩电机伺服驱动系统包括电机本体、磁极位置检测、功率放大以及控制装置,本文详细分析了上述各部分的功能特点;接着重点研究了无刷直流力矩电机的矢量控制方法,对比分析了常用的几种矢量控制方案,根据转台伺服系统对驱动系统响应速度快、力矩波动小、力矩输出线性度好的要求选择了id=0的矢量控制策略,并给出了具体的实现方法。接着,进行了系统的软硬件设计。硬件方面,以TMS320F2812作为主控制芯片;位置传感器选择抗干扰能力强、输出信号幅值大的无刷旋转变压器,应用AD公司的轴角转换芯片AD2S80设计了轴角转换电路;功率放大部分采用了AC-DC-AC的拓扑结构,逆变器采用正弦脉宽调制（SPWM）控制的三相电压型逆变器,以富士公司的IGBT模块作为功率管,选择IR公司的IR2136作为功率管驱动芯片并设计了相关的外围电路;设计了完备的包护电路使系统能够安全可靠运行;文中还针对若干具体工程实现问题进行了探讨,例如A/D采样延时问题,旋变信号处理问题等,提出了改进方案并予以实现。软件方面,在TI的集成开发环境CCS2.1中进行了系统的软件开发,文中给出了软件总体结构框图以及各子模块的具体实现流程图。最后,利用MATLAB的PowerSystemBox工具箱搭建了整个无刷直流力矩电机伺服驱动系统的仿真平台,在仿真平台上对所设计的系统进行了一系列性能测试,并验证了方案的可行性。

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 交流伺服驱动系统发展概述
• 1.2.1 国内外交流伺服系统的发展现状
• 1.2.2 交流伺服驱动系统相关技术的发展
• 1.3 论文主要研究内容
• 第2章 无刷直流力矩电机驱动系统工作原理分析
• 2.1 引言
• 2.2 无刷直流力矩电机系统组成
• 2.2.1 无刷直流力矩电机本体
• 2.2.2 转子磁极位置检测与信号处理
• 2.2.3 功率变换装置
• 2.2.4 伺服驱动控制单元
• 2.3 无刷直流力矩电机矢量控制与实现
• 2.3.1 无刷直流力矩电机数学模型
• 2.3.2 无刷直流力矩电机的矢量控制
• 2.3.3 电流矢量控制方案的实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 无刷直流力矩电机驱动系统硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 基于DSP 的驱动控制单元硬件设计
• 3.2.1 TMS320F2812 DSP 芯片简介
• 3.2.2 DSP 最小系统设计
• 3.2.3 DSP 通信接口设计
• 3.2.4 电流信号采样与数字接口电路设计
• 3.3 功率放大装置硬件设计
• 3.3.1 整流滤波装置设计
• 3.3.2 逆变装置设计
• 3.3.3 保护电路设计
• 3.4 转子磁极位置检测装置硬件设计
• 3.4.1 激磁电源设计
• 3.4.2 幅相调节电路的设计
• 3.4.3 轴角转换电路硬件设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 伺服驱动电流环设计与软件实现
• 4.1 引言
• 4.2 系统电流环设计
• 4.2.1 电流环控制方案确定
• 4.2.2 电流环控制器设计
• 4.2.3 数字PI 控制器的实现
• 4.3 伺服系统软件设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 无刷直流伺服驱动系统的实验与仿真研究
• 5.1 引言
• 5.2 仿真实验平台的搭建
• 5.3 仿真实验及波形分析
• 5.3.1 力矩特性测试
• 5.3.2 阶跃响应测试
• 5.3.3 伺服驱动器闭环带宽测试
• 5.3.4 启停特性测试
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢