大推力永磁直线电机驱动控制系统研究与开发

论文摘要

永磁直线电机不需要齿轮、丝杆等中间传动环节可直接生成直线运动,具有精度高、推力大、响应快的优点,在由高性能运动控制到大推力传动等领域均有广泛的应用前景。针对用于油田新型直线抽油机的大推力永磁直线电机在强电气干扰及周期性推力扰动下的驱动控制,本文提出了基于重复控制补偿的矢量控制方案,设计了具有高抗扰性能的永磁直线电机控制系统,并进行了实验验证。本文首先基于坐标变换建立了永磁直线电机的数学模型,分析了永磁直线电机矢量控制原理,并针对由大推力永磁直线电机由齿槽效应、端部效应等导致的周期性推力扰动,将重复补偿PID控制器用于推力纹波的抑制,提出了基于重复控制补偿的矢量控制方案。其次,本文进行了大推力永磁直线电机控制系统的硬件设计。在DSP+FPGA+IPM的系统架构的基础上,设计了控制电路、接口电路、检测电路、主电路、开关电源、驱动保护电路等控制硬件系统。考虑大推力永磁直线电机存在的较强的电磁干扰,通过采用IPM差分驱动电路及IPM保护信号滤波电路等硬件电路抗扰设计,增强了系统的稳定性、可靠性。此外,本文进行了大推力永磁直线电机控制系统的软件设计。分析了系统软件的整体结构,设计了电流A/D转换、重复补偿PID、动子位置和速度计算、SVPWM、电机启动等重要算法、流程及软件模块。最后,通过在现场实验分析,验证了系统设计的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.3 永磁直线电机驱动控制策略和控制理论
• 1.4 本文主要工作内容和结构安排
• 2 永磁直线电机基于重复控制补偿的矢量控制
• 2.1 永磁直线电机的基本原理
• 2.2 永磁直线电机的数学模型和矢量控制原理
• 2.3 永磁直线电机基于重复控制的推力补偿方法
• 2.4 永磁直线电机基于重复控制补偿的矢量控制方案
• 2.5 本章小结
• 3 大推力永磁直线电机控制系统硬件设计
• 3.1 硬件系统的总体构成
• 3.2 控制电路及接口电路设计
• 3.3 检测电路设计
• 3.4 主电路及开关电源设计
• 3.5 驱动保护电路设计
• 3.6 本章小结
• 4 大推力永磁直线电机控制系统软件设计
• 4.1 软件系统的整体结构
• 4.2 电流ADC 转换模块
• 4.3 数字PID 及重复PID 模块
• 4.4 电机动子位置及速度计算模块
• 4.5 空间电压矢量脉宽调制SVPWM 模块
• 4.6 电机启动模块
• 4.7 本章小结
• 5 大推力永磁直线电机控制系统实验结果分析
• 5.1 大推力永磁直线电机及其伺服驱动装置
• 5.2 实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利目录