船舶电动舵控制系统设计研究与实现

论文摘要

本文主要针对船舶主舵-翼舵系统中的主舵转舵电伺服系统进行了设计研究与实现。采用TMs320F2812型号的数字信号处理器作为控制器主控单元,永磁同步电机作为执行机构来完成。内容包括伺服系统总体方案设计、永磁同步电机数学模型简化及调制技术研究、系统伺服控制器设计、硬件电路设计、软件设计以及软硬件联调试验。在系统总体方案设计中,对系统从整体结构上进行了设计,采用半闭环结构;对所用主要部件如数字信号处理器、执行电机、功率模块等的选型进行了论证。在研究矢量控制的基础上对电机的数学模型进行了简化。以两相静止坐标系下的参考量为输入量对空间矢量脉宽调制技术进行实现,并以减小开关损耗为目的对其进行了优化。在伺服控制器设计中,采用位置、速度、电流三闭环结构设计,以实际工程应用为目的,在内部的电流、速度环中采用PI调节,外部的位置环采用变结构调节。经过仿真验证控制器有优良的电流性能、快速的跟随性能和准确的定位性能,效果令人满意。在硬件设计中,分别进行了系统的主回路、功率单元、控制单元、接口电路以及可靠性的设计,并在设计中说明了每部分设计的原因以及注意问题,介绍了一些重要电子元器件及其参数的选择。最后用PCB画板进行实现。在软件设计中,进行了主程序及各中断子程序的设计,并给出程序流程图,对转子初始定位、测速以及定位等关键子程序更是给出了详细的设计与实现方法。最后,对所设计的软件与硬件部分进行了联合调试,使系统在不同条件下运行,分别测量了电流、转速及位置的试验结果。由测量的结果证明该系统性能良好,达到了预期的目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外相关技术的发展概况
• 1.2.1 船舶航向/减摇装置的国内外发展情况
• 1.2.2 交流永磁同步电机伺服系统现有技术及发展趋势
• 1.3 本文的主要工作内容
• 第2章 永磁同步电机模型建立及调制策略优化
• 2.1 永磁同步电机的数学模型
• q坐标系下的电机数学模型'>2.1.1 d_q坐标系下的电机数学模型
• 2.1.2 矢量控制下的电机简化模型
• 2.2 空间矢量脉宽调制技术的研究
• 2.2.1 以两相静止参考量为输入的SVPWM的实现
• 2.2.2 空间矢量脉宽调制技术的优化
• 2.3 本章小结
• 第3章 系统总体设计研究与仿真
• 3.1 总体设计
• 3.1.1 系统总体结构
• 3.1.2 主要部件选型
• 3.2 伺服控制器设计
• 3.2.1 系统整体结构模型设计
• 3.2.2 电流调节器分析与设计
• 3.2.3 速度调节器分析与设计
• 3.2.4 位置调节器分析与设计
• 3.3 伺服系统仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统硬件设计实现
• 4.1 硬件总体结构
• 4.2 控制板设计
• 4.2.1 DSP主控芯片的功能简介及应用
• 4.2.2 DSP电源设计
• 4.2.3 时钟及复位电路设计
• 4.2.4 外扩存储器设计
• 4.2.5 通讯部分设计
• 4.2.6 接口电路设计
• 4.3 功率板设计
• 4.3.1 功放输入电源
• 4.3.2 智能功率模块IPM
• 4.3.3 光电隔离电路
• 4.3.4 电流检测电路
• 4.4 可靠性设计
• 4.4.1 电源部分
• 4.4.2 A/D部分
• 4.5 本章小结
• 第5章 控制系统软件设计与实现
• 5.1 软件运算中数据格式处理
• 5.2 系统软件总体结构
• 5.3 主程序设计
• 5.3.1 系统控制初始化
• 5.3.2 外围模块功能初始化
• 5.3.3 转子位置初始化
• 5.4 中断服务程序设计
• 5.4.1 定时器T1下溢中断程序
• 5.4.2 位置检测程序
• 5.4.3 速度检测程序
• 5.4.4 电流检测程序
• 5.4.5 SVPWM信号产生程序
• 5.4.6 通讯程序
• 5.5 软件抗干扰设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 电动舵控制系统实现及试验结果
• 6.1 系统总体构成
• 6.2 实现技术
• 6.3 系统试验结果
• 6.3.1 电流测试
• 6.3.2 转速测试
• 6.3.3 位置测试
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢