基于DSP的永磁同步直线电机控制系统的设计

论文摘要

作为江苏省自然基金资助项目《自由活塞发电发动机的模型建立、结构优化和控制策略研究（BK2008228）》的一部分,本文就永磁同步直线电机建模、仿真、控制方法及其控制系统设计等内容展开研究。与传统“旋转电机+滚动丝杆”的进给方式相比,永磁同步直线电机直接进给方式由于省略了机械转换机构,消除了机械传动元件速度和加速度的物理极限等优势,在高速、高精密机械加工设备中得到了广泛的应用。相对于旋转电机,永磁同步直线电机在电气控制方面要求更高。因此,必须要采用更加有效的控制方法、选用精度更高的检测和执行元件。本文在矢量控制的基础上,以数字信号处理器DSP2812为控制核心,配合自行设计的检测和保护等硬件电路,实现整个系统的有效控制。本文的主要研究工作和成果如下:首先,介绍了永磁同步直线电机的基本原理和发展概况,就其相关控制理论做了阐述分析,同时对DSP控制系统特点做了分析。其次,针对系统具体要求,详细介绍和分析了矢量控制方法在永磁同步直线电机控制系统中的实现过程,结合SVPWM调制技术实现了高质量的控制效果。再者,通过Matlab/Simulink仿真分析了控制系统所采用的控制策略和整个实现过程,结果表明:电机动态响应较快、电流谐波畸变率较小。仿真分析对系统的硬件的搭建和软件的编写起到了很大的推进作用。第四,对控制系统的硬件和软件设计做了深入的研究和具体的说明。硬件部分重点设计了电源电路、过压过流保护电路、电流采样电路、IPM驱动电路、电机定位电路等;软件部分主要编写了速度计算模块、SVPWM产生模块、PID调节模块、A/D采样控制模块、定位运行模块和往复运行模块等。最后,在自行搭建的实验平台上,成功的实现了硬件和软件调试,顺利完成永磁同步直线电机控制系统的各项实验。实验结果证明:该系统响应速度较快、控制精度较高、运行稳定,为自由活塞发电机的伺服定位打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 直线电机的工作原理和发展概况
• 1.2.1 直线电机的工作原理和分类
• 1.2.2 直线电机国外发展状况
• 1.2.3 直线电机国内发展状况
• 1.3 直线电机的应用
• 1.3.1 直线电机的应用
• 1.3.2 直线电机应用原则
• 1.4 永磁同步直线电机相关技术的发展
• 1.4.1 新型电力电子技术
• 1.4.2 传统的控制策略
• 1.4.3 现代控制理论
• 1.5 DSP控制系统的特点
• 1.6 本课题的主要研究工作
• 第二章 永磁同步直线电机控制策略
• 2.1 永磁同步直线电机的数学模型
• 2.1.1 矢量控制中所用的坐标系
• 2.1.2 坐标变换
• 2.1.3 永磁同步直线电机的数学模型
• 2.2 永磁同步直线电机矢量控制
• 2.2.1 永磁同步直线电机矢量控制的基本原理
• 2.2.2 永磁同步直线电机的矢量控制方法
• 2.2.3 永磁同步直线电机的矢量调速原理
• 2.3 空间矢量脉宽调制（SVPWM）
• 2.3.1 SVPWM调制的基本原理
• 2.3.2 SVPWM调制的实现方法
• 2.3.3 SVPWM调制的本质
• 2.3.4 空间矢量脉宽调制算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 永磁同步直线电机控制系统建模与仿真分析
• 3.1 PMLSM、三相逆变器及测量仿真模块的建模
• 3.1.1 永磁同步直线电机的建模
• 3.1.2 电压平衡方程
• 3.1.3 机械运动平衡方程
• 3.2 坐标变换模块的建模
• 3.3 速度环和电流环PI控制器模块的建模
• 3.4 SVPWM波模块的建模
• 3.4.1 扇区判断的建模
• 3.4.2 相邻两基本空间电压矢量作用时间比值计算模块的建模
• 3.4.3 六路SVPWM波生成模块
• 3.5 整个永磁同步直线电机仿真系统
• 3.6 仿真结果与分析
• 3.6.1 A组仿真
• 3.6.2 B组仿
• 3.7 本章小结
• 第四章 永磁同步直线电机控制系统的硬件设计
• 4.1 主功率电路设计
• 4.2 主控芯片DSP介绍
• 4.2.1 TMS320 F2812处理器的特点
• 4.2.2 TMS320 F2812实验开发系统
• 4.3 控制系统的硬件设计
• 4.3.1 弱电电源电路设计
• 4.3.2 整流电路
• 4.3.3 逆变电路
• 4.3.4 电流采样及调理电路
• 4.3.5 相电流过流保护电路
• 4.3.6 母线过压、过流保护电路
• 4.3.7 反馈信号调理电路
• 4.4 PCB设计注意和实际调试总结
• 4.5 本章小结
• 第五章 永磁同步直线电机控制系统的软件设计
• 5.1 DSP集成开发环境CCS简介
• 5.2 数据的定标及电机参数的标么化
• 5.3 控制系统的软件设计
• 5.4 系统主要程序模块
• 5.4.1 动子初始位置定位
• 5.4.2 速度计算与调节模块
• 5.4.3 A/D采样模块
• 5.4.4 SVPWM波产生模块
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验结果及分析
• 6.1 实验系统平台
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 永磁同步直线电机定子位置信号
• 6.2.2 DSP输出的SVPWM波
• 6.2.3 光耦输出的SVPWM波
• 6.2.4 电机的线电压波形
• 6.2.5 速度波形、位置波形、电流波形
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文