交流永磁同步伺服系统研究

论文摘要

随着材料技术、电力电子技术、控制理论、计算机技术、微电子技术的快速发展以及电动机制造工艺水平的逐步提高,交流永磁同步电机(PMSM)伺服控制系统在工业领域也具有越来越广泛的应用前景。永磁同步电动机因其优良的性能和多样的结构,在工农业生产、日常生活、航空航天和国防等各个领域中得到了广泛应用。为获得高性能、高精度的执行效果,需要使用变频电源对永磁同步电动机进行驱动和控制。因此,永磁同步电动机伺服控制系统的研究具有重要的理论意义和实用价值。本论文在分析了PMSM结构、数学模型的基础上采用TI公司专用于电机控制的DSP TMS320F2812数字信号处理器作为核心,开发了全数字化的交流永磁同步电机矢量控制伺服系统。本文从研究背景和选题意义出发,首先对交流永磁同步伺服系统的发展概况进行了介绍,接着阐述了永磁同步电机的数学模型、工作原理以及矢量控制原理,并对电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)原理和实现算法进行了详细的说明。在矢量控制原理的基础上,本文详细讨论了永磁同步电机矢量控制的四种电流控制方法,结合本课题所采用的面装式永磁同步电机,选用i_d=0的转子磁场定向矢量控制方法。根据自动控制理论,详细分析了永磁同步电机伺服系统各组成部分的构成与数学模型,按照自动控制系统调节器的工程设计方法,完成了整个系统三个环节的设计,并对系统进行了仿真,研究了系统的稳定性。随后,本文按照系统设计的硬件和软件展开叙述。在硬件部分,介绍了系统的微处理器及其外围电路、主回路、功率模块、检测电路和系统保护电路;在软件部分,介绍了控制程序的设计思想、主程序以及定时器1下溢中断程序结构,并举例介绍了几个功能子程序的实现过程,如转子位置与速度调节程序、电流采样与调节程序、SVPWM程序等。最后,对整个系统的实验平台进行了实验调试,最终结果表明该系统已能够满足高性能伺服系统的基本要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 交流永磁同步伺服系统的研究现状及发展趋势
• 1.2.1 伺服系统的发展概况
• 1.2.2 永磁同步电机的发展概况
• 1.2.3 伺服系统发展趋势
• 1.3 交流永磁同步伺服系统相关技术的发展
• 1.3.1 永磁同步电机
• 1.3.2 新型电力电子器件和脉宽调制（PWM）控制技术
• 1.3.3 矢量控制技术及现代控制理论
• 1.3.4 广泛应用计算机技术
• 1.3.5 无速度传感矢量控制技术
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第二章 永磁同步电机的矢量控制与空间矢量脉宽调制
• 2.1 引言
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.2.1 矢量控制中所用坐标系
• 2.2.2 坐标系的变换
• 2.2.3 永磁同步电机在d-q坐标系下的数学模型
• 2.3 永磁同步电机的矢量控制
• 2.3.1 矢量控制的基本原理
• 2.3.2 永磁同步电机的矢量控制方法
• d=0解耦控制分析'>2.3.3 i_d=0解耦控制分析
• 2.3.4 弱磁控制
• 2.3.5 永磁同步电机的矢量调速原理
• 2.4 空间矢量脉宽调制（SVPWM）
• 2.4.1 空间矢量脉宽调制原理
• 2.4.2 空间矢量脉宽调制算法
• 2.5 本章小结
• 第三章 交流永磁同步伺服系统控制器的设计与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 控制器的设计
• 3.2.1 电流调节器的设计
• 3.2.2 速度调节器的设计
• 3.2.3 位置调节器的设计
• 3.3 矢量控制的交流永磁同步倒服系统的仿真研究
• 3.3.1 MATLAB仿真工具简介
• 3.3.2 闭环控制系统仿真模型
• 3.3.3 仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 交流永磁同步伺服系统的硬件电路设计
• 4.1 引言
• 4.2 DSP最小系统
• 4.2.1 TMS320F2812概述
• 4.2.2 DSP最小系统外围电路
• 4.3 系统功率驱动电路
• 4.3.1 主回路电路设计
• 4.3.2 整流滤波器
• 4.3.3 智能功率模块（IPM）的选择与驱动
• 4.3.4 软启动电路
• 4.4检测与调理电路
• 4.4.1 电流检测与调理电路
• 4.4.2 转子位置与速度检测电路
• 4.5 保护电路
• 4.5.1 过压检测与保护电路
• 4.5.2 过流保护电路
• 4.6 本章小结
• 第五章 交流永磁同步伺服系统的软件实现
• 5.1 引言
• 5.2 开发软件介绍
• 5.3 TMS320F2812的数据格式处理
• 5.3.1 Q格式表达法
• 5.3.2 标么值（PU）表示法
• 5.4 系统软件的整体结构
• 5.5 系统主要程序模块
• 5.5.1 转子位置初始定位
• 5.5.2 转子位置计算与调节模块
• 5.5.3 速度计算与调节模块
• 5.5.4 电流采样与调节模块
• 5.5.5 SVPWM程序模块
• 5.6 本章小结
• 第六章 实验结果及其分析
• 6.1 实验参数与实验平台
• 6.2 实验结果及分析
• 6.2.1 DSP输出的SVPWM波信号
• 6.2.2 IPM的驱动信号
• 6.2.3 电机的线电压波形
• 6.2.4 电机的电流波形
• 6.2.5 电机速度波形
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表论文