三相混合式步进电机伺服控制系统的研究与开发

论文摘要

混合式步进电动机总体性能优于其它种类的步进电动机,是工业控制上应用最为广泛的步进电动机品种。本文以定子12极转子50齿的三相混合式步进电动机为对象,以高性能的位置伺服系统为目标,进行了较为深入的系统的研究。文中首先分析三相混合式步进电动机的工作原理,忽略混合式步进电机的一些非线性因素,采用简化的磁网络模型,推导了建立三相混合式步进电机数学模型的关系式。进一步分析了三相混合式步进电机和同步电机之间的关系,将其等效为步进运行的同步电机,并在此基础上推导出三相混合式步进电机的转矩关系式。然后提出了电枢反应显著的三相混合式步进电动机矢量控制方法,并建立了充分利用电磁转矩和磁阻转矩的矢量控制方法,实现了高效的转矩控制。同时对空间电压矢量PWM(SVPWM)控制技术进行了研究,将其应用于本文设计的伺服系统,使得由混合式步进电机的脉动磁场产生的转矩脉动得到了降低,电流波形畸变减小、直流电压利用率提高。在以上的理论基础上,本文利用数字信号处理器DsPIC30F6010A,设计了三相混合式步进电动机矢量控制和空间电压矢量PWM控制的位置伺服系统,实现了混合式步进电动机直轴、交轴电流的协调控制。本文还设计了一种新型集成位置传感器,为系统提供实时的位置信息。这种传感器成本低,经过适当的软、硬件处理,动态性能得到了精度较高的位置信息。文中还对整个系统的架构及硬件电路和驱动软件的实现作了详细的介绍,并给出硬件结构框图及软件部分的程序框图。通过初步实验分析,该系统很好达到设计的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 混合式步进电机发展概况与研究现状
• 1.2 混合式步进电机驱动器研究概况与发展趋势
• 1.3 课题研究的目的及意义
• 1.4 论文研究的主要内容
• 1.5 本章小节
• 2 三相混合式步进电机工作原理及其控制
• 2.1 混合式步进电机结构特点及工作原理
• 2.1.1 三相混合式步进电机结构特点
• 2.1.2 三相混合式步进电机工作原理
• 2.2 三相混合式步进电机数学模型分析
• 2.3 混合式步进电机的控制
• 2.3.1 步进电机的开环控制
• 2.3.2 步进电机的闭环控制
• 2.3.3 步进电机的模糊控制
• 2.3.4 步进电机的矢量控制
• 2.4 混合式步进电机伺服系统的位置检测
• 2.4.1 磁链位置检测
• 2.4.2 电感位置检测
• 2.4.3 反电动势位置检测
• 2.4.4 光电码盘位置检测
• 2.5 本章小结
• 3 三相混合式步进电机驱动控制技术及控制策略的研究
• 3.1 单极性驱动与双极性驱动
• 3.2 升频升压驱动
• 3.3 恒流斩波驱动
• 3.4 细分驱动
• 3.4.1 细分驱动原理
• 3.4.2 细分驱动特点
• 3.4.3 细分驱动电流的均匀细分
• 3.5 矢量控制控制技术
• 3.5.1 矢量控制原理
• 3.5.2 矢量控制方法
• 3.6 空间电压矢量PWM（SVPWM）控制技术
• 3.6.1 SVPWM 原理
• 3.6.2 SVPWM 控制算法
• 3.6.3 SVPWM 控制算法优化策略
• 3.7 本章小结
• 4 系统架构及硬件电路的实现
• 4.1 系统架构
• 4.2 系统硬件的总体设计
• 4.3 系统硬件电路设计
• 4.3.1 主控芯片的选择
• 4.3.2 功率驱动电路设计
• 4.3.3 电流反馈及过流保护电路设计
• 4.3.4 温度检测电路设计
• 4.3.5 电源电路设计
• 4.3.6 通信模块电路设计
• 4.4 光电位置传感器结构和检测电路设计
• 4.4.1 光电位置传感器的结构
• 4.4.2 光电位置传感器检测电路
• 4.5 硬件电路抗干扰设计
• 4.5.1 抑制干扰源
• 4.5.2 切断干扰传播路径
• 4.5.3 提高敏感器件的抗干扰性
• 4.6 本章小结
• 5 系统软件设计及实现
• 5.1 系统软件总体设计
• 5.2 系统软件各功能模块设计及实现
• 5.2.1 初始化模块
• 5.2.2 电流采样A/D 模块
• 5.2.3 位置反馈A/D 模块
• 5.2.4 PI 调节模块
• 5.2.5 矢量控制模块
• 5.2.6 空间电压矢量PWM 模块
• 5.2.7 功率保护模块
• 5.2.8 过温保护模块
• 5.3 系统软件抗干扰设计
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录