数字控制双余度永磁同步电机调速系统的研究

论文摘要

在电力传动系统的发展过程中,直流电机以其控制简单、调速性能好,曾经发挥过重要作用。随着近代交流调速技术的发展,交流电机由于可靠性、功率密度和效率高于直流电机,在电力传动系统中越来越被广泛的应用,在军用和民用方面都得到很大的推广。例如,目前航空领域中最热门的多电全电飞机,以及各种变频空调、冰箱等家用电器方面,交流电机步占据主要地位。各种以电动机作为主要作动装置的系统中,为了提高抵抗故障的能力和安全性,采用余度技术是有效的手段之一。目前,采用无刷直流电机作动的余度舵机系统已经得到了广泛的研究。与无刷直流电机相似,永磁同步电机也具有功率密度大、损耗低、响应快等特点,更可贵的是没有无刷直流电机换相时的脉动问题,而且伺服定位精确、误差小,因此在高精度场合具有不可替代的优势。本文主要研究永磁同步电机构成的余度系统。首先结合永磁同步电机的特点提出了基于永磁同步电机的余度系统控制策略,由普通永磁同步电机模型推导出双余度电机的模型,并在MATLAB/SIMULINK中建立了余度的电流、转速双闭环仿真模型,对两种余度模式进行了仿真验证;然后提出了一种新型的空间矢量调制方法,该方法不需要扇区运算,使空间矢量算法得到了简化;最后文章还分析了系统可靠性、并联均流等余度系统的关键技术。本文建立了以DSP2407结合CPLD作为控制核心的余度系统硬件平台。对应余度系统的两种运行模式,编写了基于汇编语言的DSP主控程序和CPLD的保护和故障切换程序,实现了余度系统在安全、故障、切换等不同状态下的可靠运行。通过实验验证了本文理论分析的正确性和以永磁同步电机为核心的余度系统可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外余度作动系统发展状况
• 1.1.1 主要余度电机类型
• 1.1.2 余度系统研究现状
• 1.2 永磁同步电机的特点和应用
• 1.3 双余度永磁同步电机系统的特点
• 1.4 课题研究目的
• 1.5 本文主要工作内容
• 第二章 余度控制系统的方案
• 2.1 引言
• 2.2 永磁同步电机的基本理论
• 2.2.1 永磁同步电机的结构
• 2.2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.3 永磁同步电机的矢量控制
• 2.3.1 矢量控制中用到的坐标变换
• 2.3.2 永磁同步电机在旋转坐标系中的方程
• 2.3.3 磁场定向方式的选择
• 2.3.4 矢量控制的电流控制策略
• 2.3.5 双环控制结构
• 2.3.6 闭环控制策略
• 2.4 余度系统的方案
• 2.4.1 余度永磁同步电机的结构和特点
• 2.4.2 余度电机控制系统框图
• 2.4.3 余度工作模式
• 2.4.3.1 余度系统的故障分析
• 2.4.3.2 热备份运行方式
• 2.4.3.3 冷备份运行
• 2.5 余度系统的关键问题
• 2.5.1 系统的抗干扰技术
• 2.5.2 均流特性
• 2.5.3 故障切换
• 2.6 本章小结
• 第三章 新型空间矢量调制方法
• 3.1 引言
• 3.2 传统空间矢量调制方法
• 3.3 新型无扇区空间矢量调制方法
• 3.3.1 新型空间矢量调制的坐标变换
• 3.3.2 新型120°坐标系
• 3.3.3 约束条件
• 3.3.4 新型算法的开关模式
• 3.4 新型调制算法的仿真及实验
• 3.4.1 新算法的建模与仿真
• 3.4.2 算法实验验证
• 3.5 本章小结
• 第四章 余度系统的 MATLAB 建模与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 余度永磁同步电机建模
• 4.2.1 电机本体建模
• 4.2.2 矢量控制模块
• 4.2.3 逆变器模块
• 4.2.4 调速系统的完整模型
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.3.1 热备份运行方式的仿真
• 4.3.2 冷备份运行方式的仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 系统硬件和软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 全数字系统硬件设计
• 5.2.1 控制电路设计
• 5.2.1.1 主控 DSP 单元以及外围电路设计
• 5.2.1.2 时钟电路和锁相环滤波电路
• 5.2.1.3 外部存储器电路
• 5.2.1.4 电源管理电路
• 5.2.1.5 I/O 引脚的处理
• 5.2.1.6 CPLD 硬件电路
• 5.2.1.7 JTAG 仿真接口电路的硬件连接
• 5.2.2 采样电路
• 5.2.3 调理电路
• 5.2.4 过流和过压保护电路
• 5.2.5 功率电路及驱动
• 5.2.6 位置传感器模块
• 5.2.6.1 光电码盘
• 5.2.6.2 旋转变压器
• 5.3 软件设计流程
• 5.3.1 CPLD 程序设计
• 5.3.1.1 信号传输与故障逻辑处理
• 5.3.1.2 旋转变压器信号读取部分
• 5.3.2 DSP 程序设计
• 5.3.2.1 DSP 系统资源的分配
• 5.3.2.2 系统变量的数字表述形式
• 5.3.2.3 主程序流程
• 5.3.2.4 中断流程
• 5.3.2.5 电流采样模块
• 5.3.2.6 调节器模块
• 5.4 本章小结
• 第六章 实验结果及分析
• 6.1 引言
• 6.2 位置传感器实验
• 6.3 热备份实验
• 6.3.1 热备份运行实验结果
• 6.3.2 热备份切换实验
• 6.4 冷备份实验
• 6.4.1 冷备份速度响应实验
• 6.4.2 冷备份切换实验
• 6.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士研究生期间在校发表论文
• 硕士研究生期间申请专利
• 硕士研究生期间获奖情况