基于DSP的全数字交流伺服系统研究

论文摘要

随着永磁材料、电力电子技术以及数字信号处理器的发展,永磁同步电机交流伺服系统获得了广泛的应用。永磁同步电动机转子励磁由永磁体产生,无励磁绕组和滑环、电刷,具有效率高、功率密度高、转动惯量小以及高可靠性等特点。本文通过对交流永磁同步电机(PMSM)的数学模型和控制理论进行研究,设计并开发了基于高性能DSP系统的全数字交流伺服控制系统。其控制系统硬件主要由数字信号处理芯片(DSP)、智能功率模块(IPM)构成。在电流采样电路的设计中,为了克服A/D转换器的温漂问题,采用了电流传感器芯片IR2175,并利用DSP的高速数据处理功能,实现了电机相电流的检测。系统软件中控制算法采用id=0的空间矢量脉宽调制,伺服系统采用典型的三环控制系统,即位置环、速度环、电流环,此三环均在DSP中采用编程实现数字化,位置环采用前馈控制,速度环和电流环均采用PI控制,并设计了电子齿轮以及处理光电编码器和电流传感器信号的软件算法。此外,本文还完成了基于LabView的上位机监控软件的开发,通过串口通信实现对伺服系统和电机的运行状态监控。在Matlab/Simulink环境下建立了伺服系统的控制模型,进行仿真分析,验证了控制算法的可行性,并初步得出各环控制器的参数,以方便实际调试时参数的选取。最后进行了实际调试实验研究,结果表明本文设计开发的全数字交流伺服系统具有稳定性高、成本低的特点。最后,对本文的研发工作进行了总结,并对下一步研究进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 伺服系统的基本要求和特点
• 1.2.1 伺服系统的基本要求
• 1.2.2 伺服系统的特点
• 1.3 伺服系统研究的国内外现状及发展趋势
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 永磁同步电机及其矢量控制
• 2.1 永磁同步电机数学模型
• 2.2 永磁同步电机的矢量控制原理
• 2.3 本章小结
• 第三章 永磁交流伺服系统矢量控制设计和仿真
• 3.1 全数字交流伺服系统电流环设计
• 3.2 全数字交流伺服系统速度环设计
• 3.3 全数字交流伺服系统位置环设计
• 3.3.1 电子齿轮的设计
• 3.3.2 位置前馈控制
• 3.4 空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）
• 3.4.1 三相电压方程
• 3.4.2 静态功率桥的应用
• 3.4.3 定子电压在αβ坐标系下的表达式
• 3.4.4 定子参考电压的计算
• 3.4.5 扇区的判断
• 3.5 伺服系统仿真
• 3.5.1 速度伺服仿真
• 3.5.2 位置伺服仿真
• 3.6 本章小结
• 第四章 全数字伺服系统硬件设计
• 4.1 主电路设计
• 4.1.1 整流和滤波电路
• 4.1.2 逆变电路
• 4.2 控制电路设计
• 4.2.1 核心控制单元TMS320F2812DSP
• 4.2.2 异步串行通信接口电路
• 4.3 辅助电路设计
• 4.3.1 电流检测电路
• 4.3.2 位置和速度信号检测电路
• 4.3.3 保护电路设计
• 4.3.4 保护电路信号处理
• 4.4 本章小结
• 第五章 全数字伺服系统软件设计
• 5.1 伺服系统的开发环境CCS 介绍
• 5.2 伺服系统主程序设计
• 5.2.1 DSP 及系统参数的初始化
• 5.2.2 电机初始位置检测
• 5.3 PWM 中断服务程序设计
• 5.3.1 数据的标幺化处理及定标处理
• 5.3.2 光电编码器信号处理
• 5.3.3 电流传感器信号处理
• 5.3.4 数字PI 调节器的实现
• 5.3.5 位置调节器的实现
• 5.3.6 SVPWM 产生模块
• 5.4 上位机监控程序设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 全数字伺服系统实验结果及其分析
• 6.1 实验系统概述
• 6.2 实验与分析
• 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
• 在学期间发表的学术论文