基于DSP的永磁同步电机伺服控制系统研究

论文摘要

伺服技术是机电一体化技术的重要组成部分,它广泛应用于数控机床,工业机器人、航空航天器、电动汽车、家用电器等多种工业产品领域,现代工业生产对伺服设备的性能及对整个伺服系统提出了越来越高的要求。因此,研制高性能、高可靠性的交流伺服系统有着十分重要的现实意义。随着新型永磁材料的发展和永磁同步电机制造技术的不断提高,以永磁同步电机作为控制对象的永磁伺服系统得到了越来越多的关注。在这些要求高精度,高动态性能以及小体积的场合,应用交流永磁同步电机(PMSM)的伺服系统具有明显优势。PMSM本身不需要励磁电流,在逆变器供电的情况下,不需要阻尼绕组,效率和功率因数都比较高,而且体积较同容量的异步电机小。永磁伺服控制系统的研究成为了一种必然的发展趋势和当前的热点。随着微电子和电力电子技术的飞速发展,越来越多的交流伺服系统采用了数字信号处理器(DSP)和智能功率模块(IPM),从而实现了从模拟控制到数字控制的转变,也促使交流伺服系统向数字化、智能化、网络化方向发展。本文深入研究了永磁同步电机的结构特点,根据三种坐标系的变换关系,建立永磁同步电机在对应坐标系中的数学模型。对电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)做了详细的理论阐述和推导,并给出了基于DSP的软件的实现方法；而且对目前大量采用的PID控制进行了改进,在常规PID控制的基础上配合模糊PID控制智能算法,以达到精度更高、动态性能更好的效果。此外,本文还针对伺服系统的电流检测环节、智能功率模块、过欠电压保护模块、转子转速检测等电路做了研究,针对永磁同步电机因没有起动转矩无法自起动的问题做了研究,文章最后给出了MATLAB仿真运行结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 伺服系统的发展
• 1.1.1 伺服系统的概念
• 1.1.2 伺服系统的发展过程
• 1.2 交流伺服系统的发展现状与趋势
• 1.2.1 交流伺服系统的分类
• 1.2.2 交流伺服系统的发展趋势
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 永磁同步电机的数学模型
• 2.1 定子电压和磁链方程
• 2.2 转矩方程
• 2.3 运动方程
• 2.4 标么值的选取
• 第3章 矢量控制策略
• 3.1 永磁同步电机矢量控制策略
• 3.2 矢量控制的实现
• 3.3 坐标变换的基本原理
• 3.3.1 坐标系分类
• 3.3.2 各坐标系间的变换
• 3.4 SVPWM调制的基本原理
• 3.4.1 电压矢量与磁链矢量的关系
• 3.4.2 基本电压空间矢量
• 3.4.3 磁链轨迹的控制
• 3.4.4 基本电压空间矢量作用时间的计算
• 3.4.5 扇区号的确定
• 第4章 模糊参数自整定PID控制器设计
• 4.1 模糊控制器的特点
• 4.2 模糊控制器的设计过程
• 4.2.1 精确量的模糊化过程
• 4.2.2 模糊逻辑推理
• 4.2.3 模糊量的精确化计算
• 4.3 模糊控制器的常规设计方法
• 4.4 PID控制算法
• 4.5 模糊自整定PID参数控制器的设计
• 4.5.1 PID参数的整定方法
• 4.5.2 模糊自整定PID参数控制器的设计
• 4.6 模糊自整定PID参数控制系统仿真
• 第5章 永磁同步电机伺服系统硬、软件设计
• 5.1 TMS320F2812 DSP功能与资源
• 5.2 永磁同步电机矢量控制的基本组成
• 5.2.1 功率电路
• 5.2.2 逆变电路
• 5.2.3 电流检测方法及实现
• 5.2.4 转子位置与速度检测
• 5.2.5 保护电路
• 5.3 系统软件设计
• 第6章 永磁同步电机自启动
• 6.1 永磁同步电机启动问题的分析
• 6.2 永磁同步电动机常用启动方法
• 6.3 直流电定磁场方法
• 6.4 定向磁场的DSP实现方法
• 第7章 永磁同步电机控制系统的MATLAB仿真
• 7.1 MATLAB/SIMULINK工具箱介绍
• 7.2 主要控件及其介绍
• 7.3 永磁同步电机伺服控制系统建模
• 结论
• 参考文献
• 致谢