基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统的研究

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,永磁同步电机(PMSM)交流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,永磁同步电动机调速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的结构、数学模型的基础上采用TI公司专用于电机控制的TMS320F2407A型数字信号处理器作为核心,开发了全数字化的永磁同步电机矢量控制调速系统,主要完成了以下几个方面的工作:(1)本文查阅大量的文献资料,阐述了永磁同步电机的发展概况及应用以及其控制系统的发展现状,讨论了此课题的研究意义。(2)在分析了PMSM的工作原理及其运行特点的基础上,深入研究了永磁同步电机的矢量控制理论,采用SVPWM矢量控制技术,并在此基础上建立PMSM数学模型,构建了采用速度和电流双闭环的矢量控制策略。(3)在分析了TI公司的高速数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407A的特点的基础上,通过其专用开发平台,设计了基于该DSP的永磁同步电机矢量控制系统,完成了控制器、功率变换单元以及位置检测单元的设计,并在此基础上设计各种保护电路。同时设计了系统软件控制部分,完成了主程序、中断控制程序以及各项子程序的设计。(4)本文在研究MATLAB/SIMULINK的基础上,建立了永磁同步电机矢量控制系统仿真模型,并进行了控制仿真研究,仿真结果表明,该控制系统响应速度快,超调量小,抗干扰性能强。本文通过对永磁同步电机控制系统的研究,将矢量控制策略与DSP控制技术有机的结合,具有较大的实际使用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 永磁同步电动机的发展概况及应用前景
• 1.1.1 永磁同步电动机发展概况
• 1.1.2 永磁同步电动机特点及应用
• 1.2 永磁同步电动机调速系统的发展现状与趋势
• 1.3 课题研究的背景及本文的主要研究内容
• 1.4 本课题的研究意义
• 第2章 永磁同步电机结构及其数学模型
• 2.1 永磁同步电动机的结构
• 2.2 永磁同步电动机的数学模型
• 2.2.1 永磁同步电机在静止坐标系（UVW）上的模型
• 2.2.2 永磁同步电机在两相静止坐标系（a-β）上的模型方程
• 2.2.3 永磁同步电机在旋转坐标系（d-q）上的数学模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 永磁同步电机矢量控制及空间矢量脉宽调制
• 3.1 永磁同步电机的控制策略
• 3.1.1 永磁同步电机外同步控制策略
• 3.1.2 永磁同步电机自同步控制策略
• 3.1.3 永磁同步电动机的弱磁控制
• 3.2 空间矢量脉宽调制（SVPWM）
• 3.2.1 空间矢量脉宽调制原理
• 3.2.2 空间矢量脉宽调制实现
• 3.3 PI控制器的设计
• 3.3.1 电流环PI控制器的设计
• 3.3.2 速度环PI控制器的设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 永磁同步电机矢量控制系统的硬件设计
• 4.1 功率变换单元的设计
• 4.1.1 三相桥式主电路
• 4.1.2 IR2130驱动器
• 4.1.3 信号隔离电路
• 4.2 检测单元的设计
• 4.2.1 位置检测单元的设计
• 4.2.2.电流检测电路
• 4.2.3.电压检测电路
• 4.3 控制器的设计
• 4.3.1 DSP的特点和资源
• 4.3.2 系统设计中所用的DSP硬件资源
• 4.4 电平转换
• 4.5 保护电路的设计
• 4.5.1 过流保护电路
• 4.5.2 过压保护电路
• 4.5.3 上电保护电路
• 4.5.4 系统保护电路
• 4.6 本章小结
• 第5章 永磁同步电机矢量控制系统的软件设计
• 5.1 DSP软件一般设计特点
• 5.1.1 公共文件目标格式
• 5.1.2 Q格式表示方法
• 5.2 控制系统软件的总体结构
• 5.3 控制系统子程序设计
• 5.3.1 位置和速度计算
• 5.3.2 速度、电流PI控制
• 5.3.3 电流的采样与滤波
• 5.3.4 坐标变换软件实现
• 5.3.5 正余弦值的产生
• 5.3.6 空间矢量PWM程序
• 5.4 本章小结
• 第6章 闭环系统仿真模型
• 6.1 MATLAB仿真工具箱简介
• 6.2 闭环控制系统仿真
• 6.3 仿真结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢