基于DSP28335的无轴承永磁薄片电机数字控制系统的研究

论文摘要

无轴承永磁薄片电机是一种集驱动与悬浮功能于一体的新型电机,该电机具有定转子无接触、易隔离、结构简单、可靠性高、成本较低等优点,在生化、医疗、机电等超洁净驱动领域具有独特的应用优势。本文针对无轴承永磁薄片电机控制系统以及电机本体的优化进行了深入的研究。通过建立无轴承永磁薄片电机三维模型,分析了该电机的被动悬浮特性以及转子动力学特性;搭建了基于TMS320F28335无轴承永磁薄片电机数字控制系统平台,采用Matlab内部集成工具箱完成该数字控制系统软件开发,并生成DSP可执行代码;建立无轴承永磁薄片电机控制系统的Simulink模型,通过仿真验证了悬浮及驱动控制算法的正确性;完成了无轴承永磁薄片电机系统的综合调试,并最终实现了一台永磁无轴承薄片电机空载条件下的高速稳定悬浮运行。首先,从无轴承永磁薄片电机的基本原理出发,利用ANSYS Workbench有限元分析软件建立了无轴承永磁薄片电机三维模型,通过有限元电磁场仿真分析及验证,深入研究了永磁薄片电机结构参数对转矩和悬浮力的影响。在此基础上,研究了转子在轴向和扭转方向有扰动时的转子动力学特性,为无轴承薄片电机的优化设计奠定了基础。其次,针对电机高速悬浮旋转时对控制单元运算速度的高要求,本文设计了一套基于TMS320F28335的无轴承永磁薄片电机数字控制系统平台,该DSP芯片自带硬件浮点运算单元,可以大大提高复杂算法的运算速度,有效增强控制系统的实时处理能力。在硬件方面充分利用该DSP芯片的丰富外设接口,简化了系统结构,为实现高速永磁型无轴承电机悬浮控制提供了可靠的硬件实验平台。此外,无轴承电机控制算法复杂,软件开发周期较长。本文首次将Matlab工具箱开发DSP软件的方法引入到无轴承电机研究中来,该方法简化了DSP软件开发流程,免除了程序编码任务,降低了开发人员对DSP了解的要求,缩短了软件算法开发时间。文中详细介绍了利用Matlab工具箱开发DSP软件方法,搭建了无轴承永磁薄片电机的控制系统算法模型,仿真验证了控制算法的正确性,并最终生成可执行代码,为实现高速永磁型无轴承电机悬浮控制提供了高效的软件开发平台。最后,通过系统综合调试验证了系统软、硬件设计的正确性,实现了一台永磁无轴承薄片电机高转速下的稳定悬浮运行。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表目录
• 注释表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无轴承永磁薄片电机悬浮原理
• 1.2.1 被动悬浮
• 1.2.2 主动悬浮
• 1.3 无轴承永磁薄片电机的研究现状
• 1.4 本文的研究意义及研究内容
• 1.4.1 本文的研究意义
• 1.4.2 本文的研究内容
• 第二章 无轴承薄片电机被动悬浮力特性和转子动力学的研究
• 2.1 有限元分析软件ANSYS Workbench 简介
• 2.2 无轴承薄片电机被动力悬浮特性分析
• 2.2.1 转子轴向移动
• 2.2.2 转子扭转
• 2.3 无轴承薄片电机的动力学分析
• 2.3.1 轴向特性
• 2.3.2 扭转方向的特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 控制系统硬件设计与实现
• 3.1 DSP 芯片介绍
• 3.2 CCS 在无轴承薄片电机系统中的应用
• 3.2.1 浮点运算运行环境配置
• 3.2.2 调试技巧
• 3.3 无轴承薄片电机控制系统硬件设计
• 3.3.1 DSP 最小系统设计
• 3.3.2 A/D 调理电路设计
• 3.3.3 ePWM 电路设计
• 3.3.4 D/A 电路设计
• 3.3.5 转子径向悬浮位置检测电路设计
• 3.3.6 转子转角检测电路设计
• 3.3.7 悬浮及转矩绕组电流检测电路设计
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于Matlab 实现DSP 28335 软件开发
• 4.1 Matlab 开发工具背景简介
• 4.2 软件开发流程
• 4.3 Simulink 仿真模型
• 4.3.1 悬浮控制模块
• 4.3.2 驱动控制模块
• 4.3.3 位移检测模块
• 4.3.4 角度检测算法
• 4.3.5 转速计算模块
• 4.4 实验结果分析
• 4.4.1 电流闭环检测
• 4.4.2 转角计算检测
• 4.4.3 静止悬浮性能分析
• 4.4.4 高速性能分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 本文的主要工作
• 5.2 需作进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文