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一种工程无PG式的电磁减速型PMSM伺服控制及应用
作 者: 胡小强
导 师: 陈德传
学 校: 杭州电子科技大学
专 业: 控制理论与控制工程
关键词: 电磁减速型PMSM DTC 工程无PG控制 参数自学习 嵌入式系统
分类号: TM341
类 型: 硕士论文
年 份: 2009年
下 载: 31次
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内容摘要
传统交流伺服系统均采用带PG的伺服驱动器+减速器的结构方案,减速器的存在易造成系统传动效率降低、体积大、成本高等问题,而配置高性能的光电编码器不仅价格昂贵,而且还降低系统可靠性。本文在研究无需机械减速器、直接驱动式的永磁低速同步电动机数学模型和控制理论的基础上,对改善直接转矩控制的低速性能、工程无PG控制、电机参数自学习方法及嵌入式多任务实现方法等进行深入的研究,并完成电磁减速型PMSM伺服系统的软、硬件设计。首先,本文从永磁同步电动机(PMSM)基本结构和数学模型出发,分析了永磁同步电动机直接转矩控制的基本原理。讨论了电压空间矢量在直接转矩控制中的作用与方法,并分析了基本DTC方案中存在的问题。其次,针对基本DTC控制存在转矩脉动大、控制性能受电机参数影响大等问题,采用空间矢量脉宽调制的直接转矩控制(SVM-DTC)方案来改善系统动、静态性能,其算法实现包括电压矢量的生成和空间电压矢量调制。接着,通过分析常用转速估计算法的原理及各自存在的问题,探讨了一种基于瞬时负载角检测的速度估计方法,在自学习模式下,通过与接近开关测得的角速度比较,对转速估计算式进行电机参数修正,实现工程无PG控制。本文还研究了基于初始接近开关信息及电压、电流信号融合的电机参数自学习方法,提高无PG观测的精度与控制性能。然后,在Matlab/Simulink仿真环境下对电磁减速型PMSM的基本DTC和SVM-DTC控制策略进行建模和仿真。结果表明,SVM-DTC在改善电磁转矩脉动、低速平稳性方面具有良好的效果。最后,论文实现了基于嵌入式技术的多任务电磁减速型PMSM伺服系统的控制方案,完成了该伺服系统的软、硬件设计。硬件部分主要以ColdFire系列32微控制器MCF52235为核心,对控制器最小系统、信号采样模块、基于软开关逆变电路、信号驱动和保护电路及系统辅助电源等进行了详细的设计和分析。软件部分采用嵌入式实时操作系统进行软件模块化设计,并成功将μC/OS-Ⅱ移植到MCF52235微控制器中。将伺服系统软件分解成若干个任务模块,详细分析了信号转换、控制算法、SVPWM输出任务和人机界面的软件实现过程,并对系统软、硬件进行了调试和实验,验证了系统设计的可行性和有效性。
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全文目录
摘要 5-6 ABSTRACT 6-11 第1章 绪论 11-17 1.1 交流伺服系统的研究现状及发展趋势 11-16 1.1.1 交流伺服系统控制策略 12-13 1.1.2 直接转矩控制 13-14 1.1.3 交流伺服系统的发展方向 14-16 1.2 本课题研究的内容 16-17 第2章 电磁减速型PMSM 伺服系统的总体方案分析 17-22 2.1 电磁减速型PMSM 伺服系统的组成及功能分析 17-19 2.2 技术实现方案分析 19-21 2.2.1 硬件方案 19-20 2.2.2 软件方案 20-21 2.2.3 核心器件选型 21 2.3 本章小结 21-22 第3章 永磁同步电动机的数学模型 22-28 3.1 永磁同步电动机的类型 22-23 3.2 逆变器模型及电压空间矢量 23-24 3.3 坐标变换 24-25 3.4 永磁同步电动机的数学模型 25-27 3.5 本章小结 27-28 第4章 基于工程无PG 的电磁减速型PMSM 直接转矩控制 28-43 4.1 永磁同步电动机的基本DTC 控制原理 28-29 4.2 永磁同步电动机的SVM-DTC 控制方法 29-34 4.2.1 参考矢量的产生 30-32 4.2.2 电压矢量脉宽调制 32-34 4.3 工程无PG 控制算法 34-38 4.3.1 转子初始位置检测 34-35 4.3.2 转子位置估计 35-36 4.3.3 PMSM-DTC 转速估计 36-38 4.4 电机参数自学习 38-39 4.5 SVM-DTC 的仿真分析 39-42 4.6 本章小结 42-43 第5章 电磁减速型PMSM 伺服系统硬件电路设计 43-56 5.1 人机界面与功能介绍 43-45 5.1.1 功能按键及指示灯说明 43-44 5.1.2 显示模块与功能设置 44-45 5.2 电磁减速型PMSM 伺服系统整体组成框图 45-46 5.3 控制板电路设计 46-49 5.3.1 控制器最小系统 46-47 5.3.2 电流检测电路 47-48 5.3.3 母线电压检测电路 48 5.3.4 转速检测电路 48-49 5.3.5 模拟信号输入电路 49 5.4 功率板电路设计 49-54 5.4.1 基于软开关的逆变电路 50-52 5.4.2 信号驱动电路 52-53 5.4.3 保护与泵升抑制电路 53 5.4.4 辅助电源电路 53-54 5.5 整机连接及其工作原理 54-55 5.6 本章小结 55-56 第6章 电磁减速型PMSM 伺服系统软件设计 56-66 6.1 μC/OS-Ⅱ实时操作系统及在MCF52235 上的移植 56-59 6.1.1 μC/OS-Ⅱ简介 56 6.1.2 μC/OS-Ⅱ在MCF52235 上的移植 56-59 6.2 μC/OS-Ⅱ平台下任务设计 59-60 6.3 主要任务软件实现 60-63 6.3.1 信号转换任务 60-61 6.3.2 控制算法任务 61-62 6.3.3 SVPWM 输出任务 62-63 6.4 人机界面软件设计 63-64 6.5 软件调试 64-65 6.6 本章小结 65-66 第7章 实验与分析 66-69 7.1 伺服系统实验平台介绍 66-67 7.2 系统实验及结果分析 67-69 第8章 总结与展望 69-71 8.1 总结 69-70 8.2 不足与展望 70-71 致谢 71-72 参考文献 72-75 附录一 控制板电路图 75-79 附录二 功率板电路图 79-82 附录三 操作面板电路图 82-83 附录四 参加的科研项目与发表的论文 83-84 摘要 84-86
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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 交流电机 > 同步电机
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