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微小型高性能电机伺服驱动器设计

作　者: 杨炀
导　师: 徐殿国
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 仿人机器人伺服驱动器永磁同步电机高功率密度
分类号: TM383.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 232次
引　用: 1次
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内容摘要

针对国内仿人机器人关节伺服系统高度依赖进口,没有自主知识产权的现状,本文设计了两款低压微小型高性能电机伺服驱动器。文中介绍了永磁同步电机伺服驱动的基本原理,给出了伺服驱动器的硬件设计和控制策略,并对伺服系统的性能进行了测试。文中给出了伺服驱动器的硬件设计过程和实现细节,包括主电路、微控制器、电流采样电路、过流保护电路等。I型驱动器为立式安装,占用面积小,其功率器件贴焊在一块铝基电路板上,保证了小空间内功率器件的散热;采用平面变压器和印刷线路板绕组技术,在很小的空间内搭建一个反激变换器,提供多路隔离输出电压。II型驱动器为卧式安装,能提供较大的散热面积,其功率器件的热量通过电路板传导到铝制外壳上;采用级联式降压电路作为控制电源,空间更加紧凑,且纹波较小。电流采用电路的设计使得驱动器即可以支持180o导通的正弦波驱动方式,也能够采取120o导通的方波驱动方式。通过优化设计,减少了驱动器的体积,提高了功率密度。在搭建、调试硬件的基础上,对伺服驱动器的电流环、速度环、位置环控制策略进行了分析和计算。针对低压伺服系统的特点,设计了母线电压波动补偿算法,通过主动修正空间电压矢量的作用时间,避免造成电流波动。同时,实现了抗积分饱和的PID算法。通过仿真和测试说明,这些措施能有效提高系统的动静态性能。与国外同类产品在体积、重量、功率密度、定位精度与响应速度、工作效率与温升几方面性能进行了对比。通过比较说明本文所设计的低压小型高性能电机伺服驱动器在主要性能指标上已经达到国际先进水平。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章绪论  7-13
  1.1 课题背景及意义  7-8
  1.2 永磁交流伺服电机的概述  8-9
  1.3 永磁交流伺服驱动器的概述  9-10
  1.4 永磁交流伺服系统在仿人机器人中的应用现状  10-12
  1.5 本课题主要研究内容  12-13
第2章基本控制算法的及其仿真模型的研究  13-27
  2.1 永磁同步电机的数学模型  13-16
  2.2 矢量控制  16-21
    2.2.1 矢量控制的基本原理  16-17
    2.2.2 电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)基本原理  17-21
  2.3 伺服系统的Matlab仿真  21-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章低压伺服驱动器的平台设计与实现  27-42
  3.1 微控制器电路设计  27-29
  3.2 主电路设计  29-31
  3.3 电流检测电路设计  31-33
  3.4 紧凑型多路电源设计  33-37
  3.5 母线电压检测电路设计  37
  3.6 过流保护电路设计  37-39
  3.7 编码器差分信号接口电路设计  39-40
  3.8 系统整体结构  40-41
  3.9 本章小结  41-42
第4章伺服驱动器的控制策略的研究  42-57
  4.1 软件结构  42-45
    4.1.1 后台程序  42-43
    4.1.2 前台程序  43-45
  4.2 电流环控制策略研究  45-47
    4.2.1 SVPWM控制算法  45-46
    4.2.2 电流环控制器设计  46-47
  4.3 速度环控制策略研究  47-49
    4.3.1 转子速度检测方法  47-49
    4.3.2 速度环控制器设计  49
  4.4 位置环控制策略研究  49-50
  4.5 抗积分饱和PID控制算法  50-53
  4.6 母线电压波动补偿算法  53-56
  4.7 本章小结  56-57
第5章性能测试与对比  57-62
  5.1 基本特性指标  57-58
  5.2 定位精度与响应速度  58-59
  5.3 工作效率与温升  59-61
  5.4 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-66
攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果  66-68
致谢  68

微小型高性能电机伺服驱动器设计

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