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基于ASIC的PMSM伺服控制系统设计及实现

作　者: 张练
导　师: 李辉
学　校: 电子科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 永磁同步电机伺服系统 IRMCK201 模糊控制跑步机
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 177次
引　用: 3次
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内容摘要

交流永磁同步电机(PMSM)以其转矩高、体积小、结构紧凑、运行效率高、调速性能好等优点逐渐地被广泛应用到工业自动化中。随着DSP的出现,全数字化伺服控制系统不断地向功能智能化、可靠性高、实现新控制策略容易、结构简单化发展。但是,DSP编程复杂,导致系统开发周期长、成本高。因此,本文提出了一种基于智能ASIC的交流伺服系统的设计,其省去了DSP烦琐的编程,大大地缩短了系统开发的周期,降低了产品开发的成本并有利于企业对市场的占领。首先,论文分析了永磁同步电机的结构和数学模型,并介绍了建立在永磁同步电机上的三个坐标系统以及永磁同步电机的矢量控制原理和相应的控制策略,说明了空间电压矢量(SVPWM)的调制原理。其次,开发了数字化交流伺服控制系统,设计了以IRMCK201为控制核心,以C8051为外围MCU,以IPM为功率驱动单元的永磁同步电机伺服系统硬件电路。设计并制作了开关电源、隔离电路、电流采样电路、位置信号采样电路、过压保护电路、欠压保护电路等辅助电路。接着,给出了软件实现方案,通过SPI接口完成了C8051对IRMCK201的管理及IRMCK201寄存器的在线修改。从而通过对IRMCK201寄存器的配置、读/写操作实现了交流伺服系统的初始化、速度闭环控制和电流闭环控制。最后,将该交流伺服系统应用到企业开发新一代商用跑步机的科研实践中。由于传统PID控制系统鲁棒性不强,动态响应差,因此,本文利用C8051设计了速度闭环PI调节器的模糊自适应控制器,既增强了系统的鲁棒性,也改善了速度的超调问题,满足了跑步机对速度平稳变化的要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-14
  1.1 伺服系统的发展现状  9-11
    1.1.1 伺服系统的发展历史  9-10
    1.1.2 交流伺服系统的发展概况  10
    1.1.3 国内永磁交流伺服系统的发展概况  10-11
  1.2 伺服技术的发展趋势  11-12
  1.3 课题研究的目的和意义  12-13
  1.4 课题研究的内容  13-14
第二章永磁同步电机的矢量控制原理  14-33
  2.1 永磁同步电机的结构  14-15
  2.2 永磁同步电机的数学模型  15-22
    2.2.1 PMSM 在ABC 坐标系下的电机方程  16-17
    2.2.2 坐标变换  17-21
    2.2.3 PMSM 在dq0 坐标系下的电机方程  21-22
  2.3 矢量控制原理  22-23
  2.4 永磁同步电机的矢量控制策略  23-26
    2.4.1 I_d=0 的控制策略  24
    2.4.2 最大电磁转矩/电流比控制  24-25
    2.4.3 弱磁控制  25-26
    2.4.4 最大输出功率控制  26
  2.5 空间矢量调制原理  26-33
第三章伺服系统的硬件设计  33-50
  3.1 系统硬件的总体设计  33-34
  3.2 电源电路设计  34-39
    3.2.1 功率电源设计  34-36
    3.2.2 辅助开关电源设计  36-39
  3.3 系统控制电路设计  39-42
    3.3.1 IRMCK201 芯片简介  39-41
    3.3.2 IRMCK201 电路设计  41
    3.3.3 C8051 与IRMCK201 的通信  41-42
  3.4 功率驱动电路设计  42-47
    3.4.1 逆变器  42-44
    3.4.2 隔离电路  44-46
    3.4.3 过、欠压保护电路设计  46-47
  3.5 检测电路设计  47-50
第四章伺服系统的软件设计  50-58
  4.1 C8051 的软件设计  50-54
    4.1.1 软件开发环境简介  50-51
    4.1.2 C8051 的引脚配置及系统初始化  51-52
    4.1.3 C8051 与IRMCK201 通信的软件设计  52-54
  4.2 IRMCK201 双闭环控制  54-58
    4.2.1 IRMCK201 系统初始化  54-55
    4.2.2 速度闭环和电流闭环的实现  55-58
第五章模糊PI 控制系统的设计  58-71
  5.1 模糊控制系统  58-63
    5.1.1 模糊控制系统的组成  58-59
    5.1.2 模糊控制的基本原理  59-60
    5.1.3 模糊控制器的组成  60-62
    5.1.4 模糊控制器的结构  62-63
  5.2 速度闭环PI 调节器参数的模糊自适应整定  63-67
    5.2.1 模糊自适应PID 控制  63-64
    5.2.2 模糊控制器的设计  64-67
  5.3 模糊自适应PI 调节器的软件实现  67-71
第六章系统测试与分析  71-77
  6.1 应用与测试平台  71-74
    6.1.1 商用跑步机控制系统  71-73
    6.1.2 MTS-I 电机测试系统  73-74
  6.2 测试与分析  74-77
    6.2.1 电流采样信号  74
    6.2.2 光电编码器检测信号  74-75
    6.2.3 低速启动和加速  75-77
第七章总结与展望  77-79
  7.1 全文总结  77-78
  7.2 展望  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-83
攻读硕士期间完成的论文和科研成果  83-84

基于ASIC的PMSM伺服控制系统设计及实现

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