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永磁同步电机数字驱动系统关键技术研究

作　者: 周永进
导　师: 刘俭
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 全数字伺服驱动系统永磁同步伺服电机 DSP 旋转变压器
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

永磁同步伺服电机(PMSM)是20世纪70年代初期出现的一种新型同步电机,具有了结构简单、体积小、重量轻、效率高和特性好等一系列的优点,成为新一代工业以及民用电机的重要发展方向。随着各种新型功率驱动元件以及控制算法的出现,PMSM的驱动方式逐渐成为研究热点。全数字交流永磁伺服驱动系统目前已经成为PMSM驱动的主流方式,其系统的稳定性与可靠性直接决定了整个伺服运动系统的可靠性与稳定性。本文首先对基于数字信号处理器(DSP)的永磁同步电机伺服系统的发展概况进行了介绍,然后对永磁同步电机的数学模型、工作原理以及矢量控制思想在永磁同步电机上的应用进行了说明,再对整个位置伺服系统的电流、速度两个闭环的特性进行了分析。在此基础上本文对全数字交流永磁伺服驱动系统的一些关键部分进行了电路设计。首先设计了驱动系统的DSP主控电路,该电路采用了TI公司最新的专用于电机控制的TSM320F2812作为主控CPU,利用该电路可以方便地实现数字化空间矢量脉宽调制计算即产生相应的控制脉冲。其次设计了用于旋转变压器的位置测量电路,该电路采用高性能的FPGA器件作为信号处理核心,利用该电路可以有效地进行旋变的励磁及反馈信号的检测。最后设计了功率驱动电路,该电路采用智能功率模块(IPM)作为功率驱动核心,可以方便实现温度及上下桥臂互锁保护。根据设计的硬件电路,本文编写了控制系统的电流环和速度环控制软件,该软件采用定时中断进行伺服周期控制,在中断中实现数字化空间矢量脉宽调制算法。最后,本文利用设计的电路和软件进行了一定的电机驱动实验,主要包括系统调试过程、空载电流实验、空载恒定速度实验以及加载实验等,并就出现的现象进行了分析与讨论。结果表明,该系统可以有效地完成PMSM的伺服驱动控制。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-14
  1.1 课题背景  9
  1.2 国内外研究现状  9-12
  1.3 本课题主要研究内容  12-14
第2章永磁同步电机的数学模型及矢量控制原理  14-23
  2.1 引言  14
  2.2 电压与转矩方程  14-15
  2.3 参考系变换  15-18
    2.3.1 三相/两相坐标变换  16-17
    2.3.2 两相旋转坐标变换  17-18
  2.4 空间矢量控制原理  18-20
    2.4.1 矢量控制的稳态分析  18-19
    2.4.2 矢量控制的动态分析  19-20
  2.5 PWM控制技术  20-22
    2.5.1 正弦波脉宽调制原理  20
    2.5.2 电压空间矢量PWM控制技术  20-22
  2.6 本章小结  22-23
第3章伺服系统电路设计  23-35
  3.1 引言  23
  3.2 系统结构  23-24
  3.3 TMS320F2812 最小系统  24-27
    3.3.1 TMS320F2812  24-25
    3.3.2 最小系统外设结构  25-27
  3.4 旋变接口电路  27-31
    3.4.1 旋转变压器定位原理  28-29
    3.4.2 旋转变压器接口电路  29-30
    3.4.3 电机的初始位置获取  30-31
  3.5 功率驱动电路  31-34
    3.5.1 AC-DC-AC电路  31-32
    3.5.2 温度检测电路  32-33
    3.5.3 驱动保护电路  33-34
  3.6 本章小结  34-35
第4章永磁同步电机控制系统软件  35-43
  4.1 引言  35
  4.2 系统流程  35-36
  4.3 SVPWM波产生程序  36-39
  4.4 电流采集程序  39-41
  4.5 坐标变换与PI调节器实现  41-42
  4.6 本章小结  42-43
第5章系统调试与实验分析  43-49
  5.1 引言  43
  5.2 系统调试  43-44
  5.3 实验分析  44-48
    5.3.1 相电流实验  44-45
    5.3.2 空载速度稳定性实验  45-47
    5.3.3 加载实验  47-48
  5.4 本章小结  48-49
结论  49-50
参考文献  50-55
致谢  55

永磁同步电机数字驱动系统关键技术研究

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