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交流永磁同步电机位置伺服系统的研究

作　者: 蔡祺祥
导　师: 马万太
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 单片机位置控制伺服系统系统仿真前馈比例控制
分类号: TM921.541
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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引　用: 4次
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内容摘要

随着现代化工业的快速发展,伺服系统的应用领域日益广泛,对其控制性能的要求也越来越高。以快速、精确为目标的位置伺服系统,在现代科技发展中发挥越来越重要作用。进行伺服系统的位置控制的研究具有重要意义。本文在对交流永磁同步电动机(PMSM)的数学模型和控制理论研究的基础上,设计并开发了基于IRMCK201的交流伺服控制系统,此控制系统主要由PIC18F4520、EPM3128A和IRMCK201构成。在研究和分析IRMCK201特点、功能及其相关寄存器参数的计算与配置的基础上,详细阐述了此伺服系统控制板电路、功率板电路、检测电路和保护电路等硬件结构。在硬件结构的基础上进行了伺服系统的软件设计,开发了系统的主程序、中断服务子程序以及PIC18F4520与IRMCK201通讯的软件。通过对IRMCK201内部结构和空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制技术的研究,在Matlab6.5/Simulink环境下构建了永磁同步电机伺服控制系统的仿真模型,从理论上论证了所建立模型的正确性与控制方法的有效性。重点研究伺服系统的位置控制技术,通过Simulink构建各种位置控制算法的仿真模型,并进行位置伺服系统仿真比较,结果表明:采用前馈比例控制的伺服系统性能较好。对仿真模型进行实验,结果表明采用前馈比例控制的性能较好,能达到相应的控制精度,且响应速度较快,无超调。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-13
第一章绪论  13-18
  1.1 课题研究的背景和意义  13
  1.2 伺服控制系统的特点  13-14
  1.3 国内外伺服系统研究的现状和发展趋势  14-16
    1.3.1 国内外伺服系统研究的现状  14-15
    1.3.2 交流伺服控制系统的发展趋势  15-16
  1.4 本文主要研究内容  16-18
第二章永磁同步电机矢量控制及其仿真研究  18-35
  2.1 交流永磁同步电机的基本原理  18-20
    2.1.1 永磁同步电动机结构  18-19
    2.1.2 永磁同步电机的数学模型  19-20
  2.2 矢量控制的基本原理  20-22
    2.2.1 矢量控制的坐标变换  22
  2.3 伺服控制系统空间矢量脉宽调制策略(SVPWM)  22-30
    2.3.1 三相电压表达式  23-24
    2.3.2 静态功率桥的应用  24
    2.3.3 三相电压在αβ坐标系下的表达式  24-26
    2.3.4 参考电压空间矢量的合成  26-27
    2.3.5 扇区的判断  27-29
    2.3.6 空间矢量脉宽调制的实现  29-30
  2.4 伺服控制系统调速系统仿真  30-34
    2.4.1 SVPWM 控制系统的研究及其模型的建立  31-33
    2.4.2 伺服调速系统仿真结果及其分析  33-34
  2.5 本章小结  34-35
第三章交流伺服控制系统位置控制的研究  35-44
  3.1 永磁同步电机的初始位置检测  35-37
    3.1.1 位置反馈测量单元  35-36
    3.1.2 转子位置初始化  36-37
  3.2 交流伺服系统位置调节器的研究  37-41
    3.2.1 经典PID 控制方法  37-38
    3.2.2 改进的位置控制算法  38-41
  3.3 位置环仿真及结果分析  41-43
    3.3.1 比例调节器位置伺服系统的仿真  41-42
    3.3.2 前馈比例调节器位置伺服系统的仿真  42-43
  3.4 本章小结  43-44
第四章伺服控制系统硬件电路设计  44-56
  4.1 控制板硬件电路设计  44-49
    4.1.1 核心控制单元PIC18F4520  45
    4.1.2 IRMCK201 内部结构及其特点  45-47
    4.1.3 IRMCK201 与PIC18F4520 接口电路  47-48
    4.1.4 EPM3128A（EPLD）电路设计  48-49
  4.2 功率板的硬件设计  49-51
    4.2.1 智能功率模块PS21867  49-51
  4.3 其它辅助电路设计  51-55
    4.3.1 电流检测电路  51-52
    4.3.2 位置速度检测电路  52-53
    4.3.3 过流保护电路  53
    4.3.4 过压保护电路  53-54
    4.3.5 保护电路信号处理  54-55
  4.4 本章小结  55-56
第五章交流伺服控制系统的软件结构设计  56-67
  5.1 伺服系统的开发环境  56-58
  5.2 PIC18F4520 与IRMCK201 通信的软件设计  58-60
    5.2.1 对IRMCK201 进行读写时序图  58-59
    5.2.2 对IRMCK201 进行配置流程图  59-60
  5.3 IRMCK201 内部寄存器配置  60-64
    5.3.1 编码器寄存器组的初始化参数设置  61-62
    5.3.2 PWM 配置寄存器组配置参数设置  62
    5.3.3 电流环寄存器组配置参数设置  62-63
    5.3.4 速度环寄存器组配置参数设置  63-64
  5.4 永磁同步电机伺服系统主程序及中断服务程序  64-66
  5.5 本章小结  66-67
第六章交流伺服控制系统实验及结果分析  67-72
  6.1 系统参数调试  67
  6.2 伺服系统实验  67-71
    6.2.1 伺服系统的动态特性  68-69
    6.2.2 位置伺服系统的实验研究  69-71
  6.3 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-76
致谢  76-77
在学期间的研究成果及发表的学术论文  77

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