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无刷直流电机伺服系统设计

作　者: 林应荃
导　师: 李洪文
学　校: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）
专　业: 机械电子工程
关键词: 无刷直流电机伺服拓扑结构设计电磁兼容性热控性系统建模,LM3S8962,Cortex-M3
分类号: TM33
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

传统的伺服控制系统大都采用了直流伺服电机,但是直流伺服电机的机械换向器和电刷给对整个系统造成了许多不稳定的因素。永磁无刷直流电机作为一种新型电机克服了直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的系列限制,且结构简单、发热轻,电磁干扰小;因此在伺服控制领域正不断取代直流伺服的市场份额。本论文从无刷直流电机的结构出发研究了无刷直流电机的数学模型、控制方法和规律,利用电机的相变量建立相应的数学模型,对包括电机的换相方式、PWM调制方式和位置检测方式等关键性问题进行了研究。从工程应用的角度出发,研究了高性能无刷直流伺服系统的体系结构,软硬件设计原理等。然后根据分析的结果和实际系统的功能要求对伺服系统进行了结构设计,控制系统采用了基于Cortex-M3的LM3S8962作为控制芯片,用C语言编写相应的控制算法,程序简洁明了,结构性强,便于程序的调试和扩展。设计过程中对系统中电磁兼容性、热控性进行了分析,设计了相应的保护电路和隔离电路,同时为系统的通信和扩展预留了相应的接口,使系统实现可靠性好,性能高的特点。通过对无刷直流电机的实际驱动实验,证明该系统性能稳定可靠,实时性好,接近直流伺服系统的伺服性能指标。可以在实际应用中逐渐替代直流伺服系统的应用。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
第1章绪论  11-18
  1.1 设计背景  11-12
  1.2 国内伺服市场发展现状及技术现状  12-17
    1.2.1 当前交流伺服产品的水平  13-14
    1.2.2 技术发展方向  14-17
  1.3 设计思路与主要工作  17
  1.4 系统技术指标  17-18
第2章关键技术研究  18-27
  2.1 无刷直流电机的数学模型研究  18-20
  2.2 电子换相方式研究  20-25
    2.2.1 星形电枢绕组的电子换相过程  21-24
    2.2.2 封闭式电枢绕组(△形绕组)的电子换相过程  24
    2.2.3 PWM 调制方式的选择  24-25
  2.3 转子位置检测方式的选择  25-27
第3章伺服系统硬件设计  27-60
  3.1 系统结构  27-28
  3.2 功率变换主电路  28-38
    3.2.1 电源模块  28-32
    3.2.2 逆变模块  32-36
    3.2.3 制动电路  36-38
  3.3 保护电路  38-42
    3.3.1 过欠压保护电路  38-40
    3.3.2 过流保护  40
    3.3.3 缓冲电路  40-42
  3.4 控制器模块  42-50
    3.4.1 控制主电路  42-45
    3.4.2 状态显示模块  45
    3.4.3 外围接口电路  45-47
    3.4.4 检测采样模块  47-48
    3.4.5 隔离模块  48-50
  3.5 伺服系统热控性设计  50-57
  3.6 伺服系统电磁兼容性设计  57-60
    3.6.1 PWM 功率放大器  58
    3.6.2 控制电路  58-60
第4章伺服系统软件设计  60-66
  4.1 系统控制结构设计  60-61
  4.2 伺服系统软件总体结构及设计  61-62
  4.3 伺服主程序设计  62-63
  4.4 系统初始化子程序设计  63-64
  4.5 按键信息处理子程序设计  64
  4.6 中断服务子程序设计  64-66
第5章系统调试及运行结果  66-68
  5.1 实验条件  66
  5.2 实验结果  66-68
第6章结论  68-70
  6.1 总结与展望  68
  6.2 有待进一步解决与研究的问题  68-70
参考文献  70-72
在学期间学术成果情况  72-73
指导教师及作者简介  73-74
致谢  74

无刷直流电机伺服系统设计

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