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伺服压力机交流永磁同步电机驱动系统的研发

作　者: 梁建军
导　师: 阮锋
学　校: 华南理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 伺服压力机低速大扭矩PMSM PI调节器滑模变结构控制 CORDIC
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电机直驱型伺服压力机作为一种先进成形设备,是综合机械制造技术、计算机控制技术与电机驱动控制技术的产品,也是锻压装备的重要发展方向。第一台伺服电机直驱的压力机直到20世纪末才出现,其主要原因是适用于该类型压力机的电机须具有大功率、低转速以及大扭矩的机械特性,且该类型电机的驱动控制技术复杂,直到20世纪80年代才得到突破,在我国该项技术水平相对落后。本研究课题来源于广东省重大科技专项“面向机械装备的大功率伺服系统关键共性技术及产业化”(项目编号:2008A090300008)。本论文研究适用于控制大功率、低转速以及大扭矩交流永磁同步电机的驱动控制系统,主要内容如下:1、分析了伺服压力机的国内外相关研究现状,指出限制我国电机直驱伺服压力机发展的一个重要瓶颈是大功率、低转速、大扭矩的电机以及其驱动控制技术缺乏;分析了相关电机及其驱动控制技术的研究现状,结合项目要求选择PMSM作为研究对象。2、分析了交流永磁同步电机的数学模型和空间矢量控制原理,推导了矢量控制中的矢量坐标变换原理,建立了基于d-q坐标系下的永磁同步电机的数学模型;最后建立和仿真了id = 0的PMSM控制系统数学模型,结果表明:采用id = 0控制方案适用于大功率、低转速电机驱动控制。3、设计了id = 0的PMSM矢量控制的电流环和速度环调节器。首先分析了驱动系统的各个环节,建立了各个环节的数学模型,采用工程设计方法设计了电流环、速度环的IP调节器;建立了速度环的滑模变结构控制器,并对二者进行仿真,结果表明:变结构控制具有较好的速度响应和鲁棒性。4、设计了基于CORDIC算法的正余弦高精度计算模块以及分析了CORDIC算法在矢量控制系统的应用。分析了FPGA在PMSM驱动控制系统中应用趋势以及CORDIC算法在矢量变换中的作用,阐述了CORDIC原理、CORDIC算法误差来源和解决方案、硬件实现的流水线结构等;编写了实现正余弦运算的CODRIC算法模块,并在QuartusⅡ器件测试平台上进行波形分析和测试,结果表明:采用CORDIC算法的正余弦的计算精度能满足PMSM驱动控制系统的要求。5、详细地设计了电机驱动控制系统的硬件和软件模块,建立了驱动系统的实验平台。采用分级调试思想,进行了永磁同步电机驱动控制系统的调试实验,实验表明:该电机驱动控制系统具有较好的控制特性,实现了对电机转速的迅速切换、正反转的控制。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-28
  1.1 引言  13-14
  1.2 压力机装备发展现状  14-17
    1.2.1 伺服压力机优势分析  14-16
    1.2.2 伺服压力机相关研究现状  16-17
  1.3 伺服压力机控制系统分析  17-23
    1.3.1 常见的控制系统类型  17-18
    1.3.2 常见的伺服压力机控制系统方案  18-20
    1.3.3 国外先进的伺服压力机控制系统实例分析  20-21
    1.3.4 伺服压力机动力源的发展  21-23
      1.3.4.1 常见伺服电机性能比较  22-23
  1.4 交流伺服电机驱动技术和产品发展现状  23-25
    1.4.1 国内外研究概括  23-24
    1.4.2 伺服电机驱动技术的发展趋势  24-25
  1.5 课题的来源与意义  25-26
    1.5.1 课题的来源  25
    1.5.2 课题研究意义  25-26
  1.6 本课题的研究内容  26-28
第二章交流永磁同步电机数学模型以其控制理论分析  28-45
  2.1 交流永磁同步电机基本结构  28
  2.2 永磁同步电机的物理模型  28-29
  2.3 矢量坐标变换原理  29-32
  2.4 永磁同步电机数学模型  32-33
  2.5 空间矢量脉宽调制原理  33-37
  2.6 永磁同步电动机电流控制方法  37-39
    2.6.1 id = 0控制  38-39
  2.7 仿真与结果分析  39-44
    2.7.1 PMSM 控制系统的建模  39-41
      2.7.1.1 PMSM 与IPM 模型  39-40
      2.7.1.2 CLARKE 变换和 PARK 变换模块  40
      2.7.1.3 SVPWM 仿真模型  40-41
    2.7.2 仿真结果分析  41-44
  2.8 本章小结  44-45
第三章 PMSM 控制系统电流环与速度环调节器的设计  45-58
  3.1 引言  45
  3.2 交流永磁同步电机电流环的设计  45-49
    3.2.1 影响电流环性能的因素分析  45-46
      3.2.1.1 反电动势的干扰以及PI 电流调节器的影响  46
      3.2.1.2 逆变器传输特性以及零点漂移的影响  46
    3.2.2 电流环调节器综合设计  46-48
      3.2.2.1 电流环数学模型  46-48
    3.2.3 电流调节器参数设计  48-49
  3.3 速度环调节器综合设计  49-54
    3.3.1 基于PI 控制的速度调节器设计  49-50
    3.3.2 滑模变结构控制简介  50-52
      3.3.2.1 滑模变结构基本原理  50-51
      3.3.2.2 滑动模态的存在性和可达性  51
      3.3.2.3 滑模变结构控制的抖动问题  51-52
    3.3.3 基于SMC 的速度环调节器的设计  52-54
  3.4 实验仿真与结果分析  54-57
    3.4.1 基于SMC 的速度环调节器建模  54-55
    3.4.2 仿真与结果分析  55-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章CORDIC 算法在PMSM 矢量控制中的应用  58-73
  4.1 引言  58
  4.2 CORDIC 基本原理  58-65
    4.2.1 基本理论算法  59-62
    4.2.2 CORDIC 算法的计算精度分析  62-65
      4.2.2.1 多次旋转带来的旋转角度之和与目标角度之间的误差  62-63
      4.2.2.2 算法迭代计算精度有限对结果造成的误差  63
      4.2.2.3 CORDIC 算法迭代次数确定  63-65
  4.3 CORDIC 算法的硬件设计  65-68
    4.3.1 CORDIC 算法的基本结构  65-66
    4.3.2 硬件选择  66
    4.3.3 硬件实现时需要考虑的问题  66-68
      4.3.3.1 迭代过程中数据溢出  66-67
      4.3.3.2 迭代过程中的角度计算范围  67-68
  4.4 软件设计与实验验证  68-71
    4.4.1 CORDIC 算法程序设计  68-69
    4.4.2 CORDIC 算法程序调试和结果验证  69-71
  4.5 本章小结  71-73
第五章电机驱动系统的实现和系统调试  73-85
  5.1 引言  73
  5.2 永磁同步电机伺服驱动系统实验平台的实现  73-78
    5.2.1 实验平台硬件的实现  74-76
      5.2.1.1 主电路  75-76
      5.2.1.2 转子位置、角速度检测电路  76
      5.2.1.3 电流检测电路  76
      5.2.1.4 缺相检测电路  76
    5.2.2 实验平台软件的实现  76-78
      5.2.2.1 系统模块  77
      5.2.2.2 电机控制模块  77
      5.2.2.3 外部接口模块  77-78
      5.2.2.4 通讯模块  78
  5.3 电机调试平台与实验验证  78-84
    5.3.1 实验设计  78-79
    5.3.2 电机调试软件简介  79-80
    5.3.3 系统调试  80-84
      5.3.3.1 开环系统调试  80-81
      5.3.3.2 电流环调试  81-82
      5.3.3.3 速度环调试  82-84
  5.4 本章小结  84-85
结论与展望  85-87
参考文献  87-91
攻读硕士学位期间取得的研究成果  91-92
致谢  92-93
附件  93

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