永磁交流伺服系统实验台设计与研究

论文摘要

近年来,随着电力电子技术、DSP微处理器技术、传感器技术、稀土永磁材料与电机控制理论的发展,交流伺服系统逐步取代直流伺服系统,正在发展成为伺服技术的主流。由于永磁同步电机具有调速范围广、定位精度和稳速精度高、动态响应快、运行稳定性好等优点,永磁交流伺服系统目前正在被越来越广泛地应用在数控机床、机器人、雕刻机、航空航天等多轴运动控制系统中。在具体产品制造出来之前,若有一个实验台,对伺服电机特性、多轴控制系统、控制理论与控制策略选择等进行实验和研究,可以验证电机选择是否恰当,控制系统的搭建是否正确,控制策略的选择是否合理,具有加快产品进程,节约成本等重要意义。东北大学机械电子工程研究所智能机器人实验室正在研制一种打磨机器人,在机器人加工出来之前,需要一个实验台对该机器人所选交流伺服电机、机器人控制系统,以及所选控制策略进行实验和研究,为此本文设计了一台具有多功能性和通用性的实验台,建立了永磁交流伺服系统实验台的控制系统,利用Visual Basic语言设计人机交互界面,实现了人机交互式操作,便于控制参数的设定以及系统运行状态的观测。该实验台可以给电机加不同负载,对电机特性进行实验研究；可以采用现代控制理论,编写先进控制算法程序,进行四轴联动运动控制实验研究。由于PMSM的控制比直流电机要复杂得多,且市场上出售的电机驱动器不具有开放性,给交流伺服系统的特性研究带来很大困难,为了更好地使用和研究交流伺服电机,深刻理解伺服驱动器的原理,本文介绍了交流伺服系统的组成和控制方式,在坐标变换的基础上,建立了交流永磁同步电机的数学模型,介绍了电机的PWM调制技术,对基于转子磁场定向的矢量控制和基于定子磁场的直接转矩控制两种永磁同步电机控制方法进行了研究,重点对电流跟踪型PWM逆变器(iPWM)矢量控制方法和空间电压矢量控制方法(SVPWM)进行了理论分析,通过在Matlab/Simulink中分别建立其仿真模型,验证了控制方法的正确性,为系统控制和调试提供依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 永磁交流伺服系统实验台设计与研究的背景与意义
• 1.2 国内外永磁交流伺服系统的现状
• 1.3 永磁交流伺服系统的技术进展
• 1.3.1 永磁同步电机的发展
• 1.3.2 电力电子技术发展
• 1.3.3 微处理器技术的发展
• 1.3.4 控制理论的发展
• 1.4 本文内容安排
• 第2章 交流伺服系统实验台的机械结构设计
• 2.1 一般机械系统设计的过程
• 2.2 交流伺服系统实验台的机械结构设计
• 2.2.1 设计目标和要求
• 2.2.2 原理方案的设计
• 2.2.3 结构方案设计
• 2.2.4 总体设计
• 2.3 Pro/E三维建模仿真
• 2.4 小结
• 第3章 交流伺服系统实验台的控制系统设计
• 3.1 控制系统的硬件设计
• 3.1.1 控制系统概述
• 3.1.2 工业计算机
• 3.1.3 PMAC运动控制卡
• 3.1.4 交流伺服电机及驱动器
• 3.2 控制系统的软件设计
• 3.2.1 控制系统的结构
• 3.2.2 PMAC软件系统
• 3.2.3 人机界面
• 3.2.4 程序设计
• 3.3 小结
• 第4章 PMSM的数学模型及控制理论研究
• 4.1 坐标变换
• 4.1.1 坐标变换的基本思路
• 4.1.2 坐标变换
• 4.2 永磁同步电机的数学模型
• 4.2.1 永磁同步电机的结构和分类
• 4.2.2 abc坐标系下的永磁同步电机数学模型
• 4.2.3 dq坐标系下的永磁同步电机数学模型
• 4.3 交流伺服系统的控制方式
• 4.3.1 电流控制与电压控制
• 4.3.2 电流环/速度环位置环控制
• 4.3.3 频率换向控制与位置换向控制
• 4.4 电机的PWM调制技术
• 4.5 永磁交流伺服系统的控制方法
• 4.5.1 矢量控制
• 4.5.2 直接转矩控制
• 4.5.3 矢量控制与直接转矩控制对比分析
• 4.6 永磁交流伺服电机的性能
• 4.6.1 永磁交流伺服电机与直流伺服电机的性能比较
• 4.6.2 永磁交流伺服电机与步进电机的性能比较
• 4.7 小结
• 第5章 基于MATLAB的永磁交流伺服系统的仿真分析
• 5.1 永磁交流伺服系统的组成
• 5.2 基于iPWM的永磁交流伺服系统仿真
• 5.2.1 iPWM原理
• 5.2.2 基于电流跟踪型永磁交流伺服系统仿真模型的建立
• 5.2.3 电流滞环控制伺服系统参数及仿真结果
• 5.3 基于SVPWM的永磁交流伺服系统仿真
• 5.3.1 电压空间矢量SVPWM技术的基本原理
• 5.3.2 基于SVPWM的永磁交流伺服系统仿真模型的建立
• 5.3.3 空间电压矢量控制伺服系统参数及仿真结果
• 5.3.4 仿真结果分析
• 5.4 小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢