基于DSP的压电电机数字驱动电源研究

发布时间：2017-10-15 05:34

  本文关键词：基于DSP的压电电机数字驱动电源研究

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【摘要】：针对高端制造装备对大行程、高精度直线运动机构的广泛需求,研究集宏微运动于一体的新型直线压电电机,提出交流宏驱动和直流微驱动两种工作模式,即利用纳/微米级的微运动补偿宏运动由于精度不足造成的误差,实现高精度、大行程、高频响的精确定位控制。由于驱动控制系统性能好坏直接影响着压电电机的性能,为此,本文针对集宏微一体的直线压电电机,建立相适应的电源驱动系统。文章介绍了压电直线电机的运行机理,及现有的驱动方案,并根据压电直线电机对驱动电源性能的要求,提出可控硅整流+DC-DC半桥变换器两级级联的电压控制,以获得分辨率高,频带宽的可调电压,并根据多级调节的电路特点提出两种控制器相融合的控制策略,提高系统的运行效率。系统采用DSP28335为核心控制器,实现压电电机的信号发生器、系统监测、控制算法等功能,实现对系统的精密控制。电源驱动系统主要分为两部分:硬件电路与软件程序编程。硬件电路包括:可控硅整流调压及过零点信号检测电路,实现电网过零信号的检测以及整流调压;高频半桥变换电路,实现电压提升以及原副边隔离,并通过提高开关频率减小系统体积,实现小型化;半桥变换电路,通过控制半桥电路中MOS管的通断,不仅能够实现对压电电机宏微驱动的高效转换,更能通过控制MOS管的通断频率、不同桥的相序,实现压电电机的速度控制;隔离驱动电路,实现控制器与被控对象的电气隔离,放大驱动信号,驱动MOS管通断,是高低压连接的一座桥梁;采样/保护电路,针对控制对象非线性、耦合性等问题,对系统进行闭环反馈调节,提供驱动系统稳定性,保护系统正常运行;多路低压电源辅助电路,为控制芯片、控制器等提供稳定,为系统稳定运行提供基本保障。软件设计包括:ADC的转换/校准,PWM控制信号的生成,控制策略的设计以及输出状态的监测保护等。输入控制信号及采样信号通过AD转换为数字信号,为控制器提供输入量,实现对输出状态的控制,控制器针对输入控制量的大小或改变PWM波形的频率、占空比、相位或改变IO口的输出状态,实现幅值0~600V动态调节,相位-90°~90°调节,分辨率为1°;频率为20~70KHz调节,分辨率为10Hz;占空比为0~100%调节,分辨率为1%,并通过LCD显示实时监测的控制状态。针对文章进行的理论分析,对各个模块进行试验验证,试验表明各个模块都能正常运行,并且对各个模块进行改进后,性能都明显提高。同时针对不同类型的压电电机进行试验分析,试验表明各个压电电机均能正常稳定的运行,电源驱动系统不仅能够驱动宏/微压电电机,也可用于单独驱动宏驱动(如:TRUM60)或微运动(钹型驱动器),具有良好的通用性。
【关键词】：宏微驱动 可控硅 半桥 电源 压电电机 DSP
【学位授予单位】：华南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46;TM359.9
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 1. 引言10-18
• 1.1 课题设计背景与研究意义10
• 1.2 精密定位平台的发展现状10-13
• 1.3 电驱动电源的发展现状13-16
• 1.4 课题研究的主要内容16-18
• 2 压电直线电机及控制方案的概述18-23
• 2.1 压电电机运行机理及驱动方案18-20
• 2.1.1 压电电机结构18
• 2.1.2 压电直线电机工作机理18-20
• 2.2 开关电源的拓扑结构概括20-21
• 2.2.1 常用拓扑结构类型20
• 2.2.2 常用拓扑结比较20-21
• 2.3 新型驱动电源拓扑结构选择21-23
• 2.3.1 驱动电源性能要求21-22
• 2.3.2 驱动电源主结构确定22-23
• 3 驱动电源主电路设计23-52
• 3.1 多路输出低压辅助电路设计23-32
• 3.1.1 多路输出低压电路方案设计24-25
• 3.1.2 多路输出低压主电路参数计算25-32
• 3.2 半桥变换电路32-33
• 3.3 检测电路设计33-35
• 3.4 双驱动隔离电路设计35-39
• 3.4.1 MOSFET管电压型驱动电路类型35-37
• 3.4.2 器件选型及参数设计37-39
• 3.5 匹配电路设计39
• 3.6 主电路拓扑结构分析39-49
• 3.6.1 输入保护滤波电路设计39-42
• 3.6.2 可控硅整流调压电路设计42-44
• 3.6.3 半桥主拓扑电路设计44-46
• 3.6.4 变压器设计46-47
• 3.6.5 关键器件选型及设计47-48
• 3.6.6 直流输出滤波电路设计48-49
• 3.7 PCB板制作及注意事项49-52
• 4 驱动电源软件设计52-69
• 4.1 总体软件设计52-54
• 4.2 AD转换设计54-57
• 4.3 PWM信号设计57-61
• 4.4 多种信号产生设计61-63
• 4.5 双输入单输出控制策略方法63-69
• 4.5.1 可控硅模糊控制器设计65-66
• 4.5.2 直流高压电源增量式模糊PID控制器设计66-69
• 5 系统试验及比较分析69-80
• 5.1 试验硬件结构平台69-70
• 5.2 各个模块功能测试以及数据分析70-76
• 5.2.1 可控硅调压模块功能测试及分析70-71
• 5.2.2 AD转换模块功能测试与分析71-72
• 5.2.3 驱动隔离信号功能测试及数据分析72-73
• 5.2.4 PWM模块功能测试及数据分析73-74
• 5.2.5 多路输出模块功能测试及数据分析74-76
• 5.3 驱动系统整体测试76-80
• 5.3.1 多输入反馈控制器对驱动系统影响测试76-77
• 5.3.2 驱动系统空载试验分析77
• 5.3.3 驱动系统负载试验分析77-79
• 5.3.4 微驱动试验分析79-80
• 6 总结与展望80-82
• 6.1 总结80-81
• 6.2 展望81-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-85
• 附录A85-86
• 附录B86-88
• 附录C 攻读硕士学位期间发表论文及获奖情况88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：1035397