基于电压矢量直接调节法的伺服系统位置控制研究与实现

发布时间：2020-08-20 06:05

【摘要】：随着我国工业转型升级的持续推进,对伺服系统的需求正在不断增长。永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)伺服控制系统具有转矩脉动小、动态性能好、运行效率高等诸多优点,被广泛应用在工业自动化、家用电器、航空以及国防等各个领域。本文在充分了解PMSM数学模型和控制原理的前提下,设计了PMSM伺服控制系统软硬件。针对某些特定场合如工业缝纫机、贴片机等需要实现快速、准确的位置控制,传统三闭环控制已难以满足要求。为此,分析了电压矢量直接调节法,通过实验验证该方法在提高定位性能中效果明显。并成功将该方法应用于自动玉米磨面机的位置伺服控制当中。本文主要工作内容如下:(1)在了解PMSM结构的基础上,建立PMSM数学模型。阐述并比较几种常见的矢量控制方法,确定i_d(28)0的控制方法。分析了空间电压矢量脉宽调制技术(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)工作原理和实现过程。针对传统控制方法在定位过程中存在的不足,采用电压矢量直接调节法,并详细介绍了该方法的控制原理以及实现流程,给出了系统整体控制结构框图。(2)设计了伺服控制系统硬件电路。控制板主控芯片采用STM32F103VET6,驱动主回路采用型号为FSBB30CH60的IPM。详细分析了STM32F103VET6及其外围电路、整流电路、开关电源电路、IPM主电路、相电流采样电路、母线电压监测及保护电路以及传感器接口电路的工作原理。(3)根据伺服驱动器的功能要求,在IAR Embedded Workbench 5.4上完成了伺服控制系统软件编程。详细介绍了主函数、TIM1中断函数、转子角度实时计算、M/T法测速、调节器的设计、SVPWM、转子初始角度检测以及转子角度校正等部分的软件设计,并给出程序流程图。(4)搭建实验平台,进行了PWM实验、加减负载实验、速度实验和定位实验。通过对相电流、速度以及位置等实验波形进行分析,证明了电压矢量直接调节法在定位过程中的有效性。将该方法应用于自动玉米磨面机中的分料管电机和间隙电机的定位控制,能够满足快速、准确以及低超调的定位要求。综合来看,设计的伺服控制系统性能良好,达到预期目标。
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM921.541;TP273
【图文】：

波形,转子结构,永磁同步电机

永磁同步电机通常由机座、定子、转子、轴承以及端盖等部分组成，另外还有件、通风口或冷却通道、接线盒等[43]。永磁同步电机三相定子绕组在空间呈 12，一般希望在定子绕组中感应出正弦反电动势波形；在转子结构中采用了稀土通过永磁体产生励磁磁场。按照转子结构中永磁体的位置可以将永磁同步电机、插入式和内置式三种。如图 2.1 所示。

坐标系,正弦电流,直流电机

由式（2.4）可得，在 ABC 轴坐标系下定子绕组各相相电压与电流和转子角度有关，同时每相电流本身就是非线性的时变量，因此在 ABC 轴坐标系下仍然难以对永磁同步电机实施有效的控制，需要对其数学模型进一步简化。2.2.2 坐标变换直流电机具有换向器和电刷装置，通过这种特殊的硬件结构实现了励磁电流与转矩电流的解耦，使得直流电机有较高的控制性能。如果可以通过其他方法实现换向器和电刷相同的功能，那么永磁同步电机的数学模型就可以等效成直流电机，获得和直流电机一样好的控制性能。坐标变换正是基于这种思想，将 ABC 轴坐标系变换到轴坐标系，称为 3或者 Clarke 变换；再从轴坐标系变换到dq轴旋转坐标系，称为 2s/2r 或者 Park 变换。（1）Clarke 变换对三相定子绕组通以三相平衡正弦电流可以生成圆形旋转磁场，并且旋转频率与施加的电流频率一致。然而，对两相对称绕组通两相平衡正弦电流同样产生相同的圆形旋转磁场。Clarke 变换正是以磁动势等效的原则，用两相平衡正弦电流来代替三相平衡正弦电流

坐标系,磁动势

图 2.4 轴坐标系和dq 轴坐标系的变换如图 2.4 所示，dq轴是旋转的，轴是静止的，通过d 轴和轴之间的夹角来说明两种坐标系的相对位置。假设轴坐标系和dq 轴坐标系下的各相绕组有效匝数均为2N ，同样根据磁动势等效原则，将轴绕组磁动势投影到dq轴上，可得：di i cos i sin （2.12）qi i sin i cos （2.13）改写为矩阵形式：dqi cos sin ii sin cos i （2.14）相应的，其逆变换为：dqi cos sin ii sin cos i （2.15）2.2.3 在 dq 轴旋转坐标系下永磁同步电机的数学模型

【参考文献】