多电机同步控制系统研究与设计

发布时间：2020-10-24 02:49

　　 随着中国经济总量按照购买力计算超越美国成为世界最大的经济体,全面提高各行业的自动化程度就成为中国社会经济总体效率提高的重要方向之一。而自动化程度的提高势必对单个设备的复杂程度和多个设备的协同性能提出更高的要求。故,具备工业现场总线接口的多电机同步控制系统就满足了多个复杂设备协同工作的发展趋势。通过对国内外相关领域的充分调研,设计一款基于CAN总线的多电机同步控制系统。该系统主要包含单电机驱动器和多电机运动控制器两个部分。重点对CAN总线下的多电机转速同步控制算法进行研究,提出一种考虑单电机驱动器和多电机运动控制器之间通信延时的优化策略,提高基于网络的多电机控制系统同步性能。为评估单电机驱动器和多电机运动控制器的控制算法效能,在MATLAB/Simulink中,分别验证单电机控制算法和多电机同步控制算法。采用能有效降低转矩脉动的空间矢量脉宽调制(SVP WM,Space Vector Pulse Width Modulation)逆变器控制算法和基于模糊控制规则的PI转速调节器构建单电机驱动器控制方法,能够实现系统在保持较小转矩脉动时依然具有较强的抗负载扰动性能。多电机同步控制采用虚拟主轴同步控制算法,能够建立单电机驱动器之间的力矩耦合关系,提升负载扰动下的同步控制性能。在系统中,单电机驱动器调节电机转速,多电机运动控制器实现多个电机转速同步运行。单电机驱动器的硬件电路包括:控制电路、驱动电路和检测电路。选用单片机S TM32F303作为单电机驱动器的控制芯片,通过电枢电流和转子角度计算电机的SVPW M,选取芯片DRV8305作为MOSFET的栅极驱动电路;采用旋转编码器作为电机的转速检测装置,反馈电机的实时转速。多电机运动控制器的硬件电路由三个部分构成:控制电路、通信电路和人机接口电路。选取单片机STM32F407作为多电机运动控制器的控制芯片,采用虚拟主轴控制算法,主轴转速与从轴转速存在一定的函数关系,计算主轴转速,从而控制从轴单电机的转速。采用CAN总线作为通信电路,构建精简版的CA Nopen协议栈,根据应用层CIA402运动控制系统协议实现单电机驱动器和多电机运动控制器之间的通信。通过小型液晶屏和中断按键形成人机接口,实现对系统状态的监视和参数修改。实验结果表明系统运行良好,达到课题预定要求。
【学位单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM33;TP273
【部分图文】：

2 多电机同步控制系统的方案设计与仿真步控制系统的总体方案设计究的多电机同步控制系统是一种典型的运动控制系统。主要专件设计和多电机运动控制器的软硬件设计。该系统在运用到某转台、生产线和机械臂等设备，需要进一步根据具体应用进行应用系统，以两轴转台为应用背景，以此制定多电机同步控制项指标。在多电机同步控制系统中同步主要体现在转矩、转速课题的多电机同步控制系统主要专注于系统中多个电机的转的转速成一定的函数关系，即视为多电机同步控制。多电机同如图 2.1 所示。

位置检测范围 0-360° 电压检测范围 0-24V测速分辨率 15r/min 电流检测精度 0.16A测速误差率 1% 电流检测范围 0-10A电机同步控制系统的同步控制性能通常通过跟踪误差和同步误差两个指标制定同步控制性能指标：跟踪误差是 3%，同步误差是 3%。电机驱动器方案设计电机驱动器方案总体设计电机驱动器主要由四个部分构成：硬件层、驱动层、中间件和应用层。单案总体框图如图 2.2 所示。

在多电机同步控制系统中，选择无刷直流电机作为单电机驱动器的控制对象。根据是否安装位置传感器，无刷直流电机控制方式，可以分为带位置传感器控制和无位置传感器控制。无刷直流电机无位置传感器的控制算法比较多，比如反电动势法、磁链法和电感法等，这些控制算法受电机本体结构和电机参数变化的影响较大，不具备较好的通用性。有位置传感器控制是通过霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器等器件检测转速和位置，根据传感器输出电机转子的位置信号控制功率驱动电路的 MOSFET 的导通顺序实现无刷直流电机的控制。该控制方法与无传感器控制算法相比更简单，更可靠。无刷直流电机常用带位置传感器控制，该控制方法虽然简单，但是控制精度不够，在换相期间会产生转矩脉动。实际测量本课题采用的无刷直流电机的反电动势，输出的反电动势不是标准的梯形波，而是近似平顶的正弦波。由于电机定子绕组具有电感的作用，在换相期间，电机的相电流因绕组的续流作用，电流不能快速降低，导致相电流的变化波形与反电动势波形差异较大，导致转矩脉动的产生。而采用矢量控制，使得电机的相电流趋近去反电势，根据电机转矩计算公式可知，可以降低转矩脉动，提高电机的控制精度，更适合两轴转台的应用背景。单电机驱动器控制算法结构框图如图 2.4 所示。-1Parkquuα*qi*rwθ
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本文编号：2853914