基于XMC4500永磁同步电机交流伺服系统的设计与实现

发布时间：2017-06-26 08:11

  本文关键词：基于XMC4500永磁同步电机交流伺服系统的设计与实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：交流伺服系统研发与广泛应用,是促进我国国防工业,空间技术、制造业发展,缩小与世界先进国家差距的重要环节,同时也对降低能源损耗、改善生态环境有着重大的意义。在交流伺服系统中,永磁同步电机具备十分优良的低速性能、调速范围宽广、动态特性优良和效率高,已经成为伺服系统的主流之选。本论文以驱动单轴伺服转台为应用背景,完成了基于英飞凌单片机的永磁同步电机交流伺服系统的设计与实现。首先在永磁同步电机原理模型的基础上,基于矢量控制理论,通过坐标变换将永磁同步电机复杂的数学模型简化。针对转台内嵌的表贴式电机采取id=0的控制策略,得到类似于他励直流电机的控制模型。随后分析了空间矢量脉宽调制的原理和具体实现步骤,搭建了Simulink下电流转速双闭环系统仿真模型,通过仿真实现同步电机矢量控制,设计PI参数改善交轴、直轴电流在电机启动、突加负载情况下动态特性。其次,完成了交流伺服系统硬件实验平台的设计。硬件平台由控制板和功率板组成,控制板以英飞凌32位工业级单片机XMC4500最小系统为核心,支持粗精双通道旋转变压器励磁和位置解调、支持与上位机之间串行通讯。功率板实现功率变换和测量保护功能。功率变换以英飞凌的IGBT模块FB20R06W1E3和驱动芯片6ED003L06为核心,实现单相交流电的整流和逆变。此外,功率板支持母线电压电流和相电流的测量。为避免伺服系统因过压过流损坏,实验平台分别在硬件和软件层面设计有多层保护措施,系统安全性高。再次,基于KEIL515完成了交流伺服系统软件实验平台的设计。程序由主程序、中断程序和功能子程序构成。另外,本文详细分析了XMC4500在电机控制领域常用外设的使用方法,尤其是数字解调单元DSD模块的配置和片上AD同时采样的配置,给使用英飞凌芯片的开发工作者提供参考。最后,在仿真的基础上,对伺服系统进行测试。分别就角位置、相电流、线电压等一系列参数在电机开环、闭环的条件下进行了验证和测量。将闭环的实验结果与矢量控制的仿真结果分析比对,进一步完善了该交流伺服系统功能和性能。
【关键词】：永磁同步电机 矢量控制 空间矢量脉宽调制 旋转变压器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM341
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题研究的背景和意义10-11
• 1.2 交流伺服技术的国内外研究现状及分析11-16
• 1.2.1 电机制造技术12-13
• 1.2.2 功率半导体器件13
• 1.2.3 数字控制器的研究现状13-14
• 1.2.4 矢量控制技术的研究现状14-15
• 1.2.5 位置检测的研究现状15-16
• 1.3 本文章节安排16-17
• 第2章 PMSM数学模型及SVPWM技术17-31
• 2.1 永磁同步电机数学模型的建立17-20
• 2.1.1 永磁同步电机在三相静止坐标系中数学模型17
• 2.1.2 永磁同步电机在两相静止坐标系下的模型17-19
• 2.1.3 永磁同步电机在两相旋转坐标系下的模型19-20
• 2.2 永磁同步电机控制策略20-22
• 2.3 电压空间矢量脉宽调制( SVPWM )控制技术22-30
• 2.3.1 合成电压空间矢量22-23
• 2.3.2 基本电压矢量的空间分布23-24
• 2.3.3 期望电压矢量所在扇区的判断24-26
• 2.3.4 电压矢量的合成与作用时间的计算26-27
• 2.3.5 非零基本矢量与零矢量的作用顺序27-29
• 2.3.6 SVPWM的生成29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第3章 系统硬件设计31-46
• 3.1 引言31
• 3.2 硬件总体设计方案31-32
• 3.3 控制板硬件设计32-36
• 3.3.1 电源与功率接口32-33
• 3.3.2 XMC4500最小系统33
• 3.3.3 复位/启动与调试33-34
• 3.3.4 旋转变压器接口34-36
• 3.3.5 通讯接口36
• 3.4 功率板设计36-45
• 3.4.1 整流滤波电路36-37
• 3.4.2 逆变与驱动电路37-41
• 3.4.3 电流检测电路41-42
• 3.4.4 隔离电路42
• 3.4.5 保护电路42-45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 交流伺服系统软件设计46-55
• 4.1 引言46
• 4.2 主程序设计46-50
• 4.2.1 DSD初始化和角位置解调46-48
• 4.2.2 CCU8初始化和SVPWM产生48-49
• 4.2.3 ADC初始化与电流采样49-50
• 4.3 中断服务程序设计50-53
• 4.3.1 母线过流处理51-52
• 4.3.2 母线过压处理52-53
• 4.3.3 SVPWM生成子程序53
• 4.4 本章小结53-55
• 第5章 仿真结果和实验结果分析55-69
• 5.1 引言55
• 5.2 仿真结果分析55-60
• 5.2.1 坐标变换模型55
• 5.2.2 空间矢量脉宽调制生成模型55-58
• 5.2.3 矢量控制双闭环系统模型58-59
• 5.2.4 系统特性分析59-60
• 5.3 实验结果分析60-68
• 5.3.1 旋转变压器与角度位置解调61-64
• 5.3.2 电机上电测试64-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-76
• 致谢76

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本文编号：485412