基于DSP的工业机器人伺服驱动系统设计与研究
发布时间：2021-07-31 15:41
高性能交流伺服驱动技术是实现工业机器人稳定、高效运行的必备环节和关键技术。然而,目前国内交流伺服驱动器存在技术落后、同质化严重等问题,多数依赖于进口,从而限制了国内同类技术的深入发展。因此,为了进一步提高工业机器人的控制性能,本文设计一套基于DSP的伺服驱动系统,最终实现工业机器人的精确、稳定地控制。（1）伺服驱动理论及系统整体方案设计。在建立永磁同步电机简化模型的基础上,依次分析矢量控制算法及其SVPWM实现方式,设计系统的整体控制和通讯方案,从而为后续软件和硬件设计奠定基础。（2）伺服驱动系统硬件电路设计。以系统整体方案为基础,依次进行控制单元和驱动单元电路设计。其中,控制单元部分以微处理器DSP为核心,实现逆变过程控制、反馈信号处理以及核心运算等功能。驱动单元部分以功率器件PS21869为核心,具体实现逆变过程、反馈信号采集以及相应的保护电路,并完成系统原理图和PCB设计。（3）伺服驱动系统软件设计。选择CCS作为下位机软件平台,对DSP进行编程实现,包括反馈信号的采集、矢量控制算法的实现、逆变过程的控制以及与下位机的通信等。以Labview为上位机软件设计平台,实现数据接收及处...
【文章来源】：中国石油大学(华东)山东省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
永磁同步电机转子结构分类Fig2-1RoterstructureclassificationofPMSM
中国石油大学(华东)工程硕士学位论文7节将对永磁同步电机伺服系统的控制原理进行介绍。2.2.1矢量控制原理矢量控制的起源，最早可追溯至20世纪60年代德国Darmstadt技术大学的K.Hasse博士在其论文中提出这一基本思想。20世纪70年代，德国西门子工程师F.Blaschke等人将其形成可实现的系统理论，即三相电机磁场定向控制的方法；有人称作磁场定向控制FOC，也有人称为矢量控制VC[15]。永磁同步电机是交流电机，定子侧通以三相交流电，以此产生定子侧的旋转磁常该磁尝转子永磁体的磁场以及气隙磁场之间相互作用，产生转子的旋转。系统唯一的输入信号是定子侧的三相交流电，在三相定子坐标系中其矢量状态和转子旋转同步，而且定子三相电流中包含了多种分量，强耦合性导致其不能简化分析。为了简化上述复杂运行工况中的种种问题，通过变换来解决：图2-2矢量控制原理框图Fig2-2BlockdiagramofFOC如图2-2所示，由最初的三相定子坐标系中旋转的空间矢量，转换为在两相定子坐标系中的空间矢量；再由两相定子坐标系转化为转子侧两相旋转坐标系；最终，将三相定子坐标系下的定子侧电流解耦，产生转子侧两相旋转坐标系下的两个正交分量Mi和Ti。其中Mi为电流的励磁分量，Ti为电流的转矩分量。这样完全可以将交流电机等效为直流电机来处理，为实现对交流电机精确控制提供可能。2.2.2坐标变换方法矢量控制方式的本质是将电机系统中多变量耦合的情况简单化处理，具体方式是通
第2章伺服驱动理论及系统整体方案设计10因为定子和转子间存在旋转位移，并且转子和磁场同步，故而两个坐标系之间的转换必然涉及其夹角，定义此夹角为，即图2-5中i和di之间的夹角。dαqβicosθsinθiisinθcosθi(2-8)αdβqicosθsinθiisinθcosθi(2-9)通过矢量合成的原则，可得到Park变换如上式(2-8)及Park逆变换如上式(2-9)。图2-5两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系Fig2-5Twophasestatorcoordinatesystemandrotatingcoordinatesystemoftwophaserotor2.2.3矢量控制的控制方法经过上述坐标变化的方式，已经将自然坐标系中定子上三相交流电Ai、Bi和Ci，转换为模拟出来的两相旋转坐标系下的两个正交分量，分别是励磁电流分量di和转矩电流分量qi。此时对电机的控制，从控制定子侧三相交流电转化为对两相旋转坐标系下电流的两个正交分量的控制。两相旋转坐标系中，电机的转矩方程为：efqdqdq3TpiLLii2(2-10)其中，p为电机极对数；f为永磁体磁链；dL、qL为电感两个轴的分量；di、qi为电流在两个轴的分量。电流控制有多种实现方式，每种方式采用不同的方法控制di和qi。鉴于其方法的不同，最终表现在电机运行工况中也会有相应的差异。主流的电流控制方式有：最大转矩电流比控制、最大转矩电压比控制、cos=1控制及di=0控制[17]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]串级控制系统闭环辨识及PID参数整定[J]. 林巍,王亚刚. 控制工程. 2018(01)
[2]基于DSP&IPM的电脑平缝机低成本PMSM控制系统的研究[J]. 宋海燕,陈康. 微型机与应用. 2017(23)
[3]基于分段PID实现永磁同步电机快速启停控制技术的研究[J]. 赖浩,顾明剑,刘涛. 红外. 2017(05)
[4]基于模糊PID的永磁同步电机矢量控制系统的仿真研究[J]. 茌宏理,窦金生. 电子设计工程. 2017(05)
[5]交流电机变频软启动及并网系统研究[J]. 徐书涛,李崇坚,王成胜,葛刚,段巍. 电气传动. 2017(01)
[6]基于LabVIEW的气体监测系统串口通讯设计[J]. 马敏,杨胜伟. 自动化与仪表. 2016(11)
[7]智能工业机器人在航空制造业的应用[J]. 殷俊. 制造业自动化. 2016(10)
[8]基于DSP的永磁同步电机矢量控制器设计[J]. 吕春宇,战喜刚,赵世宽. 变频器世界. 2016(07)
[9]基于TMS320F28335的永磁同步电动机控制器的设计[J]. 李玉峰,郭群,赵鑫. 电子器件. 2016(02)
[10]高压永磁同步电机开环矢量控制系统研究[J]. 陈伟,金辛海,胡志涛. 电气传动. 2016(04)
硕士论文
[1]基于模糊PID的永磁同步电机控制系统研究[D]. 张文霞.温州大学 2016
[2]永磁电机低成本矢量控制系统关键问题研究[D]. 陈爱棠.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于TMS320F2812的永磁同步电机矢量控制系统设计与实现[D]. 周海森.长安大学 2015
[4]永磁同步电机分数阶PID控制研究与设计[D]. 牛志嘉.电子科技大学 2013
[5]基于TMS320F28035的永磁同步电机伺服驱动器硬件设计[D]. 蒋书斌.西安电子科技大学 2013
[6]基于TMS320LF2406A的永磁同步电机矢量控制系统研究[D]. 敖杰.华南理工大学 2012
[7]交流伺服系统高性能速度控制关键技术研究[D]. 李虎修.山东大学 2012
[8]永磁同步电动机伺服驱动器产品化设计[D]. 刘海山.北方工业大学 2011
[9]基于IRMCK201的交流永磁同步电机伺服控制系统[D]. 张成.苏州大学 2011
[10]永磁同步电机矢量控制策略研究与控制器实现[D]. 张少华.中南大学 2008
本文编号：3313736
【文章来源】：中国石油大学(华东)山东省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
永磁同步电机转子结构分类Fig2-1RoterstructureclassificationofPMSM
中国石油大学(华东)工程硕士学位论文7节将对永磁同步电机伺服系统的控制原理进行介绍。2.2.1矢量控制原理矢量控制的起源，最早可追溯至20世纪60年代德国Darmstadt技术大学的K.Hasse博士在其论文中提出这一基本思想。20世纪70年代，德国西门子工程师F.Blaschke等人将其形成可实现的系统理论，即三相电机磁场定向控制的方法；有人称作磁场定向控制FOC，也有人称为矢量控制VC[15]。永磁同步电机是交流电机，定子侧通以三相交流电，以此产生定子侧的旋转磁常该磁尝转子永磁体的磁场以及气隙磁场之间相互作用，产生转子的旋转。系统唯一的输入信号是定子侧的三相交流电，在三相定子坐标系中其矢量状态和转子旋转同步，而且定子三相电流中包含了多种分量，强耦合性导致其不能简化分析。为了简化上述复杂运行工况中的种种问题，通过变换来解决：图2-2矢量控制原理框图Fig2-2BlockdiagramofFOC如图2-2所示，由最初的三相定子坐标系中旋转的空间矢量，转换为在两相定子坐标系中的空间矢量；再由两相定子坐标系转化为转子侧两相旋转坐标系；最终，将三相定子坐标系下的定子侧电流解耦，产生转子侧两相旋转坐标系下的两个正交分量Mi和Ti。其中Mi为电流的励磁分量，Ti为电流的转矩分量。这样完全可以将交流电机等效为直流电机来处理，为实现对交流电机精确控制提供可能。2.2.2坐标变换方法矢量控制方式的本质是将电机系统中多变量耦合的情况简单化处理，具体方式是通
第2章伺服驱动理论及系统整体方案设计10因为定子和转子间存在旋转位移，并且转子和磁场同步，故而两个坐标系之间的转换必然涉及其夹角，定义此夹角为，即图2-5中i和di之间的夹角。dαqβicosθsinθiisinθcosθi(2-8)αdβqicosθsinθiisinθcosθi(2-9)通过矢量合成的原则，可得到Park变换如上式(2-8)及Park逆变换如上式(2-9)。图2-5两相定子坐标系与两相转子旋转坐标系Fig2-5Twophasestatorcoordinatesystemandrotatingcoordinatesystemoftwophaserotor2.2.3矢量控制的控制方法经过上述坐标变化的方式，已经将自然坐标系中定子上三相交流电Ai、Bi和Ci，转换为模拟出来的两相旋转坐标系下的两个正交分量，分别是励磁电流分量di和转矩电流分量qi。此时对电机的控制，从控制定子侧三相交流电转化为对两相旋转坐标系下电流的两个正交分量的控制。两相旋转坐标系中，电机的转矩方程为：efqdqdq3TpiLLii2(2-10)其中，p为电机极对数；f为永磁体磁链；dL、qL为电感两个轴的分量；di、qi为电流在两个轴的分量。电流控制有多种实现方式，每种方式采用不同的方法控制di和qi。鉴于其方法的不同，最终表现在电机运行工况中也会有相应的差异。主流的电流控制方式有：最大转矩电流比控制、最大转矩电压比控制、cos=1控制及di=0控制[17]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]串级控制系统闭环辨识及PID参数整定[J]. 林巍,王亚刚. 控制工程. 2018(01)
[2]基于DSP&IPM的电脑平缝机低成本PMSM控制系统的研究[J]. 宋海燕,陈康. 微型机与应用. 2017(23)
[3]基于分段PID实现永磁同步电机快速启停控制技术的研究[J]. 赖浩,顾明剑,刘涛. 红外. 2017(05)
[4]基于模糊PID的永磁同步电机矢量控制系统的仿真研究[J]. 茌宏理,窦金生. 电子设计工程. 2017(05)
[5]交流电机变频软启动及并网系统研究[J]. 徐书涛,李崇坚,王成胜,葛刚,段巍. 电气传动. 2017(01)
[6]基于LabVIEW的气体监测系统串口通讯设计[J]. 马敏,杨胜伟. 自动化与仪表. 2016(11)
[7]智能工业机器人在航空制造业的应用[J]. 殷俊. 制造业自动化. 2016(10)
[8]基于DSP的永磁同步电机矢量控制器设计[J]. 吕春宇,战喜刚,赵世宽. 变频器世界. 2016(07)
[9]基于TMS320F28335的永磁同步电动机控制器的设计[J]. 李玉峰,郭群,赵鑫. 电子器件. 2016(02)
[10]高压永磁同步电机开环矢量控制系统研究[J]. 陈伟,金辛海,胡志涛. 电气传动. 2016(04)
硕士论文
[1]基于模糊PID的永磁同步电机控制系统研究[D]. 张文霞.温州大学 2016
[2]永磁电机低成本矢量控制系统关键问题研究[D]. 陈爱棠.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于TMS320F2812的永磁同步电机矢量控制系统设计与实现[D]. 周海森.长安大学 2015
[4]永磁同步电机分数阶PID控制研究与设计[D]. 牛志嘉.电子科技大学 2013
[5]基于TMS320F28035的永磁同步电机伺服驱动器硬件设计[D]. 蒋书斌.西安电子科技大学 2013
[6]基于TMS320LF2406A的永磁同步电机矢量控制系统研究[D]. 敖杰.华南理工大学 2012
[7]交流伺服系统高性能速度控制关键技术研究[D]. 李虎修.山东大学 2012
[8]永磁同步电动机伺服驱动器产品化设计[D]. 刘海山.北方工业大学 2011
[9]基于IRMCK201的交流永磁同步电机伺服控制系统[D]. 张成.苏州大学 2011
[10]永磁同步电机矢量控制策略研究与控制器实现[D]. 张少华.中南大学 2008
本文编号：3313736
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