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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

许斌  
【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。


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