专用设备低速电主轴直接转矩控制系统研究

摘要

电主轴作为一种近年来在数控机床领域新兴的将主轴电机与机床主轴合二为一的新技术，受到人们越来越多的关注。特别是随着微处理器技术、电力电子技术以及电机控制技术的不断发展，电主轴控制技术得到了巨大的发展，尤其异步电机直接转矩控制技术的提出，使得异步电机电主轴直接转矩控制系统成为新的研究热点。
　　本文以动平衡机为研究平台，针对研究对象动平衡机低速电主轴系统的自身特点，在分析基于电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)的直接转矩控制系统原理的基础上，设计开发了一种基于TMS320F2812-DSP控制芯片的动平衡机低速电主轴直接转矩控制系统，并通过仿真实验评估和测试该控制系统的性能。其相关研究内容如下：
　　（1）本文以异步电动机为研究对象，介绍了异步电动机的直接转矩控制原理。根据坐标变换理论，在分析多个坐标系下异步电动机数学模型的基础上，根据直接转矩控制技术，实现对异步电动机定子电流励磁分量及转矩分量的直接控制。与此同时本文还对SVPWM的调制算法以及实现方法进行了分析，最后结合本课题的电主轴系统特点，设计了动平衡机低速电主轴的双闭环直接转矩控制系统。
　　（2）利用Matlab/Simulink软件构建了基于电压空间矢量脉宽调制的动平衡机低速电主轴直接转矩控制系统模型。并针对该控制模型中的坐标变换模块、转速比较模块、转矩和磁链计算模块、转矩控制器、磁链控制器以及最优矢量控制表模块等重点模块做了专门的构建。同时对动平衡机低速电主轴直接转矩控制系统模型进行了仿真分析，仿真结果表明所建的控制系统模型动态过程符合实际调速系统运动过程。
　　（3）本文在异步电机电主轴直接转矩控制原理的基础上，进行了基于TMS320F2812-DSP控制芯片的动平衡机低速电主轴直接转矩控制系统的硬件和软件设计。主要包括硬件系统主电路(整流电路、滤波电路和逆变电路)的设计、控制电路(IGBT驱动电路、电流、电压采样电路和故障综合电路)的设计、转速和位置检测电路的设计以及辅助电路的设计。同时还对相关器件选型进行了相应分析，并对软件系统主程序、中断子程序、坐标变换程序、电流采样程序、转速测量程序、PI调节程序以及电压空间矢量(SVPWM)程序等的流程图进行了绘制。
　　除此之外，还对实验中的实验结果和出现的问题进行了分析和讨论，为后续研究和开发更高性能的动平衡机电主轴控制系统奠定基础。

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1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外动平衡技术的发展

1.3 动平衡机主轴及其控制系统的发展

1.4 本文研究的主要内容和方法

2 低速电主轴系统设计

2.1 电主轴组件的基本结构

2.2 电主轴的驱动系统

2.3 电主轴的辅助系统

2.4 本章小结

3低速电主轴直接转矩控制系统原理及其仿真实现

3.1 基于SVPWM的直接转矩控制系统的基本思想

3.2 异步电机中常用的坐标系及其变换

3.3 异步电机的数学模型

3.4 SVPWM逆变技术

3.5 磁链控制

3.6 转矩控制

3.7低速电主轴直接转矩控制系统在MATLAB仿真中的实现

3.8 本章小结

4 基于DSP的低速电主轴直接转矩控制系统硬件设计

4.1 主电路的设计

4.2 控制电路的设计

4.3 电机转速和位置检测电路设计

4.4 辅助电路的设计

4.5 本章小结

5 低速电主轴直接转矩控制系统软件设计

5.1 DSP系统软件开发平台简介

5.2 DSP 数值定点处理

5.3 控制系统软件的具体实现

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录