基于DSP的双边永磁直流直线电机的全数字化驱动控制系统的研究与设计

摘要

近年来，直线电机在数控机床等领域得到了广泛的使用。直线电机采用直接驱动方式，具有进给速度快、加速度高、定位精度高和动态响应快等优点。直线电机的控制方式和传统的旋转电机基本相同，但是由于直线电机具有端部效应、纹波效应、齿槽效应产生推力波动，运行时产生的负载力，以及初次级吸引力还有导轨预压而引入的摩擦力会对其精度产生影响等问题，从而致使直线伺服控制的难度加大。为了提高电机速度和位置控制的稳定性和精度，本文采用双边永磁直线电机作为控制对象，以TMS320F2812型DSP为驱动控制系统的核心，构建了包括H桥驱动电路、电流检测电路、位置和速度检测电路在内的硬件系统，在直线驱动控制系统中加入了S形加减速算法和增量型PID控制算法，研制出适合双边永磁直流直线电机的驱动控制系统，并设计了实验方案，通过实验验证了该系统的控制性能，在实验中提高了速度控制和位置控制的精度。
　　本文所设计的双边永磁直流直线电机的驱动控制系统主要包括以下几个方面:
　　一、硬件结构的设计:研究设计了适合双边永磁直流直线电机的硬件电路结构、包括H桥主电路、DSP最小系统电路、电流检测电路、速度和位置检测电路等。
　　二、软件模块的开发:开发基于TMS320F2812DSP芯片的电机驱动控制软件模块，实现直线电机的速度、电流、位置控制。主要包括以下几个模块:S形加减速算法模块、电流检测模块、光栅尺信号检测模块、增量式PID模块、电流环速度环位置环模块。
　　三、闭环控制策略的研究:比较了增量式PID和位置式PID的区别，最终选择增量式PID作为电流环、速度环、位置环的闭环控制策略;电流环和速度环采用PI控制，位置环采用P控制。
　　四、实验平台的搭建和研究:以雷尼绍公司的XL80激光干涉仪为主要测量设备，搭建了实方案。测试了平台稳定运行速度，并且比较了调整PID参数前后系统的运行速度精度。测试了系统所能够达到的定位精度和重复定位进度，并且比较了调整PID参数前后的精度。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源和背景

1．2 直线电机驱动控制系统国内外研究现状

1．2．1 国外直线电机驱动控制系统研究的状况

1．2．2 国内直线电机驱动控制系统的研究现状

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 本课题主要研究内容

第二章 双边永磁直流直线电机的驱动控制原理

2．1 引言

2．2 双边永磁直流直线电机简介

2．3 驱动控制系统的组成部分

2．3．1 系统简介

2．3．2 PWM控制技术以及直流电机的斩波控制技术

2．3．3 直线电机的三闭环控制系统

2．4 总结

第三章 硬件系统的设计

3．1 引言

3．2 电机驱动控制系统的硬件电路设计

3．2．1 DSP芯片简介

3．2．2 H桥主电路

3．2．3 电流检测电路

3．2．4 位置和速度检测电路

3．3 电机控制参数的确定

3．4 本章小结

第四章 增量式PID算法及其参数整定

4．1 引言

4．2 增量式PID和位置式PID

4．3 直流直线电机三闭环PID控制系统的设计

4．3．1 系统传递函数的确定

4．3．2 电流环设计及其PID参数整定

4．3．3 速度环设计及其PID参数整定

4．3．4 位置环设计及其PID参数整定

4．4 本章小结

第五章 S形加减速算法

5．1 引言

5．2 S形加减速算法简介

5．3 S曲线加减速算法的计算方式

5．4 双边永磁直流直线电机的加减速参数选择

5．5 本章总结

第六章 软件模块设计

6．1 引言

6．2 DSP驱动控制软件设计

6．2．1 集成开发环境CCS简介

6．2．2 Q格式数据定标

6．3 软件工作流程以及子模块设计

6．3．1 主程序流程的设计

6．3．2 QEP补货单元的程序设计

6．3．3 速度环的增量式PID程序设计

6．3．4 电流采样子程序设计

6．4 本章小结

第七章 系统的调试与实验

7．1 引言

7．2 系统总体实验方案设计

7．2．1 电路测试结果

7．3 使用激光干涉仪来测量速度和定位精度

7．3．1 激光测量的原理

7．3．2 测试平台的搭建和调试

7．4 速度精度的测试和分析

7．4．1 速度环实验

7．5 直线定位精度的测试和分析

7．5．1 直线定位精度的测试的前期准备

7．5．2 实验过程与数据分析

7．6 定位精度误差的的分析

7．7 总结

总结与展望

参考文献

声明

致谢