单芯片交流伺服控制系统若干问题的研究

摘要

该文以研制高性能交流伺服驱动控制系统为工程背景展开.对交流电机的数学模型、磁场定向控制、脉宽调制方法等理论问题进行了推导分析;重点对交流伺服控制系统若干功能的FPGA硬件实现算法进行较深入的研究,并用硬件描述语言对这些功能模块进行了描述.该课题的研究对高性能交流伺服驱动控制系统的发展以及国家整体工业竞争力的增强具有重要意义.首先,分析了异步伺服电动机,方波永磁同步伺服电动机和正弦波永磁同步伺服电动机的数学模型,重点对矢量控制(转子磁场定向控制)进行了推导分析,并探讨了交流伺服电动机采用FPGA实现的控制方案.其次,对全数字脉宽调制方法进行分析,探讨了正弦波-三角波、谐波注入和空间矢量这三种脉宽调制方案,并对空间矢量脉宽调制方式和正弦波脉宽调制方式进行了比较.针对交流伺服控制系统的功能要求,根据FPGA模块化设计的特点,把整个设计任务划分为若干功能模块,分别对这些模块进行设计,最后把各个功能模块进行综合,以完成整个设计.该文重点对其中的反馈电流接口、反馈速度测量、PI调节器、矢量变换等模块进行了设计,与其它模块一起在单片FPGA中实现了控制系统的电流环和速度环的集成,并进行了速度伺服测试,实验结果表明,该系统具有较好的线性调速特性及良好的动态性能.由于时间所限,位置环各模块只进行了初步的设计和局部的综合、验证.尚未与电流环和速度环集成到单片FPGA中,在此仅提出主要模块的实现算法.完成整个单芯片交流伺服控制系统尚需进行进一步的研究.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题背景及选题的意义

1.2交流伺服控制系统的研究进展状况及分析

1.2.1交流伺服控制系统的发展现状

1.2.2交流伺服控制系统的发展趋势

1.3课题来源及本人的主要研究内容

第2章交流伺服电动机的数学模型及矢量控制

2.1引言

2.2交流伺服电动机的数学模型

2.2.1异步伺服电动机数学模型

2.2.2永磁同步伺服电动机及其数学模型

2.3三相交流伺服电机的磁场定向矢量控制

2.3.1引言

2.3.2空间矢量的定义和坐标变换

2.3.3交流伺服电动机磁场定向控制方案

2.4本章小结

第3章数字脉宽调制方法的研究

3.1引言

3.2传统数字脉宽调制方法

3.2.1数字正弦波-三角波脉宽调制方法

3.2.2谐波注入脉宽调制方法

3.3空间矢量脉宽调制方法

3.3.1空间矢量脉宽调制算法原理

3.3.2空间矢量脉宽调制输出分析

3.3.3空间矢量脉宽调制与SPWM的比较

3.4本章小结

第4章转矩环和速度环的控制研究

4.1引言

4.2单片交流伺服控制系统的分析

4.3电流环和速度环的全数字硬件结构

4.3.1反馈电流接口

4.3.2反馈速度测量

4.3.3数字PI调节器

4.3.4矢量变换

4.3.5空间矢量脉宽调制模块

4.4速度伺服控制的测试结果

4.5本章小结

第5章位置环控制的研究

5.1引言

5.2位置伺服控制系统的分析

5.3位置环的构成

5.3.1位置反馈信号及其处理

5.3.2位置给定信号及其处理

5.3.3位置调节器的分析与选择

5.4有待进一步研究的问题

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢