基于电机参数自学习的永磁直线同步电动机伺服控制系统

摘要

在直线运动中,旋转电机驱动需要外加一套将旋转运动转变为直线运动的机械传动装置,这种驱动方式已经不能满足现代高性能直线伺服系统对速度、加速度和定位精度的控制要求;而直线电机驱动方式,无需任何的中间机械传动装置,直接获得直线运动,特别是在精密直线伺服控制领域具有非常独特的优势,近年来备受世界各国研究者的关注。国外对直线电机的研究较早,目前正处于应用阶段;而我国对直线电机的研究开始较晚,与国外发达国家相比,差距很大。因此,研究直线电机直接驱动的关键技术具有非常重要的理论意义和应用价值。
　　本文针对直线电机伺服控制及直线电机内部参数难以获得的问题,以永磁直线同步电机(PMLSM)为研究对象,研究和设计基于直线电机参数自学习的PMLSM伺服控制系统,其中,参数自学习是指PMLSM矢量伺服系统在自学习模式下能自动识别PMLSM的参数。并研制基于PMLSM参数自学习的PMLSM伺服驱动控制器的实验装置。
　　首先,简要介绍了PMLSM的国内外研究状况及PMLSM的驱动控制策略,在分析PMLSM结构和工作原理的基础上,设计了基于直线电机参数自学习的PMLSM伺服系统控制方案。该方案中,PMLSM伺服系统具有自学习运行和正常运行两种运行模式。在自学习运行模式下,系统自动识别必要的PMLSM参数,用于整定系统中调节器的参数;在正常运行模式下,系统具有位置、速度和推力三种可选控制方式,用于PMLSM的位置、速度和推力控制。
　　其次,分析了PMLSM的数学模型,提出基于矢量控制的PMLSM参数自学习方法,通过给定不同的电压空间矢量,自动识别PMLSM的参数。其中,提出了基于绕组直流电流的稳态波动量与动态响应特性以辨识PMLSM动子的d、q轴电感和相电阻;并在PMLSM低速稳速区,结合电势平衡方程,对PMLSM的永磁体磁链进行辨识;以及根据PMLSM运动方程,对d、q轴电流和动子移动速度的快速采样,辨识PMLSM的动子质量。然后设计了基于电机参数自学习的PMLSM伺服系统的电流、速度和位置调节器的控制结构,其中,电流调节器和速度调节器采用PI控制,位置调节器采用变结构的Bang-Bang/PD控制。系统根据PMLSM自学习运行得到的PMLSM参数,自动整定各调节器参数。MATLAB仿真表明PMLSM参数的自学习方法具有较高的辨识精度,及PMLSM伺服系统具有良好的控制效果。
　　然后,设计了基于电机参数自学习的PMLSM伺服驱动控制器的软、硬件技术实现方案。其中,硬件以32位嵌入式控制芯片STM32F103VET6为控制核心,包括控制电路、逆变主电路、系统电源电路、相电流采样电路和母线电压采样电路;软件采用模块化的设计方式,PMLSM伺服驱动控制器的核心控制算法通过定时中断程序实现,包括SVPWM调制波生成、信号检测处理、自学习运行及位置、速度和电流调节器的控制算法,并实现与上位机的串口通信。
　　最后,根据上述软、硬件技术实现方案,制作了PMLSM伺服驱动控制器的实验装置,并在横河LM110-1N-010AN型直线电机平台上进行了实验测试,实验结果验证了该系统设计的可行性,达到了预期的研究目的。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 永磁直线同步电机（PMLSM）的国内外研究现状

1.3 本课题主要研究内容

第2章 基于电机参数自学习的PMLSM伺服系统控制策略

2.1 PMLSM的基本结构与工作原理

2.2 PMLSM矢量控制的基本思路

2.3 SVPWM调制技术

2.4 基于电机参数自学习的PMLSM伺服系统总体控制方案

2.5 本章小结

第3章 PMLSM参数自学习与PMLSM伺服系统的调节器设计

3.1 PMLSM的数学模型

3.2 PMLSM参数的自学习方法

3.3 PMLSM伺服系统的调节器设计

3.4 PMLSM伺服系统调节器参数的自整定

3.5 本章小结

第4章 基于电机参数自学习的PMLSM伺服系统仿真分析

4.1 PMLSM伺服系统仿真模型

4.2系统仿真与分析

4.3 本章小结

第5章 PMLSM伺服驱动控制器的技术实现方案

5.1 PMLSM伺服驱动控制器的硬件设计

5.2 PMLSM伺服驱动控制器的软件设计

5.3 本章小结

第6章 实验结果及分析

6.1 实验系统制作

6.2 实验方法

6.3 实验结果与分析

6.4 本章小结

第7章 总结

致谢

参考文献

附录一：功率板整流、保护及电源电路原理图

附录二：作者在读期间发表的学术论文、专利及参加的科研