基于ARM Cortex-M4的PMSM驱动器研制

摘要

海洋资源开发是缓解人类资源紧缺问题的有效途径，而海洋探测是一切开发活动的前提。在海洋科考活动中，各种深海探测设备不可或缺，作为多数设备的关键执行部分—电机控制系统，其稳定性和实用性一直是人们不断努力的目标。本文针对深海电视抓斗的动力部分进行了改进，主要内容是将无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）替换为永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM），利用ARM Cortex-M4微处理器的优越性能和先进的矢量控制策略设计了一个电机驱动器，大大减小了电机对能源与图像信息混合模块的电流纹波影响，同时解决了电视抓斗工作时的机械抖动问题。具体研究工作如下：
　　(1)分析了永磁同步电机在深海电视抓斗中的应用背景及其驱动控制技术的国内外研究现状，结合课题需求与电机行业发展趋势，确定相应的PMSM参数、控制硬件及其控制策略。
　　(2)分析了永磁同步电机的结构和空间矢量控制原理，通过矢量坐标变换，在d-q旋转坐标系中建立了PMSM的数学模型，并且利用该模型，确定了合适的表面式PMSM的电流控制策略。
　　(3)提出了永磁同步电机基于电流反馈和无传感器速度反馈的磁场定向控制（ Field Oriented Control，FOC）策略，并且介绍了PI调节器的设计及其在闭环控制中的作用。分析了空间矢量脉宽调制（Space-Vector-Pulse-Width Modulation，SVPWM）技术的原理、推导及实现过程。同时对无传感器FOC控制系统进行了Simulink仿真，验证了本文设计的可行性。
　　(4)结合ARM Cortex-M4核微处理器与智能功率模块，设计了一个额定功率2.3KW的永磁同步电机驱动器,实现了电流读取、隔离串口通信、功率驱动和电源转换等电路功能。
　　(5)从用户层、电机应用层和电机控制层三方面设计了软件的主程序，对重要部分的软件实现流程进行了详细说明。同时用C＃编写了一个上位机控制程序供电机调试使用。
　　经实验室模拟电视抓斗平台的搭建与调试，表明本文设计的PMSM驱动器能够正常运行，其控制精度、稳定性和抗干扰能力基本满足该平台下的能源与图像信息混合模块传输要求。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 PMSM控制技术国内外研究现状

1.3 PMSM控制系统发展动向

1.4 本课题的主要研究内容和设计指标

第2章 永磁同步电机的模型解析和控制技术

2.1 PMSM的结构和特点

2.2 PMSM的数学模型

2.3 PMSM矢量控制技术

2.4 空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术

2.5 本章小结

第3章 永磁同步电机场定向控制系统与仿真

3.1 PMSM磁场定向控制系统设计

3.2 PMSM控制系统SIMULINK仿真

3.3 本章小结

第4章 永磁同步电机驱动器硬件设计

4.1 系统硬件总体结构

4.2 系统供电电路

4.3 控制电路设计

4.4 串口通信电路

4.5 功率驱动电路设计

4.6 Altium Designer电路设计工具介绍

4.7 PCB绘制

4.8 本章小结

第5章 永磁同步电机无传感器矢量控制软件设计

5.1 IAR嵌入式开发环境介绍

5.2 软件结构与主程序流程图

5.3 FOC算法软件设计

5.4 无传感器控制的软件实现

5.5 PI调节器软件设计

5.6 上位机软件设计

5.7 本章小结

第6章 系统平台测试与结果分析

6.1 实验平台搭建

6.2 系统闭环调试

6.3 实验结果分析

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

致谢

参考文献

附录