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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流开题报告例一.精品文档.江苏科技大学攻读硕士学位研究生论文开 题 报 告学科、专业：电力电子与电力传动 姓 名： 研 究 方 向：基于DSP的交流伺服 驱动器研究 指 导 教 师： 研究生类别： 全日制研究生 填表时间: 2007 年 11 月 2 1 日基于DSP的交流伺服驱动器研究一、本课题研究的意义伺服驱动系统是机电一体化技术的重要组成部分，它广泛地应用于数控机床、工业机器人等自动化装备中。随着现代工业生产规模的不断扩大，各个行业对伺服系统的需求日益增大，并对其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驱动系统是工业先进
2、国家竞相努力的一个目标，有着十分重要的现实意义。随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的快速发展，尤其是先进控制策略的成功应用，基于数字控制己成为伺服驱动控制的发展方向，而高性能数字信号处理器DSP和功率电子器件的发展为伺服控制的全数字化实现提供了条件。交流伺服驱动系统的研究和应用，已具备了宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，交流伺服驱动系统的研究将继续成为电气传动领域的一个研究热点，并将带动相关产业的迅猛发展。交流伺服驱动技术是研制开发各种先进的机电一体化设备的关键性技术，目前我国高性能数控机床和工业机器人所采用的电机伺服系统仍然主要依靠进口，这
3、种现状限制了我国高科技产业的发展。因此，通过借鉴国外研究工作的先进经验，从高起点出发，尽早研制出具有当今国际水平的高性能、实用化的交流伺服驱动系统，对于促进我国航空、航天、国防及工业自动化等领域的发展，跟踪和赶上世界先进水平均有重要意义。二、本课题的研究现状及发展趋势2.1 研究现状伺服驱动器的发展与伺服电动机的发展相适应，主要依赖于电力电子器件、微电子技术的发展。电力电子器件是组成大功率电子装置的核心，对整个装置的性能、体积、重量和价格的影响非常大。目前电力电子器件IGBT成为伺服驱动器的首选功率开关器件，使伺服驱动器PWM开关频率提高到1OKHZ 以上，从而实现了伺服驱动器的高频化，提高了
4、系统的响应速度，而且对降低电动机噪声、减小转矩脉动极为有利，在性能上获得较大的改善。电力电子器件的应用难点在于设计合理的驱动和保护电路，新一代的智能功率模块(IPM)是集功率器件IGBT、驱动电路、检测电路和保护电路于一体，实现过流、短路、过热、欠压保护，模块包含三相桥逆变器，从而使装置体积缩小，可靠性提高。微处理器的应用把伺服驱动器推向数字化的发展新阶段，使伺服驱动器的实现手段发生了根本性变化。微处理器基本上满足高性能交流伺服驱动的需要，但由于市场的原因，价格比较昂贵。九十年代初，DSP开始在交流伺服系统中出现，主要有TI公司的TMS32O系列、MOTOROLA公司的68000系列以及NEC
5、公司的PD7720系列等等。DSP是一种高速的微处理器，其最大特点就是运算速度非常快，它比目前的16/32位微处理器的运算速度至少快一个数量级，而且它内部也集成了足够丰富的外设模块。因此，具有很强运算处理能力的DSP能满足电流环的实时控制的高要求。2.2发展趋势根据目前国内外的研究及使用状况，可归纳出以下几种发展趋势:(l)交流化从对伺服电动机的控制来看，交流伺服驱动系统的优势明显，随着微电子技术的迅速发展，新一代高性能微处理器的不断推出，加速了交流伺服取代直流伺服的进程。(2)全数字化DSP的出现为伺服驱动系统的全数字化奠定了基础。全数字化的突出特点是软件伺服，从而大大增强了系统的柔性。具体
6、来说，全数字伺服系统具有以下的优点:A.能明显地降低驱动系统硬件成本。根据目前微电子技术的发展趋势，速度更快、功能更新的微处理器不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、能耗小是其共同的优点。B.硬件电路采用了集成电路和大规模集成电路，可靠性比较高。C.易于通用化，可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，而软件可以模块化设计，以构成适用于不同应用对象的控制算法，满足不同的用途。D.采用微处理器的数字控制，使信息双向传递能力大大增强，提高分级控制能力，使系统趋于智能化。(3)智能化现代控制理论的发展与应用弥补了经典控制理论对时变、非线性、随机性系统无能为力的缺陷，对不确定、非线性等复
7、杂问题，提出了自适应、变结构、鲁棒控制等控制策略。这些控制方法大大提高了系统的鲁棒性，与经典控制理论结合起来，已被广泛采用。计算机科学与工程的迅速发展，微机的广泛使用，使得许多控制算法和直觉推理得以实现，因此，智能化在交流伺服驱动系统中的应用必将随时代的发展而发展。三、课题研究任务、内容与方法本课题主要涉及伺服驱动系统研究，以及基于DSP的永磁同步电机的伺服驱动器设计，使控制系统实现较高的定位精度、较宽的调速范围及快速的动态特性。3.1本课题研究任务可归纳为以下几点：1、掌握交流伺服驱动系统原理及硬件结构；2、对电机控制专用数字信号处理器(DSP)进行研究，掌握其结构原理及其外围电路设计方法；
8、3、分析永磁同步电动机的结构特点和数学模型；4、进行基于DSP的永磁同步电动机交流伺服驱动系统的硬件设计；5、进行基于DSP的永磁同步电动机交流伺服驱动系统的软件设计；6、对系统进行调试、仿真研究。3.2课题研究内容与方法：（1）伺服驱动控制系统研究伺服驱动器的硬件结构伺服驱动器的硬件结构主要由DSP、模拟电流环和IPM组成(如图1所示).iwiviu电流反馈编码器信号输入指令输入 A B C 电机 IPM 三角波 产生回路 比较器 比较器 比较器 电 流 环DSP 图1. 伺服驱动器的硬件结构图中DSP为控制核心,主要完成速度和位置环的控制算法、电流的2/3相坐标变换以及A/D和D/A的转换
9、等工作.电机的不同控制方式主要体现在DSP内部的控制算法上,而整个系统的总体硬件结构则完全相同.伺服驱动器可用于驱动交流感应电机和交流永磁伺服电机。此时系统的数学模型是一个高阶、非线形、强耦合的多变量系统,通过坐标变换,可以使之降阶并简化,但是并没有改变系统非线形、多变量的本质。本次研究的伺服驱动器试通过采用磁场定向的控制原理(FOC)和坐标变换,实现矢量控制(VC),同时结合正弦波脉宽调制(SPWM)控制模式对交流永磁电机进行控制。伺服驱动器控制交流永磁伺服电机(PMSM)伺服驱动器在控制交流永磁伺服电机时,可分别工作在电流(转矩)、速度、位置控制方式下。系统的控制结构框图如图2所示。 图2
10、.伺服驱动器控制PMSM时的控制框图由于交流永磁伺服电机(PMSM)采用的是永久磁铁励磁,其磁场可以视为是恒定；同时交流永磁伺服电机的电机转速就是同步转速,即其转差为零。这些条件使得交流伺服驱动器在驱动交流永磁伺服电机时的数学模型的复杂程度得以大大的降低。（2） DSP相关技术研究DSP是控制系统的核心单元，主要负责速度伺服、电流环控制、模拟给定A/D转换、PWM控制、总线通信、起停控制、正反转控制、实时显示等，除此之外，还要监控整个系统的保护信号，例如:过流、过压、过热、霍尔故障等紧急状况。（3） 电流检测及过流保护电流检测主要有两个作用，其一，检测系统是否发生或存在缺相故障，其二，当系统母
11、线上的电流过大(大于某一给定值),通过DSP的A/D采样可以报警并处理，同时将报警信号送CPLD处理，关断驱动电路控制信号。电流传感器采用LEM霍尔型电流传感器，电压检测和过压保护与电流基本相同。（4）智能功率模块IPMIPM是大功率驱动开关管IGBT的集成产品，驱动电路要求比较特殊，在大功率电器控制中，安全有效的控制它是十分有必要的。因此，在IPM驱动电路设计中，要同时重点考虑浪涌吸收电容、续流二极管的配置，以及接地、隔离、散热等处理。（5）软件设计本系统充分发挥DSP在运算能力、指令速度、存储空间方面的优势，采用电流内环、转速外环的双环控制，实现高精度的伺服控制。软件设计主要实现以下几个功
12、能:捕获中断CAP对电机转速采样，实现速度闭环控制；PWM产生和调速控制；电流检测及电流内环控制；电机转动方向控制、起停控制等。4.课题研究可能遇到的难点及解决办法本次论文设计中，可能会存在的难点及应对策略如下:(l)如何提高驱动控制器的稳定性、可靠性及系统的电磁兼容性是控制系统较难解决的问题，主要在电路设计、控制器环境保护上进行研究。(2)大功率器件驱动及保护电路设计，大功率控制系统的工作电流通常也比较大，合理、及时、有效的保护电路设计比较困难，也是必不可少的，特别是在系统的薄弱环节设计相应的保护电路是十分重要的。(3)DSP软件伺服驱动程序设计，重点研究以C语言为主体编程语言的伺服控制程序
13、设计，并尽量做到程序的模块化、优化等。5.论文预期取得的结果研制基于DSP的高性能伺服驱动器的控制方案，力求在更宽调速范围和更高的定位精度上对电机进行驱动和控制。完成基于DSP的数字永磁交流伺服驱动系统硬件电路设计及软件编程，并对其进行仿真及实验。（本课题设计导师提供DSP实验系统及相关软件）6.本课题研究进展安排： 2007 2008101112123456789101112选题课题分析建模及仿真系统调试撰写论文、准备答辩参考文献：（1） 王晓明，王玲编著.电动机的DSP控制.北京:北京航空航天大学出版社. 2005年3月.（2） 发展我国伺服驱动产业的探讨. 自动化信息. 2007年8月（
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