基于直接转矩控制的机床主轴永磁电机宽调速方法的研究

发布时间：2017-07-28 11:10

  本文关键词：基于直接转矩控制的机床主轴永磁电机宽调速方法的研究

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【摘要】：作为机床最核心的部分之一的主轴电机控制系统，其输出性能对机床的加工质量和工作效率都起着决定性作用。这就要求控制系统不仅要具有较高的加工精度和快速的反应能力，且要求在低速区能够输出较大的转矩，在高速区有着宽广的恒功率运行范围，同时具备良好的抗震性和稳定性，从而适应不同的加工工况要求。 传统的主轴电机利用齿轮结构调速，该结构不仅使系统体积庞大，而且工作效率低，对能源产生了极大地浪费。随着永磁材料和控制技术的发展，永磁同步电机（PMSM）和直接转矩控制（DTC）技术凭借自身优势在主轴电机领域和控制策略领域成为了国内外关注的热点。因此，将两者结合研究高性能的永磁同步电机控制系统对促进现代化工业进程和对提高能源利用率都有着非常重要的意义。 本文针对机床主轴永磁电机做基于直接转矩控制的宽调速方法的研究。将机床主轴永磁电机作为控制对象，深入研究基于DTC的控制策略，搭建主轴电机控制系统，完成系统的软硬件设计，，在现有控制系统的基础上加入电机星角变换环节，拓宽调速范围。首先在主轴永磁电机模型的基础上建立基于DTC的电机控制系统，并对控制系统各组成部分的工作原理进行分析，同时对弱磁控制原理进行深入研究，建立了基于直接转矩控制的弱磁控制方法，根据最大转矩/电流控制的定子电流与磁链的对应关系，由查表法确定给定磁链值，判断进入弱磁区域切换时间，电机运行在弱磁区域时，转矩随转速的升高而降低；之后在Matlab/Simulink仿真环境下对整个控制系统进行仿真建模，结合主轴电机运行情况，分别给出电机恒转矩和恒功率区间仿真波形，验证控制策略的可行性与准确性；采用星角变换的方法拓宽电机调速范围，对变换前后性能进行对比分析。最后进行硬件设计，包括以ST公司ARM芯片407为控制核心的控制板电路设计等，软件设计部分由主程序和中断程序两大模块组成，并详细讨论了电压空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术和弱磁算法的实现。 通过进行Simulink的仿真研究表明，基于DTC理论的主轴永磁电机控制系统具有响应速度快、电机参数依赖性低等优点，验证基于DTC技术的永磁电机弱磁控制算法的可行性，加入星角变换可有效的拓宽调速范围，变换后最高转速与额定转速比较原来没加弱磁的最高转速与额定转速比扩展至2.2倍；搭建硬件平台，同时进行软件设计，为系统优化及控制策略的改进等后续研究工作奠定了基础。
【关键词】：永磁同步电机 直接转矩控制 弱磁调速
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG502.3;TM351
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-14
• 1.1 课题背景9-10
• 1.2 课题研究动态10-12
• 1.2.1 PMSM 在宽调速方面的研究10-11
• 1.2.2 PMSM 控制技术在宽调速方面的研究11-12
• 1.3 研究内容12-14
• 第2章 DTC 基本原理及其系统组成14-25
• 2.1 永磁电机数学模型14-16
• 2.1.1 ABC 坐标系下的 PMSM 数学模型14-15
• 2.1.2 αβ坐标系下的 PMSM 数学模型15
• 2.1.3 dq 坐标系下的 PMSM 数学模型15-16
• 2.2 主轴永磁电机 DTC 理论16-22
• 2.2.1 DTC 基本概念16-18
• 2.2.2 定子电压空间矢量18-19
• 2.2.3 定子磁链控制和电磁转矩控制19-21
• 2.2.4 开关电压矢量的合理选择21-22
• 2.3 主轴永磁电机控制系统组成与工作原理22-24
• 2.3.1 定子磁链观测模块与磁链调节22-23
• 2.3.2 转矩观测模块与转矩调节23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 主轴永磁电机控制系统建模与仿真25-33
• 3.1 软件简介25
• 3.2 主轴永磁电机控制系统仿真模型25-29
• 3.2.1 坐标变换模块25-26
• 3.2.2 定子磁链估计与调制模块26-27
• 3.2.3 电磁转矩观测与调制模块27-28
• 3.2.4 扇区判断模块28
• 3.2.5 电压矢量选择模块28-29
• 3.3 系统仿真结果及其分析29-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 主轴永磁电机调速方法33-40
• 4.1 永磁电机星角变换33
• 4.2 永磁电机弱磁控制33-37
• 4.2.1 电压电流极限环33-35
• 4.2.2 基于矢量控制的 MTPA35-36
• 4.2.3 基于直接转矩的 MTPA36-37
• 4.3 主轴永磁电机直接转矩弱磁控制37
• 4.4 仿真结果37-39
• 4.5 本章小结39-40
• 第5章 电机控制系统硬件与软件设计40-52
• 5.1 电机控制系统硬件设计40-44
• 5.1.1 ARM 芯片概述40-41
• 5.1.2 系统结构的总体框图41-42
• 5.1.3 硬件最小系统42-44
• 5.2 电机控制系统软件设计44-49
• 5.2.1 开发环境与编程语言44-45
• 5.2.2 系统的软件结构45-46
• 5.2.3 SVPWM 功能的实现46-49
• 5.3 实验分析49-51
• 5.4 本章小结51-52
• 第6章 结论52-53
• 参考文献53-56
• 在学研究成果56-57
• 致谢57

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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7 杨s

本文编号：583738