開題報(bào)告例一.doc

江蘇科技大學(xué)攻讀碩士學(xué)位研究生論文開 題 報(bào) 告學(xué)科、專業(yè)：電力電子與電力傳動(dòng) 姓 名： 研 究 方 向：基于DSP的交流伺服 驅(qū)動(dòng)器研究 指 導(dǎo) 教 師： 研究生類別： 全日制研究生 填表時(shí)間: 2007 年 11 月 2 1 日基于DSP的交流伺服驅(qū)動(dòng)器研究一、本課題研究的意義伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分，它廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等自動(dòng)化裝備中。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各個(gè)行業(yè)對(duì)伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對(duì)其性能提出了更高的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)先進(jìn)國(guó)家競(jìng)相努力的一個(gè)目標(biāo)，有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著電力電子學(xué)、微電子學(xué)、傳感技術(shù)、永磁技術(shù)和控制理論的快速發(fā)展，尤其是先進(jìn)控制策略的成功應(yīng)用，基于數(shù)字控制己成為伺服驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展方向，而高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP和功率電子器件的發(fā)展為伺服控制的全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)提供了條件。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，已具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)及四象限運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究將繼續(xù)成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并將帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是研制開發(fā)各種先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)備的關(guān)鍵性技術(shù)，目前我國(guó)高性能數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人所采用的電機(jī)伺服系統(tǒng)仍然主要依靠進(jìn)口，這種現(xiàn)狀限制了我國(guó)高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，通過借鑒國(guó)外研究工作的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從高起點(diǎn)出發(fā)，盡早研制出具有當(dāng)今國(guó)際水平的高性能、實(shí)用化的交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)航空、航天、國(guó)防及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的發(fā)展，跟蹤和趕上世界先進(jìn)水平均有重要意義。二、本課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2.1 研究現(xiàn)狀伺服驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展與伺服電動(dòng)機(jī)的發(fā)展相適應(yīng)，主要依賴于電力電子器件、微電子技術(shù)的發(fā)展。電力電子器件是組成大功率電子裝置的核心，對(duì)整個(gè)裝置的性能、體積、重量和價(jià)格的影響非常大。目前電力電子器件IGBT成為伺服驅(qū)動(dòng)器的首選功率開關(guān)器件，使伺服驅(qū)動(dòng)器PWM開關(guān)頻率提高到1OKHZ 以上，從而實(shí)現(xiàn)了伺服驅(qū)動(dòng)器的高頻化，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而且對(duì)降低電動(dòng)機(jī)噪聲、減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)極為有利，在性能上獲得較大的改善。電力電子器件的應(yīng)用難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，新一代的智能功率模塊(IPM)是集功率器件IGBT、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路和保護(hù)電路于一體，實(shí)現(xiàn)過流、短路、過熱、欠壓保護(hù)，模塊包含三相橋逆變器，從而使裝置體積縮小，可靠性提高。微處理器的應(yīng)用把伺服驅(qū)動(dòng)器推向數(shù)字化的發(fā)展新階段，使伺服驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)手段發(fā)生了根本性變化。微處理器基本上滿足高性能交流伺服驅(qū)動(dòng)的需要，但由于市場(chǎng)的原因，價(jià)格比較昂貴。九十年代初，DSP開始在交流伺服系統(tǒng)中出現(xiàn)，主要有TI公司的TMS32O系列、MOTOROLA公司的68000系列以及NEC公司的PD7720系列等等。DSP是一種高速的微處理器，其最大特點(diǎn)就是運(yùn)算速度非?？?，它比目前的16/32位微處理器的運(yùn)算速度至少快一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且它內(nèi)部也集成了足夠豐富的外設(shè)模塊。因此，具有很強(qiáng)運(yùn)算處理能力的DSP能滿足電流環(huán)的實(shí)時(shí)控制的高要求。2.2發(fā)展趨勢(shì)根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究及使用狀況，可歸納出以下幾種發(fā)展趨勢(shì):(l)交流化從對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的控制來(lái)看，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)明顯，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，新一代高性能微處理器的不斷推出，加速了交流伺服取代直流伺服的進(jìn)程。(2)全數(shù)字化DSP的出現(xiàn)為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)。全數(shù)字化的突出特點(diǎn)是軟件伺服，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的柔性。具體來(lái)說，全數(shù)字伺服系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn):A.能明顯地降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件成本。根據(jù)目前微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，速度更快、功能更新的微處理器不斷涌現(xiàn)，硬件費(fèi)用會(huì)變得很便宜。體積小、重量輕、能耗小是其共同的優(yōu)點(diǎn)。B.硬件電路采用了集成電路和大規(guī)模集成電路，可靠性比較高。C.易于通用化，可以設(shè)計(jì)適合于眾多電力電子系統(tǒng)的統(tǒng)一硬件電路，而軟件可以模塊化設(shè)計(jì)，以構(gòu)成適用于不同應(yīng)用對(duì)象的控制算法，滿足不同的用途。D.采用微處理器的數(shù)字控制，使信息雙向傳遞能力大大增強(qiáng)，提高分級(jí)控制能力，使系統(tǒng)趨于智能化。(3)智能化現(xiàn)代控制理論的發(fā)展與應(yīng)用彌補(bǔ)了經(jīng)典控制理論對(duì)時(shí)變、非線性、隨機(jī)性系統(tǒng)無(wú)能為力的缺陷，對(duì)不確定、非線性等復(fù)雜問題，提出了自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)、魯棒控制等控制策略。這些控制方法大大提高了系統(tǒng)的魯棒性，與經(jīng)典控制理論結(jié)合起來(lái)，已被廣泛采用。計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程的迅速發(fā)展，微機(jī)的廣泛使用，使得許多控制算法和直覺推理得以實(shí)現(xiàn)，因此，智能化在交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用必將隨時(shí)代的發(fā)展而發(fā)展。三、課題研究任務(wù)、內(nèi)容與方法本課題主要涉及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究，以及基于DSP的永磁同步電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)，使控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高的定位精度、較寬的調(diào)速范圍及快速的動(dòng)態(tài)特性。3.1本課題研究任務(wù)可歸納為以下幾點(diǎn)：1、掌握交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理及硬件結(jié)構(gòu)；2、對(duì)電機(jī)控制專用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)進(jìn)行研究，掌握其結(jié)構(gòu)原理及其外圍電路設(shè)計(jì)方法；3、分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)學(xué)模型；4、進(jìn)行基于DSP的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；5、進(jìn)行基于DSP的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；6、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、仿真研究。3.2課題研究?jī)?nèi)容與方法：（1）伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)主要由DSP、模擬電流環(huán)和IPM組成(如圖1所示).iwiviu電流反饋編碼器信號(hào)輸入指令輸入 A B C 電機(jī) IPM 三角波 產(chǎn)生回路 比較器 比較器 比較器 電 流 環(huán)DSP 圖1. 伺服驅(qū)動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)圖中DSP為控制核心,主要完成速度和位置環(huán)的控制算法、電流的2/3相坐標(biāo)變換以及A/D和D/A的轉(zhuǎn)換等工作.電機(jī)的不同控制方式主要體現(xiàn)在DSP內(nèi)部的控制算法上,而整個(gè)系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)則完全相同.伺服驅(qū)動(dòng)器可用于驅(qū)動(dòng)交流感應(yīng)電機(jī)和交流永磁伺服電機(jī)。此時(shí)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線形、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),通過坐標(biāo)變換,可以使之降階并簡(jiǎn)化,但是并沒有改變系統(tǒng)非線形、多變量的本質(zhì)。本次研究的伺服驅(qū)動(dòng)器試通過采用磁場(chǎng)定向的控制原理(FOC)和坐標(biāo)變換,實(shí)現(xiàn)矢量控制(VC),同時(shí)結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制模式對(duì)交流永磁電機(jī)進(jìn)行控制。伺服驅(qū)動(dòng)器控制交流永磁伺服電機(jī)(PMSM)伺服驅(qū)動(dòng)器在控制交流永磁伺服電機(jī)時(shí),可分別工作在電流(轉(zhuǎn)矩)、速度、位置控制方式下。系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。 圖2.伺服驅(qū)動(dòng)器控制PMSM時(shí)的控制框圖由于交流永磁伺服電機(jī)(PMSM)采用的是永久磁鐵勵(lì)磁,其磁場(chǎng)可以視為是恒定；同時(shí)交流永磁伺服電機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速就是同步轉(zhuǎn)速,即其轉(zhuǎn)差為零。這些條件使得交流伺服驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)交流永磁伺服電機(jī)時(shí)的數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜程度得以大大的降低。（2） DSP相關(guān)技術(shù)研究DSP是控制系統(tǒng)的核心單元，主要負(fù)責(zé)速度伺服、電流環(huán)控制、模擬給定A/D轉(zhuǎn)換、PWM控制、總線通信、起?？刂?、正反轉(zhuǎn)控制、實(shí)時(shí)顯示等，除此之外，還要監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)信號(hào)，例如:過流、過壓、過熱、霍爾故障等緊急狀況。（3） 電流檢測(cè)及過流保護(hù)電流檢測(cè)主要有兩個(gè)作用，其一，檢測(cè)系統(tǒng)是否發(fā)生或存在缺相故障，其二，當(dāng)系統(tǒng)母線上的電流過大(大于某一給定值),通過DSP的A/D采樣可以報(bào)警并處理，同時(shí)將報(bào)警信號(hào)送CPLD處理，關(guān)斷驅(qū)動(dòng)電路控制信號(hào)。電流傳感器采用LEM霍爾型電流傳感器，電壓檢測(cè)和過壓保護(hù)與電流基本相同。（4）智能功率模塊IPMIPM是大功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)管IGBT的集成產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電路要求比較特殊，在大功率電器控制中，安全有效的控制它是十分有必要的。因此，在IPM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，要同時(shí)重點(diǎn)考慮浪涌吸收電容、續(xù)流二極管的配置，以及接地、隔離、散熱等處理。（5）軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)充分發(fā)揮DSP在運(yùn)算能力、指令速度、存儲(chǔ)空間方面的優(yōu)勢(shì)，采用電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)高精度的伺服控制。軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能:捕獲中斷CAP對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速采樣，實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制；PWM產(chǎn)生和調(diào)速控制；電流檢測(cè)及電流內(nèi)環(huán)控制；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制、起?？刂频?。4.課題研究可能遇到的難點(diǎn)及解決辦法本次論文設(shè)計(jì)中，可能會(huì)存在的難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)策略如下:(l)如何提高驅(qū)動(dòng)控制器的穩(wěn)定性、可靠性及系統(tǒng)的電磁兼容性是控制系統(tǒng)較難解決的問題，主要在電路設(shè)計(jì)、控制器環(huán)境保護(hù)上進(jìn)行研究。(2)大功率器件驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路設(shè)計(jì)，大功率控制系統(tǒng)的工作電流通常也比較大，合理、及時(shí)、有效的保護(hù)電路設(shè)計(jì)比較困難，也是必不可少的，特別是在系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)電路是十分重要的。(3)DSP軟件伺服驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究以C語(yǔ)言為主體編程語(yǔ)言的伺服控制程序設(shè)計(jì)，并盡量做到程序的模塊化、優(yōu)化等。5.論文預(yù)期取得的結(jié)果研制基于DSP的高性能伺服驅(qū)動(dòng)器的控制方案，力求在更寬調(diào)速范圍和更高的定位精度上對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。完成基于DSP的數(shù)字永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及軟件編程，并對(duì)其進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)。（本課題設(shè)計(jì)導(dǎo)師提供DSP實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及相關(guān)軟件）6.本課題研究進(jìn)展安排： 2007 2008101112123456789101112選題課題分析建模及仿真系統(tǒng)調(diào)試撰寫論文、準(zhǔn)備答辯參考文獻(xiàn)：（1） 王曉明，王玲編著.電動(dòng)機(jī)的DSP控制.北京:北京航空航天大學(xué)出版社. 2005年3月.（2） 發(fā)展我國(guó)伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)的探討. 自動(dòng)化信息. 2007年8月（3） 王愛祥等. 全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器的研究. 南京：南京電子研究所 2006年3月（4） 楊明.永磁交流速度伺服系統(tǒng)抗飽和設(shè)計(jì)研究. 中國(guó)機(jī)電工程學(xué)報(bào) 2007年（15）（5） 劉日寶，全數(shù)字永磁交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究.南京：南京航空航天大學(xué).2004年3月（6） 暨綿浩. 數(shù)字化永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器研究. 廣東工業(yè)大學(xué).2006年4月（7） 邢杰. 基于DSP的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì). 太原：中北大學(xué).2005年4月（8） 交流永磁同步系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展. 電氣時(shí)代，2005，9：104107（9） 葉康豐.基于DSP的永磁同步電機(jī)DTC控制策略的研究J.杭州:浙江大學(xué)，2005：1012（10） 章云，謝莉萍，熊紅艷編著.DSP控制器及其應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2002年3月（11） 尹勇，歐光軍，關(guān)榮鋒編著.DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS開發(fā)指南M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2004年7月.（12） 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003年9月（13） 竇汝振，許鎮(zhèn)琳高性能全數(shù)字永磁交流伺服系統(tǒng)的研究J組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2003，20(9)：6668（14） 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