開題報告例一.doc

江蘇科技大學攻讀碩士學位研究生論文開 題 報 告學科、專業(yè)：電力電子與電力傳動 姓 名： 研 究 方 向：基于DSP的交流伺服 驅(qū)動器研究 指 導 教 師： 研究生類別： 全日制研究生 填表時間: 2007 年 11 月 2 1 日基于DSP的交流伺服驅(qū)動器研究一、本課題研究的意義伺服驅(qū)動系統(tǒng)是機電一體化技術(shù)的重要組成部分，它廣泛地應用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人等自動化裝備中。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，各個行業(yè)對伺服系統(tǒng)的需求日益增大，并對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)動系統(tǒng)是工業(yè)先進國家競相努力的一個目標，有著十分重要的現(xiàn)實意義。隨著電力電子學、微電子學、傳感技術(shù)、永磁技術(shù)和控制理論的快速發(fā)展，尤其是先進控制策略的成功應用，基于數(shù)字控制己成為伺服驅(qū)動控制的發(fā)展方向，而高性能數(shù)字信號處理器DSP和功率電子器件的發(fā)展為伺服控制的全數(shù)字化實現(xiàn)提供了條件。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的研究和應用，已具備了寬調(diào)速范圍、高穩(wěn)速精度、快速動態(tài)響應及四象限運行等良好的技術(shù)性能，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的研究將繼續(xù)成為電氣傳動領域的一個研究熱點，并將帶動相關產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展。交流伺服驅(qū)動技術(shù)是研制開發(fā)各種先進的機電一體化設備的關鍵性技術(shù)，目前我國高性能數(shù)控機床和工業(yè)機器人所采用的電機伺服系統(tǒng)仍然主要依靠進口，這種現(xiàn)狀限制了我國高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，通過借鑒國外研究工作的先進經(jīng)驗，從高起點出發(fā)，盡早研制出具有當今國際水平的高性能、實用化的交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)，對于促進我國航空、航天、國防及工業(yè)自動化等領域的發(fā)展，跟蹤和趕上世界先進水平均有重要意義。二、本課題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2.1 研究現(xiàn)狀伺服驅(qū)動器的發(fā)展與伺服電動機的發(fā)展相適應，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，對整個裝置的性能、體積、重量和價格的影響非常大。目前電力電子器件IGBT成為伺服驅(qū)動器的首選功率開關器件，使伺服驅(qū)動器PWM開關頻率提高到1OKHZ 以上，從而實現(xiàn)了伺服驅(qū)動器的高頻化，提高了系統(tǒng)的響應速度，而且對降低電動機噪聲、減小轉(zhuǎn)矩脈動極為有利，在性能上獲得較大的改善。電力電子器件的應用難點在于設計合理的驅(qū)動和保護電路，新一代的智能功率模塊(IPM)是集功率器件IGBT、驅(qū)動電路、檢測電路和保護電路于一體，實現(xiàn)過流、短路、過熱、欠壓保護，模塊包含三相橋逆變器，從而使裝置體積縮小，可靠性提高。微處理器的應用把伺服驅(qū)動器推向數(shù)字化的發(fā)展新階段，使伺服驅(qū)動器的實現(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)動的需要，但由于市場的原因，價格比較昂貴。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，其最大特點就是運算速度非常快，它比目前的16/32位微處理器的運算速度至少快一個數(shù)量級，而且它內(nèi)部也集成了足夠豐富的外設模塊。因此，具有很強運算處理能力的DSP能滿足電流環(huán)的實時控制的高要求。2.2發(fā)展趨勢根據(jù)目前國內(nèi)外的研究及使用狀況，可歸納出以下幾種發(fā)展趨勢:(l)交流化從對伺服電動機的控制來看，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢明顯，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程。(2)全數(shù)字化DSP的出現(xiàn)為伺服驅(qū)動系統(tǒng)的全數(shù)字化奠定了基礎。全數(shù)字化的突出特點是軟件伺服，從而大大增強了系統(tǒng)的柔性。具體來說，全數(shù)字伺服系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點:A.能明顯地降低驅(qū)動系統(tǒng)硬件成本。根據(jù)目前微電子技術(shù)的發(fā)展趨勢，速度更快、功能更新的微處理器不斷涌現(xiàn)，硬件費用會變得很便宜。體積小、重量輕、能耗小是其共同的優(yōu)點。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，可以設計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計，以構(gòu)成適用于不同應用對象的控制算法，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，提高分級控制能力，使系統(tǒng)趨于智能化。(3)智能化現(xiàn)代控制理論的發(fā)展與應用彌補了經(jīng)典控制理論對時變、非線性、隨機性系統(tǒng)無能為力的缺陷，對不確定、非線性等復雜問題，提出了自適應、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，已被廣泛采用。計算機科學與工程的迅速發(fā)展，微機的廣泛使用，使得許多控制算法和直覺推理得以實現(xiàn)，因此，智能化在交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)中的應用必將隨時代的發(fā)展而發(fā)展。三、課題研究任務、內(nèi)容與方法本課題主要涉及伺服驅(qū)動系統(tǒng)研究，以及基于DSP的永磁同步電機的伺服驅(qū)動器設計，使控制系統(tǒng)實現(xiàn)較高的定位精度、較寬的調(diào)速范圍及快速的動態(tài)特性。3.1本課題研究任務可歸納為以下幾點：1、掌握交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)原理及硬件結(jié)構(gòu)；2、對電機控制專用數(shù)字信號處理器(DSP)進行研究，掌握其結(jié)構(gòu)原理及其外圍電路設計方法；3、分析永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)特點和數(shù)學模型；4、進行基于DSP的永磁同步電動機交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的硬件設計；5、進行基于DSP的永磁同步電動機交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的軟件設計；6、對系統(tǒng)進行調(diào)試、仿真研究。3.2課題研究內(nèi)容與方法：（1）伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)研究伺服驅(qū)動器的硬件結(jié)構(gòu)伺服驅(qū)動器的硬件結(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輸入指令輸入 A B C 電機 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相坐標變換以及A/D和D/A的轉(zhuǎn)換等工作.電機的不同控制方式主要體現(xiàn)在DSP內(nèi)部的控制算法上,而整個系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)則完全相同.伺服驅(qū)動器可用于驅(qū)動交流感應電機和交流永磁伺服電機。此時系統(tǒng)的數(shù)學模型是一個高階、非線形、強耦合的多變量系統(tǒng),通過坐標變換,可以使之降階并簡化,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)動器試通過采用磁場定向的控制原理(FOC)和坐標變換,實現(xiàn)矢量控制(VC),同時結(jié)合正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)控制模式對交流永磁電機進行控制。伺服驅(qū)動器控制交流永磁伺服電機(PMSM)伺服驅(qū)動器在控制交流永磁伺服電機時,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)動器控制PMSM時的控制框圖由于交流永磁伺服電機(PMSM)采用的是永久磁鐵勵磁,其磁場可以視為是恒定；同時交流永磁伺服電機的電機轉(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)動器在驅(qū)動交流永磁伺服電機時的數(shù)學模型的復雜程度得以大大的降低。（2） DSP相關技術(shù)研究DSP是控制系統(tǒng)的核心單元，主要負責速度伺服、電流環(huán)控制、模擬給定A/D轉(zhuǎn)換、PWM控制、總線通信、起?？刂啤⒄崔D(zhuǎn)控制、實時顯示等，除此之外，還要監(jiān)控整個系統(tǒng)的保護信號，例如:過流、過壓、過熱、霍爾故障等緊急狀況。（3） 電流檢測及過流保護電流檢測主要有兩個作用，其一，檢測系統(tǒng)是否發(fā)生或存在缺相故障，其二，當系統(tǒng)母線上的電流過大(大于某一給定值),通過DSP的A/D采樣可以報警并處理，同時將報警信號送CPLD處理，關斷驅(qū)動電路控制信號。電流傳感器采用LEM霍爾型電流傳感器，電壓檢測和過壓保護與電流基本相同。（4）智能功率模塊IPMIPM是大功率驅(qū)動開關管IGBT的集成產(chǎn)品，驅(qū)動電路要求比較特殊，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)動電路設計中，要同時重點考慮浪涌吸收電容、續(xù)流二極管的配置，以及接地、隔離、散熱等處理。（5）軟件設計本系統(tǒng)充分發(fā)揮DSP在運算能力、指令速度、存儲空間方面的優(yōu)勢，采用電流內(nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙環(huán)控制，實現(xiàn)高精度的伺服控制。軟件設計主要實現(xiàn)以下幾個功能:捕獲中斷CAP對電機轉(zhuǎn)速采樣，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制；PWM產(chǎn)生和調(diào)速控制；電流檢測及電流內(nèi)環(huán)控制；電機轉(zhuǎn)動方向控制、起?？刂频取?.課題研究可能遇到的難點及解決辦法本次論文設計中，可能會存在的難點及應對策略如下:(l)如何提高驅(qū)動控制器的穩(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，主要在電路設計、控制器環(huán)境保護上進行研究。(2)大功率器件驅(qū)動及保護電路設計，大功率控制系統(tǒng)的工作電流通常也比較大，合理、及時、有效的保護電路設計比較困難，也是必不可少的，特別是在系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)設計相應的保護電路是十分重要的。(3)DSP軟件伺服驅(qū)動程序設計，重點研究以C語言為主體編程語言的伺服控制程序設計，并盡量做到程序的模塊化、優(yōu)化等。5.論文預期取得的結(jié)果研制基于DSP的高性能伺服驅(qū)動器的控制方案，力求在更寬調(diào)速范圍和更高的定位精度上對電機進行驅(qū)動和控制。完成基于DSP的數(shù)字永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)硬件電路設計及軟件編程，并對其進行仿真及實驗。（本課題設計導師提供DSP實驗系統(tǒng)及相關軟件）6.本課題研究進展安排： 2007 2008101112123456789101112選題課題分析建模及仿真系統(tǒng)調(diào)試撰寫論文、準備答辯參考文獻：（1） 王曉明，王玲編著.電動機的DSP控制.北京:北京航空航天大學出版社. 2005年3月.（2） 發(fā)展我國伺服驅(qū)動產(chǎn)業(yè)的探討. 自動化信息. 2007年8月（3） 王愛祥等. 全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器的研究. 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)抗飽和設計研究. 中國機電工程學報 2007年（15）（5） 劉日寶，全數(shù)字永磁交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的研究.南京：南京航空航天大學.2004年3月（6） 暨綿浩. 數(shù)字化永磁同步電機伺服驅(qū)動器研究. 廣東工業(yè)大學.2006年4月（7） 邢杰. 基于DSP的全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器設計. 太原：中北大學.2005年4月（8） 交流永磁同步系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展. 電氣時代，2005，9：104107（9） 葉康豐.基于DSP的永磁同步電機DTC控制策略的研究J.杭州:浙江大學，2005：1012（10） 章云，謝莉萍，熊紅艷編著.DSP控制器及其應用M.北京:機械工業(yè)出版社.2002年3月（11） 尹勇，歐光軍，關榮鋒編著.DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS開發(fā)指南M.北京:北京航空航天大學出版社.2004年7月.（12） 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)M.北京:機械工業(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組合機床與自動化加工技術(shù)，2003，20(9)：6668（14） 蘇奎峰，呂強等.TMS320F2812原理與開發(fā).北京:電子工業(yè)出版社，2005年4月:423438（15） 張衛(wèi)寧，TMS320C2000系列DSP原理及應用.北京:國防工業(yè)出版社. 2002年4月:203209（16） 倪斌，唐 楊. 基于DSP的交流伺服電機電壓控制方法.杭州：浙江大學，2006年12月（17） 蘇濤，蔡建隆，何學輝等.DSP接口電路設計與編程.西安:西安電子科技大學出版社，2003.11（18） 曹榮昌，黃娟.方波、正弦波無刷直流電機及永磁同步電機結(jié)構(gòu)、性能分析.電機技術(shù)，2003(l):36（19） 王宗培，韓光鮮，程智，程樹康.無刷直流電動機的方波與正弦波驅(qū)動.微電機，2002，35(6):36（20） Muhammed Fazlur Rahman，Md.Enamul Haque，LixinTang, Li minzhong. Problems Assoeiated With the Direct Torque Control of an Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor Drive and Their Remedies J. IEEE. Trans. Power Electron. 2004，51(4):799809（21） Rubaai, Ahmed. Ofoli, Abdul R. Cobbinah, Donatus. DSP-based real-time implementation of a hybrid H infinity adaptive fuzzy tracking controller for servo-motor drives. IEEE Transactions on Industry Applications, v 43, n 2, March/April, 2007, P476-484（22） Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x系列DSP的CPU與外設（上）.張衛(wèi)寧譯.北京:清華大學出版社，2004:1096（23） Texas Instruments Incorporated. TMS320C28x系列DSP的CPU與外設（下）.張衛(wèi)寧譯.北京:清華大學出版社，2005:273382（24） Y.S.Chen,Z.Q.Zhu,D.Howe.Slotless Brushless Permanent Magnet Machines:Influence of Design Parameter J,IEEE.Transactions on Energy Loversion,1999，14(3)，686691。（25） TMS320LF/C28x-A DSP Controllers CPU and Instruetion Set Referenee Guide,Texas Instruments, 2002（26） Yin Yonglei,Li Yonggang. Study of PMSM digital servo system based on DSP and CPLD. ICEMS 2005: Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines Systems, 2005, P15541558（27） Shi Jingzhuo, Xu Dianguo, Wang Zongpei. Study of the hybrid stepping motor servo system based on DSP. Diangong Jishu Xuebao/Transactions of China Electrotechnical Society, v 21, n 4, April, 2006, p 72-78（28） TMS320C2xx/C28x Code Composer Users Guild，Texas Instruments Inc, October, 2000（29） J.Zhou, Y.Wang. Adaptive Backstepping speed controller design for a permanent magnet synchronous motor J. IEEE Proceeding Electrical Application, 2002, 149 (2):165172（30） TMS320 DSP Algorithm standard Rules and Guidelines