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1、 IIAbstract This thesis particularly described the design of full digital AC servo system based on the PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor). With discussing the difference among several control strategies and analyzing mathematical model of PMSM, the 0di = vector control for the SPMSM had been c
2、hosen to be the strategy of this servo system. The theory of SVPWM and the ways of locating the PMSMs rotor pole had been presented in this thesis. The establishing of the three loops servo system of PMSM which is based on the 0di = vector control by use of the Saber Designer had also been introduce
3、d. The design of three loops servo systems controllers was the key point of this thesis. With analyzing the function requirement of three loops servo system, as for the current loop, the author adopted PI controller to ensure the performance of speediness and anti-disturbance; Considering the perfor
4、mance criterion of the velocity controller such as overshoot, regulating time, disturbance and precision, and the advantages and disadvantages of several kinds of controllers；As for the position loop，we chose the proportion and feedforward controller to satisfy the performance criterion of the locat
5、ing precision , tracking precision and the range of overshoot. Then by the use of Saber Designer, we proved the arithmetic of controllers that we finally determined to be right. On the basis of the analysis of the theory and result of simulation, we designed the hardware and software of the full dig
6、ital AC servo system. The hardware of the servo system could be divided into two parts, the first was the control circuit part and the other was the power circuit part. And the design of the galvanometry and photoelectric-encoder was the key point，While the content of software described the key desi
7、gn method and the flowchart of the software designing. The last paragraph of this thesis referred to the experiments of three loops of the servo system, the results of the experiment proved that the performance of the control system was satisfying, and validated the strategy that we had designed. Ke
8、y words： PMSM Vector Control Servo system Simulation Contorller 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版
9、，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 11 绪绪 论论 1.1 本课题研究目的及意义本课题研究目的及意义 交流伺服系统广泛应用于工业生产的各个领域，数控机床的进给驱动和工业机器人的伺服驱动是其典型应用。特别是集高精度、高效率、高柔性于一体的数控机床作为机械工业的加工母机，在国民经济的发展中占有及其重要的地位。一个高性能
10、的数控系统只有配置与之相适应的高性能进给伺服系统，才能正常发挥整个数控机床的性能。因此，研究和开发高性能的伺服系统，是现代数控机床的关键技术之一1。 随着微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料与控制理论的发展，交流伺服系统的实现方式也由模拟、数模混合向全数字方向发展，全数字方式不仅使系统具有多功能、高精度、高可靠性，还为新型控制理论和方法的应用提供了物质基础。全数字交流伺服系统的研究和开发已经引起了国内外的高度重视，国外一些数控厂家如FAUNC、三菱、安川、松下、Kollmorgen等已先后推出了基于DSP的高性能伺服驱动器，国内交流伺服系统从90年代开始起步，产品多为模拟式或数模混合
11、式，进年来才开始普及全数字伺服系统，发展相对落后4。 由于永磁同步电机(PMSM)具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、过载能力大、转动惯量小以及转矩脉动小等优点，并且利用矢量控制思想容易实现线性的转矩电流控制，所以由永磁同步电机构成的全数字交流伺服系统能够达到很好的控制性能。永磁同步电机中的永磁体多为钕铁硼(Nd-Fe-B)磁铁，它具有最高能量密度、最高剩磁及非常好的矫顽力。我国是世界第一稀土大国，稀土的总储量约占全球稀土资源的80%，目前稀土永磁同步电机己经在航空航天多种型号中得到成功的应用，同时多种民用稀土永磁同步电机正在逐步走向规模化生产，所以对稀土永磁同步电机控制系统的研究对国民经济
12、和国防建设的发展都具有非常重大的战略价值24。 21.2 永磁同步电机发展简介永磁同步电机发展简介 永磁同步电机出现于 20 世纪 50 年代。永磁同步电机的运行原理与普通电励磁同步电机相同，但它以永磁体替代励磁绕组，使电机结构更为简单，降低了加工和装配费用，省去了容易出问题的集电环和电刷，还使转子结构更加坚固，提高了电机运行的可靠性。由于无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。同时它兼有体积小、重量轻、低惯性、效率高、转子无发热问题等特点8。 早期对永磁同步电机的研究主要是针对固定频率供电的永磁同步电机，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。在工频电源供电下，永磁同步电机无自动
13、起动能力，一般通过在转子上安装阻尼绕组以依靠其产生异步起动转矩将电机加速到接近同步转速，然后由永磁体产生的磁阻转矩和同步转矩将电机牵入同步。 随着电力电子技术和微型计算机的发展，20 世纪 70 年代，永磁同步电机开始应用于交流变频调速系统。逆变器供电的永磁同步电机与直接起动的电机结构上基本相同，但一般不加阻尼绕组。因为阻尼绕组的安装不仅增加了电机制造的复杂性，而且还有其它弊端，如阻尼绕组产生热量使永磁材料温度上升，产生损耗，降低电机效率；增大转动惯量，阻尼绕组的齿槽使电机转矩脉动增大。 20 世纪 80 年代，稀土永磁材料的研制取得了突破性进展，特别是剩磁高、矫顽力大而价格低廉的第三代新型永
14、磁材料钕铁硼(Nd-Fe-B)的出现，极大促进了调速永磁同步电机的发展。新型永磁材料在电机上的应用，不仅促进了电机结构、设计方法、制造工艺等方面的发展，而且使永磁同步电机的性能有了质的飞跃，从而成为交流调速领域中的一个重要分支。 20 世纪 90 年代，随着永磁材料性能的不断提高和完善，以及电力电子器件的进一步发展和改进，加上永磁同步电机研究和开发经验的逐步成熟，目前稀土永磁同步电机正向大功率（超高速、大转矩）、高性能化、微型化和智能化方向发展。 可以预见，随着高磁场永磁材料价格和电动机转子制造价格的进一步降低，以及驱动系统理论研究和实践应用的不断完善和提高，永磁同步电动机及其驱动系统将会得到
15、进一步的发展和应用2。 31.3 交流伺服控制系统的发展概况交流伺服控制系统的发展概况 直流调速系统控制简单，调速性能好，变流装置结构简单，长期以来在调速系统领域里占统治地位。但是由于直流电动机结构复杂、成本高、故障多、维护困难，经常因火花大影响生产；机械换向器的换向能力限制了电动机的容量、电压和速度，接触式的电流传输又限制了直流电动机的使用场合；电枢在转子上，电动机效率低，散热条件差，冷却费用高，这些固有缺点限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量的方向发展。而交流电动机相对而言，结构简单，坚固耐用，便于维修，价格便宜。 20 世纪 30 年代后期，人们开始研究三相交流同步电动机的调速问题。
16、交流调速系统分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统两部分。由于同步电动机调速系统具有功率因数高、转子参数可测、控制性能好等方面的优势，而异步电动机则不具备这些特点，因此同步电动机调速系统越来越受到国内外专家学者的广泛重视。随着电力电子学的发展、新型电力电子器件 GTO 及 IGBT 的出现使得变频调速系统发展到一个新的阶段，使得交流传动逐步具备了宽调速范围、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248。 1.4 交流伺服控制系统的发展趋势交流伺服控制系统的发展趋势 伺服控制技术在机电一体化产品中的应用最为广泛，其原因主要是由于伺服电动机控制方便、灵活，容易获取驱动能源，维护也较容易。随着电子技术和软件技术的发展，为伺服技术提供了广阔的发展前景。总的来说，伺服控制系统的发展趋势可以概括为以下几个方面： (1) 全数字化 采用
