基于分数阶滑模的永磁同步电机位置控制研究

发布时间：2020-03-26 03:41

【摘要】：永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有结构简单、性能可靠、响应速度快、控制精度高、效率高等优点,是一款常用于数控机床、机器人、航空航天等位置伺服控制领域的执行电机。随着以高端制造业为代表的工业应用不断深入以及人工智能、半导体材料等领域的飞速发展,人们希望永磁同步电机伺服控制系统的动态性能、稳态性能以及鲁棒性能够满足日益严苛的性能需求,性能相对落后的传统位置伺服控制方法难以胜任。本文研究的核心是旨在寻求某种位置闭环控制算法,在控制效果上优于传统控制方法;同时在算法的实现上力求可行,从而有利于向各类位置伺服控制推广,以适应《中国制造2025》为代表的新时代工业生产和发展的需求,因此在理论研究和工程实践方面均具有重要的意义。本文介绍了永磁同步电机的发展历史与研究现状、永磁同步电机的机械结构以及永磁同步电机的运行原理,并根据运行原理和基本电磁关系给出了电机的动态数学模型。针对传统位置闭环控制算法面对日益复杂的工况,在动态性能、稳态性能以及鲁棒性等方面存在改进提升的空间,因此本文在传统滑模控制算法中引入分数阶微积分,设计了分数阶滑模控制算法,将该算法应用于永磁同步电机位置伺服系统的位置环控制器,通过对分数阶滑模面的设计以及趋近律的选择,提升了系统的控制性能。针对系统运行过程中未知负载扰动对系统影响的问题,还构建了负载观测器对扰动进行前馈补偿,可以有效保证系统的位置跟踪精度,提高了系统的抗扰性。为验证本文提出的控制算法的有效性,首先在Matlab/Simulink环境下搭建了永磁同步电机位置控制系统仿真模型,进行了仿真并分析了仿真结果。同时还根据实验需求搭建了系统实验平台,利用此实验平台对控制算法进行实验验证并分析了实验结果。仿真结果和实验结果表明,本文提出的基于分数阶滑模控制算法运用在位置控制系统中时是有效的,并且其控制性能体现出了一定的优越性。
【图文】：

分解图,永磁同步电机,3D模型,分解图

第二章永磁同步电机数学模型及磁场定向控制第二章永磁同步电机数学模型及磁场定向控制2.1 永磁同步电机结构及运行原理永磁同步电机问世已近 200 年，规模化工业应用也已有半个世纪之久，是一款非常成熟的电机。但是永磁同步电机并没有标准化（例如标准异步电机），其结构呈现多样性。可以根据电枢绕组相对空间位置、永磁体布置方式、电枢绕组工作电流波形以及电机运动方式等不同维度对永磁同步电机进行分类，不同结构的永磁同步电机的运行原理差异不大，本文以内转子电机为代表进行阐述。2.1.1 永磁同步电机的结构图 2.1 所示为本文研究用永磁同步电机的 3D 模型分解图。主要机械部件包括机座定子铁芯、定子绕组、转子铁芯、永磁体磁钢、转子轴、轴承、端盖、外部接线端子位置传感器、以及以及缓冲垫片等部件。

电机定子,实物,转子

（a）定子实物图（b）转子实物图图 2.2 电机定子转子实物图从图 2.2（a）中可以看到，分数槽集中绕组的每个线圈绕在一个定子齿上（绕组节距0y 1），并使用聚乙烯材料制成的绝缘衬套固定，最后用粘结剂粘结。电机极数与定子齿数比为8/6，每极每相槽数 q 1 4。同一槽内的两个绕组不同相，同一相绕组的线圈在不同极下面，每一对极下面的齿和槽存在空间偏移，每一相绕组中各个串联线圈感应的齿谐波电动势存在相位差，因此合成后电动势的齿谐波分量被削弱，能够有效提高绕组反电动势的正弦度[29]。采用分数槽绕组的优点是能够有效削弱齿槽阻力矩[30][31]。原本分数槽集中绕组大多用在牵引拖动类永磁电机上（如无刷直流电机），但由于能够节省绕组端部铜耗材，，且绕线方式简单，能够降低电机价格，因此分数槽集中绕组现在也已经开始被微型永磁同步电机广泛采用。转子实物如图 2.2（b）所示。永磁体磁钢布置方式为表贴式结构，磁钢使用专用粘结剂粘结在转子铁芯外侧，为保证高速旋转时永磁体磁钢不脱落，使用环氧树脂材料的
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM341

【参考文献】