基于自抗扰控制器的永磁同步电机调速系统的研究与实现

发布时间：2017-06-03 15:05

  本文关键词：基于自抗扰控制器的永磁同步电机调速系统的研究与实现，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine,简称PMSM)具有功率因数高、效率高、结构简单、价格合适等优点,广泛应用于数控机床领域,但PMSM也是一个非线性、参数摄动、强耦合的多变量系统,对控制算法要求较高。然而,现代控制算法的控制性能往往过多依赖于精确的数学模型,经典控制算法又难以获得很高的伺服性能。作为一种新型的非线性控制器,自抗扰控制技术(Active Disturbance Rejection Control,简称ADRC)既综合了经典PID控制器的优点,又融入了现代控制理论的设计方法。本文针对PMSM矢量控制系统的抗扰性能和控制精度问题,将ADRC应用于永磁同步电机伺服控制系统,有效地提高了伺服系统性能。本文首先基于矢量坐标变换与电压空间矢量的定义,建立了永磁同步电机在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型。在磁场定向控制策略下,以id=0作为转矩电流和励磁电流的控制方式,搭建了速度、电流双闭环PMSM矢量控制系统仿真模型,为ADRC控制器与PI控制器提供仿真平台。然后,引出ADRC技术,以克服PID控制中快速性与超调量之间的矛盾,解决抗扰能力不足和控制精度不高这些问题。通过介绍ADRC控制器的组成结构和工作原理以及理论分析与仿真佐证,从理论的角度说明了ADRC可以提高PMSM控制系统性能的可行性,为后面的计算机仿真打下基础。此后,为验证ADRC控制系统无超调控制、抗扰能力强和控制精度高的特征,本文在MATLAB\Simulink环境下将ADRC和PI控制器分别应用于PMSM交流调速系统,并进行了空载启动,带载启动,突然加、减常值负载,加减速、正反转和突加随机负载扰动的实验。仿真结果表明：在ADRC控制系统中,扩张状态观测器起到了准确观测系统扰动的作用,并通过扰动补偿环节有效减小了扰动对系统的影响。与PI控制系统相比,基于ADRC算法的PMSM调速系统的速度响应不仅具有更佳的抗扰性能和更高的控制精度,而且在无超调的前提下实现了快速响应。最后,在完成理论研究和仿真验证基础上,本文构建了一个基于TMS320F28335的高性能永磁同步电机交流伺服系统实验平台。详细阐述了系统中各部分的软、硬件设计,并在不同实验条件下进行了深入分析与比较。本文的研究证实了在PMSM调速系统中,ADRC控制器不仅可以直接替代PI控制器,而且能够取得更优的控制性能,为进一步将ADRC算法应用于实际工程打下了坚实基础。
【关键词】：自抗扰控制器 永磁同步电机 PlD控制器 TMS320F28335 矢量控制
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM341;TP273
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第一章 绪论14-19
• 1.1 课题来源14
• 1.2 永磁同步电机简介14
• 1.3 永磁同步电机控制策略14-15
• 1.4 永磁同步电机控制算法国内外研究概况15-17
• 1.4.1 现代控制理论的引入15-16
• 1.4.2 人工智能技术的应用16-17
• 1.4.3 无速度传感器矢量控制技术17
• 1.5 本课题研究意义及主要研究内容17-18
• 1.5.1 本课题研究意义17-18
• 1.5.2 本文主要研究内容18
• 1.6 本章小结18-19
• 第二章 永磁同步电机数学模型及矢量控制仿真模型19-36
• 2.1 永磁同步电机数学模型及其矢量坐标变换19-23
• 2.1.1 常用坐标系和坐标变换20-21
• 2.1.2 不同坐标系下的永磁同步电机数学模型21-23
• 2.2 永磁同步电机电压空间矢量控制23-30
• 2.2.1 空间矢量定义23-24
• 2.2.2 电压与磁链空间矢量的关系24-25
• 2.2.3 三相逆变器与旋转磁场的产生25-26
• 2.2.4 电压空间矢量控制实现26-30
• 2.3 永磁同步电机矢量控制系统仿真研究30-35
• 2.3.1 i_(?)=0控制策略下伺服系统工作原理30-31
• 2.3.2 速度、电流双闭环永磁同步电机矢量控制系统结构31-32
• 2.3.3 各功能模块搭建32-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第三章 永磁同步电机自抗扰控制系统仿真研究36-57
• 3.1 PID控制技术简介36-38
• 3.1.1 PID控制器基本形式36-37
• 3.1.2 PID控制器优缺点及改进方法37-38
• 3.2 自抗扰控制技术38-45
• 3.2.1 跟踪微分器39-40
• 3.2.2 扩张状态观测器40-43
• 3.2.3 非线性误差反馈控制律43
• 3.2.4 扰动估计的补偿43-44
• 3.2.5 自抗扰控制器参数调整规律44-45
• 3.3 永磁同步电机自抗扰控制器设计45-48
• 3.3.1 速度环ADRC控制器设计45-46
• 3.3.2 电流环ADRC控制器设计46-48
• 3.4 速度、电流双闭环永磁同步电机矢量控制系统仿真48-50
• 3.4.1 基于PI算法的双闭环永磁同步电机矢量控制系统仿真48-49
• 3.4.2 基于ADRC算法的双闭环永磁同步电机矢量控制系统仿真49-50
• 3.5 ADRC和PI控制系统运行性能分析50-56
• 3.5.1 空载启动及突加常值负载性能分析50-52
• 3.5.2 带负载启动性能分析52-54
• 3.5.3 加减速、正反转性能分析54-55
• 3.5.4 抗扰性能分析55-56
• 3.6 本章小结56-57
• 第四章 永磁同步电机交流调速系统软硬件设计57-74
• 4.1 系统硬件概述57-63
• 4.1.1 TMS320F28335芯片简介57
• 4.1.2 电机选型57-58
• 4.1.3 电流采样电路58-59
• 4.1.4 编码器接口电路59-61
• 4.1.5 故障检测及处理电路61-63
• 4.2 系统软件设计63-73
• 4.2.1 系统软件设计流程图63-65
• 4.2.2 中断服务程序设计65-66
• 4.2.3 电流采样子程序设计66-69
• 4.2.4 速度测量子程序设计69-71
• 4.2.5 ADRC控制器程序设计71-73
• 4.3 本章小结73-74
• 第五章 永磁同步电机控制系统调试及实验分析74-83
• 5.1 系统硬件平台搭建74-75
• 5.2 开发环境和控制器参数设置75-77
• 5.3 实验与结果分析77-82
• 5.4 本章小结82-83
• 总结与展望83-85
• 参考文献85-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文89-91
• 致谢91-92
• 附录一92-93
• 附录二93-95

【参考文献】

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本文编号：418460