磁通切换永磁电机模糊自适应PID控制研究

发布时间：2017-09-04 10:21

  本文关键词：磁通切换永磁电机模糊自适应PID控制研究

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【摘要】：磁通切换永磁(flux-switching permanent magnet,简称FSPM)电机作为一种新型的定子永磁型无刷电机,具有转矩输出能力强、转矩密度大、易于冷却和转子结构简单等特点,非常适合应用于电动汽车等驱动领域。然而,FSPM电机电磁性能非线性严重,存在磁场饱和、参数耦合、径向和轴向漏磁等现象,需要从电机本体设计、电力电子技术、先进控制理论三个方面着手处理,即通过优化电机本体设计、选择谐波总畸变率(total harmonics distortion,简称THD)更小的脉宽调制(pulse width modulation,简称PWM)方式以及更适合的非线性控制策略解决上述问题。本文主要研究针对速度控制器的模糊自适应控制策略,将FSPM电机和逆变器看作一个整体作为被控对象。其中逆变器的调制方式为电压型(Voltage-fed),具体为空间电压矢量脉宽调制(space-vector pulse width modulation,简称SVPWM)。分别提出了模糊自适应PID (adaptive fuzzy PID,简称AF-PID)和改进型直接自适应模糊(improved direct adaptive fuzzy,简称IDAF)的控制算法,且提出了一种强鲁棒性的数字转矩观测器算法。针对FSPM电机性能参数非线性强的特点,利用SimulinkTM仿真平台,评估了模糊自适应PID控制策略的参数敏感性和应对突变负载的抵抗扰动能力,并进行了相应的实验研究和验证。本文的主要研究内容如下：(1)论述了该课题的研究内容和意义,介绍了FSPM电机的工作原理、结构特点和数学模型,阐明了SVPWM调制原理,并进行了相应的算法优化。(2)利用采样控制系统(Sampled-Data Systems)理论对电流矢量控制(current vector control,简称CVC)的设计方法进行了深入分析,验证了经典控制理论直接应用连续时域设计法的不足之处,提出了基于采样控制系统理论的永磁同步电机连续环路闭合法(Successive Loop Closure),并采用系统辨识(System Identification)方法和Matlab/Toolbox,设计了相应的实验测试方案,为后续章节和实验方法奠定了基础。(3)阐述了模糊自适应PID的基本理论,分析设计了FSPM电机驱动控制系统的模糊自适应PID速度控制器,进行了相应的仿真研究,仿真结果表明模糊自适应PID控制具有较强的鲁棒性。(4)针对传统DTC中开环磁链观测器参数敏感性差的特点,根据数字控制(Digital Control)理论,分析并设计了基于电压电流混合模型的闭环数字磁链观测器和电流观测器,通过仿真研究了该数字观测器的性能。该观测器可作为传统DTC的转矩/磁链观测器,为后续进行FSPM电机无差拍直接转矩控制(dead-beat direct torque and flux control,简称DBDTFC)研究奠定了基础。同时,为进行DBDTFC实验提供了相应的分离设计方案,即首先利用CVC的动态过程调试该数字转矩／磁链观测器的参数,当观测器的性能符合设计指标后,再进行无差拍转矩控制器的闭环调试。(5)阐述了直接自适应模糊控制(direct adaptive fuzzy,简称DAF)的原理,根据FSPM电机驱动控制系统数字DAF算法的不足,提出了改进型直接自适应模糊(IDAF)算法,并进行了相应的仿真研究,仿真结果表明该算法能同时保证较好的指令跟踪(command tracking)和较强的抵抗扰动能力(disturbance rejection)。(6)完成了FSPM电机驱动控制系统的硬件设计。对其中的模拟信号处理电路进行了原理性仿真,通过分步测试的工程方法验证了设计方案的准确性,指出了模拟环节中影响实际控制系统性能的重要因素。详细分析了所需的硬件电路,主要包括电压和电流采样电路、位置信号处理电路、过电流和温度保护电路、电源电路以及驱动电路等。(7)完成了FSPM电机驱动控制系统的软件设计。数字控制器为TMS320F28335,针对其ADC模块产生的采样噪声,根据FSPM电机驱动控制系统的特点,分析设计了相应的ⅡR数字滤波器。根据2015版MotorWareTM的代码规范,在CCS6.1中编写了ⅡR数字滤波器算法和AF-PID算法,给出了算法的数据结构图和程序实现流程,在2013版ControlSuiteTM开源模板的基础上,改进并完成了软件的编写、调试及硬件系统的联调。(8)搭建了FSPM电机驱动控制实验平台,对FSPM电机驱动控制系统进行了实验验证。根据仿真中设计的工程测试方法和算法,进行了一系列实验验证和结果分析。
【关键词】：永磁电机 磁通切换 采样控制系统 非线性控制 模糊 自适应 数字控制 观测器 数字滤波器 数字信号处理器
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM351;TP273
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.1 研究背景13
• 1.2 电动汽车驱动电机及其调速系统13-15
• 1.3 FSPM电机的转矩控制方式15-18
• 1.3.1 电流矢量控制(current vector control,CVC)16-17
• 1.3.2 直接转矩控制(direct torque control,DTC)17
• 1.3.3 无差拍直接转矩磁链控制(dead-beat direct torque and flux control,DBDTFC)17-18
• 1.4 FSPM电机的转速控制18-19
• 1.5 模糊自适应控制19-20
• 1.6 论文研究内容20-21
• 1.7 论文组织结构21-23
• 第二章 FSPM电机数学模型和SVPWM调制原理23-33
• 2.1 FSPM电机工作原理23-24
• 2.2 FSPM电机数学模型24-26
• 2.2.1 FSPM电机数学模型的简化24-25
• 2.2.2 基于转子磁场定向同步坐标系下的数学模型25-26
• 2.3 SVPWM调制原理26-31
• 2.3.1 常规SVPWM算法28-29
• 2.3.2 SVPWM算法的实现及其优化29-31
• 2.4 本章小结31-33
• 第三章 电流环和转速环数字控制器设计33-55
• 3.1 三相逆变器控制建模34-36
• 3.2 同步旋转坐标系下的电流环等效模型36-48
• 3.2.1 逆变器负载为阻感性负载37-43
• 3.2.2 逆变器负载为FSPM电机模型43-47
• 3.2.3 电压极限线性调制区域限幅47-48
• 3.3 电流环控制器设计48-50
• 3.4 转速控制器设计50-52
• 3.5 仿真结果及分析52-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第四章 基于模糊自适应PID的转速控制器55-71
• 4.1 模糊系统历史55
• 4.2 模糊系统基础55-57
• 4.2.1 模糊数学55-56
• 4.2.2 模糊系统56-57
• 4.3 基于AF-PID算法的转速控制器57-69
• 4.3.1 Ⅰ型AF-PID算法58-65
• 4.3.2 Ⅱ型AF-PID算法65-69
• 4.4 本章小结69-71
• 第五章 数字转矩观测器设计71-79
• 5.1 基于转子磁场定向的定子磁链观测器71-73
• 5.2 基于转子磁场定向的定子电流观测器73-74
• 5.3 数字转矩估计器74
• 5.4 仿真结果及其分析74-78
• 5.4.1 基于转子磁场定向的定子磁链观测器的仿真74-75
• 5.4.2 基于转子磁场定向的定子电流观测器75-77
• 5.4.3 数字转矩观测器77-78
• 5.5 本章小结78-79
• 第六章 基于直接自适应模糊控制的转速控制器79-95
• 6.1 直接自适应模糊理论79-83
• 6.1.1 自适应模糊的分类79
• 6.1.2 直接自适应模糊的问题描述79-80
• 6.1.3 直接自适应模糊控制器的设计80
• 6.1.4 自适应律的设计80-83
• 6.2 基于直接自适应模糊控制的转速控制器83-87
• 6.2.1 直接自适应模糊控制器的设计83-85
• 6.2.2 更新因子模糊控制器的设计85-86
• 6.2.3 速度控制器的设计86-87
• 6.3 仿真研究87-94
• 6.3.1 未采用副模糊在线调整更新因子(只利用主模糊作为控制器)88-91
• 6.3.2 采用副模糊在线更新调整因子91-94
• 6.4 本章小结94-95
• 第七章 硬件电路方案设计与测试95-117
• 7.1 硬件电路方案设计95-106
• 7.1.1 电压采样电路设计95-96
• 7.1.2 电流采样电路设计96-102
• 7.1.3 过流保护电路设计102-104
• 7.1.4 位置信号处理电路设计104-105
• 7.1.5 电源方案设计105-106
• 7.1.6 驱动电路部分106
• 7.2 硬件电路测试106-114
• 7.2.1 主电源和参考电平部分107
• 7.2.2 位置信号调理电路107-108
• 7.2.3 电压采样调理电路(未加电压传感器)108-109
• 7.2.4 电流采样调理电路(未带电流传感器测试)109-110
• 7.2.5 电流信号保护电路110-111
• 7.2.6 电流信号采样调理电路(带电流传感器测试)111-112
• 7.2.7 电压信号采样调理(带电压传感器测试)112-113
• 7.2.8 驱动电路113-114
• 7.3 功率电路114-115
• 7.4 本章小结115-117
• 第八章 软件方案设计117-129
• 8.1 程序主框架117-127
• 8.1.1 数字滤波器设计119-121
• 8.1.2 转子位置计算121
• 8.1.3 转速计算及速度信号数字滤波器121-124
• 8.1.4 数字PID控制器设计124-125
• 8.1.5 模糊自适应PID算法125-127
• 8.2 本章小结127-129
• 第九章 FSPM电机调速系统实验验证129-165
• 9.1 实验平台129-130
• 9.2 三相对称阻感性负载测试130-139
• 9.2.1 SVPWM调制测试130-132
• 9.2.2 电流开环测试132-133
• 9.2.3 电流闭环测试133
• 9.2.4 IIR数字滤波器133-139
• 9.3 FSPM电机电流环测试139-147
• 9.3.1 内外饱和钳制并联型PID数字控制器139-140
• 9.3.2 位置式内外饱和钳制并联型PI140-143
• 9.3.3 前向欧拉法数字PI控制器143-147
• 9.4 FSPM电机调速驱动系统测试147-162
• 9.4.1 前向欧拉法PI148-150
• 9.4.2 模糊自适应PID控制150-162
• 9.5 实验中的问题与思考162-164
• 9.6 本章小结164-165
• 第十章 总结与展望165-169
• 10.1 全文总结165-166
• 10.2 课题展望166-169
• 致谢169-171
• 参考文献171-177
• 攻读硕士学位期间的学术成果177

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