基于分数阶转速调节器的永磁同步电机模型预测控制系统研究

摘要

对于PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor，永磁同步电机)驱动系统而言，传统控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制两种方法。其中基于定子电流的矢量控制由于固有的电流内环使得系统响应较慢;而直接转矩控制系统虽然响应快但其转矩脉动大的缺陷，严重影响了其运行性能。FCS-MPC(Finite Control Set Model Predictive Control，有限控制集模型预测控制)是近年来出现的一种高性能控制算法。FCS-MPC基于模型预测控制原理，是一种在线优化控制算法，该方法概念简单，具有较强约束处理能力，并能同时考虑存在的非线性因素。通常情况下PMSM FCS-MPC系统的转速环采用的是常规PI转速调节器，其控制精度的鲁棒性较差。因此，采用更先进的控制策略来设计PMSM转速调节器具有重要意义，其中采用分数阶控制器的策略成为近几年的研究热点。
　　分数阶微积分理论是整数阶微积分理论的推广和扩展，具有以下优势:
　　(1)分数阶微积分具有全局性;
　　(2)分数阶微积分能够更加精确的描述实际系统的动态行为，使得数学建模更接近实际系统;
　　(3)分数阶微积分算子具有记忆性和遗传性。近些年，将分数阶理论应用到现代控制理论中来产生了分数阶控制器，在继承和发扬传统控制器优点的同时，利用分数阶微积分特有的性能，可以改善和弥补传统控制器的缺点和不足，使得所设计的控制器具有分数阶和传统控制器的双重优点。
　　主要研究内容分为以下几个方面:
　　(1)基于传统PI转速调节器，设计PMSM模型预测电流控制系统，并和传统的矢量控制系统进行对比分析。
　　(2)在PMSM模型预测电流控制系统下设计分数阶积分滑模转速调节器和分数阶终端滑模转速调节器，并从滑模到达时间、收敛时间及减小抖振等方面对比分析分数阶滑模控制器和整数阶滑模控制器的优缺点。
　　(3)在考虑电机参数变化及外部扰动的不确定的情况下，设计了扩展分数阶滑模扰动观测器，并与分数阶终端滑模转速调节器构成一种复合控制策略。
　　(4)在一相电流传感器正常的情况下设计了基于分数阶自适应律的电流观测器，在准确估计另一相电流的同时实现了定子电阻的在线辨识。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 PMSM控制策略研究现状

1．2．2 分数阶控制器的研究现状

1．2．3 PMSM单相电流传感器技术研究现状

1．3 论文研究的主要内容及论文主体框架

1．4 小结

2 分数阶微积分理论基础知识

2．1 分数阶微积分常见定义及基本性质

2．1．1 分数阶微积分常用基本函数

2．1．2 分数阶微积分常用定义

2．1．3 分数阶微积分的基本性质

2．2 分数阶算子的实现方法

2．3 分数阶系统稳定性

2．4 小结

3 PMSM驱动系统数学模型及FCS-MPC基本原理

3．1 PMSM结构及数学模型

3．2 PMSM数学模型

3．3 PMSM系统FCS-MPC基本原理

3．3．1 FCS-MPCC系统设计

3．3．2 FOS-MPTO系统设计

3．3．3 仿真分析

3．4 小结

4 基于分数阶积分滑模转速调节器的PMSM MPCC系统

4．1 滑模控制的基本原理

4．1．1 滑动模态及其数学表达

4．1．2 滑模控制的运动过程及品质

4．1．3 滑模控制中的抖振及抑制

4．2 分数阶滑模控制

4．2．1 分数阶滑模趋近律

4．2．2 分数阶滑模控制律

4．2．3 分数阶滑模特性分析

4．3 基于FOISM转速调节器的PMSM MPCC系统设计

4．3．1 FOISM转速调节器设计

4．3．2 仿真分析

4．4 小结

5 分数阶终端滑模与PMSM调速系统的扰动估计

5．1 整数阶终端滑模

5．1．1 普通终端滑模

5．1．2 全局快速终端滑模

5．1．3 非奇异终端滑模

5．2 分数阶终端滑模转速调节器的设计

5．3 PMSM调速系统的扰动估计

5．4 基于扰动估计的FOTSM转速调节器的PMSM MPCC系统设计

5．4．1 系统结构

5．4．2 仿真分析

5．5 小结

6 基于单相电流传感器的PMSM MPCC系统

6．1 系统整体结构设计

6．2 分数阶自适应电流观测器设计

6．3 仿真分析

6．4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果