永磁同步电机伺服系统电流预测控制的研究

摘要

永磁同步电机(PMSM)伺服系统电流环的控制性能决定了整个伺服系统的品质。具有优良动态性能的预测控制使其成为高性能伺服系统电流控制策略的研究热点。与无差拍预测控制相比，由于直接预测控制不需要空间矢量脉宽调制(SVPWM)，采用直接预测控制的电流环具有动态响应快，带宽高的优点。针对PMSM电流直接预测控制和无差拍预测控制，本文做了以下研究工作：
　　在矢量控制架构下，基于PMSM电流预测控制数学模型，本文深入分析了PMSM电流环直接预测控制策略，推导出了使评价函数值最小的最优电压矢量表达式，对PMSM电流直接预测控制流程进行了详细阐述。为了克服传统直接预测控制中电流跟踪精度不高和系统参数失配时鲁棒性不强的问题，提出了引入积分控制作用的改进直接预测控制，推导了改进直接预测控制的d、q轴z域闭环传递函数，改进直接预测控制中的积分增益因子通过配置期望的系统闭环极点得到。讨论了直接预测控制中的采样时间和积分增益因子的选择问题。分析了无差拍预测电流控制策略并给出了其算法流程图和控制结构框图。
　　基于Matlab/Simulink平台搭建了PMSM电流直接预测控制和无差拍预测控制的仿真模型。在电流、转速控制性能和模型参数失配时的鲁棒性两个方面对传统直接预测控制和改进直接预测控制做了对比仿真研究。在同一开关频率下对改进直接预测控制和无差拍预测控制的电流和转矩控制性能做了对比仿真研究。最后基于广州数控GS2000伺服驱动平台对直接预测控制和无差拍预测进行了对比实验验证。
　　仿真和实验结果一致表明:引入积分控制后的改进直接预测控制提高了d、q轴电流跟踪精度，同时系统模型参数失配时的鲁棒性得到增强。同一开关频率下，与无差拍预测控制相比，改进直接预测控制下的电流环带宽更大，转矩响应更优。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 PMSM伺服系统的发展概况

1．2．2 PMSM电流环控制策略

1．2．3 电流预测控制

1．3 课题研究内容

第二章 PMSM的数学模型及矢量控制

2．1 PMSM的基本结构及其工作原理

2．2 PMSM的数学模型

2．2．1 三相静止坐标系下的数学模型

2．2．2 两相坐标系下的数学模型

2．3 PMSM矢量控制原理

2．3．1 PMSM的动态解耦控制

2．3．2 PMSM矢量控制系统

2．4 空间矢量脉宽调制技术

2．5 本章小结

第三章 预测控制基本原理与PMSM预测模型

3．1 预测控制算法的基本原理

3．1．1 预测模型

3．1．2 滚动优化

3．1．3 反馈校正

3．2 PMSM电流预测控制原理

3．3 PMSM电流预测控制模型

3．3．1 逆变器模型

3．3．2 PMSM预测模型

3．4 本章小结

第四章 PMSM电流预测控制的研究

4．1 直接预测控制策略

4．1．1 PMSM的直接预测控制

4．1．2 最优控制电压矢量

4．1．3 直接预测控制律

4．2 改进型直接预测控制

4．2．1 传统直接预测控制律分析

4．2．2 引入积分控制的改进直接预测控制律

4．3 直接预测控制参数的选取

4．3．1 采样周期

4．3．2 积分增益因子

4．4 无差拍预测控制策略

4．5 本章小结

第五章 PMSM电流预测控制的仿真研究

5．1 传统直接预测控制与改进直接预测控制对比仿真

5．1．1 控制频率与开关频率

5．1．2 电流跟踪性能与相电流FFT频谱

5．1．3 参数敏感性对比仿真

5．2 积分增益因子对系统响应的影响

5．2．1 电流响应对比仿真

5．2．2 速度响应对比仿真

5．3 改进直接预测控制与无差拍预测控制对比仿真

5．3．1 相电流与转矩响应

5．3．2 带宽性能对比仿真

5．4 本章小结

第六章 PMSM电流预测控制的实验研究

6．1 实验平台简介

6．2 传统直接预测控制与改进直接预测控制对比实验

6．2．1 电流响应实验

6．2．2 速度响应实验

6．2．3 参数敏感性实验

6．3 改进直接预测控制与无差拍预测控制对比实验

6．3．1 相电流与转矩响应

6．3．2 带宽性能对比实验

6．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢