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

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(ActiveDisturbance 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=O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。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 永磁同步电机简介

1．3 永磁同步电机控制策略

1．4 永磁同步电机控制算法国内外研究概况

1．4．1 现代控制理论的引入

1．4．2 人工智能技术的应用

1．4．3 无速度传感器矢量控制技术

1．5 本课题研究意义及主要研究内容

1．5．1 本课题研究意义

1．5．2 本文主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 永磁同步电机数学模型及矢量控制仿真模型

2．1 永磁同步电机数学模型及其矢量坐标变换

2．1．1 常用坐标系和坐标变换

2．1．2 不同坐标系下的永磁同步电机数学模型

2．2 永磁同步电机电压空间矢量控制

2．2．1 空间矢量定义

2．2．2 电压与磁链空间矢量的关系

2．2．3 三相逆变器与旋转磁场的产生

2．2．4 电压空间矢量控制实现

2．3 永磁同步电机矢量控制系统仿真研究

2．3．1 id=0控制策略下伺服系统工作原理

2．3．2 速度、电流双闭环永磁同步电机矢量控制系统结构

2．3．3 各功能模块搭建

2．4 本章小结

第三章 永磁同步电机自抗扰控制系统仿真研究

3．1 PID控制技术简介

3．1．1 PID控制器基本形式

3．1．2 PID控制器优缺点及改进方法

3．2 自抗扰控制技术

3．2．1 跟踪微分器

3．2．2 扩张状态观测器

3．2．3 非线性误差反馈控制律

3．2．4 扰动估计的补偿

3．2．5 自抗扰控制器参数调整规律

3．3 永磁同步电机自抗扰控制器设计

3．3．1 速度环ADRC控制器设计

3．3．2 电流环ADRC控制器设计

3．4 速度、电流双闭环永磁同步电机矢量控制系统仿真

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

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

3．5 ADRC和PI控制系统运行性能分析

3．5．1 空载启动及突加常值负载性能分析

3．5．2 带负载启动性能分析

3．5．3 加减速、正反转性能分析

3．5．4 抗扰性能分析

3．6 本章小结

第四章 永磁同步电机交流调速系统软硬件设计

4．1 系统硬件概述

4．1．1 TMS320F28335芯片简介

4．1．2 电机选型

4．1．3 电流采样电路

4．1．4 编码器接口电路

4．1．5 故障检测及处理电路

4．2 系统软件设计

4．2．1 系统软件设计流程图

4．2．2 中断服务程序设计

4．2．3 电流采样子程序设计

4．2．4 速度测量子程序设计

4．2．5 ADRC控制器程序设计

4．3 本章小结

第五章 永磁同步电机控制系统调试及实验分析

5．1 系统硬件平台搭建

5．2 开发环境和控制器参数设置

5．3 实验与结果分析

5．4 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

附录