扰动观测器在永磁同步电机调速系统中的应用

摘要

随着新型永磁材料的发现和电机制造技术的不断提高，以数字信号处理技术为基础，以现代电机控制理论为指导，采用高性能控制策略的全数字化永磁同步电机调速系统应用越来越广。其中控制策略的优劣对电机性能有重要影响，因而永磁同步电机控制算法的研究引起了国内外学者的广泛关注。 论文首先介绍交流调速系统的发展概况，简要分析了当前永磁同步电机控制中常用的几种控制算法的特点及存在的问题。接着从电机速度调节原理出发，在分析永磁同步电机数学模型的基础上，讨论了永磁同步电机矢量控制方案。在介绍扰动观测器（DOB）的基本原理和设计原则后，采用形式较复杂的正弦波和方波信号作为扰动，研究了扰动观测器的观测性能，仿真结果表明，扰动观测器的观测精度高，滞后时间小，可以用作前馈补偿量，改善系统性能。 在分析永磁同步电机控制系统中电流环和速度环的设计目标后，将扰动观测器运用到速度环控制器设计中，形成了基于扰动观测器的比例控制方法（P+DOB）。提出利用惯性力偶矩概念来分析、讨论扰动观测项的物理意义，该物理意义有助于解释后续仿真及实验中出现的一些现象。将PI控制与基于扰动观测器的比例控制做了仿真研究，仿真结果表明，基于扰动观测器的比例控制方法有着更优越的动态性能和更强的抗扰动能力。通过分析仿真结果，还研究了扰动观测器各参数在观测及控制中的作用。最后在实验室的实验平台上实现了基于扰动观测器的比例控制算法。实验结果表明：基于扰动观测器的比例控制方案具有超调小，响应快，以及抗负载性能强等特点。 为进一步提高系统的抗干扰能力，运用有限时间控制理论设计了基于扰动观测器和有限时间控制的复合控制器，并给出了闭环系统稳态速度误差的界与控制器参数的关系。仿真及实验表明，与基于扰动观测器的比例控制方法相比，基于扰动观测器的有限时间控制具有更好的抗扰动性能和更优越的收敛性能。

目录

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第一章 绪论

1.1 永磁同步电机调速系统发展概述

1.2 交流调速系统主要控制策略

1.3 交流调速系统的控制算法研究现状

1.3.1 反馈控制算法

1.3.2 前馈补偿设计

1.4 本课题的选题意义和主要工作

1.4.1 研究意义

1.4.2 本论文的主要内容及结构

第二章 永磁同步电机的数学模型及调速方案实现

2.1 电机速度调节原理

2.2 永磁同步电机数学模型

2.2.1 坐标变换

2.2.2 永磁同步电机在三相静止坐标系下的数学模型

2.2.3 永磁同步电机在同步旋转坐标系的数学模型

2.3 永磁同步电机调速系统矢量控制

2.3.1 永磁同步电机的电流控制方法分析

2.3.2 永磁同步电机矢量控制实现

2.4 基于矢量控制的永磁同步电机调速系统的构成

2.4.1 系统的硬件组成

2.4.2 TI系统的软件简介

2.4.3 TI公司的DSP芯片TMS320F2808简介

2.4.4 永磁同步电机调速系统实验平台

2.5 本章小结

第三章 扰动观测器原理设计

3.1 扰动观测器的基本原理

3.2 扰动观测器设计

3.2.1 O(s)滤波器的结构选择

3.2.2 滤波时间常数选取

3.3 扰动观测器的仿真及性能分析

3.4 本章小结

第四章 基于扰动观测器的永磁同步电机调速系统控制

4.1 永磁同步电机调速系统电流环设计

4.2 带扰动观测器的速度环控制器方案设计

4.2.1 永磁同步电机控制系统速度环构成

4.2.2 速度环扰动观测器设计

4.2.3 永磁同步电机速度环反馈控制设计

4.2.4 扰动观测项的物理意义

4.3 仿真及分析

4.3.1 与PI性能对比

4.3.2 扰动观测器的参数对观测性能的影响

4.4 实验结果分析

4.4.1 实验测试指标和测试方法

4.4.2 与变PI性能对比

4.5 本章小结

第五章 基于扰动观测和有限时间控制的永磁同步电机调速系统

5.1 带有扰动观测器的有限时间控制器设计

5.2 仿真及分析

5.2 实验结果分析

5.3 本章小结

第六章 结束语

致谢

参考文献

作者在学期间发表的论文