基于模糊PID控制的永磁直线同步电机伺服系统的研究

摘要

随着新型控制元件的出现以及电力电子技术、现代控制理论的不断发展，传统的驱动系统逐渐向高速、高精、数字化的方向发展。具有直接驱动性能的直线电机，减少了机械损耗和维护成本，具有行程长、精度高、响应快的特征，可以提高伺服系统的效率和控制精度，在超高速运行和超精密定位领域得到了广泛的应用。本文将永磁直线同步电机作为控制对象，深入研究其结构、工作原理以及控制方法，同时搭建了直线电机伺服控制的实验平台，对系统进行软硬件设计，并且通过实验验证控制效果。
　　本文首先描述了永磁直线同步电机的数学模型，并阐述了伺服控制系统的三闭环结构，其中，电流闭环采用Id=0的矢量控制策略，获得了较高的功率因数。其次，为了提高系统的性能和抗干扰能力，速度闭环在PID调节的基础上，引入了模糊控制技术，构建出模糊PID控制器来提高速度响应能力，通过直线电机内置的线性霍尔元件测量动子运行的位置。最后，在Simulink仿真环境下建立完整的永磁直线同步电机伺服控制系统的仿真模型，根据直线电机的实际参数进行仿真研究。
　　本系统中，硬件模块包括数字信号处理芯片(D SP)、以智能功率模块为核心的驱动电路以及包括各种逻辑器件的保护电路等。软件程序采用C语言编写，主要包括主程序和中断程序两大部分。主程序完成系统的初始化、速度给定值的设定、位置初始角的定位等。中断程序定时器下溢中断来实现位置检测、控制参数的调节和限位保护等功能。
　　本文在伺服系统的实验平台上进行实验，得到了速度跟踪以及定位精度等性能的实验结果，并且对结果进行了分析，从而进一步证明控制策略的有效性，同时保证该控制系统能够稳定运行。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 直线电机的研究与发展概况

1．2．1 直线电机的原理和分类

1．2．2 直线电机的国内外发展概况

1．3 直线电机控制策略的发展概况

1．3．1 直线电机的传统控制策略

1．3．2 直线电机的现代控制策略

1．3．3 直线电机的智能控制策略

1．4 本课题选用的直线电机

1．5 本文主要研究内容与章节安排

第二章 永磁直线同步电机的控制策略及系统设计

2．1 永磁直线同步电机的数学模型

2．1．1 PMLSM在α-β坐标系上的数学模型

2．1．2 PMLSM在d—q坐标系上的数学模型

2．2 系统的控制策略

2．2．1 矢量控制系统的基本结构

2．2．2 速度给定曲线

2．2．3 伺服控制系统原理

2．3 速度控制器设计

2．3．1 模糊控制原理

2．3．2 模糊PID控制器结构

2．3．3 模糊化和隶属函数的建立

2．3．4 模糊规则和模糊推理

2．3．5 解模糊算法的研究

2．4 本章小结

第三章 PMLSM伺服系统的硬件实现

3．1 系统总体硬件结构

3．2 TMS320F2812芯片概述

3．3 系统驱动电路的设计

3．3．1 IPM及其驱动电路

3．3．2 直流母线电压电路

3．4 反馈检测电路的设计

3．4．1 电流检测调理电路

3．4．2 动子位置检测电路

3．5 保护电路的设计

3．5．1 三相电流过流保护电路

3．5．2 电机的直流母线的过流过压保护电路

3．5．3 电机运行的限位保护电路

3．6 本章小结

第四章 系统软件设计及仿真研究

4．1 TMS320F2812编程方法简介

4．4．1 DSP集成环境CCS简介

4．1．2 IQmath库函数和定标及标幺化

4．2 控制系统的软件总体设计

4．2．1 系统主程序流程图

4．2．2 系统初始化流程图

4．2．3 中断服务程序的初始化

4．3 主要控制模块的设计

4．3．1 位置初始化模块

4．3．2 位置检测模块

4．3．3 速度给定模块

4．3．4 速度模糊PID控制

4．3．5 限位保护模块

4．3．6 串口通信程序

4．3．7 中断保护程序

4．4 控制系统的仿真建模

4．4．1 直线电机的仿真模型

4．4．2 电压空间矢量(SVPWM)算法以及逆变模块的仿真模型

4．4．3 坐标变换的仿真模型

4．4．4 直线电机参数调节系统的仿真模型

4．4．5 控制系统模块的Simuliak建模

4．5 仿真结果与分析

4．6 本章小结

第五章 实验分析

5．1 直线电机的伺服控制系统

5．2 实验结构及分析

5．2．1 IPM驱动信号波形

5．2．2 霍尔信号波形

5．2．3 PMLSM的线电压波形

5．2．4 PMLSM的电流波形

5．2．5 PMLSM的速度曲线

5．2．6 PMLSM的位置跟踪曲线

5．2．7 上位机监控设计

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间科研成果