基于自抗扰控制的永磁直流电机调速系统及其无速度传感器方案研究

摘要

直流电动机具有良好的调速特性、较高的起制动转矩和过载能力等一系列优点，因此一直在传动领域中占据着重要地位。在调速系统运行过程中，电机的电枢电阻、电枢电感、负载都可能随着工况不同而发生改变，导致转速发生变化。传统的PI控制对扰动有一定的抑制作用，但对幅值大、变化快的干扰无能为力。本课题研究由永磁直流电机组成的直流调速系统的自抗扰控制(ActiveDisturbance Rejected Control，ADRC)方法，对提高系统抗干扰能力及动态响应的快速性都具有重要意义。
　　本文在阅读了大量文献的基础上，以用于逆变焊机气保焊中的永磁直流电机调速系统为例，对基于扩张状态观测器(Extended State Observer, ESO)的ADRC控制方案进行了详细地研究。主要研究内容如下:
　　(1)首先介绍了永磁直流电机的基本运行原理、结构特征、数学模型及其控制方案。
　　(2)详细讨论了ESO的基本工作原理及其特点。对线性扩张状态观测器(Linear Extended State Observer, LESO)的设计方案尤其是参数的确定方法进行了深入地探讨。然后，针对直流传动系统设计了一个二阶LESO，从而获得了速度环总扰动的估计信息。
　　(3)以永磁直流伺服电机组成的调速系统为例，根据LESO所观测到扰动的信息，设计了基于ADRC的直流调速系统。考虑到ADRC可能存在的问题，文中还介绍了使用跟踪微分器(Tracking Differentiator, TD)的解决方案。样机的仿真结果验证了该方案的有效性。
　　(4)鉴于直流电机的电枢电流包含换向信息，而换向信息可以被作为转子的转速信息加以利用，从而取代用于检测转子位置的光电编码器或旋转变压器，实现无机械位置传感器的控制方案。本文提出了一种基于电枢电流换向信息的新颖的无速度传感器测速方案。考虑到转子转速与电枢电流对于该方案实现过程中所涉及到的诸多问题，文中提出了相应的解决方案，并制作了样机，验证了方案的有效性，为最终实现无速度传感器的调速系统奠定基础。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 直流电机抗扰性控制方案的概述

1．3 直流电机无速度传感器的研究现状及存在的问题

1．4 本文的主要内容与章节安排

1．5 本章小结

第2章 永磁直流电机简介

2．1 永磁直流电机的结构及运行原理

2．2 永磁直流电机的动态数学模型

2．3 永磁直流电机的四象限运行

2．4 本章小结

第3章 扩张状态观测器的工作原理及设计方案

3．1 ESO的基本原理

3．2 ESO与传统扰动观测器之间的异同

3．3 ESO的分类及其稳定性分析

3．3．1 非线性扩张状态观测器及其稳定性分析

3．3．2 线性扩张状态观测器及其稳定性分析

3．4 ESO参数的整定

3．4．1 影响ESO稳态观测误差的因素

3．4．2 带宽法整定LESO的参数

3．5 LESO在直流传动系统中的仿真应用与分析

3．6 本章小节

第4章 基于自抗扰控制的永磁直流电机调速系统的设计方案

4．1 基于ADRC控制系统的组成

4．2 LESO在ADRC中的应用及需要注意的问题

4．3 TD在ADRC中的应用

4．3．1 TD的作用

4．3．2 常用的TD算法

4．3．3 TD在直流传动系统中的应用效果与分析

4．4 基于ADRC控制策略的一般设计方案

4．5 基于自抗扰控制的永磁直流电机调速系统的设计

4．6 本章小结

第5章 基于换向信息的无速度传感器测速方案

5．1 基于换向信息测速的工作原理

5．2 基于换向信息测速方案的实现

5．2．1 测速方案的实现及有关噪音的滤除算法

5．2．2 基于换向信息测速方案的具体实现

5．3 本章小结

第6章 仿真及实验结果

6．1 样机参数

6．2 基于自抗扰控制的直流调速系统的仿真结果与分析

6．2．1 自抗扰控制方案的仿真结果

6．2．2 自抗扰控制方案与传统转速双闭环控制方案的比较

6．3 基于换向信息测速方案的实验平台搭建

6．3．1 软件开发环境的介绍

6．3．2 dsPIC30F4011系统时钟设置

6．3．3 ADC采样模块设置

6．3．4 转速检测模块设置

6．3．5 DAC8501E的应用

6．4 基于换向信息测速方案的实验结果与分析

6．5 本章小结

7．1 内容总结

7．2 展望

参考文献

致谢