基于自抗扰控制技术的永磁同步电机速度控制研究

摘要

随着大规模集成电路、半导体功率元件和控制技术的飞速发展，交流伺服系统正逐步取代直流控制系统而得到了广泛的应用。其中，永磁同步电机定位精度高，调速范围宽，效率高，低速运行稳定，力矩波动小，过载能力强，并且无电刷，因而可靠性高，在恶劣的环境下可正常运行，因此交流永磁同步电机在高精度位置或转速控制系统、高效节能系统等方面得到了广泛的应用。本文分析了永磁同步电机的数学模型和基本控制策略，并针对速度控制问题，提出了改善永磁同步电机转速控制性能的方法。
　　 本文以永磁同步电机的矢量控制为基础，首先介绍了永磁同步电机的结构和运行原理，并给出了与矢量控制相关的三种坐标系，坐标变换和相应坐标系下的数学模型。在对矢量控制的原理、SVPWM算法及其实现进行了详细的介绍后，搭建了MATLAB环境下的永磁同步电机矢量控制模型，并通过仿真验证了矢量控制策略和SVPWM技术。
　　 针对永磁同步电机速度控制中的超调和抗扰动问题，本文采用自抗扰控制技术和前馈控制技术进行改进。首先，本文分析了自抗扰控制技术的原理和实现，并针对自抗扰控制器参数整定困难的问题，提出了一种线性化自抗扰控制器的方法。然后针对速度控制中负载扰动的问题，设计了负载转矩观测器和相应的前馈控制器，对负载扰动进行补偿。其中自抗扰控制器和负载转矩前馈控制器共同构成了永磁同步电机速度环的前馈-反馈控制系统。在理论分析之后，本文分别对自抗扰控制器和负载转矩前馈控制器进行了建模和仿真，通过和PID控制器的对比，验证了以上两种控制策略的可行性。
　　 最后，本文介绍了永磁同步电机速度控制系统的软、硬件实现，并针对影响永磁同步电机速度控制的关键点，如转子位置的检测、速度检测和电流检测问题进行了详细的分析。然后在基于DSP芯片TMS320F2812的永磁同步电机速度控制系统上进行了试验，并给出了试验结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 永磁同步电机介绍

1．1．1 永磁同步电机的发展

1．1．2 永磁同步电机的结构和运行原理

1．1．3 永磁同步电机伺服系统现状

1．2 永磁同步电机的控制策略

1．3 本文主要研究内容

第二章 永磁同步电机的矢量控制技术

2．1 矢量坐标变换

2．1．1 三种坐标系的定义

2．1．2 矢量坐标变换

2．2 永磁同步电机的数学模型

2．2．1 PMSM在ABC三相静止坐标系下的数学模型

2．2．2 PMSM在dq两相旋转坐标系下的数学模型

2．2．3 PMSM的电压和电流在dq坐标系和ABC坐标系下的关系

2．3 矢量控制技术

2．4 电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术

2．4．1 电压矢量和磁链矢量的关系

2．4．2 SVPWM原理

2．4．3 SVPWM的实现

2．5 永磁同步电机矢量控制系统及其仿真

2．6 本章小结

第三章 自抗扰控制技术在PMSM速度控制中的应用

3．1 自抗扰控制技术

3．1．1 跟踪-微分器

3．1．2 扩张状态观测器

3．1．3 非线性状态误差反馈

3．1．4 自抗扰控制器的实现

3．2 基于自抗扰技术的永磁同步电机矢量控制

3．3 永磁同步电机ADRC和PID控制器的仿真对比

3．4 自抗扰控制器的线性化

3．4．1 自抗扰控制器的线性化实现

3．4．2 基于线性化ADRC的PMSM控制系统

3．5 自抗扰控制器中参数的作用

3．6 本章小结

第四章 基于前馈和自抗扰控制的PMSM控制系统

4．1 前馈控制

4．1．1 前馈控制的原理

4．1．2 前馈控制与反馈控制的比较

4．1．3 前馈控制的分类

4．2 PMSM负载转矩观测器的设计

4．2．1 负载转矩的全维状态观测器

4．2．2 直接计算负载转矩的转矩观测器

4．2．3 两种负载转矩观测器的仿真比较

4．3 基于ADRC和前馈的PMSM控制系统的实现及仿真

4．3．1 负载转矩前馈控制器的实现

4．3．2 基于ADRC和前馈的PMSM控制系统模型及仿真

4．4 转动惯量的离线测试方法

4．5 本章小结

第五章 PMSM速度控制系统的软硬件实现

5．1 PMSM控制系统的硬件概述

5．1．1 电机选型

5．1．2 TMS320F2812的特点

5．1．3 PMSM控制系统的硬件构成

5．2 PMSM控制系统的软件设计

5．3 PMSM控制系统的实现

5．3．1 转子位置的检测

5．3．2 速度的检测

5．3．3 电流的检测

5．4 试验结果

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 不足与展望

6．3 本章小结

参考文献

致谢