基于预测控制的永磁同步电机电流及速度控制研究

摘要

当前，永磁同步电机作为重要的驱动装置，已被广泛应用到各种生产制造领域。永磁同步电机的传统PI控制易受工况变化的影响，难以满足高端设备的严苛要求。预测控制作为一种先进的控制策略，能在一定约束条件下实现优化控制。因此，本文以永磁同步电机为对象，研究将预测策略应用到PMSM的电流控制和速度控制中，提高控制系统的稳定性和鲁棒性。　　首先，本文建立PMSM的数学模型，设计矢量控制系统及双闭环PI调节参数，并在运行工况多变的条件下，进行PMSM仿真分析。　　其次，研究电流预测控制，将无差拍预测电流控制（Deadbeat Predictive Current Control,DPCC）引入电流环，构建PI+DPCC的控制结构。针对PMSM工作时间长、强度大易引起自身参数变化等问题，进行参数扰动对DPCC控制性能影响的对比分析，探索电感参数扰动对控制系统稳定性的影响。通过引入权重因子将无差拍预测电流控制改进为鲁棒预测电流控制（Robust Predictive Current Control,RPCC），并分析PI+RPCC和PI+DPCC两者的控制效果。　　为了实现PMSM运行速度的平滑控制，避免其出现超调及振荡问题，将速度环的PI控制改进为模型预测速度控制（Model Predictive Speed Control,MPSC），构成MPSC+DPCC的速度电流预测结构。针对PMSM在工作过程中，负载转矩会随时发生突变的问题，为了增强控制系统对负载突变的抗扰性，加入负载扰动观测器（Load Disturbance Observer,LDO），将观测器的估算值通过前馈补偿到给定电流iq，减少了负载突变时速度的降落值和恢复时间。　　为了实现PMSM的驱动系统速度环和电流环的整体性能优化，结合速度和电流预测控制策略的优势，并针对电机参数和负载转矩扰动的问题，本文提出一种带有负载转矩观测器的速度电流鲁棒预测控制（即LDO+MPSC+RPCC）方案，并与MPSC+DPCC进行对比验证。　　最后，基于TMS320F28335型芯片，完成硬件和软件的设计，进行本文所提出控制策略的分析与验证。

目录

1 绪论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 电机驱动系统的发展现状

1.2.2 电机驱动系统常见控制策略

1.2.3 预测控制在电机控制中的研究现状

1.2.4 预测控制存在的问题及解决方法

1.3 本文研究的目的和研究内容

2 永磁同步电机数学模型及PI控制策略研究

2.1 引言

2.2 PMSM数学模型的建立

2.3 矢量控制

2.3.1 矢量控制基本原理

2.3.2 电压控制矢量

2.3.3 SVPWM 调制

2.4 PMSM转速电流PI控制双闭环设计

2.4.1 电流环设计

2.4.2 速度环设计

2.5 工况多变下PMSM的PI双闭环控制仿真实验及分析

2.6 本章小结

3 永磁同步电机电流预测控制策略研究

3.1 引言

3.2 无差拍预测电流控制

3.3 电机参数扰动分析及仿真验证

3.3.1 电机参数扰动分析

3.3.2 PMSM参数扰动的仿真及对比分析

3.4 鲁棒预测电流控制策略研究及仿真分析

3.4.1 鲁棒预测电流控制理论分析

3.4.2 DPCC与RPCC的仿真验证

3.5 本章小结

4 永磁同步电机双闭环预测控制策略研究

4.1 引言

4.2 PMSM速度的模型预测控制策略研究

4.2.1 模型预测控制策略的原理

4.2.2 PMSM的模型预测速度控制的设计

4.2.3 MPSC+DPCC的速度电流预测控制策略的仿真实验

4.3 负载扰动观测器

4.3.1 龙伯格观测器原理

4.3.2 负载观测器的设计

4.3.3 LDO的仿真及补偿验证

4.4 LDO+MPSC+RPCC控制策略

4.5 本章小结

5 永磁同步电机控制器软硬件设计及实验结果分析

5.1 引言

5.2 电机控制器硬件设计

5.2.1 基于TMS320F28335型核心控制电路

5.2.2 电机驱动电路

5.2.3 电源电路

5.2.4 通信电路

5.3 电机控制器软件设计

5.3.1 软件控制架构

5.3.2 状态机的设计

5.3.3 样机和测试平台

5.4 实验验证

5.4.1 PI+DPCC与PI+RPCC的实验验证

5.4.2 不同工况下MPSC+DPCC实验验证

5.4.3 LDO+MPSC+RPCC的实验验证

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间申请的专利目录

B 作者在攻读硕士学位期间的获奖目录

C 学位论文数据集

致谢