永磁同步电机矢量控制算法的设计与实现

【摘要】人类社会进入到电气化时代以来,电气设备逐渐应用到人类生产生活的各个方面。电机作为一种动力设备,在现代工业生产中应用非常广泛。近几年来我国的电机市场飞速增长,年销售额达到了千亿级,并以每年20%的速度增长,随着科技的发展,对电机精度和效率方面的要求越来越高,因此对电机结构原理和控制方法的改进和研究日益深入。永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)是近些年应用最新技术发展起来的一种电机,与其它电机相比具有能耗少效率高、结构简单适于大规模制造、可靠性好维修方便的特点,由于这些优点而被广泛应用于各个行业,代表了未来电机的主流发展方向。本文是基于实验室承接的项目——设计永磁同步电机伺服系统,根据在其中所做的一些研究探索以及在应用中个人的一些想法来撰写。这个项目硬件工作包括对实验室伺服系统实验平台进行建设、各项功能进行完善,伺服系统平台硬件电路设计制作、电源芯片的调研选择购买已经于前期完成,并且已完成系统的搭建和连接工作,能够满足正常电机速度控制的实验需要,但是目前实验平台相对于市场出售的电机伺服系统产品相比功能还不够全面,因此需要进行相应的扩展。在扩展系统功能方面主要针对实验平台与计算机之间通信功能进行了一些研究工作。目前电机平台的控制是通过数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)TMS320F2812来实现,但DSP芯片的管脚有限,不利于以后伺服系统功能扩展,计划使用复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD)芯片来扩展DSP的管脚,对相应的电路设计和CPLD工作程序的编写进行了一些研究。由于永磁同步电机是一种具有复杂特性的系统,输入量之间具有耦合关系,而且系统参数容易受到工作条件变化的影响而变化,要想取得良好的控制效果较为困难,所以永磁同步电机是验证先进控制方法效果的一个理想对象。由于永磁同步电机本身原理和工作环境的一些特点,本文选取了一些抗扰动能力比较强的方法进行深入的研究。由于永磁同步电机工作原理复杂,在机理模型建立的过程中进行了简化,这就存在模型无法准确描述实际对象具体工作过程的问题,再加上模型存在强耦合性,对这种存在内部扰动变化的系统,利用自抗扰控制技术进行控制有一定的优势。我们基于双环矢量控制结构对速度环设计应用一阶自抗扰控制器,通过实验验证了效果。考虑到一阶自抗扰控制器不能完全发挥自抗扰控制技术的优点,对双环的矢量控制结构进行了改进,为保证模型的精确,对电机进行模型辨识,在辨识得到模型的基础上设计了二阶自抗扰控制器。滑模控制无需控制对象的精确模型,适用于各种具有复杂特性的对象,而且响应速度快,对外部扰动抑制能力也很强,能有效克服永磁同步电机的各种控制难点。然而滑模控制的最大缺点是存在抖振,通过仿真实验结果发现这一特点对系统稳态波动率影响较大,本文针对这一缺点,设计了指数趋近律的滑模控制,为了加快跟踪速度,采用了扰动补偿技术,提高速度的同时加强了抗外扰的能力,在实验中取得了良好的效果。扰动观测器能对系统内外扰动进行快速实时估计,基于扰动观测器的控制算法具有较强的鲁棒性,本文在矢量控制策略的基础上将该方法与滑模控制器进行结合设计了电机速度控制器,通过实验检验了设计方法的有效性。
【作者】朱儒；
【导师】王永；
【作者基本信息】中国科学技术大学，导航、制导与控制，2014，硕士
【关键词】永磁同步电机；空间矢量控制；自抗扰控制；滑模控制；扰动观测器；

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