交流永磁同步电机低速性能研究

论文摘要

随着微处理器、电力电子技术的发展和电机制造工艺水平的不断提高,交流伺服系统将逐步取代直流伺服系统并成为工业控制领域实现自动化的主流控制方式。我国拥有丰富的稀土资源、永磁材料的制造工艺也在不断发展,并且永磁同步电机（PMSM）有着比其他电机更优异的控制性能,因此以永磁同步电机为执行电机的交流伺服控制系统得到了越来越多的关注。本文对全数字式交流永磁同步电机伺服驱动器进行了较为全面的研究和分析,并针对电机的低速性能改善介绍了相应的控制策略。作者首先给出了CLARK变换、PARK变换和PMSM在d-q坐标系下的数学模型,详细介绍了矢量控制技术和SVPWM算法的原理及其数字化实现,在MATLAB/SIMULINK下搭建了id=0的PMSM调速系统仿真模型,验证了矢量控制和SVPWM算法的有效性。然后,提出了自抗扰控制器（ADRC）和SVPWM死区补偿技术用以提高PMSM的低速性能。将ADRC应用于PMSM伺服控制系统,比较了经典PID控制器和自抗扰控制器的仿真结果,证明了ADRC控制系统动态响应快,控制精度高,且启动过程中速度无超调；负载存在扰动时,ADRC控制系统具有很强的鲁棒性,性能要优于经典PID控制器；为了便于微控制器实现,给出了ADRC的离散化算法和参数整定方法。另外,对死区补偿技术进行了仿真验证,可以看出经过补偿以后,电流畸变程度减小,证明所采用的补偿策略是有效的。综合上述结论可以看出,作者采用的ADRC控制和死区补偿技术对于改善PMSM的低速性能有较好的效果。最后,作者详细介绍了以TI公司的DSP芯片TMS320F2812为核心处理器的交流伺服驱动器的软硬件设计,并给出了PMSM伺服系统的部分试验结果。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 永磁同步电机伺服系统概述
• 1.1.1 相关技术介绍
• 1.1.2 交流伺服系统的发展现状
• 1.1.3 永磁同步电机低速性能的影响因素
• 1.2 永磁同步电机伺服控制技术
• 1.2.1 永磁同步电机的控制策略
• 1.2.2 永磁同步电机伺服控制系统的发展趋势
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 永磁同步电机的矢量控制及实现
• 2.1 永磁同步电机的数学模型
• 2.1.1 CLARK变换
• 2.1.2 PARK变换
• 2.1.3 数学模型
• 2.2 永磁同步电机的矢量控制
• 2.3 空间矢量脉宽调制（SVPWM）及其数字化实现
• 2.3.1 SVPWM原理
• 2.3.2 SVPWM实现
• 2.4 永磁同步电机控制系统的仿真实现
• 2.5 本章小结
• 第三章 自抗扰控制策略在永磁同步电机中的应用研究
• 3.1 经典PID控制器
• 3.2 自抗扰控制器的优点及组成
• 3.3 自抗扰控制器的数学模型
• 3.3.1 跟踪-微分器TD
• 3.3.2 扩张状态观测器ESO
• 3.3.3 非线性状态误差反馈NLSEF
• 3.4 基于自抗扰控制的永磁同步电机控制系统
• 3.4.1 仿真实现
• 3.4.2 负载扰动下的转速分析
• 3.5 自抗扰控制器的离散化
• 3.6 本章小结
• 第四章 伺服控制系统的死区补偿技术
• 4.1 死区效应分析
• 4.2 SVPWM死区补偿方法
• 4.3 仿真实现
• 4.4 本章小结
• 第五章 伺服控制系统的软硬件设计
• 5.1 伺服系统的硬件实现
• 5.1.1 系统硬件的总体设计
• 5.1.2 PWM驱动电路
• 5.1.3 电流检测电路
• 5.1.4 速度及位置检测电路
• 5.2 伺服系统的软件设计
• 5.2.1 系统软件的总体设计
• 5.2.2 转子位置初始化
• 5.2.3 定时器中断服务程序
• 5.2.4 SVPWM算法
• 5.2.5 速度及位置检测算法
• 5.2.6 A/D转换算法
• 5.2.7 速度环自抗扰控制器程序
• 5.3 试验结果
• 5.4 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
• 学位论文评阅及答辩情况表