基于受控哈密顿系统的永磁同步电机无源控制

论文摘要

当前,交流传动已成为传动领域的主要方式。永磁同步电机具有电磁转矩纹波系数小、动态响应快、运行平稳、过载能力强等优点,逐渐成为交流伺服领域的研究热点。由于永磁同步电机数学模型的非线性混沌特征以及学科交叉研究的深入,各种非线性控制方法均已应用于永磁同步电机的控制。端口受控哈密顿系统方法是非线性控制中的一种,它基于系统的能量函数来设计控制器,具有物理意义明确、算法简单、参数调节容易、闭环系统稳定等优点,便于工业应用。本文选择以端口受控哈密顿系统方法为工具,对永磁同步电机控制系统进行了研究,主要内容包括:首先,研究了永磁同步电机在静止三相坐标下的动态方程,推导了满足功率不变的条件下永磁同步电机在静止两相坐标、旋转两相坐标下的数学模型。接着,介绍了端口受控哈密顿系统(PCH)的标准形式以及任意非线性系统实现为PCH系统的方法,推导了PCH系统的静态反馈无源镇定律和系统吸引域。该方法利用了哈密顿系统的端口结构和内部无源性,直接采用系统能量函数来分析系统吸引域和设计控制律,避开了直接构造Lyapunov函数的困难,且从理论上保证了闭环系统的稳定。然后,建立了永磁同步电机在PCH标准形式下的数学模型,设计了PCH控制器和力矩估算器,并进行了仿真试验。仿真结果表明PCH控制器算法简单,控制输出平滑;PCH控制器性能达到甚至某些方面超过PI控制,具有快速、稳定、无静差的优点,且无积分饱和的问题;PCH控制器需要调节的参数少,参数之间没有耦合,调节范围明确已知,参数调节工作量比PI少;采用力矩实时估算后,控制系统对负载扰动有很好的适应性。再接着,设计了控制系统软硬件,搭建了控制系统平台。根据控制的需要,设计了主控芯片2812外围电路,电流采样与滤波电路,IGBT驱动桥隔离与保护电路以及IGBT驱动桥供电电源。然后,以仿真为基础完成了系统软件编写,设计了ADC定标,QEP转角计算,速度计算,坐标变换,力矩估算,PCH控制器,SVPWM等软件模块。最后,进行了实际系统调试和拖动实验。实验结果接近于仿真效果,表明本文所设计的控制系统对给定电流值和速度值均具有很高的跟踪精度和响应速度,且对参数变化和负载扰动具有较好的鲁棒性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 永磁同步电机的发展历程
• 1.1.2 永磁同步电机的优点和应用现状
• 1.2 永磁同步电机控制国内外研究现状
• 1.3 问题的提出
• 1.4 本文主要研究内容及文章结构
• 第2章 结构及其数学模型
• 2.1 永磁同步电机结构及其分类
• 2.2 永磁同步电机数学模型
• 2.2.1 三相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.2 两相静止坐标系下的数学模型
• 2.2.3 两相同步旋转坐标系下的数学模型
• 2.2.4 两相同步旋转坐标系下的状态方程
• 2.3 小结
• 第3章 基于哈密顿原理的无源化控制
• 3.1 端口受控哈密顿系统
• 3.1.1 端口受控哈密顿系统的标准形式
• 3.1.2 力学系统的PCH形式
• 3.1.3 电路网络的PCH形式
• 3.1.4 一般非线性系统的PCH实现
• 3.2 哈密顿系统的反馈无源镇定
• 3.3 几点说明
• 3.4 永磁同步电机的无源控制器设计
• 3.4.1 永磁同步电机的PCH实现
• 3.4.2 永磁同步电机的无源控制器设计
• 3.5 系统仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制系统软硬件设计
• 4.1 系统组成
• 4.2 控制系统的硬件
• 4.2.1 电机参数
• 4.2.2 主控芯片2812
• 4.2.3 光电编码器接口
• 4.2.4 电流检测
• 4.2.5 IGBT驱动桥隔离与保护模块
• 4.2.6 IGBT驱动桥供电模块
• 4.3 控制系统的软件
• 4.3.1 AD转换模块
• 4.3.2 QEP转角计算模块
• 4.3.3 速度计算模块
• 4.3.4 坐标变换模块
• 4.3.5 力矩估算模块
• 4.3.6 PCH控制器
• 4.3.7 SVPWM模块
• 4.4 本章小结
• 第5章 实验结果及分析
• 5.1 实验系统组成及调试环境
• 5.2 PI控制器实验
• 5.3 PCH控制器实验
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 附录1 电机参数测量
• 附1.1 Ls0、Ls2 的测量
• 附1.2 转子磁链大小测量
• 附录2 2812 最小系统
• 附录3 IGBT驱动桥隔离与保护模块
• 附录4 IGBT驱动桥供电模块
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历