基于先进控制方法的永磁同步电机性能优化

论文摘要

在实际应用中,对永磁同步电机控制精度的要求越来越高。尤其是在机器人、航空航天、精密电子仪器等对电机性能要求较高的领域,系统的快速性、稳定性和鲁棒性能好坏成为决定永磁同步电机性能优劣的重要指标。传统电机系统通常采用PID控制,其本质上是一种线性控制,若被控对象具有非线性特性或有参变量发生变化,会使得线性常参数的PID控制器无法保持设计时的性能指标;在确定PID参数的过程中,参数整定值是具有一定局域性的优化值,并不是全局最优值。实际电机系统具有非线性、参数时变及建模过程复杂等特点,因此常规PID控制难以从根本上解决动态品质与稳态精度的矛盾。永磁同步电机是典型的多变量、参数时变的非线性控制对象。先进控制方法(诸如智能控制、优化算法等)研究应用的发展与深入,为控制复杂的永磁同步电机系统开辟了崭新的途径。由于先进控制方法摆脱了对控制对象模型的依赖,能够在处理不精确性和不确定性问题中有可处理性、鲁棒性,因而将其引入永磁同步电机控制已成为一个必然的趋势。本文根据系统实现目标的不同,选取相应的先进控制方法,并与PID控制相结合,对永磁同步电机各方面性能进行有针对性的优化,最终使其控制精度得到显著的提高。为达到对永磁同步电机进行性能优化的研究目的,文中首先探讨了正弦波永磁同步电机和方波永磁同步电机的运行特点及控制机理,通过建立数学模型,对相应的控制系统进行了整体分析。针对永磁同步电机非线性、强耦合的特点,设计了矢量控制方式下的永磁同步电机闭环反馈控制系统。结合常规PID控制,将模糊控制、遗传算法、神经网络和人工免疫等多种先进控制方法应用于永磁同步电机调速系统、伺服系统和同步传动系统的控制器设计中,以满足不同控制系统对电机动、静态性能的要求以及对调速性能或跟随性能的侧重。实验结果表明,采用先进控制方法的永磁同步电机具有较好的动态性能、抗扰动能力以及较强的鲁棒性能;与传统PID控制相比,系统的控制精度得到了明显提高。研究结果验证了先进控制方法应用于永磁同步电机性能优化的有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 永磁同步电机工作原理与控制性能指标
• 1.2.1 永磁同步电机工作原理
• 1.2.2 电机动态性能指标
• 1.3 先进控制方法在永磁电机控制系统中的应用
• 1.3.1 PID 控制原理
• 1.3.2 先进控制方法
• 1.4 论文的研究意义与研究内容
• 第二章 高稳态性能的永磁同步电机调速系统
• 2.1 引言
• 2.2 PMSM 矢量控制模型
• 2.2.1 矢量控制原理
• 2.2.2 PMSM 数学模型
• 2.3 高稳态调速系统设计方法
• 2.3.1 PMSM 调速系统建模
• 2.3.2 控制方案的选择
• 2.3.3 模糊控制器设计
• 2.3.4 前馈补偿方案
• 2.4 仿真实例
• 2.5 小结
• 第三章 基于遗传算法的PMSM 伺服系统PID 参数优化
• 3.1 引言
• 3.2 遗传算法PID 参数寻优
• 3.2.1 遗传算法简介
• 3.2.2 数字PID 控制器与遗传算法应用框架
• 3.2.3 PID 参数优化原理
• 3.2.4 程序流程
• 3.3 实验分析
• 3.4 小结
• 第四章 基于BP 神经网络PID 控制的BLDCM 性能优化
• 4.1 引言
• 4.2 BP 神经网络PID 控制BLDCM 调速系统
• 4.2.1 BLDCM 及其数学模型.
• 4.2.2 调速系统硬件结构
• 4.2.3 神经网络PID 控制器
• 4.3 BP 神经网络PID 控制器
• 4.3.1 BP 神经网络拓扑结构设计
• 4.3.2 前向计算过程
• 4.3.3 反向计算
• 4.3.4 算法流程
• 4.4 仿真结果
• 4.5 小结
• 第五章 PID 模糊免疫控制在BLDCM 调速系统中应用
• 5.1 引言
• 5.2 生物免疫系统
• 5.2.1 免疫系统调节机理
• 5.2.2 免疫反馈规律
• 5.3 BLDCM 调速系统控制方式
• 5.3.1 硬件结构
• 5.3.2 免疫控制器设计
• 5.3.3 模糊控制算法在免疫控制器中实现
• 5.4 仿真验证
• 5.5 小结
• 第六章 多电机同步传动系统的性能优化
• 6.1 引言
• 6.2 多电机同步传动系统
• 6.2.1 控制方案比较
• 6.2.2 同步传动系统改进
• 6.3 单神经元PID 控制与系统实现
• 6.3.1 单神经元结构
• 6.3.2 改进型单神经元自适应PID 控制系统
• 6.3.3 正弦波电流跟踪控制
• 6.4 仿真分析
• 6.5 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A：永磁同步电机结构与性能参数的符号约定
• 附录B：作者在攻读硕士学位期间发表的论文