永磁同步电机调速系统控制策略研究

论文摘要

二十世纪八十年代以来,永磁同步电机以其体积小、损耗低、可靠性高、维护方便等优点,被广泛应用于交流调速系统中。不断多样化和复杂化的应用场合,对交流调速系统的控制策略提出了更高的要求。本文通过对永磁同步电机调速系统的控制策略的深入研究,力图从多方向促进系统在高性能要求场合的应用。本文的主要工作和成果有：1、介绍了研究背景和基础。首先对交流调速系统控制策略的发展历程进行了综述,着重介绍了模糊控制、自抗扰控制和模型预测控制在交流调速系统中的研究和应用现状。其次描述了永磁同步电机的数学模型和两种基本控制系统,并对比了这两种系统的控制效果。2、详细分析了零矢量在模糊直接转矩控制系统中的作用原理和特点,改进了模糊直接转矩控制的模糊规则库、转矩隶属度函数和电压隶属度函数,保证了零矢量在模糊直接转矩控制中可以充分发挥保持电磁转矩的功能,有效减小了转矩脉动。仿真和实验结果验证了本文提出的包含零矢量的永磁同步电机模糊直接控制算法的有效性。3、针对近似离散最速反馈控制函数(fhan函数)作为自抗扰控制系统非线性控制算法时参数难于整定的问题,首先分析了fhan函数的控制机理,并据此提出了改进的自抗扰控制系统结构。这种结构明确了fhan函数中包含的可调参数的物理意义,从而为按照实际要求确定参数值提供了理论依据。当存在时滞或需要更大的稳定裕度时,只需对其中一个参数微调即可。因此,采用本文改进的自抗扰控制系统结构,大大简化了参数整定过程。仿真和实验结果验证了改进算法的有效性。4、针对传统模型预测控制计算量大、难以在采样周期较短的永磁同步电机调速系统中应用的难题,本文提出了递推模型预测控制策略。与传统模型预测控制中迭代求解操作变量不同,递推模型预测控制首先采用迭代学习算法求取操作变量第一项,随后采用递推Levenberg Marquardt算法求出操作变量其它项。分别计算了传统模型预测控制和递推模型预测控制的时间复杂度,并分析了递推模型预测控制的收敛性,从而理论上说明了提出算法的有效性。仿真结果表明本文提出的递推模型预测控制的计算量比传统模型预测控制大为减小,基于递推模型预测控制的永磁同步电机调速系统具有优良的动静态性能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 调速系统简介
• 1.2 电气调速系统的发展
• 1.3 交流调速系统控制策略的发展现状
• 1.4 本文相关控制策略的发展现状
• 1.4.1 模糊控制
• 1.4.2 自抗扰控制
• 1.4.3 预测控制
• 1.5 永磁同步电机调速系统存在的问题和本文的主要研究内容
• 第2章 永磁同步电机的数学模型及传统控制系统
• 2.1 永磁同步电机的数学模型
• 2.1.1 永磁同步电机空间矢量
• 2.1.2 永磁同步电机基本方程
• 2.2 基于矢量控制的永磁同步电机调速系统
• 2.2.1 永磁同步电机d-q轴模型
• 2.2.2 基于矢量控制的永磁同步电机调速系统的实现
• 2.3 基于直接转矩控制的永磁同步电机调速系统
• 2.3.1 永磁同步电机直接转矩控制原理
• 2.3.2 永磁同步电机直接转矩控制的实现
• 2.4 两种永磁同步电机调速系统的对比
• 第3章 包含零矢量的永磁同步电机模糊直接转矩控制
• 3.1 模糊控制系统原理
• 3.1.1 模糊控制器的设计方法
• 3.1.2 模糊控制器的应用方法
• 3.2 永磁同步电机模糊直接转矩控制
• 3.3 包含零矢量的永磁同步电机模糊直接转矩控制
• 3.3.1 永磁同步电机中零矢量的作用
• 3.3.2 现有的包含零矢量的模糊控制器
• 3.3.3 改进的包含零矢量的模糊控制器
• 3.3.4 两种模糊控制器算例对比分析
• 3.4 仿真和实验分析
• 3.4.1 仿真分析
• 3.4.2 实验验证
• 3.5 本章小结
• 第4章 简化参数调节的永磁同步电机自抗扰控制
• 4.1 自抗扰控制原理
• 4.1.1 跟踪微分器
• 4.1.2 扩张状态观测器
• 4.1.3 非线性控制器
• 4.1.4 自抗扰控制器的结构
• 4.2 永磁同步电机自抗扰控制
• 4.3 简化参数调节的永磁同步电机自抗扰控制
• 4.3.1 简化参数调节的自抗扰控制原理
• NF函数中参数b的评述'>4.3.2 对fhan_NF函数中参数b的评述
• 4.3.3 考虑时滞的自抗扰控制
• 4.3.4 简化参数调节的永磁同步电机自抗扰控制系统结构
• 4.4 仿真和实验研究
• 4.4.1 仿真分析
• 4.4.2 实验验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 永磁同步电机递推模型预测控制
• 5.1 模型预测控制原理
• 5.1.1 模型预测控制结构
• 5.1.2 模型预测控制的数学描述
• 5.1.3 模型预测控制的优化问题求解
• 5.2 永磁同步电机模型预测控制
• 5.3 永磁同步电机递推模型预测控制
• 5.3.1 递推模型预测控制原理
• 5.3.2 递推模型预测控制性能分析
• 5.3.3 永磁同步电机的递推模型预测控制
• 5.4 仿真分析
• 5.4.1 一个采样周期内的仿真结果
• 5.4.2 系统仿真结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间主要的研究成果