基于电流环内模控制的IPMSM矢量控制仿真研究

论文摘要

交流伺服系统在工业控制等领域的应用越来越广泛,人们对伺服控制产品的功能及性价比要求也越来越高。随着新型永磁材料的发现和永磁同步电机制造技术的不断提高;以数字信号处理技术为基础、以永磁同步电机为执行电机、采用高性能控制策略的全数字化永磁同步交流控制系统得到了越来越多的关注,必将成为交流伺服控制系统发展的趋势。本文以矢量控制作为基础,对永磁伺服电机控制系统进行了研究,其中包括以下几个方面的内容。深入地探讨研究了永磁同步电机的结构,根据三种坐标系的变换关系,建立永磁同步电机在对应坐标系中的数学模型,为控制方案的选择打下了基础。空间矢量脉宽调制技术物理概念清晰、算法简单、对直流电压利用率高,易于实现数字化,是交流电机控制中最常用的方法之一。基于内模控制,设计了电流环解耦控制器,改善了电流环性能,而且控制器只有一个可调参数,简化了设计。对于嵌入式PMSM,根据在电流幅值一定的条件下最大输出转矩与β(为等效电流矢量和q轴之间的相位角)之间的关系,将磁阻转矩转换为输出转矩从而提高了输出转矩,改善了系统的控制性能;在速度环采用单步模型算法控制,其计算量比较少,提高了系统的实时性和鲁棒性。本文对电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)做了详细的理论阐述和推导。运用Matlab/Simulink仿真软件对整个系统进行仿真。为巩固对矢量控制的理解,文中首先用iPWM方式对系统进行了仿真,然后论述了SVPWM实现的计算过程和子模块的组成。在iPWM和SVPWM方式下,分别搭建了整个系统的仿真模型进行仿真,得到了转矩、转速、定子电流电压的仿真波形,验证了系统设计的正确性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外PMSM 控制系统现状及发展方向
• 1.2.1 高性能交流永磁同步电动机控制系统现状
• 1.2.2 交流永磁同步电动机控制系统研究方向
• 1.3 PMSM 相关技术的发展
• 1.4 研究课题的目的和意义
• 1.5 本文主要内容及结构
• 第二章 交流永磁同步电动机结构及数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 PMSM 的结构和种类
• 2.2.1 PMSM 的结构
• 2.2.2 永磁电机的分类和特征
• 2.3 交流永磁同步电动机的数学模型
• 2.3.1 永磁同步电动机在三相静止坐标系（abc）中的数学模型
• 2.3.2 永磁同步电动机在两相静止坐标系（αβ）中的数学模型
• 2.3.3 永磁同步电动机在两相旋转坐标系（dq ）中的数学模型
• 2.3.4 三种坐标系下数学模型的变换关系
• 2.4 交流永磁同步电动机控制系统的构成原理
• 2.4.1 变频器的组成和控制
• 2.4.2 控制系统的运行原理
• 第三章 交流永磁同步电动机矢量控制
• 3.1 引言
• 3.2 矢量控制的基本概念
• 3.3 PMSM 的矢量控制
• 3.4 空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术
• 3.4.1 SPWM 和SVPWM 比较
• 3.4.2 SVPWM 实现方法简介
• 3.4.3 SVPWM 的算法及实现
• 3.4.3.1 相邻两矢量作用时间的确定
• 3.4.3.2 判断定子参考电压矢量所在扇区
• 3.4.3.3 确定比较器的切换点
• 3.4.3.4 svpwm 的simulink 实现
• 第四章 PMSM 最大转矩分析及电流环内模控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 最大转矩分析及与dq 轴电流变换关系
• 4.2.1 最大转矩分析
• 4.2.2 最大电磁转矩与dq 轴电流变换关系
• 4.3 电流环内模控制的提出
• 4.4 电流环的内模控制
• 4.4.1 电流环的内部模型
• 4.4.2 内模控制器的结构
• 4.4.3 内模控制器的设计及分析
• 4.4.4 内模控制器的实现
• 4.5 速度环的预测模型算法控制
• 4.5.1 预测模型
• 4.5.2 参考输入
• 4.5.3 最优控制律
• 4.6 控制系统的仿真
• 第五章 系统矢量控制的MATLAB 仿真
• 5.1 引言
• 5.2 MATLAB 简介
• 5.3 系统仿真模型的建立
• 5.3.1 PMSM 本体模块
• 5.3.2 坐标变换模块
• 5.4 基于 iPMW 逆变器的 PMSM 电流环内模控制仿真
• 5.4.1 iPWM 原理简介
• 5.4.2 iPWM 逆变器模块
• 5.4.3 仿真结果
• 5.5 基于SVPWM 电流环内模控制仿真
• 5.5.1 SVPWM 模块组成
• 5.5.2 系统整体
• 5.4.3 仿真结果
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录