永磁同步电机矢量控制系统研究

论文摘要

随着集成电路技术、电力电子技术和控制技术的发展,永磁同步电机(PMSM)作为执行部件广泛运用于数控机床、机器人系统及工业控制等高精度的伺服驱动系统中。本文研究永磁同步电机矢量控制系统价值明显,并将为工业应用提供一定的参考价值。永磁同步电机是一个多变量、非线性、强耦合的对象,故要想取得高性能的控制性能指标,需要对电机原始数学模型中的变量进行解耦。本文首先分析研究了永磁同步电机三种不同的数学模型,并通过三者之间的变换关系,获得实现电机解耦的坐标变换矩阵,由此推出了矢量控制的本质所在。矢量控制,就是利用坐标变换,将永磁同步电机等效为直流电机,实现转矩电流和励磁电流的单独控制,进而实现电机转矩或转速的精确控制。通过分析研究几种不同的矢量控制的电流控制策略,得出选用id=0的控制模型的优点。本文采用id=0的电流控制方法,利用TI公司的电机专用控制芯片TMS320LF2812DSP组建控制最小系统；然后利用传感器检测电机电流、转速和转子位置信息,实现参数反馈；通过电流环和速度环实现整个电机系统的双闭环控制。针对如何提高永磁同步电机控制系统的性能,本文从理论上进一步研究,还设计了一种新型的以自适应神经模糊推理系统(ANFIS)为模型的速度控制器来实现速度环控制。ANFIS充分利用神经网络的学习能力与映射能力,实现模糊系统的自学习、自适应功能。仿真表明其控制效果较传统PID控制而言,不仅响应速度快、超调小,而且稳态精度非常高。课题最后,根据设计原理和思路,搭建了控制系统的硬件实验平台；根据DSP相应特点,配合硬件系统设计了控制软件。在二者实现的基础上,对控制系统进行了全面的调试运行工作,测试了控制系统的电流波形及速度跟随性,并作出了分析与评价,结果表明电机矢量控制算法成功实现,系统有良好的跟随精度,达到了实验预计效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 伺服系统的发展
• 1.2 永磁同步电机伺服系统的发展
• 1.3 中国发展永磁同步电机伺服系统的优势
• 1.4 课题的研究价值及本文主要研究任务
• 2 永磁同步电机伺服控制的理论基础
• 2.1 永磁同步电机结构及工作原理
• 2.2 永磁同步电机的数学模型
• 2.2.1 a、b、c三相静止坐标系中的数学模型
• 2.2.2 α、β、0坐标系中的数学模型
• 2.2.3 d、q、0同步旋转坐标系中的数学模型
• 2.3 永磁同步电机矢量控制技术
• 2.3.1 矢量控制的选择
• 2.3.2 电流控制方法及选择
• 2.4 控制系统的基本控制规律—PID控制
• 2.5 本章小结
• 3 永磁同步电机的SVPWM控制技术
• 3.1 PWM控制技术
• 3.1.1 三种常见的PWM技术
• 3.1.2 空间电压矢量SVPWM控制技术的选择
• 3.2 基于空间电压矢量SVPWM的控制系统
• 3.2.1 空间电压矢量SVPWM的基本原理
• 3.2.2 空间电压矢量SVPWM的设计与系统仿真
• 3.3 本章小结
• 4 智能控制在永磁同步电机调速系统的应用
• 4.1 智能控制的价值与发展
• 4.2 自适应神经模糊控制器（ANFIS）
• 4.2.1 ANFIS原理
• 4.2.2 基于ANFIS控制的PMSM的系统结构
• 4.2.3 ANFIS速度控制器设计
• 4.2.4 学习算法
• 4.3 仿真设计
• 4.4 结论分析
• 4.5 本章小结
• 5 系统实验设计与结果分析
• 5.1 控制系统硬件设计
• 5.1.1 主功率电路的分析设计
• 5.1.2 隔离驱动电路的设计
• 5.1.3 IPM保护电路设计
• 5.1.4 控制电路与检测电路设计
• 5.2 系统软件控制设计
• 5.3 实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 相关硬件
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢