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交流永磁同步电机伺服系统控制策略研究

作　者: 谢玉春
导　师: 李铁才
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 伺服系统永磁同步电机二自由度前馈控制器自适应
分类号: TM341
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

高端制造业具有成长性好、附加值高、关键性强、技术和知识密集、带动性大等特点,是国家“十二五规划”的六大战略性新兴产业之一。伺服驱动系统是现代制造业的重要驱动源之一,永磁同步电机逐步取代步进电机和直流电机,成为伺服驱动的发展方向。由于永磁同步电机伺服系统易受电机参数变化、外部负载扰动等因素的影响,要获得高性能、宽调速范围永磁同步电机伺服系统,必须研究先进的控制策略与控制手段,实现系统强抗扰能力和适应性。鉴于永磁同步电机伺服系统重要的现实意义和广泛的应用前景,本文对永磁同步电机伺服控制技术进行了深入研究,并完成对伺服控制器的设计。首先,通过坐标变换,建立永磁同步电机在三种坐标系下的数学模型。为满足伺服控制系统高精度、宽调速范围和快速响应等性能要求,采用矢量控制算法实现永磁同步电机转矩和磁链的解耦控制。通过对矢量控制的四种不同电流控制方法的比较分析,结合小惯量面装式永磁同步电机的特点和伺服控制系统的控制要求,选定id ?0的转子磁场定向矢量控制方案。其次,按照自动控制系统调节器的工程设计方法,设计电流环和速度环PI调节器,分析电流和速度微分负反馈抑制动态响应超调的机理,通过速度微分负反馈实现速度环的全状态反馈控制。针对单自由度控制器无法同时兼顾跟踪性和抗扰性的问题,研究二自由度控制算法对速度环进行改善,设计简化的滤波型二自由度速度控制器,提高了转速控制的跟踪性能和抗扰性能。再次,为提高位置环控制性能,采用位置复合前馈控制对位置环比例控制器进行改进,消除反馈控制产生的滞后误差,实现位置快速跟踪和准确定位。针对位置环控制性能易受转动惯量变化的影响,通过朗道算法实现转动惯量参数辨识,设计位置环自适应控制器,仿真结果表明位置环具备良好的抗参数摄动能力。最后,研究适于工程实践的永磁同步电机参数测量方法,为控制器设计打下基础。搭建以高性能32位MCU TC1166为核心处理芯片的永磁同步电机伺服系统硬件平台,设计数字控制器,实现高性能控制算法。实验结果表明,系统能够实现位置的快速准确定位和速度的无超调快速响应,满足伺服系统的性能需求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-9
  1.2 伺服系统发展史及国内外研究概况  9-10
    1.2.1 伺服系统的发展史  9
    1.2.2 伺服系统国内外研究现状  9-10
  1.3 永磁同步电机伺服系统特点及关键技术分析  10-12
    1.3.1 永磁同步电机伺服系统特点  10-11
    1.3.2 永磁同步电机伺服系统关键技术分析  11-12
  1.4 本文的主要研究内容  12-14
第2章永磁同步电机速度伺服系统研究  14-36
  2.1 引言  14
  2.2 永磁同步电机的数学模型及矢量控制策略分析  14-21
    2.2.1 永磁同步电机坐标变换  15-17
    2.2.2 三种坐标系下的永磁同步电机数学模型  17-19
    2.2.3 永磁同步电机矢量控制策略分析  19-21
  2.3 电流环与速度环设计与仿真分析  21-29
    2.3.1 电流环PI 控制器设计  21-23
    2.3.2 速度环PI 控制器设计  23-24
    2.3.3 基于微分负反馈原理的双环设计  24-26
    2.3.4 仿真分析  26-29
  2.4 永磁同步电机二自由度控制算法研究  29-35
    2.4.1 速度环二自由度控制器设计  30-33
    2.4.2 仿真分析  33-35
  2.5 本章小结  35-36
第3章永磁同步电机位置伺服系统研究  36-48
  3.1 引言  36
  3.2 位置环P 控制器设计与仿真分析  36-39
    3.2.1 位置环P 控制器设计  36-37
    3.2.2 仿真分析  37-39
  3.3 位置环前馈复合控制算法研究与仿真分析  39-42
    3.3.1 位置环复合前馈控制器设计  39-41
    3.3.2 仿真分析  41-42
  3.4 转动惯量辨识算法研究与仿真分析  42-46
    3.4.1 转动惯量辨识算法研究  42-43
    3.4.2 仿真分析  43-46
  3.5 本章小结  46-48
第4章系统实验结果及分析  48-62
  4.1 引言  48
  4.2 永磁同步电机参数测量  48-52
    4.2.1 电阻、电感参数测量  48-51
    4.2.2 永磁磁链参数测量  51-52
  4.3 永磁同步电机伺服控制系统硬件设计  52-55
    4.3.1 控制电路设计  52-54
    4.3.2 功率电路设计  54-55
  4.4 永磁同步电机伺服控制系统软件设计  55-57
    4.4.1 基于定时器阵列的PWM 信号生成模块  55-56
    4.4.2 伺服控制系统软件设计流程  56-57
  4.5 实验波形及其分析  57-61
  4.6 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-67
攻读硕士学位期间所发表的学术论文  67-69
致谢  69

交流永磁同步电机伺服系统控制策略研究

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