基于模糊控制的永磁同步电机驱动系统仿真及实验研究.pdf

发布时间：2022-06-16 发布人：admin 分类：说明书资料大小：5.10M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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封面

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 永磁同步电机驱动系统的组成

1.3 永磁同步电机驱动系统的发展趋势

1.4 本文主要研究内容

第2章永磁同步电机的数学模型及其矢量控制方法

2.1 永磁同步电机的数学模型

2.1.1 参考坐标系与坐标变换

2.1.2 两相旋转坐标系下的数学模型

2.2 永磁同步电机的矢量控制原理

2.2.1 永磁同步电机矢量控制方法分析

2.2.2 电压空间矢量脉宽调制技术

2.3 本章小结

第3章永磁同步电机驱动系统的仿真

3.1 永磁同步电机驱动系统仿真模型的建立

3.1.1 SVPWM生成模块

3.1.2 坐标变换模块

3.1.3 速度环模糊PI调节器模块

3.2 仿真结果及分析

3.3 本章小结

第4章永磁同步电机驱动系统的设计

4.1 系统的硬件电路设计

4.1.1 功率驱动电路设计

4.1.2 电流电压信号检测电路设计

4.1.3 位置速度信号检测电路设计

4.1.4 开关电源电路设计

4.2 系统的软件设计

4.2.1 电流电压信号的计算

4.2.2 位置转速信号的计算

4.2.3 软件程序流程图

4.3 台架实验研究

4.3.1 台架实验系统的组成

4.3.2 实验结果分析

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢

哈尔滨理工大学硕士学位论文基于模糊控制的永磁同步电机驱动系统仿真及实验研究姓名：高宏伟申请学位级别：硕士专业：@指导教师：颜景斌201103

哈尔滨理下人学丁学硕1：学化论文基于模糊控制的永磁同步电机驱动系统仿真及实验研究摘要永磁同步电机(PMSM)因其具有调速范围宽、功率密度大、动态响应快等优点，已经成为传动系统的主流。因此，对高性能永磁同步电机驱动控制系统的研究具有重要意义。本文首先阐述了课题研究的背景、意义和国内外研究现状，概括总结了永磁同步电机驱动系统的发展趋势。其次在深入研究永磁同步电机数学模型和矢量控制基本原理的基础上，分析了几种常用的电流控制方案的优缺点，并根据实际应用的需要，确定了采用ia=O的电流控制策略。将模糊控制与传统PI控制相结合，设计了速度环模糊PI调节器，在MATLAB／Simulink环境下，建立了基于ia=O控制策略的驱动控制系统仿真模型，仿真结果验证了系统设计的合理性。在理论分析和仿真实验的基础上，论文重点设计了以TMS320LF2407为核心的永磁同步电机控制器的硬件电路，详细阐述了各部分电路的功能和软件程序流程。最后通过台架实验对整体设计方案进行分析研究，实验结果验证了本文设计的电机驱动控制系统的可行性。关键词永磁同步电机；模糊控制；仿真

哈尔演理T人学丁学硕l：学位论义SimulationandExperimentalStudyonPermanentMagnetSynchronousMotorDriveSystemBasedonFuzzyControlAbstractPermanentmagnetsynchronousmotor(PMSM)hasbecomethemainstreamofdrivesystemsforitswidespeedrange，highpowerdensity,fastdynamicresponse，etc．Therefore，ithasgreatsignificanceforresearchingthehigh-performancePMSMdrivecontrolsystem．Firstofall，thisdissertationdescribedtheresearchbackground，significanceandresearchstatusathomeandabroad，summarizedthedevelopmenttendencyofPMSMdrivesystem．Secondly,thedissertationanalyzedtheadvantagesanddisadvantagesofseveralcurrentcontrolstrategiesbasedonthemathematicalmodelofPMSMandthebasicprincipleofvectorcontrol，determinedusingthecontrolstrategyofia=Oaccordingtotheneedsofpracticalapplications．Then，thedissertationdesignedspeed—loopfuzzyPIregulatorbycombiningfuzzycontrolwithtraditionalPIcontrolandbuiltthesimulationmodelofthedrivecontrolsystembasedonthecontrolstrategyofia=OwithMATLAB／Simulink．Thesimulationresultsshowedthatthesystem’Sdesignisreasonable．Basedonthetheoreticalanalysisandsimulationexperiment，thedissertationmainlydesignedthehardwarecircuitofPMSMcontrollerwithTMS320LF2407asthecore，detailedthefunctionofeachpartofthecircuitandtheSOfiwareprogramflow．Finally,theoveralldesignofthePMSMcontrollerwasverifiedthroughbenchexperiments．Theresultsverifiedthefeasibilityofthemotordrivecontrolsystem．Keywordspermanentmagnetsynchronousmotor,fuzzycontrol，simulation．1I．

哈尔滨理T人学T学硕Ij学位论文第1章绪论1．1课题研究的背景与意义随着我国经济的快速发展，将不可避免的而临着能源短缺和环境恶化等问题。2010年我国各行业都不同程度地经历了煤、电、油、运的紧张状况：原油价格不断攀升，煤炭供应持续告急，电荒危机开始蔓延，多个省市相继进入拉闸限电的行列。只有正确处理节能减排与合理发用电之间的关系，加强对电力需求侧的管理，提高用户端的用电效率，改进用电方式，才能从根本上实现节能减排的目的。电动机作为将电能转换为机械能的主要执行机构，广泛应用于工农业生产和社会生活的各个方面。据统计，我国各类电机年耗电量约占全国工业电力消耗的70％，其工作效率的高低直接影响着我国节能减排工作的成效。为了缓解经济发展与资源短缺和环境污染之间存在的矛盾，对电动机传动系统的运行效率、控制精度、调速范围、转矩脉动、振动噪声、安全性和可靠性等性能指标提出了更高的要求。随着电机制造技术、电力电子技术、新型永磁材料和现代电机控制理论的发展，高性能的永磁同步电机传动系统逐步具备了调速范围宽、功率因数高、动态响应快、控制性能好及四象限运行等良好的技术性能，因而广泛应用在数控机床、航空航天、工业机器人、电动汽车和军事装备等许多高科技领域，达到了显著的节能效果，并逐渐成为工业传动系统的主流ll，21。1．2永磁同步电机驱动系统的组成驱动控制系统的主要任务就是按照给定指令的要求，通过对控制信号进行变换、调理和功率放大等处理，使执行装置能够满足输出转矩、转速及位置的要求。图1．1给出了交流驱动系统的基本结构组成，主要包括交流永磁同步电机、功率驱动单元、控制单元、位置检测单元和电流检测单元，它是一种典型的速度、电流双闭坏调节系统【3】。功率驱动单元将控制器产生的微弱电信号放大为能够驱动电机运行的强电信号，是永磁同步电机驱动系统的重要组成部分。逆变电路采用智能功率模块…IPM，它集保护电路、驱动电路和功率开关于一体，具有驱动电流小、开关速度快、控制电路简单等特点；内含电流传感器，可以高效迅速地检测出过

哈尔演理T人学T学硕lj学化论义速度给定+控制单元图1一l交流驱动系统结构框图Fig．I-1BlockdiagramofACdrivesystem电流和短路电流，对功率芯片给予实时保护；通过优化设计器件内部电源电路和驱动电路的配线，使得由门极振荡、浪涌电压、噪声等引起的干扰问题得到有效控制。控制单元包含有速度调节器、转矩和电流调节器，用来实现对转矩和转速的实时控制。由于早期的微控制器性能较差，电流环大多通过模拟电路来实现调节控制，系统性能受温度漂移、元件老化等因素的影响较大，可靠性较低，抗干扰能力差。近年来，许多DSP厂商都相继推出了电机控制专用数字信号处理芯片，片内集成了PWM信号产生电路和死区设置电路、电压电流检测用的A／D转换模块、用于参数修改和变量显示的数字I／O接口和用于各种保护的系统中断，大大简化了系统硬件电路的设计，同时也提高了系统的可靠性和性价比【4】。当前常用的位置检测单元有光电编码器、磁性编码器和旋转变压器等。光电编码器根据脉冲产生方式的不同可以分为绝对式、增量式和复合式三种。绝对式光电编码器虽然不需要初始位置检测，但其检测精度不高、制造工艺复杂；增量式光电编码器具有精度高，抗干扰能力强，信号处理电路简单的优点，但是容易受温度变化影响、适应环境能力较差，且无法得到电机的初始位置；复合式光电码盘结合前两者的优点，采取粗精结合的转子磁极位置测量方法，即采用格雷码信号进行粗定位，再用增量式光电脉冲信号进行精定位，但同时也造成了系统成本的增加。磁性编码器具有耗电省、成本低、适合高速运行等优点，但是它的分辨率不高；旋转变压器具有抗冲击性能好、抗干扰能力强、结构坚固耐用等优点，但是其信号处理电路相对复杂。’

哈尔滨理T人学丁学硕Ij学位论文电流检测精度的高低直接决定了系统性能的优劣，目前电流检测单元多采用无接触式的霍尔电流传感器，它不仅具有电流采样范围广、线性度好、精度高等优点，同时还可以实现电气隔离。采样信号经滤波、放大、整流后经A／D送入微处理器，再通过PWM单元输出驱动信号到功率驱动单元完成对电动机的控制。永磁同步电机的发展与永磁材料的发展密切相关。世界上出现的第一台电机，就是用永磁体来产生励磁磁场的永磁电机，但由于当时所用的永磁材料是天然磁铁矿石，其磁能密度低，用它制成的电机体积庞大，很快就被电励磁电机所取代。直到20世纪80年代初，随着铝镍钻、铁氧体和稀土永磁材料的发展，使永磁同步电动机具有体积小、功率密度高、效率和功率因数高等优点，才引起了电机设计及驱动控制人员的广泛关注【5】。1．3永磁同步电机驱动系统的发展趋势永磁同步电机驱动控制系统因其良好的性能指标，自诞生以来，就得到了迅速的发展和广泛的应用。随着控制技术、通信技术和计算机技术的不断发展，永磁同步电机驱动控制系统必然向着以下几个方面发展：全数字化：随着高性能的电机控制专用数字信号处理器的出现，加速了驱动控制系统全数字化的实现进程。将原来的硬件控制变成软件控制，简化了硬件电路，降低了制造成本，提高了系统运行的柔韧性和可靠性，增强了系统设计和使用的灵活性。数字化系统不仅克服了模拟系统参数离散性大和控制精度不高的缺点，还具有自我保护、故障监测、诊断处理等功能。现如今全数字化控制系统已经广泛应用于数控机床、特种加工、精细进给、武器制造和航空航天等领域【61。高智能化：现代控制理论在一定程度上依赖于被控对象的数学模型，不能从根本上解决参数时变、非线性和不确定性等复杂系统的控制问题。而以模糊控制、遗传算法、神经网络、专家系统、自适应控制和变结构控制为代表的人工智能控制策略，则对系统精确建模的要求不高，其在电机控制领域的应用，实现了系统状态自诊断、参数在线调整、故障保护和信息实时显示等功能，提高了系统的可靠性和抗干扰能力，简化了系统调试与维修的复杂性。集成一体化：随着微电子技术的发展，将电机驱动控制器的开关器件、无源器件、传感器等都集成到标准模块中构成电力电子组件，可以较好地解决电磁兼容、高压隔离和参数匹配等问题，从而使控制电路的设计更加灵活，’响应速度更加快捷，有效地减小控制系统的体积和重量，降低了生产成本，提高了

哈尔滨胖T人学丁学硕Ij学位论文控制系统的集成度。网络化：随着人们对控制系统性能指标的要求不断提高，控制系统的结构变得越来越复杂，控制对象由最初的单变量线性对象逐渐发展为多变量非线性对象。执行控制的各部件之11自J要交换的信息增多，并且要实时保持与上位机的联系，在接受控制指令的同时，要报告系统当前的运行状况。随着控制技术、通信技术和计算机技术的发展，传统的控制领域J下经历着lj{『所未有的变革，从最初的计算机集中控制系统，到第二代分散式控制系统，发展到现在的现场总线控制系统，并在各个领域得到了广泛应用，成为控制界研究的热点。1．4本文主要研究内容本文将以永磁同步电机驱动控制系统的开发为背景，对所采用的控制策略进行仿真研究，并完成控制器的硬件研制、软件开发和实验平台的搭建。本文主要完成以下几个方面的工作：1．首先阐述课题研究的背景和意义，概括介绍交流驱动系统的结构组成，并对永磁同步电机驱动系统的发展趋势进行归纳总结。2．深入研究永磁同步电机的数学模型和矢量控制的基本原理，对几种常用的电流控制方案进行分析比较，并根据实际需要，确定出本文所采用的控制策略。3．将模糊控制与传统PI控制相结合，设计出速度环模糊PI调节器，建立系统的仿真模型，利用MATLAB／Simulink软件对该方案进行仿真研究，从而为PMSM驱动控制系统的实现提供理论依据。4．采用Tl公司的TMS320LF2407控制芯片设计永磁同步电机驱动系统的硬件电路，编写相关的软件程序，并且进行初步的台架实验研究。

喻尔滨理V人学T学硕lj学位论文第2章永磁同步电机的数学模型及其矢量控制方法2．1永磁同步电机的数学模型2．1．1参考坐标系与坐标变换本文运用矢量控制的基本原理实现对永磁同步电机转速和转矩的精确控制，主要是通过在三种坐标系之间进行变换，从而获得定子电流中励磁分量与转矩分量的解耦控制，使交流电机获得与直流电机相似的调速性能【7l。三种坐标系实质上是产生旋转磁场的三种方式，电压或电流按照作用效果相同的等效原则在坐标系之间进行变换，从而产生相同的磁势或功率。1．彳坷．C三相静止坐标系PMSM三相绕组轴线分别为坐标系的彳轴、曰轴和C轴，它们彼此之问互差1200空间电角度，构成了彳坍．C三相静止坐标系，如图2．1(a)所示。么坷．C三相静止坐标系是电机的实际坐标系，由于三相绕组在空间上呈对称分布，所以在绕组中通入相位相差1200的三相对称交流电流就可以产生轨迹为圆形的旋转磁场，合成磁感应强度不变。随着时间的变化，合成磁场的轴线以同步角频率∞旋转，电流交变一个周期，磁场也旋转一个周期。2．a-,O两相静止坐标系a-p坐标系中，仅轴和彳坷．C坐标系的爿轴重合，声轴逆时针超前仅轴900空问电角度，如图2．1(b)所示。由于a轴与定子A相绕组轴线的空问关系固定，所以a-p坐标系也是一种静止坐标系。在a-p坐标系的两相绕组中通入两相平衡、相位相差900的交流电流同样可以产生与三相绕组相同的圆形磁场。3．d-q两相旋转坐标系在d-q坐标系中，d轴位于转子磁链轴线上，g轴逆时针超Ii{fd轴900空间电角度，该坐标系和转子一起在空问上以角速度∞旋转，如图2．1(c)所示。若在相互垂直的d-q绕组中通入直流电流幻和iq，就可以形成恒定的磁场，当坐标系本身随转子旋转时，同样也可以产生与前述两种合成磁场等效的圆形磁场。当调解两路直流电流妇和‘中的任何一路时，直流合成磁场的感应强度也得到了调整。因此，通过坐标系之间的变换就可以将三相交流电流定子侧的空问矢量变换到所需的两相旋转坐标系下进行控制和计算。一

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