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永磁同步电机自抗扰-内模控制系统的研究
摘要
永磁同步电机(PermanentMagnetSynchronousMotor,PMSM)凭借着高效
率、高功率因数、宽调速范围、低转动惯量等优点,被广泛地应用于新能源电动
汽车、可再生能源发电和航天航空等领域。然而,传统的PMSM调速系统存在
着响应速度慢、抗干扰性能差以及交、直轴电压耦合等问题,因此,提高PMSM
控制系统的控制性能是满足高精度控制需求的必要条件。针对以上问题,本文
围绕PMSM控制算法展开研究工作,采用内模控制、自抗扰控制来改善电机的
控制性能。
首先,阐述PMSM控制、内模控制和自抗扰控制的研究现状,并推导d-q
坐标系下PMSM数学模型,同时,对传统PMSM转速-电流双闭环交流调速控
制系统进行分析和设计,并指出其所存在的问题。分析交、直轴电压方程的耦
合机理,阐述并设计电流环电流反馈解耦控制器和转速环自抗扰控制器,为后
续的内模控制与自抗扰控制的研究奠定基础。
其次,为了解决PMSM交、直轴电压耦合的问题,引入内模控制(Internal
ModeControl,IMC)。本文详细分析IMC的控制原理、基本性质以及鲁棒性,
同时研究IMC的设计方法,设计电流环IMC控制器,并将其应用于PMSM交
流调速控制系统,以降低电机中交、直轴电压的动态耦合效应,改善控制系统
的控制性能以及鲁棒性。
然后,为了提高系统的抗干扰性能、平衡系统的“快速性”与“超调性”之
间的矛盾,引入自抗扰控制(ActiveDisturbanceRejectionControl,ADRC)。本
文研究ADRC中非线性函数的性质并对其进行优化设计,优化后的非线性函数
更适合自抗扰“小误差,大增益;大误差,小增益”的要求。同时,针对ADRC
参数整定困难的问题,本文引入天牛须搜索算法对其调节参数进行自整定。优
化后的ADRC控制器可以有效地改善控制系统的调节时间,提高控制系统的控
制性能响应。
最后,对上述两种控制算法在Matlab/Simulink环境中进行仿真与验证,通
过仿真结果分析出两种控制算法的各自优势,同时将电流环IMC控制器与转速
环ADRC控制器相结合,提出一种改进型ADRC-IMC控制策略,以提升控制
-I-
系统的动态响应速度以及抗干扰性能。本文搭建以TMS320F28335作为主控制
芯片的PMSM驱动控制系统硬件实物平台,设计相关的外围硬件电路以及软件
控制算法,以通过实验结果验证本文所提控制方法的合理性以及正确性。
关键词永磁同步电机;内模控制;自抗扰控制;非线性函数;天牛须搜索算法
-II-
ResearchonPMSMControlSystemBasedon
ADRC-IMCStrategy
Abstract
Withtheadvantagesofhighefficiency,highpowerfactor,widespeedrange,and
lowmomentofinertia,PermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM)iswidely
usedinnewenergyelectricvehicles,renewableenergypowergeneration,aerospace,
andotherfields.However,thetraditionalPMSMspeedcontrolsystemhasthe
problemsofslowresponsespeed,pooranti-interferenceperformance,andcross-axis
anddirect-axisvoltagecoupling.Therefore,improvingthecontrolperformanceofthe
PM