交流永磁同步伺服系统电流环带宽拓展技术研究

硕士学位论文交流永磁同步伺服系统电流环带宽拓展技术研究THERESEARCHOFCURRENT-LOOPBANDWITHEXPANDINGTECHNOLOGYFORAC-PMSMSERVOSYSTEM牛里哈尔滨工业大学2010年6月国内图书分类号：TM351学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工学硕士学位论文交流永磁同步伺服系统电流环带宽拓展技术研究硕士研究生：牛里导师：徐殿国教授申请学位：工学硕士学科：电力电子与电力传动所在单位：电气工程及其自动化系答辩日期：2010年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex：TM351U.D.C.:621.3DissertationfortheDegreeofMasterinEngineeringTHERESEARCHOFCURRENT-LOOPBANDWITHEXPANDINGTECHNOLOGYFORAC-PMSMSERVOSYSTEMCandidate：NiuLiSupervisor：Prof.XuDianguoAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：PowerElectronicsandElectricalDrivesAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringandAutomationDateofDefence：June,2010Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着永磁材料与交流伺服系统的发展，采用高性能控制策略的全数字化永磁同步交流伺服控制系统必将成为伺服控制系统发展的趋势。因此，研究永磁同步电机伺服系统，具有重要的现实意义。本文首先对交流永磁伺服系统的发展概况和传统的矢量控制方式进行了介绍。在传统的矢量控制策略中，分析了影响系统电流环带宽的各种因素。在不改变硬件条件的前提下，为了减小系统主要延时环节提出了双采样双更新的控制策略，并在理论上对比了双采样方式与传统矢量控制方式在相同PWM周期下的系统带宽，证明了双采样方式可以提高系统带宽频率近一倍。为了进一步提高系统电流环带宽，根据经典的状态空间函数的形式，在同步旋转轴系下得到了永磁同步电机基于预测控制要求的数学模型，并且推导出电压源型逆变器的预测控制模型。进而提出了两种预测控制算法：基于选择昀优开关状态的直接预测控制算法，给出了系统响应符合控制要求程度评价函数；和基于无差拍控制的PWM预测控制算法，并提出了其限制条件和优化算法。在系统响应、控制精度、谐波含量、计算时间等方面对比了提出的两种预测控制算法。昀后在Matlab/Simulink环境下建立了交流永磁伺服系统的矢量控制的仿真模型，以及直接预测控制模型和PWM预测控制模型，并对本文所提出的算法进行仿真实验。同时在基于TMS320F2812DSP的伺服系统进行实物实验。仿真和实验波形均验证了本文所提出的算法的正确性。关键词永磁同步电机矢量控制双采样双更新电流预测控制-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-II-AbstractWiththedevelopmentofpermanentmagneticmaterialsandAC-Servosystem,permanentmagneticsynchronousmotor(PMSM)servosystem,withhigh-performanceandall-digitalcontrolstrategy,willbecomeatrendofservocontrolsystemdevelopmentinevitably.Therefore,studyingonPMSMservosystemisimportantpracticalsignificance.Inthisthesis,firstly,thedevelopmentofAC-PermanentservosystemandconventionalFieldOrientedControl(FOC)isintroduced,andthefactorsofimpactingonthebandwidthofsystemcurrentloopareanalyzed,whichintheconventionalFOCstrategy.Todecreasethemaindelayofservosystem,proposedthedual-samplinganddual-updatingstrategy(DSDU),underthepremiseconditionofwithoutchangingthehardware.And,intheory,contrastthesystembandwidthbetweenDSDUstrategyandFOCstrategyunderthesamePWMcycle,thathasprovedtheDSDUstrategyimprovethesystembandwidthnearlydouble.Toimprovethesystemcurrentloopbandwithfurtherly,accordingtotheformofstatespacefunction,themodelofPMSMinthesynchronousrotorframeisderived,andthepredictivemodelofvoltagesourceinverter.Andthen,thedirectpredictivecontrolarithmeticbasedonselectingtheoptimalswitchingcondition,andacostfunctionthatevaluatesthedistanceofthepredictedsystemstatetothedesiredvaluesareproposed.ThePWMpredictivecontrolarithmeticbasedonthedead-beatcontrol,andthelimitationsandoptimalarithmeticareproposed.Atlast,thethesiscontraststheproposedtwopredictivecontrolarithmeticinthewayofsystemresponse,controlprecision,harmoniccontentandelapseoftime.Finally,theFOC,DirectPredictiveControlandPWMPredictiveControlsimulationmodelinMatlab/Simulinkenvironmentarebuilduptosimulatetheproposedalgorithm.AlsoexperimenttheproposedalgorithminphysicalexperimentalsetupbasedonTMS320F2812.Simulationandexperimentalresultsverifythecorrectnessoftheproposedalgorithm.Keywords：PMSM,FOC,dual-samplinganddual-update,currentpredictivecontrol哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要...............................................................................................................................IAbstract.......................................................................................................................II第1章绪论................................................................................................................11.1本研究课题的目的与实际意义.......................................................................11.2国内外在该方向的研究现状及分析...............................................................21.2.1永磁同步电动机的发展概况....................................................................21.2.2电力电子技术的发展概况........................................................................41.2.3电子技术的发展........................................................................................61.2.4交流电机控制策略的发展概况................................................................61.3本研究课题的来源及主要研究内容...............................................................8第2章PMSM矢量控制及预测控制策略................................................................92.1永磁同步电机数学模型...................................................................................92.1.1永磁同步电机的基本方程........................................................................92.1.2坐标变换..................................................................................................102.1.3坐标变换后PMSM的数学模型..............................................................132.2永磁同步电机矢量控制.................................................................................162.2.1矢量控制基本原理..................................................................................162.2.2矢量控制下的空间矢量调制(SVPWM)................................................182.3电流控制策略.................................................................................................232.3.1线性控制策略...............