1、 交流伺服系统的控制算法在永磁同步电动机调速系统中的应用摘要I摘要电力电子技术，微电子技术以及 DSP 技术和现代电机控制理论的发展，使得永磁同步电机交流调速系统得以迅速推广，永磁同步电机控制算法的研究也引起国内外学者的广泛关注。本文对自抗扰控制算法在永磁同步电机调速系统中的应用进行了较为深入的研究，主要工作包括，对电机惯量辨识技术的研究与基于惯量辨识的一阶自适应自抗扰控制器的理论与实验研究;二阶自抗扰控制器的理论与仿真研究; 模型补偿自抗扰控制器的理论与仿真研究。论文首先介绍了当前交流伺服系统的发展概况，简要分析了当前永磁同步电机的几种主要控制算法的特点及存在问题。接着介绍了永磁同步电机调速
2、系统的原理，在对自抗扰控制原理进行介绍之后，设计出永磁同步电机的一阶自抗扰控制器，并对其参数调整规律进行了深入的实验研究。和变 PI 控制方案相比，本文的一阶简化自抗扰控制方案有着更好的动态性能和更强的抗干扰能力。然后，基于惯量辨识研究了一阶自适应自抗扰控制器在永磁同步电机调速系统中的应用，并对其性能进行了详细的实验分析。实验结果表明，自适应自抗扰控制方案对惯量的变化有着较强的自适应性。最后，针对一阶自抗扰控制方案中用 近似代替 的问题，提出了永磁同步电机的二阶自抗扰控制算法；针对扩张的状态观测器在*qiqi扰动变化大时，对扰动的估计精度不高的问题，提出了模型补偿自抗扰控制算法。并对二阶自抗扰
3、和模型补偿自抗扰算法在永磁同步电机调速系统中的应用也进行了较为深入的研究。仿真研究表明，和一阶自抗扰控制算法相比，这两种方案都有较强的抗负载扰动性能。关键词：自抗扰控制，永磁同步电机，调速，惯量辨识，自适应，阶次，模型补偿AbstractIIAbstractWith the rapid progress in power electronic technology, microelectronic technology, especially digital signal processors (DSP), and control theory, permanent magnetic sync
4、hronous motor (PMSM) AC servo systems are widely utilized. And the research on the control algorithms of PMSM attracts great attention from domestic and foreign researchers. In this paper, the theory and application of active disturbances rejection control (ADRC) algorithm for PMSM speed-regulation
5、system are studied deeply from three perspectives: the research on inertia identification technology, and the theory and experimental research on the application of one-order adaptive ADRC based on inertia identification; the theory and simulation research on two-order ADRC; the theory and simulatio
6、n model-compensation ADRC.The paper can be divided into four parts. First, the background of research on AC servo system is introduced. And the characteristics and flaws of major PMSM control algorithms are discussed in brief, and then the mechanism of PMSM speed-regulation system is illustrated. Se
7、cond, after the analysis of mechanism of ADRC, a simplified one-order ADRC algorithm is designed for PMSM based on vector control scheme, and the rule adjustment of parameters of simplified one-order ADRC is studied by experiments deeply. Experiment results indicate that, compared with time-varying
8、PI control scheme, the simplified one-order ADRC scheme studied in this paper not only shows better transient dynamics, but also improves the anti-disturbance ability. Third, inertia identification technique is studied. Based on inertia identification result, the one-order adaptive ADRC implementati
9、on in PMSM speed-regulation system is studied through simulations and experiments. Simulation and experimental results indicate that, compared with simplified one-order ADRC, the adaptive one-order ADRC has stronger adaptation to the variations of inertia of the drive. In the end, considering that i
10、n one-order ADRC scheme, is replaced by approximately, in order to solve the approximation problem, a two-order ADRC *qiqialgorithm is presented. And considering the disturbance estimation difficulty of extended state observer in the case of big disturbance, a model-compensation ADRC algorithm is pr
11、oposed to solve the problem. Both algorithms for PMSM speed-regulation system are studied deeply by simulation. The results indicate that, both of them have stronger anti-disturbance abilities.Key words: ADRC; PMSM; speed-regulation; inertia identification; adaptation; order; model-compensation目录III
12、目录摘要 .IAbstract.II目录 .III第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 交流伺服系统的控制算法研究现状 .21.2.1 智能 PI 控制 .31.2.2 自适应控制 .31.2.3 滑模变结构控制 .41.2.4 模糊控制 .51.2.5 神经网络控制 .51.2.6 自抗扰控制 .61.3 本课题的选题背景和意义 .61.4 论文的内容及结构 .8第二章 永磁同步电机调速系统的原理及方案实现 .92.1 引言 .92.2 永磁同步电机的数学模型 .92.2.1 永磁同步电机在三相静止坐标系中的数学模型 .102.2.2 电机模型中使用的坐标变换 .102.2.3 电机在
13、 dq坐标系中的模型 .112.3 永磁同步电机的控制策略 .122.3.1 永磁同步电机的矢量控制方案 .122.3.2 永磁同步电机的直接转矩控制 .132.3.3 永磁同步电机的解耦控制 .142.4 基于矢量控制的永磁同步电机伺服系统的组成 .152.4.1 永磁同步电机调速系统的总体结构 .152.4.2 系统的硬件组成 .162.4.3 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F2808 简介 .162.4.4 智能功率模块 IPM 简介 .172.5 永磁同步电机调速系统实验平台 .172.6 小结 .18第三章 永磁同步电机的一阶自抗扰方案的理论与实验研究 .193.1 引言
14、.193.2 自抗扰控制原理 .193.3 永磁同步电机调速系统的一阶简化自抗扰方案设计 .233.4 永磁同步电机的简化自抗扰方案的实验研究 .26东南大学硕士学位论文IV3.4.1 ADRC 的参数调整 .273.4.2 永磁同步电机的简化自抗扰算法的程序实现 .313.4.3 永磁同步电机的参数及实验测试指标和测试方法 .323.4.4 与变 PI 的性能对比 .343.5 小结 .36第四章 永磁同步电机的一阶自适应自抗扰控制的理论与实验研究 .384.1 引言 .384.2 自抗扰控制器在惯量发生变化下的性能分析 .384.2.1 仿真分析 .384.2.2 实验结果分析 .424.
15、3 永磁同步电机的一阶自适应自抗扰控制方案设计 .444.4 惯量辨识的实验研究 .454.4.1 加速度法辨识转动惯量的实验研究 .464.4.2 动态响应法辨识惯量的实验研究 .474.4.3 基于转矩扰动观测器的惯量辨识算法的实验研究 .484.4.4 模型参考自适应法辨识惯量的仿真研究 .524.4.5 小结 .524.5 参数 0b的模糊自调整的实验研究 .534.6 一阶自适应自抗扰的实验研究 .544.6.1 一阶自适应自抗扰算法的程序实现 .544.6.2 一阶自适应自抗扰与简化自抗扰的实验对比 .554.7 小结 .60第五章 永磁同步电机的自抗扰控制改进算法的理论与仿真研究
16、 .615.1 引言 .615.2 永磁同步电机调速系统的二阶自抗扰控制器设计 .615.3 仿真及结果 .635.4 模型补偿自抗扰控制算法的仿真研究 .655.4.1 模型补偿自抗扰控制器的原理 .665.4.2 永磁同步电机模型补偿自抗扰控制器设计 .675.4.3 惯量及阻尼系数的辨识 .695.4.4 负载力矩观测器的设计 .695.5 仿真结果分析 .705.6 小结 .74第六章 结束语 .76参考文献 .79作者在学期间发表的论文 .83第一章 绪论1第一章 绪论1.1 引言电气传动系统是以电机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电机调速控制的自动化系统，主要由电动机
17、和驱动器组成 1。它作为现代工业生产设备的重要驱动源之一，是工业自动化不可缺少的基础技术，广泛应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个方面。根据其所采用的执行部件直流电机或交流电机的不同，可以分为直流电气传动和交流电气传动。直流电气传动和交流电气传动在 19 世纪先后诞生，在大部分时间里，鉴于直流传动有优越的可控性能，高性能可调速传动一般都用直流电机。但是随着工业生产的发展，直流电机的薄弱环节逐渐暴露出来。由于换向器的存在，直流电机工作环境、最高转速、单机容量受到极大限制，已不能适应现代调速的要求。与直流电动机相比，交流电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、而且坚固耐用、运行可靠、维护容
18、易、可适用于恶劣环境等优点。因而各国研究人员纷纷转向交流调速技术的研究。但是在 20世纪的很长一段时期内，由于受科学技术发展的限制，交流电机转矩控制较困难这一问题始终得不到解决，所以交流传动系统的研究与应用并没有取得太大的进展。直到 20 世纪 70 年代，电力电子技术、微电子技术、数字控制技术和现代电机控制理论的发展，为交流电气传动的发展创造了有利条件，尤其是 20 世纪 70 年代初提出的矢量控制原理，在理论上解决了交流电动机的解耦控制的问题，使交流伺服系统在性能上达到甚至超过直流伺服系统。各种通用和高性能的交流传动控制系统相继诞生，交流传动取代直流传动已成为不可逆转的趋势 2。现代交流调
19、速系统由交流电动机、电力电子功率变换器、控制器和检测器四大部分组成。电力电子功率变换器、控制器、电量检测器集中于一体，称为变频器（变频调速装置） 2。交流电机不同，繁衍出不同的交流调速系统。现代交流调速系统主要可分为异步电动机交流调速系统和同步电动机交流调速系统两大类。异步电动机制造容易、价格低，不需要特殊维护，但在控制上采用矢量变换控制时，系统比较复杂，转子电阻随温度变化而影响磁场定向的准确性。同步电动机是以其转速 和供电电源频率 之nsf间保持严格的同步关系而命名的，即只要供电电源频率 不变，则同步电机的转速就为常值。此外，和sf异步机相比同步机还具有一个突出的优点，就是同步电机的功率因数
20、可以调整到 1.0，甚至超前，用于改善电网的功率因数。但是因为同步电机须外加直流励磁，使同步机在结构和维护上都比异步机要复杂一些 3-4。随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，使用永磁材料制成的永磁同步电动机可以实现高效率和高功率密度，同时具有高可靠性。永磁同步电动机因为没有励磁绕组，转子励磁由永磁体产生，因而电路结构简单使得永磁同步电动机成为中小功率交流调速系统的主流，广泛地应用在工业自动化领域中 5。现代交流伺服系统的发展还主要依赖于电力半导体器件的发展，电力半导体器件是现代电力电子设备的心脏和灵魂。电力电子时代是从 60 年代末晶闸管（SCR）的出现开始的，后来陆续推出了其它种类的器
21、件，诸如控制极可关断晶闸管（GTO） ，双极型大功率晶体管（ BJT） ，功率 MOS 场效应晶体管（MOSFET） ，绝缘栅双极型晶体管（IGBT ） ，静态感应晶体管，静态感应晶闸管等。在这个不断发展的过程中，器件的电压、电流定额以及其它电气特性均得到了很大改善。IGBT 是一种复合型功率器件，它东南大学硕士学位论文2集中了 MOSFET 和 BJT 的优点，既具有 MOSFET 高输入阻抗、高速开关特性，又具有 BJT 大电流密度、低导通压降的特性，已成为伺服驱动器的首选功率开关器件。新一代的智能功率模块（IPM）集功率器件IGBT、驱动电路、检测电路和保护电路于一体，从而使装置体积缩小、可靠性高，这种智能型变换器模块必将得到日益广泛的应用 6。微处理器
