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基于电流滑模控制的永磁同步电机磁场定向控制系统的研究与设计

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 永磁同步电机与相关技术的研究现状

1.2.1永磁同步电机的发展

1.2.2永磁同步电机控制策略的发展

1.2.3永磁同步电机电流环控制算法的发展

1.3 本文主要内容

第2章 永磁同步电机数学模型与磁场定向控制策略研究

2.1 永磁同步电机的数学模型

2.1.1静止坐标系下的数学模型

2.1.2旋转坐标系下的数学模型

2.1.3永磁同步电机的状态方程

2.2 磁场定向控制策略

2.2.1永磁同步电机解耦和线性化

2.2.2坐标变换

2.2.3最大力矩电流比控制

2.2.4 SVPWM调制

第3章 永磁同步电机控制算法研究

3.1 速度环PI控制

3.2 电流环滑模控制

3.2.1电流环模型

3.2.2滑模面的设计

3.2.3基于sigmoid函数的新型趋近律的设计

3.2.4控制率的求取

第4章 永磁同步电机调速系统仿真研究

4.1 仿真模型

4.1.1磁场定向控制模型

4.1.2控制算法模型

4.2 仿真结果与分析

第5章 永磁同步电机调速系统实验研究

5.1 硬件设计

5.1.1 IPM介绍与外围电路设计

5.1.2 DSP外围电路设计

5.1.3 电流采样电路设计

5.1.4速度采样电路设计

5.1.5波形观测电路设计

5.1.6 JTAG仿真器设计

5.2 软件设计

5.2.1信号采样

5.2.2 速度计算与滤波

5.2.3 计算调制时间

5.2.4 PWM生成

5.3 实验研究

第6章 总结和展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢

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摘要

随着高能稀土永磁技术的不断发展和进步,永磁同步电机的制作成本越来越低,运行性能越来越高;电力电子技术、DSP技术等技术的飞速发展,控制理论数字化实现的不断进步,给永磁同步电机伺服驱动系统的发展带来了机遇。一场关于永磁同步电机伺服驱动系统的革命在全球范围内展开。
  电流环作为永磁同步电机伺服驱动系统中的最内一环,其动态响应的好坏直接关系到整个伺服系统的控制性能。PI控制以其结构简单易实现的特点是目前电流环主流的控制算法,但是由于永磁同步电机电路系统是一个多变量的非线性系统,PI控制作为传统的线性控制算法越来越难以满足电流环的高性能运行要求。随着现代控制理论的不断发展,近年来以滑模变结构控制为代表的非线性控制方法以其独特的优点在电机控制中获得普遍关注。
  滑模变结构控制属于非线性切换控制算法,具有动态响应快速,对内部参数摄动及外部负载扰动鲁棒性强,物理结构易实现等优点。永磁同步电机调速系统中存在参数变化、负载扰动等一些不确定性因素,滑模变结构算法能够抵御这些影响,提高系统的鲁棒性,保障系统的稳定性。然而由于数字控制系统时间和空间上的滞后,机电系统惯性的存在以及离散化产生的一些影响,会使得滑模变结构控制产生一定的系统抖振。
  基于此,本文提出了一种基于 sigmoid函数的改进趋近律的电流环滑模控制算法,并以此为核心,结合速度环PI控制算法,设计了一种基于电流滑模控制的永磁同步电机双闭环调速系统。首先,根据不同坐标系下永磁同步电机的数学模型和不同磁场定向控制原理,提出了基于 SVPWM调制方式的永磁同步电机转子磁场定向的控制方案,并采用 id=0的控制方式对系统进行解耦和线性化控制;然后,分析了速度环PI控制算法,设计了电流环滑模控制算法,给出了可以应用于数字控制系统的离散控制率;在此基础上,利用Matlab/Simulink对控制系统进行了仿真研究;最后,设计制作了硬件控制电路,编制了基于DSP的控制程序,并搭建了控制系统的实验平台,对该控制系统进行了实验研究。仿真和实验的测试结果证明,系统可以稳定运行,并具有较好的调速特性。

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