本文關(guān)鍵詞：磁通切換永磁電機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制研究

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【摘要】：磁通切換永磁(flux-switching permanent magnet,簡(jiǎn)稱(chēng)FSPM)電機(jī)作為一種新型的定子永磁型無(wú)刷電機(jī),具有轉(zhuǎn)矩輸出能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩密度大、易于冷卻和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn),非常適合應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)等驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。然而,FSPM電機(jī)電磁性能非線(xiàn)性嚴(yán)重,存在磁場(chǎng)飽和、參數(shù)耦合、徑向和軸向漏磁等現(xiàn)象,需要從電機(jī)本體設(shè)計(jì)、電力電子技術(shù)、先進(jìn)控制理論三個(gè)方面著手處理,即通過(guò)優(yōu)化電機(jī)本體設(shè)計(jì)、選擇諧波總畸變率(total harmonics distortion,簡(jiǎn)稱(chēng)THD)更小的脈寬調(diào)制(pulse width modulation,簡(jiǎn)稱(chēng)PWM)方式以及更適合的非線(xiàn)性控制策略解決上述問(wèn)題。本文主要研究針對(duì)速度控制器的模糊自適應(yīng)控制策略,將FSPM電機(jī)和逆變器看作一個(gè)整體作為被控對(duì)象。其中逆變器的調(diào)制方式為電壓型(Voltage-fed),具體為空間電壓矢量脈寬調(diào)制(space-vector pulse width modulation,簡(jiǎn)稱(chēng)SVPWM)。分別提出了模糊自適應(yīng)PID (adaptive fuzzy PID,簡(jiǎn)稱(chēng)AF-PID)和改進(jìn)型直接自適應(yīng)模糊(improved direct adaptive fuzzy,簡(jiǎn)稱(chēng)IDAF)的控制算法,且提出了一種強(qiáng)魯棒性的數(shù)字轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器算法。針對(duì)FSPM電機(jī)性能參數(shù)非線(xiàn)性強(qiáng)的特點(diǎn),利用SimulinkTM仿真平臺(tái),評(píng)估了模糊自適應(yīng)PID控制策略的參數(shù)敏感性和應(yīng)對(duì)突變負(fù)載的抵抗擾動(dòng)能力,并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)論述了該課題的研究?jī)?nèi)容和意義,介紹了FSPM電機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)學(xué)模型,闡明了SVPWM調(diào)制原理,并進(jìn)行了相應(yīng)的算法優(yōu)化。(2)利用采樣控制系統(tǒng)(Sampled-Data Systems)理論對(duì)電流矢量控制(current vector control,簡(jiǎn)稱(chēng)CVC)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入分析,驗(yàn)證了經(jīng)典控制理論直接應(yīng)用連續(xù)時(shí)域設(shè)計(jì)法的不足之處,提出了基于采樣控制系統(tǒng)理論的永磁同步電機(jī)連續(xù)環(huán)路閉合法(Successive Loop Closure),并采用系統(tǒng)辨識(shí)(System Identification)方法和Matlab/Toolbox,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案,為后續(xù)章節(jié)和實(shí)驗(yàn)方法奠定了基礎(chǔ)。(3)闡述了模糊自適應(yīng)PID的基本理論,分析設(shè)計(jì)了FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID速度控制器,進(jìn)行了相應(yīng)的仿真研究,仿真結(jié)果表明模糊自適應(yīng)PID控制具有較強(qiáng)的魯棒性。(4)針對(duì)傳統(tǒng)DTC中開(kāi)環(huán)磁鏈觀測(cè)器參數(shù)敏感性差的特點(diǎn),根據(jù)數(shù)字控制(Digital Control)理論,分析并設(shè)計(jì)了基于電壓電流混合模型的閉環(huán)數(shù)字磁鏈觀測(cè)器和電流觀測(cè)器,通過(guò)仿真研究了該數(shù)字觀測(cè)器的性能。該觀測(cè)器可作為傳統(tǒng)DTC的轉(zhuǎn)矩/磁鏈觀測(cè)器,為后續(xù)進(jìn)行FSPM電機(jī)無(wú)差拍直接轉(zhuǎn)矩控制(dead-beat direct torque and flux control,簡(jiǎn)稱(chēng)DBDTFC)研究奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),為進(jìn)行DBDTFC實(shí)驗(yàn)提供了相應(yīng)的分離設(shè)計(jì)方案,即首先利用CVC的動(dòng)態(tài)過(guò)程調(diào)試該數(shù)字轉(zhuǎn)矩／磁鏈觀測(cè)器的參數(shù),當(dāng)觀測(cè)器的性能符合設(shè)計(jì)指標(biāo)后,再進(jìn)行無(wú)差拍轉(zhuǎn)矩控制器的閉環(huán)調(diào)試。(5)闡述了直接自適應(yīng)模糊控制(direct adaptive fuzzy,簡(jiǎn)稱(chēng)DAF)的原理,根據(jù)FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字DAF算法的不足,提出了改進(jìn)型直接自適應(yīng)模糊(IDAF)算法,并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真研究,仿真結(jié)果表明該算法能同時(shí)保證較好的指令跟蹤(command tracking)和較強(qiáng)的抵抗擾動(dòng)能力(disturbance rejection)。(6)完成了FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。對(duì)其中的模擬信號(hào)處理電路進(jìn)行了原理性仿真,通過(guò)分步測(cè)試的工程方法驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性,指出了模擬環(huán)節(jié)中影響實(shí)際控制系統(tǒng)性能的重要因素。詳細(xì)分析了所需的硬件電路,主要包括電壓和電流采樣電路、位置信號(hào)處理電路、過(guò)電流和溫度保護(hù)電路、電源電路以及驅(qū)動(dòng)電路等。(7)完成了FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。數(shù)字控制器為T(mén)MS320F28335,針對(duì)其ADC模塊產(chǎn)生的采樣噪聲,根據(jù)FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn),分析設(shè)計(jì)了相應(yīng)的ⅡR數(shù)字濾波器。根據(jù)2015版MotorWareTM的代碼規(guī)范,在CCS6.1中編寫(xiě)了ⅡR數(shù)字濾波器算法和AF-PID算法,給出了算法的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖和程序?qū)崿F(xiàn)流程,在2013版ControlSuiteTM開(kāi)源模板的基礎(chǔ)上,改進(jìn)并完成了軟件的編寫(xiě)、調(diào)試及硬件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。(8)搭建了FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)FSPM電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)仿真中設(shè)計(jì)的工程測(cè)試方法和算法,進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和結(jié)果分析。
【關(guān)鍵詞】：永磁電機(jī) 磁通切換 采樣控制系統(tǒng) 非線(xiàn)性控制 模糊 自適應(yīng) 數(shù)字控制 觀測(cè)器 數(shù)字濾波器 數(shù)字信號(hào)處理器
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TM351;TP273
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-23
• 1.1 研究背景13
• 1.2 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其調(diào)速系統(tǒng)13-15
• 1.3 FSPM電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制方式15-18
• 1.3.1 電流矢量控制(current vector control,CVC)16-17
• 1.3.2 直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control,DTC)17
• 1.3.3 無(wú)差拍直接轉(zhuǎn)矩磁鏈控制(dead-beat direct torque and flux control,DBDTFC)17-18
• 1.4 FSPM電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制18-19
• 1.5 模糊自適應(yīng)控制19-20
• 1.6 論文研究?jī)?nèi)容20-21
• 1.7 論文組織結(jié)構(gòu)21-23
• 第二章 FSPM電機(jī)數(shù)學(xué)模型和SVPWM調(diào)制原理23-33
• 2.1 FSPM電機(jī)工作原理23-24
• 2.2 FSPM電機(jī)數(shù)學(xué)模型24-26
• 2.2.1 FSPM電機(jī)數(shù)學(xué)模型的簡(jiǎn)化24-25
• 2.2.2 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向同步坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型25-26
• 2.3 SVPWM調(diào)制原理26-31
• 2.3.1 常規(guī)SVPWM算法28-29
• 2.3.2 SVPWM算法的實(shí)現(xiàn)及其優(yōu)化29-31
• 2.4 本章小結(jié)31-33
• 第三章 電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)33-55
• 3.1 三相逆變器控制建模34-36
• 3.2 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流環(huán)等效模型36-48
• 3.2.1 逆變器負(fù)載為阻感性負(fù)載37-43
• 3.2.2 逆變器負(fù)載為FSPM電機(jī)模型43-47
• 3.2.3 電壓極限線(xiàn)性調(diào)制區(qū)域限幅47-48
• 3.3 電流環(huán)控制器設(shè)計(jì)48-50
• 3.4 轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì)50-52
• 3.5 仿真結(jié)果及分析52-54
• 3.6 本章小結(jié)54-55
• 第四章 基于模糊自適應(yīng)PID的轉(zhuǎn)速控制器55-71
• 4.1 模糊系統(tǒng)歷史55
• 4.2 模糊系統(tǒng)基礎(chǔ)55-57
• 4.2.1 模糊數(shù)學(xué)55-56
• 4.2.2 模糊系統(tǒng)56-57
• 4.3 基于AF-PID算法的轉(zhuǎn)速控制器57-69
• 4.3.1 Ⅰ型AF-PID算法58-65
• 4.3.2 Ⅱ型AF-PID算法65-69
• 4.4 本章小結(jié)69-71
• 第五章 數(shù)字轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器設(shè)計(jì)71-79
• 5.1 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的定子磁鏈觀測(cè)器71-73
• 5.2 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的定子電流觀測(cè)器73-74
• 5.3 數(shù)字轉(zhuǎn)矩估計(jì)器74
• 5.4 仿真結(jié)果及其分析74-78
• 5.4.1 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的定子磁鏈觀測(cè)器的仿真74-75
• 5.4.2 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的定子電流觀測(cè)器75-77
• 5.4.3 數(shù)字轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器77-78
• 5.5 本章小結(jié)78-79
• 第六章 基于直接自適應(yīng)模糊控制的轉(zhuǎn)速控制器79-95
• 6.1 直接自適應(yīng)模糊理論79-83
• 6.1.1 自適應(yīng)模糊的分類(lèi)79
• 6.1.2 直接自適應(yīng)模糊的問(wèn)題描述79-80
• 6.1.3 直接自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)80
• 6.1.4 自適應(yīng)律的設(shè)計(jì)80-83
• 6.2 基于直接自適應(yīng)模糊控制的轉(zhuǎn)速控制器83-87
• 6.2.1 直接自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計(jì)83-85
• 6.2.2 更新因子模糊控制器的設(shè)計(jì)85-86
• 6.2.3 速度控制器的設(shè)計(jì)86-87
• 6.3 仿真研究87-94
• 6.3.1 未采用副模糊在線(xiàn)調(diào)整更新因子(只利用主模糊作為控制器)88-91
• 6.3.2 采用副模糊在線(xiàn)更新調(diào)整因子91-94
• 6.4 本章小結(jié)94-95
• 第七章 硬件電路方案設(shè)計(jì)與測(cè)試95-117
• 7.1 硬件電路方案設(shè)計(jì)95-106
• 7.1.1 電壓采樣電路設(shè)計(jì)95-96
• 7.1.2 電流采樣電路設(shè)計(jì)96-102
• 7.1.3 過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)102-104
• 7.1.4 位置信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)104-105
• 7.1.5 電源方案設(shè)計(jì)105-106
• 7.1.6 驅(qū)動(dòng)電路部分106
• 7.2 硬件電路測(cè)試106-114
• 7.2.1 主電源和參考電平部分107
• 7.2.2 位置信號(hào)調(diào)理電路107-108
• 7.2.3 電壓采樣調(diào)理電路(未加電壓傳感器)108-109
• 7.2.4 電流采樣調(diào)理電路(未帶電流傳感器測(cè)試)109-110
• 7.2.5 電流信號(hào)保護(hù)電路110-111
• 7.2.6 電流信號(hào)采樣調(diào)理電路(帶電流傳感器測(cè)試)111-112
• 7.2.7 電壓信號(hào)采樣調(diào)理(帶電壓傳感器測(cè)試)112-113
• 7.2.8 驅(qū)動(dòng)電路113-114
• 7.3 功率電路114-115
• 7.4 本章小結(jié)115-117
• 第八章 軟件方案設(shè)計(jì)117-129
• 8.1 程序主框架117-127
• 8.1.1 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)119-121
• 8.1.2 轉(zhuǎn)子位置計(jì)算121
• 8.1.3 轉(zhuǎn)速計(jì)算及速度信號(hào)數(shù)字濾波器121-124
• 8.1.4 數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)124-125
• 8.1.5 模糊自適應(yīng)PID算法125-127
• 8.2 本章小結(jié)127-129
• 第九章 FSPM電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證129-165
• 9.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)129-130
• 9.2 三相對(duì)稱(chēng)阻感性負(fù)載測(cè)試130-139
• 9.2.1 SVPWM調(diào)制測(cè)試130-132
• 9.2.2 電流開(kāi)環(huán)測(cè)試132-133
• 9.2.3 電流閉環(huán)測(cè)試133
• 9.2.4 IIR數(shù)字濾波器133-139
• 9.3 FSPM電機(jī)電流環(huán)測(cè)試139-147
• 9.3.1 內(nèi)外飽和鉗制并聯(lián)型PID數(shù)字控制器139-140
• 9.3.2 位置式內(nèi)外飽和鉗制并聯(lián)型PI140-143
• 9.3.3 前向歐拉法數(shù)字PI控制器143-147
• 9.4 FSPM電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試147-162
• 9.4.1 前向歐拉法PI148-150
• 9.4.2 模糊自適應(yīng)PID控制150-162
• 9.5 實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題與思考162-164
• 9.6 本章小結(jié)164-165
• 第十章 總結(jié)與展望165-169
• 10.1 全文總結(jié)165-166
• 10.2 課題展望166-169
• 致謝169-171
• 參考文獻(xiàn)171-177
• 攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果177

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5 方煒;空天飛行器再入飛行的模糊自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制[D];南京航空航天大學(xué);2008年

6 張松濤;模糊多模型船舶運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究[D];大連海事大學(xué);2006年

7 王志勇;基于模糊混沌的板形識(shí)別與控制技術(shù)的研究[D];燕山大學(xué);2006年

8 韓京元;非線(xiàn)性板球系統(tǒng)的監(jiān)督分層智能自適應(yīng)控制算法研究[D];吉林大學(xué);2014年

9 吳學(xué)禮;兩類(lèi)非線(xiàn)性過(guò)程的智能控制方法及其應(yīng)用研究[D];華中科技大學(xué);2005年

10 楊光友;混合粒子群優(yōu)化及其在嵌入式智能控制中的應(yīng)用[D];武漢理工大學(xué);2006年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 張恒;基于模糊PID的電熱前床控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D];昆明理工大學(xué);2015年

2 黃西密;無(wú)人艇建模及操縱運(yùn)動(dòng)仿真的研究[D];大連海事大學(xué);2015年

3 司亞楠;罐裝SO_2用于制糖澄清工段的硫熏強(qiáng)度模糊PID控制系統(tǒng)研究[D];廣西大學(xué);2015年

4 張若谷;蒸汽鍋爐燃燒系統(tǒng)不同工況特性分析及控制方案研究設(shè)計(jì)[D];廣西大學(xué);2014年

5 陳優(yōu);基于模糊-PID的ATO系統(tǒng)速度控制算法的研究[D];湘潭大學(xué);2015年

6 王士力;基于節(jié)能控制系統(tǒng)的模糊自適應(yīng)PID研究[D];齊齊哈爾大學(xué);2015年

7 沈建新;基于模糊自適應(yīng)PID的水處理PH值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];吉林大學(xué);2015年

8 邊志堅(jiān);模糊PID在鑄錠爐溫控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D];河北科技大學(xué);2015年

9 林琳;中央空調(diào)蒸發(fā)器建模與控制研究[D];沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué);2016年

10 徐寧;維生素C生產(chǎn)過(guò)程中濃縮工段溫度控制研究[D];河北科技大學(xué);2015年

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本文編號(hào)：790937