永磁同步电动机动态解耦控制技术研究

永磁同步电动机动态解耦控制技术研究THERESEARCHONPMSMDYNAMICDECOUPLINGCONTROLTECHNIQUE付博哈尔滨工业大学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永磁同步电动机动态解耦控制技术研究硕士研究生：付博导师：刘汉奎副教授申请学位：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:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHERESEARCHONPMSMDYNAMICDECOUPLINGCONTROLTECHNIQUECandidate：FuBoSupervisor：A.Prof.LiuHankuiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：PowerElectronicsandElectricalDrivesAffiliation：Dept.ofElectricalEngineeringDateofDefence：June,2010Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-I-摘要永磁同步电机逐渐成为伺服电机的主流，永磁同步交流伺服系统在高速、高精、高加速度的运动和控制领域得到越来越广泛的应用。本课题来源是国家重大科技专项，IC涂胶显影设备专用伺服系统高速动态性能控制。矢量控制实现了电机定子电流励磁分量与转矩分量的解耦，但这仅实现了二者的静态解耦，不能解除其动态耦合关系。在高加减速过渡过程中，耦合影响加剧，造成电磁转矩波动，降低系统对加速度的控制精度，不能满足现代装备制造业三高一体的要求。依据永磁同步电机数学模型和矢量控制原理，本文对动态过程中出现的耦合现象进行分析，并研究三种动态解耦控制策略：电流反馈解耦控制、内模控制解耦和偏差解耦控制。电流反馈解耦控制是直接将坐标变换后电机中存在的耦合关系补偿掉，较容易实现，但对参数准确性依赖度高，鲁棒性弱。内模控制解耦是以内模控制理论为依据实现的解耦控制，对参数的变化有更好的鲁棒性。偏差解耦控制是将直接控制与交叉控制结合的一种新型控制方法，虽然复杂程度高，但对参数变化不敏感，鲁棒性强。本文从理论推导到建模仿真，对三种动态解耦策略进行了细致的对比分析，并给出了鲁棒性的理论证明。介绍了应用动态解耦策略的伺服系统的主要软硬件设计，并在此平台上实现了动态解耦控制，实验结果证明了动态解耦策略的有效性，提高了伺服系统的高速动态响应性能。关键词：永磁同步电机；动态解耦控制；电流反馈解耦；内模控制；偏差解耦哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-II-AbstractPMSMgraduallybecomethemainstreamservomotor,PMSMACservosystemhavebeenwidelyusedinthehigh-speed,high-precisionandhigh-accelerationmotioncontrolanddrivefield.ThispaperismainlyabouthighperformancecontrolofspecialservosystemwhichusinginICcoatingequipment.VectorcontrolmakesPMSMstatorcurrentexcitationcomponentandtorquecomponentdecouple,butit’sastaticdecoupling,willnotdecouplethedynamiccouplingrelationship.CouplingeffectbecomemoresignificantwhenPMSMoperateinahighspeed,thiseffectmakeselectromagnetictorquefluctuateandreducesaccelerationcontrolprecision,andthecouplingeffectcan’tmeetmodernequipmentmanufacturingindustryrequirementsabouthigh-speed,high-precisionandhigh-acceleration.BasedonPMSMmathematicalmodelandthetheoryofvector-control,thispaperanalyzedthecouplingphenomenawhenPMSMinadynamicstatement,andstudiedthreedynamicdecouplingmethod:currentfeedbackdecouplingcontrol，IMCanderrorcompensationdecouplingcontrol.CurrentfeedbackdecouplingcontroldirectlycompensatedthecouplingcomponentsofPMSMafterthecoordinatetransformation,thisdecouplingmethodwaseasilytorealize,butitdependshighlyontheaccuracyofthemotorparameters,andweakrobustness.IMCrealizedthedecouplingcontrolbasedonthetheoryofinternalmodelcontrol,andmorerobusttotheparametervariation.Errorcompensationdecouplingcontrolisanewmethodwhichhasthemixedstructureofdirectcontrolandcross-couplingcontrol,thoughthismethodhascomplexstructures,morerobustnesstothemotorparameterestimationerrors.Bymeansoftheoreticalanalysisandsimulationstudying,thispapercontraststheperformanceofdifferentvoltagedecouplingmethods,androbustwasprovedtheoretically.Atlast,introducethehardwareandsoftwaredesignofservosystemthatappliedthedynamicdecouplingmethod.Theresultofexperimentconfirmthetheoreticalanalysis,anddynamicdecouplingcontrolhaveagoodperformanceinthehigh-speedoperation.Keywords:PMSM,dynamicdecouplingcontrol，currentfeedbackdecoupling，IMC，errorcompensationdecoupling哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-III-目录摘要.......................................................................................................................IAbstract......................................................................................................................II第1章绪论.............................................................................................................11.1课题背景及研究的目的和意义.......................................................................11.2永磁同步交流伺服系统发展概况...................................................................21.2.1永磁电机的发展........................................................................................21.2.2伺服驱动器的国内外发展........................................................................31.3永磁同步电机控制系统的发展.......................................................................31.3.1限制永磁同步电机控制系统发展的因素................................................31.3.2永磁同步电机控制策略的发展................................................................51.4本课题的主要研究内容...................................................................................7第2章永磁同步电机数学模型及矢量控制............................................................82.1永磁同步电机的数学模型...............................................................................82.1.1永磁同步电机电压平衡方程....................................................................82.1.2坐标变换理论...........................................................................................92.1.3永磁同步电机在dq坐标系上的数学模型..............................................122.2永磁同步电机矢量控制.................................................................................142.2.1永磁同步电机矢量控制基本原理..........................................................142.2.2永磁同步电机电流控制方法..................................................................152.2.3矢量控制中的空间矢量调制技术..........................................................172.3基于矢