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随着集成电路、电力电子技术和计算机技术及电机制造技术的发展与进步,交流伺服技术得到了迅速发展,特别是以交流永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor缩写为PMSM)为代表的伺服电动机由于具有其他电动机所不可替代的优越性,其应用面广,发展速度快,近年来得到了国内外各大公司、科研院所的高度重视。
PMSM具有结构简单体积小、气隙磁密高、转矩脉动小、转矩/惯量比大、效率高、转子消耗小、可靠性好以及对环境的适应性强等优点,在要求高控制精度和高可靠性的场合,如航空航天、数控机床、雷达与各种军用武器跟随系统以及机器人等方面获得了广泛的应用,在现代交流电机中占有举足轻重的地位。
利用交流伺服电动机构成的系统越来越呈现多样化和复杂化,对伺服控制提出了更高的要求:希望伺服系统具有一定的自适应能力和较强的抗干扰能力。并且PMSM自身就是具有一定非线性、强耦合性及时变性的系统,因此按常规控制策略是很难满足高性能PMSM伺服系统的控制要求。
滑模变结构控制的滑动模态可以进行设计,对系统参数变化和外部扰动不敏感,具有鲁棒性好、响应速度快及容易实现等优点。因此将滑模变结构控制应用于交流永磁同步电机伺服系统的控制中,有望设计出高品质的控制策略。该理论在工程应用中最大的障碍是高频开关控制带来的抖动现象。本文在对PMSM的数学模型和控制理论进行全面、深入研究的基础上,应用滑模变结构控制理论,克服系统的参数变化和外界扰动的不良影响,以实现具有一定优良性能的交流伺服系统。
本论文的研究内容包括:
1.首先对交流伺服系统及滑模变结构理论的发展现状进行了较为详细的评述,分析了在交流伺服系统中应用滑模变结构策略的优缺点。
2.其次在分析和探讨永磁同步电机结构的基础上,并参照永磁同步电机的基本方程推导出其数学模型,之后阐述坐标变换的基本理论,并完成了坐标变换在Matlab/Simulink中的模块化设计;在此基础上重点分析永磁同步电动机在两相坐标系上的数学模型。
3.在对基于转子磁场定向的矢量控制(FOC)和基于定子磁链观测的直接转矩控制(DTC),这两种目前电动机调速系统中主要的控制策略进行比较优缺点的基础上,选择FOC控制策略,并利用滑模变结构理论的优点来克服FOC对转子参数变化有影响的缺点,继而更大程度实现二者的最优化。
4.为解决传统变结构控制的抖动问题,提出并设计了一种改进型趋近律的滑模变结构控制器。这种趋近律结合了传统的指数趋近律和幂次趋近律的优点,对抖振问题有了明显的抑制并且该控制器响应速度快。最后利用Matlab软件进行仿真,仿真结果表明控制器设计方法实现简单并且性能优良、很好的削弱抖振问题,并且具有很好的鲁棒性,具有一定的实用性。