全数字交流伺服电机自适应算法研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 5.1MB 87 页 15积分
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摘 要
随着电力电子技术以及先进控制理论的应用，永磁同步电机（PMSM）以其结
构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点在工业领域得到广泛应用，对
于PMSM 伺服控制系统的理论和研究成果不断涌现。近年来，继 DSP 之后，随着
对调速系统控制周期要求的不断提高，基于 FPGA 的伺服控制系统设计得到广泛
关注。目前大多数调速系统中，最常用的方法是在转子轴上安装光电编码器，作
为位置传感器，增加了系统的成本，并降低了系统的可靠性和耐用性。因此，在
一些特殊及控制精度要求不高的场合，无速度传感器控制技术得到广泛应用。
本文主要围绕无速度传感器技术在 FPGA 上的硬件化编程设计进行研究。首
先，文章的开始对 PMSM 进行数学模型，并在此基础上，讲述了直接转矩控制技
术的理论基础，以及对基于查找表和空间矢量调制的两种直接转矩控制实现方式
进行了详细分析。然后，提出了基于直接转矩控制技术的无位置传感器自适应控
制算法，并分别对模型参考自适应控制和滑模自适应控制策略进行了阐述。依据
自适应控制原理，在 Xilinx 公司的开发软件 System Generator 下对这两种无速度传
感器控制技术进行硬件化编程设计，并通过仿真验证算法的正确性和可靠性。最
后，本文给出了模拟部分的电路设计和相关器件的选用。
关键词：永磁同步电机，直接转矩控制，模型参考自适应，FPGA
ABSTRACT
With the rapid development of the power electronics and the application of
advanced control theories, Permanent magnet synchronous motor (PMSM) is an
attractive candidates for industry because of its sample structure and high efficiency,
with more and more new theoretical and application achievements on the PMSM servo
control system continuously appearing. In the recent years, with the improving
requirements of the system sample time, the servo control system based on FPGA has
been widely used following it based on DSP. At present, photoelectric encoder, as a
position sensor, install on the rotor, increasing the cost of the system and reducing the
system reliability. Therefore, speed sensorless control for PMSM will be widely used in
some special or low precision situation.
Speed sensorless control based on FPGA , used the hardware model of Xilinx
Blockset, was mainly proposed in this paper. At the first, the theory of direct torque
control technology based on the lookup table and space vector modulation for PMSM,
was introduced. Then, the speed sensorless control arose with the model reference
adaptive control and sliding mode adaptive control. According to the theory of speed
sensorless control, the hardware programming design is built in the system generator
and verified the algortithm by simulation. Finally, the analog part of the PCB board and
the devivces was introduced.
Key Words: Permanent Magnet Synchronous Motor, Direct Torque
Control, Model Reference Adaptive, FPGA
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题的背景和意义 ............................................................................................1
§1.1.1 永磁同步电机的结构和特点 ..................................................................1
§1.1.2 永磁同步电机的发展和研究历程 ..........................................................2
§1.2 永磁同步电机的控制策略 ................................................................................2
§1.2.1 永磁同步电机变压变频控制 ..................................................................3
§1.2.2 永磁同步电机矢量控制 ..........................................................................3
§1.2.3 永磁同步电机直接转矩控制 ..................................................................4
§1.3 永磁同步电机转矩直接控制的国内外研究现状 ............................................5
§1.3.1 低速转矩脉动的抑制 ..............................................................................5
§1.3.2 磁链观测的改进 ......................................................................................5
§1.3.3 无位置传感器技术的研究 ......................................................................7
§1.3.4 模型参考自适应方法 ..............................................................................7
§1.3.5 滑模变结构法 ..........................................................................................8
§1.4 小节 ....................................................................................................................8
第二章 永磁同步电机数学模型分析 .............................................................................9
§2.1 坐标变换 ...........................................................................................................9
§2.1.1 坐标系与 坐标系之间的变换 ......................................10
§2.1.2 坐标系与 坐标系之间的变换 .............................................11
§2.1.3 坐标系与 坐标系之间的变换 ...................................... 11
§2.1.4 坐标系与 坐标系之间的变换 ............................................. 12
§2.2 永磁同步电机的数学模型 .............................................................................12
§2.2.1 永磁同步电机在三相定子坐标系中模型 ............................................12
§2.2.2 永磁同步电机在 坐标系中的模型 ............................................. 14
§2.2.3 永磁同步电机在 坐标系中的模型 ..............................................14
§2.2.4 永磁同步电机在 坐标系中的模型 .............................................. 15
§2.3 本章小结 .........................................................................................................16
第三章 永磁同步电机直接转矩控制原理分析 .........................................................17
§3.1 永磁同步电机直接转矩控制的基本原理 ......................................................17
§3.1.1 引言 ........................................................................................................17
§3.1.2 永磁同步电机直接转矩控制的基本原理 ............................................17
§3.2 基于查找表的直接转矩控制原理 ..................................................................19
§3.2.1 空间电压矢量 ........................................................................................19
§3.2.2 转矩调节信号 和磁链调节信号 ....................................................... 22
§3.2.3 转矩计算和磁链区段的划分 ................................................................23
§3.2.4 开关表 ....................................................................................................25
§3.2.5 基于查找表的永磁同步电机直接转矩控制系统框图 ........................26
§3.3 基于空间矢量调制的直接转矩控制基本原理 ..............................................26
§3.3.1 空间矢量调制技术 ................................................................................27
§3.3.2 参考电压矢量所在扇区 N的判断 .......................................................29
§3.3.3 相邻两电压空间矢量的作用时间的计算 ............................................30
§3.3.4 计算 三相相应的开关时间 ...............32
§3.2.5 基于空间矢量调制的永磁同步电机直接转矩控制系统框图 ............34
§3.4 小节 ..................................................................................................................34
第四章 模型参考自适应控制算法 .............................................................................36
§4.1 模型参考自适应控制的基本原理 ..................................................................36
§4.2 模型参考自适应方法 ......................................................................................37
§4.2.1 电流模型 ................................................................................................37
§4.2.2 磁链模型，电阻估计——交互式 ........................................................40
§4.3 基于查找表的直接转矩控制算法建模 ..........................................................43
§4.3.1 定子磁链模型 ........................................................................................43
§4.2.2 转矩估计模型 ........................................................................................44
§4.2.3 磁链幅值及定子位置估计模型 ............................................................44
§4.2.4 转矩调节信号及磁链调节信号实现模型 ............................................46
§4.2.5 转矩给定模型 ........................................................................................46
§4.2.6 区段判断实现模型 ................................................................................48
§4.2.7 查找表实现模型 ....................................................................................48
§4.4 电流模型参考自适应方法建模仿真 ..............................................................49
§4.4.1 并联可调模型的建模 ............................................................................49
§4.4.2 自适应律模型的建模 ............................................................................50
§4.4.3 电流模型的自适应建模仿真 ................................................................50
§4.5 交互式模型参考自适应方法建模仿真 ..........................................................52
§4.5.1 参考模型的建模 ....................................................................................52
§4.5.2 可调模型的建模 ....................................................................................52
§4.5.3 自适应模型的建模 ................................................................................52
§4.5.4 交互式模型参考自适应仿真 ................................................................53
第五章 滑模变结构自适应方法 .................................................................................56
§5.1 滑模变结构自适应控制的基本原理 ..............................................................56
§5.1.1 滑模变结构控制律 ................................................................................56
§5.1.2 基于瞬时功角检测的速度估算 ............................................................59
§5.2 滑模变结构自适应控制建模 ..........................................................................61
§5.2.1 求解反电动势算法建模 ........................................................................61
§5.2.2 F 矩阵建模 ......................................................................................... 61
§5.2.3 D 逆矩阵建模 .....................................................................................62
§5.2.4 滑模面建模 .........................................................................................62
§5.3 空间矢量调制建模 ..........................................................................................63
§5.3.1 判断扇区 N的算法建模 .......................................................................63
§5.3.2 相邻两电压空间矢量作用时间建模 ....................................................63
§5.3.3 各相作用时间建模 ................................................................................64
§5.4 仿真结果 ..........................................................................................................65
第六章 系统硬件设计 .................................................................................................67
§6.1 系统总体设计介绍 ..........................................................................................67
§6.2 FPGA 外围电路 .............................................................................................. 67
§6.2.1 编码器接口电路 ....................................................................................67
§6.2.2 电流检测电路 ........................................................................................69
§6.2.3 PWM 驱动电路 ..................................................................................... 70
§6.3 控制算法的硬件化实现 ..................................................................................70
§6.3.1 速度计算 ................................................................................................70
§6.3.2 电流计算 ................................................................................................72
§6.3.3 软硬件协同仿真 ...................................................................................76
第七章 总结 .................................................................................................................78
参考文献 .........................................................................................................................80
研究成果 .........................................................................................................................83
致谢 .................................................................................................................................84
第一章 绪论
1
第一章 绪论
近年来，随着电力电子技术、微电子技术、稀土永磁材料的迅速发展，及永
磁电机设计研发经验的成熟，永磁同步电机以其结构简单、体积小、调速范围宽、
低损耗、效率高等优点，在数控机床、工业机器人以及航空航天等国防、工农业
和日常生活中得到广泛应用。而伴随着永磁同步电机广泛的推广应用，使得在分
析和解决永磁同步电机调速和传动控制问题上的研究得到了广泛关注。
本章节主要介绍了永磁同步电机的结构特点以及其发展和研究历程，并对目
前常用的永磁同步电机控制策略的发展情况进行介绍和分析。此外，还重点介绍
了基于直接转矩控制策略的改进方案及其研究成果。
§1.1 课题的背景和意义
§1.1.1 永磁同步电机的结构和特点
永磁同步电机(PMSM ，Permanent Magnet Synchronous Motor)和异步电机一
样也是通过磁场来完成机电能量转化的，由绕线式同步电机发展而来。它采用永
磁体代替了电励磁绕组，由其来产生进行机电转换所需要的气隙磁场，从而省去
了励磁线圈、滑环和电刷，但保留了与绕线式同步电机基本相同的定子结构。永
磁同步电机由定子和转子两部分构成，其中定子主要包括电枢铁心和三相（或多
相）对称电枢绕组，且这些绕组嵌在铁心的槽中；而转子主要由永磁体、导磁轭
和转轴构成。
根据永磁同步电机具体结构、驱动电流波形和控制方式的不同，永磁同步电
机具有两种驱动模式：一种是方波电流驱动的永磁同步电机；另一种是正弦波电
流驱动的永磁同步电机。前者又被称为无刷直流电机，后者被称为永磁同步交流
伺服电机（简称为永磁同步电机）。根据电枢绕组结构型式的不同，又可以把永磁
同步电机分为整数槽绕组结构和分数槽绕组结构两种。根据转子上永磁体安装位
置的不同，可以把永磁同步电机分为表面永磁体同步电机、外嵌永磁体同步电机
和内嵌永磁体同步电机三种[1]。
与传统的异步电机相比，永磁同步电机在性能上具有以下优点[2]：
1） 节能效果明显。永磁同步电机转子是永磁体，而非电励磁绕组，因而没有励磁
损耗；且转子中无绕组，相应的也就没有转子铜耗；再者由于定转子同步旋转，
转子铁心中也没有铁耗。所以，与具有电励磁绕组的异步电机或者同步电机相
比，永磁同步电机的效率明显有较大提高。
摘要：

摘要随着电力电子技术以及先进控制理论的应用，永磁同步电机（PMSM）以其结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点在工业领域得到广泛应用，对于PMSM伺服控制系统的理论和研究成果不断涌现。近年来，继DSP之后，随着对调速系统控制周期要求的不断提高，基于FPGA的伺服控制系统设计得到广泛关注。目前大多数调速系统中，最常用的方法是在转子轴上安装光电编码器，作为位置传感器，增加了系统的成本，并降低了系统的可靠性和耐用性。因此，在一些特殊及控制精度要求不高的场合，无速度传感器控制技术得到广泛应用。本文主要围绕无速度传感器技术在FPGA上的硬件化编程设计进行研究。首先，文章的开始对PMSM进行数学模...

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