磁通切換永磁電機(jī)模糊自適應(yīng)PID控制研究.pdf

1、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，F(xiàn)SPM電機(jī)電磁性能非線性嚴(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

2、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)

3、SVPWM)。分別提出了模糊自適應(yīng)PID（adaptive fuzzyPID，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

4、內(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

5、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

6、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

7、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)

8、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)

9、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)FSP