磁通切換永磁電機模糊自適應PID控制研究.pdf

1、磁通切換永磁(flux-switching permanent magnet，簡稱FSPM)電機作為一種新型的定子永磁型無刷電機，具有轉(zhuǎn)矩輸出能力強、轉(zhuǎn)矩密度大、易于冷卻和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單等特點，非常適合應用于電動汽車等驅(qū)動領(lǐng)域。
　　然而，F(xiàn)SPM電機電磁性能非線性嚴重，存在磁場飽和、參數(shù)耦合、徑向和軸向漏磁等現(xiàn)象，需要從電機本體設(shè)計、電力電子技術(shù)、先進控制理論三個方面著手處理，即通過優(yōu)化電機本體設(shè)計、選擇諧波總畸變率(total

2、harmonics distortion，簡稱THD)更小的脈寬調(diào)制(pulse width modulation，簡稱PWM)方式以及更適合的非線性控制策略解決上述問題。
　　本文主要研究針對速度控制器的模糊自適應控制策略，將FSPM電機和逆變器看作一個整體作為被控對象。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，簡稱

3、SVPWM)。分別提出了模糊自適應PID（adaptive fuzzyPID，簡稱AF-PID）和改進型直接自適應模糊（improved direct adaptive fuzzy，簡稱IDAF）的控制算法，且提出了一種強魯棒性的數(shù)字轉(zhuǎn)矩觀測器算法。針對FSPM電機性能參數(shù)非線性強的特點，利用SimulinkTM仿真平臺，評估了模糊自適應PID控制策略的參數(shù)敏感性和應對突變負載的抵抗擾動能力，并進行了相應的實驗研究和驗證。本文的主要研究

4、內(nèi)容如下:
　　(1)論述了該課題的研究內(nèi)容和意義，介紹了FSPM電機的工作原理、結(jié)構(gòu)特點和數(shù)學模型，闡明了SVPWM調(diào)制原理，并進行了相應的算法優(yōu)化。
　　(2)利用采樣控制系統(tǒng)（Sampled-Data Systems）理論對電流矢量控制(current vector control，簡稱CVC)的設(shè)計方法進行了深入分析，驗證了經(jīng)典控制理論直接應用連續(xù)時域設(shè)計法的不足之處，提出了基于采樣控制系統(tǒng)理論的永磁同步電機連續(xù)環(huán)路

5、閉合法(Successive Loop Closure)，并采用系統(tǒng)辨識(System Identification)方法和Matlab/Toolbox，設(shè)計了相應的實驗測試方案，為后續(xù)章節(jié)和實驗方法奠定了基礎(chǔ)。
　　(3)闡述了模糊自適應PID的基本理論，分析設(shè)計了FSPM電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的模糊自適應PID速度控制器，進行了相應的仿真研究，仿真結(jié)果表明模糊自適應PID控制具有較強的魯棒性。
　　(4)針對傳統(tǒng)DTC中開環(huán)磁

6、鏈觀測器參數(shù)敏感性差的特點，根據(jù)數(shù)字控制（Digital Control）理論，分析并設(shè)計了基于電壓電流混合模型的閉環(huán)數(shù)字磁鏈觀測器和電流觀測器，通過仿真研究了該數(shù)字觀測器的性能。該觀測器可作為傳統(tǒng)DTC的轉(zhuǎn)矩/磁鏈觀測器，為后續(xù)進行FSPM電機無差拍直接轉(zhuǎn)矩控制(dead-beat direct torque and flux control，簡稱DBDTFC)研究奠定了基礎(chǔ)。同時，為進行DBDTFC實驗提供了相應的分離設(shè)計方案，即首

7、先利用CVC的動態(tài)過程調(diào)試該數(shù)字轉(zhuǎn)矩/磁鏈觀測器的參數(shù)，當觀測器的性能符合設(shè)計指標后，再進行無差拍轉(zhuǎn)矩控制器的閉環(huán)調(diào)試。
　　(5)闡述了直接自適應模糊控制（direct adaptive fuzzy，簡稱DAF）的原理，根據(jù)FSPM電機驅(qū)動控制系統(tǒng)數(shù)字DAF算法的不足，提出了改進型直接自適應模糊(IDAF)算法，并進行了相應的仿真研究，仿真結(jié)果表明該算法能同時保證較好的指令跟蹤（command tracking）和較強的抵抗擾動

8、能力(disturbance rejection)。
　　(6)完成了FSPM電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。對其中的模擬信號處理電路進行了原理性仿真，通過分步測試的工程方法驗證了設(shè)計方案的準確性，指出了模擬環(huán)節(jié)中影響實際控制系統(tǒng)性能的重要因素。詳細分析了所需的硬件電路，主要包括電壓和電流采樣電路、位置信號處理電路、過電流和溫度保護電路、電源電路以及驅(qū)動電路等。
　　(7)完成了FSPM電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。數(shù)字控制器為T

9、MS320F28335，針對其ADC模塊產(chǎn)生的采樣噪聲，根據(jù)FSPM電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的特點，分析設(shè)計了相應的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開源模板的基礎(chǔ)上，改進并完成了軟件的編寫、調(diào)試及硬件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。
　　(8)搭建了FSPM電機驅(qū)動控制實驗平臺，對FSP