基于自抗扰控制的永磁同步电动机伺服系统的研究

第一章绪论 (1)

1.1研究背景及意义 (1)

1.1.1 伺服系统的发展及趋势 (1)

1.2永磁同步电机控制策略 (2)

1.2.1 矢量控制 (2)

1.2.2 直接转矩控制 (3)

1.2.3 现代控制方法的应用 (3)

1.3自抗扰控制器及其应用 (4)

1.4论文主要研究内容 (5)

第二章永磁同步电机的数学模型 (6)

2.1永磁同步电机基本方程 (6)

2.1.1 永磁同步电机转子结构及物理模型 (6)

2.1.2 永磁同步电机在静止ABC坐标系下的数学模型 (7)

2.1.3 永磁同步电机在两相静止?-ˉ坐标系下的数学模型 (9)

2.1.4 永磁同步电机在同步旋转坐标系下的数学模型 (9)

2.2永磁同步电机的矢量控制 (11)

2.2.1 电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术 (11)

第三章自抗扰控制器 (18)

3.1自抗扰控制器的发展 (18)

3.1.1 经典PID控制器的优缺点 (18)

3.1.2 跟踪微分器 (19)

3.1.3 非线性PID (20)

3.1.4 扩张状态观测器 (21)

3.1.5 非线性状态反馈控制律 (22)

3.2自抗扰控制器的组成及参数整定 (23)

3.2.1 自抗扰控制器的组成 (23)

3.2.2 自抗扰控制器参数整定 (24)

3.3自抗扰控制器的线性化处理 (25)

3.4利用模型信息的自抗扰控制器 (26)

第四章永磁同步电机自抗扰控制器设计与仿真 (30)

4.1PMSM自抗扰控制器设计 (30)

4.1.1 PMSM电流环控制器 (30)

4.1.2 PMSM速度环控制器设计 (32)

4.1.3 PMSM位置环控制器设计 (33)

4.2系统仿真验证 (34)

第五章永磁同步电机伺服系统设计 (37)

5.1系统硬件设计 (37)

5.1.1 系统硬件电路结构 (37)

5.1.2 电源电路设计 (38)

5.1.3 电流采样电路 (39)

5.1.4 位置传感器接口电路 (40)

5.1.5 过电压保护检测电路 (41)

5.1.6 过电流检测 (42)

5.2系统软件设计 (42)

5.2.1 系统总体设计 (42)

5.2.2 主程序设计 (43)

5.2.3 中断服务程序 (43)

第六章总结与展望 (46)

6.1工作总结 (46)

6.2展望 (46)

参考文献 (48)

发表论文和科研情况说明 (51)

致谢 (52)

第一章绪论

1.1研究背景及意义

伺服系统通常是指可以根据外部给出的速度、位置、转矩等指令来控制对象的运动状态进行控制，并且可以实时地跟踪指令的某种控制系统。它能够满足精度非常高的任务需求，并能自动、连续地完成用户发出的各种指令。根据指令的不同，伺服系统可以有不同的输出，如速度、位置和运动轨迹等以完成各种加工或制造工艺[1]，因此，它是现代制造业的核心。二十世纪以来，控制理论、电力电子技术及数字信号处理技术的迅速发展，由于交流伺服系统的性能越来好，并且系统的带载能力远超直流伺服系统，因此交流伺服系统已超越直流伺服系统在伺服领域中占主导地位。制造业规模的扩大导致伺服系统需求量的扩大，同时对伺服系统性能的要求也在不断地提高。随着德国“工业4.0”概念的提出和我国的《中国制造2025》的发布，标志着一个全新的制造即将到来。制造工业已经经历了机械化，电气化，数字化并正向智能化发展，而数控系统是智能化的基础。数控系统正在由封闭式结构向开放式结构转变，伺服系统性能的提高对开放式数控系统性能的提高有至关重要的作用。因此，加大对高性能伺服系统的研究力度，不仅可以明显地带来可观的社会价值，同时也可以带动相关高科技产业的发展。

现代交流伺服系统主要由控制器、电力电子功率器件、交流电动机等组成。根据采用交流电机的不同，交流伺服系统也被分为感应交流电机伺服系统和永磁同步交流伺服系统两大类[2]。虽然异步电动机便于制造，价格相对较低，结构坚固，所需维护量少，但采用矢量控制时，系统结构复杂，电机的参数受转子温升影响严重，低速时效率变低。永磁同步电机由高性能永磁材料励磁，不像传统感应电机那样需要由电励磁，因而具有较高的功率因数，结构简单，体积小，可以输出大转矩。因此，永磁同步电动机被广泛用于交流伺服系统的执行机构[3]。

1.1.1伺服系统的发展及趋势

伺服系统的发展是随着电机的应用而发展起来的，它也是一种自动控制系统。1934年，伺服机构这个概念被第一次提出，20世纪40年代，在美国麻省理工学院辐射实验室即前林肯实验室诞生了世界上第一个伺服系统。

控制理论和现代科学技术的高速发展，使伺服系统在高科技领域的应用越来越广泛，如雷达和各种武器的随动系统、激光加工、办公自动化设备、机器人、数控机床、以及柔性制造系统等。

伺服系统由最初的使用液压传动慢慢过渡到电气传动，执行机构由直流电机发展为